Aplicación de técnicas de inteligencia artificial a la predicción de contaminantes atmosféricos

Abstract Air pollution is a big threat and a phenomenon that has a specific impact on human health, in addition, changes that occur in the chemical composition of the atmosphere can change the weather and cause acid rain or ozone destruction. Those are phenomena of global importance. The World Health Organization (WHO) considerates air pollution as one of the most important global priorities. Salamanca, Gto., Mexico has been ranked as one of the most polluted cities in this country. The industry of the area led to a major economic development and rapid population growth in the second half of the twentieth century. The impact in the air quality is important and significant efforts have been made to measure the concentrations of pollutants. The main pollution sources are locally based plants in the chemical and power generation sectors. The registered concerning pollutants are Sulphur Dioxide (SO2) and particles on the order of ∼10 micrometers or less (PM10). The prediction in the concentration of those pollutants can be a powerful tool in order to take preventive measures such as the reduction of emissions and alerting the affected population. In this PhD thesis we propose a model to predict concentrations of pollutants SO2 and PM10 for each monitoring booth in the Atmospheric Monitoring Network Salamanca (REDMAS - for its spanish acronym). The proposed models consider the use of meteorological variables as factors influencing the concentration of pollutants. The information used along this work is the current real data from REDMAS. In the proposed model, Artificial Neural Networks (ANN) combined with clustering algorithms are used. The type of ANN used is the Multilayer Perceptron with a hidden layer, using separate structures for the prediction of each pollutant. The meteorological variables used for prediction were: Wind Direction (WD), wind speed (WS), Temperature (T) and relative humidity (RH). Clustering algorithms, K-means and Fuzzy C-means, are used to find relationships between air pollutants and weather variables under consideration, which are added as input of the RNA. Those relationships provide information to the ANN in order to obtain the prediction of the pollutants. The results of the model proposed in this work are compared with the results of a multivariate linear regression and multilayer perceptron neural network. The evaluation of the prediction is calculated with the mean absolute error, the root mean square error, the correlation coefficient and the index of agreement. The results show the importance of meteorological variables in the prediction of the concentration of the pollutants SO2 and PM10 in the city of Salamanca, Gto., Mexico. The results show that the proposed model perform better than multivariate linear regression and multilayer perceptron neural network. The models implemented for each monitoring booth have the ability to make predictions of air quality that can be used in a system of real-time forecasting and human health impact analysis. Among the main results of the development of this thesis we can cite: A model based on artificial neural network combined with clustering algorithms for prediction with a hour ahead of the concentration of each pollutant (SO2 and PM10) is proposed. A different model was designed for each pollutant and for each of the three monitoring booths of the REDMAS. A model to predict the average of pollutant concentration in the next 24 hours of pollutants SO2 and PM10 is proposed, based on artificial neural network combined with clustering algorithms. Model was designed for each booth of the REDMAS and each pollutant separately. Resumen La contaminación atmosférica es una amenaza aguda, constituye un fenómeno que tiene particular incidencia sobre la salud del hombre. Los cambios que se producen en la composición química de la atmósfera pueden cambiar el clima, producir lluvia ácida o destruir el ozono, fenómenos todos ellos de una gran importancia global. La Organización Mundial de la Salud (OMS) considera la contaminación atmosférica como una de las más importantes prioridades mundiales. Salamanca, Gto., México; ha sido catalogada como una de las ciudades más contaminadas en este país. La industria de la zona propició un importante desarrollo económico y un crecimiento acelerado de la población en la segunda mitad del siglo XX. Las afectaciones en el aire son graves y se han hecho importantes esfuerzos por medir las concentraciones de los contaminantes. Las principales fuentes de contaminación son fuentes fijas como industrias químicas y de generación eléctrica. Los contaminantes que se han registrado como preocupantes son el Bióxido de Azufre (SO2) y las Partículas Menores a 10 micrómetros (PM10). La predicción de las concentraciones de estos contaminantes puede ser una potente herramienta que permita tomar medidas preventivas como reducción de emisiones a la atmósfera y alertar a la población afectada. En la presente tesis doctoral se propone un modelo de predicción de concentraci ón de los contaminantes más críticos SO2 y PM10 para cada caseta de monitorización de la Red de Monitorización Atmosférica de Salamanca (REDMAS). Los modelos propuestos plantean el uso de las variables meteorol ógicas como factores que influyen en la concentración de los contaminantes. La información utilizada durante el desarrollo de este trabajo corresponde a datos reales obtenidos de la REDMAS. En el Modelo Propuesto (MP) se aplican Redes Neuronales Artificiales (RNA) combinadas con algoritmos de agrupamiento. La RNA utilizada es el Perceptrón Multicapa con una capa oculta, utilizando estructuras independientes para la predicción de cada contaminante. Las variables meteorológicas disponibles para realizar la predicción fueron: Dirección de Viento (DV), Velocidad de Viento (VV), Temperatura (T) y Humedad Relativa (HR). Los algoritmos de agrupamiento K-means y Fuzzy C-means son utilizados para encontrar relaciones existentes entre los contaminantes atmosféricos en estudio y las variables meteorológicas. Dichas relaciones aportan información a las RNA para obtener la predicción de los contaminantes, la cual es agregada como entrada de las RNA. Los resultados del modelo propuesto en este trabajo son comparados con los resultados de una Regresión Lineal Multivariable (RLM) y un Perceptrón Multicapa (MLP). La evaluación de la predicción se realiza con el Error Medio Absoluto, la Raíz del Error Cuadrático Medio, el coeficiente de correlación y el índice de acuerdo. Los resultados obtenidos muestran la importancia de las variables meteorológicas en la predicción de la concentración de los contaminantes SO2 y PM10 en la ciudad de Salamanca, Gto., México. Los resultados muestran que el MP predice mejor la concentración de los contaminantes SO2 y PM10 que los modelos RLM y MLP. Los modelos implementados para cada caseta de monitorizaci ón tienen la capacidad para realizar predicciones de calidad del aire, estos modelos pueden ser implementados en un sistema que permita realizar la predicción en tiempo real y analizar el impacto en la salud de la población. Entre los principales resultados obtenidos del desarrollo de esta tesis podemos citar: Se propone un modelo basado en una red neuronal artificial combinado con algoritmos de agrupamiento para la predicción con una hora de anticipaci ón de la concentración de cada contaminante (SO2 y PM10). Se diseñó un modelo diferente para cada contaminante y para cada una de las tres casetas de monitorización de la REDMAS. Se propone un modelo de predicción del promedio de la concentración de las próximas 24 horas de los contaminantes SO2 y PM10, basado en una red neuronal artificial combinado con algoritmos de agrupamiento. Se diseñó un modelo para cada caseta de monitorización de la REDMAS y para cada contaminante por separado.

