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INTRODUCCIÓN
El problema de la contaminación del aire ha venido en ascenso en las últimas décadas, siendo una constante en muchas ciudades y regiones en todo el mundo, lo que ha causado problemas de salud a la población y a los ecosistemas, los cuales continúan incrementándose (Núñez et al. 2018). La Organización Mundial de la Salud (OMS) establece que la exposición a los contaminantes atmosféricos está en gran medida fuera del control personal y requiere medidas de las autoridades públicas a nivel local, nacional e internacional (SEMARNAT 2013).
Los inventarios de emisiones se han ido desarrollando internacionalmente con elevada calidad y precisión, abarcando mayoritariamente casi todas las fuentes responsables de las emisiones según las zonas de estudios, dentro de los principales programas están el del Industrial Pollution Control (IPC), desarrollado por el Banco Mundial, la guía de técnicas rápidas de la Organización Mundial de la Salud (OMS) del año 1993, las técnicas de la Organización Panamericana de la Salud (OPS) del año 1995, los métodos de la U.S. EPA (1997b, 1999) con bases de datos de factores de emisión de contaminantes atmosféricos AP-42 (U.S. EPA 1995a), el programa EMEP/CORINAIR, (acrónimo en inglés de European Monitoring and Evaluation Programme), perteneciente a la Agencia Europea de Medio Ambiente.
En tal sentido, Cuesta et al. 2017 consideran que los inventarios de emisiones a la atmósfera actualizados constituyen una buena herramienta para la gestión del medio ambiente atmosférico. Permite conocer la primera parte del ciclo de transmisión de contaminantes (las emisiones) con el fin de conocer la cantidad de contaminantes emitidos por las fuentes fijas o estacionarias, identificando a los contaminantes primarios o principales. Además de cuantificar las emisiones, también se identifican las fuentes y las instituciones responsables, con el fin de implementar medidas de control y establecer futuras estrategias de mitigación.
En el caso particular de Cuba las causas fundamentales que generan los problemas de contaminación atmosférica están asociadas a: errores de planificación territorial; uso de tecnologías obsoletas en industrias y el transporte; no existencia de tratamientos en las emisiones a la atmósfera; la educación ambiental e información a la comunidad (Cuesta et al. 2014; Cuesta 2015).
En la misma dirección, los estudios de Hernández et al. (2018) abordan que uno de los problemas ambientales más críticos del mundo lo constituye la contaminación del aire debido a la quema indiscriminada de hidrocarburos para la producción de energía. Esto implica la necesidad de profundizar en el conocimiento del impacto ambiental que producen los contaminantes, su prevención y control, así como en el establecimiento de medidas que contribuyan a reducir los niveles de contaminación en aras del desarrollo sostenible.
El primer inventario de emisiones realizado en las principales fuentes fijas de Cuba para el año base 2014 evidenció que la provincia de Holguín no tenía estimadas todas las emisiones de sus fuentes industriales (Cuesta et al. 2017). Estudios más recientes realizados en esta región del país muestran resultados de interés para la panorámica nacional (Marrero y Suárez 2018; Hernández et al. 2018). Sin embargo, los inventarios de emisiones deben entenderse como un proceso dinámico en continuo desarrollo y de carácter cíclico que deben ser periódicamente actualizados, a fin de disponer de información representativa.
En consecuencia, este trabajo se propone estimar mediante factores de emisión los contaminantes atmosféricos (SO2, NOX, CO, PM10 y PM2.5) emitidos por grupos electrógenos de la provincia de Holguín, como antecedente para la modelación de la dispersión de contaminantes y futura evaluación del impacto de estas emisiones sobre la calidad del aire a escala local.
MATERIALES Y MÉTODOS
Características generales de la provincia de Holguín
La provincia de Holguín se encuentra ubicada al norte del oriente cubano, posee una extensión superficial de 9 215,7 Km2 incluyendo los cayos adyacentes, posee 1 027 249 habitantes y una densidad de población de 111.5 Hab./Km2. Limita al norte con el Océano Atlántico, al sur con las provincias de Granma y Santiago de Cuba, al este con Guantánamo (por la zona de Baracoa) y al oeste con Las Tunas (ONEI 2016). Dentro de las principales fuentes de ingresos del territorio se encuentran la industria niquelífera con dos plantas procesadoras de níquel y dos plantas procesadoras de cromo refractario; le sigue el turismo, considerado el tercer polo turístico del país por el número de instalaciones hoteleras, sus recursos naturales y paisajísticos.
