Sistema portátil de medición de emisiones

Un sistema portátil de medición de emisiones ( PEMS , por sus siglas en inglés) es un dispositivo de prueba de emisiones de vehículos lo suficientemente pequeño y ligero como para ser transportado dentro o movido junto con un vehículo motorizado que se está conduciendo durante la prueba, en lugar de sobre los rodillos estacionarios de un dinamómetro que solo simula la conducción en condiciones reales.

Los primeros ejemplos de equipos móviles para la medición de emisiones vehiculares fueron desarrollados y comercializados a principios de la década de 1990 por el Laboratorio Warren Spring del Reino Unido, que se utilizaba para medir las emisiones en carretera como parte del Programa de Investigación Ambiental del Reino Unido. Agencias gubernamentales como la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) y varios estados y entidades privadas han comenzado a utilizar sistemas de monitoreo electrónico de emisiones (PEMS) para reducir tanto los costos como el tiempo que implica la toma de decisiones sobre emisiones vehiculares.

La Comisión Europea introdujo el PEMS como requisito obligatorio para la homologación de vehículos ligeros en 2016 mediante la modificación del reglamento establecido en 2007. ^{[ 1 ]}

Leo Breton de la EPA de EE. UU. inventó el Informador de Emisiones de Vehículos en Carretera en Tiempo Real (ROVER) en 1995. ^{[ 2 ] [ 3 ]} El primer dispositivo disponible comercialmente fue inventado por Michal Vojtisek-Lom, ^{[ 4 ]} y desarrollado por David Miller de Clean Air Technologies International (CATI) Inc. en Buffalo, Nueva York en 1999. Estos primeros dispositivos de campo utilizaban datos del motor de un puerto de diagnóstico a bordo (OBD) o directamente de una matriz de sensores del motor . La primera unidad fue desarrollada para, y vendida a, el Dr. H. Christopher Frey de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU) para el primer proyecto de pruebas en carretera, que fue patrocinado por el Departamento de Transporte de Carolina del Norte . ^{[ 5 ]} David W. Miller, quien cofundó CATI, acuñó por primera vez la frase "Sistema Portátil de Medición de Emisiones" y "PEMS" cuando trabajaba en un 2000

Proyecto de autobús de la Agencia Metropolitana de Transporte de la Ciudad de Nueva York con el Dr. Thomas Lanni del Departamento de Conservación Ambiental del Estado de Nueva York, ^{[ 6 ]} como una descripción breve del nuevo dispositivo. Otros grupos gubernamentales y universidades pronto siguieron el ejemplo y rápidamente comenzaron a usar el equipo debido a su equilibrio de precisión, bajo costo, peso ligero y disponibilidad. Desde 1999 hasta 2004, grupos de investigación como Virginia Tech, ^{[ 7 ]} Penn State y el Instituto de Transporte de Texas A&M, ^{[ 8 ]} la Universidad del Sur de Texas y otros comenzaron a usar PEMS en proyectos de cruce fronterizo, evaluaciones de carreteras, métodos de control de tráfico, escenarios antes y después, y transbordadores, aviones y vehículos todoterreno, para explorar lo que era posible fuera de un entorno de laboratorio. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Un proyecto realizado en abril de 2002 por la Junta de Recursos del Aire de California (CARB) - utilizando equipo PEMS distinto de 1065, ^{[ 13 ]} probó 40 camiones durante un período de 2½ días; ^{[ 14 ]} de los cuales, 22 camiones fueron probados en carretera en Tulare, California. Durante este tiempo, un proyecto de alto perfil realizado con equipo PEMS temprano fue el Proyecto Zona Cero del World Trade Center (WTC) en el bajo Manhattan, ^{[ 15 ]} probando bombas de concreto, excavadoras, niveladoras y, posteriormente, grúas diésel en el Edificio n.° 7, de 40 pisos de altura. Otros proyectos PEMS tempranos, como el trabajo de campo del Dr. Chris Frey, fueron utilizados por la USEPA en el desarrollo del Modelo MOVES. ^{[ 16 ]} Sin embargo, los usuarios, como los reguladores y los fabricantes de vehículos, tuvieron que esperar a que ROVER se comercializara para realizar mediciones reales de las emisiones de masa en lugar de depender de estimaciones de las emisiones de masa utilizando datos del puerto OBD o una medición directa del motor, con el fin de obtener un conjunto de datos más fiable. Este impulso dio lugar a una nueva norma de 2005 conocida como CFR 40 Parte 1065. ^{[ 17 ]}

