Estudio de implementacin

de Remote Sensing Devices

para la Regin Metropolitana Elaborado para el Ministerio del Medio Ambiente por Geasur,

con el objetivo de estudiar las emisiones en carretera de los

vehculos de combustin interna con Remote Sensing Device

(RSD). Este proyecto est orientado a la fiscalizacin,

caracterizacin de emisiones de la flota y construccin de

inventarios de emisiones.

www.geasur.cl

Permitida la reproduccin parcial o total de los contenidos de esta documento con mencin de la fuente.

Estudio de Implementacin de RSD para RM.

Noviembre 2013| Para: Ministerio de Medio Ambiente

Desarrollado por:

Geasur, Tecnologa y Medioambiente www.geasur.cl

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Elaborado por:

Geasur, Tecnologa y Medioambiente www.geasur.cl

Aliosha Reinoso Jefe de Proyecto Sergio Zirath Experto internacional programa RSD Jos Antonio Meja Experto internacional mediciones RSD Luis Snchez Ingeniero civil en transportes Ricardo Aravena Estadstico Francisca Lpez Ingeniera de proyecto Emmanuel Mesas Ingeniero de proyecto

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El Remote Sensing Device (RSD) es una adaptacin de una tcnica de anlisis de laboratorio conocida como fotometra de largo recorrido. Esta tecnologa ha sido adaptada para su uso en carretera, para determinar la concentracin de los contaminantes que realmente son impulsados por los vehculos en calles y carreteras, tal como ellos son conducidos en el trfico.

Implementacin y resultados de RSD en terreno Considerando el desarrollo actual de la tecnologa y de los programas internacionales, el presente estudio realiza una investigacin, con mediciones RSD en la Regin Metropolitana, orientada al uso del equipo en la fiscalizacin, en la caracterizacin de las emisiones de la flota y la construccin de inventarios de emisiones, investigando tambin la medicin de las emisiones disel. El estudio realiz una recopilacin bibliogrfica internacional, donde se presentan principalmente dos aplicaciones del RSD relacionadas a los programas de inspeccin y mantencin (I/M), una referente a la deteccin de vehculos limpios, para eximirlos de la prxima inspeccin ASM, y otra para la deteccin de vehculos sucios, para citarlos a una inspeccin I/M extraordinaria. Por otro lado se muestran los esquemas de implementacin de RSD en distintos estados de EEUU (Colorado, Ohio, Tennesse, Virginia, Texas, Massachusetts, Georgia y Missouri), como tambin la implementacin y resultados de campaas RSD realizadas en Ciudad de Mxico.

Introduccin

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PUNTOS DE CONTROL Para los resultados del estudio, se utilizaron datos de mediciones realizadas por el Departamento de Fiscalizacin del Ministerio de Transportes y Telecomunicaciones, durante los aos 2012 y 2013, en 19 puntos de control, los cuales se presentan en la figura a seguir. Se verific que los puntos fueran representativos por nivel socioeconmico y tecnologa de los vehculos, contaran con buena correlacin con las pruebas de Planta de Revisin Tcnica y presentaran buena eficacia respecto a mediciones vlidas. Como resultado del anlisis de los puntos por parte del equipo y el experto, se entreg un catlogo detallado de puntos de control. Los puntos de control fueron visitados con el experto mexicano Jos Antonio Meja, quien entrego un conjunto de recomendaciones para una mejor operacin, entre ellas: definir claramente las especificaciones del equipo de medicin en una futura norma; considerar un rango definido de valores para VSP, para asegurar repetitividad; realizar una configuracin adecuada del punto para obtener muy buenos resultados y determinar lmites mximos sobre la base de un nmero significativo del parque vehicular por tipo de vehculo, uso y norma de emisiones.

