La medición remota e individualizada de las emisiones reales de los vehículos en libre circulación

1. La calidad del aire, un problema sanitario mundial

Las principales ciudades europeas tienen un problema de calidad de aire que afecta negativamente a la salud de sus ciudadanos, siendo la contaminación atmosférica la cuarta causa de muerte prematura a nivel mundial. De hecho, según la Unión Europea, la contaminación atmosférica es el mayor riesgo medioambiental para la salud en Europa[1]. En España se producen unas 31.000 muertes al año derivadas de la contaminación del aire[2], producidas por el tráfico urbano en su mayoría. Esto quiere decir que se producen 20 veces más muertes por las emisiones de los vehículos que en accidentes en carretera. Madrid es la ciudad europea con más mortalidad por dióxido de nitrógeno, y el área metropolitana de Barcelona y Mollet del Vallès están también en un preocupante top-10[3]. La mejora de la calidad del aire se considera una prioridad en las agendas políticas de todo el mundo, y muy especialmente en España, donde diferentes leyes e iniciativas, como la obligatoriedad de las Zonas de Bajas Emisiones, persiguen mitigar este problema de forma urgente.

Regular el tráfico rodado para mejorar la calidad del aire es por tanto una política razonable y justificada, ya que el transporte urbano es responsable de hasta al 70% de las emisiones contaminantes[4], pero hay muchas formas de enfocar esta regulación.

2. ¿Cuáles son las emisiones de los vehículos?

Si la combustión fuese perfecta y sin la presencia de nitrógeno en el aire, los vehículos con motor de combustión interna sólo emitirían vapor de agua y CO₂, sustancias que provocan efecto invernadero pero que son inocuas para la salud humana. Sin embargo, la combustión no es perfecta y el aire contiene N₂, que al oxidarse se transforma en óxidos de nitrógeno. Así, los automóviles emiten monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NO y NO₂, habitualmente considerados como NOx en conjunto), diferentes hidrocarburos inquemados (HC), amoniaco (NH₃) y material particulado (PM), entre otros. Todas estas otras sustancias, denominadas contaminantes, son extremadamente nocivas para la salud humana, causando un amplio espectro de afecciones, como cánceres, problemas respiratorios y cardiacos, asma, problemas neurodegenerativos, etc. Por ejemplo, las PM_2.5 (partículas de diámetro igual o inferior a 2,5 micrómetros) son carcinógenos de primer orden, responsables mayoritarios de algunos tumores, como el de pulmón, mama, riñón, vejiga, aparato digestivo, así como también de patologías neurológicas como el Alzheimer o episodios de ansiedad[1].

Los vehículos de combustión, mayoritariamente diésel y gasolina, tratan de paliar estas emisiones indeseadas de dos formas:

1. Con motores más eficientes, de forma que la mezcla y la combustión sean “ideales” en todo momento, sin exceso de aire o de combustible que derive en emisiones contaminantes.
2. Incorporando complejos sistemas anticontaminación, como catalizadores y filtros de partículas, capaces de neutralizar o retener las emisiones contaminantes antes de que se liberen al ambiente.

3. El control de emisiones de los vehículos en la actualidad

Tras el diseño y fabricación de los vehículos, los fabricantes deben someter a estos a diferentes y exigentes ensayos regulados en normativa comunitaria, en los que se certifica que el vehículo no emita excesivas emisiones contaminantes, y así permitir su comercialización en la Unión Europea. Estas pruebas se regulan en la norma europea sobre emisiones contaminantes, comúnmente conocida como “norma Euro”. En esta regulación se miden los principales contaminantes emitidos por los vehículos a motor: CO, NOx, HC y PM. Las normas Euro han ido mejorando a lo largo de los años, tratando de acercar los ensayos en homologación a las condiciones de circulación en carretera.

Una vez un vehículo supera estos ensayos de homologación, puede comercializarse. Tras su puesta en servicio, la única prueba que se realiza sobre los vehículos es la periódica inspección técnica de vehículo (ITV). El problema es que hoy en día el control de emisiones realizado en ITV no es óptimo, por los siguientes motivos:

1. Se miden las emisiones del vehículo en estático y sin carga del motor. El vehículo no tiene que vencer ningún esfuerzo, por lo que las emisiones en este ensayo no se parecen en nada a las emisiones del vehículo en el mundo real y tampoco se asemejan a las emisiones evaluadas en la homologación antes citada.
2. Los vehículos diésel sólo se someten a una prueba de opacidad de humos de escape (en parado y sin carga). Próximamente se incorporará un ensayo de número de partículas (PN). No se evalúan los otros contaminantes.
3. Los vehículos gasolina sólo se someten a un ensayo de emisiones de monóxido de carbono (CO), en parado y sin carga. No se evalúan los otros contaminantes.
4. No se evalúan las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) para ningún vehículo, a pesar de que es el contaminante más problemático en las ciudades europeas y, en especial, en las españolas.

