Modelos para el cálculo de consumo y emisiones gaseosas de la flota de autobuses de Madrid

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1 Modelos para el cálculo de cosumo y emisioes gaseosas de la flota de autobuses de Madrid Agélica Areas J.T.P D.E 1, Facultad de Igeiería, IIDISa 2, Uiversidad Nacioal de Salta, Argetia Pablo Argeti Salguero J.T.P D.S 3., Uiversidad Nacioal de Salta, Argetia José Mª López Martíez Subdirector, Istituto Uiversitario de Ivestigació del Automóvil, España Felipe Jiméez Aloso DDSIV. Istituto Uiversitario de Ivestigació del Automóvil, España Javier Páez Ayuso DDA, Istituto Uiversitario de Ivestigació del Automóvil, España Fracisco Aparicio Izquierdo Director, Istituto Uiversitario de Ivestigació del Automóvil, España RESUMEN E este trabajo se preseta alguos resultados del estudio experimetal de cálculo de emisioes emaadas e codicioes cocretas de la explotació del servicio de la flota de vehículos del trasporte público de pasajeros de la ciudad de Madrid, realizado e el marco de cooperació etre grupos de ivestigació del Istituto Uiversitario de Ivestigació del Automóvil (INSIA) de la Uiversidad Politécica de Madrid y del Istituto de Desarrollo Idustrial (IIDISA) de la Uiversidad Nacioal de Salta. La experiecia cosistió e la adquisició de datos de emisioes de cotamiates y cosumo de combustible mediate u equipo de medida de emisioes a bordo e u vehículo de prueba e codicioes reales de explotació, e los que se tomaro además, datos de variables ciemáticas e distitas líeas y recorridos represetativos de las que coforma el servicio de la Empresa Muicipal de Trasportes de Madrid. Co los datos adquiridos se ha ajustado modelos para la estimació de emisioes cotamiates y cosumo e u esceario de 30 ciclos, co el objetivo de obteer valores por uidad (30 ciclos) que puede ser utilizados como valores de referecia. Por razoes de extesió, e este estudio se preseta los resultados del modelo estadístico 1 JTP DS: Jefe de Trabajos Prácticos - Dedicació Exclusiva 2 IIDISa: Istituto de Igeiería y Desarrollo Idustrial de Salta 3 JTP DS: Jefe de Trabajos Prácticos - Dedicació Semi-Exclusiva 4 DDSIV: Director de la Uidad de Sistemas Iteligetes e Vehículos. 5 DDA: Director de la Uidad de Estudios de Accidetología.

