Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado medio ambiente

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1 4 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado medio ambiente CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTÍFICAS

2 Coordinación Xavier Querol Instituto de Ciencias de la Tierra "Jaume Almera". Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Autores Xavier Querol, Andrés Alastuey, Teresa Moreno, María del Mar Viana Instituto de Ciencias de la Tierra "Jaume Almera". Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Jesús Casanova Kindelán Departamento Ingeniería Energética y Fluidomecánica. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, Universidad Politécnica de Madrid. Laura Pérez, Jordi Sunyer Institut Municipal d'investigació Mèdica (IMIM). Centre de Recerca en Epidemiologia Ambiental (CREAL). Nino Künzli Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA). Edita Fundación Gas Natural Plaza del Gas, nº 1, edificio C, 3ª planta Barcelona, España Teléfono: Fax: fundaciongasnatural@gasnatural.com 1ª Edición diciembre 2006 ISBN-13: ISBN-10: Depósito legal: Impreso en España.

3 Prólogo En el contexto de inquietudes de las ciudadanas y los ciudadanos, el medio ambiente es un elemento que va consiguiendo concentrar cada vez con mayor profundidad el interés permanente de la población, tanto por su influencia en la calidad de vida, como por el progresivo conocimiento de los importantes impactos que puede tener sobre la preservación del planeta para futuras generaciones. Es evidente que el foco mediático en los últimos años, por su novedad, y también por su potencial de evolución negativa y en un plazo no muy lejano quizá irreversible, se centra en el cambio climático, y sus conceptos propietarios: el Protocolo de Kioto, las emisiones de gases de efecto invernadero, y también el comercio de emisiones. El impacto realmente global del cambio climático, obliga a un acuerdo de perspectiva planetaria para encarar su mitigación, adaptación y posible solución. Es con toda probabilidad el primer problema totalmente universal a resolver por la humanidad, la del siglo XXI, y la de cualquier período anterior. Los trabajos para encontrar un camino de diálogo y compromiso por grandes emisores actuales, como Estados Unidos, y con grandes emisores futuros como China o India, así como el cumplimiento serio y trascendente de los países ya comprometidos con la reducción de emisiones es uno de los grandes trabajos de esta época. También el cambio climático ha permitido, prácticamente por vez primera, otorgar un claro valor de mercado a una externalidad sin precio, ni valor en la economía convencional, como son los derechos de emisión de CO 2, sentando un precedente de gran interés en el contexto del desarrollo futuro. Sin embargo, hace años, cuando los científicos, los medios de comunicación, y los ciudadanos se referían al medio ambiente, hablaban de polución, o de contaminación atmosférica, en definitiva, de lo que ahora definiríamos como contaminación local. Desde la Fundación Gas Natural nos ha parecido relevante recuperar esta temática y estos conceptos, que no son universales, sino locales, es decir más próximos a la ciudadanía. Por otra parte, sus efectos no son a largo plazo sino que los podemos ver y sentir cada día en

4 distintas partes del planeta con diferentes intensidades. Y finalmente que las actuaciones para suavizar, minimizar o resolver sus impactos son de resultados prácticamente inmediatos. La Unión Europea estima que por efecto de la contaminación local, básicamente por las partículas en suspensión de pequeño tamaño, cada año, mueren prematuramente del orden de ciudadanos europeos. Las cifras de la estimación para España superan las defunciones anuales, lo cual como mínimo multiplica por 4 veces las causadas por los accidentes de circulación. Evidentemente el problema es de una dimensión e importancia fuera de toda duda. Dentro de la contaminación local, el elemento probablemente más nocivo son las partículas de menos de 10 micras, que se estima que provienen entre un 35% y un 55% del tráfico rodado, existente en las ciudades. Aunque los automóviles cada vez cumplen regulaciones medioambientales más exigentes, el crecimiento continuado de su número, además del uso permanente y progresivamente indiscriminado, así como, la penetración creciente del los vehículos diésel en el conjunto del parque, generan una situación de una progresiva complejidad. La normativa comunitaria establece que la concentración de partículas, de menos de 10 micras, no debe superar, en términos de media anual, los 40 microgramos por metro cúbico, y que no deben superarse los 50 microgramos más de 35 días al año como máximo. Las ciudades españolas normalmente cumplen con el promedio anual pero superan puntualmente, en algunos casos, el límite establecido para situaciones de máximos. Presentar una publicación en este terreno, con aportación de datos y reflexiones de un equipo importante de científicos, parecía necesario. Hemos tenido la suerte de poder disponer de un equipo de primera magnitud, coordinado por Xavier Querol, y con el apoyo del Instituto de Ciencias de la Tierra «Jaume Almera» del CSIC, de la UPM e IMIM. Para ellos, nuestro agradecimiento por el esfuerzo realizado y por la calidad de las aportaciones conseguidas.

5 El aumento de calidad de vida, la exigencia de nuevas fronteras y nuevos retos permite el avance de la sociedad y de las expectativas sociales. Por ello, conviene recordar, que hace años, la clásica niebla de Londres, producida por la combustión de carbón en las calefacciones de la ciudad, ya desapareció al ser sustituido aquel combustible por gas natural; o que en la ciudad de Barcelona, las partículas totales en suspensión de hoy día son la mitad de las que eran 20 años antes, según datos del Ayuntamiento de la ciudad. Si en estos años pasados se han conseguido estos avances, es evidente que los científicos y la sociedad son capaces de seguir innovando, adaptándose y resolviendo nuevos problemas, nuevas magnitudes, y nuevos avances. Pedro-A. Fábregas Director General Fundación Gas Natural

