INTRODUCCIÓN

Las altas concentraciones de material particulado respirable (PM₁₀, material particulado con diámetro aerodinámico ≤ 10 (μm) y material particulado fino (PM_2.5, material particulado con diámetro aerodinámico ≤ 2.5 (μm) en ciudades del centro-sur de Chile se deben principalmente al uso intensivo de leña como fuente de calefacción residencial (^{Gómez-Lobo 2005}). Rancagua forma parte de la zona del Valle Central de la región de OHiggins, declarada "zona saturada"¹ por material particulado respirable (PM₁₀) en el año 2009, donde la combustión residencial de biomasa es responsable de gran parte de las emisiones de PM₁₀.

El aumento en los niveles ambientales de material particulado está relacionado directamente con un incremento en la mortalidad y morbilidad de la población expuesta, principalmente en las personas mayores a 65 años (^{Sanhueza et al. 2009}). ^{Rezaie y Rosen (2012)} proponen la calefacción distrital como una alternativa para solucionar los principales problemas de la sociedad moderna, como el suministro de energía, el precio de los combustibles y la calidad del aire. ^{Torchio et al. (2009)} determinaron que el sistema de calefacción distrital presenta mejores eficiencias y una reducción en un 55 % en las emisiones de material particulado, respecto a la calefacción residencial.

Según ^{Lund et al. (2010)} la calefacción distrital juega un papel importante en el uso de energías renovables. Por ejemplo. ^{Ghafghazi et al. (2010)} analizaron las diferentes fuentes de energías renovables con un enfoque multicriterio en el que compararon diferentes alternativas como posibles fuentes de energía para un distrito en Vancouver, Canadá. La biomasa como energético presentó los mejores resultados, bajo costo de capital, bajo riesgo en la producción y bajas emisiones de gases de efecto invernadero. La leña es una parte importante de la matriz energética residencial en Chile, alcanzando un potencial de entre un 30 % y 40 %, pero el uso de leña de mala calidad, equipos ineficientes y bajo conocimiento de los usuarios, genera los diversos problemas ambientales (^{Burschel et al. 2003}).

Diversos estudios han analizado la rentabilidad de la calefacción distrital. ^{Reidhav y Werner (2008)} estudiaron la rentabilidad urbana en lugares poco poblados, para ello analizaron 74 zonas con 3227 viviendas unifamiliares en Gotemburgo, Suecia. Sus resultados indicaron que la posibilidad de obtener bajos costos depende de una menor inversión en las viviendas, alta densidad de demanda, un precio competitivo en el mercado y una menor exigencia en la tasa de rentabilidad. ^{Zvingilaite (2011)} analizó el sistema energético danés de la electricidad y la calefacción, encontró que es más económico para la sociedad incluir las externalidades de los contaminantes locales en la planificación del sistema que pagar daños futuros, ya que los costos a la salud disminuyen en un 18 % y los costos totales del sistema un 4 %, cuando las externalidades son incluidas.

Uno de los principales problemas que enfrenta la calefacción distrital es el nivel de aceptación del sistema en los hogares. ^{Nilsson et al. (2008)} estimaron que los sistemas de calefacción distrital en ciudades poco pobladas requieren un nivel de inserción superior al 70 % para que sean rentables. Ciudades más grandes y con mayor densidad de población son más atractivas para implementar sistemas de calefacción distrital, ya que presentan una mayor aceptación del sistema y menores costos unitarios de inversión (^{Agrell y Bogetoft 2005}, ^{Persson y Werner 2011}).

^{Mahapatra y Gustavsson (2009)} estudiaron cómo motivar a hogares suecos para adoptar el sistema de calefacción distrital en la ciudad de Óstersund. Inicialmente el 84 % de los propietarios de viviendas no tenían la intención de cambiar su sistema actual de calefacción, posteriormente una campaña de marketing y subsidio en la inversión logró que el 78 % decidiera adoptar el sistema de calefacción distrital.

