CÁLCULO DEL CONSUMO Y EMISIONES DE LA RED ACTUAL Y FUTURA DE AUTOBUSES DE LA CIUDAD DE BARCELONA.

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1 CÁLCULO DEL CONSUMO Y EMISIONES DE LA RED ACTUAL Y FUTURA DE AUTOBUSES DE LA CIUDAD DE BARCELONA. JULIÁN MASSÓ GARCÉS Agencia Ecología Urbana de Barcelona MOISÈS MORATÓ GÜELL Agencia Ecología Urbana de Barcelona SALVADOR RUEDA PALENZUELA Director Agencia Ecología Urbana de Barcelona MERCÈ TABERNA TORRES Agencia Ecología Urbana de Barcelona RESUMEN Aplicando la metodología de cálculo de emisiones y consumo para cualquier red de autobuses urbanos, presentada en el III Congreso de Ingeniería Civil, territorio y medio ambiente (Zaragoza, Octubre 2006), se presentan los resultados para la red actual de autobuses de la ciudad de Barcelona. A su vez se hace un análisis comparativo de la eficiencia de la red actual de autobuses de Barcelona y la nueva red ortogonal ideada por BCNecología en colaboración con TMB (Transportes Metropolitanos de Barcelona). El análisis tiene en cuenta la topología y la tipología de los vehículos de transporte. 1.INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS El transporte motorizado en Barcelona es la principal fuente de consumo y emisiones de gases contaminantes para la ciudad. La contaminación atmosférica se extiende por toda la ciudad concentrándose en el centro los índices más elevados. En esta zona, denominada Zona de Especial Atención (3% de la superficie), se concentra un 11% del total de emisiones de contaminantes y el consumo de combustible de la ciudad. Estos niveles de contaminación atmosférica en el centro de la ciudad superan los valores establecidos por el Real Decreto 1073/2002. En un estudio publicado en The Lancet se ha demostrado que, en sólo tres países europeos, entre y personas mueren cada año por causa de los efectos de la contaminación atmosférica, hecho que supone un coste de casi millones de euros anuales. Uno de los objetivos de este estudio es la reducción de las emisiones perjudiciales para la salud y el medio ambiente en el área metropolitana de Barcelona. El monóxido de carbono (CO), los compuestos orgánicos volátiles (COV), los óxidos de nitrógeno (NOx), o el material particulado afectan a la salud pública pudiendo llegar a causar lesiones en el hígado, riñones, problemas cardiovasculares, entre otros. La red actual de autobuses de Barcelona acentúa el impacto contaminante de la Zona de Especial Atención debido a su estructura radial que acumula una buena parte del servicio en el área más 1

2 contaminada. Esta contaminación, debida a los autobuses y automóviles, es especialmente grave en el caso de los óxidos de nitrógeno (kg NOx diarios). Figura 1. Redundancia de líneas en el centro en la red actual de autobuses y emisiones de HC por día Sólo una propuesta de modificación de la red actual de autobuses y un plan de alternativas energéticas puede modificar el escenario actual (inadmisible) de emisiones en un territorio densamente motorizado. 2.LA RED ACTUAL Y FUTURA DE LA CIUDAD DE BARCELONA La nueva red de autobuses propuesta para la ciudad de Barcelona consiste en un sistema de ejes lo más verticales y horizontales posibles, siguiendo un esquema de red ortogonal que es la más eficiente en los sistemas urbanos densos, consiguiendo la máxima simplificación del sistema con los consecuentes beneficios que esto representa para el usuario, como son la facilidad de lectura de la red así como la utilización de la misma por parte de los usuarios. Figura 2. Propuesta de red de autobuses ortogonal. Líneas verticales, horizontales i diagonales. Tabla 1. Principales Características de la red actual y futura de autobuses Características Red Actual (TMB) Red Propuesta (BCNecologia) Red Radial Ortogonal Velocidad mediana diaria (Km/h) 11,5 12,5-14 Km/día recorridos Horas de funcionamiento Vehículos circulando

