Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC) Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD)

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1 Escenarios de mitigación de gases efecto invernadero, carbono negro y otros forzadores climáticos de vida corta, mediante el uso de biocombustibles sólidos Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC) Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) Elaborado por: Grupo Interdisciplinario de Tecnología Rural Apropiada, A.C. INSTITUTO NACIONAL DE ECOLOGÍA Y CAMBIO CLIMÁTICO Estudio realizado en el marco del Proyecto de la Quinta Comunicación Nacional ante la Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático (UNFCCC), coordinado por el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC) con recursos del Global Environment Facility (GEF), a través del Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD). México, 2012.

2 Proyecto RFQ Escenarios de mitigación de gases efecto invernadero, carbono negro y otros forzadores climáticos de vida corta, mediante el uso de biocombustibles sólidos Informe Final gira grupo interdisciplinario de tecnología rural apropiada Consultoría realizada por el Grupo Interdisciplinario de Tecnología Rural Apropiada, A.C. para el proyecto GEF- PIMS4371 CC Quinta Comunicación Nacional de México a la CMNUCC Septiembre 26, 2012 _

3 Autores: Dr. Omar Masera, CIEco-UNAM Dr. Victor Berrueta, GIRA, A.C. Dr. Carlos García-Bustamante, UNAM M.C. Montserrat Serrano-Medrano, UNAM M.C. René Martínez, CIEco-UNAM Dra. Araceli Calderón Cisneros, GIRA Ing. Alejandro Tavera, GIRA Ing. Evaristo Herrera, GIRA LCA Eglantina López Echartea, GIRA Biol. Carlos Dobler, CIGA Tec. Félix Patricio, GIRA Tec. Rubén Gabriel, GIRA Tec. Ramiro Benito, GIRA _

4 Resumen Ejecutivo Antecedentes Internacionalmente cada vez se reconoce más la importancia de reducir las emisiones de los Forzadores Climáticos de Vida Corta (FCVC) como el carbono negro y el metano- dentro de una política integral de mitigación del cambio climático. México, a través del Instituto Nacional de Ecología, tiene un liderazgo internacional en esta área y ha promovido acciones para mejorar nuestro conocimiento tanto del inventario de emisiones de estos gases como de estrategias para reducirlas sustantivamente. Dentro de los FCVC, el carbono negro (CN) ha recibido atención especial. El CN es originado por la combustión incompleta de combustibles fósiles, biocombustibles y biomasa. En México, entre sus principales fuentes se encuentra el uso de biocombustibles sólidos para aplicaciones residenciales y en la pequeña industria con tecnología tradicional, así como en la quema de combustóleo para generación de electricidad. Estudios anteriores han demostrado la viabilidad técnico-económica de las opciones bioenergéticas eficientes para reducir significativamente las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas del uso tradicional de biomasa. Se desconoce sin embargo, el nivel específico de estas emisiones para los FCVC, así como su distribución espacial y la cuantía de la mitigación disponible a mediano y largo plazos. Características del estudio El presente estudio tiene como objetivo general, estimar el potencial de mitigación futura de gases de efecto invernadero (GEI), y de forzadores climáticos de vida corta (carbono negro) derivado de la implementación masiva de opciones bioenergéticas eficientes y para generación eléctrica en México al año 2020 y Los objetivos específicos son los siguientes: Estimar potenciales unitarios de opciones bioenergéticas para el sector residencial, pequeña industria y generación de electricidad. Desarrollar un escenario de referencia espacialmente explícito para los usos finales estudiados en el periodo Determinar un escenario de mitigación espacialmente explícito con las tecnologías seleccionadas para las opciones de análisis. Evaluar los costos y, preliminarmente, los co-beneficios derivados de las intervenciones de mitigación. Analizar las barreras para la implementación masiva de las opciones bioenergéticas propuestas. _

5 Opciones consideradas Dentro de este estudio se consideran 5 opciones bioenergéticas para 3 sectores, a saber: 1) la sustitución de fogones tradicionales por estufas eficientes de leña en el sector residencial; 2) el reemplazo de los hornos tradicionales de producción de carbón vegetal por hornos mejorados tipo Rabo Quente ; 3) la sustitución de los hornos tradicionales por hornos mejorados tipo MK2 en ladrilleras que consumen biomasa; 4) el reemplazo de los hornos tradicionales por hornos eficientes de biomasa de alta temperatura en el sector alfarero y 5) la sustitución de centrales eléctricas a combustóleopor plantas de generación mediante la quema de biomasa. Se trata del primer estudio en el país que tratar de incorporar las emisiones de GEI y FCVC de manera integral para distintos sectores relacionados con el uso de bioenergía, así como la modelación espacialmente explícita de los emisiones actuales y futuras bajo distintos escenarios. Principales Resultados A diferencia de otros sectores, las estadísticas sobre uso de biomasa en el sector residencial y pequeñas industrias son muy difíciles de conseguir ya que se trata de actividades de tipo informal, con productores y consumidores generalmente de bajos ingresos, que se encuentran ampliamente distribuidos geográficamente y para los que no se ha hecho hasta el momento una labor eficaz de sistematización de información. En este sentido, los resultados de este estudio deben tomarse como una primer avance, que debe continuarse y profundizarse en futuros estudios. Consumo y Emisiones al Año Base En este estudio se estima que el consumo total de leña de los sectores analizados alcanza las 25 millones de toneladas de materia seca (MtMS) para el año 2012, consumo varias veces superior a toda la madera que se utiliza en México para aserrío y celulosa (4.7 millones de m 3 según el Anuario Estadístico de la Producción Forestal 2009) que equivale a alrededor de 2.4 MtMS (considerando una densidad de 0.52 tms/m 3 ). La mayor participación de este consumo corresponde al sector residencial con el 76%. Existen municipios de alto consumo de leña (con más de 20,000 tms/año) en la mayor parte de los estados del país (Figura E.1), y se concentran principalmente en los estados del centro, la península de Yucatán, el estado de Chiapas y el noroeste de México. Los municipios del norte que colindan con la frontera no tienen altos consumos de leña para el sector residencial, sin embargo, sí tienen una alto consumo de carbón vegetal tanto residencial como para restaurantes. El factor de no renovabilidad de la biomasa (fnrb) llega a 100% para 317 municipios del país (es decir en estos municipios el consumo de leña es mayor que el crecimiento de los bosques locales), en tanto que 615 _