En este estudio se propone un sistema de calefacción distrital con base en la biomasa para la ciudad de Rancagua, como alternativa para la reducción de las emisiones y concentraciones de material particulado en la zona urbana de la ciudad. El análisis compara los costos y beneficios sociales de la calefacción distrital respecto al escenario actual. Los costos son calculados mediante un análisis técnico y los beneficios son estimados como costo evitado en enfermedades y mortalidad debido a la reducción de la concentración ambiental de PM_2.5 sobre la población, más lo ingresos por venta de calefacción. Además de la calefacción distrital, existen otras opciones para la calefacción residencial, por lo que este estudio ayuda a comparar diferentes opciones de calefacción para la reducción de concentraciones ambientales de material particulado. Los resultados pretenden favorecer la toma de decisiones frente a los problemas ambientales debido a la calefacción residencial por leña y fijar los parámetros técnicos y económicos necesarios para la implementación de un sistema de calefacción distrital en una ciudad de la zona central de Chile.

MATERIAL Y MÉTODOS

Zona de estudio

La zona de estudio abarca un total de 1826 viviendas ubicadas al sureste de la ciudad de Rancagua, los cuales se agruparon en tres tipos de viviendas con necesidades de calefacción según el nivel de aislación, el tamaño, el nivel socioeconómico y el valor de las viviendas (Cuadro I). Los requerimientos de energía fueron estimados según ^{Bustamante et al. (2009)}, que consideran una temperatura de confort de 20 ^°C para el día y 17 ^°C para la noche al interior de las viviendas, en cuanto al agua caliente sanitaria (ACS) se estima un consumo de 160 L diarios a una temperatura de 45 ^°C.

Los requerimientos de calor de una vivienda es importante para el diseño del sistema de calefacción distrital, pues la carga punta definirá las dimensiones de las cañerías, las calderas y los equipos al interior de las viviendas.

Grado de conexión

La inserción del sistema de calefacción distrital es importante, sobre todo cuando los posibles clientes no están obligados a conectarse a la red, ya que los costos de inversión en la caldera y las tuberías, además de las pérdidas del sistema, dependen en gran medida de la cantidad de hogares (clientes) conectados.

Por lo que un número mínimo de hogares es necesario para el funcionamiento del sistema propuesto. En este estudio se modelaron 10 escenarios de inserción, desde 10 % hasta 100 % de viviendas conectadas.

Análisis técnico

La operación del sistema se rige por la ley de conservación de energía (1). El periodo de tiempo i en el cual ocurra la carga punta se utiliza para determinar la dimensión y diseño del sistema.

Donde Q_caldera,i corresponde al calor suministrado por la caldera a biomasa, C_p calor específico del agua, m_i es el flujo de masa, _{^{T °} s,i} la temperatura de suministro de agua caliente (115 ^°C), _{^{T °} r,i} la temperatura de retorno de agua caliente (70 ^°C), Q_perdida,i el calor perdido en la red de distribución y P_bomba,i la potencia necesaria para distribuir el fluido a los consumidores, energía que se disipa en forma de calor (^{Sipila et al. 2005}).

El tamaño del sistema de calderas debe ser capaz de cubrir la demanda punta, que se despeja del balance de la ecuación (2), la principal desventaja del diseño es que gran parte del tiempo, el sistema opera a carga parcial lo que genera una combustión inestable y mayores emisiones (^{Vallios et al. 2009}). Una solución sería operar con dos calderas a biomasa, una base y otra punta, además de una caldera de respaldo a gas para hacer frente a cualquier falla o para mantener los equipos principales. La potencia de la caldera base está dada por la carga promedio del sistema.

Donde Q_total corresponde a la demanda anual de calefacción y t al tiempo de funcionamiento anual (horas). La eficiencia de las calderas se supone de un 84 % (^{Saidur et al. 2011}).

