Estudio comparativo de distintos modelos de cálculo de emisiones del tráfico rodado: aplicación a un caso de estudio

Resumen

Hoy en día, la contaminación atmosférica ocupa el primer puesto en cuanto a riesgos medioambientales para la salud humana. Pese a que, en las últimas dos décadas, las emisiones de los principales contaminantes atmosféricos se han reducido en la Unión Europea (UE), la exposición prolongada a éstos está asociada a problemas de salud como las enfermedades cardíacas, enfermedades respiratorias o el cáncer. Asimismo, estas emisiones están relacionadas con daños en el medioambiente como la acidificación de suelos, daños en la vegetación, corrosión de edificaciones o con el cambio climático, entre otros.

En la UE, el tráfico rodado es el culpable de un alto porcentaje de las emisiones de los contaminantes atmosféricos y gases de efecto invernadero (GEI). Por tanto, se han impuesto legislaciones que establecen unos límites de emisión para el tráfico rodado muy conservadores en los últimos años (normativas Euro) y se han desarrollado tecnologías con el propósito de reducir esas emisiones y/o convertirlas en sustancias menos tóxicas.

Con el fin de asistir a los investigadores en el estudio de las emisiones de contaminantes atmosféricos y GEI, se han creado herramientas para el cálculo de estas emisiones del tráfico rodado. A pesar de ello, en cada entorno geográfico la legislación es diferente, por tanto, las emisiones resultantes de cada modelo podrían fluctuar.

El presente Trabajo de Fin de Máster (TFM) tiene como objetivo realizar un estudio comparativo de distintos modelos de cálculo de emisiones de tráfico rodado que hay en el mercado. Para ello:

• Se realiza un estudio inicial de los distintos modelos existentes en el mercado, para seleccionar los más adecuados para el TFM (teniendo en cuenta la rigurosidad, los contaminantes atmosféricos y GEIs estimados, así como las características propias y las limitaciones de cada modelo).
• Se toman los datos de circulación del tráfico rodado de la ciudad de Madrid como caso de estudio para calcular las emisiones con los modelos seleccionados.
• Se realiza un análisis comparativo de los resultados: estudiando diferencias, similitudes y debilidades de cada modelo.

Los contaminantes atmosféricos objeto de estudio son NOX y PM2,5 (procedente de la combustión, sin considerar el originado por desgaste de frenos y neumáticos y abrasión del pavimento); así como el GEI mayoritario: CO2.

Por otro lado, el estudio se ha realizado dividiendo la flota de Madrid en cuatro grupos de vehículos, según combustible: gasolina, diésel, híbridos de gasolina y un grupo compuesto por vehículos de GNC y GLP; y calculando las emisiones de cada grupo en las siguientes zonas del municipio Madrid:

• zona A: interior M30/Calle 30,
• zona B: M30/Calle 30,
• zona C: entre M30/Calle 30 y M40,
• zona D: M40, y
• zona E: exterior M40.

Tras realizar el análisis de los modelos del mercado, estudiando las características de mayor relevancia de cada modelo, se han elegido las siguientes herramientas: COPERT, IVE Model, MOVES3 y GREET.

El modelo COPERT ha sido desarrollado por la Agencia Europea de Medioambiente (EEA) para calcular las emisiones del tráfico rodado siguiendo la metodología de cálculo propuesta por la UE: EMEP/EEA. La versión utilizada en este TFM es la 5.2.2 y los datos de entrada introducidos por este modelo se clasifican en cuatro tipos:

• datos meteorológicos,
• características del trayecto,
• características de la flota y
• características del combustible.

El modelo IVE fue financiado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA), con el fin de reducir las emisiones de vehículos motorizados en países en vías de desarrollo. Se ha utilizado la versión 2.0.2 y los datos de entrada se clasifican en:

• localidad,
• variables ambientales,
• características de la flota y
• características del combustible.

El modelo MOVES también fue desarrollado por la EPA para calcular las emisiones del tráfico rodado de los Estados Unidos (EE.UU.). Se ha utilizado la versión MOVES 3.0, conocida como MOVES3, y los datos de entrada que solicita el modelo se clasifican en:

• ubicación,
• meteorología,
• características de la carretera,
• características del combustible y
• población vehicular.

GREET es un proyecto desarrollado por el Laboratorio Nacional de Argonne, con el objetivo de promover los beneficios de los biocombustibles, bioproductos y bioenergía. GREET se divide en dos módulos: el primero, que calcula las emisiones de todo el ciclo de vida del combustible, y el segundo, que calcula las emisiones del ciclo vida completo del vehículo.