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7 Índice 1. Introducción 1 2. La calidad del aire en las ciudades Introducción La calidad del aire en ciudades en España La legislación El material particulado atmosférico Tipología de vehículos y de emisiones Introducción Los motores de combustión interna 3.3. Las emisiones de CO La formación de emisiones contaminantes en los motores Procedimientos de medición de las emisiones La evolución de los límites de emisiones en Europa La evolución de las directivas y regulaciones de emisiones de vehículos ligeros Emisiones de los vehículos en uso real Los efectos en salud de la contaminación atmosférica por tráfico Introducción Tráfico y salud: nuevas evidencias Resumen de los efectos en salud y sus mecanismos Que queda por entender? Mejorar la calidad del aire beneficia la salud pública Conclusiones Soluciones: medidas para la reducción de las emisiones atmosféricas del sector transporte Introducción Las medidas tecnológicas Las medidas no tecnológicas Conclusiones Conclusiones La calidad del aire Los efectos en la salud Las medidas para la reducción de las emisiones atmosféricas del sector transporte Bibliografía Autores 113

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9 1. Introducción El aire es esencial para la vida, y no sólo porque permite respirar a los organismos vivos, sino también porque su influencia en la Tierra hace que ésta sea habitable. Se dice de ella que constituye el principal mecanismo de defensa de todas las formas de vida. La alteración de la composición de la atmósfera por causas humanas antropogénicas o naturales altera, por lo tanto, la calidad del aire (con sus repercusiones sobre los ecosistemas y la salud humana), a la vez que puede causar cambios en el clima por su influencia en el balance radiativo terrestre. En lo referente a la perturbación de la composición de la atmósfera se distinguen dos escalas: a) a escalas local, regional y de larga distancia, el deterioro de la calidad del aire o el aporte de determinados contaminantes puede tener repercusiones negativas sobre ecosistemas, e incluso sobre la salud humana; y b) a escala global o mundial el aporte de determinados contaminantes (caso de emisiones de gases de efecto invernadero o de aerosoles atmosféricos) o la destrucción de determinados componentes atmosféricos (caso de la destrucción del ozono estratosférico) pueden modificar el balance radiativo terrestre y por ello inducir cambios en el clima. El impacto de la contaminación atmosférica sobre la salud es conocido desde antiguo. Una momia encontrada en el desierto del Gobi ( The Beauty of Loan, 1800 a.c.) se reconoce como la primera evidencia de ello, debido a que los arqueólogos atribuyen su muerte a enfermedades respiratorias causadas por la emisión de combustión de madera y de polvo mineral. Lao-Tze (500 a.c.) reconocía ya el impacto en la calidad del aire de las actividades humanas. Alrededor de 300 d.c., leyes romanas ya regulaban en York algunas fuentes de contaminación atmosférica, como la producción de cerveza. Alrededor de 1180 Maimónides (Rabi Mose Ben MAIMON, médico sefardí cordobés, ) escribía: Comparar aire de ciudades con el aire de los desiertos y las tierras áridas es como comparar las aguas que son podridas y turbias con las limpias y puras. En la ciudad, a causa de la altura de sus edificios, lo angosto de sus calles y de todo lo que se vierte desde sus habitantes y sus líquidos el aire se torna estancado, espeso, brumoso y neblinoso Si el aire se altera alguna vez ligeramente, el estado del Espiritu Psíquico será alterado perceptiblemente. El desarrollo urbano e industrial de la humanidad ha llevado asociado unas tasas de emisión de contaminantes al medio ambiente muy elevadas a lo largo de la historia. Entre los efectos negativos de estas emisiones cabe resaltar los conocidos impactos de la lluvia ácida en los bosques del centro y norte de Europa, así como los episodios de contaminación atmosférica intensa que ocurrieron en diciembre de 1952 en Londres. A este último se atribuyen muertes prematuras, y ha 1

10 1. Introducción supuesto un hito en la legislación de calidad del aire. Así en 1956 se promulgó el British Clean Air Act (Ley británica para el aire limpio) y desde entonces se desencadenaron los estudios científicos sobre calidad del aire, así como el desarrollo de tecnologías para reducir emisiones atmosféricas en focos industriales y residenciales. Otros acuerdos, declaraciones y protocolos que han sucedido al de 1956 son: el Acuerdo de Estocolmo (1972, para la lucha contra la acidificación), el Protocolo de Montreal (1987/90 para controlar la capa de ozono), Declaración de Río (1992), Cumbre de Kioto (1997) y Cumbre de Río (2002), estos tres últimos sobre cambio climático. Todos estos acuerdos internacionales se llevan a la práctica en la Unión Europea desarrollando y aplicando una legislación ambiental que regula los niveles de emisión de contaminantes, con la Directiva 1996/61/CE, IPPC ó Prevención y Control Integrado de la Contaminación, así como en aire ambiente, con la Directiva 1996/62/CE, directiva madre de control y gestión de la calidad del aire. Esta última se aplica en base al desarrollo de las directivas hijas (1999/30/CE, 2000/69/CE, 2002/3/CE, 107/2004/CE) que regulan ya los contaminantes de forma muy específica. Como resultado de estas Declaraciones, Acuerdos y Directivas la calidad del aire ha experimentado una mejora cuantitativa desde los años 70, que se observa de forma especial en las ciudades europeas. A modo de ejemplo, la Figura 1.1 muestra la reducción progresiva de los niveles en humos negros y material particulado atmosférico en la ciudad de Barcelona desde el año 1986 y 1988 respectivamente hasta la actualidad, aunque esta disminución no se observa en el registro de los niveles de óxidos de nitrógeno NO 2 (datos desde el año 1995 suministrados por el Ayuntamiento de Barcelona). La sociedad europea ha demostrado siempre una elevada concienciación social en lo concerniente a la contaminación atmosférica y sus efectos adversos sobre la salud. Ello ha llevado a aplicar medidas de reducción progresiva de las emisiones industriales y urbanas (como, por ejemplo, la limitación del uso del carbón en las calefacciones) y a dar la imagen de que la calidad del aire de las ciudades era ya aceptable en las últimas décadas. Por ello se ha producido una focalización del interés social en el cambio climático en vez de en la calidad del aire. Sin embargo, las evidencias de causa-efecto probadas por trabajos epidemiológicos en la década de los noventa (Pope y Dockery, 2006; WHO, 2005) han demostrado que incluso a niveles de contaminación relativamente bajos respecto a los de la década de los setenta existe un impacto significativo de la contaminación en la mortalidad. Ello ha reactivado nuevamente el interés social por la calidad del aire y, con ello, la elaboración de nuevas directivas de calidad del aire con objetivos muy exigentes planteados en un nuevo borrador de directiva que integra parte de las anteriores (Borrador de Junio de 2006 de la Directiva de Calidad 2

