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Perfil horario de la contribución antropogénica al balance superficial energético de la región urbana de la Ciudad de México

Gloria Victoria Salas Cisneros

Sede Regional Centro

14 de Octubre de 2015

Temario

• Introducción

• Objetivos

• Antecedentes

• Situación actual

• Metodología

• Análisis de resultados

• Conclusiones y posibles mejoras

Introducción

Temperatura media anual

Temperatura media anual (Tacubaya) ∆T= 3° en 100 años

Temperatura media anual (Guadalajara) ∆T= 5° en 50 años

Capa superficial

Balance superficial de energía de la Ciudad de México

(A. Tejeda-Martínez y E. Jáuregui, 2004)

Fuentes de calor - BSE

Fuentes de calor antropogénico

Situación actual

Los valores mayores de QF típicamente se encuentrandurante el invierno en los centros urbanos deciudades ubicadas en latitudes altas, debidoprincipalmente al mayor uso de energía para lacalefacción durante esa estación (Taha, 1997). En lamayoría de las grandes ciudades de EE.UU., estefactor se encuentra en un rango de 20 a 40 Wm-2 enverano y entre 70 y 210 Wm-2 en el invierno.

Calor antropogénico y radiación neta

CiudadCalor antropogénico Radiación neta

Wm-2

Chicago 53 -

Cincinnati 26 -

Los Ángeles 21 108

Fairbanks 19 18

San Luis 16 -

Manhattan, Nueva York 117-159 93

Moscú 127 -

Montreal 99 52

Budapest 43 46

Osaka 26 -

Vancouver 19 -

Berlín 21 57

Singapur 17-113Fuente: Información de Taha (1997)

Calor antropogénico en ciudades tropicales

QFMax=113 W/m2

Metodologías

• Método de inventario o Top-dwon, que se basaprincipalmente en información sobre el consumo deenergía, o datos resultantes de encuestas de consumo, estainformación es proporcionada generalmente por las mismasempresas del sector eléctrico; por la agregación de lainformación puede ser considerada una metodología dearriba hacia abajo.

• Método de balance energético en un volumen de control, elcual consiste en la medición de la radiación neta. Estemétodo puede combinarse con información satelital.

• Por último, está la estimación basada en la construcción demodelos energéticos para la edificación urbana. Con esteenfoque se trata de dar mayor certidumbre al calorgenerado por la edificación, mediante la modelación delconsumo energético y el calor expulsado, metodologíabottom-up.

Modelo (Grimmond, 1992)

(Smith et al., 2009)

a) Flujo deltráfico

b) Consumoenergéticodoméstico yno-doméstico

c) Tasametabólica

humana

Perfiles de las fuentes de calor antropogénico

Modelo: Información satelital

Objetivo

• Estimación horaria de la contribución antropogénicaal balance energético superficial del suelo urbano dela Ciudad de México desagregada en las principalesfuentes de calor antropogénico.

Antecedentes: Evolución de la población urbana y rural en México

Densidad de población en ZM

Emisiones (Gg de CO2e)asociadas al consumo de combustibles fósiles (PJ)

TCMA:2.3%

Parque vehicular en distintas Zonas Metropolitanas de México, 1990-2010

TCMA: 5.3%

Balance energético superficialhorario de la Ciudad de México

1998 , QF 20 W/m2

20 W/m2

Para la Ciudad de México en 1998 se estimó el valor de la componente antropogénica del balance superficial en 20 W/m2

Metodología y validación de la estimación de la componente de calor antropogénico del BSE

Edificación

Industria

Transporte

Inventarios

QFE

QFI

QFV

QF

Balance

Residual de

Energía

Validación

local

Modelación de

los sistemas de

Transporte

Metabolismo H.

