Reducción costo-efectiva de emisiones industriales en Concepción Metropolitano, Chile: gas natural vs tecnologías de abatimiento

Interciencia ISSN: 0378-1844 [email protected] Asociación Interciencia Venezuela

Mardones, Cristian; Jiménez, Jorge; Alegría, Marcela Reducción costo-efectiva de emisiones industriales en Concepción Metropolitano, Chile: gas natural vs tecnologías de abatimiento Interciencia, vol. 37, núm. 10, octubre, 2012, pp. 751-756 Asociación Interciencia Caracas, Venezuela

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REDUCCIÓN COSTO-EFECTIVA DE EMISIONES INDUSTRIALES EN CONCEPCIÓN METROPOLITANO, CHILE: GAS NATURAL VS TECNOLOGÍAS DE ABATIMIENTO Cristian Mardones, Jorge Jiménez y Marcela Alegría

RESUMEN La contaminación atmosférica por material particulado respirable (MP10) es un problema que afecta a Concepción Metropolitano, Chile, de manera considerable por su elevada actividad industrial. Existen zonas en que los niveles de concentración de MP10 se encuentran muy cerca de superar la norma nacional de calidad de aire y otros en que la superan, afectando la salud de sus habitantes. Por lo tanto, resulta de interés evaluar alter-

nativas para mejorar esta situación. Las opciones analizadas en este estudio son el cambio de combustible a gas natural y el uso de tecnologías de abatimiento. Se trata de un análisis económico que busca reducir emisiones al mínimo costo sin importar cual fuente lo hace. Se concluye que la opción de cambio de combustible es atractiva para las fuentes industriales pero depende de la disponibilidad y precios del gas natural.

Introducción

mativa (Figura 1). Esta situación afecta la salud de los habitantes dado que diversos estudios han mostrado que altas concentraciones de MP10 generan incremento en las visitas al médico, hospitalización por enfermedades respiratorias y/o cardiovasculares, ausentismo laboral y muertes, entre otras (Pope et al., 1995). Por lo anterior, resulta interesante evaluar alternativas para mejorar esta situación. Las opciones analizadas en este estudio son el cambio de combusti-

La contaminación atmosférica por material particulado respirable (MP10) es un problema que afecta a la zona urbana denominada Concepción Metropolitano, cuya población proyectada al 2012 alcanza los 1.027.299 habitantes, lo que la convierte en la segunda área metropolitana más poblada de Chile. Esta zona se caracteriza por una fuerte actividad industrial asociada a la producción de acero, generación de electri-

cidad, aserraderos e industria maderera, industria pesquera, producción de cemento, refinación de petróleo, entre otras. Existen seis estaciones de monitoreo donde los niveles de concentración de MP10 se encuentran en nivel de latencia, es decir, sobre un 80% de la norma de calidad primaria (Minsegpres, 1998) que corresponde a un promedio aritmético trianual ≥50µg·m ‑3, otras cuatro estaciones de monitoreo superan la norma y una estación en que se cumple la nor-

ble a gas natural y el uso de tecnologías de abatimiento. Se trata de un análisis económico que busca reducir el total de emisiones al mínimo costo mediante alguna de las dos alternativas. Estas alternativas no son las únicas para reducir el nivel de emisiones, también existe la opción de un cambio de localización de las empresas o una reducción del nivel de producción, entre otras. Sin embargo, en este estudio sólo se analizan las opciones indicadas debido a la falta de infor-

PALABRAS CLAVE / Contaminación Atmosférica / Economía / Emisiones Industriales / Energía / Tecnologías limpias / Recibido: 01/04/2011. Modificado: 25/09/2012. Aceptado: 01/10/2012.

