Evaluación del impacto de las emisiones de la termoeléctrica de Tuxpan en la.pdf

8/16/2019 Evaluación del impacto de las emisiones de la termoeléctrica de Tuxpan en la.pdf

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Introducción a la evaluación de los impactosde las termoeléctricas de México


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Introducción a la evaluaciónde los impactosde las termoeléctricas

de MéxicoUn estudio de caso en uxpan, Veracruz

Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (S )Instituto Nacional de Ecología (INE)

Miriam Zuk, Verónica Garibay Bravo,Rodolfo Iniestra Gómez, María Tania López Villegas,

Leonora Rojas-Bracho e Israel Laguna Monroy


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

Primera edición: octubre de 2006

Instituto Nacional de Ecología (INE-S )www.ine.gob.mx

C : Raúl Marcó del Pont LalliD : Álvaro FigueroaF : IStockphotoE : Susana Escobar Maravillas

D.R.©


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L desean agradecer a los siguien-tes revisores técnicos externos cuyos comentarios han sidode gran utilidad para mejorar este trabajo:

Paul J. Miller. Subdirector. Northeast States for Coordi-nated Air Use Management (NESCAUM), EE.UU.

Álvaro. R. Osornio Vargas. Investigador, Instituto Nacio-nal de Cancerología, México.

Carlos Santos-Burgoa, Director general de promoción dela salud, Secretaría de Salud, México.

También deseamos destacar los apoyos en insumos ycomentarios de Fernando Cuevas, Hugo Landa Fonseca,Claudia Alejandra Octaviano Villasana, Gretchen Stevens ySamudra Vijay.

Por último vale destacar que la coordinación de esta obraestuvo a cargo de Miriam Zuk, Verónica Garibay Bravo yLeonora Rojas-Bracho.

A


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E de los países depende en granmedida de su capacidad para obtener, generar y distribuir laenergía necesaria para sus actividades económicas. La pro-ducción de energía eléctrica implica la quema de importan-tes volúmenes de hidrocarburos, lo que a su vez genera laemisión de contaminantes atmosféricos; éstos deterioranla calidad del aire e impactan la salud de la población po-tencialmente expuesta, aumentando el riesgo de contraerciertas enfermedades y de incrementar la mortalidad, lo quepuede traducirse en costos para la sociedad en su conjunto.

En nuestro país, 66.8% de la electricidad se genera ac-tualmente en centrales termoeléctricas, y más de la mitadde estas centrales queman combustóleo, combustible re-sidual que produce considerables emisiones de bióxido deazufre, óxidos de nitrógeno y partículas suspendidas. Si biense prevé un papel creciente del gas natural en este sector, elcombustóleo continuará utilizándose durante muchos añosmás en las termoeléctricas que se encuentran en operación.Por lo anterior, es necesario encontrar diversas formas decontrolar y reducir las emisiones contaminantes provenien-

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tes del sector eléctrico nacional, como puede ser el uso detecnologías de control de emisiones o de combustibles y pro-cesos más limpios, a modo de hacer máximos los benecios,en términos de reducción de emisiones, al menor costo po-sible. La selección de estas opciones requiere, pues, del aná-lisis sistemático de los impactos de las emisiones contami-nantes sobre la calidad del aire y en la salud de la población,así como de los benecios relacionados con su control.

Así, este libro presenta un acercamiento a la relación en-tre la generación de electricidad, las emisiones contaminan-tes que produce, sus impactos sobre la calidad del aire y la sa-lud de la población y, nalmente, la valoración –en términosmonetarios– de estos impactos. Su propósito fundamentales proporcionar a autoridades ambientales y de salud, inves-tigadores, estudiantes, organismos no gubernamentales yotros interesados, los elementos teóricos básicos y la meto-dología para el análisis de los impactos en la salud asociadoscon la contaminación atmosférica, y su valoración económi-ca. Cabe señalar que ésta puede hacerse en el contexto deanálisis costo-benecio; no obstante, aquí no se cubren losaspectos relacionados con la estimación de los costos por laposible instrumentación de medidas de control.

En general, existen cinco etapas para evaluar y valorarlos impactos de la contaminación atmosférica en la salud (-gura 1).

En principio, durante laidenticación del problemase se-lecciona una fuente de emisión de contaminantes atmos-féricos y se determinan sus características; en el caso quenos ocupa serían las centrales termoeléctricas, pero podríanser otras fuentes jas, vehículos automotores, etcétera. Lacuanticación de emisiones contaminantes se hace a través de


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mediciones directas en la fuente o bien mediante el uso defactores de emisión. Una vez que se cuenta con los datos so-bre la emisión, éstos se utilizan como insumos para alimen-tar modelos matemáticos que permiten estimar las concen-traciones de los contaminantes en la atmósfera para la etapade laevaluación de la calidad del aire en la zona bajo estudio.Con esta información y con base en resultados de estudiosepidemiológicos que permiten relacionar las concentracio-nes ambientales de los contaminantes con los efectos en lasalud humana, se lleva a cabo laestimación de los impactosen la salud . Por último, se asigna un valor monetario a losefectos en la salud, que se estima durante lavaloración de losimpactos.

La evaluación-valoración de los impactos en la salud aso-ciados con la exposición a la contaminación atmosférica

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constituye una de las metodologías más importantes en laevaluación de proyectos ambientales y en la determinaciónde los costos sociales asociados con la contaminación. Estametodología se usa sistemáticamente en muchos países, en-tre ellos Estados Unidos y miembros de la Comunidad Eu-ropea, como parte del análisis para evaluar los benecios deintervenciones, regulaciones, programas y medidas de con-trol, de tal suerte que sea posible conocer si los benecios deuna acción pueden justicar los costos, y también compararvarias alternativas para evaluar cuál de ellas es la más cos-to-efectiva; por ello, se ha denominadoanálisis benecio-cos-to. En el caso de México, si bien es común contar con infor-mación sobre los costos, muy pocas veces los benecios secuantican y se traducen a unidades monetarias. En nuestropaís, en la medida en que se utilicen e incorporen estas he-rramientas como parte fundamental del proceso de toma dedecisiones, será posible instrumentar medidas con el mayorbenecio neto para la sociedad.

En los siguientes capítulos se presentan la teoría bási-ca y los fundamentos de cada una de estas etapas, utilizan-do como estudio de caso a la central termoeléctrica AdolfoLópez Mateos en Tuxpan, Veracruz, que se seleccionó porconstituir la termoeléctrica de mayor capacidad instaladaen México. El capítulo 1 presenta algunas generalidadesdel sector eléctrico mundial y de México. En el capítulo 2se explican los fundamentos de la emisión de contaminan-tes durante la generación de electricidad, y su cuanticaciónaproximada. El capítulo 3 sienta las bases para la compren-sión de los procesos atmosféricos y su representación conmodelos matemáticos de la calidad del aire. Finalmente, enel capítulo 4 se exponen los conceptos implicados en la esti-


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mación de los impactos en la salud humana y en su valora-ción económica. Cada capítulo (empezando con el capítulo2) concluye con la aplicación directa en el estudio de caso: lacentral termoeléctrica ubicada en Tuxpan, Veracruz.


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nuestro país aproximadamente el 66.8% de la electricidadse genera en este tipo de centrales (SENER, 2005). Cabemencionar que la mayoría de estas instalaciones consumencombustóleo, que es un combustible que produce importan-tes emisiones de bióxido de azufre (SO2), óxidos de nitróge-no (NOx) y partículas suspendidas.

En este capítulo se pone en contexto la generación deenergía eléctrica en México en términos de su capacidad degeneración, de la contribución relativa de los diferentes me-dios de generación (hidroeléctrica, termoeléctrica, carbo-eléctrica, etc.) y del consumo de combustibles. También sehace referencia, de manera breve, a la prospectiva tecnológi-ca y de combustibles en el sector, y se cita como antecedentela situación de la producción mundial de energía eléctrica.

1.1 La generación de energía eléctrica a escalamundial

La generación de energía eléctrica en el mundo dependefuertemente de la quema de combustibles fósiles. Por ejem-plo, de los16 054 TWhque se produjeron mundialmenteen el año 2002,el 65.3% se generó en centrales térmicas através de la combustión de gas natural, derivados del petró-leo y carbón; el 16.6%, en centrales nucleares; el 16.2%, enhidroeléctricas, y el 1.9% mediante otras fuentes de ener-gía, incluidas la geotermia, la solar, la eólica y la biomasa (IEA, 2004). Con respecto al tipo de combustible empleado,el principal energético utilizado en la generación de energíaeléctrica durante ese mismo año fue el carbón, con el 39%,seguido del gas natural, con el 19.1%, y los derivados del pe-tróleo (principalmente combustóleo) con el 7.2%.


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Para el año 2025 se espera que la demanda mundial deenergía eléctrica se duplique con una tasa de crecimientoanual de 2.3% y, de conservarse la tendencia actual de con-sumo de combustibles para generarla, se prevé que para eseaño los combustibles fósiles (carbón, gas natural y derivadosdel petróleo) proporcionarán el 69% de la energía eléctrica(gura 1.1).