4. Lo que no se mide no se puede mejorar

Vigilar que las emisiones de los vehículos del parque móvil se mantienen en niveles razonables es crítico, ya que de eso depende que podamos reducir la contaminación atmosférica. Tal y como se ha mencionado, existen ciertas deficiencias en la regulación actual del control de emisiones de los vehículos en servicio, y además los ensayos en homologación certifican que los vehículos que se venden no superan ciertos controles, pero los vehículos no son perfectos y sus emisiones pueden elevarse drásticamente a lo largo de su uso.

Durante su vida útil, los vehículos emiten, en general, más emisiones contaminantes que las que han sido certificadas en su ensayo de homologación. Existen multitud de causas, pero una de las más evidentes son las averías y el deterioro normal del automóvil. Tanto el motor como los sistemas anticontaminación pueden desajustarse o fallar, lo cual eleva inexorablemente la cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera, que posteriormente respiran los ciudadanos.

Todo lo anterior, lleva a una conclusión: lo que no se mide no se puede mejorar.

Si no se miden las emisiones reales que emiten los vehículos en circulación en las ciudades (donde el problema es más grave), no se pueden encontrar dichos vehículos desajustados y, por tanto, no podemos corregirlos. La ITV tiene limitaciones para realizar adecuadamente esta vigilancia. Las emisiones de los vehículos deberían medirse en las condiciones reales en las que son emitidas y en libre circulación, no sólo en su homologación.

5. El problema de los vehículos “altos emisores”

Una estrategia eficiente para tratar de solucionar este problema es tratar de identificar a los vehículos más contaminantes y actuar selectivamente sobre ellos.

Sabemos que de todo el parque circulante de vehículos hay muy pocos que son extremadamente contaminantes. Estos vehículos se denominan “altos emisores”, “grandes emisores” o “high-emitters”, del inglés. Son vehículos extraordinariamente emisores, llegando a emitir hasta 200 veces más contaminantes que si estuviesen en buenas condiciones. Son vehículos habitualmente averiados o manipulados: vehículos que circulan sin catalizador, con la inyección completamente desajustada, con el filtro de partículas roto, etc.

Diferentes estudios[5] han analizado estos vehículos. En algunos casos se ha observado que sólo un 1% de los vehículos es responsable de hasta un 40% de las emisiones totales producidas por el parque de vehículos. Esto quiere decir que es posible conseguir elevadas reducciones en las emisiones totales del sector del transporte, afectando a un número muy bajo de vehículos.

Es importante destacar que estos coches altamente emisores pueden ser vehículos de todo tipo: turismos, furgonetas, motocicletas, diésel, gasolina, gas natural, antiguos, nuevos, etc. Al final, cualquier vehículo es susceptible de fallar, y muchas veces lo hace sin que el propietario sea consciente.

6. La medición remota de las emisiones

La solución a este problema ya existe y se implementa en diferentes lugares del mundo, como por ejemplo EE. UU., China y Corea del Sur. Consiste en utilizar dispositivos de teledetección en la vía pública que midan de forma empírica, y a distancia, las emisiones reales e individuales de cada vehículo en su libre circulación, con el fin de encontrar a los mencionados “altos emisores” y actuar de forma selectiva sobre ellos.

La medición remota de las emisiones vehiculares permite medir las emisiones que emiten los vehículos en el día a día, de forma no intrusiva y desasistida. Al tiempo que se miden las emisiones del tubo de escape por espectroscopía, una cámara identifica el vehículo por medio de la lectura de la placa de matrícula, lo cual permite asociar de forma unívoca a cada vehículo sus niveles de emisión en condiciones reales de circulación.

Salvando las distancias, es lo más parecido a un radar de emisiones. Un sistema capaz de vigilar las emisiones reales que emite cada vehículo y encontrar a los vehículos más emisores de una forma justa, eficiente y automatizada.

7. El instrumento de teledetección

El sistema consiste en un instrumento principal de medida, unido a diferentes periféricos que permiten realizar y amplificar la medida correctamente.

Analizador de gases:

El instrumento principal de medida es el analizador de gases, que, a su vez, consta de dos módulos:

• Un primer módulo se coloca en un lateral de la calzada y emite un haz de luz invisible, tanto en el infrarrojo (IR) como en el ultravioleta (UV), que cruza la calzada, perpendicularmente a la misma, a unos (25-30) cm del suelo. De este modo, el haz de luz emitido cruza el penacho de gases de escape del vehículo.
• Al otro lado de la calzada, justo en posición opuesta al primer módulo, se encuentra el segundo módulo, que no es más que un reflector, que devuelve la luz de nuevo al primer módulo.