La red de suministro representa una inversión importante del sistema de distribución de calor. La red incluye la tubería principal, la cual entrega calor a los barrios o conjuntos de viviendas y la tubería secundaria que distribuye calor a cada una de las viviendas conectadas. Las dimensiones de las cañerías fueron dadas según los caudales máximos admisibles que se muestran en cuadro II.

El diámetro de las tuberías debe ser capaz de transportar el caudal de la carga punta, pero en la práctica es improbable que todas las viviendas se conecten de manera simultánea. Se utilizó un factor de simultaneidad para evitar sobredimensionar las tuberías, el cual fue determinado según la ecuación (3) (^{Saidur et al. 2011}, ^{Dalla Rosa et al. 2012}):

Donde N_j representa el número de consumidores en el segmento de cañería j.

La ruta crítica y las necesidades de bombeo del sistema fueron definidas considerando al cliente que está sometido a la mayor caída de presión. Además, se dispone de una bomba de respaldo en caso de falla, donde la potencia (W) de dicha bomba se calcula mediante la siguiente ecuación:

Donde n_bomba 80 % de eficiencia de la bomba (^{Pirouti et al. 2013}).

Donde AP_c representa la caída de presión en la subestación de vivienda, la cual se considera de 50 kPa (^{Skagestad y Mildenstein 2002}), AP_rc es la caída de presión en la ruta crítica, que corresponde al cliente con la mayor caída de presión y se puede calcular con la ecuación (6) de Darcy-Weisbach:

Donde d_in corresponde al diámetro interno de la tubería (m), l_rc es el largo de la tubería crítica (m), m_rc es el flujo de masa en la ruta crítica (kg/s).

El coeficiente de fricción (ξ) para cada tubería de la ruta crítica se calcula mediante la estimación de Swamee-Jain, con la siguiente expresión:

Donde el Reynolds (Re) se estima:

Donde los parámetros se consideran constantes a 90 ^°C, densidad del agua p = 965.25 kg/m³, la rugosidad de las cañerías ε = 0.000045 m, la viscosidad dinámica μ ≈ 0.000315 Ns/m².

Las pérdidas de calor se determinaron utilizando la siguiente ecuación:

Donde Ts, Tr representa la temperatura de suministro y retorno respectivamente, T_suelo la temperatura del suelo, correspondiente al promedio anual para la zona de 11.9 ^°C según la información de la NASA², conductividad del aislante del tubo λ = 0.024 W/mK, (D_ex,j, D_in,j ) los diámetros externos e interno (m) del tubo aislado j.

Estimación de costos

Una vez determinada las dimensiones del proyecto se estiman los costos de inversión, los costos de operación y mantenimiento considerando los siguientes supuestos:

Costo de inversión

Los costos en la inversión dependen de la cantidad de energía suministrada y del número de viviendas conectadas al sistema. Los gastos corresponden principalmente al sistema de calderas de generación y de respaldo, bomba de impulsión del fluido, construcción de la red de calefacción, equipos de acondicionamiento de las viviendas y algunos estudios previos.

Donde N es el número de viviendas conectadas al sistema de calefacción distrital en la zona de estudio, el cual varía para cada escenario.

C_distrital corresponde al costo de inversión en millones de pesos chilenos (MMCh$) por cada vivienda conectada, N representa el número de viviendas, C_calderas es el costo del sistema de calderas en el cual se considera una caldera base y una de carga punta de biomasa, además de una caldera de gas de respaldo. La estimación mediante la ecuación (11) considera una caldera nominal de biomasa de 3000 kW, junto a todos los equipos auxiliares, ventilador y extractor de aire, alimentador, precipitador electrostático (control de emisiones de material particulado) e instalación, con una inversión de 400 000 € (^{Vallios et al. 2009}), para el año 2013 se ajusta a un valor de 297.76⁵ MMCh$. La caldera de gas se estima con un valor nominal 4.64 veces menor al de una caldera de biomasa de la misma capacidad (^{Saidur et al. 2011}).