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

F . E ( - )

Se espera también que para el periodo 2001-2025 el gasnatural sea el combustible con la mayor tasa de crecimien-to anual (3.3%). En contraste, el crecimiento esperado enel consumo de energías renovables (energía hidráulica, eó-lica, solar, etc.) y de energía nuclear será apenas del 1.9%y el 0.6% anual, respectivamente (IEA, 2004). Esto es, enlos próximos años la generación de energía eléctrica en elmundo seguirá dependiendo fuertemente del consumo decombustibles fósiles.


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1.2 El sistema eléctrico y el consumo nacional

El sistema eléctrico en México está conformado por dossectores, el público y el privado. El sector público se integrapor la Comisión Federal de Electricidad (CFE), Luz y Fuerzadel Centro (LFC) y Productores Independientes de Energía(PIE). Los PIE son considerados dentro del sector públicoporque toda su producción se destina exclusivamente a laCFE o a la exportación. Por otro lado, el sector privado agru-pa las modalidades de cogeneración, autoabastecimiento,usos propios y exportación (SENER, 2005). En México laprovisión del servicio de energía eléctrica, cuando tiene porobjeto la prestación del servicio público, es competencia ex-clusiva de la CFE y de LFC (SENER, 2006).

En nuestro país, para generar aproximadamente el 72%de la energía eléctrica se utilizan combustibles fósiles (com-bustóleo, gas natural y carbón), siendo preponderantes elcombustóleo y el gas natural. Hasta mediados de la década delos noventa, el combustóleo era el energético primario de ma-yor importancia para la generación de energía eléctrica a tra-vés de centrales térmicas; lo anterior obedeció a que a partirde los años setenta, y hasta nales de la década de los noven-ta, se promovió la instalación de centrales convencionales concombustóleo. Posteriormente, por motivos regulatorios, am-bientales y de capital, se fomentó la instalación de centrales deciclo combinado con gas natural; por ello, la participación deeste energético primario se ha incrementado considerable-mente en los últimos años. De acuerdo con datos de 2004,la capacidad efectiva instalada para la generación de energíaeléctrica en todo el país fue de 53 561 MW. De ésta, cerca del66.8% correspondió a centrales termoeléctricas, y aproxi-


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madamente el 22.61% a centrales hidroeléctricas. El restode la generación se distribuyó entre carboeléctricas, nucleo-eléctricas, centrales geotérmicas y eólicas (gura 1.2).

F . C ,

Fuente: elaboración propia de los autores con datos de S(2005).

En general, en nuestro país las centrales termoeléctricasconvencionales que operan con combustóleo se localizan enla proximidad de las renerías de Petróleos Mexicanos, entanto que las que usan gas natural se ubican predominante-mente en zonas críticas, como las zonas metropolitanas del Valle de México y de Monterrey. Con respecto a las hidro-eléctricas, destaca el hecho de que el mayor aprovechamien-to hidráulico se encuentra en el río Grijalva, en el surestedel país, mientras que las centrales carboeléctricas se ubicanen el estado de Coahuila y Guerrero (gura 1.3). El cuadro


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1.1 muestra las diez termoeléctricas más grandes de nuestropaís, de acuerdo con su capacidad efectiva instalada.

F . D ,

Fuente: Powers (2002).

Hidroeléctrica

Combustóleo

Carbón

Dual

Nuclear

Ciclocombinado

Geotermia

En el año 2004 el consumo nacional de electricidad fuede 183.9 TWh, correspondiendo al servicio público 163.5TWh, y el resto al autoabastecimiento (SENER, 2005). Enese mismo año el número de usuarios atendidos por la CFEy LFC fue de poco más de 28 millones (SENER, 2005). Asi-mismo, de las ventas totales destinadas al servicio públicodurante el periodo 1994-2004, el sector industrial participó


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con el 59% del consumo total de electricidad, en tanto queel sector residencial fue el segundo gran consumidor, con el24.9%. En términos volumétricos, durante 2004 se consu-mieron 41.7 mil m3 diarios de combustóleo, 50.5 millones

C . . P M

Nombre de la central Combustible Capacidady ubicación efectivainstaladaMW)

P. Elías Calles Carbón 2,100(Petacalco, Guerrero) A. López Mateos Combustóleo 2,100(Tuxpan, Veracruz)F. Pérez Ríos Combustóleo 1,500(Tula, Hidalgo)Carbón II (Nava, Coahuila) Carbón 1,400J. López Portillo Carbón 1,200(Río Escondido)(Nava, Coahuila)M. Álvarez Moreno-Manzanillo I Combustóleo 1,200(Manzanillo, Colima)

Valle de México Gas natural 999.3(Acolman, México)Salamanca Combustóleo 866(Salamanca, Guanajuato) Altamira Combustóleo 800(Altamira, Tamaulipas)Manzanillo II Combustóleo 700(Manzanillo, Colima)

Fuente: elaboración propia de los autores con datos en línea de la páginade Internet de la CFE.


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de m3 diarios de gas natural, mil m3 diarios de diesel y 11.5millones de toneladas cortas de carbón, arrojando un totalde energía producida equivalente a 4213 terajoules/día.

1.3 Prospectiva del sector eléctrico mexicano

Se estima que la tasa de crecimiento anual del consumo na-cional de energía eléctrica para el periodo 2005-2014 serádel 5.2%, con lo que pasaría de un consumo de 183.9 TWh en2004, a 305.1 TWh para el año 2014. Esta tasa de crecimien-to considera un aumento del 5.5% en las ventas destinadasal servicio público, así como un incremento del 2.2% para elautoabastecimiento. En este mismo periodo, se espera queel sector industrial sea el que muestre el mayor incrementoen su consumo (6% anual) con respecto a los sectores resi-dencial, comercial y de servicios (5% anual) (SENER, 2005).

Para cubrir este crecimiento en el consumo de energíaeléctrica, el Programa de Expansión del Sistema EléctricoNacional contempla incrementos en la capacidad de genera-ción equivalentes a 22 574 MW, en tanto que el incrementoestimado en relación con el autoabastecimiento y la coge-neración se espera que sea de 354 MW. También se prevénretiros por 5108 MW, equivalentes a la capacidad de plantasviejas o costosas para el sistema eléctrico nacional. Así, des-de una perspectiva integral, considerando las adiciones delos servicios público y privado y los retiros, se estima que elsistema eléctrico nacional contará con una capacidad totalde 64 564 MW para el año 2014, lo que signica un creci-miento del 19% en 10 años.

Desde el punto de vista tecnológico, se prevé que la ma-yor parte de la capacidad adicional requerida en el país se


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satisfaga con la operación de centrales de ciclo combinado,dado su mayor rendimiento termoeléctrico y sus menoresemisiones contaminantes (de bióxido de carbono, SO2 ypartículas), comparadas con las plantas convencionales. Lascentrales de ciclo combinado se caracterizan por su exibi-lidad, su rápida puesta en operación y su elevada eciencia. Actualmente se construyen centrales de ciclo combinado conel conceptoconstrucción en fases; mientras haya gas naturaly sea competitivo, se utilizará como combustible, y si el gasescasea o aumenta su precio, se conserva la opción de agre-gar gasicadores de carbón. Sin embargo, ante la posibilidadde que en el futuro se incremente el precio del gas o hayalimitaciones en el suministro, se estudian permanentemen-te otras posibilidades, como el uso de carbón, gas naturallicuado y gas de síntesis (a partir de residuos de renación),los que se pueden utilizar como energético primario en cen-trales carboeléctricas y de ciclo combinado (SENER, 2005).

En cuanto a los pronósticos de consumo de combustible,se estima que, debido a que gran parte de las nuevas cen-trales de generación de electricidad serán grandes centralesde ciclo combinado, el consumo de combustóleo se reduciráa una tasa del 4% en los próximos 10 años, mientras queel consumo de gas natural crecería a una tasa del 8.8%. Enforma más especíca, los pronósticos indican que en el año2014 se consumirían 6569 terajoules/día de energía prima-ria, de los cuales el 55.8% correspondería a gas natural, y el17.6% a combustóleo. De hecho, se calcula que si se incluyeen los estudios de pronóstico de consumo de gas a las tecno-logías libres, se requeriría satisfacer una demanda del ordendel 67.6% para este energético (gura 1.4).


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F . . C :

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

A pesar de la reducción progresiva que se ha experimen-tado en el consumo de combustóleo durante los últimos diezaños, y de la reducción aún más acentuada que se espera parala próxima década, es claro que representa y seguirá repre-sentando por algunos años una fuente signicativa de ener-gía primaria; por ello, es conveniente no perder de vista lasemisiones contaminantes que se le asocian, especialmente

por sus impactos potenciales en la salud humana.