Modelación de la

actividad de

humana

QFM

Consumo

energético

Consumo

energético

Consumo energético de la Ciudad de México (2010)

Sector

Ciudad de México Nacional

Electricidad Combustibles Total ElectricidadCombustibles fósiles y

renovablesTotal

PJ

Industria 122.00 65.00 187.00 414.54 739.72 1,154.26

Transporte 10.00 322.00 332.00 4.27 2,166.46 2,170.73

Residencial 52.00 71.00 123.00 177.90 569.15 747.05

Comercio y servicios 50.00 14.00 64.00 75.11 74.53 149.64

Agricultura y forestal - - - 30.98 116.52 147.50

Otros 45.93 45.93

Total 234.00 472.00 706.00 702.80 3,666.38 4,415.11

Participación porcentual Sector %

Industria 52.1 13.8 26.5 59.0 20.2 26.1

Transporte 4.3 68.2 47.0 0.6 59.1 49.2

Residencial 22.2 15.0 17.4 25.3 15.5 16.9

Comercio y servicios 21.4 3.0 9.1 10.7 2.0 3.4

Agricultura y forestal - - - 4.4 3.2 3.3

Otros - - - 6.5 - 1.0

16 % Nacional

Ciudad de México

2010

25% uso de suelo urbano (5,065 km2)

50% de la población está

en los municipios conurbados

físicamente (20 M)

Actividad horaria Emisiones de CO para fuentes

móviles en la ZMVM

Curvas de demanda horaria de energía eléctrica del SEN

(Central)

Emisiones de CO para fuentes puntuales en la

ZMVM

Emisiones de COV para fuentes de área en la

ZMVM

Actividad horaria

ZMVM, 2010

Hora

Fuentes de Emisiones Distribución horaria porcentual

Emisiones de

CO totales

(Móviles)

Puntuales

Área

(Comercial,

industrial y

servicios)

Área

(Residencial)

Emisiones de CO Emisiones de COV

fuentes de área

Totales (F.

Móviles)

Fuentes

puntuales

Comercial

industrial y

servicios

Residencial

Toneladas por hora de CO

(t/h)

Toneladas por hora de COV

(t/h)%

00:00 5 0.61 4.50 4.00 0.10 3.15 2.23 2.33

01:00 8.4 0.6 4.50 4.50 0.16 3.09 2.23 2.62

02:00 8.8 0.59 4.50 4.50 0.17 3.04 2.23 2.62

03:00 9.7 0.59 4.50 4.50 0.19 3.04 2.23 2.62

04:00 43.2 0.59 5.50 5.50 0.84 3.04 2.73 3.21

05:00 171 0.6 4.50 6.50 3.33 3.09 2.23 3.79

06:00 436.1 0.59 4.50 8.00 8.50 3.04 2.23 4.66

07:00 541.7 0.88 5.50 8.50 10.55 4.54 2.73 4.96

08:00 384.9 1.01 9.50 8.50 7.50 5.21 4.71 4.96

09:00 257.6 1.04 14.00 8.75 5.02 5.36 6.95 5.10

10:00 209.7 1.07 14.50 9.00 4.09 5.52 7.20 5.25

11:00 189.4 1.07 14.50 9.00 3.69 5.52 7.20 5.25

12:00 275.8 1.06 14.50 9.00 5.37 5.47 7.20 5.25

13:00 348.9 1.05 14.50 9.00 6.80 5.42 7.20 5.25

14:00 366.5 1.04 14.50 8.75 7.14 5.36 7.20 5.10

15:00 277.1 0.9 11.50 8.75 5.40 4.64 5.71 5.10

16:00 232.6 0.83 11.50 8.75 4.53 4.28 5.71 5.10

17:00 253 0.8 10.50 8.50 4.93 4.13 5.21 4.96

18:00 376.3 0.79 6.50 8.50 7.33 4.07 3.23 4.96

19:00 251.4 0.77 5.50 8.50 4.90 3.97 2.73 4.96

20:00 222.3 0.77 5.50 7.50 4.33 3.97 2.73 4.37

21:00 150.6 0.75 5.50 4.50 2.93 3.87 2.73 2.62

22:00 84.5 0.71 5.50 4.50 1.65 3.66 2.73 2.62

23:00 27.9 0.68 5.50 4.00 0.54 3.51 2.73 2.33

Total 5,132.40 19.40 201.50 171.50 100 100.0 100.00 100.00

Distribución horaria

Distribución horaria de combustión de combustibles fósiles la Ciudad de México, 2010

(1.00)

1.00

3.00

5.00

7.00

9.00

11.00

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00

Po

rce

nta

je (

%)

Hora

Transporte (CO) Industria (CO) Comercial, industrial y servicios (COV) Residencial (COV)

Demanda eléctrica horaria correspondiente al subsistema Central del SEN (2010)

-

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

7,000

8,000

-1 4 9 14 19 24

MW

h/h

Hora del día

Consumo eléctrico

Distribución horaria % del calor por el metabolismo humano

-

1

2

3

4

5

6

00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00

%

Hora

7 a 23 hr 115 W/p

23 a 7 hr 72 W/p

Subcomponente vehicular (QFV)

Donde:nij es el número de vehículos,Li es la distancia recorrida por año por tipo de vehículo,Efij es la eficiencia energética vehicular por tipo y por año-modelo, A es el área con uso de suelo urbano.