La inversión en el terreno se estima en 50 MMCh$ para la instalación de la central de calor.

C_bombas corresponde al costo del sistema de bombas, la cual considera dos bombas en caso de falla o de mantenimiento, el costo de cada una se estimó mediante la ecuación (12) y tomando una bomba nominal de 50 HP con un costo de 4000 € (^{Vallios et al. 2009}), así el costo para el 2013 es de 2.98 MMCh$.

La inversión en la red de suministro (C_red) depende de los diámetros de tuberías y del tipo de terreno. El costo de accesorios y de mano de obra (MO) se estimó en 30 % del costo de la tubería (^{Yildirim et al. 2010}), cuyos valores se muestran en el cuadro III.

Los estudios previos como el ingeniería del detalle, los estudios de mercado y el plan de inversión, que forman parte del gasto inicial (C_otros), son de 2.82 % del total de inversión (^{Vallios et al. 2009}).

C_vivienda es la inversión necesaria para adaptar las viviendas al sistema de calefacción distrital (Cuadro IV), los equipos principales corresponden al intercambiador de calor, radiadores, bomba de recirculamiento y acumulador de agua caliente sanitaria (AACS).

Costo de operación y mantenimiento

Corresponden principalmente a los costos anuales de combustible (biomasa), energía eléctrica y mantenimiento de la red de distribución:

Reducción de concentraciones

Para estimar el beneficio ambiental se estimó el impacto en la calidad del aire debido a la disminución de las emisiones de material particulado fino (PM_2.5) a través del cambio de los actuales calefactores de leña por un sistema de calefacción distrital, en el cual se mantienen las emisiones controladas. Para ello se utilizó el modelo de dispersión de calidad del aire CALPUFF. El modelo CALPUFF es reconocido por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (USEPA) y es utilizado con fines regulatorios para evaluar el impacto de emisiones atmosféricas bajo condiciones de topografía y meteorología compleja.

El modelo CALPUFF requiere de información meteorológica la cual es procesada mediante el modelo CALMET que genera los campos tridimensionales de vientos y temperaturas, al igual que campos bidimensionales de estabilidad atmosférica y de altura de la capa de mezcla, mediante la topografía, el uso de suelo y la meteorología local. Por su parte CALPUFF consiste en un modelo Lagrangiano de dispersión que permite simular el transporte advectivo y difusivo de una sustancia de interés para predecir su impacto en la concentración ambiental.

Las emisiones de PM_2.5 se modelaron considerando que un 60 % de las viviendas actuales utilizan calefactores de leña con un consumo de 1589 ton/año (^{EULA-UDEC 2010}) con lo que se emiten 43.0 ton PM_2.5/año. Asimismo, se estableció una relación lineal entre emisiones y concentraciones para evaluar los cambios en estas concentraciones frente a una variación en las emisiones de material particulado.

Donde E corresponde a las emisiones del contaminante (PM₁₀ y PM_2.5) y C a las concentraciones del contaminante emitido.

Estimación de beneficio

La estimación de beneficios ambientales se realizó de acuerdo con la metodología para la elaboración de AGIES (Análisis General del Impacto Económico y Social), en la norma de calidad para PM_2.5 utilizada por el Ministerio del Medio Ambiente de Chile, la cual se resume en el esquema de la figura 1. La evidencia recomienda evaluar los efectos que posea una asociación causal con las concentraciones de PM_2.5.

Para calcular los efectos a la salud de los cambios de concentración ambiental de PM_2.5 se utilizó la siguiente ecuación:

Donde:

es el cambio en el número de efectos i debido al cambio de concentraciones del contaminante k en la población j.

es el coeficiente de riesgo unitario del efecto i en la subpoblación j producto del contaminante k.