Cristian Mardones. Magíster en Economía de Recursos Naturales y del Medioambiente, y Doctor en Economía, Universidad de Chile. Profesor, Universidad de Concepción (UdeC),

OCT 2012, VOL. 37 Nº 10

Chile. Dirección: Departamento de Ingeniería Industrial, Universidad de Concepción. Edmundo Larenas 215, 4º Piso, Concepción, Chile. e-mail: [email protected]

Jorge Jiménez. M.Sc. en Ciencias Ambientales y Ph.D. en Ingeniería Civil, Washington State University, EEUU. Profesor, Departamento de Ingeniería Industrial, UdeC, Chi-

0378-1844/12/10/751-06 $ 3.00/0

le. e -mail: jorgeji menez@ udec.cl Marcela Alegría. Programa Magister en Ingeniería Industrial, UdeC, Chile. e-mail: [email protected]

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COST-EFFECTIVE REDUCTION OF INDUSTRIAL EMISSIONS IN THE METROPOLITAN CONCEPCION, CHILE: NATURAL GAS VS END-OF-PIPES TECHNOLOGIES Cristian Mardones, Jorge Jiménez and Marcela Alegría SUMMARY The air quality of Metropolitan Concepcion, Chile, has been affected significantly due to the high local industrial activity. There are populated areas where the concentration of ambient PM10 (particulate matter with aerodynamic diameter 10µm. Sin embargo, hay ciclones de alta eficiencia, diseñados para ser efectivos con MP de diámetro aerodinámico ≤10µm y ≤2,5µm (MP10 y MP2,5).