Introducing Nuclear Energy to High-School Students: The Spanish Young Generation in Nuclear (Jóvenes Nucleares) Lectures

One of the main goals of Spanish Young Generation (JJNN) is to spread knowledge about nuclear energy, not only pointing out its advantages and its role in our society, but also trying to correct some of the ideas that are due to the biased information and to the lack of knowledge. With this goal in mind, lectures were given in several high schools, aimed at students ranging from 14 to 18 years old. This paper explains the experience accumulated during those talks and the conclusions that can be drawn, so as to better focus the communication about nuclear energy, especially the one aimed at a young public. In order to evaluate the degree of knowledge and information on a specific topic of a given group of individuals, statistical methods must be used. At the beginning of each lecture (and sometimes at the end, in order to evaluate the impact of the talk) the students were submitted to a short survey conducted by Spanish Young Generation. It consisted in eight questions, dealing with the relation between the main environmental issues (global warming, acid rain, radioactive waste…) and nuclear energy. The answers can be surprising, especially for professionals of the nuclear field who, since they are so familiar with this topic, often forget that this is just the case of a minority of people. A better knowledge of the degree of information of a given group enables to focus and personalize the communication. Another communication tool is the direct contact with students: it starts with their questions, which can then lead to a small debate. If the surveys inform about the topics they are unaware of, the direct exchange with them enables to find the most effective way to provide them the information. Of course, it depends a lot on the public attending the talk (age, background…) and on the debate following the talk: a good communication, adapted to the public, is necessary. Therefore, the outcome of the performed exercise is that Spanish teenagers have still a lack of knowledge about nuclear energy. We can learn that items that are evident for nuclear young professionals are unknown for high school teenagers

Metodología para la asignación de vehículos de una flota a rutas preestablecidas

En general, la distribución de una flota de vehículos que recorre rutas fijas no se realiza completamente en base a criterios objetivos, primando otros aspectos más difícilmente cuantificables. El análisis apropiado debería tener en consideración la variabilidad existente entre las diferentes rutas dentro de una misma ciudad para así determinar qué tecnología es la que mejor se adapta a las características de cada itinerario. Este trabajo presenta una metodología para optimizar la asignación de una flota de vehículos a sus rutas, consiguiendo reducir el consumo y las emisiones contaminantes. El método propuesto está organizado según el siguiente procedimiento: - Registro de las características cinemáticas de los vehículos que recorren un conjunto representativo de rutas. - Agrupamiento de las líneas en conglomerados de líneas similares empleando un algoritmo jerárquico que optimice el índice de semejanza entre rutas obtenido mediante contraste de hipótesis de las variables representativas. - Generación de un ciclo cinemático específico para cada conglomerado. - Tipificación de variables macroscópicas que faciliten la clasificación de las restantes líneas utilizando una red neuronal entrenada con la información recopilada en las rutas medidas. - Conocimiento de las características de la flota disponible. - Disponibilidad de un modelo que estime, según la tecnología del vehículo, el consumo y las emisiones asociados a las variables cinemáticas de los ciclos. - Desarrollo de un algoritmo de reasignación de vehículos que optimice una función objetivo dependiente de las emisiones. En el proceso de optimización de la flota se plantean dos escenarios de gran trascendencia en la evaluación ambiental, consistentes en minimizar la emisión de dióxido de carbono y su impacto como gas de efecto invernadero (GEI), y alternativamente, la producción de nitróxidos, por su influencia en la lluvia ácida y en la formación de ozono troposférico en núcleos urbanos. Además, en ambos supuestos se introducen en el problema restricciones adicionales para evitar que las emisiones de las restantes sustancias superen los valores estipulados según la organización de la flota actualmente realizada por el operador. La metodología ha sido aplicada en 160 líneas de autobús de la EMT de Madrid, conociéndose los datos cinemáticos de 25 rutas. Los resultados indican que, en ambos supuestos, es factible obtener una redistribución de la flota que consiga reducir significativamente la mayoría de las sustancias contaminantes, evitando que, en contraprestación, aumente la emisión de cualquier otro contaminante. ABSTRACT In general, the distribution of a fleet of vehicles that travel fixed routes is not usually implemented on the basis of objective criteria, thus prioritizing on other features that are more difficult to quantify. The appropriate analysis should consider the existing variability amongst the different routes within the city in order to determine which technology adapts better to the peculiarities of each itinerary. This study proposes a methodology to optimize the allocation of a fleet of vehicles to the routes in order to reduce fuel consumption and pollutant emissions. The suggested method is structured in accordance with the following procedure: - Recording of the kinematic characteristics of the vehicles that travel a representative set of routes. - Grouping of the lines in clusters of similar routes by utilizing a hierarchical algorithm that optimizes the similarity index between routes, which has been previously obtained by means of hypothesis contrast based on a set of representative variables. - Construction of a specific kinematic cycle to represent each cluster of routes. - Designation of macroscopic variables that allow the classification of the remaining lines using a neural network trained with the information gathered from a sample of routes. - Identification and comprehension of the operational characteristics of the existing fleet. - Availability of a model that evaluates, in accordance with the technology of the vehicle, the fuel consumption and the emissions related with the kinematic variables of the cycles. - Development of an algorithm for the relocation of the vehicle fleet by optimizing an objective function which relies on the values of the pollutant emissions. Two scenarios having great relevance in environmental evaluation are assessed during the optimization process of the fleet, these consisting in minimizing carbon dioxide emissions due to its impact as greenhouse gas (GHG), and alternatively, the production of nitroxides for their influence on acid rain and in the formation of tropospheric ozone in urban areas. Furthermore, additional restrictions are introduced in both assumptions in order to prevent that emission levels for the remaining substances exceed the stipulated values for the actual fleet organization implemented by the system operator. The methodology has been applied in 160 bus lines of the EMT of Madrid, for which kinematic information is known for a sample consisting of 25 routes. The results show that, in both circumstances, it is feasible to obtain a redistribution of the fleet that significantly reduces the emissions for the majority of the pollutant substances, while preventing an alternative increase in the emission level of any other contaminant.

