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Revista internacional de contaminación ambiental

versión impresa ISSN 0188-4999

Rev. Int. Contam. Ambient vol.33 no.2 México may. 2017

https://doi.org/10.20937/rica.2017.33.02.13 

Artículos

ESTIMACIÓN DE EMISIONES DE MERCURIO EN LAS PLANTAS CARBOELÉCTRICAS DE MÉXICO

ESTIMATION OF MERCURY EMISSIONS IN THE CARBOELECTRIC PLANTS OF MEXICO

Rodolfo Sosa Echeverría1  * 

Humberto Bravo Alvarez1 

Gilberto Fuentes García1 

Sergio Rosas de Alva2 

Elías Granados Hernández1 

Pablo Sánchez Alvarez1 

1Centro de Ciencias de la Atmósfera, Universidad Nacional Autónoma de México. Circuito Exterior, Delegación Coyoacán, Ciudad Universitaria. Ciudad de México, México, C. P. 04510.

2Subdirección de Generación, Comisión Federal de Electricidad. Don Manuelito 11, Olivar de los Padres, Delegación Álvaro Obregón, Ciudad de México, México, C. P. 01780


RESUMEN

Reducir las emisiones de mercurio en la atmósfera es uno de los acuerdos tomados en la Convención Internacional de Minamata, llevada a cabo en Kumamoto Japón en 2013. Ante este compromiso se estableció como objetivo principal de este estudio la estimación de la variación temporal mensual de las emisiones de mercurio por unidad de generación para cada una de las tres carboeléctricas en México, durante los años 2012 y 2013. Las emisiones se estimaron con base en el procedimiento de la Agencia de Protección Ambiental de los EUA (USEPA), a partir del contenido de mercurio en el carbón y aplicando factores de emisión, conociendo el consumo real del combustible. Los resultados muestran que la mayor emisión se presentó en la carboeléctrica localizada en Petacalco, Guerrero, siendo la unidad de generación número siete la que tuvo una mayor emisión. Además, en todos los casos fue durante el verano cuando una mayor cantidad de mercurio fue emitido debido a un mayor requerimiento de energía eléctrica. Este estudio es importante como herramienta preliminar en la toma de decisiones en el proceso de prevención, minimización y control de contaminantes tóxicos, que se alinea con los acuerdos internacionales para la protección del ambiente y de la sociedad.

Palabras clave: carbón; contaminación atmosférica; contaminantes atmosféricos tóxicos; factores de emisión; generación de electricidad

ABSTRACT

To reduce mercury emissions in the atmosphere is one of the agreements reached at the International Convention of Minamata, held in Kumamoto, Japan in 2013. In view of this commitment the main objective of this study was estimating monthly temporal variation of mercury emissions per generation unit for each of the three coal-fired power plants in Mexico during the years 2012 and 2013. Emissions were estimated based on the method of the US Environmental Protection Agency (USEPA), from mercury content in coal and emission factors, knowing the actual fuel consumption. The results show that the greatest emission was presented in the coal-fired power plant located in Petacalco, Guerrero, with the generating unit number seven presenting the major emissions. Furthermore, in all cases it was during the summer when a major amount of mercury was emitted due to a large requirement of electricity. This study is important as a preliminary tool for decision making in the process of prevention, minimization and control of toxic pollutants, which contribute to international agreements for the protection of the environment and society.

Key words: coal; atmospheric pollution; toxic air pollutants; emission factors; electricity generation

INTRODUCCIÓN

El Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA 2013), en el artículo número ocho del Convenio Internacional de Minamata, indica que hay que controlar y cuando sea posible reducir las emisiones de mercurio (Hg) y sus compuestos a la atmósfera, a través de medidas para examinar las emisiones de las fuentes puntuales. Esto debido a que el Hg es reconocido como una sustancia que produce efectos sobre la salud afectando el sistema nervioso central y otros daños significativos, con preocupación particular por sus efectos en los niños aún no nacidos y los lactantes (OMS 2013).

Además, el transporte atmosférico de Hg en el ambiente y su capacidad de bioacumularse en los ecosistemas fue una razón clave para tomar la decisión global que haga frente al problema de la contaminación por mercurio (IPEN 2015).

Los riesgos de la contaminación por Hg han atraído sin duda un creciente interés de los organismos internacionales a nivel mundial en los últimos años, principalmente por las centrales carboeléctricas (Zhou et al. 2013), que emiten una gran cantidad de compuestos tóxicos como el Hg, Arsénico (As) y Selenio (Se) (Tian et al. 2007), siendo el Hg uno de los contaminantes más importantes emitidos a la atmósfera, agua y tierra (Glogek y Pacyna 2009).

