Introduccin a la evaluacin de los impactos de las termoelctricas de Mxico

Introduccin a la evaluacin de los impactos de las termoelctricas de MxicoUn estudio de caso en Tuxpan, Veracruz

Miriam Zuk, Vernica Garibay Bravo, Rodolfo Iniestra Gmez, Mara Tania Lpez Villegas, Leonora Rojas-Bracho e Israel Laguna Monroy

Secretara de Medio Ambiente y Recursos Naturales (Semarnat) Instituto Nacional de Ecologa (INE)

Primera edicin: octubre de 2006

D.R. Instituto Nacional de Ecologa (INE-Semarnat)

www.ine.gob.mx

Coordinacin editorial y formacin: Ral Marc del Pont Lalli Diseo de la portada: lvaro Figueroa Foto de la portada: IStockphoto Edicin para internet: Susana Escobar Maravillas

ISBN: 968-817-804-7 Impreso y hecho en Mxico

ndice

Agradecimientos Introduccin 1 2 |

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El sector elctrico en el mundo y en Mxico Emisiones derivadas de la produccin | de energa en centrales termoelctricas

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13

3 4

Modelacin de la contaminacin atmosfrica Impactos en la salud y valoracin econmica de los contaminantes atmosfricos Discusin y conclusiones | 108 | 117 | 99

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Glosario

Bibliografa

Agradecimientos

Los autores de esta obra desean agradecer a los siguientes revisores tcnicos externos cuyos comentarios han sido de gran utilidad para mejorar este trabajo: Paul J. Miller. Subdirector. Northeast States for Coordinated Air Use Management (NESCAUM), EE.UU. lvaro. R. Osornio Vargas. Investigador, Instituto Nacional de Cancerologa, Mxico. Carlos Santos-Burgoa, Director general de promocin de la salud, Secretara de Salud, Mxico. Tambin deseamos destacar los apoyos en insumos y comentarios de Fernando Cuevas, Hugo Landa Fonseca, Claudia Alejandra Octaviano Villasana, Gretchen Stevens y Samudra Vijay. Por ltimo vale destacar que la coordinacin de esta obra estuvo a cargo de Miriam Zuk, Vernica Garibay Bravo y Leonora Rojas-Bracho.

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Primera parte

Introduccin

El desarrollo econmico de los pases depende en gran medida de su capacidad para obtener, generar y distribuir la energa necesaria para sus actividades econmicas. La produccin de energa elctrica implica la quema de importantes volmenes de hidrocarburos, lo que a su vez genera la emisin de contaminantes atmosfricos; stos deterioran la calidad del aire e impactan la salud de la poblacin potencialmente expuesta, aumentando el riesgo de contraer ciertas enfermedades y de incrementar la mortalidad, lo que puede traducirse en costos para la sociedad en su conjunto. En nuestro pas, 66.8% de la electricidad se genera actualmente en centrales termoelctricas, y ms de la mitad de estas centrales queman combustleo, combustible residual que produce considerables emisiones de bixido de azufre, xidos de nitrgeno y partculas suspendidas. Si bien se prev un papel creciente del gas natural en este sector, el combustleo continuar utilizndose durante muchos aos ms en las termoelctricas que se encuentran en operacin. Por lo anterior, es necesario encontrar diversas formas de controlar y reducir las emisiones contaminantes provenienIntroduccin [7] 7

tes del sector elctrico nacional, como puede ser el uso de tecnologas de control de emisiones o de combustibles y procesos ms limpios, a modo de hacer mximos los beneficios, en trminos de reduccin de emisiones, al menor costo posible. La seleccin de estas opciones requiere, pues, del anlisis sistemtico de los impactos de las emisiones contaminantes sobre la calidad del aire y en la salud de la poblacin, as como de los beneficios relacionados con su control. As, este libro presenta un acercamiento a la relacin entre la generacin de electricidad, las emisiones contaminantes que produce, sus impactos sobre la calidad del aire y la salud de la poblacin y, finalmente, la valoracin en trminos monetarios de estos impactos. Su propsito fundamental es proporcionar a autoridades ambientales y de salud, investigadores, estudiantes, organismos no gubernamentales y otros interesados, los elementos tericos bsicos y la metodologa para el anlisis de los impactos en la salud asociados con la contaminacin atmosfrica, y su valoracin econmica. Cabe sealar que sta puede hacerse en el contexto de anlisis costo-beneficio; no obstante, aqu no se cubren los aspectos relacionados con la estimacin de los costos por la posible instrumentacin de medidas de control. En general, existen cinco etapas para evaluar y valorar los impactos de la contaminacin atmosfrica en la salud (figura 1). En principio, durante la identificacin del problema se selecciona una fuente de emisin de contaminantes atmosfricos y se determinan sus caractersticas; en el caso que nos ocupa seran las centrales termoelctricas, pero podran ser otras fuentes fijas, vehculos automotores, etctera. La cuantificacin de emisiones contaminantes se hace a travs de8 Impacto de las termoelctricas

Figura 1. Valoracin econmica de los impactos en la salud asociados con la contaminacin atmosfrica

mediciones directas en la fuente o bien mediante el uso de factores de emisin. Una vez que se cuenta con los datos sobre la emisin, stos se utilizan como insumos para alimentar modelos matemticos que permiten estimar las concentraciones de los contaminantes en la atmsfera para la etapa de la evaluacin de la calidad del aire en la zona bajo estudio. Con esta informacin y con base en resultados de estudios epidemiolgicos que permiten relacionar las concentraciones ambientales de los contaminantes con los efectos en la salud humana, se lleva a cabo la estimacin de los impactos en la salud. Por ltimo, se asigna un valor monetario a los efectos en la salud, que se estima durante la valoracin de los impactos. La evaluacin-valoracin de los impactos en la salud asociados con la exposicin a la contaminacin atmosfricaIntroduccin 9

constituye una de las metodologas ms importantes en la evaluacin de proyectos ambientales y en la determinacin de los costos sociales asociados con la contaminacin. Esta metodologa se usa sistemticamente en muchos pases, entre ellos Estados Unidos y miembros de la Comunidad Europea, como parte del anlisis para evaluar los beneficios de intervenciones, regulaciones, programas y medidas de control, de tal suerte que sea posible conocer si los beneficios de una accin pueden justificar los costos, y tambin comparar varias alternativas para evaluar cul de ellas es la ms costo-efectiva; por ello, se ha denominado anlisis beneficio-costo. En el caso de Mxico, si bien es comn contar con informacin sobre los costos, muy pocas veces los beneficios se cuantifican y se traducen a unidades monetarias. En nuestro pas, en la medida en que se utilicen e incorporen estas herramientas como parte fundamental del proceso de toma de decisiones, ser posible instrumentar medidas con el mayor beneficio neto para la sociedad. En los siguientes captulos se presentan la teora bsica y los fundamentos de cada una de estas etapas, utilizando como estudio de caso a la central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos en Tuxpan, Veracruz, que se seleccion por constituir la termoelctrica de mayor capacidad instalada en Mxico. El captulo 1 presenta algunas generalidades del sector elctrico mundial y de Mxico. En el captulo 2 se explican los fundamentos de la emisin de contaminantes durante la generacin de electricidad, y su cuantificacin aproximada. El captulo 3 sienta las bases para la comprensin de los procesos atmosfricos y su representacin con modelos matemticos de la calidad del aire. Finalmente, en el captulo 4 se exponen los conceptos implicados en la esti10 Impacto de las termoelctricas

macin de los impactos en la salud humana y en su valoracin econmica. Cada captulo (empezando con el captulo 2) concluye con la aplicacin directa en el estudio de caso: la central termoelctrica ubicada en Tuxpan, Veracruz.

Introduccin

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Captulo 1

El sector elctrico en el mundo y en Mxico

La energa elctrica se ha convertido en parte de nuestra vida diaria, y est ntimamente relacionada con los requerimientos actuales del hombre; sin ella, difcilmente podramos imaginarnos los niveles de progreso que el mundo ha alcanzado. La electricidad se produce a partir de varias fuentes de energa primaria. Los procesos de produccin pueden utilizar, por ejemplo, carbn (carboelctricas), gas natural o combustleo (termoelctricas convencionales), energa hidrulica (hidroelctricas), energa elica (centrales elicas), energa nuclear (nucleoelctricas) y energa geotrmica (geotermoelctricas). Sin embargo, es importante tener presente que la energa elctrica que utilizamos est sujeta a distintos procesos de generacin, transmisin y distribucin y, por lo tanto, al generar electricidad el impacto potencial en el ambiente puede ser muy diferente si se utilizan combustibles fsiles, en contraposicin con fuentes de energa renovable (solar, elica) o energa nuclear. Este libro se centra en la generacin de electricidad en centrales termoelctricas convencionales, dado que enEl sector elctrico [13] 13

nuestro pas aproximadamente el 66.8% de la electricidad se genera en este tipo de centrales (SENER, 2005). Cabe mencionar que la mayora de estas instalaciones consumen combustleo, que es un combustible que produce importantes emisiones de bixido de azufre (SO2), xidos de nitrgeno (NOx) y partculas suspendidas. En este captulo se pone en contexto la generacin de energa elctrica en Mxico en trminos de su capacidad de generacin, de la contribucin relativa de los diferentes medios de generacin (hidroelctrica, termoelctrica, carboelctrica, etc.) y del consumo de combustibles. Tambin se hace referencia, de manera breve, a la prospectiva tecnolgica y de combustibles en el sector, y se cita como antecedente la situacin de la produccin mundial de energa elctrica.

1.1 La generacin de energa elctrica a escala mundialLa generacin de energa elctrica en el mundo depende fuertemente de la quema de combustibles fsiles. Por ejemplo, de los 16 054 TWh que se produjeron mundialmente en el ao 2002, el 65.3% se gener en centrales trmicas a travs de la combustin de gas natural, derivados del petrleo y carbn; el 16.6%, en centrales nucleares; el 16.2%, en hidroelctricas, y el 1.9% mediante otras fuentes de energa, incluidas la geotermia, la solar, la elica y la biomasa (IEA, 2004). Con respecto al tipo de combustible empleado, el principal energtico utilizado en la generacin de energa elctrica durante ese mismo ao fue el carbn, con el 39%, seguido del gas natural, con el 19.1%, y los derivados del petrleo (principalmente combustleo) con el 7.2%.14 Impacto de las termoelctricas

Para el ao 2025 se espera que la demanda mundial de energa elctrica se duplique con una tasa de crecimiento anual de 2.3% y, de conservarse la tendencia actual de consumo de combustibles para generarla, se prev que para ese ao los combustibles fsiles (carbn, gas natural y derivados del petrleo) proporcionarn el 69% de la energa elctrica (figura 1.1).Figura 1.1 Evolucin mundial de la demanda de energa para la produccin de electricidad (2001-2025)

Fuente: elaboracin propia de los autores con datos de la IEA (2004).

