Modelo de Emisiones Vehiculares (MODEM)

Mauricio Osses, Académico Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Chile

La creciente importancia de los fenómenos medioambientales producidos por la actividad humana en zonas urbanas exige la incorporación y cuantificación de este tipo de externalidades en las metodologías de planificación urbana. Debido al alto grado de responsabilidad del sector transporte en el nivel de emisiones de contaminantes atmosféricos existentes en ciudades como Santiago, se ha hecho imperativo contar con herramientas o modelos que evalúen el nivel de emisiones asociados a la actividad vehicular. El presente documento describe la metodología utilizada para vincular los modelos tradicionales de transporte con modelos de emisión, aplicados al caso particular del Gran Santiago.

La estimación de contaminantes atmosféricos se realiza a partir de información vial generada por el modelo estratégico ESTRAUS, la que debe ser adaptada y complementada para lograr el nivel de desagregación espacial y temporal requerida por la metodología de estimación de emisiones. El proceso de adaptación de la información generada por ESTRAUS y el cálculo de emisiones se realizan mediante un Modelo de Emisiones denominado MODEM, el cual se basa en la metodología empleada por la Comisión Nacional de Medio Ambiente para determinar los Inventarios de Emisión en la Región Metropolitana y otras ciudades intermedias (Temuco, Gran Valparaíso, Rancagua y Concepción).

MODEM es un programa que utiliza corridas del modelo ESTRAUS y permite obtener emisiones de contaminantes específicos asociados a distintas categorías vehiculares, generando resultados en base horaria o anual, a escala de arco vial, comuna o Gran Santiago (agrupando 34 comunas). La visualización de resultados por arco puede ser analizada directamente mediante sistemas de información geográficos, específicamente TransCad. El desarrollo de MODEM ha sido realizado a solicitud de SECTRA/MIDEPLAN para incorporar la variable ambiental en el Plan de Desarrollo (PdD) del Sistema de Transporte Urbano (STU).

El desarrollo inicial de MODEM se ejecutó durante el periodo Octubre-1999 hasta Marzo-2000, durante el cual se implementó la estructura general de la metodología de cálculo de emisiones, desarrollando aspectos específicos relacionados con actividad vehicular y la factibilidad de utilizar modelos estratégicos como ESTRAUS en este tipo de estimaciones. Este estudio inicial dio origen a una serie de recomendaciones y mejoras, las que serán implementadas en un segundo estudio, iniciado en Marzo-2001 y que se ha planificado para un periodo de ocho meses.

Paralelamente al desarrollo de MODEM, existe un estudio de valorización económica que consiste en desarrollar una herramienta metodológica que permita evaluar, desde un punto de vista económico, diversas regulaciones ambientales sobre la calidad del aire y la reducción de emisiones del transporte en la década 1990-2000, y que genere a la vez una herramienta de planificación y evaluación económica de alternativas de planes y políticas para la década 2000-2010.

Los dos estudios en desarrollo mencionados anteriormente están vinculados y se complementan con un trabajo interdisciplinario que busca establecer las relaciones entre los sectores energía y transporte, considerando las implicancias económicas y medioambientales producto de medidas aplicadas en ambos sectores. Se ha definido una primera fase de carácter exploratorio durante los primeros ocho meses del año en curso, para luego generar un modelo que integre todos los factores involucrados.

En resumen, existen cuatro estudios relacionados con el desarrollo y aplicación del modelo de emisiones, todos ellos solicitados por SECTRA a través de MIDEPLAN y ejecutados por la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile (con participación del Laboratorio de Tránsito de DICTUC, Universidad Católica):

1. Análisis de evaluaciones y reevaluaciones Expost, VI etapa", Octubre 1999 a Marzo 2000
2. "Actualización del modelo de cálculo de emisiones vehiculares", Marzo a Noviembre 2001
3. "Análisis económico-ambiental de planes de desarrollo del STU", Marzo a Noviembre 2001
4. "Diagnóstico ambiental de las redes de transporte y energía", Marzo a Octubre 2001

El presente documento intenta describir la metodología de cálculo de emisiones vehiculares utilizada en MODEM, considerando la cobertura actual del modelo así como sus eventuales mejoras y potencialidades.