11 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado Figura 1.1. Evolución de los niveles de humos negros y material particulado (PST: partículas totales en suspensión) registrados en la ciudad de Barcelona Evolución humos negros (media de la ciudad) HN (μg/m3) Evolución PST (media de la ciudad) PST (μg/m3) Fuente: Ayuntamiento de Barcelona,

12 1. Introducción de Aire y Aire Limpio para Europa). Este nuevo borrador refleja el resurgimiento del interés por la reducción de la contaminación atmosférica en el ámbito europeo y la preocupación por los potenciales efectos adversos de este tipo de contaminación en la salud humana. En este escenario, la mejora de calidad del aire en el futuro en países plenamente desarrollados se ha de basar en fijar objetivos de calidad del aire muy estrictos para que su cumplimiento exija el perfeccionamiento de la tecnología ambiental o la aplicación de planes y estrategias que permitan alcanzarlos. Sin embargo, este escenario, no es aplicable más que en países plenamente desarrollados. Una gran parte de la población del planeta está expuesta a niveles de contaminantes equivalentes a los que la población de los países desarrollados estaba expuesta hace 50 años. En estas zonas el crecimiento de la población y un desarrollo poco sostenible ha causado un deterioro de la calidad del aire y el crecimiento continuado de las emisiones de contaminantes con incidencia en el clima global. El apoyo a estos países para que compatibilicen el desarrollo económico y social, con una minimización de las emisiones atmosféricas es básico para cualquier planificación en lo referente a emisiones de contaminantes con efectos adversos en la salud, e impacto en los ecosistemas y en la modificación del clima. Las causas de la contaminación del aire pueden ser naturales (emisiones volcánicas, biogénicas, desérticas, marinas) ó antropogénicas (derivadas de la acción humana). Sin embargo, son estas últimas las que inciden más negativamente sobre la calidad del aire. Existen un gran número de contaminantes atmosféricos con distintas repercusiones en la atmósfera. Entre ellos destacan el dióxido de carbono (CO 2 ), el monóxido de carbono (CO), el dióxido de azufre (SO 2 ), los óxidos de nitrógeno (NO y NO 2 ), el ozono (O 3, actúa positivamente en la estratosfera ya que reduce la radiación ultravioleta, pero en la troposfera tiene efectos negativos por su elevado poder oxidante), el amoníaco (NH 3 ), el ácido sulfhídrico (H 2 S), el material particulado atmosférico (o partículas sólidas en suspensión, incluyendo metales, compuestos inorgánicos secundarios y una gran cantidad de compuestos orgánicos, algunos persistentes) y un elevado número de compuestos orgánicos volátiles (COV). El dióxido de carbono (CO 2 ) siempre debe ser tratado de forma separada a los demás contaminantes pues sus efectos no se dejan sentir a nivel local o regional sino en su contribución planetaria al efecto invernadero y al calentamiento global de la atmósfera. 4

13 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado En las ciudades, las emisiones del tráfico, las residenciales (calefacciones, cocinas), y actividades como la construcción y demolición, además de las posibles emisiones industriales o de generación eléctrica presentes, dictan el grado de contaminación atmosférica. Aún reconociendo la diversidad de fuentes de emisión, el tráfico es una de las principales fuentes que afectan a los niveles de exposición de la población urbana a los contaminantes atmosféricos. Ello se debe a que la emisión se produce a gran proximidad de la población y de forma muy dispersa en la urbe. Si consideramos las emisiones nacionales o europeas, quizás su papel sea menos relevante que si nos referimos a su contribución a los niveles de exposición humana, pues hay que considerar que aunque la generación eléctrica o las emisiones industriales en tonelaje pueden ser muy importantes, los puntos de emisión están generalmente alejados de la población y la altura a la que se producen favorece la dilución y dispersión. A la hora de considerar los niveles de emisiones de contaminantes atmosféricos en zonas urbanas españolas es necesario tener en cuenta, además, algunas peculiaridades que este país presenta y pueden influir en las concentraciones de contaminantes atmosféricos. Así el diseño y arquitectura de las ciudades españolas difiere de la de otros países europeos, en cuanto a la mayor densidad de edificios de apartamentos y a la altura de éstos, lo que provoca un efecto de pantalla en las emisiones producidas por el tráfico. Ello dificulta la dispersión de contaminantes e incrementa marcadamente los niveles en aire ambiente respecto a otras estructuras urbanas europeas que se caracterizan por mayores espacios verdes, menor densidad y construcciones bajas. Otro fenómeno con el mismo efecto es la baja tasa de precipitación registrada, especialmente en el centro y sur de España, lo que impide el lavado atmosférico e influye en la importancia de procesos de resuspensión por el tráfico rodado del material particulado depositado en los firmes de carretera. Así mismo la elevada radiación solar en los meses estivales se traduce en un incremento de los niveles de partículas secundarias (como sulfato y nitrato), NO 2 y ozono. Estos incrementos se ven aún más acentuados por la baja capacidad dispersiva de la atmósfera en verano. Dicho de otra manera, las estructuras urbanas y el clima del sur de Europa hacen que la misma emisión del tráfico produzca un mayor impacto en los niveles de contaminantes en aire ambiente respecto al centro y norte de Europa. El informe que se presenta a continuación revisa la calidad del aire en zonas urbanas donde, como se ha dicho, el tráfico es la principal fuente de emisiones atmosféricas de material particulado atmosférico (incluyendo las partículas de los motores, del desgaste de frenos, ruedas y firme de 5