Para el estudio se eligieron 19 instalaciones generadoras de electricidad, 17 de ellas pertenecientes a la Empresa de Grupos Electrógenos y Servicios Eléctricos (GEYSEL), el resto corresponden a la Central Termoeléctrica “Lidio Ramón Pérez”. Las Centrales Eléctricas Aislada poseen 1 ó 2 grupos electrógenos incorporados, en tanto las Centrales Eléctricas Baterías tienen entre 8 y 32 grupos electrógenos asociados, ubicados en 10 municipios, abarcando casi la totalidad de la provincia (Figura 1). Algunas de las fuentes de estudio se encuentran emplazadas en las cercanías de localidades pobladas, susceptible de ser afectada por estas emisiones; la elaboración del inventario de emisiones reviste gran importancia para evaluar el impacto de las mismas.
Inventario de emisiones
La Norma Cubana (NC: 1049, 2014) “Guía de datos tecnológicos para el inventario de emisiones de los contaminantes atmosféricos desde fuentes industriales estacionarias”, establece los datos tecnológicos que se han de tener en cuenta para la realizar un inventario de emisiones de contaminantes atmosféricos generados por fuentes puntuales industriales. La captación de los datos tecnológicos se realizó teniendo en cuenta los formularios establecidos en el Anexo B de la referida NC, los cuales se emplearon para realizar hojas de cálculos en Excel y determinar las emisiones de contaminantes atmosféricos generados por cada fuente a partir de la utilización de factores de emisión, constituyéndose una gran base de datos.
La captación de datos tecnológicos tiene cierto grado de complejidad, ya que generalmente existen algunos datos que no se pueden adquirir de forma rutinaria en los centros industriales, lo que obliga a obtenerlos mediante cálculos (Rodríguez 2007). Solo en los casos necesarios se describen los procedimientos de cálculos empleados para obtener los datos que no fueron posible adquirir en las fuentes.
Requisitos generales
Información general del proceso (Formulario para la captación de datos para la estimación de las emisiones DE1).
Información estática para cada fuente estacionaria
Es la información de carácter tecnológico y productivo básica necesaria para la realización de los cálculos de las emisiones (Formulario DE2).
Año de puesta en marcha
Operación anual (horas/año)
Producción (diaria, mensual, anual)
Altura de la fuente (m)
Diámetro interior (m)
Dispositivo de control de las emisiones (Sí/No)
Temperatura de la mezcla gaseosa emitida (K)
El flujo máximo del gas emitido (Q) se obtuvo mediante métodos teóricos para calcular parámetros tecnológicos, utilizando la metodología de cálculo descrita por (Rodríguez et al. 2012).
Donde:
VTH |
- Volumen de gases húmedos en condiciones normales (0 ºC y 760 mm de Hg) en Nm3/kg de combustible. |
n |
- Coeficiente de exceso de aire = 1,2 en ausencia de mediciones. |
Tabla 1 Composición elemental de la materia prima (combustible)
| Combustible | Composición química (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C | H | O | N | S | |
| Diesel | 84,4 | 13,9 | 0,6 | 0,5 | 0,7 |
| Fuel Oil | 85,2 | 10,8 | 0,6 | 0,5 | 1,9 |
Fuente: Empresa Comercializadora Combustibles de Matanzas.
El flujo volumétrico de gases húmedos (1) debe corregirse mediante la ecuación de los gases ideales para la temperatura de salida de los gases de la chimenea.
Donde:
P1 |
- presión total del gas (atm) |
V1 |
- volumen del gas (m³) |
n |
- número de moles del gas (kmol) |
R |
- constante universal de los gases (atm m3/kmol K) |
T |
- temperatura de los gases (K) |
Como n, R y P1 son constantes, la expresión (2) queda como aparece en la expresión (3).