De este modo, el primer módulo, además de emitir el haz de luz, lo recibe para derivarlo a una serie de detectores internos. Los detectores miden la intensidad de luz recibida. El principio de medida se basa en la aplicación de la Ley de Beer Lambert, que de forma simplificada define la relación que existe entre la absorbancia de las moléculas y la concentración de éstas. Así, el sistema mide la absorbancia de la luz a diferentes longitudes de onda, lo que se asocia de forma directa con la concentración de cada molécula analizada.

Periféricos:

La medición de las emisiones contaminantes emitidas por el vehículo debe ponerse en contexto y asociarse a cada vehículo. Esto se consigue con varios periféricos que van conectados y sincronizados al analizador de gases:

• Un sensor cinético mide tanto la velocidad como la aceleración del vehículo a su paso por el instrumento. Esto se puede conseguir por varios métodos, como con láseres de baja intensidad a ras de suelo, que identifican los pasos de rueda, o con el uso de radares o incluso Lídar. Lo importante de este periférico es que, además de la velocidad, se debe medir la aceleración. Juntando ambos parámetros se estima la carga específica del vehículo, que indica cuál es el esfuerzo del motor en el momento de la medición.
• Por otro lado, una videocámara toma una fotografía de la parte frontal o trasera del vehículo, para que un algoritmo de procesamiento de imagen identifique la matrícula del vehículo de forma unívoca, asociándole así la medición de las emisiones realizada.
• Se incorporan también otros instrumentos para medir las condiciones ambientales en todo momento, como la temperatura, presión y humedad relativa. Puede haber otros sensores o sistemas auxiliares que se integren con el dispositivo.

8. El principio de medida

La evaluación del nivel de contaminación del vehículo se basa en la medición del ratio de contaminante sobre CO₂ emitido. El principio es el siguiente:

Tras salir del tubo de escape del vehículo, las diferentes moléculas se diluyen rápidamente en el ambiente. No obstante, la proporción de cada contaminante (NO, NO₂, CO…) respecto al CO₂ permanece constante en todo el penacho de gases del vehículo. Aprovechando este principio físico, el método de medición consiste en calcular estos ratios de contaminantes para cada vehículo que pasa por el sistema:

• Si un vehículo es “limpio” (su combustión es eficiente y sus sistemas anticontaminación operan correctamente), la proporción de NO sobre CO₂, o de CO sobre CO₂, será próxima a cero. Es decir, el ratio NO/CO₂ o CO/CO₂ (por poner dos ejemplos) será muy bajo.
• Por el contrario, si un vehículo es “sucio” (su combustión es ineficiente y/o sus sistemas anticontaminación no operan correctamente), la proporción de NO sobre CO₂, o de CO sobre CO₂, será muy alta. Es decir, el ratio NO/CO₂ o CO/CO₂ (por poner dos ejemplos) será muy alto.

9. Aplicaciones de la tecnología

Existen múltiples aplicaciones de esta tecnología y ejemplos de ellas en docenas de países. Las aplicaciones más importantes son:

1. Caracterización de las emisiones del tráfico rodado

La primera aplicación consiste en utilizar el sistema para tomar miles de mediciones de cada tipo de vehículo circulando en un área determinada, con el objetivo de caracterizar cuáles son las emisiones reales de los vehículos en función de su tipología, antigüedad, distintivo ambiental, norma Euro, tipo de motor y combustible, etc.

Aplicando métodos de ciencias de datos, los investigadores pueden analizar los datos recogidos por los sensores para analizar las emisiones reales del transporte y así:

• Actualizar inventarios de emisiones.
• Usar los datos para identificar grupos de vehículos con emisiones mayores o menores que las esperadas.
• Realizar una supervisión del mercado (market surveillance), analizando y comparando las emisiones de diferentes fabricantes y modelos.
• Usar los datos para ajustar modelos de tráfico o de calidad del aire.
• Usar los datos para planificar Zonas de Bajas Emisiones.
• Etc.