cuales 113 fueron rrespondientes, se obtuvo los medidas directaconsumos de combustibles en mente, 410 fueron toneladas para las fuentes que estimadas con un utilizan carbón, petróleo Nº 2, Sector industrial PM10 factor de emisión y petróleo Nº 5, petróleo Nº 6, Productos de hierro y acero 1072 para 10 fuentes no leña y gas natural. Aserraderos y fabricación de madera elaborada 483 hubo información. Producción de cemento 338 Del total de fuentes Cambio de combustible Generación eléctrica 622 incluidas solo 215 Industria pesquera 405 registran una emiDada la eventual mayor disProducción de vidrios y fritas 196 sión >0. Las emiponibilidad de GNL en Con172 Multiciclón. Es un equi- Producción de combustibles siones anuales de cepción Metropolitano con la 48 po de filtración que inte- Elaboración de telas MP10 corresponden ampliación de la capacidad de Calderas industriales 70 gra en un único cuerpo a 3566ton (Tabla I); la planta de regasificación o 10 múltiples ciclones de pe- Industria química de este total, 30,1% bien la instalación de nuevas Producción de bebidas alcoholicas 7 queñas dimensiones, dises aportado por la plantas en los próximos años, 18 puestos en paralelo, a fin Fabricación y reciclaje de papel industria de hierro surgió la pregunta de qué cantiFaenamiento de animales 2 de reducir la altura y y acero; 17,4% por dad de gas natural sería necesaTratamiento de superficies 0 volumen, que se requerigeneración eléctriria para suplir las cantidades de Fabricación de alimentos 7 ría para el mismo caudal ca; 13,5% por aseenergéticos más contaminantes Procesamiento de feldespato 9 con ciclones convenciorraderos y elaboraProductos de aluminio 0 que utilizan las fuentes indusnales. Tratamiento de lodos 0 ción de madera; triales. Para ello, se expresaron 0 Precipitador electrostáti- Astilleros y maestranzas 11,4% por la induslos requerimientos energéticos 9 co. Se basa en la aplica- Calderas de calefacción tria pesquera; 9,5% de cada fuente con el fin de 86 ción de una fuerza eléc- Panaderías por la industria cepoder realizar comparaciones 13 trica a las partículas Grupos electrógenos mentera; 5,5% por entre los distintos combustibles. para separarlas del gas o Total 3566 la industria del viLuego, se determinaron para fluido. Un campo eléctridrio; 5,1% por la qué fuentes era factible el uso co generado por alto Fuente: UDT-PROTERM (2011) industria petroquíde gas natural, desde el punto voltaje de los electrodos mica; 2,0% por calde vista técnico, y cuál era la removido del filtro de manga, del aparato carga las partículas deras industriales; y 5,5% es cantidad de gas natural necesarevirtiendo el flujo de filtrado o eléctricamente cuando pasan aportado por otros sectores inria para suplir su consumo. bien mediante inyección de aire cerca del electrodo. Las partícudustriales. Para calcular el consumo de comprimido. las cargadas eléctricamente son energía, se utilizaron los poderecolectadas en una superficie Consumo de combustibles res caloríficos, obtenidos de los Metodología con carga opuesta mientras el respectivos balances energéticos gas sigue fluyendo. El material Desde el inventario se tuvo (CNE, 2008) Información de emisiones de particulado acumulado es perióacceso al nivel de emisiones de Así se obtuvo la energía en fuentes industriales dicamente removido de los plaMP10 de cada fuente y el tipo Kcal/año que consumía cada tos de recolección mediante vide combustible utilizado (aununa de las fuentes con cada Se tuvo acceso para este esbración o agua. que algunas fuentes generan combustible actualmente utilizatudio al Inventario de Emisioemisiones por procesos sin do. Luego, sumando la energía nes de Fuentes Fijas del ConLavador Venturi. Son lavadores combustión), se re-estimaron las utilizada por los combustibles cepción Metropolitano año eficientes para polvos finos y emisiones para aquellas firmas técnicamente posibles de recon2008 (UDT-PROTERM, 2011), aerosoles. Su eficiencia de reque poseían alguna tecnología vertir con equipos duales, es el cual fue utilizado para determoción de MP10 se debe a la de abatimiento (cuatro ciclones, decir, combustibles líquidos minar las emisiones de cada alta velocidad relativa entre el dos multiciclones y dos filtros (petróleo N° 2, 5 y 6) y utilifuente, sector económico, tipo gas que tiene partículas y el líde mangas), por lo cual, con los zando el poder calorífico que de combustible utilizado y, adequido de barrido en el cuello factores de emisión AP42 de la corresponde al gas natural, se más, si la fuente ya tenía instadel Venturi. Durante el proceso, EPA (Tabla II) por tipo de pudo llegar determinar la cantilada alguna tecnología de abatiel gas motriz sufre un descenso combustible, equivalencias de dad de gas natural necesaria miento. El inventario incluye de presión, que representa una unidades y las densidades copara suplir ese requerimiento 533 fuentes emisoras, de las medida de la eficiencia de la separación. Tabla II Factores de emisión por tipo de combustible Filtros de manga. Opera bajo el mismo principio que una aspiFactor de emisión Combustible Categoría de fuente (AP42) Unidad factor Sección AP42 MP10 radora de filtro convencional. El aire que contienen las partículas Carbón 0,003000 kg/kg 1,1 Bitominous carbon/ Overfeed stoker/ Uncontroled es forzado a pasar por un filtro Leña 0,003125 kg/kg 1,6 Bark/ Bark and wet wood de saco. Este filtro está hecho de un material diseñado para Petróleo Nº 2 0,000203 kg/kg 1,3 Nº2 Oil fired recolectar partículas y a medida Petróleo Nº 5 0,000909 kg/kg 1,3 Nº5 Oil fired que éstas se van acumulando va Petróleo Nº 6 0,000866 kg/kg 1,3 Nº6 Oil fired aumentando la capacidad de Gas natural 0,000171 kg/kg 1,4 Natural gas combustion filtrado. El material particulado acumulado periódicamente es Elaboración propia a partir de AP42 (US EPA, 2009).

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Tabla I EMISIONES DE MP10 POR SECTOR INDUSTRIAL

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calórico. Los costos anualizados de los equipos duales fueron obtenidos por comunicación directa con un representante de una empresa distribuidora de gas a nivel nacional. En consecuencia, el análisis de cambio de combustible se realizó sólo para las fuentes que utilizaban un combustible líquido, puesto que esto garantiza que pueden instalar el equipo necesario para hacer uso del gas natural.