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C E

T de generación de electricidad a gran es-cala afectan de alguna manera al ambiente. Así, la mayorparte de las emisiones de contaminantes atmosféricos delsector proceden de las centrales que utilizan carbón o petró-leo como combustible; no obstante, las plantas que operan abase de gas natural emiten una gran cantidad de NOx –pre-cursor de ozono y partículas suspendidas nas (PM2.5)– y debióxido de carbono, gas de efecto invernadero. Las grandescentrales hidroeléctricas pueden desplazar comunidades en-teras, destruir o degradar hábitats críticos —como arroyoso ríos— y dañar a las poblaciones nativas de peces y a otrasespecies silvestres. Las plantas nucleares representan ries-gos a la seguridad y a la salud en virtud de su operación, asícomo durante el transporte y el almacenamiento del com-bustible usado. Incluso las instalaciones de energía eólica,dependiendo de su ubicación y de la tecnología empleada,pueden dar lugar a preocupaciones estéticas, o en relacióncon las aves silvestres. Determinar el impacto ambiental delas distintas formas de generación de electricidad ha resul-tado ser una tarea por demás desaante, dadas las diculta-


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des para cuanticar los efectos en el ambiente de las diver-sas fuentes y tecnologías a lo largo de su ciclo de vida (CCA,2002a).

El tipo y la cantidad de las emisiones contaminantes de-rivadas de la generación de energía eléctrica dependen deltipo de energético primario empleado y de la tecnología deconversión. Sin embargo, para los propósitos de este libro,son de interés particular las emisiones a la atmósfera pro-venientes de las plantas termoeléctricas que utilizan com-bustóleo y diesel, debido a que sus emisiones representanel 79% y el 35%, respectivamente, de las emisiones de SO2 yNOx del sector eléctrico nacional (Miller y VanAtten, 2004).Para dar contexto a estas cifras, vale decir que en México,de acuerdo con la Secretaría de Energía, el sector eléctricoaporta aproximadamente el 68% de las emisiones totalesnacionales de SO2, el 20% de las emisiones de NOx, y aproxi-madamente el 24% de las emisiones de partículas primarias(S 2002).

Este capítulo presenta una breve descripción de los prin-cipales contaminantes atmosféricos que son emitidos porla industria termoeléctrica en México, la normatividad vi-gente para regular tales emisiones, y la metodología que seusa para estimar las emisiones. Finalmente, en este capítu-lo se inicia la descripción del estudio de caso de la centraltermoeléctrica Adolfo López Mateos, ubicada en Tuxpan, Veracruz, para ilustrar la metodología utilizada para la eva-luación y la valoración –en términos monetarios– de los im-pactos asociados con sus emisiones.


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2.1 Generación de contaminantes atmosféricos encentrales termoeléctricas

Una central termoeléctrica es una instalación industrialempleada para la generación de electricidad a partir de laenergía liberada en forma de calor, normalmente median-te la combustión de algún combustible fósil. El calor se em-plea para producir vapor; éste, a su vez, mueve una turbinaacoplada a un generador que, nalmente, produce la energíaeléctrica (gura 2.1).

F . G

Fuente: elaboración propia de los autores.

Dentro del proceso de generación de energía eléctricaocurren emisiones de contaminantes a la atmósfera durantelas operaciones de manejo y transporte de combustible entuberías, el almacenamiento del combustible en tanques, y


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el proceso de combustión en sí mismo (EIIP, 2001). Sin em-bargo, se hace referencia a las emisiones producidas durantela combustión, por su gran volumen y potencial de impactoen la calidad del aire a escalas local y regional.

El proceso de combustión se dene como la oxidación rá-pida de sustancias (llamadas combustibles) por la aplicaciónde calor. En las centrales termoelécticas, este proceso se llevaa cabo en calderas de gran capacidad. Los combustibles que seutilizan comúnmente en estos procesos son carbón, combus-tóleo y gas natural, aunque puede llegar a usarse también die-sel, madera, gas licuado de petróleo (LP) o gases de proceso.

Cuando la combustión de hidrocarburos es completa,se producen dióxido de carbono (CO2) y agua. Sin embar-go, normalmente existe una porción de estos materiales queno es combustible o lo es sólo parcialmente y, por lo tanto,se generan sustancias como el monóxido de carbono (CO)e hidrocarburos parcialmente oxidados. Adicionalmente,los combustibles pueden contener otras sustancias que aloxidarse producen contaminantes atmosféricos, como laspartículas, los óxidos de azufre (SO2 y SO3), los NO+ el ácidoclorhídrico, sustancias organohalogenadas como las dioxi-nas y los furanos, el formaldehído y compuestos orgánicospolicíclicos. Algunas de las “impurezas” de los combustiblestambién son emitidas después de la combustión, como porejemplo, los metales pesados –mercurio, arsénico y cadmio–que se encuentran de manera natural en el carbón. La gene-ración de estas emisiones depende principalmente del tipode combustible, caldera y quemador de que se trate, de laconguración de la caldera y de las condiciones de operaciónde la misma. Asimismo, la cantidad emitida varía a lo largodel año, dependiendo, entre otras cosas, de la intensidad de


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su uso (Vijayet al., 2004). Cabe mencionar que algunos con-taminantes se forman por la temperatura del proceso, y nosolamente la quema incompleta del combustible. Por ejem-plo, una fracción importante de los NOx emitidos se formande reacciones a altas temperaturas entre el nitrógeno y eloxígeno que existen en el aire.

El cuadro 2.1 muestra un listado de los principales con-taminantes relacionados con el uso de distintos combusti-bles en calderas. Si bien estos listados no son exhaustivos, sícontienen los principales contaminantes de interés en cadacaso, aunque es posible que no todos los contaminantes seemitan siempre que se utiliza cada combustible. Por ejem-plo, en el caso del gas natural predominan las emisiones deNOx e hidrocarburos no quemados; en el caso del carbón, lasprincipales emisiones son de SO2, partículas, NOx, y metalespesados, dependiendo de su composición y lugar de origen.

En lo que respecta al combustóleo, las principales emi-siones asociadas con su combustión son las de SO2, NOx ypartículas; cabe mencionar que este combustible es un pro-ducto residual de la renación del petróleo, y su calidad de-pende de la calidad del petróleo crudo del que provenga. EnMéxico, el 60% del petróleo crudo es un crudo pesado cuyocontenido de azufre es tres veces mayor que el contenido deazufre de otros crudos pesados. Por lo tanto, el combustóleodel país contiene entre el 2.6% y el 4% en peso de azufre,mientras que en el resto del mundo se encuentra entre 1.5 y4% (IIE, 1998; Bunkerworld, 2006).

A continuación se hace una breve descripción de losdiferentes orígenes y de la importancia de los principalescontaminantes atmosféricos generados en una planta ter-moeléctrica.


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Combustible Contaminantes emitidos • Monóxido de carbono • Plomo • Óxidos de nitrógeno • Partículas suspendidas primarias

• Óxidos de azufre• Antimonio y sus compuestos• Berilio y sus compuestos• Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto,mercurio, níquel) y sus compuestos• Dioxinas y furanos• Etilbenceno• Formaldehído• Ácido clorhídrico y ácido uorhídrico• Aromáticos (benceno, tolueno y xileno)

• Monóxido de carbono

• Plomo• Óxidos de nitrógeno• Partículas suspendidas• Óxidos de azufre• Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto,mercurio, níquel) y sus compuestos• Formaldehído

• Aromáticos (tolueno y benceno)

• Monóxido de carbono • Plomo

• Óxidos de nitrógeno

Continúa

Carbón

Gas natural

Combustibles pesados(combustóleo)


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El dióxido de azufre (SO2) es un contaminante cuyo ori-gen puede ser natural o antropogénico. La fuente naturalde SO2 es principalmente la actividad volcánica, mientrasque la quema de combustibles que contienen azufre es laactividad humana que origina este contaminante en mayorcantidad, aunque existen otros procesos industriales –comoalgunas operaciones de renación de petróleo– que tambiénlo generan. El SO2 es además precursor de otros contami-nantes, como el trióxido de azufre (SO3), el ácido sulfúrico(H2SO4) y los sulfatos, que contribuyen a la concentraciónde partículas suspendidas en la atmósfera y a la formaciónde la llamada “lluvia ácida”.

Las emisiones de SO2 provenientes del uso de combus-tibles fósiles son directamente proporcionales a la cantidadde combustible utilizado y a su contenido de azufre, y por lo

Fuente: EIIP (2001).

C . P (continúa)

Combustible Contaminantes emitidos • Partículas suspendidas primarias

• Óxidos de azufre• Benceno• Berilio y sus compuestos• Metales pesados (cadmio, cromo, cobalto,mercurio) y sus compuestos• Dioxinas y furanos• Etilbenceno• Formaldehído• Manganeso y sus compuestos

Combustibles pesados(combustóleo)ç(continúa)


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general son independientes del tipo y la conguración delequipo de combustión (Vijay,et al., 2004). En promedio, seconsidera que más del 95% del azufre presente en el com-bustible se transforma en SO2, mientras que del 1% al 5% seoxida hasta formar SO3 o sulfatos (EPA, 1998). En México, elcombustóleo que se utiliza en la generación de energía eléc-trica contiene entre 3% y 4% en peso de azufre, mientrasque el diesel tiene una concentración en peso de azufre del0.5% (Vijayet al., 2004).