Evaluación de las Consecuencias de la Nueva Regulación de la OMI sobre Combustibles Marinos

El 10 de octubre de 2008 la Organización Marítima Internacional (OMI) firmó una modificación al Anexo VI del convenio MARPOL 73/78, por la que estableció una reducción progresiva de las emisiones de óxidos de azufre (SOx) procedentes de los buques, una reducción adicional de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx), así como límites en las emisiones de dióxido de Carbono (CO2) procedentes de los motores marinos y causantes de problemas medioambientales como la lluvia ácida y efecto invernadero. Centrándonos en los límites sobre las emisiones de azufre, a partir del 1 de enero de 2015 esta normativa obliga a todos los buques que naveguen por zonas controladas, llamadas Emission Control Area (ECA), a consumir combustibles con un contenido de azufre menor al 0,1%. A partir del 1 de enero del año 2020, o bien del año 2025, si la OMI decide retrasar su inicio, los buques deberán consumir combustibles con un contenido de azufre menor al 0,5%. De igual forma que antes, el contenido deberá ser rebajado al 0,1%S, si navegan por el interior de zonas ECA. Por su parte, la Unión Europea ha ido más allá que la OMI, adelantando al año 2020 la aplicación de los límites más estrictos de la ley MARPOL sobre las aguas de su zona económica exclusiva. Para ello, el 21 de noviembre de 2013 firmó la Directiva 2012 / 33 / EU como adenda a la Directiva de 1999. Tengamos presente que la finalidad de estas nuevas leyes es la mejora de la salud pública y el medioambiente, produciendo beneficios sociales, en forma de reducción de enfermedades, sobre todo de tipo respiratorio, a la vez que se reduce la lluvia ácida y sus nefastas consecuencias. La primera pregunta que surge es ¿cuál es el combustible actual de los buques y cuál será el que tengan que consumir para cumplir con esta Regulación? Pues bien, los grandes buques de navegación internacional consumen hoy en día fuel oil con un nivel de azufre de 3,5%. ¿Existen fueles con un nivel de azufre de 0,5%S? Como hemos concluido en el capítulo 4, para las empresas petroleras, la producción de fuel oil como combustible marino es tratada como un subproducto en su cesta de productos refinados por cada barril de Brent, ya que la demanda de fuel respecto a otros productos está bajando y además, el margen de beneficio que obtienen por la venta de otros productos petrolíferos es mayor que con el fuel. Así, podemos decir que las empresas petroleras no están interesadas en invertir en sus refinerías para producir estos fueles con menor contenido de azufre. Es más, en el caso de que alguna compañía decidiese invertir en producir un fuel de 0,5%S, su precio debería ser muy similar al del gasóleo para poder recuperar las inversiones empleadas. Por lo tanto, el único combustible que actualmente cumple con los nuevos niveles impuestos por la OMI es el gasóleo, con un precio que durante el año 2014 estuvo a una media de 307 USD/ton más alto que el actual fuel oil. Este mayor precio de compra de combustible impactará directamente sobre el coste del trasporte marítimo. La entrada en vigor de las anteriores normativas está suponiendo un reto para todo el sector marítimo. Ante esta realidad, se plantean diferentes alternativas con diferentes implicaciones técnicas, operativas y financieras. En la actualidad, son tres las alternativas con mayor aceptación en el sector. La primera alternativa consiste en “no hacer nada” y simplemente cambiar el tipo de combustible de los grandes buques de fuel oil a gasóleo. Las segunda alternativa es la instalación de un equipo scrubber, que permitiría continuar con el consumo de fuel oil, limpiando sus gases de combustión antes de salir a la atmósfera. Y, por último, la tercera alternativa consiste en el uso de Gas Natural Licuado (GNL) como combustible, con un precio inferior al del gasóleo. Sin embargo, aún existen importantes incertidumbres sobre la evolución futura de precios, operación y mantenimiento de las nuevas tecnologías, inversiones necesarias, disponibilidad de infraestructura portuaria e incluso el desarrollo futuro de la propia normativa internacional. Estas dudas hacen que ninguna de estas tres alternativas sea unánime en el sector. En esta tesis, tras exponer en el capítulo 3 la regulación aplicable al sector, hemos investigado sus consecuencias. Para ello, hemos examinado en el capítulo 4 si existen en la actualidad combustibles marinos que cumplan con los nuevos límites de azufre o en su defecto, cuál sería el precio de los nuevos combustibles. Partimos en el capítulo 5 de la hipótesis de que todos los buques cambian su consumo de fuel oil a gasóleo para cumplir con dicha normativa, calculamos el incremento de demanda de gasóleo que se produciría y analizamos las consecuencias que este hecho tendría sobre la producción de gasóleos en el Mediterráneo. Adicionalmente, calculamos el impacto económico que dicho incremento de coste producirá sobre sector exterior de España. Para ello, empleamos como base de datos el sistema de control de tráfico marítimo Authomatic Identification System (AIS) para luego analizar los datos de todos los buques que han hecho escala en algún puerto español, para así calcular el extra coste anual por el consumo de gasóleo que sufrirá el transporte marítimo para mover todas las importaciones y exportaciones de España. Por último, en el capítulo 6, examinamos y comparamos las otras dos alternativas al consumo de gasóleo -scrubbers y propulsión con GNL como combustible- y, finalmente, analizamos en el capítulo 7, la viabilidad de las inversiones en estas dos tecnologías para cumplir con la regulación. En el capítulo 5 explicamos los numerosos métodos que existen para calcular la demanda de combustible de un buque. La metodología seguida para su cálculo será del tipo bottom-up, que está basada en la agregación de la actividad y las características de cada tipo de buque. El resultado está basado en la potencia instalada de cada buque, porcentaje de carga del motor y su consumo específico. Para ello, analizamos el número de buques que navegan por el Mediterráneo a lo largo de un año mediante el sistema AIS, realizando “fotos” del tráfico marítimo en el Mediterráneo y reportando todos los buques en navegación en días aleatorios a lo largo de todo el año 2014. Por último, y con los datos anteriores, calculamos la demanda potencial de gasóleo en el Mediterráneo. Si no se hace nada y los buques comienzan a consumir gasóleo como combustible principal, en vez del actual fuel oil para cumplir con la regulación, la demanda de gasoil en el Mediterráneo aumentará en 12,12 MTA (Millones de Toneladas Anuales) a partir del año 2020. Esto supone alrededor de 3.720 millones de dólares anuales por el incremento del gasto de combustible tomando como referencia el precio medio de los combustibles marinos durante el año 2014. El anterior incremento de demanda en el Mediterráneo supondría el 43% del total de la demanda de gasóleos en España en el año 2013, incluyendo gasóleos de automoción, biodiesel y gasóleos marinos y el 3,2% del consumo europeo de destilados medios durante