MODELIZACIÓN DEL CONSUMO Y EMISIONES DE UNA RED URBANA DE AUTOBUSES: EL CASO DE BARCELONA RESUMEN

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1 MODELIZACIÓN DEL CONSUMO Y EMISIONES DE UNA RED URBANA DE AUTOBUSES: EL CASO DE BARCELONA JULIÁN MASSÓ GARCÉS, MOISÈS MORATÓ GÜELL Agencia Ecología Urbana de Barcelona SALVADOR RUEDA PALENZUELA Director Agencia Ecología Urbana de Barcelona RESUMEN En esta comunicación se analiza la metodología a seguir para modelizar y representar mediante un sistema de información geográfica el consumo y las emisiones de una red urbana de autobuses partiendo de los datos obtenidos a través de experimentaciones "on board" que se realizaron en la flota de la ciudad de Barcelona. Partiendo de las regresiones efectuadas por la Agencia de Ecología Urbana y conociendo para un determinado autobús la pendiente, peso y la velocidad media de dicho vehículo en cada tramo de la línea, se modeliza su consumo de combustible y las emisiones que provoca, georeferenciando este resultado a cada tramo en cuestión mediante el sistema de información geográfica utilizado, el cual permite no sólo representar gráficamente los resultados sino también calcular relaciones entre parámetros que influyen en la modelización. 1. INTRODUCCIÓN Este documento tiene como finalidad describir los pasos a seguir para efectuar los mapas de emisiones y consumos de la red de autobuses de Barcelona, y en definitiva definir la metodología a seguir para hacerlo para una red cualquiera. 2. DATOS DE PARTIDA Los datos de partida para la obtención de los mapas de consumos y emisiones comprenden dos grupos básicos: los autobuses y el sistema por donde circulan. La caracterización de estos dos grupos es lo que va a permitir la realización de estos mapas. La obtención de la caracterización de los autobuses se ha realizado a partir de los datos de 10 experimentaciones "on board" que realizó un equipo de IDIADA en 8 autobuses diferentes. La caracterización del sistema (es decir, de la red de autobuses) se ha realizado a partir de datos facilitados por TMB, que posteriormente han sido tratados por la Agencia de Ecología Urbana de Barcelona con el objetivo de obtener la información necesaria de pendientes de los tramos y velocidades medias. 1

2 2.1 Descripción de los consumos y emisiones para autobuses Desde la Agencia de Ecología Urbana de Barcelona, con la colaboración de Transports Metropolitans de Barcelona (TMB), se han caracterizado los diferentes autobuses que forman la flota de Barcelona por lo que respecta a consumo de combustible y emisiones. Se han agrupado en grupos de comportamiento similar y una vez agrupados se ha determinado cual es ese comportamiento que comparten. Los grupos homogéneos son los siguientes: Grupo 1: Autobuses diesel (EURO II). Grupo 2: Autobuses diesel (EURO III). Grupo 3: Autobuses de gas natural. Así pues desde la Agencia se ha relacionado el comportamiento de las emisiones y consumos de un determinado vehículo de la red de autobuses de Barcelona con las principales variables regresoras: la velocidad (vel), la masa del autobús y la pendiente del tramo por donde circula. 2.2 Obtención del comportamiento del sistema Una vez definido el comportamiento individualizado respecto las emisiones y los consumos de los autobuses respecto las principales variables (combustible, masa, pendiente, velocidad) es necesario conocer las condiciones reales de funcionamiento del sistema. El sistema o la red de autobuses está caracterizada por las siguientes variables: Composición de la flota. Pendientes de los diferentes tramos de cada línea. Velocidades medias horarias. Unidades en circulación (frecuencia). 3. ECUACIONES DE ENTRADA. LOS INPUTS El método que se describe a continuación tiene como objetivo posibilitar la representación gráfica utilizando Sistemas de Información Geográfica (SIG) de los emisiones y consumos de la red de autobuses de Barcelona. El método permite, además, comparar de manera flexible diferentes condiciones de comportamiento a nivel de red. De este modo se pueden evaluar cuales son los consumos previstos para diferentes velocidades, diferentes flotas de autobuses, diferentes frecuencias, etc. Las emisiones y consumos calculados en el primer apartado se expresan como funciones de las velocidades de los autobuses, de las pendientes a superar y de las velocidades medianas. Estas expresiones han sido calculadas a partir de ecuaciones de regresión de estimadores de los diferentes tramos. 2