Puntos de control utilizados en la RM

Resultados

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Dentro de los puntos se observa que el punto RSD01 present un muy buen comportamiento, con flujo vehicular principalmente de vehculos particulares y con una eficacia cercana al 90% en mediciones vlidas, lo que asegura una repetibilidad de la medicin para efectos de control. Se observa en terreno y por datos posteriores del anlisis que este punto tiene buena correlacin de las mediciones RSD con las mediciones ASM en cada uno de sus contaminantes. Las excelentes condiciones del punto RSD001, permiten considerarlo como un Golden standard. Estas condiciones se refieren a que su configuracin permite un comportamiento de emisiones uniforme de los vehculos al momento de tomar la medicin RSD. Dicha configuracin se ilustra en la siguiente imagen.

Configuracin del punto RSD001

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TRATAMIENTO DE LA INFORMACIN Las mediciones fueron depuradas segn los criterios entregados por los fabricantes del equipo y se cruz la informacin con el Registro Nacional de Vehculos Motorizados y Plantas de Revisin Tcnica, para obtener datos tcnicos detallados por cada placa patente. Todo lo anterior entreg las bases finales para realizar los distintos anlisis. En total se cont con 105.398 mediciones vlidas y con informacin completa, para la Regin Metropolitana. El flujo de depuracin y obtencin de resultados se presenta en la figura a seguir.

Esquema del desarrollo del Programa Experimental

BASES DE DATOS:

-PPU-Datos de Medicin

BASES DE DATOS RNVM

BASES PRT:

-ASM

-Fecha

BASES POR:

Marca, Modelo,

Cilindrada, Etc.

BASES DE DATOS GEASUR:-Inercia Equivalente (IE)-ASM histrico.

ANLISIS

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ANLISIS DEL ERROR DEL MTODO RSD V/S ASM

Uno de los aspectos investigado es la confiabilidad del mtodo de medicin RSD, en relacin con las mediciones ASM, para lo cual se debe tener en cuenta la variabilidad a las que estn sujetas ambas mediciones, entre las principales:

a) el error instrumental del RSD y del ASM,

b) la variabilidad en las condiciones operacionales del vehculo en el ensayo RSD y en el ensayo ASM,

c) las reparaciones del vehculo antes del ensayo ASM y despus de la medicin RSD (reparaciones pre revisin tcnica),

d) el lapso entre el ensayo RSD y ASM,

e) la variacin natural de las emisiones vehiculares.

Respecto al mtodo de medicin se ha verificado que internacionalmente RSD es una

tecnologa apropiada para la medicin de emisiones, con un mtodo de ensayo capaz de

correlacionar con los mtodos de ensayo de los laboratorios de emisiones (Japan

Petroleum Energy Center, 2003).

Instalaciones para pruebas de correlacin entre

RSD y Banco Horiba

Resultados segundo a segundo entre

RSD y banco Horiba para NO.

Correlacin RSD con mtodos de laboratorio. [Japan Petroleum Energy Center, 2003]

En cuanto al error instrumental los fabricantes de equipos RSD y ASM reportan las

incertidumbres que se indican a continuacin:

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Gas Error instrumental ASM Error instrumental RSD

HC 5ppm

3.40% de la lectura, lo que resulte mayor.

150ppm

15% de la lectura, lo que resulte mayor.

CO 0.03%

3.32% de la lectura, lo que resulte mayor.

0.15%

15% de la lectura, lo que resulte mayor.

NO 27ppm

4.25% de la lectura, lo que resulte mayor.

225ppm

15% de la lectura, lo que resulte mayor.

Error instrumental RSD y ASM Para resolver los problemas de variabilidad asociadas a las condiciones de operacin del

vehculo al momento de la medicin, RSD toma varias muestras de los gases, cada 0,5

segundos, y mide la velocidad y aceleracin del vehculo, para calcular la Potencia

Vehicular Especfica, la que debe estar dentro de rangos recomendables.