Las carboeléctricas sin sistemas de control no sólo emiten Hg elemental gaseoso, sino también grandes cantidades de Hg adherido a partículas y Hg oxidado, observándose en un estudio en los Estados Unidos de América (EUA), que más del 70 % del Hg asociado al depósito atmosférico húmedo proviene de centrales carboeléctricas, aumentando la cantidad de metilmercurio ENT#091;CH3HgENT#093;+ en lagos y ríos cercanos (IPEN 2015). Con base en la información del documento denominado Revisión Estadística de Energía Mundial, (SRWE, por sus siglas en inglés 2014), el consumo de carbón a nivel mundial en los últimos diez años (2003-2013) presentó una tasa media de crecimiento anual (tmca) del 3.8 % y para el caso de México fue del 4.3 %.

En un estudio realizado por Mugica et al. (2003) sobre el contenido de Hg en cenizas de una carboeléctrica y una petroquímica, se indica que las concentraciones entre los lotes de cenizas muestran grandes variaciones en el contenido del contaminante. Lo anterior puede deberse a la frecuencia de limpieza de las cámaras de combustión, ya que en ocasiones las cenizas permanecen más tiempo propiciando la mayor acumulación de Hg.

Por otro lado, la capacidad efectiva total de generación de energía eléctrica en México para el año 2003 fue de 44 561 mega watts (MW) y para el año 2013 se ubicó en 53 497 MW, es decir, presentó una tmca en el periodo 2003-2013 del 1.8 %. Para el caso de las carboeléctricas no varió su capacidad ubicándose en 2600 MW (SENER 2015a). El consumo de energía del sector eléctrico se basó principalmente en combustibles fósiles, de 22 termoeléctricas y tres carboeléctricas (SENER 2015b), consumiendo en el año 2003, 47 % de combustóleo, 23 % de carbón, 28 % de gas natural (GN) y 2 % de diésel, para el año 2013 fueron de: 31, 26, 41 y 2 % respectivamente (SENER 2015c). Las carboeléctricas en operación son: 1) Plutarco Elías Calles (CETEPEC), localizada en Petacalco, Guerrero, 2) Carbón II (CII) y 3) José López Portillo (JLP), localizadas en Piedras Negras, Coahuila (INE 2015).

De acuerdo con lo publicado por la Agencia Internacional de Energía (AIE 2014), el carbón utilizado en las centrales carboeléctricas en México es de tipo sub bituminoso, definido como un carbón de bajo rango (SENER 2014), el cual tiene las siguientes características: contenido promedio (CP) de cloro (158 ppm), porcentaje promedio (PP) de azufre (0.50 %), PP de cenizas (8.0 %) y poder calorífico promedio (PCp) (12 000 BTU/lb) (EPA 2008).

Así también, un boletín de prensa de la Comisión Federal de Electricidad (CFE 2012) indica que el carbón utilizado en las carboeléctricas en el estado de Coahuila (JLP y CII) es de producción nacional, mientras que la del estado de Guerrero (CETEPEC) es de importación proveniente de Australia, EUA, Canadá, Colombia y Sudáfrica, con un porcentaje de participación del 48.5, 41.5, 3.7, 1.4 y 3.8 % respectivamente (SENER 2012). Para el año 2013 este porcentaje en la importación de carbón no varió (SENER 2013).

Las emisiones mundiales de Hg de fuentes antrópicas en el año 2000, fueron de 2 177 800 kg, emitiendo México un total de 25 800 kg (ECCAD 2015). Para el año 2005, en México las principales emisoras de Hg fueron las centrales carboeléctricas participando con el 85 % de este contaminante (Hg), ubicándose la tasa de emisión de Hg de las tres carboeléctricas entre 0.050 y 0.072 kg por giga watt hora (kg/GWh) (CEC 2011).

Por otro lado, de acuerdo con lo publicado por Streets (2009), en la formulación de uno de sus escenarios de emisión de Hg, para el año 2050 se esperaría emitir, a escala mundial, 4 855 600 kg con una participación del 49 % de las plantas generadoras de electricidad.

