EJEMPLO DE UNA MEMORIA DE CÁLCULO DE CAMBIO DE COMBUSTIBLES EN LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD COMO PARTE DE LA PARTICIPACIÓN DE MÉXICO EN EL PROGRAMA DE MECANISMO DE DESARROLLO LIMPIO Roberto FLORES VELÁZQUEZ y Ramón MUÑOZ LEDO Instituto de Investigaciones Eléctricas, Calle Reforma 113, Col. Palmira, C. P. 62490, Cuernavaca, Morelos, México, correo electrónico: rml@iie.org.mx Palabras clave: Mecanismo de Desarrollo Limpio, emisiones de CO 2, Protocolo de Kyoto, cenral termoeléctrica, gas natural RESUMEN El Mecanismo de Desarrollo Limpio es una actividad surgida a partir del Protocolo de Kyoto con la que se pretende ayudar a los países incluidos en su Anexo I a disminuir sus emisiones de gases con efecto invernadero hasta 5% menos de las de 1990. Esto se lograría mediante la inversión en proyectos realizados en países en desarrollo (No Anexo I) bajo condiciones específicas. Estos proyectos brindan la oportunidad de reducir de manera económica las emisiones de gases, y al mismo tiempo, incrementar la capacidad de los países anfitriones para realizar acciones domésticas mediante la transferencia de tecnología y recursos financieros. En el presente trabajo se calcula la reducción de emisiones que se lograría al cambiar el combustoleo por gas natural en una central termoeléctrica usando la metodología y factores que propone el Panel Intergubernamental de Cambio Climático. Para el caso en que se trabajara con la eficiencia se tiene que las emisiones son para combustoleo de 61 t-co 2 eq/gwh, y para gas natural de 476 t-co 2 eq/gwh. Por otro lado, trabajando con la eficiencia se obtiene que las emisiones operando con combustoleo y gas natural son de 1030 y 739 t-co 2 eq/gwh, respectivamente. Por lo que, el cambio de combustible en una central termoeléctrica reduce las emisiones de gases, y si esto se aplicara a la energía producida, reduciría el costo de la misma. Sin embargo, el principal uso de esta mejora económica debe de ser para paliar el aumento en el costo del combustible y la tecnología. INTRODUCCIÓN El efecto invernadero es el papel que desempeña la atmósfera en el calentamiento de la superficie terrestre, gases con moléculas de tres o más átomos en la atmósfera, disminuyen la reflexión de radiación al espacio exterior. El balance de energía en la superficie del planeta representa un calentamiento neto, esto es la base de las teorías de calentamiento global. El bióxido de carbono (CO 2 ) es el más común de los gases con efecto invernadero (GEI s) que se produce por las actividades humanas (antropogénicas), siendo la 1
principal fuente de CO 2 la oxidación de los combustibles fósiles (70 a 90% de dichas emisiones de CO 2 ) (Muñoz Ledo, 1995). Estas emisiones se derivan principalmente del proceso de combustión donde la mayoría del carbono contenido en el mismo se libera como CO 2 durante el proceso, otra parte (menor proporción) se libera como CO (combustión incompleta), CH 4, o hidrocarburos no metano (fugas de combustible) los cuales se oxidan lentamente en la atmósfera para formar el CO 2 en un período que va desde unos cuantos días hasta 8-10 años. La cantidad de CO 2 emitido depende directamente de la cantidad de combustible consumido, de la fracción de carbono del combustible que se oxida y del contenido de carbono en el combustible. Para abatir la contaminación y estabilizar la cantidad de gases presentes en la atmósfera, se requiere una reducción sustancial de las emisiones totales de los GEI s. El lograrlo implica cambios tecnológicos significativos que afectan las condiciones económicas, políticas y sociales tanto a nivel nacional como global. A nivel mundial se están tomando medidas para evitar en lo posible las potenciales consecuencias del Cambio Climático tales como (Sivan et al., 2004): Cambio de combustibles, aumento de eficiencia en la transformación de energía, disminución de fugas de combustibles, etc. De estos acuerdos internacionales surge el Protocolo de Kyoto (PK), que se resume en los siguientes acuerdos: 1. GEI s indicados en el PK: a. Dióxido de carbono (CO 2 ). b. Oxido Nitroso (N 2 O). c. Metano (CH 4 ). d. Hidrofluorocarbono (HFC). e. Perfluorocarbono (PFC). f. Hexafluoruro de azufre (SF 6 ). Los gases d, e, y f son sintéticos. 