2 para el cálculo del cosumo y las emisioes totales de CO 2 ajustado e fució de variables ciemáticas como la velocidad media del autobús y el tiempo, e ua de las líeas de servicio más largas de la ciudad: la líea Circular Uo (C1). Las expresioes obteidas permite estimar el cosumo de combustibles y emisioes de CO 2 co valores del coeficiete de correlació superior al 70%. A su vez, es posible realizar u aálisis de la gestió de la flota de trasporte ispirada e la comparació de los ciclos de operació de las líeas y la evaluació de los impactos producidos por la sustitució de vehículos y combustibles. Palabras clave: cosumo de combustibles, emisioes cotamiates, flota de trasporte urbao 1. INTRODUCCIÓN 1.1 Descripció geeral La maifestació física de la cotamiació del aire se observa e la presecia de esmog 4 e las ciudades. De hecho, ua de las fuetes más importates de emisioes la costituye los automóviles, auque e zoas rurales la cotribució a este feómeo proviee de los bosques. La eblia se coforma de pequeñas gotas de agua de color amarillo-grisáceo que cotiee sustacias reactivas que se ha trasformado e el aire cotamiado. Estas sustacias so los factores que ocasioa problemas e la salud de la població humaa y para ser amplios, sobre el medio ambiete. La calidad del aire va empeorado, e base a ua regla geeral, co la vía del desarrollo de las comuidades, así el aire de la ciudad de México, se cosidera como uo de los más cotamiados e comparació a muchas ciudades del mudo (Baird, 2001). La atmósfera cotiee oxígeo (O 2 ) que coduce a la oxidació de las sustacias aturales y cotamiates que coforma la masa de aire y luego de su oxidació, estos productos de las reaccioes, fialmete, so depositados e la masa terrestre. El icremeto de la cotamiació e el ambiete y sus efectos adversos ha impulsado a los estados a regular y gestioar los iveles de emisioes permisibles e busca de mejoras e el desempeño de las actividades idustriales y derivados. Ello ha acarreado u progreso e la calidad del aire e las ciudades desarrolladas debido a accioes basadas e la limitació de las emisioes y desarrollado tecología para esas metas ambietales. 1.2 Materiales y métodos E este trabajo se ha utilizado las medicioes de cocetracioes y emisioes de 3 líeas de la Empresa Muicipal de Trasportes de Madrid (EMT). Los datos de las líeas 27 y 145, ha sido utilizados para la caracterizació de los distitos ciclos y mediate el ajuste de distitos modelos, seleccioar las variables explicativas e u trabajo aterior (Areas et al, 2009). Los datos de la líea C1 se ha utilizado para ajustar u modelo propio. Las cocetracioes y catidades de las emisioes medidas e el gas de escape; moóxido de carboo (CO), dióxido de carboo (CO 2 ), óxidos de itrógeo (NO x ), hidrocarburos totales 4 Niebla mezclada co humo y partículas e suspesió, propia de las ciudades idustriales.

3 (THC), como así tambié el cosumo de combustible fuero determiadas mediate el sistema de medició a bordo del vehículo de prueba, O Board Emisió Measuremet System OBS , marca HORIBA (OBS-2200). E el equipo OBS , CO y CO 2 so aalizados utilizado u detector ifrarrojo NDIR (No Dispersive Ifrared). El OBS 2200 determia la catidad de hidrocarburos totales (THC) e muestra utilizado u detector de ioizació de llama (FID) y usa u detector de quimiolumiiscecia (CLD) para NOx, es decir la suma de las catidades de los óxidos NO y NO 2. La medició de la emisió de Partículas (PM) se realizó co el equipo Diesel Particle Measuremet System MAHA. La iformació sobre las características de la flota y las codicioes de explotació de las líeas fuero obteidas de la EMT. Los datos permitiero la selecció de las líeas represetativas del servicio y la realizació de pruebas experimetales bajo codicioes reales de fucioamieto e la operació del trasporte público. Las medicioes e las líeas 27 y 145 se utilizaro para la caracterizació de los ciclos de movimieto y selecció de variables explicativas, e dos situacioes de carga: vacío y media carga y vehículos propulsados co distitos combustibles: biodiesel derivado del cultivo de colza (B100), gas atural (GN) y gasóleo (GO). Tambié se obtuviero las emisioes istatáeas y acumuladas, cosumo de combustible y velocidad del vehículo a cada istate (iforme de las variables medidas co itervalos de u segudo) para cada codició del estudio experimetal. Los resultados de las emisioes y cosumo para la líea Circular uo (C1) se preseta e la secció 3, 2. ANÁLISIS EXPLORATORIO DE LAS LÍNEAS 27 Y 145. CARACTERIZACIÓN DE LOS CICLOS. SELECCIÓN DE LAS VARIABLES EXPLICATIVAS. Las medicioes realizadas e los vehículos se ha aalizado co u programa e Leguaje MATLAB para la obteció de los ciclos característicos adoptados como patró de operació de los vehículos de todas las líeas estudiadas, asumiedo la metodología de cálculo de cosumo y emisioes basadas e la utilizació de la velocidad media como parámetro descriptivo de los ciclos. Los mismos puede ser clasificados e ciclos de movimieto (CiMov) y ciclos de parada (CiPa) (Figura 1), adoptádose como parámetros de los ciclos: la velocidad media propia de u ciclo CiMov, el tiempo de duració e ambos ciclos (CiMov y CiPa), el acumulado de cosumo y emisioes. El estudio estadístico exploratorio de los datos de las líeas 27 y 145 permitió cocluir que e los ciclos CiMov, tato el cosumo como las emisioes se correlacioa e forma lieal co la variable velocidad media multiplicada por el tiempo que dura el ciclo. (Areas et al, 2009).E cuato a los ciclos CiPa, el cosumo y emisioes se correlacioa e fució del tiempo que dura el ciclo de deteció del autobús. E ambos casos, CiMov y CiPa, el modelo lieal preseta u bue ajuste de los datos experimetales, co valores del coeficiete de correlació ( r 2 ) superiores a 75%. E la Tabla 1 se muestra los resultados obteidos del estudio estadístico (variables explicativas y coeficiete de correlació) e la Líea 27 para los ciclos de movimieto (CiMov), e codicioes de media carga y vacío y propulsados a GO (Areas et al, 2009).

