El método comúnmente utilizado por la comunidad científica, sector industrial y gubernamental es el uso de los factores de emisión. El factor de emisión se define como un valor representativo que intenta relacionar la cantidad de contaminante emitido a la atmósfera con una actividad asociada a la emisión del contaminante. Estos factores son usualmente expresados como la masa del contaminante dividido por una unidad de peso, volumen, distancia o duración (EPA, 2015b).
La Ecuación 1 presenta el método mediante el cual se calculan las emisiones haciendo uso de los factores de emisión.
Donde E corresponde a la emisión, Ef es el factor de emisión asociado a la actividad A y ƞ representa la eficiencia de la medida de control (EPA, 2015b).
Los factores de emisión son la principal fuente de incertidumbre al momento de cuantificar la emisión de los gases NOx, CO, SOx y material particulado (Belalcazar, Clappier, Blond, Flassak, & Eichhorn, 2010). Dependiendo del tipo de fuente y actividad a ser evaluada se requiere de información particular para el cálculo de los factores de emisión.
Factores de emisión: Fuentes puntuales
En la literatura existen diversos países que cuentan con bases de datos o compendios de factores de emisión, los cuales en todos los casos han sido determinados experimentalmente. La US EPA cuenta con el compendio AP-42 (EPA, 2015b) el cual cuenta con 15 capítulos asociados a diferentes actividades industriales y sus correspondientes factores de emisión para contaminantes primarios.
Por otro lado, el Reino Unido cuenta con una base de datos de factores de emisión desde el año 1970 hasta el 2012 dividido en diferentes sectores industriales, incluyendo compuestos orgánicos volátiles, gases de efecto invernadero, metales pesados y contaminantes criterio. Adicionalmente, cuenta con una base de datos de factores de emisión para vehículos clasificados por tipo de vehículo, consumo y tipo de combustible (NAEI, 2014).
El Programa de Evaluación y Monitoreo Europeo – EMEP y la Agencia Ambiental Europea – EEA cuentan cuenta con un libro guía para la construcción de inventarios de emisiones (EMEP & EEA, 2013) el cual contiene factores de emisión para diversas actividades las cuales se encuentran divididas en seis grandes grupos. La (CEPMIEP, 2014) cuenta con una base de datos de factores de emisión para material particulado, tanto PST, PM10 y PM2.5 para diferentes actividades y fuentes de emisión que da soporte al inventario de emisiones. Igualmente, la (APEF, 2014) es una colección de varias fuentes de información que compila los factores de emisión para diferentes actividades y tipos de contaminantes.
La determinación de factores de emisión para fuentes fijas, dependerá de la actividad económica a la cual se dedique la industria, del tipo de combustible utilizado, los equipos, del proceso de combustión (en caso en que lo haya) y de las tecnologías de control de emisiones.
Factores de emisión: Fuentes móviles
En las fuente móviles, las emisiones y los factores de emisión depende del tipo de combustible del que se hace uso, de las tecnologías de control de emisiones con las que cuentan los vehículos, el ambiente y las condiciones de operación de los vehículos (Franco et al., 2013).
Existen diferentes métodos que pueden ser implementados para la determinación de los factores de emisión, todos ellos son descritos a continuación.
- Dinamómetro de chasis: En este método los vehículos son colocados sobre un dinamómetro de chasis, en el cual cada vehículo sigue un ciclo de conducción y por medio de un equipo especializado (CVS-Constant Volumen Sample) se determina la masa de los contaminantes emitidos por kilómetro recorrido. Esta técnica implica altos costos económicos y debido a que son pocos los vehículos que pueden ser muestreados se tiene dificultades en contar con una muestra representativa.
- Equipo a bordo: Existen equipos conocidos como PEMS (Portable emissions measurement systems). Estos instrumentos cuentan con técnicas establecidas por autoridades ambientales reconocidas para el muestreo de contaminantes emitidos por vehículos de manera continua e instantánea, los cuales determinan emisiones y factores de emisión. Aunque esta técnica permite estimar los factores de emisión en condiciones urbanas reales el número de vehículos es limitado por lo tanto se reduce la repetitividad colocando algunas limitaciones si es usado como método para determinar factores de emisión (Franco et al., 2013).
- Túnel o calle cañón: Equipos de monitoreo son colocados vientos arriba y vientos debajo de un túnel que se encuentre dentro de la ciudad o una calle rodeada por edificios conocida como calle cañón. Usualmente se hace uso de un trazador el cual permite determinar la tasa de ventilación del túnel. Por medio del principio de conservación de masa y la contabilización del flujo vehicular es posible estimar el factor de emisión. Esta técnica es muy útil para monitorear emisiones de cientos de vehículos en condiciones reales, sin embargo genera dificultades para identificar las emisiones por tipo de vehículo y tecnologías de control de emisiones (Franco et al., 2013).
- Modelación inversa: Esta es una técnica complementaria a una previa medición de emisiones contaminantes. La modelación inversa hace uso de un modelo de calidad del aire, el cual parte de unas concentraciones y por medio de análisis estadístico es posible determinar las posibles fuentes de emisión y los factores de emisión. Para estos casos pueden ser utilizados modelos de dispersión de contaminantes o de receptores.