Tabla IV Reducción de emisiones y costos agregados de acuerdo a disponibilidad de gas natural (MM$ año 2008)

fuente hasta completar el monto total de toneladas a reducir exigidas Reducción de Emisiones Disponibilidad por la autoridad de gas ambiental en cada 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 74% 0% 1426,5 2922,8 4551,3 6353,8 8399,8 10992,6 17264,6 23177,9 simulación. Lue10% 333,9 1816,0 3456,4 5268,9 7334,3 10089,4 16455,2 22497,5 go, la disminu20% -763,9 706,7 2310,9 4146,6 6218,8 9157,9 15625,3 21672,7 ción de emisiones 30% -1861,9 -402,5 1177,5 2961,5 5066,4 8193,4 14771,9 20845,4 en cada fuente se 40% -2953,1 -1506,2 44,0 1782,1 3848,9 7180,8 13891,4 20008,9 multiplicó por su 50% -4037,4 -2604,2 -1089,3 610,1 2569,2 6082,8 12982,6 19166,0 costo-efectividad 60% -5109,5 -3702,2 -2214,8 -553,6 1351,5 4822,6 12049,2 18323,2 y se obtuvo el 70% -6080,2 -4800,3 -3324,1 -1704,1 151,6 3297,2 11047,2 17472,3 mínimo costo to80% -7045,9 -5898,3 -4433,4 -2841,8 -1033,9 1492,7 9872,4 16604,2 tal necesario para 90% -8006,8 -6996,0 -5542,6 -3975,2 -2218,2 -56,6 7720,6 15688,5 la reducción (a 100% -8966,0 -8080,4 -6640,6 -5108,6 -3392,3 -1401,3 4643,9 14490,0 precios de 2008 y 2012). La Tabla IV Tecnologías de abatimiento combustible y para cada una de sos. Entre estas fuentes se inmuestra el costo agregado que factible de utilizar las cinco tecnologías de abaticluyen principalmente las emitendría la selección de fuentes miento. La estimación del indisiones de la batería de coke de que deberían ser reducidas en Las tecnologías de abatimiencador corresponde al costo total una fábrica de acero y procesos base al índice de costo-efectito que se supusieron factibles por tonelada emitida de MP10, productivos de una fábrica de vidad frente a distintos porde utilizar para que las fuentes con estos índices de costo-efeccemento. centajes de disponibilidad de industriales reduzcan sus emitividad calculados se escogió el gas natural y exigencias de siones de MP10 fueron las aplimenor índice por Análisis y Resultados de las reducción, considerando los fuente. Esto perSimulaciones precios de combustibles y de Tabla III mitió determinar tecnologías de abatimiento del Precios de combustibles si era más conveEn esta sección se presenta año 2008. En este caso se conaño 2008 y año 2012 niente utilizar aluna serie de simulaciones con sideró como máxima meta de 2008 Precios 2012 guna tecnología o el objetivo de obtener el costo reducción de emisiones un Combustible Precios ($/kcal) ($/kcal) el cambio de agregado de la reducción de 74% ya que no es posible obCarbón 0,0091 0,0074 combustible para emisiones de MP10, considerantener un 100% de reducción Leña 0,0197 0,0220 abatir las emisiodo factibilidad técnica, distintos debido a que ninguna de las Petróleo 2 0,0349 0,0396 nes de cada fuenporcentajes de disponibilidad de alternativas a implementar tiePetróleo 5 0,0238 0,0358 te. gas natural, porcentajes de rene tal eficiencia y, además, Petróleo 6 0,0198 0,0332 No obstante lo ducción de emisiones totales, y como fue mencionado anteGas natural 0,0194 0,0302 anterior, según un precios de combustibles para riormente existen emisiones de análisis de factibilos años 2008 y 2012 (Tabla procesos que no son posibles Fuentes: Comisión Nacional de Energía, Chile. lidad técnica por III). de reducir con las opciones cada fuente se Específicamente, se buscaron analizadas. De los resultados cadas a fuentes fijas en O’Ryan determinó que existen 884ton los menores índices de costoobtenidos se observa que a y Bravo (2001), Ponce y Chávez de MP10 que no pueden ser efectividad, tanto de gas natural medida que aumenta la dispo(2005) y Villena et al. (2009). reducidas por tecnologías de como del uso de sistemas de nibilidad de gas natural van Las funciones de costo utilizaabatimiento o por cambio de abatimiento, y se estableció la disminuyendo los costos agredas para cada tecnología procombustible, debido a las caracmáxima disminución de emisiogados. En la mayoría de los vienen de Ponce y Chávez terísticas propias de los procenes que se puede hacer por casos se obtiene un ahorro de (2005), actualizadas de costos debido a acuerdo al IPC a preTabla V la diferencia de cios del año 2008, dado Reducción de emisiones y costos agregados de acuerdo precios entre que los datos del invena disponibilidad de gas natural (MM$ año 2012) combustibles, lo tario de emisiones son que se explica Reducción de Emisiones de ese año, y a precios Disponibilidad porque ante la de gas de 2012 para obtener 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 74% eventualidad de una estimación más ac0% 1616,9 3312,9 5158,7 7201,8 9520,8 12459,7 19568,7 26271,2 mayor disponibitual. 10% 376,5 2065,7 3959,5 6037,8 8489,1 11769,1 19059,8 25901,6 lidad de gas, los 20% -869,1 816,8 2693,7 4843,6 7431,1 11043,2 18514,2 25388,1 precios de este Construcción de 30% -2114,8 -432,4 1431,1 3562,3 6317,7 10270,9 17934,3 24859,5 combustible el índices de costo40% -3360,6 -1681,5 168,4 2281,3 5140,6 9462,4 17328,8 24322,1 2008 eran más efectividad 50% -4606,3 -2930,6 -1094,2 1001,7 3930,2 8597,2 16695,2 23777,5 atractivos que los 60% -5852,1 -4179,8 -2352,1 -275,2 2629,3 7594,1 16034,1 23232,3 de combustibles Para realizar los aná70% -7097,9 -5429,0 -3608,8 -1552,0 1217,6 6298,2 15302,6 22666,8 competidores. Se lisis se estimó un indi80% -8343,7 -6678,2 -4865,5 -2828,.9 -182,9 4564,7 14377,7 22079,4 debe notar que si cador de costo-efectivi90% -9589,5 -7927,4 -6122,2 -4105,8 -1561,3 2802,4 12347,5 21403,0 existe un ahorro dad para cada fuente 100% -10835,3 -9176,5 -7378,9 -5382,7 -2916,0 1300,0 9249,6 20443,6 de costos ante la analizada por tipo de