el año 2014. ¿Podrá la oferta del mercado europeo asumir este incremento de demanda de gasóleos? Europa siempre ha sido excedentaria en gasolina y deficitaria en destilados medios. En el año 2009, Europa tuvo que importar 4,8 MTA de Norte América y 22,1 MTA de Asia. Por lo que, este aumento de demanda sobre la ya limitada capacidad de refino de destilados medios en Europa incrementará las importaciones y producirá también aumentos en los precios, sobre todo del mercado del gasóleo. El sector sobre el que más impactará el incremento de demanda de gasóleo será el de los cruceros que navegan por el Mediterráneo, pues consumirán un 30,4% de la demanda de combustible de toda flota mundial de cruceros, lo que supone un aumento en su gasto de combustible de 386 millones de USD anuales. En el caso de los RoRos, consumirían un 23,6% de la demanda de la flota mundial de este tipo de buque, con un aumento anual de 171 millones de USD sobre su gasto de combustible anterior. El mayor incremento de coste lo sufrirán los portacontenedores, con 1.168 millones de USD anuales sobre su gasto actual. Sin embargo, su consumo en el Mediterráneo representa sólo el 5,3% del consumo mundial de combustible de este tipo de buques. Estos números plantean la incertidumbre de si semejante aumento de gasto en buques RoRo hará que el transporte marítimo de corta distancia en general pierda competitividad sobre otros medios de transporte alternativos en determinadas rutas. De manera que, parte del volumen de mercancías que actualmente transportan los buques se podría trasladar a la carretera, con los inconvenientes medioambientales y operativos, que esto produciría. En el caso particular de España, el extra coste por el consumo de gasóleo de todos los buques con escala en algún puerto español en el año 2013 se cifra en 1.717 millones de EUR anuales, según demostramos en la última parte del capítulo 5. Para realizar este cálculo hemos analizado con el sistema AIS a todos los buques que han tenido escala en algún puerto español y los hemos clasificado por distancia navegada, tipo de buque y potencia. Este encarecimiento del transporte marítimo será trasladado al sector exterior español, lo cual producirá un aumento del coste de las importaciones y exportaciones por mar en un país muy expuesto, pues el 75,61% del total de las importaciones y el 53,64% del total de las exportaciones se han hecho por vía marítima. Las tres industrias que se verán más afectadas son aquellas cuyo valor de mercancía es inferior respecto a su coste de transporte. Para ellas los aumentos del coste sobre el total del valor de cada mercancía serán de un 2,94% para la madera y corcho, un 2,14% para los productos minerales y un 1,93% para las manufacturas de piedra, cemento, cerámica y vidrio. Las mercancías que entren o salgan por los dos archipiélagos españoles de Canarias y Baleares serán las que se verán más impactadas por el extra coste del transporte marítimo, ya que son los puertos más alejados de otros puertos principales y, por tanto, con más distancia de navegación. Sin embargo, esta no es la única alternativa al cumplimiento de la nueva regulación. De la lectura del capítulo 6 concluimos que las tecnologías de equipos scrubbers y de propulsión con GNL permitirán al buque consumir combustibles más baratos al gasoil, a cambio de una inversión en estas tecnologías. ¿Serán los ahorros producidos por estas nuevas tecnologías suficientes para justificar su inversión? Para contestar la anterior pregunta, en el capítulo 7 hemos comparado las tres alternativas y hemos calculado tanto los costes de inversión como los gastos operativos correspondientes a equipos scrubbers o propulsión con GNL para una selección de 53 categorías de buques. La inversión en equipos scrubbers es más conveniente para buques grandes, con navegación no regular. Sin embargo, para buques de tamaño menor y navegación regular por puertos con buena infraestructura de suministro de GNL, la inversión en una propulsión con GNL como combustible será la más adecuada. En el caso de un tiempo de navegación del 100% dentro de zonas ECA y bajo el escenario de precios visto durante el año 2014, los proyectos con mejor plazo de recuperación de la inversión en equipos scrubbers son para los cruceros de gran tamaño (100.000 tons. GT), para los que se recupera la inversión en 0,62 años, los grandes portacontenedores de más de 8.000 TEUs con 0,64 años de recuperación y entre 5.000-8.000 TEUs con 0,71 años de recuperación y, por último, los grandes petroleros de más de 200.000 tons. de peso muerto donde tenemos un plazo de recuperación de 0,82 años. La inversión en scrubbers para buques pequeños, por el contrario, tarda más tiempo en recuperarse llegando a más de 5 años en petroleros y quimiqueros de menos de 5.000 toneladas de peso muerto. En el caso de una posible inversión en propulsión con GNL, las categorías de buques donde la inversión en GNL es más favorable y recuperable en menor tiempo son las más pequeñas, como ferris, cruceros o RoRos. Tomamos ahora el caso particular de un buque de productos limpios de 38.500 toneladas de peso muerto ya construido y nos planteamos la viabilidad de la inversión en la instalación de un equipo scrubber o bien, el cambio a una propulsión por GNL a partir del año 2015. Se comprueba que las dos variables que más impactan sobre la conveniencia de la inversión son el tiempo de navegación del buque dentro de zonas de emisiones controladas (ECA) y el escenario futuro de precios del MGO, HSFO y GNL. Para realizar este análisis hemos estudiado cada inversión, calculando una batería de condiciones de mérito como el payback, TIR, VAN y la evolución de la tesorería del inversor. Posteriormente, hemos calculado las condiciones de contorno mínimas de este buque en concreto para asegurar una inversión no sólo aceptable, sino además conveniente para el naviero inversor. En el entorno de precios del 2014 -con un diferencial entre fuel y gasóleo de 264,35 USD/ton- si el buque pasa más de un 56% de su tiempo de navegación en zonas ECA, conseguirá una rentabilidad de la inversión para inversores (TIR) en el equipo scrubber que será igual o superior al 9,6%, valor tomado como coste de oportunidad. Para el caso de inversión en GNL, en el entorno de precios del año 2014 -con un diferencial entre GNL y gasóleo de 353,8 USD/ton FOE- si el buque pasa más de un 64,8 % de su tiempo de navegación en zonas ECA, conseguirá una rentabilidad de la inversión para inversores (TIR) que será igual o superior al 9,6%, valor del coste de oportunidad. Para un tiempo en zona ECA estimado de un 60%, la rentabilidad de la inversión (TIR) en scrubbers para los inversores será igual o superior al 9,6%, el coste de oportunidad requerido por el inversor, para valores del diferencial de precio entre los dos combustibles alternativos, gasóleo (MGO) y fuel oil (HSFO) a partir de 244,73 USD/ton. En el caso de una inversión en propulsión GNL se requeriría un diferencial de precio entre MGO y GNL de 382,3 USD/ton FOE o superior. Así, para un buque de productos limpios de 38.500 DWT, la inversión en una reconversión para instalar un equipo scrubber