3 La red de autobuses ortogonal, estructurada según ejes, permite descentralizarla y hacerla isomorfa sin acumular efectivos en la Zona de Especial Atención. La velocidad de la nueva red está fundamentada en sus características topológicas (incremento de 0,7 km/h), en la disposición del carril bus (incremento de 0,3 km/h) y en la prioridad semafórica, posible por la intersección de ejes cada 400 metros (incremento de 0,6 km/h). Un aumento de la velocidad comercial (de los 11km/h a los 14km/h) permite una disminución significativa del consumo y de las emisiones. Tabla 2. Factores de emisión de contaminantes y consumo de combustible para un bus estándar Euro III. Emisiones y consumos (g/km) Velocidad 11 km/h Velocidad 13 km/h CO 5,2 4,6 HC 0,89 0,80 NOx 18,5 16,1 PM 0,34 0,31 CO FC La nueva red de autobuses propuesta da respuesta a las necesidades de movilidad de la población aumentando la oferta actual en un 34%, de modo que permite el desplazamiento de unos nuevos viajeros al día (en un escenario conservador). Además, los traspasos desde el vehículo privado (el número de desplazamientos internos en vehículo privado es de ) al autobús en porcentajes del 10%, 20%, 30% y 40% es asumible con la nueva red ortogonal. Todo ello repercutirá en la reducción de las emisiones globales de la ciudad y, en particular, en la Zona de Especial Atención. La ampliación del servicio, el aumento de la frecuencia de los autobuses, de los km/día recorridos y la ampliación de la capacidad de la flota suponen irremediablemente un aumento del consumo de combustible pero no por ello habrá de suponer un aumento de las emisiones contaminantes. 3.EL PLAN DE ALTERNATIVAS ENERGÉTICAS PROPUESTO El plan de alternativas energéticas incide sobre la flota de vehículos utilizados en la red de autobuses. La flota de autobuses se caracteriza por una serie de parámetros esenciales a partir de los cuales se puede realizar un estudio del consumo y emisiones del transporte colectivo. Los diferentes vehículos se pueden clasificar según tres variables importantes: el tipo de vehículo, la tipología de combustible y el tipo de tecnología. Tipo de vehículo Los distintos tipos de vehículos quedan determinados según las dimensiones de los autobuses, en la actualidad, en España, los más utilizados son los Estándar, Articulado, Midi y Mini, pero en el resto de Europa y del mundo se utilizan otros como los doble articulados, microbuses de carga inductiva o los trolebuses. El tipo de vehículo utilizado incide directamente en el peso elegido en cada caso. 3

4 Figura 3. Jerarquía del peso de los autobuses de la flota de TMB según tipología vehicular. Tipología de combustible En la actualidad la mayoría de autobuses utilizan motores de gasoil, que se han caracterizado por emitir una gran cantidad de gases contaminantes a la atmósfera. En los últimos años los vehículos diesel han pasado a ser mucho más limpios en este sentido, es decir, emiten menos contaminantes que tengan repercusión sobre la salud humana por cada kg de combustible quemado. También han habido mejoras, pero menos significativas, en el consumo de combustible impulsadas por la necesidad de la reducción de las emisiones de CO2 de los vehículos de combustibles convencionales. La sociedad actual cada vez se conciencia más de la problemática medioambiental y ello ha repercutido en una evolución de los combustibles hacia unos de más limpios y hacia la incorporación de combustibles de origen renovable. De este modo, han surgido nuevos combustibles como el gas natural, el biodiesel, el bioetanol y el hidrógeno. La inclusión de vehículos eléctricos como los trolebuses o los híbridos (mezcla de combustión y electricidad) han supuesto otro avance hacia un transporte más limpio. Tipo de tecnología El tipo de tecnología queda determinado por la motorización de los vehículos, actualmente la flota de autobuses de Barcelona, consta de motores diesel y gas natural. Estos motores, a parte de funcionar con su combustible habitual, pueden utilizar otros combustibles alternativos. El biodiesel puede utilizarse con los motores diesel, para mezclas inferiores al 20%, se necesitan algunas modificaciones menores, a no ser que los vehículos ya estén preparados. Hay tres tipos de motores de gas natural, el bi-combustible que puede operar con gas natural o gasolina, el combustible-dual que opera con diesel solamente o con diesel y gas natural y los dedicados que operan solo con diesel. El biogás también puede ser utilizado en los vehículos de gas natural, ya que utiliza el mismo motor y sistema que el gas natural. Pero hay que tener en cuenta que las exigencias para la calidad del gas en los motores son estrictas. 4

