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TENDENCIAS EN LA EVALUACIÓN DE EMISIONES A LA ATMÓSFERA EN EL SIGLO XXI
Dr. Faustino Martín Reyes Villegas
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XVIII Foro de Avances de la Industria de la Refinación y a la
VIII Exhibición de Proveedores de Equipos, Insumos y Servicios para la Industria Petrolera
Julio, 2012
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Contenido:
•Medición de emisiones y su uso
•Magnitud de emisiones – Aire ambiente – con base en la salud humana.
•Escenario de emisiones en el siglo XXI - Informe Especial del IPCC sobre
escenarios de emisiones (IEEE).
•Utilidad de la metodología de monitoreo atmosférico en función del objetivo.
•Instrumentación de técnicas – inversión en USD.
•Tecnologías de Medición y Monitoreo para el siglo XXI en la EPA.
•Hacia donde enfocar esfuerzos.
•Conclusiones.
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Para que monitorearlos ?: •Toma de decisiones •Establecer bases científicas para políticas mitigación y desarrollo. •Evaluar la eficacia de las medidas de control y prevención aplicadas. •Determinar la congruencia con las normas y los criterios legales. • Advertencia y alerta a la población. •Calibrar y evaluar modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera.
Porque es importante conocer las Emisiones ? Constituyen un peligro potencial para la salud humana y el medio ambiente
Biogénicas -SO2 , PST -Isopreno -CH4
Antropogénicas • NO2, SO2, CO, O3, PST, PM10, PM2.5 •NH3, H2S, HCL, HCN • Benceno, Tolueno, Xileno omp,
Fenol, Estireno • CO2, CH4, N2O, H2O, SF6, HFC´s PFC´s, isoflurano (210),
sevoflurano (510) , desflurano (1620) • COV, NOx - O3 •Clorofluorocarbonos (CFC)
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TENDENCIA EN EL CUMPLIMIENTO DE LAS NORMAS NACIONALES
Fuente: Informe de Calidad del Aire Ciudad de México 2010
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TENDENCIA EN EL CUMPLIMIENTO DE LAS NORMAS NACIONALES
Fuente: Informe de Calidad del Aire Ciudad de México 2010
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Fuente: Informe Especial del IPCC sobre escenarios de emisiones (IEEE), 2001
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Fuente: Introducción al monitoreo atmosférico. Web: http://www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml 7
Muestreadores
pasivos
Muestreadores
activos
Monitores
Automáticos
Sensores
RemotosBioindicadores
Vigilar el cumplimiento de los valores límite
de la calidad del aire.1 3 3 1 1
Implementación de planes de contingencia. 1 3 3 2
Alertas ambientales: Vigilancia de valores
máximos.1 2 3 2
Investigación del transporte de
contaminantes atmosféricos.2 2 1 3 2
Barrido de contaminantes en una
trayectoria.2 3
Rastreo de tendencias temporales de
calidad del aire.2 1 3 3 1
Medición del impacto de las medidas de
control en la calidad del aire.3 2 3 2 1
Calibración y evaluación de modelos de
dispersión.1 1 3 3
Monitoreo Kerbside (en banqueta) 3 3 1
Efectos de la contaminación atmosférica
global. Inventario de efectos.2 2 2 1 3
Estudios de salud pública. 3 3 1 1
Medición de concentraciones de fondo. 3 1 1 3
Monitoreo en fuentes fijas. 1 2 3 3
Monitoreo perimetral a industrias riesgosas. 1 2 3 3 1
OBJETIVOS
METODOLOGÍAS
UTILIDAD DE LAS METODOLOGÍAS PARA MONITOREO DE CALIDAD DEL AIRE DE ACUERDO CON EL OBJETIVO
ESTABLECIDO
Nota: Los valores del 1 al 3 indican la util idad de la metodología. Correspondiendo el número 3 a la tecnología más recomendada para cumplir con el objetivo. La ausencia de valor implica que esta tecnología no es
recomendable para cumplir con el objetivo establecido.
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8 Fuente: Introducción al monitoreo atmosférico. Web: http://www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml
METODOLOGIA VENTAJAS DESVENTAJAS INVERSIÓN
U.S. DLLS (1991)
INVERSIÓN
U.S. DLLS (2012)
Muestreadores Pasivos Muy bajo costo.
Muy Simples.
Útiles para cribado y estudios de
base.
No probados para algunos
contaminantes. En general sólo
proveen promedios semanales y
mensuales. Requieren análisis de
laboratorio
$ 2 - 4
por muestra
$ 2 - 4
por muestra
Muestreadores Activos bajo costo.
Fáciles de operar.
Confiables en: operación y
funcionamiento.
Historia de base de datos
Proporciona concentraciones pico o
de alerta.