6 gira municipios tienen fnrb de 50 a 99%. Los estados con mayor número de municipios con altos factores de fnrb son Oaxaca, Estado de México, Puebla y Veracruz. Figura E.1. Mapa del consumo de leña en México en Todos los consumos se expresan en equivalentes de leña. El consumo energético es de 456 PJ y está conformado por el consumo de leña (incluyendo el aserrín en las ladrilleras) en los sectores residencial y pequeña industria, y del combustóleo utilizado para generación eléctrica. Las emisiones GEI en el año base son de 29 millones de toneladas de CO2e (MtCO2e) y las de CN 6,221 toneladas. Emisiones del Escenario de Base En el escenario tendencial o de base los consumos de leña agregados se mantienen prácticamente constantes hasta el año 2030 con aproximadamente 25 MtMS, con 72% de participación del sector residencial en ese último año. Debido a una tendencia de decrecimiento de la población en algunos municipios, se espera que disminuyan los consumos de leña al 2030 con respecto al año baseprincipalmente en el centro y norte del país y en el estado de Veracruz, en tanto que otros municipios mantienen una tendencia de aumento de población, por lo que consecuentemente se tienen mayores consumos de leña, que ocurre principalmente en la península de Yucatán y en los estados del sureste (Figura E.2). _

7 gira El consumo energético alcanza los 511 PJ en este año. Las emisiones de GEI llegan a 35 MtCO2e en Las emisiones de CN no dependen de la renovabilidad de la leña, sino de las condiciones de combustión, del tipo de biomasa y de la tecnología empleada. Estas últimas emisiones llegan a 7,344 toneladas en Al igual que con las emisiones GEI los principales emisores de CN son el sector residencial y la producción de carbón vegetal. Figura E.2. Mapa del consumo de leña en México en el escenario base (2030). Potencial de Mitigación al 2030 El escenario Alternativo conduce a una disminución del uso de leña en el sector residencial y pequeña industria en comparación con el escenario de base de casi 49% en La introducción de estufas eficientes incide directamente en el balance de biomasa de los municipios y en las emisiones de CO2, ya que al sustituir los fogones tradicionales por estufas eficientes,aun considerando que los porcentajes de uso y adopción no son al 100%, el consumo de combustibles, se reduce a la mitad. En todos los municipios se reduce significativamente el consumo de leña por la implementación del escenario alternativo (Figura E.3).Se puede apreciar sobre todo un decremento importante en el consumo en municipios del centro del país y en el estado de Veracruz; mientras que en los estados de la península de Yucatán y en Chiapas se mantienen altos consumos no obstante la reducción del uso de leña por la implementación de las tecnologías eficientes. _

8 gira Figura E.3. Mapa del consumo de leña en México en el escenario alternativo (2030). La reducción del consumo de leña provoca a su vez la disminución del factor de no renovabilidad de la biomasa (fnrb) por municipio (es decir la leña se hace más renovable). Cabe notar, sin embargo, que en varios de los municipios más críticos del centro y centro oriente del país, a pesar de la introducción de tecnologías eficientes, sigue manteniéndose un uso insustentable de la leña. Esto sugiere que en estos municipios es urgente implementar acciones paralelamente a las tecnologías eficientes, dirigidas a aumentar el abasto de leña vía sistemas de manejo forestales y agroforestales. El escenario alternativo resulta en un consumo energético de 337 PJ en el 2030, con una reducción del 34%, al considerar también la energía para generación eléctrica. Existe un ligero incremento de la generación de energía eléctrica con respecto al escenario de base debido al mayor factor de planta de la generación eléctrica con biomasa con respecto a la generación con termoeléctrica. Las emisiones de GEI llegan a 14.7 MtCO2e en 2030 con una mitigación de 20 MtCO2e o el 58% de mitigación de emisiones GEI. Por su parte, las emisiones de CN alcanzan las 1,921 toneladas en 2030 con una mitigación de 5,422 toneladas (74%). La mitigación acumulada de GEI es de 264 MtCO2e. El componente principal es la mitigación acumulada debida a la introducción de estufas eficientes en el sector residencial, con el 50%; la electricidad contribuye con el 19% de la mitigación, el carbón con el 18%, las ladrilleras con el 11% y la alfarería con el 2% (Tabla E.1y Figura E.4) _

9 Tabla E.1. Resumen de la mitigación por Sector al año Sector GEI (MtCO 2 e) CN (ton) GEI+CN (MtCO 2 e) %CN/total Alfarería Carbón vegetal 47 26, Ladrilleras 28 1, Electricidad con biomasa Residencial , Total , MtCO2e Emisiones Esc Alternativo Global Mitigación CV Mitigación Eléctrico Mitigación Alfarería Mitigación Ladrilleras Mitigación Residencial Figura E.4. Evolución de la Mitigación de GEI y Carbono Negro por opción. Las emisiones del escenario de referencia son la envolvente de la gráfica. En colores se observa la reducción debida a cada opción de mitigación y en rojo hasta abajo, las emisiones del escenario alternativo. _

10 gira La Figura E.5 muestra las regiones donde las suma de opciones del escenario alternativo logran una mayor mitigación acumulada. Únicamente fue posible, por la información disponible, espacializar los sectores residencial y de producción de ladrillo, resaltando las zonas prioritarias (de alto consumo y/o fnrb crítico). Figura E.5. Mitigación total acumulada de GEI al 2030 En cuanto a la mitigación de las emisiones de CN, la introducción de estufas eficientes y de hornos eficientes para la producción de carbón vegetal tienen la mayor parte de la mitigación con el 61% y el 36% respectivamente, en tanto que las ladrilleras, alfarería y electricidad en su conjunto mitigan el restante 2%. Incluyendo el CN la mitigación total del escenario alternativo llega a 314 MtonCO2e. Los costos de mitigación de los sectores estudiados están en el rango de -2.1 a 8.6 USD/tCO2e, lo cual abarca desde beneficios netos hasta costos de mitigación bajos, menores a otras alternativas energéticas como la producción de etanol de caña o la generación termoeléctrica, estimados en otros trabajos. La opción de estufas eficientes de leña para el sector residencial es la que tiene un costo de mitigación negativo, que puede llegar a -26 USD/tCO2e si se incorporan los co-beneficios a la salud y ambientales-. Este escenario es el que presenta además el mayor potencial de mitigación. _

