EMPLEO DE MODELOS PARA EVALUAR EL VÍNCULO ENTRE GENERACIÓN TERMOELÉCTRICA Y CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA EN ARGENTINA Darío R. Gómez Comisión Nacional de Energía Atómica Unidad de Actividad Química Grupo Monitoreo Ambiental Avenida General Paz 1499 (1650) San Martín - Argentina email: dgomez@cnea.gov.ar
RESUMEN Hemos centrado nuestra contribución al Curso sobre Gestión de la Calidad del Aire en las Ciudades de América Latina en nuestra experiencia en la evaluación del aporte a la contaminación atmosférica por parte del parque argentino de generación termoeléctrica. El alto grado de conexión entre los sistemas de generación, transporte y distribución de energía eléctrica y la naturaleza única de su producto kwh de energía eléctrica han contribuido a la toma de acciones tempranas del sector por el impacto ambiental asociado a sus actividades (IEA, 1991). Argentina no ha estado ausente de esta conducta manifestada a escala internacional y resulta interesante examinar los emprendimientos llevados a cabo por el sector eléctrico ya que por lo general han liderado acciones similares de otros sectores. INTRODUCCIÓN El Grupo Monitoreo Ambiental de la Comisión Nacional de Energía Atómica ha participado en algunas actividades relevantes de evaluación de la contaminación atmosférica llevadas a cabo en los últimos años en Argentina. La posibilidad de realizar de manera coordinada y con personal y equipamiento propios las actividades de: Medición de emisiones de fuentes fijas Medición de la calidad del aire Desarrollo de estrategias de diagnóstico es una de las características que distinguen a nuestro Grupo. A partir de 1994, mediante un acuerdo de Cooperación Técnica entre el Ente Nacional Regulador de la Electricidad y la Comisión Nacional de Energía Atómica, el Grupo Monitoreo Ambiental realiza mediciones de los principales contaminantes asociados a la combustión fósil tanto en las chimeneas de centrales termoeléctricas como en el aire ambiente en la vecindad de las mismas (Bajano y col., 1998, 1999). La primera actividad encarada fue la caracterización de emisiones de contaminantes atmosféricos provenientes de las máquinas de generación termoeléctrica. Casi contemporáneamente a las mediciones de los efluentes de las fuentes fijas del sector termoeléctrico, surgió la necesidad de evaluar el aporte de estas emisiones al deterioro de la calidad del aire ambiente. Para ello se adquirió experiencia en el empleo de modelos de dispersión. En ese marco, realizamos también campañas de medición de calidad del aire en la vecindad de las centrales ubicadas en las ciudades de Buenos Aires y de San Nicolás (Romero y col., 1995a y b). En la interpretación de estos datos, surgió la necesidad del desarrollo de modelos de receptores como herramienta complementaria de diagnóstico (Hopke, 1991).
En esta charla trataremos de presentar una rápida visión de estas tres actividades. CARACTERIZACIÓN DE LAS EMISIONES Sobre el mapa de Argentina, podemos ver la extensión del trabajo de medición de emisiones, realizado entre 1994 y 1998. En 44 centrales, se midieron los efluentes de chimenea de más de un centenar de máquinas que generan la casi totalidad de la energía eléctrica de origen térmico del país. Desde 1995 los propios generadores comenzaron a medir sistemáticamente las emisiones e instalaron equipos de monitoreo continuo en las máquinas de mayor potencia. De esta manera, se pudo obtener una completa base de datos que permitió contar con valiosa información sobre:
Emisión de NO x Emisión de SO 2 Emisión de partículas Porcentaje de O 2 Contenido de humedad Velocidad y temperatura de salida La disponibilidad de estos parámetros, organizada según tipo de máquina, tecnología y año de instalación permitió disponer de una adecuada caracterización de las emisiones con bajo nivel de incertidumbre. Hasta el presente el sector termoeléctrico es el único en Argentina que dispone de esta información con este nivel de desagregado. APORTE DE LAS CENTRALES AL DETERIORO DE LA CALIDAD DEL AIRE Aquí tenemos una foto de 1994 donde, al fondo, se ven las chimeneas de una central térmica y en primer plano un muestreador de alto volumen para partículas en suspensión. Felizmente algunas cosas que vemos en ella ya no lucen igual. Entre ellas el contenido de partículas en las plumas. emisión calidad del aire Al ver estas emisiones y sabiendo que estamos obteniendo simultáneamente datos de calidad de aire, la pregunta que nos hacemos es: Cuál es el aporte de