Numerosas entidades gubernamentales (como la USEPA y la Convención Marco de _las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático o CMNUCC ) han identificado contaminantes móviles objetivo en diversas normas móviles, como _CO₂ , NOₓ , material particulado (PM), monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC), para garantizar el cumplimiento de las normas de emisiones. Además, estos organismos reguladores han comenzado a adoptar programas de pruebas en uso para motores diésel no de carretera , así como para otros tipos de motores de combustión interna, y exigen el uso de pruebas PEMS. Es importante delimitar las diversas clasificaciones de los equipos de prueba de emisiones "transferibles" más recientes, desde los equipos PEMS tradicionales, para comprender mejor la necesidad de portabilidad en las pruebas de emisiones en campo.

Debido a que una unidad PEMS puede ser transportada fácilmente por una sola persona de un lugar de trabajo a otro, y puede usarse sin necesidad de "levantamiento en equipo", los proyectos de prueba de emisiones requeridos son económicamente viables. En pocas palabras, se pueden realizar más pruebas más rápidamente, con menos trabajadores, lo que aumenta drásticamente la cantidad de pruebas realizadas en un período de tiempo determinado. Esto, a su vez, reduce significativamente el "costo por prueba" y, al mismo tiempo, aumenta la precisión general requerida en un entorno "real". ^{[ 18 ]} Debido a que la ley de los grandes números generará una convergencia de los resultados, significa que la repetibilidad, la predictibilidad y la precisión se mejoran, al tiempo que se reduce el costo total de las pruebas.

Casi todos los motores modernos, cuando se prueban nuevos y de acuerdo con los protocolos de prueba aceptados en un laboratorio, producen emisiones relativamente bajas que cumplen con los estándares establecidos. Dado que se supone que todos los motores individuales de una misma serie son idénticos, solo se prueba uno o varios motores de cada serie. Las pruebas han demostrado que:

1. La mayor parte de las emisiones totales pueden provenir de episodios relativamente cortos de altas emisiones.
2. Las características de las emisiones pueden ser diferentes incluso entre motores que, por lo demás, son idénticos.
3. Las emisiones fuera de los límites de los procedimientos de prueba de laboratorio suelen ser más altas que en condiciones de funcionamiento y ambientales comparables a las de las pruebas de laboratorio.
4. Las emisiones se deterioran significativamente a lo largo de la vida útil de los vehículos.
5. Existen grandes variaciones en las tasas de deterioro, y las altas tasas de emisiones suelen atribuirse a diversas fallas mecánicas.

Estos hallazgos son consistentes con la literatura publicada y con los datos de una miríada de estudios posteriores. Son más aplicables a los motores de encendido por chispa y considerablemente menos a los diésel, pero con los avances impulsados ​​por la regulación en la tecnología de motores diésel (comparables a los avances en los motores de encendido por chispa desde la década de 1970) puede esperarse que estos hallazgos sean probablemente aplicables a los motores diésel de nueva generación. Desde el año 2000, múltiples entidades han utilizado datos PEMS para medir las emisiones en uso, en carretera, de cientos de motores diésel instalados en autobuses escolares, autobuses de transporte público, camiones de reparto, camiones quitanieves, camiones de larga distancia, camionetas, furgonetas, carretillas elevadoras, excavadoras, generadores, cargadoras, compresores, locomotoras, transbordadores de pasajeros y otras aplicaciones en carretera, fuera de carretera y no en carretera . Todos los hallazgos mencionados anteriormente fueron demostrados; además, se observó que el ralentí prolongado de los motores puede tener un impacto significativo en las emisiones durante el funcionamiento posterior.