Estructura general de MODEM

Básicamente, MODEM recibe información vial proveniente del modelo estratégico ESTRAUS y genera emisiones de contaminantes atmosféricos producidos por la actividad de fuentes móviles urbanas terrestres. MODEM maneja cuatro niveles de desagregación, los que se describen en la tabla siguiente:

Descripción de resultados generados por MODEM

Nivel de desagregación	Descripción
	MODEM versión 1.0 (marzo 2000)	MODEM versión 2.0 (noviembre 2001)
Geográfico	Resultados por arco Resultados por comuna y Gran Santiago	Idem versión 1.0
Temporal	Resultados para hora punta mañana Resultados anuales	Resultados por hora para día hábil típico Resultados anuales
Contaminante	3 gases regulados (CO, HC, NOx) 3 gases no regulados (N2O, NH3, CH4) Material particulado respirable (MP10)	4 gases regulados (CO, HC, NOx, SO2) 4 gases no regulados (N2O, NH3, CH4, CO2) Material particulado respirable (MP10) Compuestos orgánicos volátiles (55 especies)
Categoría vehicular	18 categorías Buses (5 tipos) Camiones (2 tipos) Veh. Pasajeros (6 tipos) Veh. Comerciales (3 tipos) Motocicletas (2 tipos)	21 categorías fijas + adicionales Buses (6 tipos) Camiones (3 tipos) Veh. Pasajeros (6 tipos) Veh. Comerciales (4 tipos) Motocicletas (2 tipos) Posibilidad de agregar otras categorías
Variables de actividad	Consumo de combustible (CC) Densidad de flujo	Consumo de combustible (CC) Densidad de flujo Flujos vehiculares Velocidades promedio
Tipos de emisión	Emisiones en caliente	Emisiones en caliente Emisiones por partidas en frío Emisiones evaporativas (hot soak, running losses, diurnal)

La visualización gráfica de los resultados obtenidos mediante MODEM es posible realizarla directamente con software comercial (e.g. TransCad), o bien a través de un sistema específicamente generado para MODEM, que se incluirá en la versión 2.0. Este nuevo sistema permitirá transformar la información por arco de la red a una malla o grilla con celdas cuadradas de longitud variable, con el objetivo de facilitar la visualización de los resultados y permitir una fácil comunicación con modelos de dispersión de contaminantes.

La información de actividad vehicular entregada por los modelos de transporte se encuentra restringida a un periodo de modelación, haciéndose necesario expandir esta actividad temporalmente hasta llegar a modelaciones anuales. La expansión de flujos vehiculares se realiza aplicando "perfiles normalizados de flujo", que representan las variaciones del número total de vehículos pertenecientes a una categoría específica durante diferentes tipos de día. Estos perfiles dependen de la ubicación geográfica del arco vial analizado y su categoría. Actualmente existen perfiles normalizados de flujo diferenciados para transporte privado y buses licitados (ver figura 1), agregándose camiones en la versión 2.0. Además de lo anterior, se consideran las variaciones mensuales de flujo, considerando un mes de referencia (e.g. Abril). Las curvas de perfiles normalizados se encuentran clasificadas según el sentido de viaje (N-S, S-N, O-P, P-O).

La clasificación de los distintos tipos de vehículo en categorías responde a las diferencias existentes asociadas a su nivel de emisión y el uso. Debido a que la información vial obtenida en un modelo de transporte no alcanza a ofrecer diferencias como las requeridas, se aplican matrices de composición vehicular obtenidas mediante conteos y análisis estadístico de información histórica. Estas matrices pueden ser proyectadas de acuerdo a criterios de crecimiento y obsolescencia para generar modelaciones de escenarios futuros. Las matrices de composición vehicular se asumen dependientes de la ubicación geográfica de cada arco vial, sin variaciones durante el día. Sin embargo se espera incorporar la variable temporal como uno de los alcances de la versión MODEM 2.0.

 

Figura 1. Perfil de flujo para buses licitados

 

Factores de Emisión

El elemento más importante en la metodología de cálculo de emisiones corresponde al denominado "factor de emisión". Existen distintos factores de emisión para distintas categorías vehiculares, generalmente debido a las diferencias tecnológicas asociadas a cada uno, tales como el tipo de combustible utilizado, la existencia de dispositivos de control de emisiones, la capacidad del motor, etc. El factor de emisión indica la masa de contaminante emitido por unidad de distancia recorrida, expresándose generalmente en gramos/kilómetro. La hipótesis principal es que los factores de emsiión dependen de la velocidad media de desplazamiento del vehículo, para lo cual existen curvas en función de la velocidad, generalmente de tipo cúbico, cuadrático o exponencial. Los estudios desarrollados para SECTRA intentan establecer una relación con la aceleración del vehículo además de la ya existente con la velocidad, en particular para estimar mejor las emisiones de óxidos de nitrógeno en vehículos livianos.

