ISEL – INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOA Departamento de Engenharia Civil
Estimativas de emissões associadas a modelos de afectação de tráfego rodoviário José Carlos Gaspar Marques Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Civil na Área de Especialização de Vias de Comunicação e Transportes Presidente do júri: Doutora Maria da Graça Alfaro Lopes, Prof. Coordenadora c/ agregação (ISEL) Vogais: Licenciado e Especialista (O.E.) Jorge da Fonseca Nabais, Director de Inovação (Carris de Ferro de Lisboa) Mestre Paulo José Matos Martins, Professor Adjunto (I.S.E.L.) Mestre Carlos Filipe Nunes Marques, Responsável da Unidade de Transportes, Energia e Ambiente (TIS.PT) 8 de Junho de 2010
ESTRUTURA DA APRESENTAÇÃO •
Capítulo I – INTRODUÇÃO Motivação e Objectivos Enquadramento
•
Capítulo II – ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de transportes Modelação de emissões Abordagem metodológica
•
Capítulo III – ESTUDO DE CASOS Estudo Urbano Estudo Interurbano
•
Capítulo IV – APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS Apresentação de resultados Análise de resultados
•
Capítulo V – CONCLUSÕES E ESTUDOS FUTUROS Conclusões Estudos Futuros
Capítulo I – Introdução Motivação
Análise ao efeito local de emissão de poluentes prejudiciais à saúde humana Preocupação global com o aquecimento da terra devido ao aumento de gases efeito de estufa Estudo a nível local com o intuito de melhorar a situação actual e encontrar formas sustentáveis e saudáveis que beneficiem o local no futuro
Capítulo I – Introdução Objectivos
Quantificar a quantidade de poluentes emitida em meio urbano e inter-urbano, através de metodologias de integração entre modelos de transportes e de emissões de gases de escape Quantificar os impactes ambientais resultantes da actividade dos transportes rodoviários nas áreas de estudo
Comparação dos resultados obtidos com os dados de outros estudos feitos na mesma área Apontar medidas que possam melhorar o desempenho da metodologia aplicada Identificar os factores críticos de sucesso
Capítulo II –– Introdução Introdução Capítulo Enquadramento Enquadramento Gases Efeito Estufa
Fonte: (ecodebate, 2010)
Poluição Local
Fonte: (Environment Canada, 2009)
Aquecimento Global
Fonte: (Dinamicoweb, 2009)
Transportes/Mobilidade
Fonte: (Atniz, 2010)
Capítulo I – Introdução Enquadramento
Sector dos transportes em Portugal
Emissões de gases de efeito de estufa por sector de actividade em Portugal Uso de solventes 0,4%
Industrias energéticas 24,3%
Processos industriais 10,5%
Agricultura 9,3%
Energia 70,40%
Industrias e Construção 13,3%
Transportes 23,8% Lixo 9,4% Outros sectores 7,1% Fugitiva 1,9%
Fonte : (APA, 2008)
Capítulo I – Introdução Enquadramento
Sector dos transportes em Portugal
Contribuição do sector dos transportes para os GEE Poluente
1990
2007
Var. (%)
9.249,4
18.164,8
96,4
CH4 (t)
72.377,4
50.255,7
-30,6
N2O (t)
140.667,6
600.255,7
326,7
9.462,4
18.815,3
98,8
CO2 Fóssil (kt)
CO2 eq. (kt)
Fonte : (APA, 2008)
Integração entre modelos de transportes e de emissões de veículos
Capítulo II – ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Abordagem metodológica
Método de quantificação das emissões
E=exa Factores de emissão [g/km]
Modelo de emissões – COPERT IV
Dados relativos à actividade dos transportes - VKT [veículos*km] Modelo de transportes - Visum
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de transportes
Modelação de transportes
Rede rodoviária
Modelo de transportes
Fonte: Youtube
Modelo dos 4 passos - Visum
Quantidade de actividade de transporte a=n.L n – número de veículos L – Comprimento da estrada Dados fornecidos pelo modelo de transporte ou Contagens de tráfego
Modelação de gases de escape
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de emissões de veículos
• Tipo de Emissões Etotal=EQuente+Efrio+Eevaporativas • Emissões consoante tipo de via Etotal=Eurbano+Erural+EAE
Fonte: (Aaroads, 2008)
Fonte: (Locationworks, 2009) Fonte: (Adoptahighwayusa, 2009)
Génese das emissões dos gases de escape
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de emissões
Sistema de escape
Ciclo de Otto (4 tempos)
aaroads.com
fonlll Fonte: (animatedengines, 2009)
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de emissões
Tipos de emissões de veículos