5 Figura 4. Bus híbrido diesel de ORION en Nueva York Figura 5. Trolebús en la ciudad de Roma 4.ESCENARIOS ESTUDIADOS Los escenarios planteados se definen según la red de autobuses, la flota y el combustible de la flota. A su vez, la flota se define según el tipo de vehículo, el tipo de motor/tecnología y el tipo de combustible. Los escenarios planteados en este proyecto para poder evaluar las emisiones y consumos en el área metropolitana se clasifican en dos subgrupos: Escenarios reales y previstos para TMB: - Escenario TMB Escenario TMB 2011 combustibles alternativos Escenarios propuestos desde BCNecología, alternativos a los previstos: - Escenario BCNecología 2011 base - Escenario BCNecología 2011 combustibles alternativos - Escenario BCNecología 2017A combustibles alternativos 4.1.Escenario TMB 2006 Se parte de la red actual de autobuses con la siguiente composición en número de vehículos: Tabla 3. Número de vehículos totales en la flota de TMB a principios 2006, según tecnología y vehículo. TECNOLOGIA TIPO BUS COMBUSTIBLE N MOTOR DIÈSEL EURO I estándar gasóleo 151 MOTOR DIÈSEL EURO II estándar gasóleo 213 MOTOR DIÈSEL EURO II articulado gasóleo 75 MOTOR DIÈSEL EURO II mini gasóleo 25 MOTOR DIÈSEL EURO III estándar gasóleo 150 MOTOR DIÈSEL EURO III articulado gasóleo 118 MOTOR DIÈSEL EURO III mini gasóleo 17 MOTOR DIÈSEL EURO III midi gasóleo 24 MOTOR VEM (E5) estándar gas natural 175 MOTOR VEM (E5) articulado gas natural 76 TOTAL ,3% 67,3% 4,1% 2,3% ESTÁNDAR ARTICULADO MINIS MIDIS Figura 6. Tipos de vehículos de la flota a principios La flota está compuesta esencialmente por motores Euro II y Euro III. La entrada en vigor de estas normas fueron los años 1996 y 2000, respectivamente. La Euro I entró el año 1992, y 5

6 debido a que los autobuses tienen una vida media de 15 años aproximadamente, es la parte más antigua de la flota. Los combustibles utilizados para la flota a principios del año 2006 eran el diesel, el gas natural y, testimonialmente, los tres buses de hidrógeno 1. 30,2% 24,5% 24,5% 75,5% 30,6% 14,7% MOTOR DIESEL EURO I MOTOR DIESEL EURO II GASOIL GN MOTOR DIESEL EURO III VEM (GN) Figura 7. Tipo de tecnología de la flota a finales del Figura 8. Tipo de combustible de la flota a principios Escenario TMB 2011 combustibles alternativos Este escenario es idéntico al escenario TMB 2011 base con la diferencia de la introducción de biodiesel 30 (BD 30) al 100% de la flota con motor diesel. La flota prevista para 2011 según esta propuesta es la siguiente: Tabla 4. Número de vehículos totales en la flota TMB para el año 2011, según tecnología, combustible y vehículo. TECNOLOGIA TIPO BUS COMBUSTIBLE N MOTOR DIÈSEL EURO II estándar BD MOTOR DIÈSEL EURO II articulado BD MOTOR DIÈSEL EURO III estándar BD MOTOR DIÈSEL EURO III articulado BD MOTOR DIÈSEL EURO III mini BD MOTOR DIÈSEL EURO III midi BD MOTOR DIÈSEL EURO IV estándar BD MOTOR DIÈSEL EURO IV mini BD MOTOR DIÈSEL EURO V estándar BD MOTOR DIÈSEL EURO V articulado BD MOTOR DIÈSEL EURO V mini BD MOTOR DIÈSEL EURO V midi BD 30 8 MOTOR VEM (E5) estándar gas natural 200 MOTOR VEM (E5) articulado gas natural 101 TOTAL ,3% ESTÁNDAR ARTICULADO 30,4% 4,5% 2,7% MINI MIDI Figura 9. Tipos de vehículos de la flota del escenario TMB 2011 combustibles alternativos. El tipo de vehículo y motor de este escenario es idéntico al escenario TMB 2011 base, debido a que los autobuses de gasoil pueden funcionar con biodiesel 30. El siguiente gráfico muestra el porcentaje del tipo de combustibles utilizados en este escenario. El porcentaje que era de gasoil pasa a ser biodiesel Para el bus de hidrógeno se mantienen los 3 autobuses piloto existentes, para todos los escenarios. No se consideraran para los cálculos de emisiones ni en ningún estudio realizado en el documento. 6