Se espera tambin que para el periodo 2001-2025 el gas natural sea el combustible con la mayor tasa de crecimiento anual (3.3%). En contraste, el crecimiento esperado en el consumo de energas renovables (energa hidrulica, elica, solar, etc.) y de energa nuclear ser apenas del 1.9% y el 0.6% anual, respectivamente (IEA, 2004). Esto es, en los prximos aos la generacin de energa elctrica en el mundo seguir dependiendo fuertemente del consumo de combustibles fsiles.El sector elctrico 15

1.2 El sistema elctrico y el consumo nacionalEl sistema elctrico en Mxico est conformado por dos sectores, el pblico y el privado. El sector pblico se integra por la Comisin Federal de Electricidad (CFE), Luz y Fuerza del Centro (LFC) y Productores Independientes de Energa (PIE). Los PIE son considerados dentro del sector pblico porque toda su produccin se destina exclusivamente a la CFE o a la exportacin. Por otro lado, el sector privado agrupa las modalidades de cogeneracin, autoabastecimiento, usos propios y exportacin (SENER, 2005). En Mxico la provisin del servicio de energa elctrica, cuando tiene por objeto la prestacin del servicio pblico, es competencia exclusiva de la CFE y de LFC (SENER, 2006). En nuestro pas, para generar aproximadamente el 72% de la energa elctrica se utilizan combustibles fsiles (combustleo, gas natural y carbn), siendo preponderantes el combustleo y el gas natural. Hasta mediados de la dcada de los noventa, el combustleo era el energtico primario de mayor importancia para la generacin de energa elctrica a travs de centrales trmicas; lo anterior obedeci a que a partir de los aos setenta, y hasta finales de la dcada de los noventa, se promovi la instalacin de centrales convencionales con combustleo. Posteriormente, por motivos regulatorios, ambientales y de capital, se foment la instalacin de centrales de ciclo combinado con gas natural; por ello, la participacin de este energtico primario se ha incrementado considerablemente en los ltimos aos. De acuerdo con datos de 2004, la capacidad efectiva instalada para la generacin de energa elctrica en todo el pas fue de 53 561 MW. De sta, cerca del 66.8% correspondi a centrales termoelctricas, y aproxi16 Impacto de las termoelctricas

madamente el 22.61% a centrales hidroelctricas. El resto de la generacin se distribuy entre carboelctricas, nucleoelctricas, centrales geotrmicas y elicas (figura 1.2).Figura 1.2 Capacidad efectiva instalada nacional y por tipo de central, 2004

Fuente: elaboracin propia de los autores con datos de Sener (2005).

En general, en nuestro pas las centrales termoelctricas convencionales que operan con combustleo se localizan en la proximidad de las refineras de Petrleos Mexicanos, en tanto que las que usan gas natural se ubican predominantemente en zonas crticas, como las zonas metropolitanas del Valle de Mxico y de Monterrey. Con respecto a las hidroelctricas, destaca el hecho de que el mayor aprovechamiento hidrulico se encuentra en el ro Grijalva, en el sureste del pas, mientras que las centrales carboelctricas se ubican en el estado de Coahuila y Guerrero (figura 1.3). El cuadroEl sector elctrico 17

1.1 muestra las diez termoelctricas ms grandes de nuestro pas, de acuerdo con su capacidad efectiva instalada.Figura 1.3 Distribucin de las principales centrales de generacin de energa elctrica, por tipo de tecnologa

Hidroelctrica Combustleo Carbn Nuclear

Dual Ciclo combinado Geotermia

Fuente: Powers (2002).

En el ao 2004 el consumo nacional de electricidad fue de 183.9 TWh, correspondiendo al servicio pblico 163.5 TWh, y el resto al autoabastecimiento (SENER, 2005). En ese mismo ao el nmero de usuarios atendidos por la CFE y LFC fue de poco ms de 28 millones (SENER, 2005). Asimismo, de las ventas totales destinadas al servicio pblico durante el periodo 1994-2004, el sector industrial particip18 Impacto de las termoelctricas

Cuadro 1.1. Principales centrales termoelctricas en Mxico

Nombre de la central y ubicacin

Combustible

Capacidad efectiva instalada MW) 2,100 2,100 1,500 1,400 1,200 1,200 999.3 866 800 700

P. Elas Calles (Petacalco, Guerrero) A. Lpez Mateos (Tuxpan, Veracruz) F. Prez Ros (Tula, Hidalgo) Carbn II (Nava, Coahuila) J. Lpez Portillo (Ro Escondido) (Nava, Coahuila) M. lvarez Moreno-Manzanillo I (Manzanillo, Colima) Valle de Mxico (Acolman, Mxico) Salamanca (Salamanca, Guanajuato) Altamira (Altamira, Tamaulipas) Manzanillo II (Manzanillo, Colima)

Carbn Combustleo Combustleo Carbn Carbn Combustleo Gas natural Combustleo Combustleo Combustleo

Fuente: elaboracin propia de los autores con datos en lnea de la pgina de Internet de la CFE.

con el 59% del consumo total de electricidad, en tanto que el sector residencial fue el segundo gran consumidor, con el 24.9%. En trminos volumtricos, durante 2004 se consumieron 41.7 mil m3 diarios de combustleo, 50.5 millonesEl sector elctrico 19

de m3 diarios de gas natural, mil m3 diarios de diesel y 11.5 millones de toneladas cortas de carbn, arrojando un total de energa producida equivalente a 4213 terajoules/da.

1.3 Prospectiva del sector elctrico mexicanoSe estima que la tasa de crecimiento anual del consumo nacional de energa elctrica para el periodo 2005-2014 ser del 5.2%, con lo que pasara de un consumo de 183.9 TWh en 2004, a 305.1 TWh para el ao 2014. Esta tasa de crecimiento considera un aumento del 5.5% en las ventas destinadas al servicio pblico, as como un incremento del 2.2% para el autoabastecimiento. En este mismo periodo, se espera que el sector industrial sea el que muestre el mayor incremento en su consumo (6% anual) con respecto a los sectores residencial, comercial y de servicios (5% anual) (SENER, 2005). Para cubrir este crecimiento en el consumo de energa elctrica, el Programa de Expansin del Sistema Elctrico Nacional contempla incrementos en la capacidad de generacin equivalentes a 22 574 MW, en tanto que el incremento estimado en relacin con el autoabastecimiento y la cogeneracin se espera que sea de 354 MW. Tambin se prevn retiros por 5108 MW, equivalentes a la capacidad de plantas viejas o costosas para el sistema elctrico nacional. As, desde una perspectiva integral, considerando las adiciones de los servicios pblico y privado y los retiros, se estima que el sistema elctrico nacional contar con una capacidad total de 64 564 MW para el ao 2014, lo que significa un crecimiento del 19% en 10 aos. Desde el punto de vista tecnolgico, se prev que la mayor parte de la capacidad adicional requerida en el pas se20 Impacto de las termoelctricas

satisfaga con la operacin de centrales de ciclo combinado, dado su mayor rendimiento termoelctrico y sus menores emisiones contaminantes (de bixido de carbono, SO2 y partculas), comparadas con las plantas convencionales. Las centrales de ciclo combinado se caracterizan por su flexibilidad, su rpida puesta en operacin y su elevada eficiencia. Actualmente se construyen centrales de ciclo combinado con el concepto construccin en fases; mientras haya gas natural y sea competitivo, se utilizar como combustible, y si el gas escasea o aumenta su precio, se conserva la opcin de agregar gasificadores de carbn. Sin embargo, ante la posibilidad de que en el futuro se incremente el precio del gas o haya limitaciones en el suministro, se estudian permanentemente otras posibilidades, como el uso de carbn, gas natural licuado y gas de sntesis (a partir de residuos de refinacin), los que se pueden utilizar como energtico primario en centrales carboelctricas y de ciclo combinado (SENER, 2005). En cuanto a los pronsticos de consumo de combustible, se estima que, debido a que gran parte de las nuevas centrales de generacin de electricidad sern grandes centrales de ciclo combinado, el consumo de combustleo se reducir a una tasa del 4% en los prximos 10 aos, mientras que el consumo de gas natural crecera a una tasa del 8.8%. En forma ms especfica, los pronsticos indican que en el ao 2014 se consumiran 6569 terajoules/da de energa primaria, de los cuales el 55.8% correspondera a gas natural, y el 17.6% a combustleo. De hecho, se calcula que si se incluye en los estudios de pronstico de consumo de gas a las tecnologas libres, se requerira satisfacer una demanda del orden del 67.6% para este energtico (figura 1.4).

El sector elctrico

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Figura 1.4. Consumo de combustibles fsiles para la generacin de energa elctrica: pronstico para 2014

Fuente: Comisin Federal de Electricidad (en SENER, 2005).

A pesar de la reduccin progresiva que se ha experimentado en el consumo de combustleo durante los ltimos diez aos, y de la reduccin an ms acentuada que se espera para la prxima dcada, es claro que representa y seguir representando por algunos aos una fuente significativa de energa primaria; por ello, es conveniente no perder de vista las emisiones contaminantes que se le asocian, especialmente por sus impactos potenciales en la salud humana.

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Impacto de las termoelctricas

Captulo 2

Emisiones derivadas de la produccin de energa en centrales termoelctricas

Todas las formas de generacin de electricidad a gran escala afectan de alguna manera al ambiente. As, la mayor parte de las emisiones de contaminantes atmosfricos del sector proceden de las centrales que utilizan carbn o petrleo como combustible; no obstante, las plantas que operan a base de gas natural emiten una gran cantidad de NOx precursor de ozono y partculas suspendidas finas (PM2.5) y de bixido de carbono, gas de efecto invernadero. Las grandes centrales hidroelctricas pueden desplazar comunidades enteras, destruir o degradar hbitats crticos como arroyos o ros y daar a las poblaciones nativas de peces y a otras especies silvestres. Las plantas nucleares representan riesgos a la seguridad y a la salud en virtud de su operacin, as como durante el transporte y el almacenamiento del combustible usado. Incluso las instalaciones de energa elica, dependiendo de su ubicacin y de la tecnologa empleada, pueden dar lugar a preocupaciones estticas, o en relacin con las aves silvestres. Determinar el impacto ambiental de las distintas formas de generacin de electricidad ha resultado ser una tarea por dems desafiante, dadas las dificultaEmisiones [23] 23

des para cuantificar los efectos en el ambiente de las diversas fuentes y tecnologas a lo largo de su ciclo de vida (CCA, 2002a). El tipo y la cantidad de las emisiones contaminantes derivadas de la generacin de energa elctrica dependen del tipo de energtico primario empleado y de la tecnologa de conversin. Sin embargo, para los propsitos de este libro, son de inters particular las emisiones a la atmsfera provenientes de las plantas termoelctricas que utilizan combustleo y diesel, debido a que sus emisiones representan el 79% y el 35%, respectivamente, de las emisiones de SO2 y NOx del sector elctrico nacional (Miller y VanAtten, 2004). Para dar contexto a estas cifras, vale decir que en Mxico, de acuerdo con la Secretara de Energa, el sector elctrico aporta aproximadamente el 68% de las emisiones totales nacionales de SO2, el 20% de las emisiones de NOx, y aproximadamente el 24% de las emisiones de partculas primarias (Sener 2002). Este captulo presenta una breve descripcin de los principales contaminantes atmosfricos que son emitidos por la industria termoelctrica en Mxico, la normatividad vigente para regular tales emisiones, y la metodologa que se usa para estimar las emisiones. Finalmente, en este captulo se inicia la descripcin del estudio de caso de la central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos, ubicada en Tuxpan, Veracruz, para ilustrar la metodologa utilizada para la evaluacin y la valoracin en trminos monetarios de los impactos asociados con sus emisiones.