las emisiones de contaminantes atmosféricos de las centrales en los sitios receptores de interés? EMPLEO DE MODELOS DE DISPERSIÓN Para poder contestar esta pregunta, hacemos algunas abstracciones. Aquí tenemos una representación válida de la situación fotografiada. Vemos la chimenea, la pluma efluente de ella y nuestro medidor que podemos denominar, sitio receptor. Para cuantificar la concentración ambiental del contaminante de interés en el sitio receptor, podemos emplear modelos de dispersión. Estos modelos nos permiten describir cómo varía la concentración de un contaminante en el espacio a partir de su punto de emisión. Para organizar el modelado, colocamos nuestro sistema de coordenadas (x,y,z) en un lugar del espacio. z x C partículas (x,y,z) y La información mínima de entrada para los distintos modelos de dispersión está constituida por parámetros geométricos: Altura y diámetro de chimenea Condiciones de emisión: Velocidad Temperatura Concentración a la salida del efluente Y en la mayoría de los modelos, necesitamos conocer los Datos Meteorológicos
Nosotros hemos abordado el modelado con nivel creciente de detalle de acuerdo a las características del problema a tratar (EPA; 1992). Para ello hemos empleado tanto modelos de sondeo para evaluar órdenes de magnitud (EPA, 1995a) como modelos más refinados en aquellos casos en que necesitamos una respuesta que permitiera considerar la información meteorológica local con mayor grado de detalle (EPA; 1995b). Modelos de sondeo (SCREEN3) Modelos detallados (ISC3) También hemos desarrollado la Guía Metodológica para la Evaluación del Impacto Ambiental Atmosférico (Dawidowski y col., 1997) que fue declarada por el Ente Regulador de la Electricidad, de observancia obligatoria para los agentes del mercado eléctrico mayorista que deban presentar al mismo evaluaciones de impacto ambiental atmosférico o diagnósticos ambientales (ENRE, 1997). La Guía constituye el primer documento que regula aspectos técnicos del empleo de modelos de dispersión en estudios de impacto ambiental atmosférico en Argentina. Independientemente del modelo que empleemos, del mismo obtenemos como respuesta la concentración ambiental presente en el sitio receptor como consecuencia del transporte y difusión de contaminantes a partir de la fuente de emisión en estudio. C sitio receptor = Aporte de la fuente Sin embargo los contaminantes emitidos por la fuente en estudio no son los únicos presentes en el sitio receptor. Existe por lo general el aporte de otras fuentes. C sitio receptor = Aporte de la fuente + Aporte de las otras fuentes
Este aporte se conoce también como concentración de fondo. C sitio receptor = Aporte de la fuente + Concentración de fondo La suma de ambos aportes nos da la concentración total en el sitio receptor de interés. A los fines de preservar la salud humana y el medio ambiente, nos interesa verificar que la concentración ambiental no supere en ningún lugar los valores regulados. C sitio receptor < C establecida por las normas En Argentina, todavía tenemos que prestar atención a los tres ingredientes que constituyen la última ecuación: Aporte de la fuente Concentración de fondo Normas de calidad de aire Con respecto al aporte de las fuentes de interés, la escasez de mediciones de calidad del aire en la zona de influencia de las centrales que cubran periodos relativamente largos ha impedido verificar y calibrar los resultados de los modelos de dispersión. Si bien estos modelos son empleados en el ámbito internacional, el trabajo de su calibración para situaciones claves presentes en Argentina es una tarea pendiente que merece ser encarada. Con respecto a la concentración de fondo, la ausencia de inventarios actualizados de emisiones con información desagregada compatible para su uso con los modelos de dispersión y la ya mencionada escasez de datos ambientales ha impedido hasta el presente su adecuada evaluación. Se hace necesario avanzar en la caracterización de las otras fuentes tanto en lo referente a sus emisiones como a lo concerniente a los regímenes de operación. En este marco, las fuentes móviles requieren una atención prioritaria. Por último, los niveles regulados de calidad del aire en los ámbitos nacional, provinciales y municipales requieren una estudio integral ya que existen diferentes criterios tanto en los valores regulados de concentración como en los tiempos promedio de exposición. Es necesario un proceso de revisión de los estándares de calidad del aire que establezca no sólo los valores límites sino los fundamentos para su adopción. A pesar de todo lo expuesto hasta ahora, podemos decir que hemos registrado avances desde 1994 en la caracterización del aporte de las centrales térmicas a la contaminación atmosférica.