- Uso de modelos. MOVES es un modelo recomendado por la (EPA, 2014) para construir inventario de emisiones en fuentes móviles y/o determinar factores de emisión. Este modelo se caracteriza por solicitar información robusta y detallada de la flota y flujo vehicular, condiciones meteorológicas e infraestructura vial. En el momento en que MOVES es ejecutado y entregar resultados, es necesario realizar un post-procesamiento de los mismos para estimar los factores de emisión. Este modelo corresponde a la versión más actualizada del modelo MOBILE.
El modelo COPERT 4 es desarrollado por la EEA y el Centro europeo para la polución del aire y la mitigación del cambio climático (Emisia, 2014). Este modelo permite determinar factores de emisión para gases de efecto invernadero producidos por el sector del transporte.
Usualmente los modelos con los que se construyen los inventarios de emisiones o se estiman factores de emisión se encuentran desarrollados para ser aplicados en Estados Unidos o Europa. Por tanto, este tipo de modelos requieren de información muy específica y detallada que para países como el latinoamericano genera alta incertidumbre la utilización de este tipo de herramientas. Es por esta razón que se desarrolla el modelo IVM – International Vehicle Emissions Model (ISSRC, 2014) el cual está diseñado para tener mayor flexibilidad en términos de la información de entrada que es requerida. Países como México, Chile y Brasil han hecho uso de esta herramienta (ISSRC, 2005).
Lineamientos para la determinación de factores de emisión en la ciudad de Cartagena
Para la elaboración de factores de emisión en la ciudad de Cartagena de fuentes fijas, se sugiere llevar a cabo las 4 etapas que se presentan a continuación.
Metodología recomendada para la determinación de factores de emisión en fuentes puntuales
- Etapa I: Agrupación de industrias. Es necesario agrupar a todas las empresas que tienen una misma actividad económica e identificar para grupo los procesos y equipos que constituyan fuentes fijas de emisión.
- Etapa II: Formato de recolección de la información. Será necesario diseñar y aplicar un formato para cada tipo de industria donde sea posible cuantificar la información referente a condiciones meteorológicas, procesos de combustión, tipos de combustibles, consumo de combustible, características geométricas de los fuentes puntuales y actividades características propias de cada una de las industrias.
- Etapa III: Cálculo de las emisiones. De acuerdo con la información recolectada en la etapa II se deberán determinar las emisiones másicas en función del tiempo por cantidad unitaria de producto.
- Etapa III: Definición de factor de emisión. Por medio de la aplicación de técnicas estadísticas y la información recolectada en la etapa II se deberá desarrollar una ecuación que permita determinar el factor de emisión para cada tipo de fuente de emisión, para cada contaminante. Este factor de emisión deberá tener unidades que coincidan con el proceso y el tipo de fuente de emisión que se está evaluando. El factor de emisión deberá ser comparado con factores existentes en bases de datos.
- Etapa IV: Validación del factor de emisión. Dependiendo de las características de la fuente y el tipo de información con las que se cuenta se recomiendan dos métodos para validar el factor de emisión. El primer método consiste en determinar las emisiones partiendo del factor de emisión encontrado, aplicando la Ecuación 1. Esta emisión deberá ser comparada con las emisiones estimadas por el método de balance de masas o medición directa, el error reportando entre ambas emisiones debe ser inferior a 5%. El segundo método cosiste en validar las emisiones aplicando un modelo de calidad del aire. En esta etapa se recomienda llevar a cabo una campaña de monitoreo al interior de la industria, por un tiempo mínimo de al menos tres meses en 3 puntos dentro de la industria, donde se asegure que las concentraciones medidas provienen únicamente de las fuentes de emisiones de la empresa. Por medio de la aplicación de un modelo de calidad del aire se validan las concentraciones estimadas por el modelo, al cual se le deben ingresar las emisiones calculadas partiendo del factor de emisión con las concentraciones determinadas en la campaña de monitoreo. Deberá existir una correlación lineal cuyo coeficiente de determinación (R2) no debe ser inferior a 0.6, el cual será un criterio aceptable de validación de los factores de emisión.
La metodología anteriormente descrita se recomienda sea implementada en las 95 industrias ubicadas en su mayoría en la zona industrial de Mamonal.
Para la construcción de factores de emisión de fuentes móviles se recomienda sea llevada a cabo haciendo uso de equipos especializados tipo PEMS. El desarrollo de factores de emisión con este tipo de instrumentos requiere de personal especializado y una inversión económica importante, pero es el método de mayor precisión. Si no se contase con el presupuesto para la adquisición y puesta en marcha de este tipo de equipos a continuación se presenta la metodología a seguir, haciendo uso de modelos especializados, de acuerdo con las características propias de la ciudad, desarrollada en 4 etapas.