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Impacto de las termoelctricas

2.1 Generacin de contaminantes atmosfricos en centrales termoelctricasUna central termoelctrica es una instalacin industrial empleada para la generacin de electricidad a partir de la energa liberada en forma de calor, normalmente mediante la combustin de algn combustible fsil. El calor se emplea para producir vapor; ste, a su vez, mueve una turbina acoplada a un generador que, finalmente, produce la energa elctrica (figura 2.1).Figura 2.1 Generacin de electricidad en una planta termoelctrica

Fuente: elaboracin propia de los autores.

Dentro del proceso de generacin de energa elctrica ocurren emisiones de contaminantes a la atmsfera durante las operaciones de manejo y transporte de combustible en tuberas, el almacenamiento del combustible en tanques, yEmisiones 25

el proceso de combustin en s mismo (EIIP, 2001). Sin embargo, se hace referencia a las emisiones producidas durante la combustin, por su gran volumen y potencial de impacto en la calidad del aire a escalas local y regional. El proceso de combustin se define como la oxidacin rpida de sustancias (llamadas combustibles) por la aplicacin de calor. En las centrales termoelcticas, este proceso se lleva a cabo en calderas de gran capacidad. Los combustibles que se utilizan comnmente en estos procesos son carbn, combustleo y gas natural, aunque puede llegar a usarse tambin diesel, madera, gas licuado de petrleo (LP) o gases de proceso. Cuando la combustin de hidrocarburos es completa, se producen dixido de carbono (CO2) y agua. Sin embargo, normalmente existe una porcin de estos materiales que no es combustible o lo es slo parcialmente y, por lo tanto, se generan sustancias como el monxido de carbono (CO) e hidrocarburos parcialmente oxidados. Adicionalmente, los combustibles pueden contener otras sustancias que al oxidarse producen contaminantes atmosfricos, como las partculas, los xidos de azufre (SO2 y SO3), los NO+ el cido clorhdrico, sustancias organohalogenadas como las dioxinas y los furanos, el formaldehdo y compuestos orgnicos policclicos. Algunas de las impurezas de los combustibles tambin son emitidas despus de la combustin, como por ejemplo, los metales pesados mercurio, arsnico y cadmio que se encuentran de manera natural en el carbn. La generacin de estas emisiones depende principalmente del tipo de combustible, caldera y quemador de que se trate, de la configuracin de la caldera y de las condiciones de operacin de la misma. Asimismo, la cantidad emitida vara a lo largo del ao, dependiendo, entre otras cosas, de la intensidad de26 Impacto de las termoelctricas

su uso (Vijay et al., 2004). Cabe mencionar que algunos contaminantes se forman por la temperatura del proceso, y no solamente la quema incompleta del combustible. Por ejemplo, una fraccin importante de los NOx emitidos se forman de reacciones a altas temperaturas entre el nitrgeno y el oxgeno que existen en el aire. El cuadro 2.1 muestra un listado de los principales contaminantes relacionados con el uso de distintos combustibles en calderas. Si bien estos listados no son exhaustivos, s contienen los principales contaminantes de inters en cada caso, aunque es posible que no todos los contaminantes se emitan siempre que se utiliza cada combustible. Por ejemplo, en el caso del gas natural predominan las emisiones de NOx e hidrocarburos no quemados; en el caso del carbn, las principales emisiones son de SO2, partculas, NOx, y metales pesados, dependiendo de su composicin y lugar de origen. En lo que respecta al combustleo, las principales emisiones asociadas con su combustin son las de SO2, NOx y partculas; cabe mencionar que este combustible es un producto residual de la refinacin del petrleo, y su calidad depende de la calidad del petrleo crudo del que provenga. En Mxico, el 60% del petrleo crudo es un crudo pesado cuyo contenido de azufre es tres veces mayor que el contenido de azufre de otros crudos pesados. Por lo tanto, el combustleo del pas contiene entre el 2.6% y el 4% en peso de azufre, mientras que en el resto del mundo se encuentra entre 1.5 y 4% (IIE, 1998; Bunkerworld, 2006). A continuacin se hace una breve descripcin de los diferentes orgenes y de la importancia de los principales contaminantes atmosfricos generados en una planta termoelctrica.Emisiones 27

Cuadro 2.1 Principales contaminantes emitidos por el uso de distintos combustibles

Combustible

Contaminantes emitidos Monxido de carbono Plomo xidos de nitrgeno Partculas suspendidas primarias xidos de azufre Antimonio y sus compuestos Berilio y sus compuestos Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto, mercurio, nquel) y sus compuestos Dioxinas y furanos Etilbenceno Formaldehdo cido clorhdrico y cido fluorhdrico Aromticos (benceno, tolueno y xileno) Monxido de carbono Plomo xidos de nitrgeno Partculas suspendidas xidos de azufre Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto, mercurio, nquel) y sus compuestos Formaldehdo Aromticos (tolueno y benceno)

Carbn

Gas natural

Monxido de carbono Combustibles pesados Plomo (combustleo) xidos de nitrgenoContina 28 Impacto de las termoelctricas

Cuadro 2.1 Principales contaminantes emitidos por el uso de distintos combustibles (contina)

Combustible

Contaminantes emitidos Partculas suspendidas primarias xidos de azufre Benceno Berilio y sus compuestos Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto, mercurio) y sus compuestos Dioxinas y furanos Etilbenceno Formaldehdo Manganeso y sus compuestos

Combustibles pesados (combustleo) (contina)

Fuente: EIIP (2001).

El dixido de azufre (SO2) es un contaminante cuyo origen puede ser natural o antropognico. La fuente natural de SO2 es principalmente la actividad volcnica, mientras que la quema de combustibles que contienen azufre es la actividad humana que origina este contaminante en mayor cantidad, aunque existen otros procesos industriales como algunas operaciones de refinacin de petrleo que tambin lo generan. El SO2 es adems precursor de otros contaminantes, como el trixido de azufre (SO3), el cido sulfrico (H2SO4) y los sulfatos, que contribuyen a la concentracin de partculas suspendidas en la atmsfera y a la formacin de la llamada lluvia cida. Las emisiones de SO2 provenientes del uso de combustibles fsiles son directamente proporcionales a la cantidad de combustible utilizado y a su contenido de azufre, y por loEmisiones 29

general son independientes del tipo y la configuracin del equipo de combustin (Vijay, et al., 2004). En promedio, se considera que ms del 95% del azufre presente en el combustible se transforma en SO2, mientras que del 1% al 5% se oxida hasta formar SO3 o sulfatos (EPA, 1998). En Mxico, el combustleo que se utiliza en la generacin de energa elctrica contiene entre 3% y 4% en peso de azufre, mientras que el diesel tiene una concentracin en peso de azufre del 0.5% (Vijay et al., 2004). Los NOx se refieren a la suma del xido ntrico (NO) y el dixido de nitrgeno (NO2). Estos compuestos existen naturalmente en la atmsfera como resultado de la descomposicin bacteriana de compuestos nitrogenados, y de las tormentas elctricas. Por otro lado, entre las principales fuentes antropognicas de generacin de NOx se encuentran los vehculos automotores y los procesos de combustin en la industria. Por esta razn, generalmente las concentraciones de NOx que se observan en reas urbanas pueden ser de 10 a 100 veces mayores que aquellas que se encuentran en reas rurales. Los NOx tambin son precursores de lluvia cida, ozono (O3) y partculas secundarias. En general, se considera que ms del 95% de los NOx emitidos por los equipos de combustin que utilizan combustibles fsiles son xido ntrico (NO). Las emisiones de NOx producidas durante la combustin en centrales termoelctricas dependen principalmente de las condiciones de operacin y la configuracin de la caldera. Los NOx pueden formarse a travs de tres mecanismos principales: la conversin del nitrgeno presente en el combustible; la oxidacin del nitrgeno molecular presente en el aire de combustin (conocido como NOx trmico); y la reaccin de los hidro30 Impacto de las termoelctricas

carburos presentes en el combustible con el nitrgeno del aire. De stos, el mecanismo predominante, tratndose de combustibles pesados como el combustleo, es el primeramente mencionado. En este caso, el nitrgeno presente en el combustible es responsable de hasta el 50% del total de emisiones de NOx. Normalmente, entre el 20% y el 90% del nitrgeno presente en el combustible se convierte en NOx (EIIP, 2001; EPA, 1998). Los factores que influyen en la emisin de NOx en este tipo de procesos son los siguientes: (1) la temperatura mxima de combustin; (2) la concentracin de nitrgeno en el combustible; (3) la concentracin de oxgeno; (4) el tiempo de exposicin a la temperatura mxima. Por esta ltima razn, debido a que los equipos de mayor capacidad operan a temperaturas ms elevadas, generalmente sus emisiones de NOx son ms importantes. Asimismo, las emisiones por unidad de combustible consumido en calderas con quemadores tangenciales son menores que aquellas producidas por calderas con quemadores horizontales (EPA, 1998; Vijay et al., 2004). Las partculas suspendidas son una mezcla compleja de materiales slidos y lquidos, que pueden variar significativamente en tamao, forma y composicin, dependiendo fundamentalmente de su origen. Su tamao vara desde 0.005 hasta 100 micras (m) de dimetro aerodinmico, esto es, desde unos cuantos tomos hasta el grosor de un cabello humano. Las partculas suspendidas se clasifican segn su tamao en las siguientes fracciones: partculas suspendidas totales (PST), que tienen un dimetro aerodinmico menor a 100 m; las partculas inhalables (PM10), fraccin con un dimetro aerodinmico menor a 10 m; las partculas resEmisiones 31

pirables o finas, con dimetro aerodinmico menor a 2.5 m (PM2.5); y, por ltimo, las partculas ultrafinas, con dimetro aerodinmico menor a 1 m (PM1). Cabe mencionar que con base en su origen tambin se clasifican en primarias y secundarias; as, las partculas primarias se encuentran en la atmsfera tal como fueron emitidas por la fuente y, aquellas que se forman como producto de procesos y reacciones qumicas entre SO2, NOx y otras molculas reactivas, son las partculas secundarias. Las fuentes de emisin de las partculas al ambiente pueden ser naturales como tormentas de arena, actividad volcnica, incendios forestales, erosin de suelos, etctera o antropognicas como procesos metalrgicos a altas temperaturas, procesos de molienda o procesos de combustin. En general, la emisin de partculas por la quema de combustibles pesados en la produccin de energa elctrica depende de qu tan completa sea la combustin y del contenido de ceniza en el combustible. En el caso del combustleo, el contenido de azufre es determinante para la emisin de partculas; el alto contenido de azufre se relaciona con mayor viscosidad y contenido de cenizas, lo que dificulta la atomizacin del combustible, provocando una combustin incompleta. La carga es otro factor que afecta a la emisin de partculas en este tipo de procesos. Al utilizar una caldera al 50% de la capacidad nominal del equipo, las emisiones de partculas pueden reducirse entre un 30 y un 40%. Sin embargo, al reducir la carga hasta aproximadamente el 30% de su capacidad nominal, se dificulta el control de la combustin y las emisiones de partculas pueden incrementarse significativamente (EPA, 1998).32 Impacto de las termoelctricas