MODELOS DE RECEPTORES Hemos hablado de la escasez de datos ambientales en la vecindad de las centrales, ahora bien, es válido preguntarnos cómo podemos aprovechar la información que encierran esos datos. Más específicamente, la pregunta es: podemos decir algo acerca de la importancia de las distintas fuentes que aportan contaminantes atmosféricos en un dado sitio a partir de la información de calidad de aire? Este abordaje, que al vincular receptores con fuentes, puede ser considerado como una suerte de problema inverso al de dispersión se puede tratar con una serie de técnicas conocidas como Estos modelos, de una u otra manera, procesan la información estadística contenida en múltiples variables para tratar de vincular los niveles de contaminantes atmosféricos en un dado sitio receptor con las fuentes de emisión que contribuyeron con los mismos en esa localización. Presentamos el espíritu de los modelos de receptores por medio de un ejemplo. Supongamos que este círculo contiene el análisis de una muestra ambiental atmosférica. Típicamente dos tipos de análisis químicos se han empleado en este marco, composiciones de múltiples elementos en partículas en suspensión o composiciones de diferentes compuestos orgánicos volátiles en muestras de aire ambiente. Estos componentes constituyen marcadores (huellas digitales) de las fuentes que los han emitido. Vemos que nuestra muestra está formada por cuatro tipo de componentes (elementos químicos o compuestos orgánicos): triángulos magentas, aros naranjas, estrellas rojas y soles verdes.
La riqueza de la información que brinda el contenido de diversos componentes permite su organización mediante métodos estadísticos de variables múltiples. En nuestro caso, si miramos a la organización obtenida por filas, vemos que se han detectado tres grupos: 1) formado por 3 aros, 2 estrellas, 5 soles y ausencia de triángulos; 2) formado por 6 estrellas, 2 soles, 2 triángulos y ausencia de aros; y 3) formado por 2 aros, 2 estrellas, 1 sol y 5 triángulos. En el caso de nuestro interés, las centrales térmicas, seguramente nos será posible caracterizar el contenido promedio de los componentes analizados en las emisiones. Supongamos que este análisis nos indique que para nuestra fuente de interés el perfil de composición es el siguiente: 6 estrellas, 2 soles y 2 triángulos Fuente 1 Podemos decir entonces que el aporte de la central en la muestra ambiental del sitio receptor es el 40 %. Si además tenemos la posibilidad de conocer los perfiles de todas las fuentes que contribuyen: Fuente 2 Fuente 3 Podemos concluir entonces que en esta muestra ambiental el aporte de las distintas fuentes es: 40 % de Fuente 1 20 % de Fuente 2 40 % de Fuente 3 Si el perfil de composición de las fuentes está disponible al principio del tratamiento estadístico, se puede incorporar al mismo. De manera que los distintos métodos de análisis de receptores dependen del tipo de información disponible al momento de partida.
EJEMPLO DE APLICACIÓN Para finalizar la charla presentamos un ejemplo donde hemos aplicado tanto modelos de dispersión como de receptores para el análisis ambiental (Reich y col., 1999). Sobre un mapa de la zona de San Nicolás, vemos la ubicación de la central térmica. También podemos apreciar la existencia de otras fuentes de emisión de contaminantes atmosféricos, entre ellas una acería y varias plantas industriales. En nuestro ejemplo, analizamos el aporte de la central a los niveles de SO 2 en aire ambiente. Para ello contamos con datos sobre: Régimen de operación y datos de emisión de la central Mediciones de calidad de aire durante tres meses, que incluyen concentraciones promedio diarias de SO 2, realizadas en 4 sitios de muestreo. Datos meteorológicos. Central Térmica Sitios de monitoreo Acería Otras fuentes industriales Con toda la información disponible modelamos la dispersión de SO 2 desde las fuentes de emisión de la central y calculamos la concentración del contaminante en los sitios de medición.