Considerando lo anterior y para descartar el efecto de los puntos c) y d), se analiz una

muestra de 213 vehculos con dos o ms mediciones, dentro de un periodo de una

semana, para examinar el comportamiento de repetibilidad entre la primera y la segunda

medicin. En la situacin ptima, los puntos debieran encontrarse en el rango de error del

mtodo de medicin (por ejemplo, +- 225 ppmNO absoluto o 15%, para el NO). De esta

muestra, el 71,4% de los datos se encontr en esta situacin. Para el restante 28,6% de los

vehculos, la variabilidad de las emisiones fue mayor que la variabilidad instrumental. En

efecto, las mediciones con repeticin, realizadas durante las campaas en Santiago,

demostraron la dificultad de RSD de predecir las mediciones ASM, para un 30% de los

casos. No obstante esta dificultad de prediccin es igual o mayor con el propio mtodo

ASM respecto de s mismo, detectndose en California que un 30% de vehculos

rechazados en una prueba ASM en ruta, de una muestra de 174 vehculos, despus fueron

aprobados en la planta de inspeccin.

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Variabilidad de las mediciones RSD para una muestra de

vehculos con repeticin Cuando se analizan las tendencias promedio, por ejemplo la correlacin de los valores promedio de RSD y ASM, por ao de fabricacin, es posible observar un muy buen ajuste entre ambas mediciones, excepto para los vehculos ms antiguos (ao fabricacin 1997 y anteriores), los que presentan sistemticamente mayores emisiones en RSD que en ASM medido en PRT. Este fenmeno se podra explicar por la reparacin transitoria de los vehculos ms sucios slo para aprobar la revisin tcnica. La subestimacin de emisiones de estos vehculos resulta considerable y constituye un exceso de emisiones del sistema que podra ser capturado por fiscalizacin con RSD.

Correlacin de mediciones promedio de NOx por ao

de fabricacin.

y = 2.0352x - 22.384R = 0.9912

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 100 200 300 400 500 600

RSD

ASM

ppmNO ASM2525 v/s RSD

Serie ao fab. 1998 a 2012

Serie ao fab. 1993 a 1997

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PROPUESTA DE LMITES DE FISCALIZACIN Para la aplicacin de lmites en la fiscalizacin con RSD, existen internacionalmente dos caminos: Lmites planos y lmites en funcin de ASM. Como ejemplo de lmites planos se investigaron los lmites de emisiones en Mxico y California, los que se definen sin distincin de la categora vehicular o tamao del vehculo, siendo ambos similares en sus magnitudes, como se presenta a continuacin.

ppmHC %CO ppmNO

Mxico 1000 3 1500

California 1000 2 1500

Lmites Planos: Mxico y California En el grfico que sigue se muestran los resultados en las tasas de rechazo en la aplicacin de estos lmites, a la muestra de mediciones del estudio. Se observa que para este tipo de lmites las tasas de rechazo no son homogneas, ya que en la historia legislativa, las normas de emisin han aplicado de manera diferente segn la categora vehicular, lo que se refleja en los estndares ASM que aplican hoy en la RM.

Lmites Mxico

Lmites California

Tasas de rechazo al aplicar lmites planos Otra desventaja de los lmites planos es que como las emisiones se miden en concentraciones, se desfavorece a los vehculos ms pequeos, con menor volumen de gases de escape, ya que estos vehculos presentan en general mayores concentraciones

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de contaminantes en los gases de escape, pero menores emisiones medidas en masa. Este efecto se grafica a continuacin mostrando las tasas de rechazo por peso del vehculo (IE).

Lmites Sensor Remoto NOx, Mxico-California.

Por ltimo, al no haber una relacin entre los estndares ASM y RSD, se observa una tasa de rechazo en RSD (10-11%) que es ms de tres veces mayor que la tasa de rechazo actual de esos vehculos en ASM (3%). Por otro lado se presentan los lmites como funcin del estndar de ASM, los cuales son implementados por el Estado de Virginia y por Canad. Se verifica que estos lmites tienen la ventaja de presentar tasas de rechazo y errores de comisin homogneos en todas las categoras y tamaos de vehculo, a diferencia de los lmites planos. Dado lo anterior el consultor considera apropiado proponer un lmite como funcin de un factor que multiplique el estndar que se aplica a cada vehculo en la prueba ASM. Los factores propuestos para Santiago, para vehculos sucios y limpios, son los que se muestran a continuacin.