Existen otros contaminantes emitidos durante la generacin de energa elctrica que tambin son relevantes por sus impactos en el ambiente y en la salud de la poblacin, como los compuestos orgnicos voltiles (COV), el CO y el bixido de carbono (CO2), entre otros. Los COV incluyen principalmente hidrocarburos, como benceno, formaldehdo, clorofluorocarbonos (CFC), metano, etc. El metano es adems uno de los llamados gases de efecto invernadero. Con excepcin de este ltimo, las principales fuentes de COV son la industria, los vehculos automotores y el uso de refrigerantes y de solventes. Algunos COV, como los compuestos aromticos y el formaldehdo, se consideran contaminantes txicos por sus efectos en la salud; otros son altamente reactivos con otras sustancias y producen contaminantes secundarios, como el O3. El CO es un gas inodoro e incoloro que se produce principalmente por la combustin incompleta de combustibles fsiles durante el transporte, en la industria o en los hogares. En reas urbanas, la emisin de CO es comnmente un orden de magnitud mayor que las emisiones de los dems contaminantes. La generacin de electricidad tambin produce gases de efecto invernadero, como el CO2. Si bien este contaminante no representa un riesgo para la salud, como sucede con otros contaminantes, en las ltimas dcadas se han observado sus efectos en el incremento de la temperatura global, que ha ocasionado un desequilibrio en los procesos naturales de la Tierra, con efectos potenciales tales como inundaciones, sequas y desastres naturales.

Emisiones

33

2.2 Normatividad sobre la emisin de contaminantes en equipos industriales de combustinEn Mxico existen lmites mximos permisibles para la emisin de contaminantes provenientes de equipos de combustin industriales. Entre estos equipos, los de mayor tamao son los que se utilizan en la generacin de energa elctrica. La Norma Oficial Mexicana NOM-085-ECOL-1994 establece estos lmites mximos permisibles, de acuerdo con el tamao de los equipos de combustin (DOF, 1994a). En el caso de las calderas usadas en la generacin de energa elctrica, los parmetros vigentes son los que se indican en el cuadro 2.2; los requisitos para la medicin de estos parmetros se encuentran en la misma norma (cuadro 2.3). Esta normatividad est en revisin debido a que, segn las autoridades federales, los lmites mximos permisibles (LMP) de emisin de SO2 establecidos en la NOM-085 (DOF, 1994a) son entre 4 y 15 veces superiores en comparacin con los valores establecidos para casos similares en Estados Unidos. Asimismo, los LMP mexicanos para PST son entre 2 y 10 veces superiores en comparacin con la misma norma de EUA (Octaviano, 2006). De acuerdo con la Ley General del Equilibrio Ecolgico y la Proteccin al Ambiente (LGEEPA) y a su Reglamento para la Prevencin y el Control de la Contaminacin Atmosfrica (Semarnat, 2006), las fuentes fijas de jurisdiccin federal, entre las que se encuentran las plantas generadoras de energa, estn obligadas a cumplir con estos lmites mximos permisibles y a reportar anualmente a la Semarnat sus emisiones contaminantes, a travs de la Cdula de Operacin Anual (COA).34 Impacto de las termoelctricas

Cuadro 2.2 Lmites mximos permisibles de emisin para calderas con capacidad mayor a 110 000 MJ/h, establecidos en la NOM-085-ECOL-1994

Tipo de empleado ZC* 250 (0.375) 250 (0.355) NA NA NA NA NA 350 (0.497) 550 (2.04) 1,100 (4.08) 2,200 (8.16) 350 (0.525) 550 (2.16) 1,100 (4.31) 2,200 (8.16) 110 (0.309) 110 (0.294) 110 (0.281) RP ZMCM ZC* RP ZMCM ZC**

Partculas (PST) mg/m3 (kg/106 kcal)

Dixido de azufre combustible ppmV (kg/106 kcal)

xidos de nitrgeno ppmV (kg/106 kcal) RP 110 375 (0.309) (1.052) 110 (0.294) 375 (1.0) 110 375 (0.281) (0.959)

ZMCM

Slidos

60 (0.090)

Lquidos

60 (0.085)

Gaseosos

NA

Emisiones

ZMCM: zona metropolitana de la Ciudad de Mxico. ZC: se refiere nicamente a las zonas metropolitanas de Monterrey y Guadalajara y a las ciudades de Tijuana, Baja California y Ciudad Jurez, Chihuahua. RP: resto del pas. NA: no es aplicable Fuente: NOM-085-ECOL-1994 (DOF, 1994a).

35

Cuadro 2.3. Requisitos de medicin y anlisis de gases de combustin establecidos en la NOM-085-ECOL-1994

Parmetro Frecuencia mnima Tipo de evaluacin/ de medicin medicin PST Una vez cada 6 meses Isocintica (mnimo durante 60 minutos); 2 muestras definitivas Continua**; quimiluminiscencia o equivalente Continua; campo magntico o equivalente, con registrador como mnimo o equivalente Indirecta a travs de certificados de calidad de combustibles que emita el proveedor

Tipo de combustible Slido, lquido Slido, lquido y gas Lquido y gas

NOx

Permanente*

O2

Permanente

SO2

Una vez por ao

Slido, lquido

*El monitoreo continuo de NOx ser permanente en las zonas metropolitanas de la Ciudad de Mxico, Guadalajara y Monterrey; con una duracin de cuando menos 7 das una vez cada 3 meses en las zonas crticas; y con una duracin de cuando menos 7 das una vez cada seis meses en el resto del pas. **Monitoreo continuo: el que se realiza con equipo automtico con un mnimo de 15 lecturas en un periodo no menor a 60 minutos y no mayor a 360 minutos. El resultado del monitoreo es el promedio del periodo muestreado. Fuente: NOM-085-ECOL-1994 (DOF, 1994a). 36 Impacto de las termoelctricas

2.3 Estimacin de las emisiones de las centrales termoelctricasLa medicin directa en las fuentes de emisin es la forma de conocer con precisin el tipo y la cantidad de emisiones contaminantes de una fuente determinada. Asimismo, el contar con mediciones continuas de las concentraciones de contaminantes -por ejemplo, cada hora permite utilizarlas para calcular las emisiones totales del contaminante por hora, y as obtener un inventario de emisiones de alta resolucin temporal que refleje la variacin de las emisiones a lo largo de un da, un mes o un ao. Sin embargo, debido a la forma en que estn planteados los requisitos de medicin en la normatividad mexicana y al alto costo del monitoreo continuo, la mayora de las centrales termoelctricas no cuenta con mediciones continuas. Adicionalmente, las mediciones reportadas de SO2 y partculas (una vez por ao y una vez cada seis meses, respectivamente) son poco representativas de las emisiones producidas durante todo un ao, adems de que frecuentemente se llevan a cabo bajo condiciones de operacin ptimas de la planta, para asegurar el cumplimiento de la normatividad (Vijay et al., 2004). Debido a lo anterior, en nuestro pas es necesario recurrir a mtodos indirectos para estimar el volumen de emisiones de fuentes fijas, incluyendo centrales termoelctricas, como sera utilizar factores de emisin. Los factores de emisin son valores representativos mediante los que se relaciona la cantidad emitida de un contaminante con la actividad del equipo asociada con dicha emisin. Estos factores se expresan normalmente como un cociente entre la masa del contaminante emitido y el peso, volumen, distancia o duracin de laEmisiones 37

actividad que provoca la emisin (por ejemplo, kilogramos de partculas emitidas por cada tonelada de carbn que se ha utilizado). La ecuacin general para el uso de factores de emisin es la siguiente: Ei = FEi * DA Ecuacin 2.1

en donde: Ei = emisin del contaminante i (kg/h, kg/ao, lb/h, lb/ao, etc.) FEi = factor de emisin del contaminante i (kg/m3 de combustible, lb/ft3 de combustible, etc.) DA = dato de actividad, que generalmente se refiere al consumo de combustible (m3 de combustleo/h, ft3 de gas natural/ao, etc.) Por lo tanto, es posible estimar las emisiones anuales de un contaminante al multiplicar la cantidad de combustible consumido anualmente en una instalacin determinada, por el factor de emisin respectivo. En la mayora de los casos, los factores de emisin representan el promedio de la informacin disponible sobre las emisiones con cierto grado de confiabilidad, y se considera que son representativos de todas las fuentes de una categora especfica por ejemplo, de todas las calderas tangenciales que utilizan aceite residual nm. 6 en en un ao. Sin embargo, el uso de factores de emisin introduce cierto grado de incertidumbre, debido a las variaciones en las caractersticas de operacin de las fuentes, en los procesos de emisin, en la composicin del combustible y en la informacin disponible para calcular el factor de emisin. Por lo38 Impacto de las termoelctricas

anterior, se recomienda documentar las fuentes de incertidumbre ms importantes, y tratar de evaluar su posible impacto en los resultados obtenidos (EPA, 1998). Hasta ahora en Mxico no se han generado factores de emisin para fuentes de combustin industrial, por lo que comnmente se recurre a factores de emisin de Estados Unidos, que se pueden consultar en el manual AP-42 (EPA, 1998). De hecho, sta es la metodologa general recomendada por la Agencia de Proteccin Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas en ingls) y la que utilizan Semarnat y Sener (Vijay et al., 2004). Los factores de emisin incluidos en el manual AP-42 se clasifican de acuerdo con el tipo de equipo, de proceso y de combustible. Por lo tanto, es necesario conocer ciertas caractersticas del combustible (como el contenido de azufre) y de las condiciones de operacin del equipo de combustin (como el tipo de quemador de que se trate, ya sea tangencial o normal). Si bien el uso de estos factores de emisin es aceptable para obtener una aproximacin del orden de magnitud de las emisiones de un tipo de fuente en este caso, centrales termoelctricas, es importante resaltar que los factores de emisin desarrollados en otros pases no necesariamente representan la realidad de las condiciones de operacin, combustin y emisin de los equipos existentes en Mxico. Asimismo, las diferencias en los combustibles entre pases impactan de manera importante en el tipo y la cantidad de emisiones producidas durante la combustin. Los factores de emisin se desarrollan como producto de numerosas mediciones realizadas sobre un mismo tipo de equipo, en condiciones similares de operacin y con el mismo tipo de combustible y en una zona determinada, por lo que se recoEmisiones 39

mienda utilizarlos con reserva para otras condiciones (EIIP, 2001). Por lo anterior, es necesario efectuar en Mxico mediciones que permitan conocer el comportamiento de las fuentes de combustin, de acuerdo con los equipos, combustibles y condiciones de operacin imperantes en nuestro pas. Asimismo, estas mediciones permitiran conocer la variabilidad de las emisiones a lo largo del ao, bajo diferentes condiciones atmosfricas y en las diversas regiones del pas. Sin embargo, mientras esto no suceda, las estimaciones con factores de emisin seguirn siendo el mejor mtodo disponible y el ms frecuentemente utilizado para estimar la magnitud de las emisiones de este tipo de fuentes.