es más conveniente que la de GNL, pues alcanza rentabilidades de la inversión (TIR) para inversores del 12,77%, frente a un 6,81% en el caso de invertir en GNL. Para ambos cálculos se ha tomado un buque que navegue un 60% de su tiempo por zona ECA y un escenario de precios medios del año 2014 para el combustible. Po otro lado, las inversiones en estas tecnologías a partir del año 2025 para nuevas construcciones son en ambos casos convenientes. El naviero deberá prestar especial atención aquí a las características propias de su buque y tipo de navegación, así como a la infraestructura de suministros y vertidos en los puertos donde vaya a operar usualmente. Si bien, no se ha estudiado en profundidad en esta tesis, no olvidemos que el sector marítimo debe cumplir además con las otras dos limitaciones que la regulación de la OMI establece sobre las emisiones de óxidos de Nitrógeno (NOx) y Carbono (CO2) y que sin duda, requerirán adicionales inversiones en diversos equipos. De manera que, si bien las consecuencias del consumo de gasóleo como alternativa al cumplimiento de la Regulación MARPOL son ciertamente preocupantes, existen alternativas al uso del gasóleo, con un aumento sobre el coste del transporte marítimo menor y manteniendo los beneficios sociales que pretende dicha ley. En efecto, como hemos demostrado, las opciones que se plantean como más rentables desde el punto de vista financiero son el consumo de GNL en los buques pequeños y de línea regular (cruceros, ferries, RoRos), y la instalación de scrubbers para el resto de buques de grandes dimensiones. Pero, por desgracia, estas inversiones no llegan a hacerse realidad por el elevado grado de incertidumbre asociado a estos dos mercados, que aumenta el riesgo empresarial, tanto de navieros como de suministradores de estas nuevas tecnologías. Observamos así una gran reticencia del sector privado a decidirse por estas dos alternativas. Este elevado nivel de riesgo sólo puede reducirse fomentando el esfuerzo conjunto del sector público y privado para superar estas barreras de entrada del mercado de scrubbers y GNL, que lograrían reducir las externalidades medioambientales de las emisiones sin restar competitividad al transporte marítimo. Creemos así, que los mismos organismos que aprobaron dicha ley deben ayudar al sector naviero a afrontar las inversiones en dichas tecnologías, así como a impulsar su investigación y promover la creación de una infraestructura portuaria adaptada a suministros de GNL y a descargas de vertidos procedentes de los equipos scrubber. Deberían además, prestar especial atención sobre las ayudas al sector de corta distancia para evitar que pierda competitividad frente a otros medios de transporte por el cumplimiento de esta normativa. Actualmente existen varios programas europeos de incentivos, como TEN-T o Marco Polo, pero no los consideramos suficientes. Por otro lado, la Organización Marítima Internacional debe confirmar cuanto antes si retrasa o no al 2025 la nueva bajada del nivel de azufre en combustibles. De esta manera, se eliminaría la gran incertidumbre temporal que actualmente tienen tanto navieros, como empresas petroleras y puertos para iniciar sus futuras inversiones y poder estudiar la viabilidad de cada alternativa de forma individual. ABSTRACT On 10 October 2008 the International Maritime Organization (IMO) signed an amendment to Annex VI of the MARPOL 73/78 convention establishing a gradual reduction in sulphur oxide (SOx) emissions from ships, and an additional reduction in nitrogen oxide (NOx) emissions and carbon dioxide (CO2) emissions from marine engines which cause environmental problems such as acid rain and the greenhouse effect. According to this regulation, from 1 January 2015, ships travelling in an Emission Control Area (ECA) must use fuels with a sulphur content of less than 0.1%. From 1 January 2020, or alternatively from 2025 if the IMO should decide to delay its introduction, all ships must use fuels with a sulphur content of less than 0.5%. As before, this content will be 0.1%S for voyages within ECAs. Meanwhile, the European Union has gone further than the IMO, and will apply the strictest limits of the MARPOL directives in the waters of its exclusive economic zone from 2020. To this end, Directive 2012/33/EU was issued on 21 November 2013 as an addendum to the 1999 Directive. These laws are intended to improve public health and the environment, benefiting society by reducing disease, particularly respiratory problems. The first question which arises is: what fuel do ships currently use, and what fuel will they have to use to comply with the Convention? Today, large international shipping vessels consume fuel oil with a sulphur level of 3.5%. Do fuel oils exist with a sulphur level of 0.5%S? As we conclude in Chapter 4, oil companies regard marine fuel oil as a by-product of refining Brent to produce their basket of products, as the demand for fuel oil is declining in comparison to other products, and the profit margin on the sale of other petroleum products is higher. Thus, oil companies are not interested in investing in their refineries to produce low-sulphur fuel oils, and if a company should decide to invest in producing a 0.5%S fuel oil, its price would have to be very similar to that of marine gas oil in order to recoup the investment. Therefore, the only fuel which presently complies with the new levels required by the IMO is marine gas oil, which was priced on average 307 USD/tonne higher than current fuel oils during 2014. This higher purchasing price for fuel will have a direct impact on the cost of maritime transport. The entry into force of the above directive presents a challenge for the entire maritime sector. There are various alternative approaches to this situation, with different technical, operational and financial implications. At present three options are the most widespread in the sector. The first option consists of “doing nothing” and simply switching from fuel oil to marine gas oil in large ships. The second option is installing a scrubber system, which would enable ships to continue consuming fuel oil, cleaning the combustion gases before they are released to the atmosphere. And finally, the third option is using Liquefied Natural Gas (LNG), which is priced lower than marine gas oil, as a fuel. However, there is still significant uncertainty on future variations in prices, the operation and maintenance of the new technologies, the investments required, the availability of port infrastructure and even future developments in the international regulations themselves. These uncertainties mean that none of these three alternatives has been unanimously accepted by the sector. In this Thesis, after discussing all the regulations applicable to the sector in Chapter 3, we investigate their consequences. In Chapter 4 we examine whether there are currently any marine fuels on the market which meet the new sulphur limits, and if not, how much new fuels would cost. In Chapter 5, based on the hypothesis that all ships will switch from fuel oil to marine gas oil to comply with the regulations, we calculate the