11 Tabla E.2. Costos de mitigación e inversión para el escenario alternativo: todos los sectores Sector Costo de mitigación (USD/tCO 2 e) Costo Inversión (Millones USD) Reemplazo de las tecnologías al término de vida útil (Millones USD) Alfarería Carbón vegetal ,422 Ladrilleras Electricidad con biomasa Residencial -2.1 a Total 2,171 1,890 1 No fue posible calcular el costo de mitigación e inversión debido a ausencia de información confiable sobre esta industria. 2 Costo de mitigación cuando se incluyen los beneficios: 1) reducción de tiempo de cocción; 2) reducción de impactos negativos a la salud; 3) preservación de bosques. García-Frapolli et al. (2010). 3 Significa que la inversión del escenario alternativo es menor que la inversión en el escenario base. La electricidad a partir de leña de bosque manejado tiene un Valor Presente Neto positivo para el escenario alternativo, lo que significa que con los supuestos económicos utilizados en el análisis, los proyectos de generación eléctrica con biomasa son rentables económicamente. El costo de mitigación resulta positivo debido a que la implementación del escenario base implica también ingresos por la venta de electricidad, los cuales son mayores que los del escenario alternativo debido al menor costo de generación (debido a bajos costos de inversión, operación y combustible), de esta forma el costo neto para la implementación del escenario alternativo es positivo. Esto mismo ocurre para el caso de hornos eficientes para la producción de ladrillo, donde la sustitución de hornos tradicionales por hornos eficientes es económicamente rentable debido sobre todo al ahorro de combustible. La inversión total estimada para la implementación de las cinco opciones de mitigación es de 2,171 millones de dólares, con un costo adicional de reemplazo de las tecnologías al terminar su vida útil de 1,890 millones de dólares. El caso de estufas eficientes implicauna inversión de 375 millones de dólares, inversión que está en el rango de otras opciones de eficiencia energética como la iluminación residencial y no residencial. _

12 Co-beneficios y Barreras Las tecnologías bioenergéticas eficientes propuestas en este estudio dan lugar a una serie muy importante de co-beneficios. En los sectores residencial y pequeña industria existen beneficios sustantivos por reducción en el tiempo de cocción y mejora en la calidad de las piezas según sea el caso. Se dan mejoras muy importantes en cuestiones de salud y calidad de vida tanto para usuarios de las estufas como para los productores de hornos ladrilleros, alfareros y de carbón vegetal. Finalmente existen también beneficios ambientales locales sustantivos que se derivan del ahorro de combustible y la implementación de planes de manejo para garantizar el abasto de los hornos eficientes. Dentro del sector eléctrico, co-beneficios importantes de la generación con biomasa incluyen el apoyo a la diversificación y seguridad energéticas, la generación de empleos locales, así como la mejora del ambiente en cuestión de contaminantes como los óxidos de azufre. Para cada sector analizado se identificó una serie de barreras de tipo institucional, técnico, y socio-cultural, que deben ser oportunamente atendidas para que las opciones indicadas se lleven efectivamente a la práctica. Recomendaciones Con base en los resultados del estudio, podemos establecer las siguientes recomendaciones generales: Reconocer la importancia de las acciones sobre eficiencia energética en los usos rurales de la energía. Es importante incluir estrategias para aumentar la eficiencia energética rural, como un componente importante en cada uno de los ejes rectores de la estrategia nacional de energía (Seguridad Energética, Eficiencia Económica y Productiva, y Sustentabilidad Ambiental), y reconocer explícitamente la importancia de estos usos para contribuir a la transición energética del país. Investigación y desarrollo tecnológico. Es necesario facilitar y fomentar la investigación sobre la adaptación, aplicación y desarrollo de tecnología apropiada. En este caso es necesario fortalecer a los grupos ya existentes, así como promover la colaboración entre grupos nacionales e internacionales, aprovechando en esto último las iniciativas de colaboración y financiamiento que han surgido recientemente en otros países. Financiamiento. Es necesario diseñar esquemas de financiamiento, no sólo para la sustitución de las tecnologías ineficientes, sino también para la asesoría técnica, la capacitación y el _

13 seguimiento que permitan a los productores y usuarios rurales la implementación y la adopción de las tecnologías apropiadas. Desarrollar sistemas de información. Para poder contar con evaluaciones que permitan el diseño e implementación de políticas más efectivas es necesario mejorar la cantidad y calidad de la información sobre las tecnologías tradicionales empleadas en el país, en especial aspectos como los tipos de tecnologías tradicionales para cada actividad, la producción anual y su destino, y el consumo y origen de los combustibles. Esto es particularmente importante para la pequeña industria, en donde la información está dispersa, es incompleta o inexistente. Para este efecto es necesario diseñar y sistematizar la implementación de encuestas, desarrolladas por expertos en el tema, que permitan entender de mejor manera la dinámica de estas industrias e identificar sus tendencias. De igual forma es necesario la creación de bases de datos donde se actualice y se haga publica esta información, de forma similar al Sistema de Información Energética de la Secretaría de Energía. En el caso de la biomasa, debe darse también prioridad a crear y mantener bases de datos con información espacial (como los sistemas SIG) ya que se observan dinámicas muy diferentes por regiones y tipo de uso final en el país. _

14 Tabla de Contenido Pág. Resumen Ejecutivo 1. Introducción 1.1. Antecedentes Justificación 1.3. Objetivos 1.4.Bioenergía y los Forzadores Climáticos de Vida Corta (FCVC) 1.5.Aspectos Metodológicos Generales 2. Sector Residencial 2.1. Introducción 2.2. Metodología 2.3. Descripción de la tecnología 2.4. Patrones de consumo de leña y Consumo Unitarios 2.5. Emisiones derivadas del uso de leña en el sector residencial 2.6. Escenarios para el sector residencial 2.7. Mitigación de GEI y Carbono Negro 3. Producción de Carbón Vegetal 3.1. Introducción 3.2. Metodología 3.3. Descripción de las tecnologías 3.4. Inventario de los hornos tradicionales y Número de Usuarios de CV 3.5. Consumos Específicos (por tecnología) y totales (nacional) 3.6. Factores de Emisión y Emisiones Unitarias 3.7. Transición de la tecnología 3.8. Escenario Base 3.9. Escenario Alternativo Mitigación de GEI y Carbono Negro 4. Fabricación de ladrillo 4.1. Introducción 4.2. Metodología 4.3. Descripción de la Tecnología 4.4. Nivel de Actividad 4.5. Consumos Específicos 4.6. Factores de Emisión y Emisión Unitaria 4.7. Escenario Base 4.8. Escenario Alternativo de Mitigación 4.9. Mitigación de GEI y Carbono Negro Alfarería 5.1. Introducción 86 _