4 Fig. 1 Velocidad y tiempo e u ciclo característico de operació del autobús. Líea 27 e codició de Media Carga Emisió de CO 2 [g/ciclo] Velocidad Media e Km/h] Velocidad media por tiempo [m] Emisió de THC [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Emisió de NOx [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Emisió Partículas [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Cosumo [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Líea 27 e codició de Vacío Emisió de CO 2 [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Emisió de THC [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Emisió de NOx [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Emisió Partículas [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] S/D Cosumo [g/ciclo] Velocidad media por tiempo [m] Tabla 1 Modelos de Regresió Lieal para emisioes y cosumo versus velocidad media por tiempo, e CiMov Líea 27, codició de V y MC, GO. S/D: si datos. E la Tabla 2 se muestra los resultados para los ciclos de parada de la líea 27, e codicioes de media carga y vacío y gasóleo como combustible. La variable idepediete del modelo lieal propuesto es el tiempo de duració del ciclo (t m ). Líea 27 e codició de Media Carga Emisió de CO 2 [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de THC [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de NOx [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de P [g/ciclo] Tiempo (s) Cosumo [g/ciclo] Tiempo (s) 0.903

5 Líea 27 e codició de Vacío Emisió de CO 2 [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de THC [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de NOx [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de P [g/ciclo] Tiempo (s) S/D Cosumo [g/ciclo] Tiempo (s) Tabla 2 Modelos de Regresió Lieal para emisioes y cosumo. Líea 27. Los resultados del modelo lieal para ciclos de movimieto de la líea 145, e codicioes de vacío y media carga, utilizado GO como combustible se resume e la Tabla 3, e codicioes de vacío y media carga, utilizado GO como combustible. Líea 145 e codició de Media Carga Emisió de CO 2 [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Emisió de THC [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Emisió de NOx [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Emisió de P [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Cosumo [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Líea 145 e codició de Vacío Emisió de CO 2 [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Emisió de THC [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Emisió de NOx [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Emisió de P [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Cosumo [g/ciclo] Velocidad media por tiempo[m] Tabla 3 Modelos de Regresió Lieal etre emisioes y cosumo versus velocidad media por tiempo para ciclos de movimieto e la líea 145. Los valores obteidos (variables explicativa y coeficiete de correlació) e el modelo lieal para los ciclos de parada e la líea 145 se preseta e la Tabla 4. Líea 145 e codició de Media Carga Emisió de CO 2 [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de THC [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de NOx [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de P [g/ciclo] Tiempo (s) S/D Cosumo [g/ciclo] Tiempo (s) 0.794