Donde:Ce Es el consumo de energía eléctrica por el transporte.

Análisis de resultados:Contribución antropogénica horaria al BSE por fuente

-

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Wm

-2

HoraFuentes móviles (Combustibles) Industria (Combustibles)Residencial (Combustibles) Comercial (Combustibles)Metabolismo humano Contribución antropogénica (Combustibles)Fuentes móviles (Energía E.) Industria (Energía E.)Residencial (Energía E.) Comercial y servicios (Energía E.)Contribución antropogénica (Energía E.) Total

[9.6 Wm-2, 37.68 Wm-2],

Contribución antropogénica al BSE de la Ciudad de México por subcomponente,2010

-

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Wm

-2

Hora

Transporte Industria Residencial Comercial y Servicios Metabolismo Humano Total

Validación del modelo

• El valor estimado experimentalmente fue de 20Wm-2.

• Valor promedio horario de 22.1 (4.9) Wm-2,

• Diferencia del 13% que está dentro del rango dadopor la incertidumbre asociada al valor.

Conclusiones

-

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Wm

-2

HoraFuentes móviles (Combustibles) Industria (Combustibles)Residencial (Combustibles) Comercial (Combustibles)Metabolismo humano Contribución antropogénica (Combustibles)Fuentes móviles (Energía E.) Industria (Energía E.)Residencial (Energía E.) Comercial y servicios (Energía E.)Contribución antropogénica (Energía E.) Total

f >I >D >

f <<I <<D <

22.08 (4.94) Wm-2.

50%

26% 24%

f<I <D <

Conclusiones

• De acuerdo al perfil horario obtenido para QF se observa unincremento considerable en las primeras horas del día, quecoincide con el periodo de mayor incidencia de la radiación solar enla Ciudad de México estas características en combinación con lascondiciones atmosféricas adecuadas para la presencia de la ICUpodría exacerbar su intensidad.

• Los valores estimados para QF mediante este modelo pueden estarsubestimando en algunas zonas que concentran la mayor densidadde tráfico o de la actividad industrial.

Mejoras

• Por ser un modelo pionero que proporciona una estimación de QF

de manera horaria, por subcomponente para la Ciudad de México ycon una incertidumbre promedio del 22%, podría integrarse amodelos climáticos locales para hacerlos más robustos.

• También, la estimación sistemática de QF adaptando este modelo auna menor resolución podría proporcionar las bases para undesarrollo urbano integral de la Ciudad de México y de regiones enproceso de urbanización.

• Considerar los procesos de generación de calor latente y sensible(QE y QH) así como de transferencia del calor generados al interiorde la edificación, ya que los materiales utilizados en la construcciónpueden hacer que estos procesos se realicen a tasas muy diferentesdebido a sus propiedades termales.

“Gracias por su atención”

GLORIA VICTORIA SALAS CISNEROS

JEFE DE DEPTO. DE PROSPECTIVAS DE EMISIONES EN LAS CATEGORÍAS DE ENERGÍA Y PROCESOS INDUSTRIALES

gloria.salas@inecc.gob.mx

www.inecc.gob.mx

Isla urbana de calor

Incertidumbre porcentual promedio asociada alas subcomponentes de calor antropogénico

Componente

Incertidumbre

C. de

combustibleC. de E. Eléctrica Metabolismo Total

%

- - 22.4

39.4 10.2 - 38.6

10.4 10.0 - 10.2

11.2 11.2 - 11.2

11.2 11.5 - 11.4

- - 31.6 31.6

Contribución antropogénica horaria al balance superficial energético de la Ciudad de México por fuente y energético (2010)

-

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Wm

-2

Hora

Fuentes móviles (Combustibles) Industria (Combustibles)Residencial (Combustibles) Comercial (Combustibles)Metabolismo humano Contribución antropogénica (Combustibles)Fuentes móviles (Energía E.) Industria (Energía E.)Residencial (Energía E.) Comercial y servicios (Energía E.)Contribución antropogénica (Energía E.) Total

Usos de suelo en la Ciudad de México (2010)

Uso de suelo D.F.Edo. De

México*

Cd. De

MéxicoD.F.