3 Figura 1. Relación entre el consumo, velocidad y pendiente del tramo La figura superior muestra un ejemplo del consumo una variable dependiente de la velocidad y de la pendiente. La ecuaciones de consumo tienen el siguiente formato: Consumo = Consumo (masa, pendiente, masa pendiente, pendiente, v -1 ) EXP1. Mientras que las ecuaciones de las emisiones son función directa del consumo: Emisiones = Emisiones (Consumo) EXP2. Las expresiones EXP1 y EXP2 para vehículos individuales tienen una correlación muy elevada (cercana al 90%) y la predicción resulta muy satisfactoria. En lo que respecta a una definición más general de las expresiones EXP1 y EXP2 que responda al comportamiento de subgrupos de la flota (diesel-gas, EURO2-EURO3, etc.) se han encontrado regresiones igualmente satisfactorias para la previsión del consumo de combustible bajo diferentes condiciones de velocidades, pendientes y masa del vehículo. Contrariamente, las regresiones de emisiones en la mayoría de gases no han sido significativas para agrupaciones homogéneas de vehículos. Más concretamente, las ecuaciones para los consumos dependiendo del tipo de vehículo estudiado, son las siguientes 1 : Para autobuses de gasoil (EURO2 codigo fase =2; EURO3 codigo fase = 3): consumo(gr/km) = - C1 + C2 1/vel + C3 masa pendiente + C4 masa total+ C5 código fase Para autobuses de gas natural: consumo(gr/km) = - C1 + C2 1/vel + C3 masa pendiente + C4 masa total Se han definido las siguientes tipologías de autobuses: 1 Los valores reales de los coeficientes se han omitido al ser de uso exclusivo de la Agencia de Ecologia Urbana de Barcelona 3

4 GRUPO I) Diesel y EURO II consumo(gr/km) = - C5 + C6 1/vel + C7 masa pendiente + C8 masa total+ C9 (EC1) GRUPO II) Diesel y EURO III consumo(gr/km) = - C5 + C6 1/vel + C7 masa pendiente + C8 masa total+ C9 (EC2) GRUPO III) Gas Natural. consumo(gr/km) = - C5 + C6 1/vel + C7 masa pendiente + C8 masa total (EC3) De igual manera desde la Agencia de Ecología Urbana de Barcelona se han calculado las correlaciones entre el consumo y la emisiones. Las ecuaciones de emisiones que se han obtenido son las siguientes 2 : Emisones de CO 2 : GRUPO I. Diesel y EURO II. Emi CO 2 (Kg/Km) = E1 Consumo (Kg/Km) (EC4) GRUPO II. Diesel y EURO III. Emi CO 2 (Kg/Km) = E2 Consumo (Kg/Km) (EC5) GRUPO III. Gas Natural. Emi CO 2 (Kg/Km) = E3 Consumo (Kg/Km) (EC6) Emisiones de NO x : GRUPO I. Diesel y EURO II. Emi NO x (g/km) = E4+ E5 Consumo (g/km) (EC7) GRUPO II) Diesel y EURO III. Emi NO x (g/km) = E4 + E5 Consumo (g/km) (EC8) GRUPO III) Gas Natural. Emi NO x (g/km) = E4 + E5 Consumo (Kg/Km) (EC9) Emisiones de HC: 2 Los valores reales de los coeficientes se han omitido al ser de uso exclusivo de la Agencia de Ecologia Urbana de Barcelona 4

5 GRUPO I) Diesel i EURO II Emi HC (g/km) = E6 + E7 Consumo (g/km) (EC10) GRUPO II) Diesel i EURO III Emi HC (g/km) = E6 + E7 Consumo (g/km) (EC11) GRUPO III) Gas Natural. Emi HC (g/km) = E6 + E7 Consumo (g/km) (EC12) Mientras que para los consumos de los autobuses (de forma genérica) se ha logrado obtener ecuaciones de regresión con un alto índice de significación, en lo referente a emisiones no existen ecuaciones genéricas representativas, exceptuando los NO x. Ello se debe al diferente comportamiento de los gases incluso para idénticos vehículos. Como ejemplo se puede citar que la edad del catalizador (horas de funcionamiento) que graba de manera importante su eficiencia en cuanto a reducción de emisiones, o un mal reglaje que pueda incidir en una sobreemisión de hidrocarburos. De manera individual para cada autobús si que se encuentran ecuaciones regresoras aceptables. No obstante, de poco sirve caracterizar un autobús en particular. Las grandes diferencias existentes con las emisiones (HC, CO) para diferentes autobuses indica que seguramente el estado de los catalizadores, como ya se ha mencionado, es un factor clave en la caracterización de los autobuses, y que por tanto tendrá que ser incluido como variable regresora. 4. REPRESENTACIÓN MEDIENTE SISTEMAS DE INFORMACIÓN GEOGRÁFICA Es en este apartado donde se explica detalladamente la metodología a seguir para poder representar las emisiones y los consumos de la red de autobuses de Barcelona utilizando los sistemas de información geográfica (SIG), diferenciando entre velocidad constante en cada tramo o bien velocidad variable dentro de un mismo tramo de la línea del autobús. 4.1 Velocidad constante, v=v( franja horaria, línea) A partir de los datos de caracterización de los autobuses (regresiones) y de los datos de caracterización de las líneas (red, horarios, tipología de la flota, etc.) se realiza una tabla de información principal alimentada por dos tablas secundarias y que será objeto de escritura (output) y de lectura (input) por parte del SIG. El aspecto genérico de la tabla de entrada de información (de la cual se desglosará la información que contiene a lo largo de este apartado) será el siguiente: Figura 2. Aspecto genérico tabla hoja de cálculo principal 5