2.4 Estudio de caso: emisiones contaminantes de la central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos, Tuxpan, VeracruzComo estudio de caso para evaluar el impacto de las emisiones del sector elctrico mexicano en la calidad del aire del pas, se seleccion la planta termoelctrica de mayor capacidad instalada en Mxico, ubicada en la lnea costera del municipio de Tuxpan en el estado de Veracruz. La central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos se ubica a seis kilmetros al norte de la desembocadura del Ro Tuxpan (21 01 00.1 latitud norte y 97 19 41.3 longitud oeste). En trminos de poblacin, las zonas urbanas ms importantes localizadas en el permetro de la termoelctrica son Tuxpan, Cazones, Naranjos, Poza Rica, Cerro Azul, lamo y Tamiahua (figura 2.2). Si se consideran estas ciudades ms las poblaciones rurales, el nmero de habitantes que circunda la zona inme40 Impacto de las termoelctricas

diata de influencia de la termoelctrica asciende aproximadamente a 791,000 habitantes.Figura 2.2 Localizacin de la termoelctrica Adolfo Lpez Mateos

Este complejo de la Comisin Federal de Electricidad cuenta con seis unidades generadoras de vapor con una capacidad instalada total de 2,100 MW y una produccin de alrededor de 15,000 GWh (Sener, 2001). De acuerdo conEmisiones 41

estudios recientes, esta termoelctrica es la planta generadora de energa con mayores emisiones de SO2 en Amrica del Norte; con emisiones de PM2.5 10 veces mayores que el promedio estadounidense y, aproximadamente, un 38% mayores que el promedio mexicano. Estas elevadas emisiones se deben, en gran medida, al alto contenido de azufre en los combustibles que utiliza, y tambin a la falta de sistemas de control de emisiones (Miller y VanAtten, 2004). Como primer paso en el estudio de sus impactos, es necesario calcular las emisiones de la fuente seleccionada. Debido a que no se cuenta con mediciones directas y continuas de las emisiones para la central Adolfo Lpez Mateos, stas se calcularon utilizando factores de emisin generados en EE.UU., con base en el consumo de combustible (EPA, 1998). Este mtodo se consider adecuado debido a que la tecnologa del equipo de combustin que se utiliza en esta central es similar a la utilizada en centrales del pas vecino. No obstante, cabe mencionar que las diferencias en las condiciones de operacin y mantenimiento pueden ser considerables, y por lo tanto introducir un alto grado de incertidumbre al estimar las emisiones (Vijay et al., 2004). El complejo cuenta con tres chimeneas, cada una de 120 metros de altura y 5.5 metros de dimetro interior. Cada chimenea descarga los gases provenientes de la combustin a una velocidad que oscila entre 22 y 23 m/s, con una temperatura de entre 425 K y 428 K. Segn el Informe de Operacin de la Comisin Federal de Electricidad (CFE, 2002), durante 2001 esta planta consumi alrededor de 3.4 millones de metros cbicos de combustleo (contenido promedio en peso de azufre del 3.8%), y tambin utiliz 1700 m3 de diesel (contenido de azufre del 0.5%) para operaciones de42 Impacto de las termoelctricas

arranque y para la operacin de equipos auxiliares (Sener, 2002; Sener y Semarnat, 2002; Vijay et al., 2004). La estimacin de las emisiones de esta central se bas en los factores de emisin del AP-42 (EPA, 1998) para la generacin de energa elctrica mediante el uso de combustleo, que es aproximadamente equivalente al denominado Residual Fuel Oil No. 6. De acuerdo con un estudio sobre el tema realizado en Mxico (Vijay et al., 2004), se seleccionaron los factores de emisin correspondientes al tipo de configuracin tangencial. El cuadro 2.4 presenta los factores de emisin utilizados para estos clculos.Cuadro 2.4 Factores de emisin para centrales termoelctricas que utilizan combustleo y diesel

Combustible SO2 Combustleo DieselFuente: EPA (1998).

Factores de emisin (kg/m3) NOx PM2.5 3.83 3.83 2.39 0.43

18.81*S% 18.81*S%

Con la informacin contenida en el cuadro anterior, se aplic la ecuacin 2.1 de la siguiente manera: Para combustleo ESO2 [kg] = FESO2 [kg/m3] * 3.4 X 106 m3 Para diesel ESO2 [kg] = FESO2 [kg/m3] * 1,700 m3 Las emisiones de SO2, NOx y PM2.5 calculadas para cada combustible se sumaron para obtener las emisiones totales de las tres chimeneas de la central. De esta manera, se esEmisiones 43

tima que durante 2001 la central emiti aproximadamente 242 mil toneladas de SO2, 15 mil toneladas de NOx y 8 mil toneladas de PM2.5. Estos clculos son consistentes, en trminos de la metodologa y los resultados obtenidos, con las estimaciones realizadas por otros autores (Vijay et al., 2004; Miller y Van Atten, 2004; Sener-Semarnat, 2002). Con esta informacin es posible dar paso a la siguiente etapa del proceso de evaluacin y valoracin de los impactos asociados con las emisiones de la central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos, que consiste en determinar el comportamiento de los contaminantes emitidos a la atmsfera bajo la influencia de la meteorologa de la regin, y estimar su impacto en la calidad del aire de la zona en estudio.

44

Impacto de las termoelctricas

Captulo 3

Modelacin de la contaminacin atmosfrica

La atmsfera es un sistema extremadamente complejo y reactivo donde tienen lugar de manera simultnea numerosos procesos fsicos y qumicos. Por ello, la evaluacin del impacto potencial que sobre la calidad del aire pueden tener las emisiones provenientes de una fuente o conjunto de fuentes, as como el diseo de estrategias costo-efectivas orientadas a su control, demandan un conocimiento preciso de los procesos que determinan la dispersin, la transformacin qumica y el destino final de los contaminantes en la atmsfera. En este sentido, los modelos de calidad del aire son una herramienta de gran valor, ya que en su formulacin se incorporan los conocimientos ms recientes sobre dinmica atmosfrica para modelar, con cierto grado de confianza, los patrones de dispersin, transformacin qumica y remocin de los contaminantes, con lo que se obtiene una estimacin de su concentracin en la atmsfera. En este captulo se hace una breve descripcin de los procesos atmosfricos que tienen mayor impacto en el transporte y el destino de los contaminantes. Igualmente, se refieren las caractersticas ms sobresalientes de los diferentesModelacin [45] 45

tipos de modelos que se usan para simular estos procesos y, finalmente, se contina con la presentacin del estudio de caso en Mxico. En ste se describe cmo, partiendo de los datos de emisin reportados en el captulo 2, es posible utilizar un modelo de simulacin particularmente el sistema de modelacin MM5-CALMET-CALPUFF para estimar el promedio anual de las concentraciones ambientales de PM2.5 primarias y secundarias en la regin que se estudia.

3.1 Procesos de transporte y contaminacin del aireEl trmino dispersin generalmente se usa para referirse al conjunto de procesos que ocurren en la atmsfera y por los cuales se diluyen, transportan, remueven o transforman qumicamente los contaminantes, hasta alcanzar una fuente receptora (Mora, 1994). En este contexto, la dispersin de los contaminantes est determinada tanto por variaciones locales, regionales o globales del clima, como por diversos procesos atmosfricos ntimamente ligados a la topografa. As, el movimiento global de las masas de aire tiene su origen en el calentamiento desigual de la superficie de la Tierra; adicionalmente, los relieves naturales del terreno, e incluso la presencia de edificios, modifican el rgimen local de los vientos. Estos fenmenos tienen un efecto directo sobre el movimiento de los contaminantes en la atmsfera. De lo anterior se desprende que si se desea entender y, en alguna medida, modelar la dispersin, la transformacin qumica y el destino de los contaminantes emitidos a la atmsfera, es necesario comprender los procesos atmosfricos bsicos que influyen en su movimiento y su transformacin, y tambin las escalas espaciales y tem46 Impacto de las termoelctricas

porales en que se registran. Ambos aspectos se presentan a continuacin.

3.1.1 Escalas de movimientoLa atmsfera se puede describir como un enorme reactor qumico al que se introducen y del que se remueven miles de especies qumicas sobre un vasto arreglo de escalas temporales y espaciales. Por ello, todos los procesos atmosfricos de importancia para la problemtica de la contaminacin del aire tradicionalmente se estudian sobre la base de esta gama de escalas. En general, dependiendo del autor y del criterio que se utilice para definirlas, el nmero de escalas de movimiento en la atmsfera vara; para efectos de este captulo y considerando su simplicidad, se har referencia a las tres escalas sugeridas por Arya (1999): microescala, mesoescala y macroescala. Los movimientos a microescala son aquellos que pueden ocurrir en una escala espacial del orden de un par de kilmetros y en periodos del orden de segundos a minutos, y cuya causa es, principalmente, la interaccin de la atmsfera con la superficie subyacente. Ejemplos de eventos que ocurren en esta escala son los truenos, los relmpagos y las rfagas de viento. En cambio, los movimientos a mesoescala tienen una influencia del orden de decenas de kilmetros y ocurren en periodos de unos minutos hasta varios das; se trata, por ejemplo, de islas de calor urbanas, brisas de mar-tierra, brisas de valle-montaa y tormentas elctricas. Por ltimo, los movimientos a macroescala abarcan la escala global y la sinptica. En este caso se encuentran la circulacin general de los vientos, los huracanes, los sistemas de alta presin (anticicln) y de baja presin (cicln), las corrientes de chorro, etModelacin 47

ctera, que se desarrollan en una longitud de cientos a miles de kilmetros, y pueden tener una duracin de entre un par de das hasta semanas. En el caso especfico de los contaminantes producto de la combustin que se emiten a travs de las chimeneas de las plantas industriales o del escape de los automviles stos se dispersan, en primer lugar, por los movimientos a microescala, y subsecuentemente su transporte y su difusin estn influenciados por circulaciones a mesoescala. Los sistemas a macroescala tambin pueden influir en el transporte de los contaminantes a grandes distancias, aunque cuando esto sucede ya han sido afectados por movimientos sucesivos de transporte y dispersin a la escala micro y meso (Arya, 1999). 3.1.2 Transporte atmosfrico de los contaminantes Una vez en la atmsfera, los contaminantes experimentan complejos procesos de transporte, mezcla y transformacin qumica, que dan lugar a una distribucin espacial y temporalmente variable, tanto en lo que respecta a su concentracin, como en trminos de su composicin en el aire. As, una vez emitidos, los contaminantes se someten a procesos de transporte por adveccin, transporte por difusin, transformacin qumica y remocin seca o hmeda, y son afectados, en mayor o menor grado, por las condiciones meteorolgicas que prevalecen durante su emisin. La figura 3.1 muestra de manera esquemtica estos procesos, los que se describen brevemente en los prrafos subsecuentes. La dispersin de los contaminantes emitidos depende de la cantidad de turbulencia en la atmsfera cercana, turbu48 Impacto de las termoelctricas