Δ _^Ck es el cambio de concentración del contaminante k.

es el número de personas del grupo j que está expuesta al contaminante k.

IR _ij es la tasa incidencia del efecto i en la población j.

Al linearizar la expresión anterior, queda la siguiente expresión:

El términox IR _ij corresponde simplemente al número de casos del efecto i, el cual se obtuvo del Instituto Nacional de Estadística (INE). Los casos son valorizados según el criterio de costo evitado en enfermedades y mortalidad prematura (Cuadro V).

Los beneficios económicos por la producción de calefacción son valorados según la alternativa que presenta el menor costo, esto es mediante el uso de calefactores de leña y para el agua caliente sanitaria producida por gas, con un costo de 49.08 Ch$/kWh.

Análisis costo-beneficio

El análisis costo-beneficio se utiliza para la comparación de los beneficios sociales y los costos del proyecto de calefacción distrital. Gran parte de las inversiones y gastos del proyecto ocurren en los primeros años, mientras que los beneficios en la reducción de las concentraciones ambientales del material particulado ocurren en el futuro. En este sentido se consideran los costos y beneficios anualizados, considerando una tasa de descuento social de 6 % y una vida útil de 30 años (^{Reidhav y Werner 2008}). Un indicador mayor que 1 refleja que el proyecto genera beneficios que superan a los costos, lo que genera un mejor escenario para la sociedad.

VP valor presente de los costos, C_i corresponde al costo del periodo i, r es la tasa de descuento de un 6% y n es la vida útil del proyecto, el cual considera un tiempo de 30 años (^{Reidhav y Werner 2008}).

El análisis de costo-efectividad es otro indicador utilizado con el fin de cuantificar el costo por emisiones (Ch$/ton) y/o concentraciones (Ch$/(μg/m³⁾ reducidas, con este análisis se pueden hacer comparaciones respecto a otras tecnologías o medidas para propiciar la reducción de concentraciones del matrial particulado.

ANÁLISIS Y RESULTADOS

Costos del sistema de calefacción distrital

El sistema de calefacción distrital considera los costos de inversión, entre ellos: sistemas de caldera, red de distribución y adaptación en las viviendas. La red de distribución tiene una extensión de 5 317 m en la parte primaria y 9 234 m de tuberías secundarias. La figura 2 presenta costos de inversión por vivienda decrecientes a medida que aumenta el grado de inserción de la calefacción distrital en los hogares.

La figura 3 muestra una comparación de los costos de la unidad de energía entregado para satisfacer las necesidades de calefacción y agua caliente sanitaria⁸ mediante diferentes alternativas energéticas. Los resultados muestran que la calefacción + ACS entregadas por un sistema distrital presenta menores costos que otras alternativas cuando se alcanzan niveles de inserción superior al 70 %.

Reducción de concentraciones ambientales

La figura 4 muestra las concetraciones de PM₁₀ para el escenario actual, el sistema de calefacción distrital tiene el potencial de reducir el 99.9 % de las concentraciones en la zona de estudio.

Las concentraciones ambientales generadas por la combustión residencial de leña en la zona de estudio afecta a 31 651 habitantes de la ciudad de Rancagua, con valores promedios anuales de 5.79 μg/m³ de PM₁₀ y 5.55 μg/m³ de PM_2.5.

Análisis costo-beneficio y costo-efectividad

Los beneficios sociales estimados debido a la reducción de concentración de material particulado fino (PM_2.5) pueden alcanzar los 2479 MMCh$ anuales, donde las muertes evitadas por la reducción de PM_2.5 son las que generan el mayor impacto en los beneficios.

Los resultados del análisis (Cuadro VI) muestran que los beneficios sociales superan a los costos del proyecto en todos los escenarios de inserción del sistema de calefacción distrital. El análisis costo-efectividad permite comparar diferentes medidas para la reducción de emisiones de material particulado, en el cuadro VII se comparan alternativas de subsidio a la oferta y la demanda de leña seca, diferentes niveles de recambio tecnológico y cambio de alternativas de calefacción por otras menos contaminantes.