6 Líea 145 e codició de Vacío Emisió de CO 2 [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de THC [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de NOx [g/ciclo] Tiempo (s) Emisió de P [g/ciclo] Tiempo (s) S/D Cosumo [g/ciclo] Tiempo (s) Tabla 4 Modelos de Regresió Lieal etre emisioes y cosumo versus tiempo de ciclo de paradas para la líea RESULTADOS. ESTIMACIÓN DE CONSUMOS Y EMISIONES EN LA LÍNEA C1. La Ecuació (1) represeta la expresió geérica del modelo matemático para estimar las emisioes cotamiates, y cosumo de combustible, co las cotribucioes de los ciclos CiMov y CiPa para cada recorrido del vehículo de la líea C1: E Ti ( g) : Emisió total de la sustacia i durate el recorrido, e gramos. Vm : Velocidad media del ciclo de movimieto e metros/segudos. t : Tiempo medio de duració de ciclos de movimieto e segudos. m t : Tiempo medio de duració de ciclos de paradas e segudos. p E ( g) = ( b Vm t + b ) + ( b t b ) Ti 1 mi m 0mi 1pi p + 0 pi : Catidad de ciclos. b 0mi ; b 1mi : Costates del ciclo de movimieto. b 0pi ; b 1pi : Costates del ciclo de parada. Para la líea C1 se realizó u aálisis comparativo e los distitos iveles de carga y combustibles utilizados. Las emisioes estimadas para la líea C1 e Vacío se muestra e la Tabla 5. () CiMov () CiPa Vm. t t m Emisió [CO 2 ] Vacío B ,23 1,29 73,80 5,20 1,60 96,80 176,70 23, ,98 GASOIL 30 29,84 1,01 83,30 2,63 1,43 98,00 176,70 23, ,71 GNC 30 22,64 1,20 70,90 4,56 1,99 74,20 176,70 23, ,97 () CiMov () CiPa Vm. t t m Emisió [THC] Vacío B ,4E-03 5,9E-05 71,90 1,7E-04 1,0E-04 79,70 176,70 23,57 0,43 GO 30 0,01 6,8E-05 66,90 2,3E-04 1,5E-04 71,50 176,70 23, GNC 30 0,04 1,8E-03 21,70 0,01 2,0E-04 6,50 176,70 23,57 -- () CiMov () CiPa Vm. t t m Emisió [NOx] Vacío B ,08 0,01 71,50 0,14 0,03 96,90 176,70 23,57 109,87 (1)

7 GO 30 0,47 0,01 83,90 0,07 0,03 96,90 176,70 23,57 99,95 GNC 30 0,05 0,01 62,70 0,09 8,8E-04 6,00 176,70 23,57 -- Tabla 5 Regresió lieal y resultados de emisioes para la codició de vacío utilizado distitos combustibles. Las emisioes estimadas para la líea C1 e media carga (MC) se muestra e la Tabla 6. () CiMov () CiPa Vm. t t m Emisió [CO 2 ] MC B ,52 1,03 69,30 16,56 1,92 92,00 176,70 23, ,19 GO 30 7,66 1,42 68,30 9,10 2,04 95,20 176,70 23, ,13 GNC 30 47,43 1,25 64,50 1,28 2,54 88,00 176,70 23,57 -- () CiMov () CiPa Vm. t t m Emisió [THC] MC B ,4E-03 3,2E-05 56,80 7,0E-04 7,1E-05 51,60 176,70 23,57 -- GO 30 1,9E-03 6,4E-05 49,90 0,00 1,3E-04 62,10 176,70 23,57 -- GNC 30 0,01 2,3E-03 9,00 3,6E-03 7,1E-05 1,30 176,70 23,57 -- () CiMov () CiPa Vm. t t m Emisió [NOx] PC B ,25 0,01 69,10 0,28 0,04 90,10 176,70 23,57 142,44 GO 30 0,50 0,01 62,90 0,21 0,04 89,10 176,70 23,57 -- GNC 30 0,31 0,01 52,00 0,10 0,00 0,20 176,70 23,57 -- Tabla 6 Regresió lieal y resultados de emisioes para la codició de media carga (MC) utilizado distitos combustibles. La Tabla 7 muestra los resultados para el cosumo de combustible e diferetes composicioes del estudio experimetal: tipo de combustible y ciclos. Cosumo Vacío () CiMov () CiPa Vm. t t m Cosumo R 2 R 2 estimado B GO GNC Cosumo MC () CiMov () CiPa Vm. t t m Cosumo R 2 R 2 estimado B GASOIL GNC Tabla 7 Cosumo estimado segú el modelo propuesto. E la Tabla 8 se muestra los valores estimados de las emisioes totales de CO 2 para las