7 28,5% 9,1% 25,7% 25,7% 74,3% 25,7% 11,0% MOTOR DIESEL EURO 2 MOTOR DIESEL EURO 3 MOTOR DIESEL EURO 4 MOTOR DIESEL EURO 5 BIODIESEL 30 GAS NATURAL MOTOR GAS NATURAL (VEM E5 i E6) Figura 10. Tipo de motores y combustibles de la flota en el escenario TMB 2011 combustibles alternativos. 4.3.Escenario BCNecología 2011 base La Agencia de Ecología Urbana de Barcelona propone unos nuevos escenarios pensados para el 2011 y el 2017, con el objetivo de mejorar el transporte público y reducir las emisiones de gases contaminantes. En el planteamiento inicial, las condiciones de la flota futura se han establecido fundamentalmente a partir del incremento de los buses con GNC y biodiesel. Para poder avanzar hacia un futuro más respetuoso con el medio ambiente. Este primer escenario planteado está pensado no como un escenario de futuro, sino como un escenario comparativo con el escenario BCNecología 2011 combustibles alternativos que se presenta más adelante. Todos los escenarios propuestos desde la Agencia de Ecología Urbana de Barcelona serán evaluados respecto al escenario TMB 2006, considerado como el escenario actual. Tabla 5. Número de vehículos que circulan en el escenario 2011 base, según tecnología, combustible y vehículo. TECNOLOGIA TIPO BUS COMBUSTIBLE N 92,4% E2/E3 / E4/ E5 articulado diesel 450 E2/E3 / E4/ E5 estándar diesel 23 E3 / E4 mini diesel 42 E3 / E4 midi diesel 4 HIBRIDO E5 articulado diesel +eléctrico 43 VEM (E5 / E6) articulado Gas natural 347 TOTAL 909 ARTICULADO ESTÁNDAR MINI 2,5% 4,6% 0,4% MIDI Figura 11. Tipos de vehículos de la flota del escenario BCNecología 2011 base. La renovación progresiva de la flota por vehículos más modernos es la base de ésta mejora. Para el escenario 2011 los autobuses con motor diesel Euro I, se renuevan por Euro IV y Euro V. La mayoría de los Euro III y Euro II se mantienen si todavía pueden dar servicio. Por lo que se refiere a la tipología de vehículo, destaca el incremento de autobuses articulados, en comparación con los estándares de la flota Los autobuses articulados recorren la red ortogonal diseñada, los autobuses mini son los mismos que en la flota 2006 y los midi y estándar forman parte de la red denominada otras líneas, donde se han conservado 7 líneas de la flota