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eventual disponibilidad de gas natural, las fuentes realizarán el cambio de combustible independientemente de la regulación ambiental. Además, se puede notar que a medida que se aumenta la meta de reducción de emisiones los costos van aumentando. Sin disponibilidad de gas natural, los costos agregados tienden a crecer más a partir de exigencias mayores o iguales a 60%. Con total disponibilidad de gas natural, se observan ahorros de costos tan importantes que permiten reducir emisiones sin un costo agregado positivo hasta un nivel de reducción de emisiones de 60%. El mismo análisis anterior fue realizado con precios del año 2012, esto con el objetivo de evaluar la robustez de los resultados ante los nuevos escenarios de precios de combustibles de ese año, cuando hubo un aumento en el precio relativo del gas respecto a otros combustibles. Sin embargo, a falta de más reciente información industrial, no se pudieron actualizar las emisiones manteniendo el cálculo a partir del inventario de emisiones 2008. En la Tabla V se pueden apreciar los mismos efectos observados a precios del año 2008, tanto individualmente como en la comparación de cada simulación. Sin embargo, dado el aumento de precios de los combustibles del 2008 al 2012, de los cuales el más notorio fue el gas natural, se observa que existen menos casos en los cuales hay ahorro de costos y es menor la disminución de costos agregados a medida que aumenta la disponibilidad de gas natural. Con total disponibilidad de gas natural se observan ahorros que permiten reducir emisiones sin un costo agregado positivo hasta un nivel de reducción de emisiones de 50%. Adicionalmente, se generó a partir de la información disponible una estimación de la meta de reducción de emisiones con la cual se podría salir del nivel de saturación y latencia por concentraciones de MP10, la cual se describe a continuación. En particular, el escenario base