ppmHC %CO ppmNO

Lm. Vehculo Sucio 3 x Estandar ASM 3 x Estandar ASM 2 x Estandar ASM

Lm. Vehculo Limpio 0,05 x Estandar ASM 0,05 x Estandar ASM 0,05 x Estandar ASM

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Limites vehculo sucio y limpio aplicando multiplicador a ASM

Aplicando estos lmites, se obtienen las siguientes tasas de rechazo para el total del

parque de vehculos medidos y para cada tipo de vehculo:

Tasa de rechazo aplicando lmites en funcin del estndar ASM

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Analizando los resultados se observa que aplicando estos lmites a las mediciones de RSD,

se obtuvo una tasa de vehculos rechazados total del parque del 3% (igual a la obtenida

con ASM).

Comparacin tasas de rechazo ASM vs RSD

INVENTARIO DE EMISIONES

Considerando que las mediciones en ruta con RSD son representativas de las condiciones

reales de emisiones de la flota, del flujo y la participacin por categora vehicular y

tecnologa, se realiz un inventario de emisiones, con las mediciones realizadas en la RM.

ste se desarroll en base a herramientas metodolgicas proporcionadas por expertos y a

travs de las estadsticas del consumo de combustible en la Regin Metropolitana, el que

se utiliza como indicador de nivel de actividad total de la flota. Se obtienen de esta

manera resultados por tipo de vehculos, por tecnologa, ao de fabricacin, etc.

A continuacin se presentan los resultados para los vehculos livianos de pasajeros para el

NO, en comparacin con el inventario obtenido mediante el modelo MODEM, corrida

2010.

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Comparacin inventario RSD vs MODEM, NOx.

Se observa que las emisiones totales resultan menores en RSD que en MODEM (SECTRA),

lo que ocurre en general para el total de emisiones de la flota, esto a pesar que los

factores de emisin calculados con RSD son en general mayores que los factores de

emisin COPERT IV, utilizados en MODEM. La diferencia de magnitudes entonces, entre

ambos mtodos de clculo, se explicara por la diferencia del nivel de actividad total del

parque que se utiliza en cada caso, es decir una diferencia entre el kilometraje asignado

por MODEM a la flota y el consumo real de combustible reportado SEC para la RM.

Otro aspecto importante en los resultados es la participacin de las distintas categoras

vehiculares y tecnologas en las emisiones, donde se observ una participacin relativa de

los vehculos no catalticos, mucho menor a la estimada por MODEM, el que disminuye su

participacin del 33% del NO, al 2% con RSD. Esto se explica por la baja participacin de

estos vehculos en el flujo real, segn lo detectado por RSD.

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Participacin por categora vehicular y tecnologa, RSD vs MODEM, NOx.

Por otra parte se caracterizaron las emisiones respecto a flotas con y sin ASM (vehculo con Revisin Tcnica en RM v/s en Otras Regiones), verificndose que para la mayora de los aos de fabricacin, las emisiones de la flota con revisin tcnica en la RM, son mayores que las emisiones de la flota con revisin tcnica fuera de la regin, aunque los intervalos de confianza indican que no hay diferencia estadsticamente significativa, conforme la dispersin de resultados.

Comparacin concentraciones NOx [ppm] para mediciones RSD con

Revisin Tcnica No RM Vs. RM

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Segn lo investigado en el presente estudio, RSD es una tecnologa de aplicacin internacional, principalmente en Estados Unidos, como complemento a programas de Inspeccin y Mantencin, bajo las modalidades de: deteccin de vehculos limpios (clean screening, CS), deteccin vehculos sucios (high emitter identification, HEI), evaluacin del programa IM.

Se ha verificado tambin con antecedentes internacionales que RSD es una tecnologa apropiada para la medicin de emisiones, con un mtodo de ensayo capaz de correlacionar con los ensayos de laboratorio de emisiones. No obstante esto, la variabilidad de las emisiones propia del comportamiento de los vehculos, excede en algunos casos la precisin de dicho mtodo, dificultando la tarea del RSD de predecir el comportamiento de un vehculo individual en la prueba ASM.