Emissões a quente - emissões que têm lugar em condições termodinâmicas estabilizadas do motor e condições de temperatura ideal de controlo de emissões pelo catalisador e escape
Equente;i,j,k = Nj x Mj,k x equente; i, j, k Emissões a frio – emissões que ocorrem no período inicial do funcionamento do veículo, onde o motor e/ou os equipamentos de controlo de emissões de poluentes ainda não atingiram a temperatura óptima de funcionamento Efrio= βi,j x Nj x Mj x equente; i, j x ((Efrio / Equente; i,j) - 1) Emissões evaporativas - emissões originadas a partir da evaporação do combustível, a sua formação tem origem na variação da temperatura ambiente e no uso dos veículos Eevap,voc,j = 365 x aj x (ed x Sc x Sfi) + R
Tipos de emissões de veículos
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de emissões
Não Funcionamento estanquidade do do tanque veículo Reabastecimento Arrefecimento do motor Fonte: (Phenomveiculos, 2010)
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de emissões
Escala temporal e espacial do COPERTIV
COPERT IV
Fonte: Software Copert IV
Escala temporal e espacial do COPERTIV
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelação de emissões
• Modelo de quantificação das emissões provenientes do tráfego nos seguintes níveis temporais e espaciais: • Nacional/anual
• Urbano (Área 1x1 km2/horário)
Fonte: (Europaturismo, 2010)
Fonte: (Rootforce, 2010)
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelos de emissão de veículos
Poluentes calculados pelo COPERT IV
Poluentes baseados em factores de emissão específicos
Poluentes baseados em metodologia simplificada por falta de informação detalhada
Poluentes baseados no consumo de combustíveis
Poluentes baseados na fracção total de emissões de NMVOC
Fonte: Software Copert IV
Tipo e categoria de veículo
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelos de emissão de veículos
•Tipo de combustível •Cilindrada •Tecnologia •Tipo de combustível •Cilindrada •Tecnologia •Tecnologia •Peso (> 7,5 t - <32 t) •Tecnologia •Urbano/Interurbano •Tecnologia •Cilindrada
Tipo e categoria de veículo
Capítulo II - ASPECTOS RELATIVOS A ESTIMATIVAS DE EMISSÕES ASSOCIADAS A MODELOS DE AFECTAÇÃO DE TRÁFEGO RODOVIÁRIO Modelos de emissão de veículos
Fonte: (Silva R., 2009)l
Capítulo III - Estudo de casos
Esquema metodológico
Metodologia
Modelo de emissões
Dados Dados de de Frota Dados específicos Mobilidade doautomóvel país Parque Fluxos de tráfego Temperatura nacional média Distância RVP Idade dos veículos percorrida Efeito do Combustível Quotas de quilometragem Tecnologias de Uso de inspecção Efeito da degradação porde em função do ambiente emissão aumento da quilometragem condução Categorias de Declive Velocidade média por tipo Carga veículos de estrada Consumo de combustível no Classes de anual dos Quilometragem país veículos veículos
Emissões a quente Emissões a frio Emissões evaporativas Emissões totais Quantidade de metais pesados Quantidade de poluentes atmosféricos Quantidade de GEE
Consumo energético
Capítulo III - Estudo de casos
Esquema metodológico
Metodologia
Modelo de emissões
Dados Dados de de Frota Mobilidade Parque automóvel Fluxos de tráfego nacional Distância média Idade dos veículos percorrida Quotas de quilometragem Tecnologias de em função do ambiente de emissão condução Categorias de Velocidade média por tipo veículos de estrada Classes de anual dos Quilometragem veículos veículos
Emissões a quente Emissões a frio Emissões evaporativas Emissões totais Quantidade de metais pesados Quantidade de poluentes atmosféricos Quantidade de GEE
Consumo energético
Capítulo III - Estudo de casos
Esquema metodológico
Metodologia
Modelo de emissões
Dados de Frota Parque automóvel nacional Idade dos veículos Tecnologias de emissão Categorias de veículos Classes de veículos
Emissões a quente Emissões a frio Emissões evaporativas Emissões totais Quantidade de metais pesados Quantidade de poluentes atmosféricos Quantidade de GEE
Consumo energético
Capítulo I – Introdução
Área de estudo interurbana
Capítulo III – Estudo de Casos
Fonte: (Cucoautogas, 2007)
Fonte: (Gogglemaps, 2010)
Capítulo III – Estudo de Casos Estudo interurbano
Esquema de geração da frota do estudo de caso interurbano
Dados de Frota
Frota automóvel nacional
ISP
Dados de tráfego de portagens
Capítulo III – Estudos de caso Estudo interurbano
Quilometragem anual Local
Distância (km)
Dados de Mobilidade
Portagem Alverca
12 Km
Portagem V.F.X.