Edo. De

México*

Cd. De

México

km2

%Superficie

continental 1,486 3,579 5,065

Agricultura 372 1,537 1,909 25 43 38

Pastizal 94 522 616 6 15 12

Bosque 172 492 664 12 14 13

Matorral

xerófilo 7 56 63 0 2 1

Otros tipos de

vegetación - 26 26 - 1 1

Vegetación

secundaria a/ 245 210 454 16 6 9

Áreas sin

vegetación 1 72 73 0 2 1

Cuerpos de

agua 2 24 27 0 1 1

Áreas urbanas 592 638 1,230 40 18 24 Nota: *Incluye 35 municipios conurbados.Fuente: Elaboración propia con información de INEGI, 2012.

Habitantes de la Ciudad de México en 2010

Fuente: INEGI, Sistema Estatal y Municipal de Bases de Datos (http://sc.inegi.org.mx/sistemas/cobdem/)

Municipio

Población total

en 2010 Municipio

Población total en

2010

Personas Personas

Azcapotzalco 414,711 Chimalhuacán 614,453

Coyoacán 620,416 Ecatepec de Morelos 1,656,107

Cuajimalpa de Morelos 186,391 Huixquilucan 242,167

Gustavo A. Madero 1,185,772 Ixtapaluca 467,361

Iztacalco 384,326 Jaltenco 26,328

Iztapalapa 1,815,786 Melchor Ocampo 50,240

La Magdalena Contreras 239,086 Naucalpan de Juárez 833,779

Milpa Alta 130,582 Nezahualcóyotl 1,110,565

Álvaro Obregón 727,034 Nextlalpan 31,691

Tláhuac 360,265 Nicolás Romero 366,602

Tlalpan 650,567 Papalotla 4,47

Xochimilco 415,007 La Paz 253,845

Benito Juárez 385,439 Tecámac 364,579

Cuauhtémoc 531,831 Teoloyucan 63,115

Miguel Hidalgo 372,889 Teotihuacán 53,010

Venustiano Carranza 430,978 Tepetlaoxtoc 27,944

Acolman 136,558 Tepotzotlán 88,559

Atenco 56,243 Texcoco 235,151

Atizapán de Zaragoza 489,937 Tezoyuca 35,199

Coacalco de Berriozábal 278,064 Tlalnepantla de Baz 664,225

Coyotepec 39,030 Tultepec 131,567

Cuautitlán 140,059 Tultitlán 486,998

Chalco 310,13 Zumpango 159,647

Chiautla 26,191 Cuautitlán Izcalli 511,675

Chicoloapan 175,053

Valle de Chalco

Solidaridad 357,645

Chiconcuac 22,819 Total 10,525,164

Actividad vehicular en distintas zonas metropolitanas (kilómetros recorridos por vehículo), 2010

Zona MetropolitanaAutomóviles privados

registradosKVR (Millones de km) KVR Per cápita

ZM Valle de México 5,375,474 84,552 4,260

ZM Guadalajara 1,209,208 18,976 4,342

ZM Tijuana 577,382 5,663 4,416

ZM Mexicali 395,644 5,821 6,308

ZM Chihuahua 267,132 2,533 3,016

ZM Tuxtla 111,951 273 432

ZM León 254,446 3,018 1,709

ZM Puebla-Tlaxcala 523,474 6,210 2,361

ZM Aguascalientes 248,023 2,942 3,202

ZM Querétaro 236,300 2,803 2,592

ZM Monterrey 1,292,751 15,335 3,813

ZM Veracruz 172,790 2,042 2,586

Antecedentes

(Mayo 1994-Abril 1995)

Inte

nsi

da

d p

rom

edio

men

sua

l de

la Is

la d

e ca

lor

°C

21 a 10 hr

11 a 15 hr

16 a 20 hr

Valores promedio mensuales y extremo de la intensidad de la isla de calor en la Ciudad de

México