En 2014, un estudio de emisiones vehiculares hecho por el ICCT reveló que todos los vehículos estudiados estaban emitiendo significativamente mayores cantidades de gases contaminantes, como CO₂ y NOₓ, que lo que indicaban en sus emisiones homologadas, las cuales son proporcionadas por los fabricantes. Les investigadores midieron estas emisiones usando unos equipos portátiles que se instalan directamente en el escape del vehículo y que miden las emisiones mientras éstos están andando en las vías. Estos equipos son llamados PEMS, por sus siglas en inglés (Portable Emissions Measurement System), y no estaban disponibles hasta hace poco tiempo.
¿Pero qué estaba pasando? ¿Por qué los valores eran tan altos comparados con los homologados? Tradicionalmente, las emisiones de un vehículo se medían en talleres donde el vehículo se instala en un dinamómetro de chasis, o dyno, (tal como se ve en la foto más abajo) y los gases y partículas emitidas son medidas por instrumentos calibrados para este fin, usando un muestreo de volumen estable. En teoría, todo debería funcionar perfectamente bien –y funciona– pero los vehículos estaban engañando a este sistema. Los fabricantes automotrices decidieron instalar software y sensores para detectar cuándo el vehículo estaba siendo analizado en el dyno y así activar un modo de emisiones bajas para pasar las pruebas. Con la introducción del PEMS, los vehículos no podían ya reconocer que estaba siendo examinados porque se encontraban en las vías, tal como si los estuviese conduciendo cualquier persona (ver imagen).
Así se develó la trampa y ocurrió el dieselgate, un escándalo que involucró a la gran mayoría de los fabricantes de vehículos en el mundo, especialmente a las marcas que promocionaron al diesel como un combustible limpio. Esto hizo que en los años subsiguientes la Unión Europea, China, EE.UU. y otros países, introdujeran regulaciones más estrictas para la certificación de emisiones vehiculares usando PEMS.
Medir emisiones en condiciones reales es un reto tecnológico
Los PEMS son capaces de medir distintos gases como CO₂, CO, NO₂, NO e hidrocarburos. Además miden la cantidad de partículas en aerosol (PN, por sus siglas en inglés). Todos estos componentes son medidos dentro del PEMS por un sensor dedicado a cada contaminante. Por ejemplo, NO es medido usualmente por un sensor de quimioluminiscencia y el NO₂ puede ser medido por un espectroscopio fotoacústico. Cada uno de estos sensores debe ser calibrado para el contaminante que mide y se requieren tareas de mantenimiento y calibración continuas para garantizar que las mediciones sean lo más exactas posible.
Además, no basta con saber la concentración de un contaminante en el aire de escape analizado. También es necesario cuantificar el flujo de aire que está siendo expulsado por el vehículo. Esta información, junto a la cantidad de kilómetros que se han conducido –información que proviene de un receptor GPS instalado en el PEMS–, completa los datos necesarios para reportar cantidad de contaminante emitida por kilómetro. Al final, estas son las cantidades que están reguladas. Por ejemplo, un vehículo de gasolina del tipo Euro 6 no debe emitir más de 1.0 g/km de CO.
Ya que el dinamómetro es el sistema de referencia, las regulaciones que requieren el uso de PEMS, lo hacen proponiendo unos límites a no exceder con respecto a las emisiones que se midan en el dinamómetro. Por ejemplo, este límite a no exceder es de un 34 % para el número de partículas (PN) en la regulación europea. Esto quiere decir que las mediciones de una prueba con el PEMS no pueden sobrepasar las de una prueba realizada al mismo vehículo en un dinamómetro de chasis más allá de un 34 %. Estos límites se encuentran en constante revisión y son actualizados periódicamente por los entes reguladores.
Qué factores afectan las mediciones con PEMS
Cada una de las cantidades medidas por un PEMS tiene su incertidumbre asociada. Esta incertidumbre proviene de la dispersión de los valores medidos, la cual afecta a cualquier técnica de medición, y adicionalmente, proviene de fuentes de incertidumbre sistemática, como la calibración de los sensores, no sólo de los contaminantes determinados sino también sensores de flujo y de temperatura y presión.
Reducir la incertidumbre de las mediciones de los PEMS requiere ampliar las condiciones ambientales y de medición de los distintos sensores, ya que éstos están calibrados para condiciones de laboratorio pero las mediciones en condiciones de conducción real implican ir más allá de los límites. Por ejemplo, la composición del aire que sale del escape es rica en CO₂ (aprox. un 15 % de CO₂) y por tanto, la densidad es distinta a la del aire en condiciones ambientales. Además, se miden concentraciones muy bajas de NO₂ en un vehículo nuevo, pero estas concentraciones pueden ser muy altas en caso de falla del catalizador. Ambos límites, por debajo o por encima de los valores en los que el sensor fue calibrado implican retos en la determinación:
- Concentraciones de NO₂ menores a 100 µmol/mol son afectadas por la presencia de ácido nítrico (HNO₃).
- Concentraciones de NO₂ superiores a 1000 µmol/mol son afectadas por el equilibrio entre NO₂ y el dímero N₂O₄.
Una cuantificación apropiada del NO₂ requiere materiales de referencia para los cuales ambas impurezas estén debidamente caracterizadas. El proyecto MetroPEMS ha logrado proveer una caracterización de ambos contaminantes y cilindros de gas NO₂ de referencia para la calibración de PEMS en estos rangos.
En el caso de PN (número de partículas en aerosol) se presentan varios retos importantes. Las partículas más pequeñas, por debajo de 23 nm de diámetro, requieren cambios en los sistemas de medición para poder ser cuantificadas. Además, la incertidumbre introducida por los sistemas de dilución es alta y determinar el factor de penetración de las partículas en el sistema requiere conocer cómo la combinación de gases emitidos afecta la dilución en el sistema. Otro reto importante en el futuro está relacionado con la presencia de partículas semi-volátiles que actualmente son removidas del sistema de medición por calentamiento o catalizadores y, por consiguiente, no son cuantificadas.
Más allá de las emisiones de escape de vehículos particulares
Uno de los retos en la medición de emisiones usando PEMS en el futuro es ir más allá de su uso en vehículos ligeros. Las emisiones de vehículos de carga, buses y de maquinaria de construcción tienen cada vez más atención de entes reguladores. Esto implica incluir otros contaminantes como N₂O y amoniaco, los cuales harán más compleja la instrumentación.
Otro aspecto en futuras regulaciones es la inclusión de controles en las emisiones provenientes de los neumáticos y del sistema de frenos, las cuales están siendo estandarizadas. Especialmente, cuando estas últimas jugarán un rol relevante al sustituirse la flota de vehículos por vehículos eléctricos.