15 5.2. Metodología 5.3. Descripción de la tecnología 5.4. Patrones de consumo y consumo unitarios 5.5. Factores de emisión y potencial de mitigación 5.6. Escenarios de referencia y de mitigación 6. Generación de electricidad 6.1. Introducción 6.2. Metodología 6.3. Descripción de la tecnología alternativa 6.4. Nivel de Actividad del sector eléctrico en México ( ) 6.5.Factores de emisión y potencial de mitigación 6.6. Escenarios de referencia y de mitigación 7. Escenario Global de las Opciones Bioenergéticas Estudiadas 7.1. Introducción 7.2. Consumo energético 7.3. Emisiones y mitigación total 7.4. Análisis de costos 7.5. Co-beneficios 7.6. Análisis de Barreras 7.7. Recomendaciones para la implementación de tecnologías 7.8. Conclusiones Referencias Anexos 177 _

16 Índice de Tablas 2. Sector Residencial Tabla 2.1. Valores de Productividad Disponible para leña (PDL). Tabla 2.2. Estimaciones del consumo residencial de leña en México. Tabla 2.3. Consumo de leña per cápita (estudios de caso para fogones tradicionales). Tabla 2.4. Consumo de leña per cápita para usuarios exclusivos por macro-región ecológica. Tabla 2.5. Inventario nacional de usuarios de leña, fogones y estufas eficientes al Tabla 2.6. Factores de emisión de fogones tradicionales y estufas eficientes de leña en México. Tabla 2.7. Valores de fnrb por municipio para el año Carbón Vegetal Tabla 3.1. Factores de emisión de los hornos de tierra para la producción de carbón vegetal. Tabla 3.2. Factores de emisión de hornos eficientes para la producción de carbón vegetal. Tabla 3.3. Numero de hornos eficientes Rabo Quente que se instalaran en un año inicial, intermedio y el año final del escenario. 4. Producción de ladrillo Tabla 4.1. Consumo Energético y Poder Calorífico. Tabla 4.2. Tabulador de Consumo Unitario (CU) en hornos tradicionales. Tabla 4.3. Tabulador de Consumo Unitario (CU) en hornos eficientes. Tabla 4.4. Factores de emisión de las Ladrilleras Tradicionales. Tabla 4.5. Inventario Ladrilleras. Tabla 4.6. Consumo específico para producción de ladrillos a nivel Nacional. Tabla 4.7. Estimación Anual y acumuladas del escenario base de emisiones adicionales (tonco 2 e). Tabla 4.8. Estimación Anual y Acumuladas del Escenario Base de Emisiones Nacionales (toncn). Tabla 4.9.Estimación anual delescenario base del consumo nacional de biomasa (Kton). Tabla Mitigación Nacional de CO 2 e entre los escenarios y diferentes años (Kton). Tabla Mitigación Nacional de Carbono Negro (toncn). Tabla Mitigación Nacional del Consumo de Biomasa (ton). Tabla 4.13.Estimación anual del escenario Alternativo del consumo nacional de biomasa (Kton). 5. Alfarería Tabla 5.1. Evolución técnica de la cerámica y el uso de hornos para quemar. Tabla 5.2. Consumo de leña en distintos estudios de caso a nivel nacional. Tabla 5.3. Factores de emisión para hornos tradicionales de alfarería. Tabla 5.4. Emisiones de GEI para hornos de alfarería en México. Pág Generación de electricidad Tabla 6.1. Criterios considerados en la ubicación de plantas y sus valores óptimos. Tabla 6.2. Factores de emisión plantas Termoeléctricas combustóleo. Tabla 6.3. Factores de emisión plantas de ciclo combinado. Tabla 6.4. Factores de emisión plantas de generación eléctrica por combustión directa de biomasa. Tabla 6.5. Datos técnicos y potenciales unitarios de mitigación de la generación eléctrica con _

17 biomasa. Fuente: CFE (2009) y van den Broek et al (1996) Escenario global Tabla 7.1. Consumos de leña y combustible de los Escenarios Base y Alternativo Globales. Tabla 7.2. Resumen de las emisiones y mitigación de los escenarios globales. Tabla 7.3. Resumen de la mitigación por sector. Tabla 7.4. Costos de mitigación e inversión para el escenario alternativo: todos los sectores. Tabla 7.5. Beneficios económicos totales de las estufas Patsari _