Los NOx se reeren a la suma del óxido nítrico (NO) y eldióxido de nitrógeno (NO2). Estos compuestos existen na-turalmente en la atmósfera como resultado de la descom-posición bacteriana de compuestos nitrogenados, y de lastormentas eléctricas. Por otro lado, entre las principalesfuentes antropogénicas de generación de NOx se encuentranlos vehículos automotores y los procesos de combustión enla industria. Por esta razón, generalmente las concentracio-nes de NOx que se observan en áreas urbanas pueden ser de10 a 100 veces mayores que aquellas que se encuentran enáreas rurales. Los NOx también son precursores de lluvia áci-da, ozono (O3) y partículas secundarias.

En general, se considera que más del 95% de los NOx emitidos por los equipos de combustión que utilizan com-bustibles fósiles son óxido nítrico (NO). Las emisiones deNOx producidas durante la combustión en centrales termo-eléctricas dependen principalmente de las condiciones deoperación y la conguración de la caldera. Los NOx puedenformarse a través de tres mecanismos principales: la conver-sión del nitrógeno presente en el combustible; la oxidacióndel nitrógeno molecular presente en el aire de combustión(conocido como “NOx térmico”); y la reacción de los hidro-


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carburos presentes en el combustible con el nitrógeno delaire. De éstos, el mecanismo predominante, tratándose decombustibles pesados como el combustóleo, es el primera-mente mencionado. En este caso, el nitrógeno presente enel combustible es responsable de hasta el 50% del total deemisiones de NOx. Normalmente, entre el 20% y el 90% delnitrógeno presente en el combustible se convierte en NOx (EIIP, 2001; EPA, 1998).

Los factores que inuyen en la emisión de NOx en estetipo de procesos son los siguientes: (1) la temperatura máxi-ma de combustión; (2) la concentración de nitrógeno en elcombustible; (3) la concentración de oxígeno; (4) el tiempode exposición a la temperatura máxima. Por esta última ra-zón, debido a que los equipos de mayor capacidad operana temperaturas más elevadas, generalmente sus emisionesde NOx son más importantes. Asimismo, las emisiones porunidad de combustible consumido en calderas con quema-dores tangenciales son menores que aquellas producidas porcalderas con quemadores horizontales (EPA, 1998; Vijayetal., 2004).

Las partículas suspendidas son una mezcla compleja demateriales sólidos y líquidos, que pueden variar signicativa-mente en tamaño, forma y composición, dependiendo fun-damentalmente de su origen. Su tamaño varía desde 0.005hasta 100 micras (µm) de diámetro aerodinámico, esto es,desde unos cuantos átomos hasta el grosor de un cabellohumano. Las partículas suspendidas se clasican según sutamaño en las siguientes fracciones: partículas suspendidastotales (PST), que tienen un diámetro aerodinámico menora 100 µm; las partículas “inhalables” (PM10), fracción con undiámetro aerodinámico menor a 10 µm; las partículas “res-


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pirables” o “nas”, con diámetro aerodinámico menor a 2.5µm (PM2.5); y, por último, las partículas “ultranas”, con diá-metro aerodinámico menor a 1 µm (PM1). Cabe mencionarque con base en su origen también se clasican en primarias y secundarias; así, las partículas primarias se encuentran enla atmósfera tal como fueron emitidas por la fuente y, aque-llas que se forman como producto de procesos y reaccionesquímicas entre SO2, NOx y otras moléculas reactivas, son laspartículas secundarias.

Las fuentes de emisión de las partículas al ambiente pue-den ser naturales –como tormentas de arena, actividad vol-cánica, incendios forestales, erosión de suelos, etcétera– oantropogénicas –como procesos metalúrgicos a altas tempe-raturas, procesos de molienda o procesos de combustión.

En general, la emisión de partículas por la quema decombustibles pesados en la producción de energía eléctricadepende de qué tan completa sea la combustión y del conte-nido de ceniza en el combustible. En el caso del combustó-leo, el contenido de azufre es determinante para la emisiónde partículas; el alto contenido de azufre se relaciona conmayor viscosidad y contenido de cenizas, lo que diculta laatomización del combustible, provocando una combustiónincompleta.

La carga es otro factor que afecta a la emisión de partícu-las en este tipo de procesos. Al utilizar una caldera al 50% dela capacidad nominal del equipo, las emisiones de partículaspueden reducirse entre un 30 y un 40%. Sin embargo, al re-ducir la carga hasta aproximadamente el 30% de su capaci-dad nominal, se diculta el control de la combustión y lasemisiones de partículas pueden incrementarse signicativa-mente (EPA, 1998).


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E 33

Existen otros contaminantes emitidos durante la genera-ción de energía eléctrica que también son relevantes por susimpactos en el ambiente y en la salud de la población, comolos compuestos orgánicos volátiles (COV), el CO y el bióxidode carbono (CO2), entre otros.

Los COV incluyen principalmente hidrocarburos, comobenceno, formaldehído, clorouorocarbonos (CFC), meta-no, etc. El metano es además uno de los llamados “gases deefecto invernadero”. Con excepción de este último, las prin-cipales fuentes de COV son la industria, los vehículos auto-motores y el uso de refrigerantes y de solventes. AlgunosCOV, como los compuestos aromáticos y el formaldehído,se consideran contaminantes tóxicos por sus efectos en lasalud; otros son altamente reactivos con otras sustancias yproducen contaminantes secundarios, como el O3.

El CO es un gas inodoro e incoloro que se produce prin-cipalmente por la combustión incompleta de combustiblesfósiles durante el transporte, en la industria o en los hoga-res. En áreas urbanas, la emisión de CO es comúnmente unorden de magnitud mayor que las emisiones de los demáscontaminantes.

La generación de electricidad también produce gases deefecto invernadero, como el CO2. Si bien este contaminanteno representa un riesgo para la salud, como sucede con otroscontaminantes, en las últimas décadas se han observado susefectos en el incremento de la temperatura global, que haocasionado un desequilibrio en los procesos naturales de laTierra, con efectos potenciales tales como inundaciones, se-quías y desastres naturales.


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34 I

2.2 Normatividad sobre la emisión de contaminantesen equipos industriales de combustión

En México existen límites máximos permisibles para la emi-sión de contaminantes provenientes de equipos de combus-tión industriales. Entre estos equipos, los de mayor tamañoson los que se utilizan en la generación de energía eléctrica.La Norma Ocial Mexicana NOM-085-ECOL-1994 estable-ce estos límites máximos permisibles, de acuerdo con el ta-maño de los equipos de combustión (DOF, 1994a). En el casode las calderas usadas en la generación de energía eléctrica,los parámetros vigentes son los que se indican en el cuadro2.2; los requisitos para la medición de estos parámetros seencuentran en la misma norma (cuadro 2.3).

Esta normatividad está en revisión debido a que, segúnlas autoridades federales, los límites máximos permisibles(LMP) de emisión de SO2 establecidos en la NOM-085 (DOF,1994a) son entre 4 y 15 veces superiores en comparacióncon los valores establecidos para casos similares en EstadosUnidos. Asimismo, los LMP mexicanos para PST son entre 2y 10 veces superiores en comparación con la misma normade EUA (Octaviano, 2006).

De acuerdo con la Ley General del Equilibrio Ecológico yla Protección al Ambiente (LGEEPA) y a su Reglamento parala Prevención y el Control de la Contaminación Atmosféri-ca (S , 2006), las fuentes jas de jurisdicción fede-ral, entre las que se encuentran las plantas generadoras deenergía, están obligadas a cumplir con estos límites máxi-mos permisibles y a reportar anualmente a la S susemisiones contaminantes, a través de la Cédula de Opera-ción Anual (COA).


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E 35

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1 1 0

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1 1 0

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( 2 . 0

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( 8 . 1 6

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( 0 . 2

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)

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N A

N A

N A

N A

N A

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1 1 0

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8 1 )

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36 I

C . . R NOM- -ECOL-

Parámetro

PST

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O2

SO2

Frecuencia mínimade medición

Una vez cada 6meses

Permanente*

Permanente

Una vez por año

Tipo de evaluación/medición

Isocinética (mínimodurante 60 minutos);2 muestrasdenitivas

Continua**; quimilu-miniscencia oequivalente

Continua; campomagnético oequivalente,con registradorcomo mínimo o

equivalenteIndirecta a travésde certicadosde calidad decombustibles queemita el proveedor

Tipo decombustible

Sólido,líquido

Sólido,líquido y gas

Líquido ygas

Sólido,líquido

*El monitoreo continuo de NOx será permanente en las zonas metropo-litanas de la Ciudad de México, Guadalajara y Monterrey; con una dura-ción de cuando menos 7 días una vez cada 3 meses en las zonas críticas;y con una duración de cuando menos 7 días una vez cada seis meses enel resto del país.**Monitoreo continuo: el que se realiza con equipo automático con unmínimo de 15 lecturas en un periodo no menor a 60 minutos y no mayora 360 minutos. El resultado del monitoreo es el promedio del periodomuestreado.Fuente: NOM-085-ECOL-1994 (DOF, 1994a).