Además, las pruebas PEMS identificaron varias "anomalías" en el motor, donde las emisiones de NOx específicas del combustible fueron de dos a tres veces superiores a lo esperado durante algunos modos de operación, lo que sugiere alteraciones deliberadas en la configuración de la unidad de control del motor (ECU). Este conjunto de datos puede utilizarse fácilmente para desarrollar inventarios de emisiones, así como para evaluar diversas mejoras en motores, combustibles, postratamiento de gases de escape y otras áreas. (Los datos recopilados en flotas "convencionales" sirven como datos de referencia con los que se comparan las diversas mejoras). Este conjunto de datos también puede examinarse para verificar el cumplimiento de las normas de emisiones de no exceder (NTE) y de uso , que son normas de emisiones "basadas en EE. UU." que requieren pruebas en carretera.

A menudo, los sistemas PEMS tienen dificultades para ofrecer la misma precisión y variedad de especies medidas que la instrumentación de laboratorio de última generación, ya que suelen tener limitaciones de tamaño, peso y consumo energético. Por este motivo, se plantearon objeciones al uso de los sistemas PEMS para la verificación del cumplimiento normativo. Sin embargo, también existe la posibilidad de inexactitud en las emisiones de la flota deducidas a partir de mediciones de laboratorio. Por ello, los resultados del WLTP europeo obtenidos con los sistemas PEMS se ponderarán con un factor de conformidad de 2,1 (1,5 después de 2019), es decir, se permite que las emisiones medidas por los sistemas PEMS sean 2,1 veces superiores al límite. ^{[ 19 ]}

Se espera ^{[ 20 ]} que se diseñen diversos sistemas a bordo, desde PEMS del tamaño de una caja de pan ^{[ 21 ] [ 22 ] hasta remolques instrumentados remolcados detrás del camión probado. [ 23 ]} Los beneficios de cada enfoque deben considerarse a la luz de otras fuentes de errores asociadas con el monitoreo de emisiones, en particular las diferencias entre vehículos y la variabilidad de las emisiones dentro del propio vehículo.

Los sistemas portátiles de control de emisiones (PEMS) deben ser lo suficientemente seguros para su uso en vías públicas. Durante las pruebas, estos sistemas podrían tener extensiones en el tubo de escape, cables adicionales fuera del vehículo, baterías de plomo-ácido en el habitáculo, componentes calientes accesibles a los transeúntes, obstruir salidas de emergencia, interferir con la conducción o componentes sueltos que podrían quedar atrapados en las partes móviles. Las modificaciones o el desmontaje del vehículo sometido a prueba, como perforar el escape o retirar el sistema de admisión de aire, deben ser evaluados para determinar su aceptación tanto por los gestores de flotas como por los conductores, especialmente en vehículos de pasajeros. El equipo de prueba no puede consumir una carga eléctrica excesiva del vehículo. En su lugar, se han utilizado baterías de plomo-ácido selladas, pilas de combustible y generadores como fuentes de alimentación externas, aunque estos pueden añadir otros riesgos durante la conducción.

Cuanto más tiempo y experiencia requiera la instalación del equipo, mayor será el costo de las pruebas, lo que limitará la cantidad de vehículos que se pueden probar. También es posible realizar más pruebas con equipos lo suficientemente versátiles como para usarse en más de un tipo de vehículo. El peso y el tamaño del equipo y los consumibles, como los gases de calibración, pueden limitar su traslado a un número suficiente de ubicaciones. Es necesario tener en cuenta cualquier restricción en el transporte de materiales peligrosos (por ejemplo, combustible para detectores de ionización de llama (FID) o gases de calibración). La capacidad del equipo de pruebas para reparar los sistemas PEMS en el campo utilizando los recursos disponibles localmente también puede ser esencial.