18 Índice de Figuras 2. Sector Residencial Figura 2.1 Clasificación de pendientes de acuerdo a su grado de inclinación. Figura 2.2. Clasificación de vías de comunicación de acuerdo con su facilidad de tránsito. Figura 2.3. Clasificación de ríos de acuerdo su variabilidad estacional. Figura 2.4. Identificación de cuerpos de agua dentro del territorio mexicano. Figura 2.5. Mapa de fricción del territorio nacional. Figura 2.6. Mapa de distancia- costo del territorio nacional. Figura 2.7. Mapa de zonas accesibles para aprovechamiento de leña en el territorio nacional. Figura 2.8. Fogón tradicional de tres piedras. Figura 2.9. Fogón tradicional tipo U. Figura Estufa eficiente de construcción in situ. Figura Estufa eficiente prefabricada. Figura Macro regiones ecológicas en México. Figura Valores del factor de no renovabilidad (fnrb) en Figura Proyección de valores de fnrb en 2020 para el escenario base. Figura Proyección de valores de fnrb en 2020 para el escenario alternativo. Figura Proyección de valores de fnrb en 2030 para el escenario base. Figura Proyección de valores de fnrb en 2030 para el escenario alternativo. Figura Emisiones de GEI por consumo de leña en el sector residencial. Figura Escenario base de emisiones de Carbono Negro por uso de leña en el sector residencial. Figura Escenario de emisiones de GEI por uso de leña en el sector residencial. Figura Escenario de emisiones de Carbono Negro en el escenario alternativo para el sector Figura Escenario de mitigación de GEI en MtCO2e por la sustitución de fogones por estufas eficientes de leña. Figura Escenario de mitigación de Carbono Negro en toneladas del contaminante. 3. Carbón Vegetal Figura 3.1. Diagrama de horno de tierra Fuente: Schenkel et al., 1998 en Brian and Haberman, Figura 3.2. Fotografía de un horno Rabo Quente Fuente: Arias s/f. Figura 3.3. Demanda de carbón vegetal en México en toneladas. Figura 3.4. Consumo de Carbón vegetal para el año Figura 3.5. Consumo de Carbón vegetal para el año Figura 3.6. Consumo de Carbón vegetal para el año Figura 3.7. Número de hornos eficientes que se instalarán a lo largo del escenario. Figura 3.8. Escenario de emisiones de GEI en millones de toneladas de CO2 equivalente por la producción de carbón vegetal en hornos tradicionales. Figura 3.9. Escenario de emisiones de Carbono Negro en toneladas del contaminante por la producción de carbón vegetal en hornos tradicionales. Figura Escenario de emisiones de GEI en millones de toneladas de CO2 equivalente por la producción de carbón vegetal en hornos eficientes. Figura Escenario de emisiones de Carbono Negro en toneladas del contaminante por la producción de carbón vegetal en hornos eficientes. Pág Figura Escenario de mitigación de GEI en millones de toneladas de CO2 equivalente _

19 por la producción de carbón vegetal en hornos eficientes. Figura Escenario de mitigación de Carbono Negro en toneladas del contaminante por la producción de carbón vegetal en hornos eficientes. 4. Producción de ladrillos Figura 4.1. Hornos Ladrilleros Tradicionales en Morelia Michoacán. Figura 4.2. Horno MK en Querétaro. Figura 4.3. Inventario Estatal de Ladrilleras. Figura 4.4. Inventario Municipal de Ladrilleras. Figura 4.5. Proceso de Transición de Tecnología Figura 4.6. Mitigación Periódica de CO 2. Figura 4.7. Mitigación Periódica de CN. Figura 4.8. Mitigación GEI Basado en el escenario alternativo. 5. Alfarería Figura 5.1. Distribución a nivel nacional de unidades de producción en alfarería. Figura 5.2. Distribución de comunidades alfareras en México (COFEPRIS 2002). Figura 5.3. Quema de alfarería a fuego abierto en Amatenango, Chiapas. Figura 5.4. Quema de alfarería a fuego abierto en Cocucho, Michoacán. Figura 5.5. Hornos de leña mejorados en Zautla, Puebla Figura 5.6. Emisiones de GEI del Escenario Alternativo y mitigación con respecto al Escenario Base. Figura 5.7. Emisiones de CN del Escenario Alternativo y mitigación con respecto al Escenario Base. 6. Generación de electricidad Figura 6.1. Potencial de la bioenergía en México. Figura 6.2. Evolución de la capacidad instalada por tecnología en MW. Figura 6.3. Potencia instalada del Escenario Base. Figura 6.4. Ubicación de las plantas de generación eléctrica con biomasa. Figura 6.5. Potencia Instalada del Escenario Alternativo. Figura 6.6. Generación eléctrica del escenario alternativo. Figura 6.7. Emisiones de Carbono Negro del Escenario Base Eléctrico. Figura 6.8. Emisiones GEI del Escenario Base Eléctrico. Figura 6.9. Emisiones de GEI del Escenario Alternativo y mitigación con respecto al Escenario Base. Figura Emisiones de CN del Escenario Alternativo y mitigación de las emisiones de CN por el Escenario Alternativo. 7. Escenario Global de las Opciones Bioenergéticas Estudiadas Figura 7.1. fnrb en el año Figura 7.2. fnrb en el año 2030 con el escenario alternativo. Figura 7.3. Demanda de carbón vegetal en Figura 7.4. Demanda de carbón vegetal en Figura 7.5. Estados con existencias de hornos para la producción de ladrillo. Figura 7.6. Ubicación de las plantas de generación eléctrica con biomasa. Figura 7.7. Consumo energético del Escenario Base Global. Figura 7.8.Evolución del consumo total de leña por municipio (2010 y 2030). Figura 7.9. Consumo energético del Escenario Alternativo Global. Figura Emisiones de GEI del Escenario Base Global _

20 Figura Emisiones de CN del Escenario Base Global. Figura Emisiones de GEI del Escenario Alternativo Global. Figura Emisiones de CN del Escenario Alternativo Global. Figura Mitigación de GEI en el EAG. Figura Mitigación de CN en el EAG. Figura Mitigación total acumulada de GEI al _

21 Acrónimos Aa.- Área accesible de bosque (ha) ANP.- Áreas Naturales Protegidas Bio.- Biomasa c.- Combustóleo Cap.- Capacidad CFE.- Comisión Federal de Electricidad CH 4.- Metano CN.- Carbono Negro CO.- Monóxido de Carbono CO 2 e.- Bióxido de Carbono Equivalente CONABIO Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad CONAFOR.- Comisión Nacional Forestal CONAPO.- Comisión Nacional de Población Cons.- Consumo CU.- Consumo Unitario CV.- Carbón Vegetal DENUE.- Directorio Estadístico Nacional de Unidades Económicas EEB.- Emisiones de Escenario Base EGEI.- Estimación de emisiones de Gases de Efecto Invernadero Em.- Emisiones Esc.- Escenario FAO.- Food and AgricultureOrganization (Organización de la Naciones Unidas para Agricultura y Alimentación) FE.- Factor de Emisión FEB.- Factor de expansión de biomasa fnrb.- Factor de no renovabilidad de la biomasa FP.- Factor de Planta FWS.- Cantidad de leña obtenida de manera sustentable GE.- Generación Eléctrica Combustóleo GEI.- Gases de Efecto Invernadero Gn.- Gas Natural GWP.- Global WarmingPotential (Potencial de Calentamiento Global) H.- Horno ICA.- Incremento medio anual INE.- Instituto Nacional de Ecología (México) INEGI.- Instituto Nacional de Estadística y Geografía IPCC.- Panel Intergubernamental para el Cambio Climático Lad.- Ladrillo LP.- Licuado de Petróleo MK.- MárquezKiln (Horno Márquez) Mpal.- Municipal N 2 O.- Óxido Nitroso NOx.- Óxidos Nitrosos _