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E 37

2.3 Estimación de las emisiones de las centralestermoeléctricas

La medición directa en las fuentes de emisión es la forma deconocer con precisión el tipo y la cantidad de emisiones con-taminantes de una fuente determinada. Asimismo, el contarcon mediciones continuas de las concentraciones de conta-minantes -por ejemplo, cada hora– permite utilizarlas paracalcular las emisiones totales del contaminante por hora, yasí obtener un inventario de emisiones de alta resolucióntemporal que reeje la variación de las emisiones a lo largode un día, un mes o un año. Sin embargo, debido a la for-ma en que están planteados los requisitos de medición en lanormatividad mexicana y al alto costo del monitoreo conti-nuo, la mayoría de las centrales termoeléctricas no cuentacon mediciones continuas. Adicionalmente, las medicionesreportadas de SO2 y partículas (una vez por año y una vezcada seis meses, respectivamente) son poco representativasde las emisiones producidas durante todo un año, ademásde que frecuentemente se llevan a cabo bajo condicionesde operación óptimas de la planta, para asegurar el cumpli-miento de la normatividad (Vijayet al., 2004).

Debido a lo anterior, en nuestro país es necesario recurrira métodos indirectos para estimar el volumen de emisionesde fuentes jas, incluyendo centrales termoeléctricas, comosería utilizarfactores de emisión. Los factores de emisión sonvalores representativos mediante los que se relaciona la can-tidad emitida de un contaminante con la actividad del equi-po asociada con dicha emisión. Estos factores se expresannormalmente como un cociente entre la masa del contami-nante emitido y el peso, volumen, distancia o duración de la


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38 I

actividad que provoca la emisión (por ejemplo, kilogramosde partículas emitidas por cada tonelada de carbón que seha utilizado). La ecuación general para el uso de factores deemisión es la siguiente:

Ei = FEi * DA Ecuación 2.1

en donde:Ei = emisión del contaminantei (kg/h, kg/año, lb/h,

lb/año, etc.)FEi = factor de emisión del contaminantei (kg/m3 de

combustible, lb/ft3 de combustible, etc.)DA = dato de actividad, que generalmente se reere al

consumo de combustible (m3 de combustóleo/h, ft3 de gasnatural/año, etc.)

Por lo tanto, es posible estimar las emisiones anuales deun contaminante al multiplicar la cantidad de combustibleconsumido anualmente en una instalación determinada,por el factor de emisión respectivo.

En la mayoría de los casos, los factores de emisión re-presentan el promedio de la información disponible sobrelas emisiones –con cierto grado de conabilidad–, y se con-sidera que son representativos de todas las fuentes de unacategoría especíca –por ejemplo, de todas las calderas tan-genciales que utilizan aceite residual núm. 6– en en un año.Sin embargo, el uso de factores de emisión introduce ciertogrado de incertidumbre, debido a las variaciones en las ca-racterísticas de operación de las fuentes, en los procesos deemisión, en la composición del combustible y en la infor-mación disponible para calcular el factor de emisión. Por lo


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E 39

anterior, se recomienda documentar las fuentes de incerti-dumbre más importantes, y tratar de evaluar su posible im-pacto en los resultados obtenidos (EPA, 1998).

Hasta ahora en México no se han generado factores deemisión para fuentes de combustión industrial, por lo quecomúnmente se recurre a factores de emisión de EstadosUnidos, que se pueden consultar en el manual AP-42 (EPA,1998). De hecho, ésta es la metodología general recomen-dada por la Agencia de Protección Ambiental de EstadosUnidos (EPA, por sus siglas en inglés) y la que utilizan S -

y S (Vijayet al., 2004). Los factores de emisiónincluidos en el manual AP-42 se clasican de acuerdo con eltipo de equipo, de proceso y de combustible. Por lo tanto,es necesario conocer ciertas características del combustible(como el contenido de azufre) y de las condiciones de ope-ración del equipo de combustión (como el tipo de quemadorde que se trate, ya sea tangencial o normal).

Si bien el uso de estos factores de emisión es aceptablepara obtener una aproximación del orden de magnitud delas emisiones de un tipo de fuente –en este caso, centralestermoeléctricas–, es importante resaltar que los factoresde emisión desarrollados en otros países no necesariamen-te representan la realidad de las condiciones de operación,combustión y emisión de los equipos existentes en México. Asimismo, las diferencias en los combustibles entre paísesimpactan de manera importante en el tipo y la cantidad deemisiones producidas durante la combustión. Los factoresde emisión se desarrollan como producto de numerosasmediciones realizadas sobre un mismo tipo de equipo, encondiciones similares de operación y con el mismo tipo decombustible y en una zona determinada, por lo que se reco-


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40 I

mienda utilizarlos con reserva para otras condiciones (EIIP,2001).

Por lo anterior, es necesario efectuar en México medicio-nes que permitan conocer el comportamiento de las fuentesde combustión, de acuerdo con los equipos, combustibles ycondiciones de operación imperantes en nuestro país. Asi-mismo, estas mediciones permitirían conocer la variabilidadde las emisiones a lo largo del año, bajo diferentes condicio-nes atmosféricas y en las diversas regiones del país. Sin em-bargo, mientras esto no suceda, las estimaciones con facto-res de emisión seguirán siendo el mejor método disponibley el más frecuentemente utilizado para estimar la magnitudde las emisiones de este tipo de fuentes.

2.4 Estudio de caso: emisiones contaminantes de lacentral termoeléctrica Adolfo López Mateos, uxpan,Veracruz

Como estudio de caso para evaluar el impacto de las emisio-nes del sector eléctrico mexicano en la calidad del aire delpaís, se seleccionó la planta termoeléctrica de mayor capaci-dad instalada en México, ubicada en la línea costera del mu-nicipio de Tuxpan en el estado de Veracruz. La central ter-moeléctrica Adolfo López Mateos se ubica a seis kilómetrosal norte de la desembocadura del Río Tuxpan (21° 01’ 00.1’’latitud norte y 97° 19’ 41.3’’ longitud oeste). En términos depoblación, las zonas urbanas más importantes localizadasen el perímetro de la termoeléctrica son Tuxpan, Cazones,Naranjos, Poza Rica, Cerro Azul, Álamo y Tamiahua (gu-ra 2.2). Si se consideran estas ciudades más las poblacionesrurales, el número de habitantes que circunda la zona inme-


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E 41

diata de inuencia de la termoeléctrica asciende aproxima-damente a 791,000 habitantes.

F . L A L M

Este complejo de la Comisión Federal de Electricidadcuenta con seis unidades generadoras de vapor con una ca-pacidad instalada total de 2,100 MW y una producción dealrededor de 15,000 GWh (S , 2001). De acuerdo con


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42 I

estudios recientes, esta termoeléctrica es la planta genera-dora de energía con mayores emisiones de SO2 en Américadel Norte; con emisiones de PM2.5 10 veces mayores que elpromedio estadounidense y, aproximadamente, un 38% ma-yores que el promedio mexicano. Estas elevadas emisionesse deben, en gran medida, al alto contenido de azufre en loscombustibles que utiliza, y también a la falta de sistemas decontrol de emisiones (Miller y VanAtten, 2004).

Como primer paso en el estudio de sus impactos, es ne-cesario calcular las emisiones de la fuente seleccionada. De-bido a que no se cuenta con mediciones directas y continuasde las emisiones para la central Adolfo López Mateos, és-tas se calcularon utilizando factores de emisión generadosen EE.UU., con base en el consumo de combustible (EPA,1998). Este método se consideró adecuado debido a que latecnología del equipo de combustión que se utiliza en estacentral es similar a la utilizada en centrales del país vecino.No obstante, cabe mencionar que las diferencias en las con-diciones de operación y mantenimiento pueden ser consi-derables, y por lo tanto introducir un alto grado de incerti-dumbre al estimar las emisiones (Vijayet al., 2004).

El complejo cuenta con tres chimeneas, cada una de 120metros de altura y 5.5 metros de diámetro interior. Cadachimenea descarga los gases provenientes de la combustióna una velocidad que oscila entre 22 y 23 m/s, con una tem-peratura de entre 425 K y 428 K. Según el Informe de Ope-ración de la Comisión Federal de Electricidad (CFE, 2002),durante 2001 esta planta consumió alrededor de 3.4 millo-nes de metros cúbicos de combustóleo (contenido promedioen peso de azufre del 3.8%), y también utilizó 1700 m3 dediesel (contenido de azufre del 0.5%) para operaciones de


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E 43

arranque y para la operación de equipos auxiliares (S ,2002; S y S , 2002; Vijayet al., 2004).

La estimación de las emisiones de esta central se basó enlos factores de emisión del AP-42 (EPA, 1998) para la gene-ración de energía eléctrica mediante el uso de combustóleo,que es aproximadamente equivalente al denominadoResi-dual Fuel Oil No. 6. De acuerdo con un estudio sobre el temarealizado en México (Vijayet al., 2004), se seleccionaron losfactores de emisión correspondientes al tipo de congura-ción tangencial. El cuadro 2.4 presenta los factores de emi-sión utilizados para estos cálculos.

C . F

Combustible Factores de emisión (kg/m3) SO2 NOx PM2.5

Combustóleo 18.81*S% 3.83 2.39Diesel 18.81*S% 3.83 0.43

Fuente: EPA (1998).