Esta dispersin de resultados, conforme las mediciones realizadas en Santiago, result mayor para los vehculos ms contaminantes, implicando esto que RSD es mejor para predecir los vehculos limpios que los vehculos sucios. Por lo anterior, la aplicacin de RSD para la deteccin de vehculo sucio debiera considerar ms bien la obligacin de ste de acudir a una revisin extraordinaria en la Planta de Revisin Tcnica, para verificar la solucin de sus altas emisiones, y no una sancin directa, para evitar los errores de comisin a los que est expuesta la medicin en ruta.

En cuanto a los lmites a aplicar, existen ejemplos de lmites planos en Mxico y California (sin diferenciacin de tipo de vehculo o inercia del vehculo), y al aplicarlos a la muestra se observa un comportamiento dismil en las tasas de rechazo por categora vehicular y por Inercia Equivalente, en perjuicio de los vehculos ms pequeos y de las categoras vehiculares con normas de ingreso menos exigentes. En consecuencia, para la implementacin de los lmites RSD, se recomienda el uso de lmites acoplados a los de ASM mediante un factor que amplifique los valores lmite de ASM para su aplicacin en RSD, hasta un punto donde los errores de comisin y las tasas de rechazo sean consistentes con los registrados en las PRT. El presente estudio propone factores de 3 para CO y HC y de 2 para el NO, lo que representa una tasa global de rechazo de del 3%, la misma presentada por ASM en PRT. Esta tasa resulta en general homognea para las distintas categoras e inercias vehiculares.

Para controlar los posibles errores de variabilidad de las emisiones, se recomienda incorporar como parte de las especificaciones de una norma para el control de vehculos

Conclusiones

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sucios con RSD, una descripcin del punto de control, segn las caractersticas del punto Golden Standard (RSD001).

Este tipo de lmites variables obliga a un esquema de anlisis ex post a la fiscalizacin, que permita vincular la patente del vehculo controlado con el registro civil y las bases de revisin tcnica a fin de poder definir adecuadamente la categora y consecuentemente el estndar que aplica al vehculo fiscalizado. En este sentido, un esquema posible es que los vehculos identificados como sucios sean citados, mediante parte empadronado, por superar los lmites mximos de emisiones, o para concurrir a una inspeccin de gases extraordinaria en PRT.

Segn los resultados obtenidos durante el estudio, fue posible detectar que RSD puede correlacionar muy bien con ASM para grandes cantidades de vehculos. Esto permite que RSD sea una excelente herramienta para la caracterizacin del parque y para identificar el comportamiento de las distintas subcategoras. En este sentido fue posible detectar una significativa sub valoracin de las emisiones por parte de las PRT de las emisiones de los vehculos ms antiguos (1997 y anteriores), los que presentaban emisiones significativamente superiores en RSD.

Otra aplicacin desarrollada durante el estudio fue el clculo del inventario de emisiones y su comparacin con los resultados del MODEM de Sectra, el principal resultado que resalta es la sobreestimacin de las emisiones de los vehculos no catalticos en el inventario, los que en las mediciones en ruta de RSD participan mnimamente en el flujo y por tanto en las emisiones. Esta conclusin se comprob mediante mediciones durante dos fines de semana, detectndose que el flujo sube pero no significativamente, permaneciendo por debajo del 3%.

Por otra parte se caracterizaron las emisiones respecto a flotas con y sin ASM (vehculo con Revisin Tcnica en RM v/s en Otras Regiones), verificndose que para la mayora de los aos de fabricacin, las emisiones de la flota con revisin tcnica en la RM, son mayores que las emisiones de la flota con revisin tcnica fuera de la regin, aunque los intervalos de confianza indican que no hay diferencia estadsticamente significativa, conforme la dispersin de resultados.

Por ltimo, se utiliz la medicin del SF (Smoke Factor), que realiza el RSD, en vehculos pesados disel, para verificar que existe una correlacin fuerte entre los resultados de opacidad en aceleracin libre y emisiones de MP en la ruta, lo que justifica a ste mtodo de opacidad como una forma de controlar las emisiones de MP en ruta.