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de emisiones de fuentes industriales y su aporte a las concentraciones en Concepción Metropolitano puede estimarse en función de una relación de tipo roll-back. Las emisiones totales de fuentes fijas industriales, residenciales, móviles, de área, quemas agrícolas e incendios forestales según el plan de prevención atmosférica para la región (MMA, 2011) corresponden a 18542ton de MP10 al año. Además, de acuerdo a la Figura 1 las concentraciones anuales promedio en la zona corresponden a 47,9μm·m ‑3. Combinando ambos datos es posible establecer una relación de 0,0025833μmg·m‑3 por tonelada emitida, es decir, para llevar a un nivel de emisiones bajo un nivel de latencia ambiental (que técnicamente corresponde al 80% del valor de la norma primaria anual, menor a 40μm·m‑3), se requeriría reducir las emisiones de MP10 en al menos 3058ton/año. Esto significaría reducir las emisiones de fuentes industriales en un 85,8% respecto al escenario base representado en el inventario de emisiones 2008. Por el análisis previo y los resultados de las simulaciones se puede concluir que no es posible alcanzar un nivel de concentraciones para salir del nivel de latencia ambiental en Concepción Metropolitano enfocándose exclusivamente en la reducción de emisiones de fuentes industriales, incluso en el escenario de máxima disponibilidad de gas natural. Ello demuestra la necesidad de incluir medidas principalmente asociadas a la reducción de emisiones residenciales resultantes de la combustión de leña para calefacción. Conclusiones Dada la disponibilidad de gas natural licuado (GNL) en la segunda mayor zona urbana de Chile, luego de restricciones a las importaciones de este combustible desde Argentina, se evaluó en términos económicos cuál sería el impacto en la reducción de emisiones y costos para las fuentes industriales de escenarios con po-

tenciales regulaciones ambientales que exigieran reducir las emisiones de MP10. De acuerdo a la información del Inventario de Emisiones del Concepción Metropolitano, el total de fuentes industriales para las que se evalúa las alternativas de reducción de emisiones generan un total de 2682ton/año de MP10. Aplicando ambas opciones de reducción y considerando que existe 100% de disponibilidad de GNL para las industrias consideradas en ese análisis se puede lograr una reducción de 1985ton/año. Esta reducción corresponde al 74% del total de emisiones. Si sólo estuviera disponible la opción de sistemas de abatimiento se puede llegar a la misma reducción de las emisiones totales a un costo 60% mayor si consideramos los precios de 2008 y a un costo 28,5% mayor si consideramos los precios de 2012, lo que se explica por el alza en el precio relativo del GNL respecto a otros combustibles. Finalmente, también se determinó que ante el escenario de máxima reducción posible con las opciones analizadas en la zona bajo estudio no es posible superar el nivel de latencia ambiental, y por lo tanto se requieren medidas regulatorias destinadas a reducir emisiones de otro tipo de fuentes de MP10, principalmente combustión de leña residencial. REFERENCIAS Calfucura E, Coria J, Sánchez JM (2009) Permisos comerciables de emisión en Chile. Lecciones, desafíos y oportunidades para países en desar rollo. Trim. Econ. 304: 1027-1069. CNE (2008) Balances de Energía. Comisión Nacional de Energía. Santiago, Chile. Coria J (2009) Environmental policy, fuel prices and the switching to natural gas in Santiago, Chile. Ecol. Econ. 68: 2877-2884. MMA (2011) Plan de Prevención Atmosférica del Concepción Metropolitano. Ministerio del Medio Ambiente. Región del Bío Bío, Chile. Minsegpres (1998) Decreto Supremo N°59. Ministerio Secretaría General de la Presidencia de la República. Santiago. Chile.

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