14 1. Introducción rodadura, así como determinados metales relacionados con el desgaste mecánico) y gases como los NOx (término genérico que incluye NO y NO 2 ). Las partículas en suspensión y NOx, como veremos posteriormente, son los parámetros críticos en el cumplimiento de la legislación de la calidad del aire en ciudades de España y de Europa en general. Por ello este estudio se centra en estos dos parámetros. En zonas urbanas, aproximadamente el 50% de emisiones de NOx se produce por combustión en los motores de los vehículos, siendo otras fuentes de emisión las centrales eléctricas y otras fuentes industriales (EPA, 1998). Los niveles elevados de NOx además de influir en los niveles de ozono (contaminante secundario que se genera en la atmósfera por reacción de NO 2 y precursores gaseoso orgánicos), y en la formación de lluvia ácida, pueden perjudicar la salud pública afectando especialmente el sistema respiratorio al dañar el tejido pulmonar causando muertes prematuras (Mauzerall et al., 2004). En cuanto al material particulado, estudios realizados en diferentes ciudades de España y Europa muestran al tráfico como responsable de hasta un 50% de los niveles medios anuales de PM 10 y PM 2,5 (concentración en aire ambiente de partículas con un diámetro inferior a 10 y 2,5 μm, respectivamente, expresada en μg/m3). Como se demostrará posteriormente, elevados niveles tanto PM 10, como PM 2,5, se han asociado con problemas de salud al ser suficientemente pequeñas para ser inhaladas y penetrar en el pulmón. PM 10 puede dividirse a su vez en tres categorías de acuerdo a su tamaño, incluyendo una fracción gruesa (2,5-10 μm, deposición extra-torácica), fina (0,1-2,5 μm; deposición bronquial) y ultrafina (<0,1 μm; deposición alveolar). Como se expone posteriormente, estudios epidemiológicos y toxicológicos han encontrado claras conexiones entre niveles de polución atmosférica e ingresos en hospitales y número de muertes en pacientes, mostrando como niveles elevados de polución en el aire que respiramos provocan problemas cardio-respiratorios, especialmente en niños, ancianos y gente enferma (Pope y Dockery, 2006). Dichos problemas en la salud incluyen arritmias, reducción en la capacidad pulmonar, asma, bronquitis crónica, sinusitis, tos, y alergias. Es importante considerar que estas reacciones en nuestra salud no sólo dependen de la masa de material inhalado, sino también de la composición de dicho material (Adamson et al., 1999, 2000; Dye et al., 2001; Ghio y Devlin, 2001; Moreno et al., 2004). Sin embargo aun hoy existe controversia sobre que característica físico/química/morfológica hace que unas partículas sean mas bioreactivas que otras. 6

15 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado La presencia de pequeñas cantidades de elementos altamente tóxicos como el cadmio (Cd) (Nawrot et al., 2006), especialmente si son solubles (Fernández-Espinosa et al., 2002; Birmili et al., 2006), también juega un papel importante en los efectos en la salud humana cuando son inhalados ya que son normalmente altamente bioreactivos. Es más, muchos de estos elementos traza aparecen en la fracción ultrafina del material particulado (<0,1 μm, Milford y Davidson, 1985), siendo capaces de alcanzar las regiones alveolares en los pulmones (Schaumann et al., 2004). Mientras algunos de estos elementos traza son producidos por emisiones naturales (erupciones volcánicas, tormentas de polvo, alteración de rocas y suelos, fuegos forestales), muchos otros tienen un origen antropogénico. Por ejemplo el vanadio (V), el cobalto (Co), el molibdeno (Mo), el níquel (Ni), el antimonio (Sb), el cromo (Cr), el hierro (Fe), el manganeso (Mn) y el estaño (Sn) son emitidos durante la combustión de hidrocarburos (Pacyna, 1986; Lin et al., 2005), y el arsénico (As), el cromo (Cr), el cobre (Cu), el manganeso (Mn) y el zinc (Zn) en industrias metalúrgicas (Pacyna, 1986; Querol et al., 2002; Alastuey et al., 2006). La contaminación del tráfico incluye un amplio rango de emisiones de elementos metálicos como el hierro (Fe), el bario (Ba), el plomo (Pb), el cobre (Cu), el zinc (Zn) y el cadmio (Cd) (Pacyna, 1986; Birmili et al., 2006). Por esta razón la Unión Europea ha establecido un límite anual para el plomo (Pb) (500 ng/m3, 1999/30/CE), y unos valores aconsejables u objetivo para el arsénico (As) (6 ng/m3), el níquel (Ni) (20 ng/m3) y el cadmio (Cd) (5 ng/m3) (2004/107/CE). Como también se expondrá, entre las emisiones de contaminantes atmosféricos procedentes del tráfico rodado y de otros motores estacionarios es necesario destacar las emisiones de los motores diésel. En la Figura 1.2 se aprecia cómo, en el ámbito europeo, este tipo de motores tienen un gran peso tanto en las emisiones actuales de NOx y material particulado (PM) como en las previstas para los próximos años. 7

16 1. Introducción Figura 1.2. Pasado, presente y futuro de las emisiones de NOx y material particulado (PM) del tráfico rodado en Alemania Emisiones de NOx en Alemania - Tremod 2.2 (03/2003)* Emisiones NOx Kt/a Otros vehículos gasolina Otros vehículos diésel 200 Coches gasolina 0 Coches diésel (Año) * Cálculos provisionales del acuerdo HBEFA 2.0. Emisiones PM Kt/a Emisiones de PM en Alemania - Tremod 2.1 (10/2001) (Año) Otros vehículos gasolina Otros vehículos diésel Coches gasolina comerciales Coches con catalizador Coches diésel Fuente: UBA,