Ante este panorama, el objetivo principal de este trabajo fue realizar un análisis en la estimación de emisiones atmosféricas de Hg, utilizando su contenido en el carbón y aplicando factores de emisión, provenientes de las centrales carboeléctricas en operación en México. Se espera que lo anterior permita plantear estrategias de prevención, minimización y control de este contaminante en esta industria y reducir su impacto ambiental en México y a nivel mundial. Para lograr este propósito se contó con la información real sobre el consumo de carbón mensual y por unidad de generación para cada una de las centrales carboeléctricas estudiadas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para este estudio se consideró, en primer lugar, que el carbón consumido en las carboeléctricas JLP y CII es de tipo nacional. Para este estudio se consideró, en primer lugar, que el carbón consumido en las carboeléctricas JLP y CII es de tipo nacional. En cuanto a la carboeléctrica CETEPEC, se sabe que importa carbón de alto poder calorífico, baja humedad, baja ceniza y bajo azufre procedente de Australia, EUA, Canadá, Colombia y Sudáfrica (CFE 2012). Sin embargo, para este estudio se consideró que la carboeléctrica CETEPEC opera solamente con carbón proveniente de Australia y EUA debido a que la Secretaría de Energía en sus informes 2012 y 2013 menciona que la mayor parte de carbón importado proviene de Australia y EUA con una participación del 48.5 y 41.5 % respectivamente (SENER 2012 y 2013)

De esta forma para estimar la emisión de Hg a la atmósfera de las plantas de generación de energía eléctrica que consumen carbón en México (carboeléctricas), se usaron dos ecuaciones considerando la aplicación de factores de emisión (FE) (EPA 2015) y el contenido de Hg (EPA 1997):

La ecuación general aplicando el FE es:

(1)

Donde:

E

=emisión

A

=tasa de actividad

FE

=factor de emisión

ER

=eficiencia global de reducción de emisiones

Al utilizar la ecuación anterior se considera que no existe equipo de control para la reducción de emisiones, siendo la expresión (1-ER/100) igual a uno.

La ecuación general aplicando el contenido de Hg es:

(2)

Donde:

E

=emisión

CMc

=contenido de mercurio en el carbón

A

=tasa de actividad

FLc

=factor de limpieza del carbón

FEM

=factor de emisión modificado

Para el cálculo utilizando la ecuación 2 y con base en las características de las centrales estudiadas se estableció que no existe FLc y no hay un FEM, por lo cual las dos variables no se consideran para el cálculo.

En las ecuaciones 1 y 2 la variable A representa la cantidad de carbón consumido por unidad de generación en toneladas por mes (t/mes), para cada una de las tres carboeléctricas (JLP, CII y CETEPEC) (Bravo et al. 2012). La variable FE en la primera ecuación se representa en kilogramos de Hg por tonelada (kg/t) de carbón consumido al igual que el CMc en la segunda ecuación. Los FE se encuentran en un intervalo de 4 × 10-5 a 3 ×10-4 kg/t (Pirrone et al. 2010) y el CMc nacional se estableció en 1.05 × 10-4 kg/t (CCA 2001). Para el carbón proveniente de Australia el FE se encontró en un intervalo de 3.0 × 10-5 a 1.5 × 10-3 kg/t (Pirrone et al. 2010) y finalmente para el carbón proveniente de EUA en un intervalo entre 2.0 × 10-5 y 1.5 - 10-3 (Pacyna et al. 2006).

La estimación de las emisiones de Hg, para cada una de las centrales carboeléctricas estudiadas, se llevó a cabo considerando su variación temporal mensual y por unidad de generación proporcionadas por la Comisión Federal de Electricidad (CFE).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Para estimar la emisión total anual de Hg aplicando los FE y CMc se utilizaron las ecuaciones 3 y 4.

(3)

(4)

Donde:

Et

=emisión total (kg/año)

i

=mes a evaluar (enero a diciembre)

Ai

=Tasa de actividad (Carbón consumido - t/mes)

FE

=Factor de emisión (kg/t)

CMc

=Contenido de mercurio en carbón kg/t

Al analizar la figura 1 se puede decir, en primer lugar, que la estimación de las emisiones totales anuales para el año 2012 son mayores a las que se presentan en el año 2013, independientemente si se utiliza el contenido de Hg en el carbón o aplicando factores de emisión para el cálculo en su estimación.