increase in demand for marine gas oil this would lead to, and analyse the consequences this would have on marine gas oil production in the Mediterranean. We also calculate the economic impact such a cost increase would have on Spain's external sector. To do this, we also use the Automatic Identification System (AIS) system to analyse the data of every ship stopping in any Spanish port, in order to calculate the extra cost of using marine gas oil in maritime transport for all Spain's imports and exports. Finally, in Chapter 6, we examine and compare the other two alternatives to marine gas oil, scrubbers and LNG, and in Chapter 7 we analyse the viability of investing in these two technologies in order to comply with the regulations. In Chapter 5 we explain the many existing methods for calculating a ship's fuel consumption. We use a bottom-up calculation method, based on aggregating the activity and characteristics of each type of vessel. The result is based on the installed engine power of each ship, the engine load percentage and its specific consumption. To do this, we analyse the number of ships travelling in the Mediterranean in the course of one year, using the AIS, a marine traffic monitoring system, to take “snapshots” of marine traffic in the Mediterranean and report all ships at sea on random days throughout 2014. Finally, with the above data, we calculate the potential demand for marine gas oil in the Mediterranean. If nothing else is done and ships begin to use marine gas oil instead of fuel oil in order to comply with the regulation, the demand for marine gas oil in the Mediterranean will increase by 12.12 MTA (Millions Tonnes per Annum) from 2020. This means an increase of around 3.72 billion dollars a year in fuel costs, taking as reference the average price of marine fuels in 2014. Such an increase in demand in the Mediterranean would be equivalent to 43% of the total demand for diesel in Spain in 2013, including automotive diesel fuels, biodiesel and marine gas oils, and 3.2% of European consumption of middle distillates in 2014. Would the European market be able to supply enough to meet this greater demand for diesel? Europe has always had a surplus of gasoline and a deficit of middle distillates. In 2009, Europe had to import 4.8 MTA from North America and 22.1 MTA from Asia. Therefore, this increased demand on Europe's already limited capacity for refining middle distillates would lead to increased imports and higher prices, especially in the diesel market. The sector which would suffer the greatest impact of increased demand for marine gas oil would be Mediterranean cruise ships, which represent 30.4% of the fuel demand of the entire world cruise fleet, meaning their fuel costs would rise by 386 million USD per year. ROROs in the Mediterranean, which represent 23.6% of the demand of the world fleet of this type of ship, would see their fuel costs increase by 171 million USD a year. The greatest cost increase would be among container ships, with an increase on current costs of 1.168 billion USD per year. However, their consumption in the Mediterranean represents only 5.3% of worldwide fuel consumption by container ships. These figures raise the question of whether a cost increase of this size for RORO ships would lead to short-distance marine transport in general becoming less competitive compared to other transport options on certain routes. For example, some of the goods that ships now carry could switch to road transport, with the undesirable effects on the environment and on operations that this would produce. In the particular case of Spain, the extra cost of switching to marine gas oil in all ships stopping at any Spanish port in 2013 would be 1.717 billion EUR per year, as we demonstrate in the last part of Chapter 5. For this calculation, we used the AIS system to analyse all ships which stopped at any Spanish port, classifying them by distance travelled, type of ship and engine power. This rising cost of marine transport would be passed on to the Spanish external sector, increasing the cost of imports and exports by sea in a country which relies heavily on maritime transport, which accounts for 75.61% of Spain's total imports and 53.64% of its total exports. The three industries which would be worst affected are those with goods of lower value relative to transport costs. The increased costs over the total value of each good would be 2.94% for wood and cork, 2.14% for mineral products and 1.93% for manufactured stone, cement, ceramic and glass products. Goods entering via the two Spanish archipelagos, the Canary Islands and the Balearic Islands, would suffer the greatest impact from the extra cost of marine transport, as these ports are further away from other major ports and thus the distance travelled is greater. However, this is not the only option for compliance with the new regulations. From our readings in Chapter 6 we conclude that scrubbers and LNG propulsion would enable ships to use cheaper fuels than marine gas oil, in exchange for investing in these technologies. Would the savings gained by these new technologies be enough to justify the investment? To answer this question, in Chapter 7 we compare the three alternatives and calculate both the cost of investment and the operating costs associated with scrubbers or LNG propulsion for a selection of 53 categories of ships. Investing in scrubbers is more advisable for large ships with no fixed runs. However, for smaller ships with regular runs to ports with good LNG supply infrastructure, investing in LNG propulsion would be the best choice. In the case of total transit time within an ECA and the pricing scenario seen in 2014, the best payback periods on investments in scrubbers are for large cruise ships (100,000 gross tonnage), which would recoup their investment in 0.62 years; large container ships, with a 0.64 year payback period for those over 8,000 TEUs and 0.71 years for the 5,000-8,000 TEU category; and finally, large oil tankers over 200,000 deadweight tonnage, which would recoup their investment in 0.82 years. However, investing in scrubbers would have a longer payback period for smaller ships, up to 5 years or more for oil tankers and chemical tankers under 5,000 deadweight tonnage. In the case of LNG propulsion, a possible investment is more favourable and the payback period is shorter for smaller ship classes, such as ferries, cruise ships and ROROs. We now take the case of a ship transporting clean products, already built, with a deadweight tonnage of 38,500, and consider the viability of investing in installing a scrubber or changing to LNG propulsion, starting in 2015. The two variables with the greatest impact on the advisability of the investment are how long the ship is at sea within emission control areas (ECA) and the future price scenario of MGO, HSFO and LNG. For this analysis, we studied each investment, calculating a battery of merit conditions such as the payback period, IRR, NPV and variations in the investors' liquid assets. We then calculated the minimum boundary conditions to ensure the investment was not only acceptable