De la expresión (3) se obtiene la expresión (4).
Despejando V2 se obtiene la expresión (5).
Donde:
V2 |
- flujo volumétrico corregido (m3/kg) |
V1= |
VTH (Nm3/kg) |
T1 |
- temperatura en condiciones normales (0 ºC o 273 K) |
T2 |
- temperatura de salida de los gases de la chimenea (K) |
Con el resultado de la expresión (5), sustituyéndola en (6), se obtiene el flujo máximo del gas emitido (Q) en m3/s
Donde:
Q |
- Flujo máximo del gas emitido: Máximo del gas por unidad de tiempo emitido a través de la chimenea o conducto de emisión (m3/s). |
C |
- Consumo de combustible (kg/s) |
Método de los Factores de Emisión. Modelo Básico Simplificado para un Estimado de Emisión
Este método se utiliza con frecuencia para calcular las emisiones cuando no están disponibles datos de monitoreo específico para la fuente. El modelo básico simplificado para el estimado de emisión, consiste en el producto de al menos dos variables: estadística de actividad (o datos de actividad) y un factor de emisión (FE) típico promedio para la actividad (López 2006).
El cálculo de las emisiones por esta vía, constituye el mejor o el único método disponible, a pesar de sus limitaciones, cuando no existen mediciones automáticas continuas. En general, se considera apropiado utilizar factores de emisión cuando los materiales que se emplean se consumen o combinan químicamente en los procesos, o cuando se producen bajas pérdidas de material, por liberación a la atmósfera, en comparación con las cantidades que se tratan en proceso (DIGESA 2005) citado por (Sosa 2016).
La ecuación (7) es recomendada por la Agencia de Protección de Medio Ambiente de Estados Unidos (U.S. EPA, siglas en inglés) para estimar los contaminantes atmosféricos emitidos.
Según arreglos a la ecuación (7) por concepto de energía y cantidad de equipos (motores), dado que un emplazamiento puede tener asociado más de un grupo electrógeno, queda de la siguiente manera:
Donde:
E |
- Emisión (g/s) |
FE |
- Factor de emisión (g/kWh) |
A |
- Tasa de la actividad (capacidad de generación), en unidades de energía (kWh) |
HRS_OP |
- Horas de operación al año (h/año) |
NRO_EQPS |
- Número de equipos (cantidad de motores en el emplazamiento) |
EC - Eficiencia de control de la emisión (%). Como no existe tecnología de reducción de emisiones, entonces EC= 0 y la ecuación (8) queda de la siguiente forma:
Los factores de emisión utilizados en el trabajo se obtuvieron a través de las fuentes siguientes: Compilación de factores de emisión de contaminantes atmosféricos (Emission Factor and Inventory Group) AP-42 (U.S. EPA 1998). Los reportados por la Agencia Ambiental Europea (EMEP/CORINAIR 2007) y algunos factores de emisión propios de Cuba, ya que para los motores de Fuel Oil no existen valores disponibles en las bases de datos internacionales, los cuales fueron calculados por el Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la Energía (Meneses et al. 2018) (Tabla 2).
Tabla 2 Factores de emisión de contaminantes emitidos a la atmósfera según el tipo de combustible utilizado
| Tecnología | Combustible | Contaminante | Factor de emisión (g/kWh) |
|---|---|---|---|
| Motores Combustión Interna Baterías Hyunday 4 x2.7 MW | Fuel Oil # 5 | NOx | 2,353 |
| SO2 | 2,959 | ||
| CO | 0,518 | ||
| PM10 | 0,105 | ||
| PM2.5 | 0,053 | ||
| Motores Combustión Interna MAN 18.4 MW | Fuel Oil # 5 | NOx | 2,590 |
| SO2 | 3,372 | ||
| CO | 0,597 | ||
| PM10 | 0,105 | ||
| PM2.5 | 0,053 | ||
| Motores Combustión Interna MTU serie 2000 0.92 MW | Diesel | NOx | 1,562 |
| SO2 | 4,0 | ||
| CO | 0,568 | ||
| PM10 | 0,063 | ||
| PM2.5 | 0,031 | ||
| Motores Combustión Interna MTU serie 4000 | Diesel | NOx | 1,696 |
| SO2 | 0,585 | ||
| CO | 0,360 | ||
| PM10 | 0,063 | ||
| PM2.5 | 0,031 |
La capacidad de generación y horas de operación en cada fuente se obtuvo a partir de los datos de operación recogidos para el estudio durante el año 2019. Las temperaturas a la salida de los gases de combustión, en el caso de las chimeneas de los grupos electrógenos de Félton y Moa, se recopilaron de estudios antecedidos realizados por CUBAENERGÍA, mientras que el resto corresponde a los datos teóricos según la tecnología de cada motor de combustión interna (Tabla 3).