Distância média percorrida Quilometragem anual (km/ano) = 4380 km/ano
Quotas de quilometragem em função do tipo de ambiente de condução no estudo Tipo de via Quotas de quilometragem (%)
Urbana
Rural
Auto-estrada
0%
0%
100%
Capítulo III – Estudos de caso Estudo interurbano
Velocidade (DL nº 44/2005) Velocidade (km/h)
Ligeiros Passageiros e motociclos
120
Ligeiros Mercadorias
110
Pesados Mercadorias
90
Pesados Passageiros
100
60
Banda de velocidade
% de volume de tráfego (véic.)
Dados de Mobilidade
Limites legais
50 40 30
Banda de velocidade
20
10 0
0 a 39 Km/h
40 a 59 km/h
60 a 79 km/h
80 a 99 100 a 119 120 a 139 140 a 159 160 a 179 180 a 199 mais de km/h km/h km/h km/h km/h km/h 200 km/h Fonte: (EP, 2009) Intervalos de velocidade
Capítulo III – Estudo de Casos
Estudo interurbano Temperatura
Dados específicos do país
Temperaturas máximas e mínimas mensais na zona de estudo
RVP (Decreto-Lei n.254/2001)
Outros Parâmetros Declive (0%) Carga (Metade da capacidade de carga do veículo) Factores de degradação derivado ao aumento da quilometragem Efeito do combustível (2005)
Capítulo III – Estudo de Casos
Área de estudo urbano
Estudo de caso
Fonte: (Gogglemaps, 2010)
Fonte: (Cucoautogas, 2007)
Capítulo III – Estudo de casos
Metodologia usada no Estudo de Caso urbano
Estudo de caso Urbano Informação estatística Dados Meteorológicos RVP Frota automóvel Arranques a quente e frio Dados de Mobilidade Mapa hipsométrico
Modelo de emissões Emissões a quente Emissões a frio Emissões evaporativas
Modelo de transportes Velocidade média nos arcos Distâncias percorridas na rede Fluxos de veículos nos arcos VKT
ArcView Velocidade média por tipo de estrada Partilha de quilometragem na rede
Emissões totais c Quantidade de metais pesados Quantidade de poluentes atmosféricos Quantidade de GEE Consumo energético
CapĂtulo III â&#x20AC;&#x201C; Estudo de casos Estudo de caso Urbano
Dados de Frota
Estudos de Mobilidade
Frota Nacional
Matriz O/D
Frota de estudo urbana
Capítulo III – Estudo de casos Estudo de caso Urbano
Distribuição horária das viagens em função do seu destino Fonte: Autor com base em (TIS.PT, 2008) 100% 90% 80%
outros
70%
Refeição
60% 50%
Regresso a casa a frio
40%
Regresso a casa Quente
30%
22:00 - 23:00
21:00 - 22:00
20:00 - 21:00
19:00 - 20:00
18:00 - 19:00
17:00 - 18:00
16:00 - 17:00
15:00 - 16:00
14:00 - 15:00
13:00 - 14:00
12:00 - 13:00
Horas
11:00 - 12:00
0%
10:00 - 11:00
Saúde 9:00 - 10:00
10% 8:00 - 9:00
Motivos Profissionais
7:00 - 8:00
20%
6:00 - 7:00
% de motivos de viagem
Dados de Frota
ISP
Compras/Lazer Escola Fonte: (TIS.PT, 2008)
Capítulo III – Estudo de casos Estudo de caso Urbano Distância média percorrida (km)
3,78
Quilometragem anual (km/ano)
1380
Dados de Mobilidade
Dados de Mobilidade
VKT •Fluxos de veículos nos arcos • Distância percorrida nos arcos •Arranques a frio Distâncias percorridas na rede Velocidade média por tipo de estrada Partilha de quilometragem na rede
Velocidades adoptadas Tipos de vias
em períodos de ponta (km/h)
Velocidades adoptadas em períodos entre pontas (km/h)
Rural
33
50
A.E.
39
100
Urbano
25
28
Tipo de ambiente de
Distribuição das viagens por ambiente de
condução
condução nos períodos de pontas (%)
Rural
17%
AE
38%
Urbano
45%
Capítulo III – Estudo de casos Estudo de caso Urbano Distribuição dos tipos de arranque e função do motivo das viagens 8,00% 7,00% 6,00%
5,00%
Emissões a Frio
4,00%
Emissões Quente
3,00% 2,00% 1,00%
00:00
23:00
22:00
Horas
21:00
0,00%
01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00
% de tipo de arranque
Dados de Mobilidade
9,00%
Fonte: Autor com base em (TIS.PT, 2008)
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados Resultados e análise de resultados Emissões de Poluentes Atmosféricos
700,0 600,0
Quantidade (ton)
Emissões de Poluentes atmosféricos
611,9
615,28
500,0 389,63
400,0
336,21
300,0 224,1
200,0
193,6
100,0 29,6
0,0
CO
NOX
Estudo Urbano Estudo interurbano
NO
48,4
NO2
6,4 8,39 7,0 14,81
NH3
2,4
15,79
PM Mat. escape Org.