Figura 3.1 Procesos atmosfricos que intervienen en la dispersin de contaminantes

Adveccin

Difusin

Transformacin Remocin Seca Hmeda

Fuente: elaboracin propia de los autores.

lencia que se puede crear por el movimiento horizontal y vertical de la atmsfera. Al movimiento horizontal se le llama viento. As, cuando el transporte de los contaminantes se da con la misma velocidad y en la misma direccin que el viento que los transporta, se le conoce como transporte por adveccin. Por lo general, una mayor velocidad del viento reduce las concentraciones de los contaminantes al nivel del suelo, ya que facilita la dilucin. Al transporte y la dispersin de los contaminantes por efecto del movimiento vertical de la atmsfera se le conoce como transporte por difusin, y puede ser de tipo molecular o turbulento. El primero se refiere al movimiento de las moModelacin 49

lculas en el aire por diferencias de concentracin entre dos puntos del espacio (gradiente de concentraciones), y tiene poca importancia para fines del estudio de la contaminacin del aire. El segundo se debe bsicamente a la existencia de remolinos en el aire, que se producen por irregularidades en el terreno (turbulencia mecnica) o por diferencias de temperatura entre las capas atmosfricas (turbulencia trmica). La turbulencia mecnica se produce por la friccin de las masas de aire en movimiento con la superficie terrestre, y puede afectar a una capa de aire de hasta 1000 metros de altitud. La turbulencia trmica, por su parte, se genera por el intercambio de calor entre la atmsfera y la superficie terrestre. Ambos procesos contribuyen al movimiento vertical de las masas de aire y definen las condiciones de estabilidad atmosfrica. 3.1.3 Transformacin qumica de los contaminantes Al mismo tiempo que los contaminantes son transportados en la atmsfera (por difusin o adveccin), pueden experimentar reacciones qumicas que los lleven a formar nuevos contaminantes con propiedades fsicas y qumicas que, en algunos casos, podran significar un mayor riesgo para el ambiente y la salud de la poblacin, que los contaminantes que les dieron origen. As, los contaminantes secundarios son aquellos que se forman en la atmsfera por reacciones qumicas entre contaminantes o entre los contaminantes y sustancias que se encuentran en la atmsfera de manera natural; los ejemplos ms caractersticos son el O3 y algunos tipos de PM2.5, como son los sulfatos y nitratos. Dado el alcance de este libro, slo se describen, de forma muy simplifi50 Impacto de las termoelctricas

cada, las reacciones en la atmsfera de los xidos de azufre y nitrgeno que dan origen a los sulfatos y nitratos. La formacin de partculas sulfatadas se inicia con las emisiones primarias de SO2, el cual se combina con el radical hidroxilo (OH-) presente en la atmsfera y, despus de varias reacciones en las que participan otros radicales libres, se forma H2SO4. ste, en presencia de amoniaco, se neutraliza y forma partculas de sulfato de amonio (NH4)2SO4. Tambin puede adherirse a algn aerosol presente en la atmsfera y sulfatarlo (figura 3.2). Por otra parte, la formacin de partculas de nitrato se inicia con las emisiones primarias de monxido de nitrgeno (NO), que se oxida rpidamente por el O3 para formar bixido de nitrgeno (NO2) (figura 3.2). Una vez formado, el NO2 puede reaccionar con radicales hidroxilo (OH-) o con el O3, ambos presentes en la atmsfera, para formar cido ntrico (HNO3). Este cido tiene dos vas alternativas de reacFigura 3.2 Proceso generalizado de formacin de sulfatos y nitratos OHion hidrxilo 3 amoniaco

NH

SO2

H2SO4

(NH4)2SO4

o Aerosol sulfatado

Emisiones3 ozono

O

OHion hidxilo

aerosol

NOhv luz Emisiones

NO2

3 ozono

O

HNO33 amoniaco

NH4NO3 NH

o Aerosol sulfatado

Modelacin

51

cin: en una puede unirse al amoniaco para formar partculas de nitrato de amonio (NH4NO3), y en la otra, combinarse con algn aerosol presente en la atmsfera y nitrarlo. 3.1.4 Remocin seca y remocin hmeda de contaminantes Si bien la transformacin qumica de los contaminantes es un factor importante para determinar su destino final en la atmsfera, tambin es claro que la remocin fsica en la superficie de la Tierra es de gran importancia para muchos contaminantes primarios y secundarios. En general, tanto gases como partculas pueden depositarse sobre la superficie a travs de los procesos de remocin seca y remocin hmeda, dependiendo de la fase en que el contaminante haga contacto con la superficie y sea adsorbido o absorbido por sta (figura 3.3). Cuando un contaminante se disuelve en el agua de una nube, de la lluvia o de la nieve, y posteriormente las gotas impactan la superficie de la Tierra (incluyendo pasto, rboles, edificios, etc.), se dice que el contaminante fue removido por va hmeda. Por el contrario, si el contaminante se transporta a nivel del suelo y se absorbe o adsorbe por los materiales sin que antes se haya disuelto en las gotas de agua de la atmsfera, entonces se trata de remocin seca. Esto es, la distincin entre los dos procesos se refiere al mecanismo de transporte a la superficie y no a la naturaleza de la superficie misma (Finlayson y Pitts, 2000). Otra forma de remocin seca es la sedimentacin (atraccin gravitacional) de los contaminantes. De acuerdo con lo anterior, los factores que determinan la importancia relativa del mecanismo mediante el cual se52 Impacto de las termoelctricas

remueven los contaminantes del aire son los siguientes: la naturaleza fsica del contaminante (gas o partcula); su reactividad qumica; su morfologa; su solubilidad en el agua; y las caractersticas climticas y fisiogrficas de la regin.Figura 3.3 Representacin esquemtica de la remocin hmeda y la remocin seca

Contaminantes gaseosos en la atmsfera Fuentes Deposicin seca

Contaminantes particulados en la atmsfera

VOC SO2 VOC NOx

NOx

Deposicin hmeda

Naturales Antropognicas

RECEPTORES

Fuente: elaboracin propia de los autores.

Los procesos atmosfricos descritos en los prrafos anteriores son los que determinan en mayor medida el transporte y el destino final de los contaminantes, y todos ellos se incorporan en las herramientas de modelacin de la calidad del aire. En la siguiente seccin se describen algunas generalidades de los modelos de la calidad del aire, el tipo de aplicaciones donde se utilizan y los tipos de modelos existentes.

Modelacin

Deposicin seca

Contaminantes en el agua de las nubes y en la precipitacin atmosfrica

53

3.2 Modelos de simulacin de la calidad del aireUn modelo de simulacin de la calidad del aire es una herramienta de anlisis que permite simular de manera integral, a travs de expresiones matemticas, los procesos atmosfricos que intervienen en el transporte, la dispersin, la remocin y, en algunos casos, la transformacin qumica de los contaminantes. Con estos modelos es posible relacionar directamente las concentraciones ambientales de los contaminantes con sus fuentes de emisin (en el caso de los contaminantes primarios como el CO), o con la emisin de sus precursores (en el caso de los contaminantes secundarios como el O3, los sulfatos y nitratos), incluyendo en la modelacin variables tales como las condiciones topogrficas, el uso del suelo y la meteorologa de una regin determinada. Dada su gran variedad y los grados de detalle con que tratan los procesos atmosfricos, los modelos actualmente se usan para simular una diversidad de fenmenos atmosfricos que abarcan desde la qumica atmosfrica global hasta la dispersin de contaminantes locales. En general, con los modelos de simulacin de la calidad del aire es posible responder o ayudar a responder preguntas tales como (Seinfield y Pandis, 1998): Cul es la contribucin de una fuente de emisin a la concentracin ambiental de un contaminante? Cul es la estrategia ms efectiva para reducir la concentracin ambiental de un contaminante? Cul ser el efecto sobre la calidad del aire al aplicar una medida de control?54 Impacto de las termoelctricas

En dnde se debera colocar en el futuro una nueva fuente (p. ej. un complejo industrial) para minimizar su impacto ambiental? Cul ser la calidad del aire el da de maana o de pasado maana? En dnde se debe ubicar una nueva estacin o red de estaciones de monitoreo? 3.2.1 Estructura e insumos de un modelo de simulacin Las diferencias entre los distintos tipos de modelos de la calidad del aire radican fundamentalmente en el nmero de procesos atmosfricos considerados, el nivel de profundidad con que son tratados, y los mtodos utilizados para resolver las ecuaciones que los describen. En general, operan con un conjunto de datos de entrada que caracterizan las emisiones, la topografa y la meteorologa de una regin, y producen salidas que describen la calidad del aire en dicha regin. En el caso de los modelos ms avanzados, tambin se incluye un mecanismo qumico que describe las transformaciones qumicas de los contaminantes (figura 3.4). Es importante destacar que la cantidad y el grado de detalle de la informacin necesaria para alimentar un modelo de la calidad del aire varan de acuerdo con el tipo de modelo y con la naturaleza del estudio que se pretenda realizar. As, el modelo a elegir puede variar dependiendo del contaminante que se desea simular, ya sea primario o secundario, o de si se desean estudiar las emisiones de una sola fuente o un conjunto de ellas, etctera.