17 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado Más de un siglo después de ser patentado, el motor diésel juega un papel clave en el mantenimiento y desarrollo de la sociedad actual. Este motor equipa a una amplia gama de automóviles, camiones, autobuses, barcos y buques, maquinaria agrícola, industrial, de construcción y de generación eléctrica, entre otros. Su principal ventaja es la eficiencia energética, ya que convierte más energía química o calorífica en mecánica que otros tipos de motores de combustión interna. Los costes de fabricación son superiores a los de motores de gasolina equivalentes debido a las exigencias superiores en lo referente a la presión superior a la que han de trabajar y el mayor coste de los sistemas auxiliares como la inyección o la sobrealimentación. Sin embargo, tanto la mayor eficiencia energética -y por tanto menor consumo- de los motores diésel hacen que su utilización sea preferente debido a su mayor rentabilidad, aunque en aplicaciones estacionarias y de vehículos de uso urbano se plantea el gas natural como una alternativa viable y atractiva. La clave del motor diésel es su ignición por compresión, lo que requiere de mayores temperaturas de combustión con llamas de difusión y mezcla heterogénea durante la combustión. Ello incrementa la eficiencia energética pero también presenta un problema en cuanto a las emisiones de contaminantes. Aunque este tipo de motores emitan menos monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) que sus equivalentes en gasolina o gas natural, las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y de material particulado (PM) son muy superiores. La Agencia de Protección del Medio Ambiente de los Estados Unidos (US-EPA) ha calificado a las emisiones de material particulado (PM) procedentes del diésel como una de las principales fuentes móviles de emisión de contaminantes atmosféricos tóxicos. En nuestros días, la tecnología diésel está sufriendo una transformación importante para dar respuesta a las demandas ambientales, además de las puramente técnicas. La adaptación a las nuevas normativas ambientales requiere de un gran esfuerzo tecnológico, tanto en motores de fuentes estacionarias como móviles, de transporte público y privado e industrial, agrícola y de la construcción. Sin embargo los niveles de emisión de estos motores vienen regulados por normativas diferentes, y no siempre lo suficientemente estrictas como para permitir alcanzar los objetivos específicos para contaminantes en aire ambiente fijados por las directivas de calidad del aire. A modo de ejemplo, los niveles límite de la directiva de calidad del aire 1999/30/CE seleccionados para 2010, así como los de PM 2,5 propuestos por la II Posición Común de la CE sobre PM, han sido fijados suponiendo que en un futuro próximo los vehículos diésel estarán equipados con filtros de partículas. Sin embargo, los niveles límite de emisión de la normativa europea en materia 9

18 1. Introducción de emisión de vehículos diésel (como la EURO 4) son del orden de veces superiores a los que se podrían conseguir si fuera obligatoria la instalación de filtros de partículas. Las normativas estadounidense y japonesa equivalentes a la EURO 4 son bastante más estrictas en este sentido. En las Figuras 1.3 y 1.4 se muestran el efecto de los filtros de partícula en vehículos diésel, así como la comparación entre las citadas normativas de emisión. Cabe resaltar que la UE está ya desarrollando la nueva norma EURO 5, con niveles mucho más estrictos. Figura 1.3. Emisiones de material particulado (PM) de un vehículo medio de gasolina y diésel con y sin filtro de partículas (Swedish National Road Administration, 2002) 35 PM emissions Emisiones PM (mg/km) Coches gasolina Coches diésel con inyectores CR y filtros de partículas Coches diésel con unidad de inyectores CR y filtros de partículas Tempertura: + 22 ºC Tempertura: - 7 ºC Obligados por la necesidad de cumplir las normativas anticontaminación, a comienzos de 1990 se realizó la sustitución del control mecánico del flujo de aire y combustible, así como de la mezcla de ambos y de la combustión, a un control electrónico mucho más preciso y por tanto con mejoras técnicas y de emisión muy considerables. Es por ello que los motores diésel construidos antes y después de principios de los años 90 presentan diferencias significativas en cuanto a niveles de emisión de contaminantes. 10

19 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado La vida media de un vehículo particular diesel varía entre 10 y 15 años (dependiendo de entre otros factores del crecimiento económico del periodo). En el caso de vehículos utilizados en agricultura, construcción e industria, la vida media puede llegar a ser considerablemente mas larga. Por ello, es aún necesario el paso de algunos años antes de lograr eliminar de nuestras calles los motores diesel con relativamente altas emisiones, sobre todo teniendo en cuenta la importancia que en el mercado de segunda mano tienen estos vehículos. Es necesario remarcar que en el caso de los motores diesel el mantenimiento periódico del motor es importante para mantener las especificaciones originales en lo referente a emisiones. Figura 1.4. Comparación entre los niveles límite de emisión de motores diésel de las legislaciones de UE, EEUU y Japón PM (mg/km) Pasajeros-diésel NOx (mg/km) Pasajeros-diésel PM (mg/km) Pesados-diésel NOx (mg/km) Pesados-diésel Fuente: Agencia Federal Alemana de Protección Ambiental (UBA),

20 1. Introducción Además de las nuevas tecnologías utilizadas en los motores diésel, el uso de combustibles de ultrabajo contenido en azufre es esencial para reducir las emisiones, no solamente por la consecuente reducción de niveles de sulfato, y por tanto de PM 2,5, sino porque el uso de este combustible es absolutamente necesario para el buen funcionamiento de los sistemas de depuración de emisiones, tales como catalizadores para óxidos de nitrógeno (NOx) y filtros de partículas con catalizadores, ya que el óxido de azufre (SO 2 ) y los ácidos derivados dañan los catalizadores. A pesar de las ventajas de este tipo de combustible y de los nuevos motores diésel, estas medidas no son suficientes para alcanzar los objetivos de las nuevas directivas en materia de PM, ya que para conseguirlos es necesaria la utilización de tecnologías para depurar las emisiones de contaminantes de los motores diésel. En EEUU, además de fijar valores límite de emisión para PM y NO 2 mucho más estrictos que los europeos, se han seguido cinco tipos de estrategias para reducir los niveles de emisión de contaminantes de los motores diésel, que se resumen a continuación. Cada estrategia se basa en favorecer el desarrollo de programas voluntarios en cinco aspectos concretos: Refuel: Utilización de combustibles limpios (ultra-bajo contenido en azufre) para reducir niveles de sulfatos. Rebuild / Repare: Favorecer el mantenimiento y la reparación de motores con defectos que después de unos años de funcionamiento no cumplen ya las especificaciones del fabricante en cuanto a las emisiones. Repower: Cambio de motores antiguos por otros de nueva generación en maquinaria industrial, construcción, transporte, etc. con mayor vida útil. Retrofit: Aplicar filtros de depuración de emisiones y otras aplicaciones (como catalizadores) a motores en funcionamiento (véase apartado siguiente). Esta estrategia es especialmente adecuada para el transporte público, vehículos para recogida de residuos, ambulancias, bomberos y otros vehículos con funciones públicas. Replace: Los motores construidos con anterioridad a 1990 no son adecuados para alcanzar los requisitos de emisión que se van a exigir, o aunque fuera posible alcanzarlos, los costes serían desmesurados. En estos casos lo más conveniente es la sustitución del vehículo por otro de nueva generación. En EEUU se han desarrollado programas para sustituir ciertos tipos de vehículos, como el cambio de los autobuses escolares (Programa Clean School Bus USA retrofit 12