Trabajo intensivo.
Requieren análisis de laboratorio.
$ 2000 - 4000
por unidad
$ 2000 - 4000
por unidad
Monitoreos Automáticos Alto funcionamiento comprobado.
Datos horario.
Información On Line y bajos costos
directos.
Complejo.
Caro requiere técnicos calificados.
Altos costos periódicos de operación.
$ 10,000 - 20,000
por monitor
$ 10,000 - 20,000
por monitor
Sensores Remotos Proporcionan patrones de resolución
de datos.
Útiles cerca de fuentes y para
mediciones verticales en la
atmósfera.
Mediciones multicomponentes.
Muy complejos y caros.
Díficiles de operar, calibrar y validar.
No son siempre comparables con los
análizadores convencionales.
> $ 200,000
por sensor
> $ 160,000
por sensor
Bioindicadores Baratos.
Útiles para identificar la presencia de
alguos contaminantes.
Problemas en la estandarización de
sus metodologías y otros inherentes
a los procedimientos.
Algunos requieren análisis de
laboratorio.
Costo
variable.
Costo
variable.
* Nota: La inversión es inicial y no contempla el costo de análisis de laboratorio.
INSTRUMENTACIÓN DE TÉCNICAS DE MONITOREO ATMOSFÉRICO *
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9 Fuente: http://www.clu-in.org/programs/21m2/projects/
Áreas Temas específicosMonitoreo de emisisones al aire Monitoreo contínuo de emisiones de sistemas de tratamiento térmico de residuos
peligrosos.
Sensores remotos para monitoreo perimetral de emisiones fugitivas.
Monitoreo y caracterización de sitios Tecnologías de monitoreo para sitios con residuos mineros.
Caracterización de sedimentos contaminados Tecnologías analíticas y de muestreo para sedimentos potencialmente contaminados
Métodos analíticos y/o valoraciones en campo Dioxinas
MTBE en suelos y agua subterránea
Perclorados, particularmente en muestras de agua
Pesticidas y sus productos derivados de su degradación
Calidad del aire interior Monitoreo de intrusión de vapor dentro de construcciones
Sistemas de monitoreo in situ Tecnologías de sensores para monitoreo de de agua subterranea
Sensores in situ para el monitoreo de aguas subterraneas contaminadas y
desempeño de sistemas de tratamiento.
Tecnologías para la detección de fugas en rellenos municipales.
Métodos analíticos de Laboratorio Nuevos métodos para la determinación y especiación de compuestos derivados del
cianuro.
Evaluación de desempeño de la remediación in
situ
Sistemas de remediación In situ y monitoreo de procesos de atenuación natural.
Detección de químicos subsuperficiales no
invasivos
Tecnologías para localizar y monitorear contaminación por DNAPL.
Tecnologías de monitoreo no invasivo para mercurio y metales pesados en suelos.
Tanques de almacenamiento subterraneo Métodos de inspección interna para tanques de almacenamiento enterrados.
Métodos de detección de fugas para tanques de almacenamiento subterraneos y
tuberias.
Environmental Protección Agency
Áreas y Tópicos específicos de ínteres para el desarrollo de tecnologías para el Siglo XXI
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Fuente: FIELD TEST OF AN ULTRAVIOLET DIFFERENTIAL OPTICAL ABSORPTION SPECTROMETER FOR REMOTE AIR TOXICS SENSING, Peter A. Scheff et al ., 2001
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Compuesto Número de datos Pendiente R2
UV-DOAS
concentración
promedio µg/m3
Lectura Directa
del Monitor aMuestra con
Canister VOC
NO2 225 1.016 0.67 44.64 44.73 n/a
O3 232 0.683 0.68 55.11 56.03 n/a
Benceno 74 ----- 19.86 n/a 2.62
Tolueno 74 ----- 20.13 n/a 1.45
M-Xileno 74 ----- 13.66 n/a 1.45
Estireno 74 ----- 8.55 n/a 0.46
Métodos de referencia
Concentración promedio
µg/m3
a El análisis de la concentración del NO2 se realizó con un equipo para NOx TECO 42. El análisis de la concentración de Ozono se realizó con un equipo Dasibi Modelo
Conparación de datos entre UV-DOAS y métodos de referencia específicos
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Gas Interferencias Región Espectral Técnica Lím. Det.