2. Identificación de vehículos “altos emisores”

La segunda aplicación es utilizar el dispositivo con una finalidad supervisora y de control, incentivando la revisión y renovación de los coches más contaminantes y, en algunos casos, aplicando tasas o sanciones económicas. El objetivo es identificar a esos pocos vehículos extremadamente contaminantes y actuar sobre ellos:

• En algunos países, como China, un vehículo “high-emitter” medido por estos sistemas de teledetección en la vía pública recibe una sanción directa, o incluso se obliga a la retirada inmediata del vehículo.
• En otros países, como EE.UU. y Corea del Sur, el propietario de un vehículo detectado como “high-emitter” recibe una carta en la que se le obliga a reparar su vehículo y acudir a una inspección de emisiones extraordinaria. Esta inspección se realizar con métodos avanzados, como el uso de dinamómetros.
• En el caso de vehículos comerciales (como furgonetas y camiones), la Directiva Europea permite a la policía utilizar estos dispositivos para encontrar a vehículos potencialmente manipulados. Se les manda parar y se les inspecciona, en búsqueda de una manipulación ilegal en el vehículo, lo cual puede derivar en sanción.
• Algunas administraciones están valorando el uso de estos sistemas para aumentar la tasa de circulación en carreteras con sistemas de peaje. Así, si el vehículo se identifica como altamente contaminante, el sistema de peaje le aplica una tasa de penalización por contaminación (en aplicación del principio “quien contamina, paga”).

3. Identificación de vehículos “limpios”

Otra aplicación muy interesante es justo la contraria a la mencionada en el punto anterior. Consiste en premiar al usuario de un automóvil muy limpio:

• En algunos estados norteamericanos, como Virginia, se aplica el sistema “clean screening”. Si un vehículo es medido varias veces con emisiones muy bajas, se considera que ha sido certificado como un vehículo limpio. En este estado, el propietario recibe una carta ofreciendo al propietario saltarse el próximo ensayo de emisiones programado (ya que ya ha sido evaluado), pagando una pequeña tasa. Así, el ciudadano se ahorra dinero y tiempo de la ITV y la administración recibe fondos para mantener el programa en operación.
• Algunas administraciones están planteando otros enfoques a esta aplicación, como la rebaja de la tasa de peaje a vehículos limpios, o incluso permisos para acceder a zonas de bajas emisiones o aparcamientos. De este modo, se fomenta que la ciudadanía mantenga sus vehículos en buen estado.

10. La importancia de su regulación y control metrológico

La tecnología de teledetección de las emisiones reales de los vehículos ofrece enormes oportunidades para regular el transporte rodado de una forma más sostenible y eficiente. Las experiencias de otros países pueden servir de ejemplo para implementar esta solución en España.

Es importante destacar que esta tecnología ya ha sido validada y regulada por agencias reguladoras de otros países, lo cual también aporta confianza y nos prepara para elaborar una regulación nacional. Y es que cualquier instrumento de este tipo debe estar regulado y sometido a un control exigente, que verifique las especificaciones del sistema, su exactitud, incertidumbre y repetibilidad (precisión) de las mediciones.

Si las autoridades desean notificar al conductor o propietario de un vehículo en base a la medición realizada por este instrumento, la notificación sólo puede realizarse si hay falta administrativa. Esto implica que, por un lado, se debe regular la tecnología en una Ley; pero por otro lado el instrumento debe estar convenientemente calibrado y certificado, para aportar seguridad jurídica a la Administración y, sobre todo, al ciudadano.

Las ciudades tienen la obligación de reducir la contaminación atmosférica, y el mayor problema de las ciudades españolas es el NOx, cuya fuente emisora principal es el tráfico rodado pero que, en cambio, no se mide ni se controla. La tecnología de teledetección de las emisiones vehiculares, correctamente regulada y certificada, puede convertirse en la herramienta definitiva para que las ciudades consigan sus objetivos de calidad del aire y para que los ciudadanos respiren un aire más limpio, con la mínima intromisión posible a su libre movilidad.

REFERENCIAS:

[1] Katsouyanni K, Touloumi G, Samoli E, et ál. Confounding and effect modification in the short-term effects of ambient particles on total mortality: results from 29 European cities within the APHEA2 project. Epidemiology 2001; 12(5):521-31

[2] https://www.lavanguardia.com/vida/20200930/483767761943/neumologos-urgen-a-reducir-la-contaminacion-para-frenar-la-alta-mortalidad.html

[3] https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/madrid-es-ciudad-europea-mas-mortalidad-por-dioxido-nitrogeno_16264

[4] “Inventario de emisiones contaminantes a la atmósfera en el municipio de Madrid 2016”.

[5] Pujadas, M., Domínguez-Sáez, A., De la Fuente, J., Real-driving emissions of circulating Spanish car fleet in 2015 using RSD Technology; The Science of the total environment 2017 v.576 pp. 193-209.

Proyecto LIFE GySTRA (LIFE 16 ENV/ES/000082). https://www.lifegystra.eu/