Tabla 3 Parámetros y datos de operación de las fuentes objeto de estudio
| Fuentes | No Motores/ Chimeneas | Horas de operación (h/año) | Capacidad Generación 1 motor (MWh) | T (K) | Consumo de combustible (kg/año) |
|---|---|---|---|---|---|
| Batería Holguín 34,5 | 8 | 7478 | 1,88 | 693 | 2281475 |
| GE San Andrés | 1 | 566 | 1,88 | 693 | 171263 |
| Baterías Holguín 220 | 30 | 29856 | 1,88 | 693 | 8895021 |
| GE Uñas | 2 | 1278 | 1,88 | 693 | 372818 |
| GE Maceo | 1 | 786 | 1,88 | 693 | 235184 |
| GE Cruce de Mir | 2 | 1627 | 1,88 | 693 | 479043 |
| GE Lote Seco | 1 | 499 | 0,92 | 853 | 81647 |
| GE Urbano Noris | 2 | 1341 | 1,88 | 693 | 397320 |
| GE Tacajó | 2 | 672 | 0,92 | 853 | 112074 |
| Baterías Nipe | 16 | 21553 | 1,88 | 693 | 6480811 |
| Batería Nicaro | 6 | 9702 | 1,88 | 693 | 3378913 |
| Batería la Caridad | 7 | 9696 | 1,88 | 693 | 2940369 |
| Batería la Canela | 7 | 9488 | 1,88 | 693 | 2880935 |
| GE Banes 1 | 2 | 676 | 1,88 | 693 | 201849 |
| GE Purnio | 1 | 724 | 0,92 | 853 | 118117 |
| GE Cabonico | 1 | 661 | 1,88 | 853 | 106956 |
| GE Sagua | 2 | 1194 | 1,88 | 853 | 291608 |
| Baterías Felton | 24 | 14332 | 2,5 | 533 | 18707800 |
| GE Moa | 10 | 37283 | 18,4 | 661 | 105707900 |
GE- Grupo Electrógeno
1MWh equivale a 1000 kWh
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de las emisiones de los contaminantes atmosféricos producidos por los grupos electrógenos se muestran en la Tabla 4. Los valores de caudal y emisión estimados fueron inferiores a los de termoeléctricas y generadores de vapor convencionales localizados en distintas industrias e instituciones de la región que emplean hidrocarburos similares y otros combustibles alternativos (Marrero, Cuesta, & Suárez 2017; Hernández-Garces et al. 2018). Este resultado confirma estudios puntuales realizados a estas instalaciones mediante campañas de muestreo en años precedentes (Gamma S.A y CUBAENERGÍA 2018, 2019). Los valores mayores se corresponden, además, con los más altos consumos de combustibles y horas de operación.