but advisable for the investor shipowner. Thus, for the average price differential of 264.35 USD/tonne between HSFO and MGO during 2014, investors' return on investment (IRR) in scrubbers would be the same as the required opportunity cost of 9.6%, for values of over 56% ship transit time in ECAs. For the case of investing in LNG and the average price differential between MGO and LNG of 353.8 USD/tonne FOE in 2014, the ship must spend 64.8% of its time in ECAs for the investment to be advisable. For an estimated 60% of time in an ECA, the internal rate of return (IRR) for investors equals the required opportunity cost of 9.6%, based on a price difference of 244.73 USD/tonne between the two alternative fuels, marine gas oil (MGO) and fuel oil (HSFO). An investment in LNG propulsion would require a price differential between MGO and LNG of 382.3 USD/tonne FOE. Thus, for a 38,500 DWT ship carrying clean products, investing in retrofitting to install a scrubber is more advisable than converting to LNG, with an internal rate of return (IRR) for investors of 12.77%, compared to 6.81% for investing in LNG. Both calculations were based on a ship which spends 60% of its time at sea in an ECA and a scenario of average 2014 prices. However, for newly-built ships, investments in either of these technologies from 2025 would be advisable. Here, the shipowner must pay particular attention to the specific characteristics of their ship, the type of operation, and the infrastructure for supplying fuel and handling discharges in the ports where it will usually operate. Thus, while the consequences of switching to marine gas oil in order to comply with the MARPOL regulations are certainly alarming, there are alternatives to marine gas oil, with smaller increases in the costs of maritime transport, while maintaining the benefits to society this law is intended to provide. Indeed, as we have demonstrated, the options which appear most favourable from a financial viewpoint are conversion to LNG for small ships and regular runs (cruise ships, ferries, ROROs), and installing scrubbers for large ships. Unfortunately, however, these investments are not being made, due to the high uncertainty associated with these two markets, which increases business risk, both for shipowners and for the providers of these new technologies. This means we are seeing considerable reluctance regarding these two options among the private sector. This high level of risk can be lowered only by encouraging joint efforts by the public and private sectors to overcome these barriers to entry into the market for scrubbers and LNG, which could reduce the environmental externalities of emissions without affecting the competitiveness of marine transport. Our opinion is that the same bodies which approved this law must help the shipping industry invest in these technologies, drive research on them, and promote the creation of a port infrastructure which is adapted to supply LNG and handle the discharges from scrubber systems. At present there are several European incentive programmes, such as TEN-T and Marco Polo, but we do not consider these to be sufficient. For its part, the International Maritime Organization should confirm as soon as possible whether the new lower sulphur levels in fuels will be postponed until 2025. This would eliminate the great uncertainty among shipowners, oil companies and ports regarding the timeline for beginning their future investments and for studying their viability.

Amelioration of a degraded acid soil from SW Spain by no-tillage and Ca-amendment

En los suelos, el exceso de acidez lleva asociado deficiencias en ciertos nutrientes y una alta disponibilidad de aluminio, tóxico para los cultivos propios del ambiente mediterráneo. Su laboreo, provoca la pérdida de materia orgánica (MO), deteriora su estructura y reduce la actividad biológica, provocando en última instancia una menor calidad del suelo. Es de esperar pues que cuando se labran suelos ácidos, sus problemáticas particulares tiendan a agravarse. En nuestra zona de estudio, la “raña” de Cañamero (Extremadura, España), predominan los suelos muy ácidos y degradados por un laboreo inadecuado. Las rañas constituyen amplias plataformas casi horizontales, con unos suelos muy viejos (Palexerults), que se caracterizan por tener el complejo de cambio dominado por el aluminio, y un pH ácido que decrece en profundidad. Poseen un potente horizonte Bt rico en arcillas caoliníticas, que propicia que en periodos con exceso de lluvia, se generen capas colgadas de agua cercanas a la superficie. En torno a los años 1940’s estos suelos, que previamente sostenían un alcornocal, o su matorral de sustitución, se pusieron en cultivo. El laboreo aceleró la mineralización de la materia orgánica, agravó los problemas derivados del exceso de acidez y condujo al abandono de los campos cultivados por falta de productividad. Para recuperar la calidad de estos suelos degradados y obtener unos rendimientos compatibles con su uso agrícola es necesario, por un lado, aplicar enmiendas que eleven el pH y reduzcan la toxicidad del aluminio y, por otro, favorecer el incremento en el contenido en MO. En 2005 se implantó en esta raña un ensayo de campo para estudiar la influencia del no laboreo y de la utilización de una enmienda cálcica en parámetros relacionados con la calidad del suelo en un cultivo forrajero. El diseño experimental fue en parcelas divididas con cuatro repeticiones donde el factor principal fue el tipo de laboreo, no laboreo (NL) frente a laboreo convencional (LC), y el factor secundario el uso o no de una enmienda cálcica. La enmienda consistió básicamente en una mezcla de espuma de azucarería y yeso rojo y se incorporó al comienzo del ensayo hasta los 7 cm de profundidad. Desde el comienzo del ensayo el NL influyó positivamente en el contenido de carbono orgánico total (COT) y particulado (COP), mientras que la enmienda tuvo una ligera influencia al principio del ensayo en ambos pero su efecto positivo se desvaneció con el paso del tiempo. Los mayores contenidos en COT y POC se observaron cuando se combinó el NL con la enmienda. La enmienda incrementó con rapidez el pH, y el Ca, y disminuyó el contenido en aluminio hasta una profundidad de 50 cm, incluso en NL, y mejoró ligeramente la agregación del suelo. El NL por sí solo, gracias al aumento en POC, TOC y las proteínas del suelo relacionadas con la glomalina (PSRG), que son capaces de formar compuestos estables no tóxicos con el aluminio, también contribuyó a la reducción de la toxicidad de aluminio en la capa más superficial. Cuando en las campañas con exceso de precipitaciones se generaron capas colgadas de agua próximas a la superficie, el NL generó unas condiciones más favorables para la germinación y desarrollo del cultivo, resultando en una producción más alta que el LC. A ello contribuyó la mayor capacidad de almacenamiento de agua y la mayor transmisividad de esta hacia abajo, en la capa más superficial (0-5 cm) que propició una menor saturación por agua que el LC. Respecto a los parámetros relacionados con la agregación, el NL aumentó los macroagregados