Estimación de emisiones atmosféricas por fuentes móviles en ruta aplicando la metodología COPERT y determinación de las emisiones de material particulado resuspendido con información local (Manizales – año base 2017)

Abstract

En los últimos años los centros urbanos han sufrido un deterioro en la calidad del aire debido al rápido crecimiento demográfico que trae consigo aumentos acelerados en las actividades industriales y en las tasas de motorización. Las emisiones por fuentes móviles en ruta son una de las fuentes de emisión más contaminantes de acuerdo a diferentes estudios reportados en literatura. Los inventarios de emisiones atmosféricas para la ciudad de Manizales año base 2014 y su posterior actualización al año base 2017 utilizando el modelo IVE determinaron que este tipo de fuente aporta más del 80% al total de emisiones de monóxido de carbono, material particulado, compuestos orgánicos volátiles, óxidos de nitrógeno y gases de efecto invernadero.

De acuerdo con lo anterior y teniendo en cuenta que las emisiones por fuentes móviles en ruta comprenden a su vez tres tipos de emisiones (asociadas al tubo de escape, emisiones evaporativas, emisiones de material particulado resuspendido), en este trabajo se estimaron emisiones asociadas al tubo de escape y evaporativas con enfoque top-down aplicando el modelo COPERT versión 5.4 para la ciudad de Manizales (año base 2017). Se estimaron emisiones de contaminantes criterio, gases de efecto invernadero, compuestos orgánicos volátiles para cinco categorías vehiculares: (1) vehículo particular, (2) motocicleta, (3) taxi, (4) bus y (5) camión. Se obtuvieron los siguientes flujos de emisiones: CO2 (318041 ton/año), CO (11422 ton/año), COV (2166 ton/año), COVNM (2008 ton/año), NOx (1965 ton/año), CH4 (157 ton/año), PM2.5 (107 ton/año), BC (35 ton/año), SO2 (19 ton/año), N2O (18 ton/año).

Con respecto al IEA-2017 estimado mediante IVE se obtuvieron diferencias mayores al -60%, las cuales se deben principalmente al parámetro base función de los factores de emisión de cada modelo, en el caso de IVE el bin de potencia específica del motor y en el caso de COPERT la velocidad promedio vehicular. Manizales se caracteriza por tener una orografía compleja con pendientes inclusive mayores al 22%, estas incrementan la resistencia en el motor del vehículo ya que implica revolucionarlo más, generando mayor estrés en él y por lo tanto mayores emisiones (principalmente CO2, SO2 y NOx). En contraste, COPERT solo considera pendientes de hasta 6% y solo para bus y camión, por lo que los resultados del modelo IVE pueden ser más representativos de la ciudad. Otras diferencias como los valores de FE de partida y tipo de correcciones de cada modelo causan diferencia en las emisiones obtenidas en menor proporción.

Por otra parte, se estimaron las emisiones de material particulado susceptible de resuspensión (RD10) con medidas locales. Se desarrolló una campaña de campo para estimar la carga de sedimento de RD10 para el ajuste los factores de emisión. Adicionalmente, se determinó la composición química y morfológica del RD10 mediante ICP-MS, cromatografía, FE-SEM y HR-TEM, estas últimas acopladas a EDS. El factor de emisión de RD10 promedio fue de 0.043 g/VKT y las emisiones de RD10 de 69.0 ton/año a partir de la carga de sedimento promedio de la ciudad que estuvo en el rango de 0.77 a 26.8 mg/m2. La composición química y morfología mostraron fuentes de aporte tanto vehiculares como desgaste de frenos y neumáticos (Cu, Pb, Sb, Co), desgate de carretera (Na, Al, Ca, Fe) y fuentes industriales (Cd, Se, V, As), y también fuentes volcánicas (sal amoníaco, complejos hidratados Al-Si-K, diferentes metales) (Texto tomado de la fuente)

Urban centers have been exposed to air quality problems due to the fast population growth, increasing in industrial activities and motorization rates. Emissions from road mobile sources are one of the most concerning emission sources according to different studies reported in literature. The inventories of atmospheric emissions (IAE) for the city of Manizales base year 2014 and its update to the base year 2017 using the IVE model determined that this type of source contributes more than 80% to the total emissions of carbon monoxide, particulate matter, volatile organic compounds, nitrogen oxides and greenhouse gases.

Considering that the emissions from road mobile sources comprise three types of emissions (exhaust emissions, evaporative emissions, emission of road dust), in this work, exhaust emissions and evaporative emissions were estimated for the city of Manizales (base year 2017). COPERT version 5.4 model and top-down approach were applied. Emissions of criteria pollutants, greenhouse gases, and volatile organic compounds were estimated for five vehicle categories, such as: (1) private vehicle, (2) motorcycle, (3) taxi, (4) bus and (5) truck. Emission flows were obtained of: CO2 (318 041 ton/year), CO (11422 ton/ year), COV (2166 ton/year), COVNM (2008 ton/year), NOx (1965 ton/year), CH4 (157 ton/year), PM2.5 (107 ton/year), BC (35 ton/year), SO2 (19 ton/year), N2O (18 ton/year).

Respect to the IAE-2017 estimated by IVE, differences higher of 60% were obtained, which are mainly due to the base parameters of the emission factors of each model, among others. which are mainly due to the base parameter of the emission factors of each model, in the case of IVE the bin of specific engine power and in the case of COPERT the average vehicle speed. Manizales is characterized by having a complex orography with slopes even greater than 22%, these increase the resistance in the vehicle's engine since it implies revolutionizing it more, generating greater stress in it and therefore greater emissions (mainly CO2, SO2 and NOx). In contrast, COPERT only considers slopes of up to 6% and only for bus and truck, so the results of the IVE model may be more representative of the city. Other differences such as the initial FE values and type of corrections of each model cause a difference in the emissions obtained in a lesser proportion.

On the other hand, emissions of particulate material susceptible to resuspension (RD10) were estimated with local measured. A field campaign was developed to estimate the sediment load of RD10 and to evaluate the emission factors for the city. Additionally, the chemical and morphological composition of RD10 was determined by ICP-MS, chromatography, FE-SEM and HR-TEM, the latter coupled to EDS. The average RD10 emission factor was 0.043 g/VKT y RD10 emissions of 69.0 tons/year were estimated from the city's average sediment load, which was in the range of 0.77 to 26.8 mg/m2. The chemical composition and morphology showed sources of contribution from vehicle sources such as brake and tire wear (Cu, Pb, Sb, Co), road wear (Na, Al, Ca, Fe) and industrial sources (Cd, Se, V, As), but also from volcanic sources (salammoniac, Al-Si-K hydrated complex, different metals).