Lo anterior da origen a 111 curvas de emisión en función de la velocidad solamente para determinar 7 compuestos para cada categoría vehicular considerada. A esto se agregan los 55 compuestos específicos de hidrocarburos y estimaciones de CO₂ y SO₂, que dependen del consumo de combustible (las curvas de consumo también son funciones dependientes de la velocidad media de desplazamiento). Soamente el 10% de estas curvas ha sido generada con campañas experimentales desarrolladas en el Departamento de Ingeniería Mecánica, representativas de condiciones locales tales como tipo de combustible, estado de los vehículos y patrones de conducción. El resto de las curvas se basan en bases de datos de origen europeo, las cuales están siendo calibradas para su aplicación en Santiago, como parte de las actividades planificadas para el presente año.

La figura 2 muestra gráficamente el tipo de resultados obtenidos en el análisis de dependencia de los factores de emisión con velocidad y/o aceleración. En este caso se muestra la dependencia de óxido nítrico (NO) para vehículos livianos gasolineros equipados con convertidor catalítico. El NO corresponde a un 90% de las emisiones de NOx en este tipo de vehículo y existe mejor grado de correlación entre el factor de emisión y la aceleración, comparado con la hipótesis tradicional que utiliza la velocidad media como variable independiente.

 

Figura 2. Mapa de emisión de NO en vehículos catalíticos

 

Resultados obtenidos

Mediante la aplicación de la metodología contenida en MODEM es posible generar grandes volumenes de información, los cuales pueden ser analizados en términos globales (emisiones anuales para el Gran Santiago), o bien de pequeña escala (variación horaria de emisiones por arco de la red vial). Ejemplos de análisis globales se presentan en la figuras siguientes. La figura 3 muestra la responsabilidad de distintos tipos de vehículo en la emisión de contaminantes, comparando estos resultados con parámetros de actividad tales como el consumo de combustible, la densidad de flujo y la capacidad de transporte de pasajeros. Los vehículos se agrupan en: gasolineros (spark ignition), vehículos diesel distintos de buses licitados (buses pullman, camiones, comerciales medianos y livianos) y buses licitados (urban buses). Se observa que los vehículos diesel aportan ua importante fracción de material particulado (PM), óxidos de azufre (SO₂) y óxido de nitrógeno (NOx); mientras que los vehículos gasolineros son responsables de la mayor cantidad de amisiones de gases, especialmente monóxido de carbono (CO). Las tres últimas columnas muestran el consumo de combustible (FC), la densidad de flujo en vehículosŸ kilómetro/hora (ACT) y el número de pasajeros transportados por cada modo (PAS).

Figura 3. Responsabilidad en las emisiones y actividad según tipo de vehiculo

También es posible realizar análisis a nivel comunal, dividiendo el Gran Santiago en nueve sectores que agrupan comunas de características similares.

Figura 4. Emisiones de material particulado de vehiculos diesel en Santiago

 

Es importante destacar que los resultados obtenidos por este tipo de modelaciones dependen fuertemente de la información vial que reciban. La aplicación de modelos estratégicos como entrada a un modelo de emisión está sujeta a ciertas restricciones propias de una modelación de estas características. Si el objetivo es evaluar medidas o instrumentos de naturaleza táctica, es necesario cambiar el tipo de modelación de transporte y algunos criterios de trabajo en el modelo de emisión. Sin embargo, los principios básicos de la metodología se mantienen, permitiendo su aplicación a distintos niveles de análisis.

La utilización del modelo ESTRAUS ha sido satisfactoria para la estimación de emisiones, sin embargo es necesario corregir algunos parámetros relacionados con los distintos tipos de flujo fijo, en especial los flujos y velocidades asignados a los buses licitados. El mejoramiento de estos parámetros también forma parte de la etapa actual de trabajo que finaliza en Noviembre del presente año.

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