Tabla 4 Emisiones y flujos volumétricos
| Fuentes | Emisiones (g/s) | Flujo de gases (m3/s) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| NOX | SO2 | PM10 | PM2.5 | CO | ||
| Batería Holguín 34,5 | 6,049 | 2,086 | 0,225 | 0,111 | 1,284 | 3,329 |
| GE San Andrés | 0,057 | 0,020 | 0,002 | 0,001 | 0,012 | 0,250 |
| Baterías Holguín 220 | 90,559 | 31,236 | 3,364 | 1,655 | 19,222 | 12,979 |
| GE Uñas | 0,258 | 0,089 | 0,010 | 0,005 | 0,055 | 0,544 |
| GE Maceo | 0,079 | 0,027 | 0,003 | 0,001 | 0,017 | 0,343 |
| GE Cruce de Mir | 0,329 | 0,113 | 0,012 | 0,006 | 0,070 | 0,699 |
| GE Lote Seco | 0,023 | 0,058 | 0,001 | 0,0005 | 0,008 | 0,147 |
| GE Urbano Noris | 0,271 | 0,094 | 0,010 | 0,005 | 0,058 | 0,580 |
| GE Tacajó | 0,061 | 0,157 | 0,002 | 0,001 | 0,022 | 0,201 |
| Baterías Nipe | 34,866 | 12,026 | 1,295 | 0,637 | 7,401 | 9,456 |
| Batería Nicaro | 5,886 | 2,030 | 0,219 | 0,108 | 1,249 | 4,930 |
| Batería la Caridad | 6,862 | 2,367 | 0,255 | 0,125 | 1,457 | 4,290 |
| Batería la Canela | 6,715 | 2,316 | 0,249 | 0,123 | 1,425 | 4,204 |
| GE Banes 1 | 0,137 | 0,047 | 0,005 | 0,002 | 0,029 | 0,295 |
| GE Purnio | 0,033 | 0,084 | 0,001 | 0,001 | 0,012 | 0,212 |
| GE Cabonico | 0,062 | 0,158 | 0,002 | 0,001 | 0,022 | 0,192 |
| GE Sagua | 0,241 | 0,083 | 0,009 | 0,004 | 0,051 | 0,524 |
| Baterías Felton | 64,162 | 80,686 | 2,863 | 1,445 | 14,125 | 18,776 |
| GE Moa | 563,406 | 733,516 | 22,841 | 11,529 | 129,866 | 131,573 |
| Total | 780,057 | 867,196 | 31,369 | 15,762 | 176,386 | - |
Los contaminantes más emitidos a la atmósfera corresponden al SO2 y NOX, los que representan el 46 y 42% respectivamente, seguido por un 9% del CO. En menor medida se emite PM10 con un 2% y PM2.5 con solo el 1% de las emisiones totales (Figura 2). El comportamiento de las emisiones por contaminantes en cada grupo electrógeno evaluado se muestra en las figuras de la 3 a la 7. Se evidencia que las instalaciones que más inciden en las emisiones son los grupos electrógenos Holguín 220, Moa, Felton y Nipe, debido al elevado consumo de combustible utilizado, las horas de operación y la no existencia de tratamientos de las emisiones a la atmósfera.
Emisiones máximas admisibles de contaminantes a la atmósfera
Las Emisiones Máximas Admisibles (EMA) se analizaron en correspondencia con las características de las instalaciones, según lo establecido en la (NC/TS 803, 2017). Los grupos electrógenos evaluados se subdividen en dependencia del combustible que utilizan: (d-1) Diesel y (d-2) Fuel Oil, para este tipo de instalaciones la norma solo evalúa los contaminantes SO2, NOX, PM10 y PM2.5.
Con el fin de comparar las emisiones con respecto a esta norma, se convirtieron los valores de concentración de los contaminantes a unidades de mg/Nm3 (Tabla 5). Como resultado se obtuvo que las Baterías Holguín 220 sobrepasan entre 2 y 3 veces los límites normativos para todos los contaminantes, mientras que los grupos electrógenos Nipe y Moa exceden entre 1 y 2 veces el máximo valor fijado, excepto para el PM2.5. En el caso de las Baterías Felton solo superan las emisiones de NOX y SO2.