Con la información contenida en el cuadro anterior, seaplicó la ecuación 2.1 de la siguiente manera:

Para combustóleo ESO2 [kg] = FESO2[kg/m3] * 3.4 X 106 m3Para diesel ESO2 [kg] = FESO2 [kg/m3] * 1,700 m3

Las emisiones de SO2, NOx y PM2.5 calculadas para cadacombustible se sumaron para obtener las emisiones totalesde las tres chimeneas de la central. De esta manera, se es-


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tima que durante 2001 la central emitió aproximadamente242 mil toneladas de SO2, 15 mil toneladas de NOx y 8 miltoneladas de PM2.5. Estos cálculos son consistentes, en tér-minos de la metodología y los resultados obtenidos, con lasestimaciones realizadas por otros autores (Vijayet al., 2004;Miller y Van Atten, 2004; S -S , 2002).

Con esta información es posible dar paso a la siguienteetapa del proceso de evaluación y valoración de los impac-tos asociados con las emisiones de la central termoeléctrica Adolfo López Mateos, que consiste en determinar el com-portamiento de los contaminantes emitidos a la atmósferabajo la inuencia de la meteorología de la región, y estimarsu impacto en la calidad del aire de la zona en estudio.


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M 45

[45]

C M

L extremadamente complejoy reactivo donde tienen lugar de manera simultánea nume-rosos procesos físicos y químicos. Por ello, la evaluación delimpacto potencial que sobre la calidad del aire pueden te-ner las emisiones provenientes de una fuente o conjunto defuentes, así como el diseño de estrategias costo-efectivasorientadas a su control, demandan un conocimiento precisode los procesos que determinan la dispersión, la transforma-ción química y el destino nal de los contaminantes en la at-mósfera. En este sentido, los modelos de calidad del aire sonuna herramienta de gran valor, ya que en su formulación seincorporan los conocimientos más recientes sobre dinámicaatmosférica para modelar, con cierto grado de conanza, lospatrones de dispersión, transformación química y remociónde los contaminantes, con lo que se obtiene una estimaciónde su concentración en la atmósfera.

En este capítulo se hace una breve descripción de los pro-cesos atmosféricos que tienen mayor impacto en el trans-porte y el destino de los contaminantes. Igualmente, se re-eren las características más sobresalientes de los diferentes


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tipos de modelos que se usan para simular estos procesos y,nalmente, se continúa con la presentación del estudio decaso en México. En éste se describe cómo, partiendo de losdatos de emisión reportados en el capítulo 2, es posible uti-lizar un modelo de simulación –particularmente el sistemade modelación MM5-CALMET-CALPUFF– para estimar elpromedio anual de las concentraciones ambientales de PM2.5 primarias y secundarias en la región que se estudia.

3.1 Procesos de transporte y contaminación del aire

El términodispersión generalmente se usa para referirse alconjunto de procesos que ocurren en la atmósfera y por loscuales se diluyen, transportan, remueven o transformanquímicamente los contaminantes, hasta alcanzar una fuen-te receptora (Mora, 1994). En este contexto, la dispersión delos contaminantes está determinada tanto por variacioneslocales, regionales o globales del clima, como por diversosprocesos atmosféricos íntimamente ligados a la topografía. Así, el movimiento global de las masas de aire tiene su ori-gen en el calentamiento desigual de la supercie de la Tie-rra; adicionalmente, los relieves naturales del terreno, e in-cluso la presencia de edicios, modican el régimen local delos vientos. Estos fenómenos tienen un efecto directo sobreel movimiento de los contaminantes en la atmósfera.

De lo anterior se desprende que si se desea entender y,en alguna medida, modelar la dispersión, la transforma-ción química y el destino de los contaminantes emitidosa la atmósfera, es necesario comprender los procesos at-mosféricos básicos que influyen en su movimiento y sutransformación, y también las escalas espaciales y tem-


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M 47

porales en que se registran. Ambos aspectos se presentana continuación.

3.1.1 Escalas de movimiento

La atmósfera se puede describir como un enorme reactor quí-mico al que se introducen y del que se remueven miles de es-pecies químicas sobre un vasto arreglo de escalas temporales yespaciales. Por ello, todos los procesos atmosféricos de impor-tancia para la problemática de la contaminación del aire tradi-cionalmente se estudian sobre la base de esta gama de escalas.En general, dependiendo del autor y del criterio que se utilicepara denirlas, el número de escalas de movimiento en la at-mósfera varía; para efectos de este capítulo y considerando susimplicidad, se hará referencia a las tres escalas sugeridas por Arya (1999): microescala, mesoescala y macroescala.

Los movimientos amicroescala son aquellos que puedenocurrir en una escala espacial del orden de un par de kilóme-tros y en periodos del orden de segundos a minutos, y cuyacausa es, principalmente, la interacción de la atmósfera conla supercie subyacente. Ejemplos de eventos que ocurrenen esta escala son los truenos, los relámpagos y las ráfagasde viento. En cambio, los movimientos a mesoescala tienenuna inuencia del orden de decenas de kilómetros y ocurrenen periodos de unos minutos hasta varios días; se trata, porejemplo, de islas de calor urbanas, brisas de mar-tierra, bri-sas de valle-montaña y tormentas eléctricas. Por último, losmovimientos a macroescala abarcan la escala global y lasi-nóptica. En este caso se encuentran la circulación general delos vientos, los huracanes, los sistemas de alta presión (anti-ciclón) y de baja presión (ciclón), las corrientes de chorro, et-


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cétera, que se desarrollan en una longitud de cientos a milesde kilómetros, y pueden tener una duración de entre un parde días hasta semanas.

En el caso especíco de los contaminantes producto dela combustión –que se emiten a través de las chimeneas delas plantas industriales o del escape de los automóviles– és-tos se dispersan, en primer lugar, por los movimientos amicroescala, y subsecuentemente su transporte y su difu-sión están inuenciados por circulaciones a mesoescala. Lossistemas a macroescala también pueden inuir en el trans-porte de los contaminantes a grandes distancias, aunquecuando esto sucede ya han sido afectados por movimientossucesivos de transporte y dispersión a la escala micro y meso(Arya, 1999).

3.1.2 Transporte atmosférico de los contaminantes

Una vez en la atmósfera, los contaminantes experimentancomplejos procesos de transporte, mezcla y transformaciónquímica, que dan lugar a una distribución espacial y tempo-ralmente variable, tanto en lo que respecta a su concentra-ción, como en términos de su composición en el aire. Así,una vez emitidos, los contaminantes se someten a procesosde transporte por advección, transporte por difusión, trans-formación química y remoción seca o húmeda, y son afec-tados, en mayor o menor grado, por las condiciones meteo-rológicas que prevalecen durante su emisión. La gura 3.1muestra de manera esquemática estos procesos, los que sedescriben brevemente en los párrafos subsecuentes.

La dispersión de los contaminantes emitidos depende dela cantidad de turbulencia en la atmósfera cercana, turbu-


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M 49

lencia que se puede crear por el movimiento horizontal yvertical de la atmósfera. Al movimiento horizontal se le lla-ma viento. Así, cuando el transporte de los contaminantesse da con la misma velocidad y en la misma dirección queel viento que los transporta, se le conoce comotransporte por advección. Por lo general, una mayor velocidad del vientoreduce las concentraciones de los contaminantes al nivel delsuelo, ya que facilita la dilución.

Al transporte y la dispersión de los contaminantes porefecto del movimiento vertical de la atmósfera se le conocecomotransporte por difusión, y puede ser de tipo molecularo turbulento. El primero se reere al movimiento de las mo-

F . P


Advección

Difusión Transformación

Remoción

HúmedaSeca


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50 I

léculas en el aire por diferencias de concentración entre dospuntos del espacio (gradiente de concentraciones), y tienepoca importancia para nes del estudio de la contaminacióndel aire. El segundo se debe básicamente a la existencia deremolinos en el aire, que se producen por irregularidades enel terreno (turbulencia mecánica) o por diferencias de tem-peratura entre las capas atmosféricas (turbulencia térmica).

La turbulencia mecánica se produce por la fricción de lasmasas de aire en movimiento con la supercie terrestre, ypuede afectar a una capa de aire de hasta 1000 metros dealtitud. La turbulencia térmica, por su parte, se genera porel intercambio de calor entre la atmósfera y la supercie te-rrestre. Ambos procesos contribuyen al movimiento verticalde las masas de aire y denen las condiciones de estabilidadatmosférica.

3.1.3 Transformación química de los contaminantes

Al mismo tiempo que los contaminantes son transportadosen la atmósfera (por difusión o advección), pueden experi-mentar reacciones químicas que los lleven a formar nuevoscontaminantes con propiedades físicas y químicas que, enalgunos casos, podrían signicar un mayor riesgo para elambiente y la salud de la población, que los contaminantesque les dieron origen. Así, los contaminantes secundariosson aquellos que se forman en la atmósfera por reaccionesquímicas entre contaminantes o entre los contaminantes ysustancias que se encuentran en la atmósfera de manera na-tural; los ejemplos más característicos son el O3 y algunostipos de PM2.5, como son los sulfatos y nitratos. Dado el al-cance de este libro, sólo se describen, de forma muy simpli-


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M 51

cada, las reacciones en la atmósfera de los óxidos de azufre ynitrógeno que dan origen a los sulfatos y nitratos.