Fig. 1 Estimación total anual de las emisiones de Hg para los años 2012 y 2013 

Al utilizar el contenido de Hg para el caso de México (1.05 × 10-4 kg/t), se puede observar en la figura 1 que la diferencia en el periodo 2012-2013 es de 112 kg, es decir presentó un 6.8 % menos de emisiones en el 2013, con una tmca de -3.6 %. Para el caso de utilizar carbón de EUA su intervalo en el contenido de Hg (2.0 × 10-5 - 1.5 × 10-3 kg/t), se muestra que la diferencia en las emisiones en el intervalo inferior para los años 2012 y 2013 es de 19 kg y para el intervalo superior de 1464 kg con una tmca de -3.2 y -3.3 % respectivamente. Para el caso de utilizar carbón de Australia (contenido de 3.0 × 10-4 - 1.5 - 10-3 kg/t), los valores fueron de 30 y 1464 kg y una tmca de -3.4 y -3.3 % respectivamente. Finalmente, si utilizamos el intervalo de los FE, los valores serían de 39 y 293 kg y su tmca de -3.32 y 3.32 % respectivamente.

El cuadro I muestra la emisión de Hg y su tasa de emisión considerando la aplicación de un promedio del intervalo de los FE para JLP, CII y CETEPEC, así como, en el caso del contenido de Hg para el carbón de EUA y de Australia utilizado en CETEPEC. El análisis de los resultados de este cuadro I es el siguiente: para el año 2012 la tasa de emisión utilizando el contenido de Hg para cada una de las unidades de proceso de la planta JLP fluctuó entre 0.057 y 0.059 kg/GWh, estimando un total de las emisiones de Hg para las cuatro unidades de proceso de 526 kg. En la planta CII, los valores fueron de 0.053 y 0.056 kg/GWh y una emisión total de 478 kg. Para la planta de CETEPEC, con consumo de carbón de EUA, los valores fueron de 0.280 y 0.291 kg/GWh, con una emisión total de sus siete unidades de proceso de 4473 kg, en el caso de consumir carbón de Australia los valores fueron: 0.260 y 0.293 kg/GWh y una emisión total de 4502 kg.

CUADRO I Estimación de emisiones y tasa de emisión de Hg para los años 2012 y 2013 

Cuando se aplican los FE los valores fueron los siguientes: 0.092 y 0.096 kg/GWh y una emisión total de 852 kg para la planta JLP, 0.086 y 0.091 kg/GWh y una emisión total de 774 kg para CII y finalmente de 0.058 y 0.065 kg/GWh y una emisión total de 1000 kg para la planta de CETEPEC independientemente de que consuman carbón de EUA o de Australia.

Finalmente, la emisión total de las tres carboeléctricas (utilizando la concentración de Hg en el carbón) se ubicó en 5477 kg considerando que CETEPEC consume carbón de EUA y de 5507 si consume carbón de Australia, al aplicar FE este valor fue de 2626 kg.

Para el año 2013 el cuadro I muestra en resumen que la tasa de emisión (kg/GWh) no varía considerablemente respecto a los datos de 2012 y que la emisión total de las tres carboeléctricas fue de 5341 kg consumiendo carbón de EUA en CETEPEC y 5370 kg consumiendo carbón de Australia. Para el caso de aplicar FE la emisión total fue de 2462 kg.

En la figura 2 son presentadas las emisiones de mercurio por mes y para cada unidad de generación en la central carboeléctrica JLP, mientras que en las figuras 3 y 4 se presenta esta misma información para las carboeléctricas CII y CETEPEC, respectivamente. De lo anterior se observa que la Planta JLP presentó su mayor emisión durante el mes de agosto de 2012 con casi 14 kg/mes para cada una de las cuatro unidades de generación. Para la planta CII se observó una mayor emisión en la unidad de generación número 1 (U1) durante los meses de junio, julio y agosto, con un valor por arriba de 12 kg/mes. Finalmente la CETEPEC, que es la planta con el mayor número de unidades de generación (siete) es la que mayores emisiones presentó, tan sólo la U7, que es la de mayor capacidad, emitió arriba de 120 kg/mes durante el periodo de mayo a agosto de 2013. Las emisiones reportadas como cero indican que las unidades de generación se encontraron fuera de operación.

Fig. 2 Estimación de las emisiones por unidad de generación para la carboeléctrica JLP para los años 2012 y 2013 

Fig. 3 Estimación de las emisiones por unidad de generación para la carboeléctrica CII para los años 2012 y 2013 

Fig. 4 Estimación de las emisiones por unidad de generación para la carboeléctrica CETEPEC para los años 2012 y 2013 

La figura 5 explica la existencia de una relación directa entre la generación de electricidad (GWh) y las emisiones de Hg para los años 2012 y 2013 para las plantas en estudio (JLP, CII y CETEPEC).