8 codicioes de carga aalizadas y los combustibles usados. Emisió total de CO2 (CiMov + CiPa) Codició de B100 GO GNC MC 9738, , ,51 V 8518, , ,97 Tabla 8 Emisioes totales de CO2 estimadas co el modelo lieal. CONCLUSIONES E los ciclos de paradas se obtiee mejores ajustes de la regresió lieal que e los ciclos de movimieto, lo que permite modelizar a los primeros co ua mayor precisió. E los ciclos de movimieto, la variabilidad de los datos experimetales es más sigificativa. El mejor ajuste de las codicioes e vacío puede deberse a que e el modelo o se ha cosiderado los tramos co icliació de calzada, subidas y bajadas y, auque se puede producir algú efecto de compesació etre ambas situacioes, resulta evidete que al aumetar la carga del vehículo, la ifluecia de este factor omitido se icremeta, por lo que deberá ser tomada e cosideració e futuros trabajos. Los resultados muestra que el aumeto e la codició de carga, es decir, de vacío a media carga, aumeta los iveles de emisioes de CO 2, al cosumir el vehículo mayor catidad de combustible. E iguales codicioes de experimetació, utilizado distitos combustibles, se registra ua mayor emisió de CO 2 y cosumo co el combustible B100, e comparació a los otros dos combustibles. Los peores resultados de los ajustes de los modelos para vehículos propulsados a GN respecto a los otros, se puede explicar porque las emisioes puede estar más iflueciadas por los procesos de aceleració que o está represetados e el modelo, al cosiderar sólo velocidad media x tiempo. AGRADECIMIENTOS Este estudio se ha realizado e el marco del Proyecto Desarrollo de ua metodología para el aálisis de las variables de ifluecia e el cosumo y emisioes gaseosas de la flota de vehículos de trasporte urbao de pasajeros, del Cosejo de Ivestigacioes de la Uiversidad Nacioal de Salta (CIUNSa), y del Proyecto de Ivestigació ECOTRAM: Desarrollo de ua metodología de aálisis del cosumo eergético y las emisioes cotamiates producidas por el trasporte público urbao de viajeros. Aplicació a la ciudad de Madrid, fiaciado por el Pla Nacioal I+D+i Subprograma Nacioal de tecologías para la Gestió Sosteible Medioambietal Miisterio de Medio Ambiete. A081/2007/ y cofiaciado por la Empresa Muicipal de Trasporte de Madrid y el Ayutamieto de Madrid durate los años 2006 a Los ivestigadores de la Uiversidad Nacioal de Salta agradece persoalmete al Director del Istituto Dr. Aparicio Izquierdo, la ivitació cursada y su apertura para la itegració y el

9 trabajo colaborativo de los equipos de ambas uiversidades. REFERENCIAS ARENAS A., ARGENTI SALGUERO P., ROBIN J. APARICIO IZQUIERDO F., LOPEZ MARTÍNEZ J., JIMENEZ ALONSO F., FLORES HOLGADO N. (2009), Pricipales compoetes de las emisioes gaseosas y cosumo de combustibles de autobuses de servicio urbao de pasajeros: aplicació a la ciudad de Madrid. Revista de la Asociació Argetia de Eergías Reovables y Medio Ambiete Vol. 23, pp BAIRD C. (2004). Química Ambietal. Editorial Reverté S.A., Barceloa. PEÑA, D. (2002). Regresió y diseño de experimetos. Aliaza Editorial S.A, Madrid. PASQUALI, R. C. (2003). Química Ambietal. Librería AKADIA Editorial, Bueos Aires. MENDENHALL, W. y SINCICH, T. (1997). Probabilidad y Estadística para Igeiería y Ciecias. Pretice-Hall Hispaoamericaa S.A., México.