21 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado and replacement program 2003). Este programa contempla el cambio de unidades en el periodo 2003 a La Autoridad del Transporte de Nueva York es líder en EEUU en este tipo de estrategias que puede conllevar también el cambio a motores de gas natural comprimido (CNG), vehículos híbridos (diésel-eléctrico), gas natural licuado (LNG) o hidrógeno. A continuación de este capítulo introductorio, que presenta una visión general del tema de calidad del aire urbano y emisiones del tráfico rodado, el presente informe aborda los siguientes aspectos: Revisión de aspectos relevantes de calidad del aire en zonas urbanas, con énfasis en el problema del tráfico, y en especial de las emisiones de NOx y de PM 10 y PM 2,5. (Capítulo 2) Descripción de las causas de formación de emisiones en los motores de combustión interna, de los procedimientos de medición de emisiones y de las emisiones de los vehículos en uso real. (Capítulo 3) Síntesis de los conocimientos epidemiológicos de la contaminación en la salud, con especial énfasis en las emisiones del tráfico. (Capítulo 4) Revisión de algunas soluciones tecnológicas y no tecnológicas para la reducción de emisiones del tráfico, y por tanto para la mejora de la calidad del aire en zonas urbanas. (Capítulo 5) 13

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23 2. La calidad del aire en las ciudades 2.1. Introducción Los principales focos de contaminación atmosférica de origen antropogénico en zonas urbanas son las emisiones del tráfico, las instalaciones de combustión para generación de energía eléctrica, los procesos industriales, la construcción-demolición y las emisiones domésticas y residenciales. Aunque la tendencia en las últimas décadas es situar las instalaciones industriales en las afueras de las ciudades, existen aún focos industriales ubicados en los entornos urbanos. Además, las ciudades en su rápido crecimiento se aproximan, o incluso engloban, a otros polígonos industriales. La contaminación de origen industrial se caracteriza por la gran cantidad de contaminantes producidos en las distintas fases de los procesos industriales y por la variedad de los mismos. Los tipos de contaminantes emitidos dependen fundamentalmente del tipo de proceso de producción empleado, y de la tecnología y materias primas utilizadas. Por otra parte, en los focos de emisión industriales se suelen combinar las emisiones puntuales, fácilmente controlables, con emisiones difusas de difícil control. Las actividades industriales que producen contaminantes atmosféricos son muy variadas, pero los principales focos están en los procesos productivos utilizados en las industrias básicas. Entre los sectores que dan lugar a la mayor emisión de contaminantes atmosféricos podemos destacar la generación eléctrica, la metalurgia, la industria química, las refinerías de petróleo y la industria cerámica y cementera. En el pasado, la utilización de combustibles con altos contenido en azufre (S) tanto en plantas industriales y de generación de electricidad, como en actividades domésticas dieron lugar a la formación de episodios de contaminación como el ya mencionado episodio de smog de Londres de 1952, formado por una mezcla de dióxido de azufre, ácido sulfúrico y partículas sólidas en suspensión. A raíz de estos episodios se implementaron diferentes directivas relativas al contenido en S en los combustibles y a la mejora de las instalaciones de combustión con objeto de reducir los niveles de emisión de SO 2 y que han resultado en una disminución drástica de los niveles en aire ambiente de éste contaminante primario y de los contaminantes secundarios derivados. Como muestra la Figura 2.1, actualmente los niveles de SO 2 registrados en áreas urbanas son sólo ligeramente superiores en las estaciones de tráfico respecto a las industriales. Las estaciones de tráfico con elevadas concentraciones de SO 2 que se pueden observar en la citada Figura corresponden a estaciones de tráfico ubicadas en zonas con elevada carga industrial (Puertollano, Ponferrada, Santa Cruz). El progresivo uso de combustibles con bajo contenido en S es responsable de las relativamente bajas emisiones de SO 2 del tráfico rodado. 15