Modelacin

55

Figura 3.4 Insumos requeridos por un modelo de la calidad del aireMeteorologa Campos de viento Temperatura Humedad relativa Otros Modelos de la calidad del aire Concentraciones y distribucin estimada de los contaminantes

Emisiones Parmetros de emisin Parmetros de chimeneas Patrones espacial y temporal de emisiones Otros

Topografa Caractersticas del terreno Uso del suelo Elevacin del terreno Otros

Qumica atmosfrica Mecanismos de reaccin

3.2.2 Tipos de modelos Los modelos matemticos de la calidad del aire se basan en la descripcin fundamental de los procesos atmosfricos o en el anlisis estadstico de datos. Por ello, se clasifican en modelos estadsticos y modelos deterministas (figura 3.5). Los modelos estadsticos se basan en las relaciones estadsticas existentes entre los datos histricos y las mediciones disponibles, en tanto que los modelos deterministas lo hacen en una descripcin matemtica de los procesos atmosfricos, estableciendo una relacin causa (emisiones) efecto (contaminacin del aire) (Zanneti, 1990; Seinfeld y Pandis, 1998). Un ejemplo de un modelo estadstico es el pronstico de la concentracin de un contaminante como una funcin estadstica de las mediciones actuales disponibles y de sus56 Impacto de las termoelctricas

Figura 3.5 Tipos de modelos matemticos de la calidad del aireModelos matemticos de calidad del aire

Determinantes

Estadsticos

Eulerianos

Lagrangianos

Trayectoria

Gaussianos

tendencias histricas. Por otra parte, un ejemplo de un modelo determinista es un modelo de difusin, en el cual las concentraciones ambientales de los contaminantes se calculan a partir de la simulacin de los procesos atmosfricos, utilizando como insumos la informacin sobre la fuente de emisin (por ejemplo, tasas de emisin) y su entorno (por ejemplo, parmetros meteorolgicos y topografa). Los modelos deterministas son los ms importantes para aplicaciones prcticas dado que, si son apropiadamente calibrados y usados, proporcionan una relacin confiable entre la fuente de emisin de contaminantes y las reas receptoras (o de impacto). Dicho en otras palabras, solamente un modelo determinista puede evaluar la fraccin con la que cada fuente emisora participa en las concentraciones ambientales de cada contaminante en el rea receptora o de impacto, permitiendo as el diseo o la evaluacin de estrategias de control de emisin (Zannetti, 1990). Los modelos atmosfricos deterministas pueden clasificarse de diferentes maneras de acuerdo con el criterio queModelacin 57

se tome como referencia; por ejemplo, su escala espacial, o bien, la forma en que plantean las ecuaciones que describen el comportamiento de los contaminantes en la atmsfera. Por su escala espacial, los modelos deterministas se pueden clasificar en modelos a microescala, mesoescala, regionales, sinpticos y globales (cuadro 3.1).Cuadro 3.1 Modelos atmosfricos de acuerdo con su escala espacial

Modelo Microescala Mesoescala (urbano) Regional Sinptico (continental) Global

Dominio tpico 200 x 200 x 100 m 100 x 100 x 5 km 1000 x 1000 x 10 km 3000 x 3000 x 20 km 65 000 x 65 000 x 20 km

Resolucin tpica 5m 2 km 20 km 80 km 555 x 555 km

Fuente: Seinfeld y Pandis (1998).

Por la forma en que plantean las ecuaciones que describen el comportamiento de los contaminantes en la atmsfera, se les puede clasificar como modelos eulerianos (que usan un sistema de coordenadas fijo con respecto a la tierra) y lagrangianos (que usan un sistema de coordenadas que sigue el movimiento de la atmsfera). Los modelos eulerianos representan la clase ms elaborada de modelos atmosfricos. En ellos, las ecuaciones que describen el movimiento y la transformacin qumica de los contaminantes en la atmsfera se resuelven considerando un sistema fijo de coordenadas, y la regin a modelar se puede dividir en celdas o cajas, tanto horizontal como verticalmente.58 Impacto de las termoelctricas

La concentracin de los contaminantes en cada celda se estima a intervalos especficos de tiempo, tomando en cuenta la informacin sobre campos meteorolgicos tridimensionales, as como las concentraciones iniciales de los contaminantes, las emisiones, el transporte, la dilucin y las transformaciones qumicas. La aplicacin de estos modelos resulta ms conveniente cuando existen patrones complejos de emisin (por ejemplo, numerosas y diversas fuentes de emisin, dispersas en un rea geogrfica amplia), o cuando los procesos de transformacin qumica desempean un papel relevante en la generacin y el destino de los contaminantes (por ejemplo, para contaminantes secundarios). En general, cuando se cuenta con informacin suficientemente detallada sobre el inventario de emisiones, la calidad del aire y la meteorologa, estos modelos pueden aplicarse para evaluaciones detalladas de la calidad del aire, urbanas o regionales. Algunos ejemplos de modelos eulerianos son los siguientes: el Urban Airshed Model-UAM (Reynolds et al., 1973; Tesche y McNally, 1991); el Multiscale Climate Chemistry ModelMCCM (Grell et al., 2000); el Comprehensive Air Quality Model with ExtensionsCAMx (Environ Inc., 2005); el Third Generation Air Pollution modeling SystemModels3 (EPA, 1999); y el Regional Acid Deposition ModelRADM (Chang et al., 1987). Los modelos lagrangianos se caracterizan por hacer uso de un sistema de referencia que se ajusta al movimiento atmosfrico. Es decir, tanto las emisiones y reacciones, como la remocin y el mezclado de los contaminantes, se analizan para un volumen de aire que va cambiando su posicin de acuerdo con la velocidad y la direccin del viento y no para una regin entera, como en los eulerianos. Con este esquema general, los modelos lagrangianos se pueden clasificar enModelacin 59

modelos de trayectoria y modelos gaussianos, de acuerdo con la geometra del sistema de modelacin. Los procesos antes mencionados se pueden simular para una columna hipottica de aire, como en los modelos de trayectoria; cuando la simulacin se hace para una pluma de emisin, continua o discreta (como paquetes comnmente llamados puffs), se trata de modelos gaussianos. En los modelos de trayectoria se define una columna hipottica de aire que se desplaza bajo la influencia de los vientos dominantes, y se asume que no hay intercambio de masa entre la columna y sus alrededores, excepto por las emisiones que ingresan a la columna por la base durante su recorrido (Seinfeld y Pandis, 1998). La columna se mueve continuamente, de tal forma que el modelo estima la concentracin de los contaminantes en diferentes lugares y momentos a partir de las concentraciones iniciales, las emisiones y las transformaciones qumicas. Su aplicacin es recomendable en evaluaciones de la calidad del aire que consideren el transporte a grandes distancias, para modelar el comportamiento de masas individuales de aire, e incluso para evaluar la calidad del aire en casos donde existan limitaciones de informacin para caracterizar las emisiones y la meteorologa de una regin completa. Entre estos modelos se encuentran el California Institute of Technology Model-CIT, versin de trayectoria (MaRae et al., 1982 y Russell et al., 1998); el Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory ModelHYSPLIT (NOAA, 2005); y el Advanced Statistical Trajectory Regional Air Pollution ModelASTRAP (Shanon, 1985 y ANL, 1996). Finalmente, en los modelos gaussianos se describe el transporte y la mezcla de los contaminantes asumiendo que60 Impacto de las termoelctricas

las emisiones presentan, en las direcciones horizontal y vertical, una distribucin normal o de curva gaussiana, con una concentracin mxima en el centro de la pluma. Generalmente estos modelos se aplican para evaluar la dispersin de contaminantes provenientes de fuentes puntuales, aunque en ocasiones tambin se aplican para simular emisiones de fuentes de rea y de lnea. Otra caracterstica de este tipo de modelos es que normalmente son aplicados para evaluar la dispersin de contaminantes primarios no reactivos, aunque existen versiones que incluyen en su formulacin consideraciones especiales para poder simular procesos de remocin y transformacin qumica. Algunos ejemplos de modelos guassianos son el Industrial Source ComplexISC (EPA, 1995a); el AMS/EPA Regulatory ModelAERMOD (EPA, 2002); el CALPUFF-CALMET (Scire et al., 2000); el Versatile Dispersion Model for Predicting Air Pollutant Levels Near Highways and Arterial Streets-CALINE3 (Benson, 1979); el SCREEN3 (EPA, 1995b); y el Complex Terrain Dispersion Model Plus Algorithms for Unstable SituationsCTDMPLUS (EPA, 1989). En general, los modelos lagrangianos se han utilizado para las evaluaciones del riesgo a la salud asociadas con emisiones de fuentes individuales, siendo el modelo CALPUFF uno de los ms ampliamente usados (Levy et al., 2002; Zhou et al., 2003). En este modelo las emisiones se tratan como puffs o paquetes que experimentan procesos de transformacin qumica al mismo tiempo que se van desplazando a travs de un campo meteorolgico tridimensional.

Modelacin

61

3.2.3 Criterios para seleccionar y aplicar un modelo La decisin sobre el modelo ms adecuado a utilizar en un estudio especfico depende de varios factores, entre los que se pueden mencionar los siguientes (IPN, 1988; EPA, 1997a): a) El problema a resolver: depende en gran medida de si se analizar la dispersin de un contaminante primario o secundario; si el contaminante es reactivo o no reactivo; si se estudiarn las emisiones de una o varias fuentes. b) La extensin geogrfica del rea de estudio: se debe de considerar el que haya transporte de corto o de largo alcance; el que se cuente con informacin suficiente para caracterizar la meteorologa, la topografa y las emisiones de una zona industrial, de un valle o de una ciudad. c) La complejidad topogrfica y meteorolgica del rea de estudio: en este sentido es fundamental analizar las caractersticas de la topografa (plana o accidentada) y de la meteorologa, en cuanto a que sea posible caracterizarla adecuadamente con datos de superficie, o si se requieren datos de altura. d) El grado de detalle y la exactitud requeridos para el anlisis: es necesario decidir si los resultados deben de tener una resolucin espacial de unos cuantos kilmetros o de una regin completa. f) Los recursos tcnicos y humanos disponibles: estas consideraciones prcticas incluyen las caractersticas del equipo de cmputo (alta o baja capacidad de memoria y procesamiento), y la experiencia del personal, tanto en la aplicacin de modelos, como en el procesamiento de los62 Impacto de las termoelctricas

datos que se utilizan como insumos para los modelos y en la interpretacin de los resultados de la simulacin. g) El detalle y la calidad de las bases de datos disponibles (insumos): es indispensable analizar el tipo de insumos con que se cuenta, como son los datos de las emisiones (para una sola fuente o para una regin completa), la confiabilidad, el grado de detalle y la precisin de la informacin disponible.

