Investigadores de la División de Contaminación Atmosférica del Departamento de Medio Ambiente del CIEMAT, junto con la Unidad de Análisis de Sistemas Energéticos del Departamento de Energía, están participando en el proyecto LIFE+ RESPIRA (Reduction of exposure of cyclists to urban pollutants), liderado por la Universidad de Navarra. Este proyecto, que está en su último año de desarrollo, tiene por objeto demostrar que es posible reducir la exposición de los ciclistas y peatones a los contaminantes atmosféricos urbanos, aplicando nuevas tecnologías y otras medidas relacionadas con la planificación urbanística, el diseño urbano, y la gestión de la movilidad.

Una de las contribuciones más relevantes del CIEMAT se centra en modelizar y simular la contaminación de la ciudad de Pamplona a muy alta resolución utilizando modelos avanzados de mecánica de fluidos computacional (CFD, por sus siglas en inglés) o también llamados de Street Canyon. Estos modelos son capaces de simular las circulaciones de aire y la dispersión de contaminantes dentro de las calles de la ciudad a muy alta resolución. Es decir, son capaces de estimar la contaminación dentro de las calles de la ciudad cada pocos metros.

Detalle de la malla de cálculo utilizada para usar el modelo CFD-Street Canyon para simular la contaminación atmosférica de Pamplona.

El caso concreto de la simulación de la ciudad de Pamplona representa un hito muy importante porque es la primera vez que se simula en España una ciudad completa de tamaño medio cubriendo un área de 7 km x 5 km con una resolución espacial menor de 5 m x 5 m. Lo más que se había conseguido antes es simular distritos urbanos pequeños de apenas 1 km2. Esto ha supuesto tener que trabajar con una malla de cálculo de unos 50 millones de celdas que cubren la ciudad teniendo en cuenta la compleja estructura urbana de edificios, calles y plazas. Para obtener el vídeo mostrado se ha tenido que realizar un amplio número de simulaciones individuales correspondientes a distintas situaciones meteorológicas utilizando el Software CFD Star CCM+ de CD Adapco. Para estas simulaciones, se ha utilizado la aproximación Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) que es la más sencilla y, por tanto, de un coste computacional relativamente menor. No obstante, cada simulación individual ha requerido del orden de cinco días usando dieciséis nodos con 8 GPUs cada uno (128 procesadores en total) del ordenador del CETA-CIEMAT, lo que, considerando el número de casos simulados, ha supuesto casi cuatro meses de cálculo, a los que hay que añadir todo el pre-procesado de información urbanística (tratamiento digital de edificios), datos de emisiones de contaminantes, generación de la malla de cálculo, etc., y post-procesado de los resultados generados que supuso varios meses adicionales.

Mapa de intensidades de tráfico medias diarias (IMD) en las calles de Pamplona

Con las simulaciones realizadas se ha podido completar la evolución horaria de un día promedio de concentración de NOx para el año 2015. En el vídeo se aprecian muy bien las calles con mayor contaminación, cómo la concentración de contaminantes se distribuye de forma bastante heterogénea dentro de las calles y cómo la contaminación es máxima al principio de la mañana y al final de la tarde. Los mapas generados de este tipo, junto con mapas obtenidos por equipos móviles portados por ciclistas voluntarios, serán utilizados para el desarrollo de una aplicación de smartphone para estimar las rutas más saludables (menor contaminación) para ir de un sitio a otro de la ciudad.

Mapa de concentración de NO_x a nivel de peatón en la ciudad de Pamplona para uno de los escenarios simulados. En el recuadro inferior derecho se muestra el error de las simulaciones frente a la concentración medida en dos estaciones de calidad del aire de Pamplona.

Los óxidos de nitrógeno incluyen el NO2, que es el contaminante que más problemas está generando en las ciudades españolas, con superaciones de los valores límite que impone la legislación, especialmente en episodios invernales donde la alta estabilidad atmosférica y los vientos débiles contribuyen a que se acumulen los contaminantes emitidos por el tráfico como es el caso de los óxidos de nitrógeno. Basta recordar, por ejemplo, el episodio de contaminación que sufrió Madrid en diciembre de 2016 que supuso la activación por parte del Ayuntamiento de medidas para limitar el tráfico con el objeto de reducir los niveles de contaminación.