Fig. 5 Correlación entre la generación de energía eléctrica (GWh) y la emisión de Hg para los años 2012 y 2013  

La figura 6 muestra graficas de cajas por unidad de generación para cada una de las tres carboeléctricas, observándose que algunas unidades de generación presentan valores que indican un funcionamiento intermitente, debido a diferentes factores de operación en las plantas carboeléctricas, así también se puede observar que la U7 de CETEPEC trabajó en condiciones máximas de operación debido a que es la unidad de mayor capacidad de carga de carbón.

Fig. 6 Gráfica de cajas para las emisiones de Hg por unidad de generación durante los años 2012 y 2013 

CONCLUSIONES

Se logró realizar la estimación de las emisiones de Hg con base en su contenido en el carbón, así como mediante la aplicación de factores de emisión a partir de los datos reales mensuales de carbón consumido por unidad de generación para cada una de las tres centrales estudiadas.

La planta CETEPEC cuenta con el mayor número de unidades de generación, el mayor consumo de carbón y la mayor emisión de Hg, siendo la unidad 7 la que genera la emisión más alta.

La estimación de las emisiones totales considerando las tres centrales carboeléctricas, obtenidas a partir del contenido de mercurio se encuentra en el intervalo de 309 kg a 23 180 kg para el año 2012 y de 290 kg a 21 716 kg para el año 2013. Para el caso de aplicar factores de emisión estos valores son: de 618 kg a 4635 kg para el año 2012 y de 868 kg a 4343 kg para el año 2013.

La información proporcionada por la CFE sobre la generación de energía eléctrica (MWh) es directamente proporcional a las emisiones de Hg determinados en este estudio en las tres carboeléctricas en funcionamiento en México.

La época del año que presenta mayores emisiones de Hg es el verano debido al mayor consumo de carbón asociado al mayor requerimiento de energía eléctrica durante esta época.

RECOMENDACIONES

Es necesario estimar diariamente las emisiones de Hg en las centrales carboeléctricas, para obtener un mayor número de datos y obtener factores de emisión que permitan evaluar de una manera más detallada la variación temporal de dicho contaminante.

Establecer políticas energéticas para la toma de decisiones en el proceso de prevención, minimización y control del impacto ambiental por la emisión de este contaminante.

Desarrollar límites de emisión de Hg considerando el tipo de carbón consumido en las carboeléctricas en México (sub bituminoso). Por ejemplo, en EUA los límtes para las carboeléctricas que usan carbón bituminoso y de lignito son de 0.0017 mg/m3 y de 0.0153 mg/m3 respectivamente.

Llevar a cabo el monitoreo continuo de las emisiones de las centrales carboeléctricas en México. Con base en los resultados obtenidos sobre las emisiones reales de Hg, proponer las tecnologías de control más adecuadas, como las trampas absorbentes utilizadas a nivel mundial para el cumplimiento de los límites de emisión (NRDC 2016).

También es importante que dentro de las estrategias de prevención, minimización y control de las emisiones de Hg, se establezcan políticas de eficiencia energética dentro de las centrales carboeléctricas, que permitan producir la energía eléctrica para cubrir la demanda del país reduciendo el consumo de carbón.

Al establecer políticas de eficiencia energética en las carboeléctricas sería menester contar con información precisa sobre el tipo de carbón utilizado, ya que los organismos encargados de publicar esta información (Comisión Federal de Electricidad y la Secretaría de Energía) no especifican de una forma clara qué tipo de carbón es consumido en cada una de las carboeléctricas.

Los escenarios posibles por el consumo de carbón en México y a nivel mundial crecerán indudablemente, debido a diferentes factores que influyen en la demanda de energía eléctrica. Por lo cual, es preciso atender esta problemática para seguir generando la energía que se requiere, sin afectar al ambiente y al ser humano.

Es importante realizar análisis químicos al carbón consumido en las tres carboeléctricas en México, que permitan tener mayor información sobre su contenido de Hg y diseñar o instrumentar las políticas necesarias para su utilización.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al personal de la Sección de Contaminación Ambiental del Centro de Ciencias de la Atmósfera, M. en Ing. Ana Luisa Alarcón Jiménez y la Quím. María del Carmen Torres Barrera por su colaboración en la realización de esta investigación. Asimismo, a la Dra. Claudia García Landa por la revisión del manuscrito y finalmente a la Comisión Federal de Electricidad por la información técnica de las centrales carboeléctricas estudiadas.

REFERENCIAS

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Recibido: 01 de Febrero de 2016; Aprobado: 01 de Agosto de 2016

*Autor para correspondencia: rodsosa@unam.mx

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