Metodología recomendada para la determinación de factores de emisión en fuentes móviles
- Etapa I. Clasificación del transporte. Se deben realizar aforos vehiculares en las vías principales de la ciudad, al igual que identificar los tipos de combustibles y los sistemas de control de emisiones de cada uno de los vehículos clasificados por categorías que circulan en la ciudad.
- Etapa II. Ciclo de conducción. Todos los modelos de emisiones de fuentes vehiculares requieren como dato de entrada el ciclo de conducción característico de la ciudad. Para esto se debe desarrollar un trabajo de campo que consiste en recorrer las principales vías de la ciudad en los diferentes tipos de transporte, adquiriendo la información de velocidad, posición y tiempo de cada uno de los vehículos. Esta actividad debe replicarse en diferentes horas del día durante todos los días de la semana. Posteriormente, por medio de la aplicación de la técnica estadística de diferencias ponderadas se identifica el ciclo de conducción característico.
- Etapa III. Modelo de emisiones. Esta etapa consiste en la aplicación de un modelo de emisiones, con el cual sea posible definir el factor de emisión por tipo de vehículo y contaminante. De acuerdo con los resultados realizados en las campañas de monitoreo de la ciudad y la literatura, los contaminantes que se sugieren sean modelados de manera obligatoria son material particulado, NOx y monóxido de carbono.
- Etapa IV. Validación del factor de emisión. Realizar una campaña de monitoreo para cada uno de los contaminantes de mínimo tres meses en sitios cuya fuente de emisión predominante corresponda a las fuentes móviles. La selección de los puntos de monitoreo serán definidos en la siguiente sección. Posteriormente se debe aplicar un modelo de calidad del aire, cuya información de entrada corresponda a las emisiones calculadas partiendo del factor de emisión determinado en la etapa III. Las concentraciones estimadas por el modelo deberán correlacionarse linealmente con las concentraciones medidas en la campaña de monitoreo con un coeficiente de determinación (R2) no inferior a 0.6 y una pendiente de la recta igual a uno (1), estos serán los criterios aceptables de validación de los factores de emisión. En caso de que la pendiente se superior o inferior a uno (1) el modelo estará subestimando o sobreestimando, por tanto, se debe regresar al factor de emisión e identificar le valor que ajusta adecuadamente la pendiente.
Cabe la pena resaltar que existen otras metodologías posibles para determinar los factores de emisión. Sin embargo, algunas de ellas presentan deficiencias para presentar los factores de emisión discriminados por tipo de vehículos y/o los factores de emisión presentan altas incertidumbres.
Definición de los puntos de monitoreo de contaminantes provenientes de fuentes móviles en la ciudad de Cartagena.
Para la definición de los sitios de monitoreo de fuentes móviles en la ciudad de Cartagena, actividad requerida para validar los factores de emisión, se desarrolló una metodología en la cual se preseleccionaron 6 puntos dentro de la ciudad en los cuales se identificó una fuerte influencia de las fuentes móviles.
En cada uno de los puntos seleccionados se evaluó la posibilidad de realizar el monitoreo ambiental de acuerdo con los siguientes criterios: (1) seguridad, (2) incidencia de otras fuentes (fijas), (3) requerimientos de espacio para la instalación de equipos, (4) accesibilidad al sitio, (5) obstáculos que interfirieran la dispersión de contaminantes, (6) registro de datos suficientes en tiempo para un adecuado análisis estadístico y (7) grado de contaminación. Para determinar el grado de contaminación se ejecutó el modelo gaussiano de calidad del aire CALINE3 (EPA, 2015a). A cada uno de estos factores le fue asignado un porcentaje de significancia y de acuerdo con el presupuesto que se contaba para la ejecución de este trabajo, se le asignó a cada uno de las estaciones un puntaje de 10 a 50, donde 50 indica que se requiere una alta inversión económica y 10 una baja inversión en cada uno de los puntos preseleccionados.
Resultados selección de sitios para monitoreo atmosférico
De acuerdo con las limitaciones presupuestales, los puntos de monitoreo seleccionados son: Bomba del Amparo, María Auxiliadora y Peaje Ceballos. En cada uno de estos puntos fue llevada a cabo una campaña de monitoreo de PM 2.5 y CO por un periodo de un mes.
Puntos de monitoreo de calidad del aire en cada uno de los puntos seleccionados.
Durante el periodo de muestreo en todos los sitios monitoreados fue excedida la norma de calidad del aire para PM2.5. Mientras que para el caso de CO, no fue excedida la norma de calidad del aire, establecida en 40.000 μg/m3 (MAVDT, 2010). El punto de María Auxiliadora presenta las menores concentraciones de estos contaminantes y el sector de la Bomba del Amparo las mayores concentraciones. Este resultado responde al flujo vehicular de la zona, que de acuerdo con el aforo realizado, se identifica que la Bomba del Amparo es el punto con mayor flujo vehicular.
Variación de la concentración de PM2.5 en el tiempo durante la campaña de monitoreo.
Variación horaria de la concentración de CO en el tiempo durante la campaña de monitoreo
Aforo en los sitios de monitoreo: Bomba del Amparo, María Auxiliadora y Peaje Ceballos