Con GREET, al igual que en los anteriores, se calculan las emisiones relativas al uso del combustible en el vehículo, etapa Tank-to-Wheels (TtW), y, adicionalmente, las emisiones originadas por la producción del combustible, Well-to-Tank (WtT). La suma de ambas etapas supone el ciclo de vida completo del combustible/fuente energética (Well-to-Wheels, WtW). La versión de GREET utilizada es la 2022 y los datos de entrada necesarios se clasifican en: población vehicular y características del combustible.

Una vez calculados los datos por los cuatro modelos, se comparan los resultados de IVE, MOVES3 y GREET con los de COPERT. Se ha seleccionado COPERT como referencia porque utiliza la metodología de cálculo propuesta por la UE. Asimismo, se contrastan las emisiones TtW frente a las WtW, ambas calculadas con el modelo GREET.

En el conjunto de los resultados, se puede observar cómo hay datos de COPERT que difieren significativamente del resto de los modelos. Estas diferencias se pueden relacionar con las aproximaciones que se han realizado para poder clasificar la flota de la ciudad de Madrid en los modelos que han sido desarrollados en EE.UU. o con las debilidades que presentan los modelos.

El modelo IVE:

• Presenta una desventaja importante, ya que solicita como entrada información del comportamiento de conducción, que es compleja de conseguir. Por tanto, se ha de seleccionar una de las ciudades que IVE tiene en su base de datos por defecto, en la cual no está incluida Madrid.
• La última versión de IVE fue desarrollada en el año 2010, por lo que no recoge vehículos Euro 5 y Euro 6/VI.
• Calcula unas emisiones de CO2 muy próximas a las de COPERT.
• Las emisiones de NOX resultan mayores o menores a las de COPERT según el tipo de combustible, debido a las aproximaciones a la hora de clasificar ciertos tipos de vehículos en el modelo.
• Únicamente calcula emisiones de PM10, incluyendo abrasión del pavimento y desgaste de frenos y neumáticos, sin dar opción a excluirlas.

El modelo MOVES3:

• Presenta una gran complejidad a la hora de clasificar vehículos, ya que no realiza una clasificación por normativa Euro, sino por edad del vehículo (aplicando así la legislación estadounidense, con límites de emisión muy diferentes).
• Asimismo, no tiene en cuenta el tamaño del vehículo dentro de cada categoría, influyendo notablemente en los resultados, ya que los vehículos americanos, por lo general, son de mayor cilindrada que los europeos y consumen mayor cantidad de combustible.
• Debido a la dificultad de clasificación, las emisiones de CO2 y de NOX calculadas por MOVES3, en su mayoría, son superiores a las de COPERT.
• Por otro lado, las emisiones de PM2,5 tienden a ser mayores, ya que MOVES3 también incluye las correspondientes a la abrasión de pavimento y desgaste de frenos y neumáticos.

El modelo GREET:

• Al haber sido desarrollado en EE.UU., presenta la misma dificultad de clasificación de vehículos que MOVES3: no clasifica según la normativa Euro, sino según la edad del vehículo, y no considera el tamaño del vehículo dentro de cada categoría.
• Por ser un modelo destinado al cálculo de los ciclos de vida completos del combustible y del vehículo, presenta debilidades en cuanto a los datos de entrada, ya que no solicita parámetros tan importantes como la velocidad media y/o el tipo de carretera por la que circula el vehículo, centrándose en otras variables.
• Al igual que MOVES3, GREET calcula unas emisiones de CO2 muy superiores a las de COPERT. Sin embargo, las emisiones de NOX difieren según el combustible: para gasolina e híbridos de gasolina son mayores, mientras que para los diésel, GNC y GLP son menores que las del modelo europeo.
• Calcula emisiones de PM2,5 relativas a la combustión, abrasión y desgaste, por lo que, en general, también estima cantidades mayores que COPERT.

En cuanto a la comparativa de emisiones TtW frente a las WtW calculadas por GREET, se observa en los resultados que las emisiones de CO2 son originadas en su mayoría en la etapa TtW, las emisiones de PM2,5 son mayores en la etapa WtT y que las emisiones de NOX varían según el combustible del vehículo.

Como conclusión, ninguno de los modelos estudiados se adapta adecuadamente a los vehículos europeos: IVE no se actualiza desde hace 14 años, por lo que con el paso de los años va perdiendo utilidad y, por otro lado, para la utilización de los modelos americanos son necesarias una serie de aproximaciones en la flota que compromete la exactitud de los resultados. Por último, se destaca la utilidad de GREET, ya que es de gran ayuda para determinar en qué parte de los ciclos de vida del combustible y del vehículo se emiten más contaminantes atmosféricos y GEI.