Poluentes Atmosféricos
9,7
13,16 11,6 3,32
PM25 PM10
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados Resultados e análise de resultados Emissões de Metais Pesados (kg) 56,7 26,8
50,0 Quantidade (kg)
Emissões de metais pesados
60,0
46,48
40,0 30,0
32,2
20,0 10,0 0,0
4,1 1,78 1,6 1,28 Pb
Cd
2,2 1,59 Cu
Cr
1,2 1,49
Ni
Estudo Urbano Estudo Interurbano
Metais Pesados
0,2 0,22 Se
Zn
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados Resultados e análise de resultados Emissões Evaporativas (Ton)
168,5 155,7
150,0 Peso (Ton)
Emissões evaporativas
200,0
100,0 54,88 50,37
50,0 0,0 VOC NMVOC Estudo Urbano Estudo Interurbano
Poluentes atmosféricos
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados Resultados e análise de resultados 19684,94
18.000,0 16.000,0 Quantidade (Tj/ton)
Consumo de energia e combustível
20.000,0
13.933,4
14.000,0 12.000,0 10.000,0 8.000,0 6.000,0 4.000,0 2.000,0 0,0
5,0
9,23
Estudo Urbano Energia consumida Estudo Interurbano
Consumo de combustível
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados
Indicadores de mobilidade e emissões
Resultados e análise de resultados
Estudo de Caso
VKm[1000.v.
FECO2
FECO
FENOx
FEPM10
FECOV
km]
[g/VKm]
[g/VKm]
[g/VKm]
[g/VKm]
[g/VKm]
Urbano
206.081
201
2,97
1,09
0,056
0,266
Interurbano
294.678
210
2,09
1,32
0,011
0,186
AML (a)
-
250
7,11
1,24
0,044
1,11
Lisboa (a)
-
287
9,7
1,15
0,045
1,46
(a) Fonte: (Tchepel O. , 2005)
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados Resultados e análise de resultados
Indicadores ambientais
Indicadores ambientais (urbano)
Urbano
Interurbano
Total de CO2 eq (ton)
42.028
62.273
Nº Arvores a plantar
38.207
56.612
148.994€
220.767 €
31,8 há
47,2 ha
0,12%
0,18%
Preço (1 crédito de carbono = 13€)
Área = Hectares (árvores) % das emissões da área em relação ao universo de emissões de CO2 eq no país
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados
Contibuição das emissões por via e categoria de veículo
Resultados e análise de resultados
Contribuição das emissões por tipo de via na HPM (URBANO)
Contribuição das emissões de poluentes consoante as categorias do parque automóvel (Urbano)
0% AE 30%
1%
Ligeiros Passageiros
8%
Comerciais Ligeiros
11%
Rural 15%
Urbano 55%
Pesados Mercadorias
13% 67%
Pesados Passageiros Ciclomotores Motociclos
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados
Contribuição de emissões por categoria de veículo
Resultados e análise de resultados Contribuição de Emissões consoante a categoria de veículo (Interurbano) Ligeiros Comerciais 20%
Pesados Mercadorias 20%
Ligeiros Passageiros 58%
Pesados Passageiros 0% Motociclos 2%
Capítulo IV – Apresentação e análise de resultados Resultados e análise de resultados
Validação
Validação do estudo urbano
Consumo de combustível determinado
Consumo de combustível obtido
pelo modelo de emissões (ton)
através das estatísticas da DGEG (ton)
13.933
17.120
Capítulo V – Conclusões
Conclusões e Estudos futuros
Conclusões e Estudos Futuros
Conclusões: A integração entre modelo de transportes e modelo de emissões é muito sensível à velocidade média dos condutores Foram feitas simplificações, extrapolações e cálculos intermédios aumentam a incerteza das estimativas Os veículos ligeiros de passageiros são os maiores responsáveis pelas emissões de poluentes atmosféricos Os meios urbanos são zonas sujeitas a grande carga de poluentes. Melhorias: Informação acessível Centros de inspecção como entidades de registo de informação Equipamentos de telemática em pontos chave da rede
Factores críticos de sucesso: •Estudo de Mobilidade e Acessibilidade no Concelho de Oeiras •Colaboração com a TIS.PT •O modelo de emissões COPERT IV ser freeware.
Capítulo V – Conclusões Conclusões e Estudos Futuros
Conclusões e Estudos futuros
Estudos Futuros Estudo de análise de emissões de veículos em condições de congestionamento Investigação em modelos de integração de modelos de transportes e de emissões de veículos Agregação de um modelo de modelação de poluição atmosférica Uso de modelos de transportes dinâmicos e modelos de emissão dinâmicos, ligados a uma rede telemática de supervisão do tráfego
FIM Obrigado pela vossa atenção