Concentración de SO 2 medida (µg m -3 ) 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 Concentración de SO 2 calculada considerando a la central termoeléctrica como única fuente de emisión (µg m -3 ) La figura muestra los resultados del modelo de dispersión para uno de los sitios de monitoreo, considerando a la central como única fuente de emisión de SO 2. En el eje vertical se han graficado las concentraciones diarias de SO 2 medidas en el sitio de monitoreo. Sobre el eje horizontal los valores calculados mediante el modelo. La línea verde es la recta de 45 que indica la ansiada coincidencia entre los valores medidos y calculados. Como se aprecia, los valores medidos superan prácticamente siempre a los calculados. Esto puede deberse a que cometimos errores al modelar o al medir o bien que no nos equivocamos tanto y que existen otras fuentes de emisión además de la central. Para explorar esta posibilidad. Formulamos la hipótesis de que la otra fuente importante de SO 2 en la zona es la acería y empleamos un modelo de receptores para caracterizar esta fuente. Mediante la aplicación de una red neuronal artificial pudimos calcular la altura efectiva y el caudal de emisión para un fuente potencial de SO 2 ubicada en la planta siderúrgica (Hertz y col., 1995). Luego corrimos nuevamente el modelo de dispersión pero ahora incluimos la fuente de la acería. El resultado se aprecia en la siguiente figura.
25.0 Concentración de SO 2 medida (µg m -3 ) 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 Concentración de SO 2 calculada teniendo en cuenta las otras fuentes de emisión identificadas (µg m -3 ) Se ve ahora que los puntos se alinean mucho más cerca de la recta de 45, confirmando la existencia de la acería como otra fuente. Las desviaciones alrededor de la recta de 45 están seguramente asociadas más a la variabilidad intrínseca de los fenómenos en cuestión que a la existencia de otras fuentes relevantes de SO 2. Una cuestión que merece ser comentada es la existencia de unos triángulos de color magenta. Estos datos representan situaciones de baja velocidad de viento durante el proceso de medición. Las situaciones de calma meteorológica no formaron parte del conjunto de entrenamiento de la red y por lo tanto no puede esperarse una mejora en la predicción bajo estas condiciones. El ajuste pobre para los datos cercanos al valor de 5 µg m -3 se debe seguramente a que este valor es el límite de detección del método de medición (WHO, 1976) y entonces la incerteza de los valores experimentales en esta zona es mayor.
CONCLUSIONES Esperamos que en esta charla hayamos dado un panorama de las opciones que tenemos en Argentina cuando nos enfrentamos a la necesidad de realizar diagnósticos de calidad de aire. En nuestro país la información ambiental es, por lo general, escasa y fragmentaria. Además el monitoreo de la calidad del aire implica un esfuerzo importante para nuestra sociedad. En este marco, se hace necesario explotar la información disponible y organizar los planes futuros de monitoreo como para generar bases de datos más completas y confiables que faciliten el adecuado diagnóstico ambiental. REFERENCIAS Bajano, H., L.E. Dawidowski, S.L. Reich, C. Rickert, C.A. Romero, A.O. Vicente y D.R. Gómez (1998). Generación Termoeléctrica y Contaminación Atmosférica. Actas XXVI Congreso Interamericano de Ingeniería Sanitaria y Ambiental, Lima. Perú. Bajano, H., L.E. Dawidowski, D.R. Gómez, G.D. Anbinder y F.C Rey (1999). Incorporating Environmental Constraints to Electricity Generation in the City of Buenos Aires. Proc. Energy, Environment and Technological Innovation, Vol. I, 659, Roma, Italia. Dawidowski, L.E., D.R. Gómez y S.L. Reich (1997). Guía Metodológica para la Evaluación del Impacto Atmosférico. Honorable Cámara de Diputados de la Nación, Buenos Aires, Argentina. Ente Nacional Regulador de la Electricidad (1997). Resolución ENRE N 13/97. Boletín Oficial N 28.656, p. 27, Buenos Aires, Argentina. Hertz, J., Krogh, A., Palmer, R. (1995). Introduction to the theory of neural computation. Addison-Wesley, Redwood City, EE.UU. Hopke, P.K., ed. (1991). Receptor modeling for air quality management. Elsevier, Amsterdam, Países Bajos. IAEA (1991). Senior Expert Symposium on Electricity and the Environment, International Atomic Energy Agency, Viena, Austria. Reich, S.L., Gómez, D.R., Dawidowski, L.E. (1999). Artificial neural networks for the identification of unknown air pollution sources. Atmos. Environ., 33, 3045-3052. Romero, C.A., C. Rickert, A. Ledesma y L. Dawidowski (1995a). Medición de Concentraciones de Material Particulado, NO x y SO x en el área de Influencia de Centrales Térmicas. Central Puerto. Comisión Nacional de Energía Atómica, Buenos Aires. Romero, C.A., C. Rickert, A. Ledesma y L. Dawidowski (1995b). Medición de Concentraciones de Material Particulado, NO x y SO x en el área de Influencia
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