hasta los 10 cm de profundidad y favoreció la acumulación de CO y N en todas las fracciones de tamaño de agregados. Sin embargo, la recuperación del grado de macroagregación tras el cese del laboreo resulta lenta en comparación con otros suelos, posiblemente debido al bajo contenido en arcilla en el horizonte Ap. En comparación con el NL, la enmienda mostró también un efecto positivo, aunque muy ligero, en la agregación del suelo. En contradicción con otros estudios en suelos ácidos, nuestros resultados indican la existencia de una jerarquía de agregados, y destacan el papel importante de la MO en la mejora de la agregación. Tanto el NL como la enmienda favorecieron por separado varias propiedades químicas, físicas y biológicas del suelo, pero, en general, encontramos los mayores beneficios con su uso combinado. Además, a largo plazo el efecto positivo de NL en las propiedades del suelo fue en aumento, mientras que el efecto beneficioso de la enmienda se limitó básicamente a las propiedades químicas y se desvaneció en pocos años. Destacamos que las condiciones meteorológicas a lo largo del ensayo beneficiaron la producción de biomasa en NL, y en consecuencia las propiedades relacionadas con la materia orgánica, por lo que son un factor a tener en cuenta a la hora de evaluar los efectos de la enmienda y el laboreo sobre las propiedades del suelo, especialmente en zonas donde esas condiciones son muy variables entre una campaña y otra. Los resultados de este estudio han puesto de manifiesto que el NL no ha mermado la eficacia de la enmienda caliza, posiblemente gracias a la alta solubilidad de la enmienda aplicada, es más, el manejo con NL y enmienda es el que ha favorecido en mayor medida ciertos parámetros de calidad del suelo. Por el contrario el LC sí parece anular los beneficios de la enmienda en relación con las propiedades relacionadas con la MO. Por tanto, cabe concluir que la combinación de NL y la enmienda es una práctica adecuada para mejorar las propiedades químicas y físicas de suelos ácidos degradados por el laboreo. ABSTRACT Excessive acidity in soils is associated with deficiencies in certain nutrients and high concentrations of available aluminum, which is toxic for most Mediterranean crops. Tilling these soils results in the loss of soil organic matter (SOM), damages soil structure and reduces biological activity, ultimately degrading soil quality. It is expected, therefore, that when acid soils are tilled, their particular problems will tend to get worse. In our study area, the "Cañamero’s Raña” (Extremadura, Spain), acid soils degraded by an inappropriate tillage prevail. Rañas are large and flat platforms with very old soils (Palexerults), which are characterized by an exchange complex dominated by aluminum and an acid pH which decreases with depth. These soils have a strong Bt horizon rich in kaolinite clays, which encourages the formation of perched water-tables near the soil surface during periods of excessive rain. During the first third of the 20th century, these soils, that previously supported cork oak or its scrub replacement, were cultivated. Tillage accelerated the mineralization of the SOM, aggravating the problems of excessive acidity, which finally led to the abandonment of the land due to low productivity. To recover the quality of these degraded soils and to obtain consistent yields it is necessary, first, to apply amendments to raise the pH and reduce aluminum toxicity, and second to encourage the accumulation of SOM. In 2005 a field trial was established in the Raña to study the influence of no-tillage and the use of a Ca-amendment on soil quality related parameters in a forage crop agrosystem. The experimental design was a split-plot with four replicates where the main factor was tillage type, no-tillage (NT) versus traditional tillage (TT) and the secondary factor was the use or not of a Ca-amendment. The Ca-amendment was a mixture of sugar foam and red gypsum that was incorporated into the top 7 cm of the soil. Since the beginning of the experiment, NT had a positive influence on total and particulate organic carbon (TOC and POC, respectively), while the Ca-amendment had a small positive influence at the beginning of the study but its effect diminished with time. The highest TOC and POC contents were observed when NT and the Ca-amendment were combined. The Ca-amendment, even under NT, rapidly increased pH and Ca, and decreased the aluminum content to a depth of 50 cm, as well as improving soil aggregation slightly. NT, due to the increased POC, TOC and Glomalin-related soil proteins (GRSP), which can form stable non-toxic compounds with aluminum, also contributed to the reduction of aluminum toxicity in the upper layer. When perched water-tables near the soil surface were formed in campaigns with excessive rainfall, NT provided more favorable conditions for germination and crop development, resulting in higher yields compared with TT. This was directly related to the higher water storage capacity and the greater transmissivity of the water downwards from the upper layers, which led to lower water saturation under NT compared with TT. With regards to the aggregation-related parameters, NT increased macroaggregation to a depth of 10 cm and favored the accumulation of OC and N in all aggregate size fractions. However, the degree of recovery of macroaggregation after tillage ceased was slow compared with other soils, possibly due to the low clay content in the Ap horizon. Compared with NT, the Ca-amendment had a slight positive effect on soil aggregation. In contrast to other studies in acid soils, our results indicate the existence of an aggregate hierarchy, and highlight the important role of SOM in improving aggregation. Both NT and the Ca-amendment separately favored various chemical, physical and biological soil properties, but in general we found the greatest benefits when the two treatments were combined. In addition, the positive effect of NT on soil properties increased with time, while the beneficial effect of the Ca-amendment, which was limited to the chemical properties, vanished after a few years. It is important to note that the meteorological conditions throughout the experiment benefited biomass production under NT and, as a consequence, organic matter related properties. This suggests that meteorological conditions are a factor to consider when evaluating the effects of Ca-amendments and tillage on soil properties, especially in areas where such conditions vary significantly from one campaign to another. The results of this study show that NT did not diminish the effectiveness of the Ca-amendment, possibly due to the high solubility of the selected amendment. Moreover, the combination of NT and the Ca-amendment was actually the management that favored certain soil quality parameters the most. By contrast, TT seemed to nullify the benefits of the Ca-amendment with regards to the OM related properties. In conclusion, the combination of NT and the application of a Ca-amendment is an advisable practice for improving the chemical and physical properties of acid soils degraded by tillage.