8 9,1% 4,8% 34,7% 4,7% 38,2% 12,2% 29,6% 6,1% 3,4% 57,1% MOTOR DIESEL EURO 2 MOTOR DIESEL EURO 3 MOTOR DIESEL EURO 4 MOTOR DIESEL EURO 5 DIESEL DIESEL + ELECTRICIDAD GN HIBRID (MOTOR DIESEL EURO 5 +MOTOR ELÈCTRIC) MOTOR GAS NATURAL (VEM E5) MOTOR GAS NATURAL (VEM E6) Figura 12. Tipo de motores y combustibles de la flota en el escenario BCNecología 2011 base. 4.4.Escenario BCNecología 2011 combustibles alternativos Éste escenario recoge una propuesta para la introducción de nuevas tecnologías, como los híbridos, el aumento de los autobuses de gas natural, el uso del biodiesel y el uso del biogás a gran parte de la flota de gas natural. Tabla 6. Número de vehículos que circulan en el escenario 2011 c.a., según tecnología, combustible y vehículo. TECNOLOGIA TIPUS BUS COMBUSTIBLE N E2/E3 / E4/ E5 articulado Biodiesel E2/E3 / E4/ E5 estándar Biodiesel E3 / E4 mini Biodiesel E3 / E4 midi Biodiesel 30 4 HIBRID E5 articulado Biodiesel +eléctrico 43 VEM (E5 / E6) articulado Gas natural 35 VEM (E5 / E6) articulado Biogas 312 TOTAL ,4% ARTICULADO ESTÀNDAR MINI 2,5% 4,6% 0,4% MIDI Figura 13. Tipos de vehículos de la flota del escenario BCNecología 2011c.a. La única diferencia con el escenario anterior es el uso del biodiesel 30 en las líneas que antes circulaban con diesel. Para los autobuses híbridos, al tener motor diesel, se propone el uso del biodiesel 30. En lo que se refiere a la tipología vehicular y motor, es idéntica al escenario BCNecología 2011 base, puesto que el único cambio es la entrada de los biocarburantes para sustituir el gasóleo y parte del gas natural. 9,1% 4,8% 34,7% 4,7% 3,9% 34,3% 12,2% 29,6% 3,4% 6,1% 57,1% MOTOR DIESEL EURO 2 MOTOR DIESEL EURO 3 MOTOR DIESEL EURO 4 MOTOR DIESEL EURO 5 BD 30 BD30 + ELECTRICIDAD GN BIOGAS HIBRID (MOTOR DIESEL EURO 5 +MOTOR ELÈCTRIC) MOTOR GAS NATURAL (VEM E5) MOTOR GAS NATURAL (VEM E6) Figura 14. Tipo de motores y combustibles de la flota en el escenario BCNecología 2011 c.a. 8

9 4.5.Escenario BCNecología 2017A combustibles alternativos La propuesta de flota que se realiza en este escenario es la descrita a continuación. Tabla 7. Número de vehículos que circulan en el escenario 2017A c.a., según tecnología, combustible y vehículo. TECNOLOGIA TIPUS BUS COMBUSTIBLE N MOTOR DIÈSEL E4/ E5 articulado Biodièsel MOTOR DI+ESEL E4/E5 estándar Biodièsel 23 HÍBRID E5 / E6 articulado Biodièsel + electricitat 118 MOTOR DIÈSEL E4 midi Biodièsel 4 ELÈCTRIC CÀRREGA INDUCTIVA mini Electricitat 42 VEM (E5, E6, E7) articulado Gas natural 189 VEM (E5, E6, E7) articulado Biogàs 312 TROLEIBUSOS articulado Electricitat 130 TOTAL ,4% ARTICULADO ESTÁNDAR MINI 4,6% 0,4% MIDI 2,5% Figura 15. Tipos de vehículos de la flota del escenario BCNecología 2017A c.a. La entrada de autobuses eléctricos, el uso del biodiesel y del biogás es la característica principal de este escenario. Esta propuesta es más atractiva que la del escenario 2011 puesto que la innovación y mejora tecnológica supone un importante avance para el transporte público de la ciudad de Barcelona. También incorpora el aumento de la flota de autobuses de motor a gas natural, el aumento de autobuses híbridos y una mejora de la motorización de la flota gracias a las renovaciones de los autobuses más viejos. Destaca el aumento de los vehículos articulados respecto al escenario TMB 2006, de modo que son los mayoritarios de la flota. 33,3% 34,3% 4,6% 11,9% 14,3% 9,9% 4,0% 2,6% 9,0% 10,3% MOTOR DIESEL EURO 4 MOTOR DIESEL EURO 5 HIBRIDO ( MOTOR DIESEL EURO 5 + MOTOR ELÉCTRICO) HIBRIDO (MOTOR DIESEL EURO 6+MOTOR ELÉCTRICO) TROLEBUSES CARGA ELÉCTRICA INDUCTIVA MOTOR GAS NATURAL (VEM E5) MOTOR GAS NATURAL (VEM E6) MOTOR GAS NATURAL (VEM E7) 20,8% 13,0% BD 30 GN ELECTRICIDAD 13,0% 18,9% BD30 + ELECTRICIDAD BIOGAS Figura 16. Tipo de motores y combustibles de la flota en el escenario BCNecología 2017A c.a. Figura 17. Tipo de motores y combustibles de la flota en el escenario BCNecología 2017A c.a. 9