22 PDL.- Productividad Disponible para leña PFC.- Prueba de Funcionamiento en Cocina Prod.- Producción REMBIO.- Red Mexicana de Bioenergía SEDESOL.- Secretaría de Desarrollo Social SEMARNAT.- Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales SENER.- Secretaría de Energía TECQ.- Texas ComissiononEnviromentalQuality ( Comisión de Calidad del Medioambiente de Texas) TNMHC.-Total Non-Methane Hydrocarbons UACJ.- Universidad Autónoma de Ciudad Juárez UAMI.- Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa WISDOM.- Woodfuel Integrated Supply/Demand Overview Mapping Unidades GJ.- Gigajoule gr.- Gramos Ha.- Hectárea Kg.- Kilogramos Km.- Kilómetro Kton.- Kilo-toneladas m.- metros m 3.- metro cúbico MJ.- MegaJoule MtCO 2 e.- Millones de toneladas de Dióxido de Carbono equivalente MW.- Megawatt MWh.- Megawatt-hora PJ.- PetaJoule Pton.- Peta-toneladas tcv.- Toneladas de Carbón Vegetal TJ.- TeraJoule tms.- Toneladas de Materia Seca Ton.- Toneladas µg.- Microgramo _

23 1 Introducción 1.1 Antecedentes México siendo un país firmante del Protocolo de Kioto, debe poner en marcha acciones y estrategias que coadyuven a minimizar el cambio climático. El país tiene la oportunidad de desarrollar acciones y lograr los beneficios que provean esquemas de cooperación bilateral y multilateral como mecanismo para favorecer la obtención de recursos financieros, técnicos y humanos que permitan la implantación de estrategias de largo plazo para explorar sus alternativas de mitigación. Además de reducir las emisiones de CO 2, se ha reconocido cada vez más la necesidad de reducir también las emisiones de los llamados forzadores climáticos de vida corta (FCVC o SLCF, por sus siglas en inglés, Short-LivedClimateForcers) entre los que se encuentra el carbono negro y el metano. El carbono negro permanece en la atmósfera por un periodo de tiempo relativamente corto pero contribuye al forzamiento radiativo que se ejerce sobre la superficie terrestre interfiriendo específicamente con el fenómeno del albedo. El carbono negro es originado por la combustión incompleta de combustibles fósiles, biocombustibles y biomasa. Entre sus principales fuentes se encuentra el uso de biocombustibles sólidos para aplicaciones residenciales y en pequeña industria. En un estudio del Banco Mundial se determinó que las opciones bioenergéticas 1 podrían contribuir con un 22% a la mitigación total de emisiones en el país al 2030 (Johnson et al. 2009). Prominente entre las opciones energéticas se encuentran la difusión de estufas eficientes de leña, la mejora en la eficiencia de las pequeñas industrias y la generación de electricidad con biomasa. Aunado a lo anterior, las opciones bioenergéticas tienen un potencial 1 Se le llama bioenergía a toda aquella energía final que se obtiene a partir de la materia viva o materia orgánica producida por los seres vivos, conocida como biomasa. Se considera que la bioenergía presenta ventajas como una fuente de energía alternativa a fuentes fósiles e incluso a otras renovables: a) la biomasa puede ser almacenada, lo que da certidumbre en su suministro; b) puede ser transformada para aumentar su densidad energética y facilitar su manejo; c) puede ser producida y utilizada local o regionalmente, evitando la necesidad de utilizar transporte de largas distancias. También se le asocian ventajas ambientales como la mitigación de emisiones de GEI, beneficios sociales y económicos como la diversificación de las economías rurales y oportunidades de empleo a lo largo de la cadena de producción, con el consecuente aumento de la actividad económica (Thornley, 2006). 1

24 de diversificar la matriz energética en todos los sectores. En un escenario de consumo a 30 años, los bioenergéticos pueden contribuir de 250 PJ/año calculados para el 2008 a poco más de 3000 PJ/año, lo que se traduce directamente en una mitigación de CO 2 e importante por la sustitución de combustibles (Islas et al., 2007). 1.2 Justificación Actualmente en México cerca de 25 millones de personas utilizan leña como combustible (Masera et al. 2005), de acuerdo al presente estudio el consumo total de leña de los sectores analizados se estima en 25 millones de toneladas de materia seca (MtMS) para el año 2012, consumo varias veces superior a toda la madera que se utiliza en México para aserrío y celulosa (4.7 millones de m 3 según el Anuario Estadístico de la Producción Forestal 2009) que equivale a alrededor de 2.4 MtMS (considerando una densidad de 0.52 tms/m 3 ). La mayor participación de este consumo corresponde al sector residencial con el 76%., se espera que este consumo se mantenga al largo plazo (Masera et al. 2010). La mayor parte de las comunidades que usan la leña como combustible utilizan un fogón abierto para cocinar dentro de la vivienda, lo que resulta en emisiones de diversos contaminantes por concepto de la combustión incompleta de la leña, particularmente carbono negro, metano, monóxido de carbono y otros contaminantes. 2 La contaminación por la quema de combustibles sólidos tiene asimismo importantes impactos ambientales locales y de salud en los usuarios. Existen además pequeñas industrias (e.g. ladrilleras, talleres alfareros, hornos de producción de carbón vegetal, tortillerías, panaderías y otras) usuarias de biomasa, que utilizan tecnología ineficiente que también produce emisiones sustantivas de FCVC como de carbono negro (Molina y Ruiz, 2011; UNEP, 2011). Es importante estudiar a detalle la contribución real de estas fuentes de FCVC y GEI y de esta manera, proponer y evaluar medidas para su mitigación. 2 Los Forzadores Climáticos de Vida Corta (FCVC) son contaminantes del aire que contribuyen al calentamiento global en el corto plazo, debido al corto periodo de tiempo que duran en la atmósfera (UNEP, 2011). 2