La formación de partículas sulfatadas se inicia con lasemisiones primarias de SO2, el cual se combina con el radicalhidroxilo (OH-) presente en la atmósfera y, después de variasreacciones en las que participan otros radicales libres, se for-ma H2SO4. Éste, en presencia de amoniaco, se neutraliza yforma partículas de sulfato de amonio (NH4)2SO4. Tambiénpuede adherirse a algún aerosol presente en la atmósfera ysulfatarlo (gura 3.2).

Por otra parte, la formación de partículas de nitrato seinicia con las emisiones primarias de monóxido de nitróge-no (NO), que se oxida rápidamente por el O3 para formarbióxido de nitrógeno (NO2) (gura 3.2). Una vez formado, elNO2 puede reaccionar con radicales hidroxilo (OH-) o con elO3, ambos presentes en la atmósfera, para formar ácido ní-trico (HNO3). Este ácido tiene dos vías alternativas de reac-

F . P

SO2

Emisiones

OH-ion hidróxilo

H2SO4 (NH4)2SO4 Aerosol sulfatado

NH3 amoniaco

o

NO NO2 HNO3 NH4NO3 Aerosol sulfatadoo

O3 ozono

OH-ion hidóxilo

aerosol

hvluz

O3 ozono

NH3 amoniaco

Emisiones


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52 I

ción: en una puede unirse al amoniaco para formar partícu-las de nitrato de amonio (NH4NO3), y en la otra, combinarsecon algún aerosol presente en la atmósfera y nitrarlo.

3.1.4 Remoción seca y remoción húmedade contaminantes

Si bien la transformación química de los contaminantes es unfactor importante para determinar su destino nal en la at-mósfera, también es claro que la remoción física en la super-cie de la Tierra es de gran importancia para muchos contami-nantes primarios y secundarios. En general, tanto gases comopartículas pueden depositarse sobre la supercie a través delos procesos deremoción seca yremoción húmeda, dependiendode la fase en que el contaminante haga contacto con la super-cie y sea adsorbido o absorbido por ésta (gura 3.3).

Cuando un contaminante se disuelve en el agua de unanube, de la lluvia o de la nieve, y posteriormente las gotasimpactan la supercie de la Tierra (incluyendo pasto, árbo-les, edicios, etc.), se dice que el contaminante fue remo-vido por vía húmeda. Por el contrario, si el contaminantese transporta a nivel del suelo y se absorbe o adsorbe porlos materiales sin que antes se haya disuelto en las gotas deagua de la atmósfera, entonces se trata de remoción seca.Esto es, la distinción entre los dos procesos se reere al me-canismo de transporte a la supercie y no a la naturaleza dela supercie misma (Finlayson y Pitts, 2000). Otra forma deremoción seca es la sedimentación (atracción gravitacional)de los contaminantes.

De acuerdo con lo anterior, los factores que determinanla importancia relativa del mecanismo mediante el cual se


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remueven los contaminantes del aire son los siguientes: lanaturaleza física del contaminante (gas o partícula); su reac-tividad química; su morfología; su solubilidad en el agua; ylas características climáticas y siográcas de la región.

F . R


Fuentes

Contaminantesgaseosos en la

atmósfera

Contaminantesparticulados en la

atmósfera

Contaminantes en elagua de las nubes y en laprecipitación atmosférica

D e p o s

i c i ó n s e c a

D e p o s

i c i ó n s e c a

Deposiciónhúmeda

VOCSO2

VOCNOx

NOx

Antropogénicas

Naturales RECEPTORES

Los procesos atmosféricos descritos en los párrafos an-teriores son los que determinan en mayor medida el trans-porte y el destino nal de los contaminantes, y todos ellos seincorporan en las herramientas de modelación de la calidaddel aire. En la siguiente sección se describen algunas genera-lidades de los modelos de la calidad del aire, el tipo de aplica-ciones donde se utilizan y los tipos de modelos existentes.


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3.2 Modelos de simulación de la calidad del aire

Un modelo de simulación de la calidad del aire es una he-rramienta de análisis que permite simular de manera inte-gral, a través de expresiones matemáticas, los procesos at-mosféricos que intervienen en el transporte, la dispersión,la remoción y, en algunos casos, la transformación químicade los contaminantes. Con estos modelos es posible rela-cionar directamente las concentraciones ambientales delos contaminantes con sus fuentes de emisión (en el casode los contaminantes primarios como el CO), o con la emi-sión de sus precursores (en el caso de los contaminantessecundarios como el O3, los sulfatos y nitratos), incluyendoen la modelación variables tales como las condiciones to-pográcas, el uso del suelo y la meteorología de una regióndeterminada.

Dada su gran variedad y los grados de detalle con que tra-tan los procesos atmosféricos, los modelos actualmente seusan para simular una diversidad de fenómenos atmosféri-cos que abarcan desde la química atmosférica global hastala dispersión de contaminantes locales. En general, con losmodelos de simulación de la calidad del aire es posible res-ponder o ayudar a responder preguntas tales como (Sein-eld y Pandis, 1998):

• ¿Cuál es la contribución de una fuente de emisión a laconcentración ambiental de un contaminante?

• ¿Cuál es la estrategia más efectiva para reducir la concen-tración ambiental de un contaminante?

• ¿Cuál será el efecto sobre la calidad del aire al aplicar unamedida de control?


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• ¿En dónde se debería colocar en el futuro una nuevafuente (p. ej. un complejo industrial) para minimizar suimpacto ambiental?

• ¿Cuál será la calidad del aire el día de mañana o de pasadomañana?

• ¿En dónde se debe ubicar una nueva estación o red deestaciones de monitoreo?

3.2.1 Estructura e insumos de un modelo de simulación

Las diferencias entre los distintos tipos de modelos de la ca-lidad del aire radican fundamentalmente en el número deprocesos atmosféricos considerados, el nivel de profundi-dad con que son tratados, y los métodos utilizados para re-solver las ecuaciones que los describen. En general, operancon un conjunto de datos de entrada que caracterizan lasemisiones, la topografía y la meteorología de una región, yproducen salidas que describen la calidad del aire en dicharegión. En el caso de los modelos más avanzados, tambiénse incluye un mecanismo químico que describe las transfor-maciones químicas de los contaminantes (gura 3.4). Es im-portante destacar que la cantidad y el grado de detalle dela información necesaria para alimentar un modelo de lacalidad del aire varían de acuerdo con el tipo de modelo ycon la naturaleza del estudio que se pretenda realizar. Así, elmodelo a elegir puede variar dependiendo del contaminanteque se desea simular, ya sea primario o secundario, o de si sedesean estudiar las emisiones de una sola fuente o un conjunto de ellas, etcétera.


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3.2.2 Tipos de modelos

Losmodelos matemáticos de la calidad del aire se basan enla descripción fundamental de los procesos atmosféricos oen el análisis estadístico de datos. Por ello, se clasican enmodelosestadísticos y modelosdeterministas (gura 3.5).Los modelos estadísticos se basan en las relaciones esta-dísticas existentes entre los datos históricos y las medicio-nes disponibles, en tanto que los modelos deterministas lohacen en una descripción matemática de los procesos at-mosféricos, estableciendo una relación causa (emisiones)–efecto (contaminación del aire) (Zanneti, 1990; Seinfeld yPandis, 1998).

Un ejemplo de un modelo estadístico es el pronósticode la concentración de un contaminante como una funciónestadística de las mediciones actuales disponibles y de sus

F . I

M• Campos de viento• Temperatura• Humedad relativa• Otros

E• Parámetros de emisión• Parámetros de chimeneas• Patrones espacial y

temporal de emisiones• Otros

T• Características del terreno• Uso del suelo• Elevación del terreno• Otros

M

Q • Mecanismos de

reacción

C


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tendencias históricas. Por otra parte, un ejemplo de un mo-delo determinista es un modelo de difusión, en el cual lasconcentraciones ambientales de los contaminantes se calcu-lan a partir de la simulación de los procesos atmosféricos,utilizando como insumos la información sobre la fuente deemisión (por ejemplo, tasas de emisión) y su entorno (porejemplo, parámetros meteorológicos y topografía).

Los modelos deterministas son los más importantes paraaplicaciones prácticas dado que, si son apropiadamente cali-brados y usados, proporcionan una relación conable entrela fuente de emisión de contaminantes y las áreas receptoras(o de impacto). Dicho en otras palabras, solamente un mo-delo determinista puede evaluar la fracción con la que cadafuente emisora participa en las concentraciones ambienta-les de cada contaminante en el área receptora o de impacto,permitiendo así el diseño o la evaluación de estrategias decontrol de emisión (Zannetti, 1990).

Los modelos atmosféricos deterministas pueden clasi-carse de diferentes maneras de acuerdo con el criterio que

F . T

M

EstadísticosDeterminantes

Eulerianos Lagrangianos

Trayectoria Gaussianos


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La concentración de los contaminantes en cada celda se esti-ma a intervalos especícos de tiempo, tomando en cuenta lainformación sobre campos meteorológicos tridimensionales,así como las concentraciones iniciales de los contaminantes,las emisiones, el transporte, la dilución y las transformacio-nes químicas. La aplicación de estos modelos resulta más con-veniente cuando existen patrones complejos de emisión (porejemplo, numerosas y diversas fuentes de emisión, dispersasen un área geográca amplia), o cuando los procesos de trans-formación química desempeñan un papel relevante en la ge-neración y el destino de los contaminantes (por ejemplo, paracontaminantes secundarios). En general, cuando se cuentacon información sucientemente detallada sobre el inventa-rio de emisiones, la calidad del aire y la meteorología, estosmodelos pueden aplicarse para evaluaciones detalladas de lacalidad del aire, urbanas o regionales.