10 5.RESULTADOS OBTENIDOS A continuación se presentan los resultados obtenidos en los escenarios planteados anteriormente. Figura 18. Emisiones totales diarias de PM en el escenario TMB Figura 19. Emisiones totales diarias de PM en el escenario BCNecología 2017A c.a.. 10

11 EMISIONES DE NOx (%) , ,0 97, ,0 70, ,5 51,3 42, TMB 2006 TMB 2011 base TMB 2011ca 2011 base 2011 c.a base 2017A c.a. 2017B c.a. Figura 20. Emisiones de NOx (%) en los escenarios evaluados Los escenarios BCNecología 2017 propuestos con combustibles alternativos, donde los biocarburantes propuestos son el biodiesel 30 y el bioetanol 85, tienen la característica general de la entrada de autobuses eléctricos 100%, el aumento de la flota de autobuses híbridos y de gas natural. Todas estas características hacen que este escenario tenga unas reducciones de un 51,3% i un 42,9%. Se observa que en los escenarios donde se utilizan biocarburantes (escenarios con combustibles alternativos), las emisiones de NOx se reducen respecto a sus escenarios complementarios base, donde uno de los combustibles utilizados es el diesel. 11

12 EMISIONES DE HC (%) , ,4 44,1 55,9 52, ,8 6,2 6,2 0 TMB 2006 TMB 2011 base TMB 2011ca 2011 base 2011 c.a base 2017A c.a. 2017B c.a. Figura 21. Emisiones de HC (%) en los escenarios evaluados Las emisiones de HC disminuyen en todos los escenarios respecto al escenario global Estos gráficos de emisiones también muestran una ligera disminución de las emisiones de los escenarios base (escenarios con combustible diesel entre otros) respecto a los escenarios con combustibles alternativos. Se observa que la mayor disminución de las emisiones es en el mejor de los casos en el escenario BCNecología 2017A c.a., donde las emisiones de HC se reducen un 93,8% respecto al escenario TMB 2006, considerado el escenario más próximo a la situación actual. 12

13 EMISIONES DE PM (%) , , , ,2 35,1 20 8,5 6,9 5,7 0 TMB 2006 TMB 2011 base TMB 2011ca 2011 base 2011 c.a base 2017A c.a. 2017B c.a. Figura 22. Emisiones de PM (%) en los escenarios evaluados Las emisiones de PM disminuyen en gran proporción en todos los escenarios. El aumento de la flota de gas natural incide directamente en la reducción de este contaminante debido a que se considera que la emisión de partículas para este combustible es insignificante. Los escenarios TMB 2011 base y combustibles alternativos muestran una reducción del 58,8% y 64,9%, respectivamente, respecto al escenario TMB 2006, gracias a la mejora de la motorización de los vehículos y el aumento de la flota de gas natural. Se observa que la entrada de biocombustibles en la totalidad de la flota circulando con diesel, reduce las emisiones considerablemente. 13

14 CONSUMO DIARIO DE COMBUSTIBLES EN KILOGRAMOS DE GASOLEO EQUIVALENTES. (%) ,0 151, ,5 123,7 130, ,0 99,6 101, TMB 2006 TMB 2011 base TMB 2011ca 2011 base 2011 c.a base 2017A c.a. 2017B c.a. Figura 23. Consumo diario de combustibles en kilogramos de gasóleo equivalentes en los escenarios evaluados Los escenarios BCNecología presentan un aumento, respecto al escenario TMB 2006, más elevado, por el hecho de que aumenta el servicio y la frecuencia, debido a que están implementados en la nueva red. Se ha de tener en cuenta que este gráfico aporta los resultados en quilogramos equivalentes diarios de gasóleo, pero en el desglose de este consumo, mostrado en la siguiente figura, se puede observar qué cantidad de emisiones de CO2 pertenece a cada combustible utilizado. 14

15 EMISIONES DIARIAS DE CO2 (KG) Figura 24. Emisiones diarias de CO2 (kg) en los escenarios evaluados 6.AGRADECIMIENTOS Este estudio no habría sido posible sin la colaboración técnica de David Andrés Argomedo y Anna Bacardit. 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. 15