En última instancia, debe demostrarse que un sistema PEMS es adecuado para la aplicación deseada. Si el objetivo final es verificar el cumplimiento de los requisitos de emisiones en condiciones de uso, se debe disponer de una flota de vehículos con características conocidas —incluidos motores con mapeo dual y otros motores que no cumplen con la normativa— para realizar las pruebas. Corresponderá entonces a los fabricantes de PEMS demostrar de forma práctica cómo se pueden identificar estos vehículos que no cumplen con la normativa mediante su sistema.

Para lograr el volumen de pruebas necesario para validar las pruebas en el mundo real, se deben considerar tres puntos:

1. Precisión del sistema
2. directrices y/o normas federales y/o estatales de salud y seguridad
3. Viabilidad económica basada en los dos primeros puntos.

Una vez identificado y validado un sistema portátil de medición de emisiones, el siguiente paso es garantizar que los trabajadores estén debidamente protegidos contra los riesgos laborales asociados a las tareas que se realizan con dicho equipo. Por ejemplo, las funciones típicas de un trabajador pueden incluir transportar el equipo al lugar de trabajo (en coche, camión, tren o avión), llevarlo hasta allí y colocarlo en su posición.

Las pruebas de emisiones de vehículos en carretera son muy diferentes de las pruebas de laboratorio, lo que conlleva tanto ventajas como desafíos considerables: al poder realizarse durante el funcionamiento normal de los vehículos, se puede analizar un gran número de ellos en un periodo de tiempo relativamente corto y a un coste relativamente bajo. Se pueden probar motores que de otro modo no serían fáciles de analizar (por ejemplo, los motores de propulsión de los transbordadores ). Se pueden obtener datos de emisiones reales. Los instrumentos deben ser pequeños, ligeros, resistentes a entornos difíciles y no deben suponer un riesgo para la seguridad. Los datos de emisiones están sujetos a variaciones considerables, ya que las condiciones reales a menudo no están bien definidas ni son repetibles, y pueden existir variaciones significativas en las emisiones incluso entre motores idénticos. Por lo tanto, las pruebas de emisiones en carretera requieren una mentalidad diferente a la del enfoque tradicional de pruebas en laboratorio y el uso de modelos para predecir el rendimiento en condiciones reales. En ausencia de métodos establecidos, el uso de PEMS requiere un enfoque cuidadoso, reflexivo y amplio. Esto debe tenerse en cuenta al diseñar, evaluar y seleccionar PEMS para la aplicación deseada.

Un ejemplo reciente de las ventajas de los PEMS sobre las pruebas de laboratorio es el escándalo de Volkswagen (VW) de 2015. [ ^{24 ] [ 25 ] Con} una pequeña subvención del Consejo Internacional de Transporte Limpio (ICCT), Daniel K. Carder de la Universidad de Virginia Occidental (WVU) descubrió "trucos" de software a bordo que VW había instalado en algunos vehículos diésel de pasajeros ( escándalo Dieselgate ). La única forma en que se pudo haber hecho el descubrimiento fue mediante una evaluación aleatoria, no programada y en carretera, utilizando un dispositivo PEMS. VW ahora es responsable de más de US$14 mil millones en multas. En 2016, estos últimos desarrollos llevaron a un resurgimiento mundial del interés en PEMS "no 1065" más pequeños, ligeros, integrados y rentables, similar a la demostración en el episodio 171 de MythBusters 2011 de "Bikes and Bazookas", en el que se utilizó un PEMS no 1065 para establecer la diferencia entre la contaminación de automóviles y motocicletas.