6 Los consumos y las emisiones de cada vehículo se miden en intervalos de una hora, y cada hoja de cálculo mide estos factores en un intervalo determinado de tiempo. En la parte superior de la hoja se indica el intervalo en cuestión. Figura 3. Primer paso de la modelización: escoger la franja horaria En primer lugar se debe volcar la información de SIG en lo que hace referencia a la longitud y a la pendiente de cada tramo. El identificador de cada tramo de la línea será la variable codi tram. La información volcada desde el sistema de información geográfica es para cada tramo: línea, id tram, longitud y pendiente. Figura 4. Cálculo de la longitud y pendiente de cada tramo mediante el SIG Una vez decidida la franja horaria de simulación, en la hoja de cálculo principal se tienen que cargar automáticamente las variables que varían con el horario. Estos datos se cargan a partir de la información de las hojas de cálculo secundarias con la información disponible. La información necesaria que debe ser cargada para cada franja horaria son la velocidad y los vehículos/hora. 6

7 Figura 5. Alimentación de la hoja principal de cálculo mediante las hojas secundarias. Velocidad y vehículos / hora Se ha visto anteriormente que la hoja de cálculo principal necesita conocer la velocidad de la línea por tramo y los vehículos/hora por tramo. Esta información la proporcionan las hojas de cálculo secundarias, las cuales abastecen a la principal de la información que esta necesita. De este modo, cuando se escoge el rango horario en la hoja de cálculo principal, se tienen que cargar desde la hoja de soporte (o secundaria) las velocidades que le corresponden a cada línea para el tramo horario escogido y para el tramo físico donde se encuentran dentro de la trama urbana y descargarlas en la hoja principal de cálculo. Esquemáticamente: Figura 6. Velocidad del vehículo según el tramo de cada línea Correspondiente y el rango horario escogido Así pues los datos que se cargarán a partir de la información contenida en los tramos ubicados como entidad gráfica en nuestro SIG (escritura en la hoja principal de cálculo) son las longitudes de los tramos correspondientes y sus pendientes. Una vez el modelo tiene esta información calcula automáticamente los parámetros que necesita para calcular el consumo i las emisiones. Podemos verlo en la siguiente imagen: 7

8 Figura 7. El SIG carga la longitud y pendiente del tramo en la hoja de cálculo de la modelización El resto de información que hay dipositada en la tabla de cálculo principal es de formulación interna de la modelización. Esta información describe para cada agrupación homogénea de autobuses los siguientes parámetros: Porcentaje Masa de los autobuses Consumo unitario de combustible: Datos extraídos a partir de las ecuaciones EC1, EC2 y EC3. Emisión unitaria de CO 2 : Datos extraídos a partir de las ecuaciones EC4, EC5 y EC6. Emisión unitaria de NO x : Datos extraídos a partir de las ecuaciones EC7, EC8 y EC9. Emisión unitaria de HC: Datos extraídos a partir de las ecuaciones EC10, EC11 y EC12. Así pues, la siguiente imagen identifica las unidades calculadas en la hoja de la tabla principal según la formulación anteriormente mencionada: Figura 8. Cálculo del consumo y de las emisiones aplicando la formulación del modelo 8