Tabla 5 Comparación normativa de las Emisiones Máximas Admisibles
| Fuente | Emisiones (mg/Nm3) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| NOX | SO2 | PM10 | PM2.5 | CO | |
| Batería Holguín 34,5 | 1817,011 | 626,740 | 67,495 | 33,212 | 385,686 |
| GE San Andrés | 229.008 | 78.992 | 8.507 | 4.186 | 48.610 |
| Baterías Holguín 220 | 1481,087 | ||||
| GE Uñas | 475,074 | 163,867 | 17,647 | 8,684 | 100,841 |
| GE Maceo | 231,586 | 79,881 | 8,603 | 4,233 | 49,157 |
| GE Cruce de Mir | 470,696 | 162,357 | 17,485 | 8,604 | 99,912 |
| GE Lote Seco | 155,071 | 397,108 | 6,254 | 3,078 | 56,389 |
| GE Urbano Noris | 467,752 | 161,341 | 17,375 | 8,550 | 99,287 |
| GE Tacajó | 304,273 | 779,188 | 12,272 | 6,039 | 110,645 |
| Baterías Nipe | 67,396 | 782,660 | |||
| Batería Nicaro | 1193,805 | 411,778 | 44,345 | 21,821 | 253,402 |
| Batería la Caridad | 1599,510 | 551,718 | 59,416 | 29,236 | 339,519 |
| Batería la Canela | 1597,487 | 551,020 | 59,341 | 29,199 | 339,089 |
| GE Banes 1 | 464,140 | 160,095 | 17,241 | 8,484 | 98,520 |
| GE Purnio | 155,522 | 398,264 | 6,273 | 3,087 | 56,553 |
| GE Cabonico | 320,431 | 820,565 | 12,924 | 6,359 | 116,520 |
| GE Sagua | 461,017 | 159,018 | 17,125 | 8,427 | 97,857 |
| Baterías Felton | 152,488 | 76,970 | 752,272 | ||
| GE Moa | 87,625 | 987,025 | |||
NE: No especificado en la (NC/TS 803, 2017).
La dispersión es un proceso de dilución que mezcla el aire ambiente con el penacho de partículas, gobernado principalmente por la turbulencia atmosférica (López 2006). Como resultado de la dispersión, las emisiones obtenidas en este trabajo pudieran influir básicamente en zonas cercanas. Sin embargo, no deben afectar a las comunidades vecinas a los emplazamientos si se tiene en cuenta la altura y orientación del escape de las chimeneas. El área de influencia y los efectos de la inmisión de los contaminantes evaluados pudiera estimarse a través de la modelación de la dispersión de estas emisiones (Hernández-Garces et al. 2015).
Algunas de las alternativas de solución para reducir la emisión de contaminantes que pudieran valorarse, están relacionadas, por ejemplo, con la propuesta de mejoramiento de la calidad de los combustibles o la aplicación de sistemas duales (líquido-gas), éste último permite diversificar la matriz energética empleando combustibles alternativos y mezclas líquido-gas, práctica que se ha extendido en muchas partes del mundo por sus propiedades de combustión limpia y sus bajas emisiones. Otras de las soluciones, según Cassula et al. 2015, puede ser el tratamiento de las emisiones con un lavador de gases.
CONCLUSIONES
Los grupos electrógenos evaluados pertenecientes a la provincia de Holguín emiten principalmente SO2 (867,196 g/s), NOX (780,057 g/s) y CO (176,386 g/s) y en menor medida PM10 (31,369 g/s) y PM2.5 (15,762 g/s), valores de emisiones que no superan a los de generadores de vapor convencionales y termoeléctricas localizados en distintas industrias e instituciones de la región que emplean hidrocarburos y otros combustibles alternativos.
La comparación de las Emisiones Máximas Admisibles con respecto a la NC/TS 803: 2017, para la categoría de fuentes existentes, demostró que las Baterías Holguín 220 sobrepasan entre 2 y 3 veces los límites normativos para todos los contaminantes, mientras que los grupos electrógenos Nipe y Moa exceden 1 y 2 veces el máximo valor fijado, excepto para el PM2.5. En el caso de las Baterías Felton solo superan las emisiones de NOX y SO2.
El inventario de emisiones de los grupos electrógenos evaluados en la provincia de Holguín permite sentar las bases para futuras investigaciones, tomando como referente la metodología utilizada, con el fin de mantener medidas de control y regulación ambiental para mitigar las emisiones e implementar planes de reducción con mejoras tecnológicas.