Descripción general del desarrollo de PEMS integrados (iPEMS)

En respuesta al Dieselgate , se ha desarrollado en la Unión Europea (UE) el estándar de " Emisiones Reales de Conducción " (RDE), lo que a su vez ha aumentado la demanda de kits de equipos PEMS más pequeños, ligeros, portátiles, económicos e integrados ^{[ 26 ]} . Actualmente, los equipos iPEMS no pueden utilizarse como dispositivo de "certificación" en EE. UU.

Definición de iPEMS

Las siguientes características son comunes a la clase de equipos iPEMS más pequeños y ligeros:

1. Un kit completo, autónomo y modular de sistema portátil de medición de emisiones (PEMS).
2. incluyendo una fuente de alimentación integrada a bordo,
3. no más de 7  kg de peso total (incluyendo estuche de transporte, conectores de escape y cualquier equipo adicional necesario para su uso),
4. que pueda ser transportado por una persona,
5. que pueden transportarse a través de una terminal de aeropuerto y guardarse en el compartimento superior de un avión;
6. Una vez desplegado en un lugar de trabajo, el iPEMS tiene la capacidad de realizar pruebas en vehículos en 30 minutos (siempre que la batería a bordo necesaria esté cargada);
7. La duración de la prueba que ofrece la batería integrada es de un mínimo de dos horas;
8. _Las capacidades mínimas de análisis de contaminantes deben incluir: óxidos de nitrógeno (NOx), dióxido de carbono ( CO2 ) y material particulado (PM) o número de partículas (PN);
9. La precisión de las pruebas debe estar dentro del 10 % (o mejor) de un PEMS 1065.

Ventajas de iPEMS sobre 1065 equipos PEMS

La ventaja de los equipos iPEMS radica en que están diseñados para complementar los PEMS 1065, además de proporcionar capacidades ampliadas, impulsadas por la necesidad de una toma de decisiones más rápida, agravada por el escándalo de Volkswagen de 2015. Actualmente, tanto la Unión Europea (UE) como China están desarrollando estos dispositivos para sus programas RDE. ^{[ 27 ]}

• Normas nacionales de calidad del aire ambiente (EE. UU.)
• escándalo de emisiones de Volkswagen

• Solicitud de subvención por parte de la Comisión de Calidad Ambiental de Texas para un proyecto que requirió el uso de un PEMS
• Un estudio de la Universidad de Denver sobre las emisiones de motos de nieve utiliza sistemas PEMS para detectarlas. Emisiones de vehículos motorizados en invierno en el Parque Nacional de Yellowstone.
• MJ Bradley & Associates, Inc. monitoreó las emisiones de vehículos todoterreno en el sitio de reconstrucción del World Trade Center. Investigación de tecnologías de control de emisiones diésel en equipos de construcción todoterreno en el sitio de reurbanización del World Trade Center y PATH.
• Informe de la Universidad Estatal de Carolina del Norte para la USEPA con recomendaciones para el desarrollo de la próxima generación de dispositivos PEMS. Estrategia recomendada para el análisis y la recopilación de datos de emisiones a bordo para el modelo de nueva generación.
• Estudio sobre biodiésel para el Departamento de Transporte de Carolina del Norte realizado por la Universidad Estatal de Carolina del Norte utiliza un dispositivo PEMS para recopilar datos de comparación de emisiones. Evaluación operativa de emisiones y uso de combustible de camiones volquete que utilizan B20 frente a camiones volquete que utilizan diésel.
• Página informativa de la Agencia de Protección Ambiental sobre la ciencia de los sistemas de gestión de la energía primaria (PEMS) para el siglo XXI.
• El Centro de Estudios de Transporte del Imperial College de Londres (Reino Unido) realizó un estudio sobre el rendimiento de los vehículos y recopiló datos de emisiones a lo largo de la autopista M42 utilizando un dispositivo PEMS ( Monitoreo Instantáneo de Emisiones Vehiculares).
• Usos y presentaciones recientes de PEMS: Facultad de Ingeniería de la Universidad de California (UCR) - Centro de Investigación y Tecnología Ambiental (CE-CERT)