24 2. La calidad del aire en las ciudades Uno de los focos de emisión con mayor impacto en la calidad del aire en las zonas de residencia y trabajo de los ciudadanos es el tráfico. Dado que en las últimas décadas la industria ha ido disminuyendo los volúmenes de emisión de contaminantes y que ésta se ha ido alejando paulatinamente de los núcleos urbanos, y que el parque de vehículos ha incrementado drásticamente, el tráfico ha pasado a convertirse en uno de los focos más importantes de contaminación atmosférica en entornos urbanos. Las necesidades de movilidad de los ciudadanos y el transporte de mercancías han contribuido notablemente a incrementar los niveles de contaminantes atmosféricos. Los principales contaminantes emitidos directamente por el tráfico son el monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), compuestos orgánicos volátiles (VOCs), y material particulado (PM). Además de estas emisiones directas, el desgaste de frenos y neumáticos así como la erosión del firme de rodadura y la resuspensión del material depositado en la calzada contribuyen a la emisión de material particulado a la atmósfera. Las emisiones de CO, atribuibles tanto al tráfico como a la industria tienen una importancia significativa en el balance radiativo global además de un impacto en la calidad del aire La calidad del aire en ciudades en España Las emisiones de NOx, si que tienen un impacto directo en la calidad de aire urbano y en el entorno de la ciudad. En España, los niveles medios de NO 2 son elevados en numerosas estaciones urbanas de control y vigilancia de la calidad del aire con influencia de tráfico tal como se aprecia en la Figura 2.1 (datos de AirBase para el año 2004). Esta Figura muestra que en muchas de las estaciones de tráfico de España se excede el número de superaciones del valor límite horario permitidas por año de acuerdo a la legislación europea vigente (Directiva de Calidad del Aire 1999/30/CE). Además en una proporción importante se incumplen también los requisitos concernientes al valor límite anual de NO 2. La situación es mucho mejor en el caso de las estaciones de fondo urbano con menor influencia directa de las emisiones del tráfico. Ello da idea de la importancia que tienen las emisiones del tráfico en los niveles urbanos de aire ambiente de NO 2. Los NOx tienen una especial relevancia en la formación del conocido smog fotoquímico. La palabra inglesa smog (de smoke: humo y fog: niebla) se utiliza para denominar la contaminación atmosférica que se produce en algunas ciudades por las mezcla de contaminantes de origen (NOx e hidrocarburos volátiles) con otros secundarios (ozono, peroxiacilo, radicales hidroxilo, etc.) que se forman por 16

25 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado reacciones producidas al incidir la luz solar sobre los primeros. Las reacciones fotoquímicas que originan este fenómeno suceden cuando la mezcla de NOx e hidrocarburos volátiles emitida por los automóviles y el oxígeno atmosférico reaccionan, inducidos por la luz solar, en un complejo sistema de reacciones que acaba formando ozono. El ozono es una molécula muy reactiva que sigue reaccionando con otros contaminantes presentes en el aire formando un conjunto de varias decenas de sustancias distintas como nitratos de peroxiacilo (PAN), peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ), radicales hidroxilo (OH), formaldehido. Estas sustancias, en conjunto, pueden producir importantes daños en las plantas, irritación ocular y problemas respiratorios. Este tipo de contaminación se ve agravado en zonas calidas y con tasa elevada de radiación solar. Por ello la primavera-verano es la época más favorable para la formación de este tipo de contaminación, aunque no obstante en invierno, el desarrollo de inversiones térmicas y el menor desarrollo de la capa de mezcla favorece la concentración de los contaminantes gaseosos y particulados en las capas bajas de la atmósfera, pudiendo agravar este problema en determinados escenarios ya que dificultan la renovación del aire y la eliminación de los contaminantes. Se ha de resaltar que aunque los precursores de ozono se emiten en zonas urbanas e industriales el impacto de éste contaminante atmosférico se registra sin embargo en zonas rurales y de fondo regional circundantes a los focos emisores, mientras que en los ambientes urbanos, dado el consumo de ozono resultante de la oxidación de las emisiones de NO para formar NO 2, los niveles de este contaminante son bajos. 17

26 2. La calidad del aire en las ciudades Figura 2.1. Niveles medios de SO 2 y NO 2 en estaciones urbanas de control y vigilancia de calidad del aire en España Estaciones de Tráfico Media anual Días >125 μg/m 3 valor límite 3 Horas >350 μg/m 3 valor límite 25 Estaciones Industriales Estaciones de Fondo Número superaciones (días y horas) Estaciones de Tráfico Estaciones Industriales Estaciones de Fondo Media anual Horas > 200 μg/m Superior: Niveles medios anuales - -, y número de superaciones de los valores límite diarios - - y horarios - - de SO 2 y sus respectivos valores límite. Inferior: Niveles medios anuales de NO μg/m3 y número de superaciones horarias del valor límite de NO 2 establecido por la Unión Europea para , y sus respectivos valores límite. Fuente: datos de AirBase

27 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado Los NOx y sus derivados dan además lugar a la formación de partículas secundarias por interacción con el amoniaco (emitido por actividades agrícolas en su mayoría e industriales y urbanas en menor proporción) o con las partículas naturales (aerosol marino o partículas minerales emitidas por resuspensión del suelo). Un contaminante de especial relevancia en calidad del aire urbana es el material particulado atmosférico. La fracción gruesa del material particulado (aquella superior a 2,5 μm) está formada mayormente por partículas de origen mineral y otras partículas producidas por procesos de desgaste de tipo mecánico. En las áreas urbanas de España se registra una alta carga mineral en el material particulado que se debe especialmente a dos causas: 1) en primer lugar las elevadas tasas de resuspensión del polvo depositado en la calzada, originado bien por el tráfico o por otras fuentes como la construcción y la demolición, cuya acumulación se ve además favorecida por el bajo volumen de precipitación que se registra en determinadas regiones de España (sobre todo si se compara con otros países del centro o norte de Europa); y 2) en menor medida a los aportes de polvo desde África y a la resuspensión natural de suelos áridos. Estudio previos (Querol et al., 1998, 2004a y Rodríguez et al., 2001) han demostrado que las invasiones de polvo desde el norte de África pueden tener una elevada influencia en el número de superaciones del valor límite diario de PM 10 (material particulado inferior a 10 μm, para el cual la Directiva 1999/30/CE fija un valor límite diario de 50 μg/m3 que no podrá ser superado más de 35 días al año). No obstante, estos episodios tienen una menor influencia en los niveles medios anuales de PM 10, excepto en aquellas regiones de España próximas al continente africano (sur y este de la Península Ibérica, Canarias y Baleares) donde los valores medios anuales también están influenciados por las contribuciones naturales. La fracción de partículas finas (aquella inferior a 2,5 μm) incluye hollín procedente de procesos de combustión (por ejemplo carbón, o motores diésel), además de nitratos y sulfatos de origen secundario. Por último la fracción ultrafina (aquella inferior a 0,1 μm) es la mas desconocida, aunque se cree que proviene en su mayoría, y especialmente en el caso de zonas urbanas, de emisiones de tráfico (Bree y Cassee, 2000). 19