25 Por otro lado, se ha identificado en México un potencial importante de generación de electricidad limpia a través de la combustión directa de biomasa proveniente de residuos forestales, que podría tener una mitigación anual de hasta 35 Mt CO 2 e, además de un gran potencial de generación de empleos (Johnson et al., 2009). Para tener una evaluación más detallada y realista de este potencial es necesario desarrollar modelos espaciales que permitan identificar las áreas con las características óptimas para el establecimiento de plantas de generación eléctrica y sus correspondientes capacidades de potencia. Se han realizado ya algunos estudios prospectivos sobre el potencial de mitigación de la bioenergía, pero están mayormente concentrados sobre biocombustibles líquidos (Islas et al. 2007; Johnson et al. 2009). Asimismo, estos estudios no han considerado la dimensión espacial, ni incluido con detalle a los FCVC. Ambos aspectos son críticos para poder por un lado, delinear estrategias nacionales de mitigación con impacto en el corto y largo plazos, y por el otro, para que los estudios brinden información útil para la elaboración de los inventarios y planes de acción climática a nivel estatal y municipal que establece la Ley General de Cambio Climático. Asimismo, se ha documentado que los escenarios de bajas emisiones de carbono pueden redundar en grandes co-beneficios al país, en materia de aumentos de productividad de la fuerza de trabajo, en otras mejoras ambientales como conservación de la biodiversidad o conservación de suelos-, así como en la salud de sus habitantes. Un estudio específico sobre los co-beneficios de introducción de estufas eficientes de leña en el sector rural de México, (Garcia-Frapolli et al., 2010) documenta impactos económicos significativos para los pobladores debidos a la mejora de salud de la gente, a la reducción del impacto por el uso de leña en los bosques aledaños y en ahorros de tiempo y dinero para los pobladores locales. 1.3 Objetivos El presente estudio tiene como objetivo general estimar el potencial de mitigación futura de gases de efecto invernadero (GEI), y de forzadores climáticos de vida corta (carbono negro) derivado de la implementación masiva de opciones bioenergéticas en México al año 2020 y Los objetivos específicos son los siguientes: 3

26 Estimar consumos y emisiones unitarias de opciones bioenergéticas para el sector residencial, pequeña industria y generación de electricidad. Desarrollar un escenario de referencia espacialmente explícito para los usos finales estudiados en el periodo Determinar un escenario de mitigación espacialmente explícito con las tecnologías seleccionadas para las opciones de análisis, considerando diversas variables socioeconómicas y ambientales (e.g. número de usuarios de leña mixtos y exclusivos, consumos per cápita de leña, potencial técnico de biomasa sustentable, crecimiento económico etc.). Para la selección de tecnologías se establecieron cuatro criterios: 1) tecnología probada que pueda ser adaptada a las condiciones de México; 2) que permita ahorros importantes de combustible; 3) que tengan alto potencial de mitigación; 4) que exista suficiente documentación sobre la tecnología. Asimismo los escenarios escogidos incluyen medidas (como la introducción de estufas eficientes de leña y de hornos eficientes para ladrilleras) que se han analizado en reportes internacionales recientes como UNEP (2011). Evaluar los costos y co-beneficios derivados de las intervenciones de mitigación (e.g. disminución de exposición a contaminantes atmosféricos, salud, empleo, reducción del consumo de leña -con los consecuentes ahorros monetarios-, etc.). Ver la sección de metodología. Analizar las barreras para la implementación masiva de las opciones bioenergéticas propuestas. 1.4 Bioenergía y los Forzadores Climáticos de Vida Corta (FCVC) Los gases de efecto invernadero son gases presentes en la atmósfera, tanto naturales como antropogénicos, que absorben y emiten radiación en longitudes de onda infrarrojas y contribuyen a un calentamiento de la superficie terrestre. El vapor de agua (H 2 O), el dióxido de carbono (CO 2 ), el oxido nitroso (N 2 O), el metano (CH 4 ) y el ozono (O 3 ) son los gases de efecto invernadero primarios. También hay gases de efecto invernadero de origen antropogénico como halocarbonos y otras sustancias que contienen cloro y bromo. Además del CO 2, N 2 O y CH 4 el protocolo de Kioto contempla también gases de efecto invernadero como el hexafloruro 4

27 de azufre, los hidrofloruros de carbono y perfluorocarbonos (UNEP, 2011).Como se mencionó anteriormente los forzadores climáticos de vida corta (FCVC) son contaminantes del aire que contribuyen al calentamiento global en el corto plazo, debido al breve periodo de tiempo que permanecen en la atmósfera (Molina y Ruiz, 2011; UNEP, 2011) (Ver Anexo 1). Debido a que los forzadores climáticos de vida corta tienen tiempos de vida atmosférica menores que el CO 2, la reducción significativa en sus emisiones se reflejará rápidamente en el calentamiento del planeta, en comparación con las reducciones de CO 2 (Molina y Ruiz, 2011; UNEP, 2011). Además la mitigación de estos contaminantes contribuye a mejorar la calidad del aire y la salud humana. Recientemente se ha hecho evidente que el carbono negro y el humo producido por la combustión incompleta de la biomasa contribuyen significativamente al cambio climático. Varios estudios han sugerido que el carbono negro puede ser el segundo o tercer controlador de clima más importante detrás del CO 2 a escala mundial y podría incluso ser más importantes en ciertas regiones (Jacobson, 2000; Bachmann, 2009; UNEP, 2011). Además el carbono negro es un componente del material particulado (PM por sus siglas en inglés), que también afecta la salud humana (Molina y Ruiz, 2011; UNEP, 2011). El carbono negro tiene otros efectos en el clima como inducir cambios en los patrones de lluvia y cuando se deposita sobre la nieve acelera el deshielo (UNEP, 2011; Bachmann, 2009). Las fuentes primarias de carbono negro incluyen los motores diesel, pequeñas fuentes industriales, fuentes domésticas de carbono y los biocombustibles sólidos para cocinar y para calefacción y los incendios agrícolas y forestales (Bachmann, 2009; UNEP, 2011). Por lo anterior, la mitigación de carbono negro, particularmente a través del uso eficiente de la bioenergía, tiene el potencial de disminuir emisiones que causan el cambio climático,mejorarel clima y la calidad del aire, a su vez relacionada con beneficios para la salud al corto plazo como un complemento a las estrategias globales en el clima basadas en la reducción de emisiones GEI (Bachmann, 2009; UNEP, 2011; Molina y Ruiz, 2011). 1.5 Aspectos Metodológicos Generales Sectores y Tecnologías Consideradas 5