Algunos ejemplos de modelos eulerianos son los siguien-tes: elUrban Airshed Model-UAM (Reynoldset al., 1973; Tes-che y McNally, 1991); el Multiscale Climate Chemistry Model- MCCM (Grellet al., 2000); elComprehensive Air Quality Modelwith Extensions–CAMx (Environ Inc., 2005); elTird Genera-tion Air Pollution modeling System–Models3 (EPA, 1999); y elRegional Acid Deposition Model–RADM (Changet al., 1987).

Los modelos lagrangianos se caracterizan por hacer usode un sistema de referencia que se ajusta al movimiento at-mosférico. Es decir, tanto las emisiones y reacciones, comola remoción y el mezclado de los contaminantes, se analizanpara un volumen de aire que va cambiando su posición deacuerdo con la velocidad y la dirección del viento –y no parauna región entera, como en los eulerianos. Con este esque-ma general, los modelos lagrangianos se pueden clasicar en


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modelos detrayectoria y modelos gaussianos, de acuerdo conla geometría del sistema de modelación. Los procesos antesmencionados se pueden simular para una columna hipoté-tica de aire, como en los modelos de trayectoria; cuando lasimulación se hace para una pluma de emisión, continua odiscreta (como paquetes comúnmente llamados “puffs”), setrata de modelos gaussianos.

En los modelos de trayectoria se dene una columnahipotética de aire que se desplaza bajo la inuencia de losvientos dominantes, y se asume que no hay intercambiode masa entre la columna y sus alrededores, excepto porlas emisiones que ingresan a la columna por la base duran-te su recorrido (Seinfeld y Pandis, 1998). La columna semueve continuamente, de tal forma que el modelo estimala concentración de los contaminantes en diferentes luga-res y momentos a partir de las concentraciones iniciales, lasemisiones y las transformaciones químicas. Su aplicaciónes recomendable en evaluaciones de la calidad del aire queconsideren el transporte a grandes distancias, para modelarel comportamiento de masas individuales de aire, e inclusopara evaluar la calidad del aire en casos donde existan limi-taciones de información para caracterizar las emisiones y lameteorología de una región completa.

Entre estos modelos se encuentran elCalifornia Institu-te of echnology Model-CI , versión de trayectoria (MaRaeet al., 1982 y Russellet al., 1998); elHybrid Single ParticleLagrangian Integrated rajectory Model–HYSPLI (NOAA,2005); y el Advanced Statistical rajectory Regional Air Pollu-tion Model–AS RAP (Shanon, 1985 y ANL, 1996).

Finalmente, en los modelos gaussianos se describe eltransporte y la mezcla de los contaminantes asumiendo que


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las emisiones presentan, en las direcciones horizontal y ver-tical, una distribución normal o de curva gaussiana, con unaconcentración máxima en el centro de la pluma. General-mente estos modelos se aplican para evaluar la dispersiónde contaminantes provenientes de fuentes puntuales, aun-que en ocasiones también se aplican para simular emisionesde fuentes de área y de línea. Otra característica de este tipode modelos es que normalmente son aplicados para evaluarla dispersión de contaminantes primarios no reactivos, aun-que existen versiones que incluyen en su formulación consi-deraciones especiales para poder simular procesos de remo-ción y transformación química.

Algunos ejemplos de modelos guassianos son el Indus-trial Source Complex–ISC (EPA, 1995a); el AMS/EPA Regu-latory Model–AERMOD (EPA, 2002); elCALPUFF-CALME (Scireet al., 2000); elVersatile Dispersion Model for Predicting Air Pollutant Levels Near Highways and Arterial Streets-CALI- NE3 (Benson, 1979); elSCREEN3 (EPA, 1995b); y elComplex

errain Dispersion Model Plus Algorithms for Unstable Situa-tions–C DMPLUS (EPA, 1989).

En general, los modelos lagrangianos se han utilizadopara las evaluaciones del riesgo a la salud asociadas conemisiones de fuentes individuales, siendo el modelo CAL-PUFF uno de los más ampliamente usados (Levyet al.,2002; Zhouet al., 2003). En este modelo las emisiones setratan como “puffs” –o paquetes– que experimentan pro-cesos de transformación química al mismo tiempo que sevan desplazando a través de un campo meteorológico tri-dimensional.


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3.2.3 Criterios para seleccionar y aplicar un modelo

La decisión sobre el modelo más adecuado a utilizar en unestudio especíco depende de varios factores, entre losque se pueden mencionar los siguientes (IPN, 1988; EPA,1997a):

a) El problema a resolver: depende en gran medida de si seanalizará la dispersión de un contaminante primario osecundario; si el contaminante es reactivo o no reactivo;si se estudiarán las emisiones de una o varias fuentes.

b) La extensión geográfica del área de estudio: se debe deconsiderar el que haya transporte de corto o de largo al-cance; el que se cuente con información suficiente paracaracterizar la meteorología, la topografía y las emisio-nes de una zona industrial, de un valle o de una ciudad.

c) La complejidad topográfica y meteorológica del área deestudio: en este sentido es fundamental analizar las ca-racterísticas de la topografía (plana o accidentada) y de lameteorología, en cuanto a que sea posible caracterizarlaadecuadamente con datos de superficie, o si se requierendatos de altura.

d) El grado de detalle y la exactitud requeridos para el aná-lisis: es necesario decidir si los resultados deben de teneruna resolución espacial de unos cuantos kilómetros o deuna región completa.

f) Los recursos técnicos y humanos disponibles: estas con-sideraciones prácticas incluyen las características delequipo de cómputo (alta o baja capacidad de memoria yprocesamiento), y la experiencia del personal, tanto en laaplicación de modelos, como en el procesamiento de los


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datos que se utilizan como insumos para los modelos yen la interpretación de los resultados de la simulación.

g) El detalle y la calidad de las bases de datos disponibles(insumos): es indispensable analizar el tipo de insumoscon que se cuenta, como son los datos de las emisiones(para una sola fuente o para una región completa), laconfiabilidad, el grado de detalle y la precisión de la in-formación disponible.

. E :

A L M ,T , V

A continuación se describen la metodología y los resultadosobtenidos de la simulación de la dispersión de contaminan-tes provenientes de la central termoeléctrica Adolfo LópezMateos. Para la descripción metodológica se incluye la eta-pa de modelación exploratoria, con el modelo de dispersiónSCREEN3 (Schultz, 1991), y la aplicación del sistema de mo-delación CALMET-CALPUFF (Earth Tech Inc., 2000).

En la primera etapa del estudio se aplicó el modeloSCREEN3 para hacer una valoración exploratoria de los po-sibles impactos de las emisiones provenientes de la plantatermoeléctrica.

SCREEN3 es una herramienta de modelación simplica-da y de fácil uso, que incorpora factores de la fuente y meteo-rológicos, para calcular la concentración de algunos conta-minantes provenientes de fuentes con emisiones continuas.Se asume que el contaminante no experimenta ninguna re-acción química y que ningún proceso de remoción (húmeda


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o seca) actúa sobre la pluma durante el transporte desde lafuente. Dadas estas características, SCREEN3 se usa comoun modelo de primera aproximación para determinar si unafuente de emisión afecta la calidad del aire en la región don-de se ubica. Si los resultados indican que las emisiones de lafuente evaluada pueden contribuir de manera signicativaal deterioro de la calidad del aire en su entorno, entoncesse recurre a procedimientos de modelación más complejospara tener una caracterización más precisa de la relaciónemisión-calidad del aire en la zona que se estudia.

Los resultados de la aplicación del modelo SCREEN3a la planta termoeléctrica de Tuxpan revelaron que lasemisiones de dicha planta podrían llegar a representar unproblema de calidad del aire en las localidades circunveci-nas. Mientras que la concentración máxima de SO2 podríallegar a alcanzar valores equivalentes a seis veces el va-lor de la norma de calidad del aire para este contaminante(0.13 ppm como promedio de 24 horas, de acuerdo conla NOM-022-SSA1-1993; DOF, 1994b), la concentraciónmáxima de las partículas suspendidas menores de 10 mi-cras (PM10) resultó ser muy cercana al valor de la normarespectiva (120 µg/m3 como promedio de 24 horas, segúnla NOM-025-SSA1-1993; DOF, 2005). En ambos casos, lasconcentraciones máximas se estimaron a distancias ma-yores de 4 km con respecto a la fuente. Estos resultadoscondujeron a la aplicación de una herramienta de mode-lación más detallada, como es el sistema CALMET-CAL-PUFF, para caracterizar los patrones de dispersión y lasconcentraciones ambientales de las PM2.5, primarias y se-cundarias, asociadas con

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