H2O - 1990-2010 P 1%
- 1990-1985 A 0.01%
- 2655-2675 A 0.01%
CO2 - 2045-2065 P,A 0.5% (P)
H2O, CO2 2390-2400 P 100 ppb (A)
N2O H2O, CO, CO2 2180-2200 P 1 ppm
H2O 2180-2200 A 20 ppm
CO H2O, N2O 2160-2180 P 1-5 ppm
H2O, CO2 2090-2110 A 5 ppb
CH4 H2O 3030-3050 P, A 100 ppm (P)
H2O, N2O 1295-1315 P, A 30 ppb (A)
NO H2O, CO2 1890-1910 P, A 20 ppm (P), 30 ppb (A)
SO2 H2O 2500-2520 P, A 100 ppm (P)
H2O 1150-1170 P, A 200 ppb (A)
NO2 H2O 2910-2930 P, A 20 ppm (P)
H2O 1590-1610 P, A 30 ppb (A)
NH3 H2O, CO2 920-940 P, A 10 ppb (A)
HNO3 H2O, NH3 890-900 P, A 10 ppb (A)
HCl H2O 2765-2785 P, A 5 ppm (P), 2 ppb (A)
HCHO H2O 2770-2790 P, A 10 ppb (A)
Regiones espectrales óptimas y límites de detección de los gases obtenidos con técnicas de
teledetección pasiva (P) y activa (A).
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13 C l= Cualitativo Cn= Cuantitativo F = Flux E= Emisión
LIDAR - VIS
Extracción Trayectoria Abierta
Activo Activo Pasivo Activo PasivoH2O Alemania, Alemania, EEUU, Alem
Cn Cn Cn
Esp. EEUU, Alemania, EEUU, EEUU,
Cn Cn Cn Cl Cl
EEUU, EEUU, EEUU, EEUU, EEUU,
Cn Cn Cl Cl F
EEUU, Alem Alemania, EEUU, Alem Esp. Suecia, Nicar EEUU, Nicar
Cn Cn Cn Cn Cn Cn
NOx Méx,
Cl
EEUU, EEUU, EEUU, Alem EEUU, Alem EEUU, Esp, EEUU
Cn Cn Cn Cn Cl Cl, Cn
EEUU, Alem EEUU, EEUU, Alem EEUU, Mex
Cn Cn Cn Cl Cn
EEUU, Alem Méx Méx,
Cn Cn Cn
EEUU, Alem
Cn
EEUU, Alem Méx Méx
Cn Cn Cn
CH4 Méx, Méx Alemania
Cl, Cn Cn Cn
EEUU, Alem
Cn
EEUU, Alem
Cn
EEUU, Alem
Cn
EEUU, Alem
Cn
O3 EEUU, Alem Méx Esp, EEUU EEUU, EEUU,
Cn Cn Cn Cl, Cn Cn, F
EEUU,
Cn
EEUU, Méx Esp, EEUU,
Cn Cn F, E Cl
Esp,
F, E
Esp
Cl
Méx, Esp
Cn Cl
CO2
Trayectoria Trayectoria Abierta
N2O
FTIR - IRCompuestos
SO2
CO
Tecnologías
COV
Aerosoles
HAP
Plomo
Benceno, Tlueno
CH3OH
DOAS - UV
NO
NH3
H2CO
NO2
C2H2
C2H4
C2H6
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Espectroscopia IR
Extracción
Trayectoria abierta
Activo*
- Utiliza una fuente de radiación* - Sensor a T del N2 líquido* - Alimentación constante de N2 líquido* - Altamente sensible a vibraciones** - Utiliza un interferómetro de Michelson** - Por sus dimensiones y peso no es posible utilizarlo en aviones miniatura no tripulados. - Utiliza Red de Difracción*** - Sensor a T Ambiente*** - Sin problemas por vibración*** - Es posible su miniaturización***
•Fuentes fijas •Emisiones en dinamómetro
•Configurar celdas ópticas • Sistemas de acondicionamiento de
muestra •Base de firmas espectrales •Curvas de calibración
Pasivo ? ?
Activo*
IMAAC •Emisiones biogénicas •SO2 en ambientes urbanos •Calidad del aire en Salamanca
Pasivo
Difracción***
Interferencia**/***
SIGIS •Emisiones Volcánicas •Emisiones turbinas de avión • Monitoreo de emisiones en Termoeléctrica
Falta reforzar análisis cuantitativo
Interferencia**
Difracción*** ? ?