Si bien la alternativa de calefacción distrital es la que presenta los mayores costos por reducción de emisiones, es la que genera un mayor impacto, garantizando una reducción del 99.9 % De las emisiones de PM10 y PM2.5. Internalizar los costos de los sistemas de calefacción mejora la competitividad del sistema de calefacción distrital (^{Zvingilaite 2011}).

Análisis de incertidumbre

Variación de la inversión

La inversión en el sistema de calderas y en la red de tuberías para la distribución de calor fue determinada según estudios realizados en otros países, lo que podría tener diferencias con los costos de Chile. Un aumento de 10 % en la inversión genera un alza en los costos por unidad producida de 5 %.

Desconexión

La desconexión reduce la demanda de calor por debajo de las condiciones de diseño generando mayores costos para el sistema, además de menores beneficios a los esperados ante una posible migración hacia alternativas más contaminantes. En el cuadro VIII se muestra la relación costo-beneficio del sistema de calefacción distrital considerando distintos escenarios de inserción y desconexión.

Alternativas más económicas y disconformidad del servicio contratado pueden ser los motivos para la desconexión, por lo que es importante que el costo de la calefacción distrital sea atractivo frente a las opciones actuales.

Variación en la demanda

Se consideraron varios supuestos en la estimación de la demanda de calefacción distrital, como los niveles de aislamiento térmico, el comportamiento de los clientes y el confort térmico al interior de las viviendas. El estudio "Consultoría medidas para el control de la contaminación por combustión residencial de leña" (^{EULA-UDEC 2010}) estimó un consumo de leña anual promedio de 1756 kg/año por vivienda (4646 kWh/año), menor a los requerimientos estimados para este estudio, lo que puede deberse a que las viviendas seleccionadas en este trabajo no necesariamente pueden corresponder a una vivienda media de la ciudad o podrían encontrarse en un estado inferior al confort térmico supuesto de 20 °C, lo que afecta la densidad de demanda estimada y genera mayores costos por unidad producida (Fig. 5).

La figura 5 muestra cómo la calefacción distrital pierde competitividad a menores demandas de calor, esto se explica por una menor utilización de la inversión inicial, por lo que una mayor demanda es importante para mantener la competitividad en costos de esta calefacción distrital.

CONCLUSIONES

El objetivo de este estudio fue analizar los costos y beneficios sociales de un sistema de calefacción distrital en la ciudad de Rancagua para disminuir los problemas de la calidad del aire que se deben principalmente por el uso intensivo de leña como fuente de calefacción residencial. Los resultados muestran que la calefacción distrital es una alternativa que genera beneficios a la sociedad, que supera a los costos de implementación y operación, lo que la ubica como una opción atractiva para la descontaminación de zonas urbanas. La opción de calefacción distrital para 1826 viviendas tiene un impacto potencial de reducir 5.5 μg/m³ de PM_2.5 en un área de población de 31 651 personas con un beneficio social evaluado en 2479 MMCh$ anuales. Desde una perspectiva costo-efectividad, la calefacción distrital presenta altos costos frente a alternativas como la fiscalización, regulación y subsidio a la leña seca. Sin embargo, el impacto que genera en las concentraciones es significativo dado que tiene un potencial para reducir el 99.9 % de las emisiones y concentraciones ambientales de PM_2.5.

El grado de inserción de la calefacción distrital en la población es relevante para los costos y pérdidas del sistema, que son decrecientes respecto al grado de conexión. Escenarios por sobre 70 % son deseables para mejorar la competitividad de los sistemas de calefacción distrital respecto a otras opciones tradicionales de calefacción. Por lo anterior, la prohibición del uso de leña para calefacción en los hogares favorecería la implementación de la calefacción distrital con biomasa vegetal.