28 Dentro de este estudio se consideran opciones bioenergéticas para 3 sectores: residencial, pequeña industria y el sector de generación de energía eléctrica. En el sector residencial se considera la sustitución de fogones tradicionales por estufas eficientes de leña. Dentro de la Pequeña Industria se examinan 3 subsectores: a) La producción de carbón vegetal. Aquí consideramos el reemplazo de los hornos tradicionales de carbón por hornos mejorados tipo Rabo Quente ; b) La producción artesanal de ladrillo. En este caso se considera el reemplazo de los hornos tradicionales por hornos mejorados tipo MK2; y c) La producción artesanal alfarera. Aquí consideramos el reemplazo de los hornos tradicionales de baja temperatura por hornos eficientes. Finalmente dentro del sector eléctrico, consideramos la sustitución de centrales eléctricas a gas y combustóleo por plantas de generación mediante la quema de biomasa Metodología para el desarrollo de los escenarios Aspectos Generales La metodología general del estudio consta básicamente de cinco pasos. A continuación se describe de manera sucinta cada uno de ellos. La metodología detallada se presenta al describir cada una de los sectores y opciones de mitigación: 1) Determinación de los factores de emisión. Consiste en la descripción de las tecnologías bioenergéticas convencionales (o tradicionales) y alternativas, sus factores de emisión y las emisiones unitarias correspondientes 2) Construcción del Escenario Base: se establecen los niveles de actividad en el año base para cada una de las tecnologías convencionales y se proyecta su crecimiento hasta el año A partir de este crecimiento se calculan las emisiones del escenario de base; 3) Construcción del Escenario Alternativo: se establecen los supuestos de sustitución de tecnologías tradicionales por tecnologías alternativas (llamada penetración) a lo largo del tiempo y se calculan las emisiones de este escenario basado en los datos de emisiones unitarias por tecnología alternativa. La resta de las emisiones del Escenario Alternativo a las del Escenario Base nos dará la mitigación del Escenario Alternativo. Esta misma metodología y horizonte de tiempo ha sido utilizada en otros estudios de mitigación de largo plazo (Islas et al., 2007; Johnson et al., 2009); 6

29 4) Estimación de los costos y co-beneficios: se calcula la diferencia entre los costos del Escenario Base de cada opción y los costos del Escenario Alternativo, lo que nos dará el costo neto de implementación del Escenario Alternativo de cada opción. En los casos en donde existen otros beneficios que no pueden ser cuantificados monetariamente (cobeneficios) se cuantificarán utilizando metodologías particulares; 5) Análisis de barreras de implementación: basado en revisión de aspectos diversos como institucionales, reglamentaciones, así como aspectos técnicos se identificarán las barreras que dificultan o impiden la implementación de las tecnologías bioenergéticas. A continuación se detalla cada una de los puntos de la metodología: Factores de Emisión y Emisiones Unitarias Para cada tecnología se deben estimar sus emisiones unitarias anuales, que son el producto de los factores de emisión de GEI (incluyendo los FCVC) que usualmente se presentan como emisiones por unidad de combustible utilizado- y los consumos específicos de combustible (que se presentan en consumo de combustible por año). Matemáticamente, tenemos que: EU TC = (FE TC CE TC ) EU TB = (FE TB CE TB )! FE TC,TB en kgco $! 2eq # & kgco $ 2eq # & " kgle / año% " kwh % y CE TB = kg combustible / Dispositivo / año donde, 7

30 EU= Emisión unitaria por tecnología FE TC = Factor de emisión de la tecnología convencional FE TB = Factor de emisión de la tecnología bioenergética CE TC = Consumo específico de la tecnología convencional CE TB = Consumo específico de la tecnología bioenergética Kgle-a: Kg de leña al año La incertidumbre de estas estimaciones es difícil de cuantificar, por lo que se harán análisis de sensibilidad para caracterizarlas variaciones de los resultados debidas a parámetros clave que afectan los resultados. Construcción de los Escenarios y sus emisiones Las emisiones del escenario base de cada tecnología se calcularán con la siguiente ecuación para cada tecnología, 2030 E tec = EU TC S TCanual frnb 2009 donde, E tec = Emisiones acumuladas totales por tecnologías convencionales (o tradicionales) EU TC = Emisiones de la tecnología tradicional que es = Factor de emisión * Consumo Unitario combustible de esta tecnología S TCanual = Saturación anual de la tecnología convencional fnrb= Factor de no renovabilidad del uso de biomasa. NOTA: se aplica solamenteen el Sector Residencial para el cálculo de las emisiones de CO 2 a fin de estimar las emisiones netas debidas al uso de leña. Para los casos de las emisiones de CH 4 ; N 2 O y CN y los otros sectores el fnrb no aplica. Las emisiones del escenario de mitigación asociadas a la introducción de tecnologías bioenergéticas eficientes de cada sector (EM tec )se calcularán por tecnología- de la siguiente manera: 8

31 2030 EM tec = EU TB S TBanual frnb 2009 donde, EM tec = Emisiones acumuladas totales por tecnologías bioenergéticas EU TB = Emisiones de la tecnología bioenergética que es = Factor de emisión* Consumo Unitario combustible de la tecnología alternativa S TBanual = Saturación anual de la tecnología bioenergética fnrb= Factor de no renovabilidad del uso de biomasa. NOTA: se aplica solamenteen el Sector Residencial para el cálculo de las emisiones de CO 2 a fin de estimar las emisiones netas debidas al uso de leña. Para los casos de las emisiones de CH 4 ; N 2 O y CN y los otros sectores el fnrb no aplica. Si la meta del escenario de mitigación no contempla una sustitución total de las tecnologías convencionales, entonces las emisiones de las tecnologías convencionales restantes se sumarán a las emisiones de las tecnologías bioenergéticas. La mitigación acumulada total por el uso de tecnologías bioenergéticas en cada uno de los sectores analizados se calcula con la ecuación Mit = E tec (res,ind,elec) - EM tec(res,ind,elec) donde, Mit= Mitigación total acumulada E tec = Emisiones acumuladas totales por tecnologías convencionales para cada sector EM tec = Emisiones acumuladas totales por tecnologías bioenergéticas para cada sector 9