3.3 Estudio de caso: modelacin de la calidad del aire para las emisiones de la central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos, Tuxpan, VeracruzA continuacin se describen la metodologa y los resultados obtenidos de la simulacin de la dispersin de contaminantes provenientes de la central termoelctrica Adolfo Lpez Mateos. Para la descripcin metodolgica se incluye la etapa de modelacin exploratoria, con el modelo de dispersin SCREEN3 (Schultz, 1991), y la aplicacin del sistema de modelacin CALMET-CALPUFF (Earth Tech Inc., 2000). En la primera etapa del estudio se aplic el modelo SCREEN3 para hacer una valoracin exploratoria de los posibles impactos de las emisiones provenientes de la planta termoelctrica. SCREEN3 es una herramienta de modelacin simplificada y de fcil uso, que incorpora factores de la fuente y meteorolgicos, para calcular la concentracin de algunos contaminantes provenientes de fuentes con emisiones continuas. Se asume que el contaminante no experimenta ninguna reaccin qumica y que ningn proceso de remocin (hmedaModelacin 63

o seca) acta sobre la pluma durante el transporte desde la fuente. Dadas estas caractersticas, SCREEN3 se usa como un modelo de primera aproximacin para determinar si una fuente de emisin afecta la calidad del aire en la regin donde se ubica. Si los resultados indican que las emisiones de la fuente evaluada pueden contribuir de manera significativa al deterioro de la calidad del aire en su entorno, entonces se recurre a procedimientos de modelacin ms complejos para tener una caracterizacin ms precisa de la relacin emisin-calidad del aire en la zona que se estudia. Los resultados de la aplicacin del modelo SCREEN3 a la planta termoelctrica de Tuxpan revelaron que las emisiones de dicha planta podran llegar a representar un problema de calidad del aire en las localidades circunvecinas. Mientras que la concentracin mxima de SO2 podra llegar a alcanzar valores equivalentes a seis veces el valor de la norma de calidad del aire para este contaminante (0.13 ppm como promedio de 24 horas, de acuerdo con la NOM-022-SSA1-1993; DOF, 1994b), la concentracin mxima de las partculas suspendidas menores de 10 micras (PM10) result ser muy cercana al valor de la norma respectiva (120 g/m3 como promedio de 24 horas, segn la NOM-025-SSA1-1993; DOF, 2005). En ambos casos, las concentraciones mximas se estimaron a distancias mayores de 4 km con respecto a la fuente. Estos resultados condujeron a la aplicacin de una herramienta de modelacin ms detallada, como es el sistema CALMET-CALPUFF, para caracterizar los patrones de dispersin y las concentraciones ambientales de las PM2.5, primarias y secundarias, asociadas con las emisiones contaminantes de la central termoelctrica.64 Impacto de las termoelctricas

El modelo meteorolgico de diagnstico, conocido como CALMET, permite reproducir los campos de vientos tridimensionales, ajustados por topografa, a partir de la interpolacin de los datos meteorolgicos disponibles sobre superficie y capas superiores en el dominio de estudio. Adicionalmente, posee un mdulo de micrometeorologa que calcula los parmetros de turbulencia vertical y horizontal, con diferentes esquemas de clculo. Por su parte, el modelo CALPUFF simula la dispersin, la remocin y la transformacin qumica de los contaminantes, considerando las condiciones meteorolgicas que varan en el tiempo y en el espacio. Es importante sealar que, dada la escasez de informacin meteorolgica con datos directos de campo sobre las capas superiores de la atmsfera que se requieren para alimentar al modelo CALMET, se recurri a la aplicacin del Modelo Meteorolgico de Mesoescala (MM5) (Grell et al., 1994). Con ello, se generaron campos meteorolgicos del rea de inters, lo que a su vez permiti alimentar CALMET para mejorar la descripcin de la estructura vertical de los vientos en el rea de modelacin. Para la modelacin de las PM2.5 secundarias se utiliz el mdulo de transformacin qumica MESOPUFF II de CALPUFF (Scire et al., 1984), diseado para simular la conversin de SO2 a radicales sulfato (SO4-2), y la conversin de NOx a radicales nitrato (NO3-1) y cido ntrico (HNO3). Para convertir los valores de radicales sulfato y nitrato estimados por CALPUFF a partculas de sulfato de amonio ((NH4)2SO4) y nitrato de amonio (NH4NO3), los resultados obtenidos para los radicales fueron multiplicados por un factor de 1.37 para el caso de los sulfatos, y de 1.29 para los nitratos (Levy et al., 2002 y Zhuo et al., 2003).Modelacin 65

La dispersin de los contaminantes se model tomando en cuenta tanto la remocin seca como la hmeda, bajo diferentes condiciones meteorolgicas, con los valores que ya incluye el mismo modelo (valores default). El sistema CALMET-CALPUFF-MM5 utiliza informacin de las siguientes variables como insumos para la modelacin: Topografa y uso del suelo de la regin (con formato de malla); se obtienen de la imagen de satlite LANSAT y del Inventario Nacional Forestal (1994). Meteorologa de superficie; se generan en la estacin meteorolgica automtica de Tuxpan. Datos de viento y termodinmicos de capas superiores; se originan en radiosondas ubicadas en el Puerto de Veracruz. Campos meteorolgicos tridimensionales: se obtienen a partir del modelo MM5 con un dominio anidado relativamente mayor que el elegido para CALMET. Parmetros de chimenea (altura y dimetro, temperatura y velocidad de los gases de salida, etctera); se reportan en la Cdula de Operacin Anual (COA). Datos de emisin de contaminantes (t/ao); se estiman como se explica en el captulo 2. Los campos meteorolgicos de salida de MM5 se usaron como parmetros iniciales en CALMET para la interpolacin en el dominio de modelacin. Estos campos fueron ajustados por CALMET con la informacin existente sobre superficie y capas superiores. Posteriormente, se realiz un anlisis visual de los campos de viento generados por el mo66 Impacto de las termoelctricas

delo MM5, para verificar que dicho modelo reprodujera la estructura de brisa de mar-tierra durante el da, y la brisa de tierra-mar durante la noche. Para simular la dispersin de las emisiones con CALPUFF, se ingresaron los datos de cada una de las tres chimeneas de la termoelctrica de Tuxpan, para modelarlas como tres fuentes puntuales de emisin. Las emisiones de los contaminantes se ingresaron a CALPUFF como toneladas por ao, ya que en el modelo se hace la conversin a emisiones horarias. 3.3.1 Seleccin del dominio y del periodo de simulacin Con base en la ubicacin de las poblaciones cercanas a la planta termoelctrica que podran ser afectadas por sus emisiones contaminantes, el dominio de modelacin cubri un radio de 61 km, teniendo como punto central a la misma planta. As, el dominio de simulacin estuvo constituido por un cuadrado de 122 km por lado, dividido en celdas de 2 km x 2 km, y el rea de modelacin, por una malla de 3721 celdas de clculo en superficie; en este dominio quedaron incluidas las poblaciones de Tuxpan, Tamiahua, Cazones y Poza Rica (figura 2.2). En el dominio de simulacin, un poco menos de la mitad corresponde a superficie marina (figura 2.2); de esta forma se capta y se reproduce en la modelacin meteorolgica la circulacin de brisa marina, caracterstica en las zonas costeras y con gran influencia en los patrones locales de viento a lo largo del da. El periodo de simulacin se eligi a partir del anlisis de la informacin meteorolgica de superficie recopilada enModelacin 67

2001 en la estacin meteorolgica del Servicio Meteorolgico Nacional (SMN) ubicada en Tuxpan. Esta base de datos incluye variables como temperatura, humedad relativa, presin atmosfrica y velocidad y direccin del viento, con registros cada 10 minutos. Se eligi como ao de estudio el 2001 por ser el que contena la informacin ms completa y confiable, de acuerdo con los especialistas del SMN (Tern, 2002). Por otra parte, dadas las limitaciones computacionales y de informacin para modelar un ao completo, se opt por identificar periodos que fueran representativos de las condiciones meteorolgicas ms frecuentes que se presentaron en 2001. Dichos periodos se obtuvieron utilizando la tcnica estadstica multivariada denominada anlisis cluster (Linares et al., 1986), que se ha usado en estudios previos de clasificacin de periodos meteorolgicos (Physick y Goudey, 2001). Esta tcnica calcula las distancias (euclidianas) entre los valores de los diferentes parmetros y, de acuerdo con estas distancias, agrupa los casos ms correlacionados en un mismo grupo o clster. Este anlisis tuvo como dato base el promedio aritmtico semanal (siete das) de velocidad del viento, temperatura, presin atmosfrica, humedad relativa y precipitacin, con lo que se obtuvieron 52 valores promedio para cada variable (uno por semana). Del anlisis cluster result un rbol (dendograma) en el que se agrupan las semanas que tienen mayor similitud entre s. En la figura 3.6 se incluyen todas las semanas del ao, cada una representada por un nmero consecutivo, de tal suerte que la semana 1 corresponde al periodo del 1 al 7 de enero, la semana 2 al periodo del 8 al 14 de enero, y as sucesivamente.68 Impacto de las termoelctricas

Figura 3.6 Dendograma basado en la similitud meteorolgica en la zona de Tuxpan, Veracruz*

*En la figura, cada nmero corresponde a una semana (1-54). La semana 39 no cabe en ningn grupo porque durante esta semana se present el huracn Humberto y, por lo tanto, es una semana atpica, que no se correlaciona con las dems en cuanto a sus caractersticas meteorolgicas.

El dendograma permite identificar tres grandes grupos de semanas; en general, las semanas de los grupos 1 y 3 corresponden a la poca de lluvias diferencindose levemente entre ellas por la intensidad de la precipitacin y el grupo 2 corresponde a la poca de secas. Se puede observar que en los tres grupos se incorporan 51 semanas y se excluye la semana 39; esto se debe a que durante esa semana se present el huracn Humberto (21 al 27 de septiembre), diferenciando fuertemente el patrn meteorolgico de esa semana con el del resto de las semanas del ao por el importante aumento en las precipitaciones en el Golfo de Mxico. Por esta razn, la suma de las representatividades de todas las semanas de los tresModelacin 69

grupos es del 98%. Para tener un indicador de la representatividad anual de los tres grupos, se construy un parmetro de ponderacin, calculado como el porcentaje de tiempo que cada uno representa con respecto al total de semanas al ao. Con base en esta agregacin de semanas y considerando que an se trataba de periodos muy largos como para poderlos modelar con los recursos de cmputo disponibles, se procedi a elegir una semana representativa de cada grupo. Para ello, se calcularon las desviaciones estndar de los parmetros meteorolgicos de cada semana y, posteriormente, se eligi para cada grupo aquella semana que tuviera la menor desviacin estndar. Las semanas seleccionadas como representativas fueron la del 5-11 de noviembre para el grupo 1; la del 1-7 de junio para el grupo 2; y la del 10-16 de septiembre para el grupo 3. De manera complementaria se elabor la rosa de los vientos para cada semana seleccionada (figura 3.7). En ellas

Figura 3.7 Rosa de los vientos de las semanas seleccionadas para la modelacin, Tuxpan, Veracruz, 2001

5-11 de noviembre

1-7 de junio

10-16 de sptiembre

70

Impacto de las termoelctricas

Cuadro 3.2 Grupos de semanas y parmetros meteorolgicos promedio

Grupo Nmero de semanas

Meses con semanas predominantes

Velo- Tempe- Hume- Presin Precicidad ratura dad (mbar) pitadel viento (C) relativa cin (m/s) (%) (mm) 4.8 4.8 3.9 20.3 26.3 26.4 92.1 88.5 91.8

Ponderacin

1 2 3 Total

16 23 12 51

Noviembre, diciembre, enero y febrero Marzo, abril, mayo, junio y julio Agosto, septiembre y octubre

1017.5 13.3 31 % 1012.3 5.4 44 % 1013.7 109.7 23 % 98.% 1

1Dado a que en el anlisis cluster se agruparon 51 semanas y se dej fuera la semana 39, por haberse presentado

durante esta ltima el huracn Humberto, la suma de las representatividades de todas las semanas de los tres grupos

Modelacin

es del 98%.

71

[

Concentracin = sobre todas las condiciones promedio anual

]

metereolgicas

[

Concentracin para esa condicin metereolgica

][ ]Frecuencia de ocurrencia de esa condicin metereolgica

Ecuacin 3.1

se observa que la direccin predominante de los vientos durante las semanas de noviembre y septiembre fue el Oeste (de la tierra hacia el mar), y en la semana de junio, los vientos ms frecue