28 2. La calidad del aire en las ciudades En cualquier caso es importante considerar que debido a los contrastes regionales, tanto climáticos como orográficos, existentes en España entre las regiones montañosas del interior de la Península, las costeras de las vertientes Mediterránea y Atlántica y los archipiélagos (Canario y Balear), se registran variaciones significativas en lo referente a la composición y la evolución estacional de los contaminantes particulados atmosféricos registrados en las zonas urbanas. El registro de valores medios anuales de PM 10 en estaciones de España de fondo urbano (datos AirBase , Figuras 2.2 y 2.3) muestra que al igual que en el caso del NO 2 son las estaciones urbanas de tráfico las que registran con mayor frecuencia superaciones de los valores límite diario (fijado en un máximo de 35 superaciones diarias del valor 50 μg/m3 a partir de 2005) y anual (fijado en 40 μg/m3 a partir de 2005) de PM 10 por la directiva europea 1999/30/CE. Figura 2.2. Niveles medios anuales de PM 10 y número de superaciones anuales del valor límite diario de PM 10 registrado en estaciones urbanas españolas* Estaciones de Tráfico Estaciones Industriales Estaciones de Fondo Media anual Días >50 μg/m número días >50 μg/m 3 0 * Clasificadas de acuerdo con su carácter de tráfico, industrial o de fondo urbano. 0 Fuente: datos de AirBase

29 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado Figura 2.3. Niveles medios anuales de PM 10 y número de superaciones anuales del valor límite diario de PM 10 registrado en estaciones urbanas españolas* Tráfico Industrial Fondo urbano * Clasificadas de acuerdo con su carácter de tráfico, industrial o de fondo urbano para los años Superior: Niveles medios anuales de PM 10 en estaciones urbanas españolas. Inferior: Número de superaciones anuales del valor límite diario de PM 10 para las mismas estaciones y periodo. Fuente: datos de AirBase

30 2. La calidad del aire en las ciudades 2.3. La legislación En respuesta al gran impacto en la salud humana de la contaminación atmosférica (la Organización Mundial de la Salud estima que más de personas murieron prematuramente en al año 2000 por causas relacionadas con inhalación de aerosol atmosférico) la Comisión Europea estableció de acuerdo con la Directivas Europeas 1999/30/CE, 2000/69/CE, 2002/3/CE y 2004/107/CE, valores límite, objetivo y en su caso, umbrales de alerta, para las concentraciones de dióxido de azufre, dióxido de nitrógeno, óxidos de nitrógeno, partículas, plomo, benceno, monóxido de carbono, ozono, arsénico, níquel, cadmio y benzo [ ] pireno en el aire ambiente con el fin de evitar, prevenir o reducir los efectos nocivos para la salud humana y medio ambiente en su conjunto. En la Tabla 2.1 se resumen los citados valores y umbrales de acuerdo con las Directivas citadas, así como con el borrador de octubre de 2006 de la Directiva de Calidad del Aire y Aire Limpio para Europa. De acuerdo a lo expuesto anteriormente en ambiente urbanos los valores límite que presentan en España mayores dificultades para su cumplimiento son el valor límite diario de PM 10, los valores límite y objetivo anual de PM 10 y PM 2,5, así como los valor límite horario y diario para NO 2. Mientras que los elevados niveles de NO 2 en ambientes urbanos están relacionados en su mayor parte con el tráfico rodado, los niveles de PM 10 y PM 2,5 pueden tener varias fuentes de contribución, es por esta razón que en la siguiente sección se prestará especial atención al material particulado en el ambiente urbano. 22

31 Calidad del aire urbano, salud y tráfico rodado Tabla 2.1. Valores límite y objetivo, y umbrales, de acuerdo con las Directivas de calidad del aire, así como con el borrador de octubre de 2006 de la Directiva de Calidad del Aire y Aire Limpio para Europa Directivas 1999/30/CE, 2000/69/CE y (*) borrador de octubre de 2006 de la Directiva de Calidad del Aire y Aire Limpio para Europa Anual 40 μg/m3 PM 10 no superar Diario 50 μg/m3 PM 10 n<35 por año Anual 25* μg/m3 PM 2,5 no superar reducir 20%* PM 2,5 anual en estaciones de fondo urbano Horario 350 μg/m3 SO 2 24 ocasiones por año Diario 125 μg/m3 SO 2 3 ocasiones por año Anual prot. ecos. 20 μg/m3 SO 2 no superar ni anual ni media Horario 200 μg/m3 NO 2 18 ocasiones por año Anual 40 μg/m3 NO 2 no superar Anual prot. vegetación 30 μg/m3 NOx (expresado como NO 2 ) Anual 30(5*) μg/m3 Benceno no superar Media 8-h máx. /día 10 mg/m3 CO no superar Anual 500 ng/m3 Pb no superar Directiva 2004/107/CE Anual 6 ng/m3 As no superar Anual 20 ng/m3 Ni no superar Anual 5 ng/m3 Cd no superar Anual 1 ng/m3 Benzo[ ]pireno no superar Directiva 2002/3/CE Valor objetivo O 3 protección salud humana: Máximo de las medias 8h. del día: 120 μg/m 3 O 3 no superar más de 25 días/año promedio en período 3 años. Valor objetivo O 3 protección vegetación: AOT40, valores horarios de mayo a julio μg/m 3 h O 3 no superar promedio en un período de 5 años (c). Umbral de información: horario 180 μg/m3 O 3 Umbral de alerta: horario 240 μg/m3 O 3 AOT40 (expresado en (μg/m 3 h) = suma de la diferencia entre las concentraciones horarias superiores a los 80 μg/m 3 y los 80 a lo largo de un período dado utilizando únicamente los valores horarios medidos entre las 8.00 y las horas, Hora de Europa Central (HEC), cada día. 23