9 Es ahora cuando la hoja de cálculo nos da los valores de consumo de combustible y de emisiones para cada tramo de cada línea de autobús de la red de Barcelona. Figura 9. Resultado final de consumo y emisiones por tramo y línea de autobús Evidentemente, los resultados son asociados a la entidad gráfica tramo contenida en el SIG y de esta forma se puede representar cualquier información asociada, así como cualquier relación necesaria entre los atributos que la representan. El modelo de emisiones y consumos presentado está realizado con la hipótesis que para cada línea y hora la velocidad en cada tramo es constante. La posibilidad de tener en cuenta velocidades variables para los diferentes tramos de cada línea complica el tratamiento de datos de manera considerable, no obstante se puede avanzar una propuesta de protocolo para conseguir este fin. Esta metodología se presenta en el siguiente apartado. 4.2 Descripción del método para velocidad variable, v = v(tramo, franja horaria, línea) El objetivo de este último apartado es obtener una tabla con las velocidades para cada franja horaria y línea de autobús dependiendo del tramo en el que se encuentre. A lo largo de cada una de las líneas se recogen en diferentes puntos de control (repartidos de forma más o menos homogénea a lo largo de la línea) los tiempos de paso. Entre punto y punto de control (sabiendo la distancia que los separa) se calcula la velocidad media. El número de puntos de lectura de velocidad es variable. Este factor complicará el hecho de automatizar el sistema. Figura 10. Disposición homogénea de los puntos de control 9

10 Para una línea determinada se obtendrán n valores de velocidades de un total de n+1 puntos de control (PC): Sector 1 : V 1 Sector 2 : V 2... Sector n : V n Así pues si existen N tramos de velocidades conocidas, se reparten equitativamente los porcentajes de (100/N). Por lo tanto, al Sector 1 (que tiene una velocidad asociada de V 1 ) le corresponden los tramos que están incluidos entre el 0% y el (2 100/N) %. En general, para el Sector situado en la posición S y por tanto de velocidad V S asociada, le corresponden todos aquellos puntos de los diferentes tramos que están situados en el siguiente tramo porcentual de la longitud de la línea: ( 100 (S-1)/N; 100 S/N) %. Ahora bien, para conocer en que porcentaje de tramo de la línea se está haciendo el cálculo de la velocidad necesaria para el modelo, se tendrán que incorporar dos nuevas columnas a la hoja de cálculo, una donde se incorpore el porcentaje del tramo acumulado y otra donde se calcule el punto medio porcentual representativo del tramo en cuestión, definido como la media de los porcentajes acumulados iniciales y finales del mismo. Figura 11. Cálculo del porcentaje del tramo acumulado y del punto medio porcentual representativo La mejor manera de entender esta segunda parte del modelo, la que tiene en cuenta la existencia de velocidad variable dentro de cada tramo de la línea, es ver un ejemplo de aplicación. Se supone que existen 10 sectores donde se conoce la velocidad y 12 tramos de una línea de los cuales conocemos su pendiente y su longitud. 10

11 El sector de velocidades 1 va desde el 0 % del recorrido hasta el 10 %. El sector de velocidades 2 va desde el 10 % del recorrido hasta el 20 %.... El sector de velocidades 10 va desde el 90 % del recorrido hasta el 100 %. El modelo debe incorporar las velocidades de los diferentes sectores de las diferentes líneas de la red de autobuses urbana mediante una nueva hoja de cálculo auxiliar. Así pues: Figura 12. Cálculo de la velocidad de los diferentes sectores de las diferentes líneas de la red urbana de autobuses Finalmente, para calcular las velocidades que corresponden a cada tramo de la línea en cuestión (las cuales servirán para calcular las emisiones y los consumos), el modelo selecciona el tramo de la línea correspondiente (1), escoge el valor representativo del porcentaje acumulado (2) y elije en la tabla auxiliar (3) qué sector de velocidad le corresponde. En el ejemplo concreto que se puede ver en la figura siguiente, al porcentaje 16,1 % le corresponde el sector de velocidades 2, ya que está entre 9,1 y 18,2. La velocidad que le corresponde a este sector de isovelocidad es de 11 km/h (4), valor que el modelo se encarga de volcar en la tabla de cálculo principal (5) y entonces ya está preparado para calcular las emisiones y consumos correspondientes a esa línea. 11

12 Figura 13. Cálculo de la velocidad media en el caso que sea variable en cada tramo 5. AGRADECIMIENTOS Agradecemos muy especialmente la colaboración de Sònia Centelles, Eladio de Miguel, Óscar Sbert, Francesc González Balmas, todos ellos personal de TMB, por la eficiente preparación y ejecución de las medidas de consumos y emisiones experimentales en su flota de autobuses. 12