•Redes de difracción - Selección de ventanas
espectrales - Análisis de más y nuevos
contaminantes - Desarrollo de algoritmos
y procedimientos
•Emisiones en basureros •Emisiones quemadores elevados • Monitoreo en fosas
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Modelos Matemáticos análisis cuantitativo
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Fuente: Remote Sensing and Analysis of Unburned Gases from Stacks and Flares Using Imaging Spectrometry . Michele Hinnrichs, 2009
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Fuente: Remote Sensing and Analysis of Unburned Gases from Stacks and Flares Using Imaging Spectrometry . Michele Hinnrichs, 2009
Especies Temperatura Peso Molecular Densidad Masa Pixel-Vol Emisión
(K) (g/mol) (g/cm3) (g/pixel-vol)(g/seg)
CO 696 28.1 0.00049296 0.006802244 0.74144462
NO2 664 46.01 0.000844512 0.011674527 1.272523442
N2O 662 44.01 0.000810242 0.011200786 1.220885728
SO2 662 64.07 0.001179555 0.016306167 1.777372156
CH4 660 16.04 0.000296198 0.004094639 0.446315599
CO2 687 44.01 0.000780757 0.010793189 1.176457572
Resultados de la densidad de especies y flujo másico usando la ley de los gases ideales y presiones
parciales
g/s
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•Se han realizado muy pocos estudios para explorar los daños que pueden
evitarse, o los impactos que pueden posponerse con la reducción o la
estabilización de las emisiones, a pesar de la importancia vital que este asunto
reviste, las investigaciones existentes han hecho hincapié en la escala mundial y
se necesitan con urgencia estudios desglosados a nivel regional e incluso
local.
•Los modelos son fundamentales para saber qué controles deben adoptarse y
evaluar su eficacia. A medida que se han conocido mejor los impactos
potenciales, la valoración de los efectos ha pasado del ámbito local al regional
y después al mundial.
•El analista de impactos se enfrenta a cantidades de datos muy grandes para
entender incluso una pequeña parte de la posible gama de situaciones futuras.
Existe una necesidad urgente de buscar herramientas y técnicas para ordenar
estas grandes cantidades de datos.
17 Fuente: El Grupo de Trabajo II del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático, 2007
IPCC
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•VII Cumbre de Líderes del G20. Se Resaltó la importancia de encontrar
políticas públicas para mitigar los efectos adversos del cambio
climático.
•En un futuro próximo será importante medir con precisión la
concentración y el flujo de diferentes gases, no sólo desde un punto de
vista de medio ambiente, sino también por razones económicas, ya que
parte de los impuestos puede depender de sus volúmenes de emisión.
•Con frecuencia se utilizan diferentes tipos de instrumentos in situ para
supervisar las principales fuentes de emisión, sin embargo los métodos
ópticos son cada vez más importantes.
18
CONCLUSIONES
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•Es importante considerar el desarrollo de metodologías de medición
para estimar el flujo en una fuente de contaminación industrial que integre
en sitio, el análisis de contaminantes junto con el registro de variables
meteorológicas (velocidad y dirección del viento) que deben medirse en
forma exacta.
•Por otro lado, la reciente aparición de sistemas de imagen hiperespectral
hará posible en breve la obtención de imágenes con resolución espectral
suficiente para su aplicación a la teledetección de gases. Estos sistemas
dispersivos barren espectralmente una escena, proporcionando una
imagen para cada longitud de onda, o de otra forma, asociando a cada
punto de la imagen un espectro.
•Sin embargo, estos sistemas están todavía en fase de experimentación y su
aplicación de forma comercial no es inmediata debido a las dificultades
que presentan para su calibración.
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CONCLUSIONES
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•Los métodos de detección remotas ópticos permiten obtener mediciones de
tiempo real de los gases en la atmósfera, sin necesidad de instalar los
equipos de medición en la fuente. Estos métodos también tienen la posibilidad
de medir la concentración integrada a lo largo de una línea o una superficie.
Esto puede ser de más relevancia para la evaluación de los riesgos que una
medición puntual.
•Las ventajas con métodos ópticos son:
•Evaluación de grandes áreas
•Valoración continua cercano en tiempo real
•Ahorro en la valoración y especiación de diversos contaminantes
simultáneamente
•Ahorro en tiempo
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CONCLUSIONES
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¿Cuánto carbono está atrapado en un bosque? ¿Es posible medir con exactitud las emisiones de gases de una fábrica? ¿Y cómo se sabe si un producto supuestamente “verde” es realmente ecológico?
BBC - Centro para la Medición de Carbono Iniciativa REDD+ Predecir el clima del futuro
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Gracias ! Dr. Faustino Martín Reyes Villegas Dirección de Investigación y Posgrado Programa de Investigación en Integridad de Ductos Instituto Mexicano del Petróleo Eje Central Lázaro Cárdenas 152 México D.F. Tel. 9175 7141 email. [email protected]
M en C. Víctor Manuel García Vázquez Dirección de Seguridad y Medio Ambiente Instituto Mexicano del Petróleo Eje Central Lázaro Cárdenas 152 México D.F. Tel. 9175 7138 email. [email protected]
Becarios:
Solymar Chinchilla Cortez Sistemas Ópticos e instrumentación Ángel Pérez Miguel Telecomunicación y electrónica Beatriz Sánchez Gómez Análisis químico y firmas espectrales
Apoyo : Humberto Martínez Roman Fotografía aérea , geoposicionamiento y análisis
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