2. Los Países desarrollados (ANEXO I (AI)) se comprometen a reducir las emisiones de GEI s en un 5.5% del promedio que emitieron en 1990, en el periodo de aplicación 2008 al 2012 (primera etapa). 3. El siguiente periodo de aplicación (2013 -, segunda etapa) se esta negociando, en la Junta de Partes (países participantes). 4. Mecanismos de Flexibilidad. Es posible la reducción de emisiones en un área, industria, sector, etc. para compensar el aumento de emisiones en otro, el balance global por país AI es el que debe disminuir a 5.5% del nivel de 1990. 5. Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL). Fija las normas, relaciones y acuerdos para que un país del AI, pueda apoyar a los países en desarrollo No Anexo I (NAI), a reducir sus emisiones de GEI s, utilizando estas reducciones de emisiones para cubrir sus compromisos con el PK. 6. Implementación Conjunta (IC). Fija las normas, relaciones y acuerdos para que un país del AI, pueda apoyar a otro país del AI a reducir sus emisiones de GEI s, utilizando estas reducciones para cubrir sus compromisos con el PK. 7. Se establecerá un comité (Junta Ejecutiva (JE)) que regule, evalúe y certifique las reducciones de emisiones de GEI s (Certificados de Reducción de Emisiones (CRE s)), estableciendo un mercado global que regido por la oferta y la demanda permita las transacciones de dichos certificados en valores económicos. 2
El objetivo primordial de un proyecto MDL es la cooperación entre países del AI y países del NAI para reducir las emisiones de GEI s (Helioui et al, 2006; Dagoumas et al., 2006); ya que estos proyectos brindan la oportunidad de reducir de manera económica las emisiones de CO 2, y al mismo tiempo incrementan la capacidad de los países anfitriones para realizar acciones domésticas mediante la transferencia de energía y recursos financieros (Haites, 2004; Shimazaki et al., 2000). En el caso del presente trabajo se propone un cambio de combustible de aceite residual de petróleo (combustóleo) a gas natural. De acuerdo con el proceso de combustión, se tiene la presencia de los siguientes GEI s: CO 2, N 2 O y CH 4. Utilizando los valores del potencial de calentamiento global (PCG) que indica la metodología del IPCC (7) (Tabla I), se obtienen las emisiones totales de GEI s referidas a CO 2. Tabla I. Potencial de Calentamiento Global, referido a CO 2. GEI PCG CO 2 1 CH 4 21 CH 3 CHF 2 140 N 2 O 310 CH 2 FCF 3 1300 CHF 2 CF 3 2800 CF 4 6500 C 2 F 6 9200 CHF 3 11700 SF 6 23900 METODOLOGÍA Para calcular las emisiones de Carbono (C), se considera el consumo aparente de energía (promedio nacional por tipo de generación) de la Central Termoeléctrica (CTE) (CONSUMO) y los tipos de combustibles que se utilizan en la operación de la misma. Si a estos se les afecta por el coeficiente promedio de emisión de carbón de cada combustible (F em ) en unidades de energía que indica el IPCC (2003), la sumatoria proporciona el carbón total emitido por la CTE en estas condiciones, tal y como se muestra en la siguiente ecuación: C = n i=1 F em i CONSUMO Tomando en cuenta que la oxidación del 'C' a CO 2 ocurre de acuerdo con la siguiente reacción química: C + O 2 CO2 Así, tomando en consideración la relación de pesos moleculares, se obtiene que por cada 12 gramos de carbono se producen 44 gramos de CO 2, siendo por lo tanto su relación estequiométrica 44/12. Convencionalmente se reporta como 'C' i 3
en CO 2, un valor promedio indica que en un país en desarrollo se emite per cápita 1 tonelada de CO 2 anual (Muñoz Ledo, 1995). En el presente trabajo la base de calculo (línea base (LB)) son las emisiones de una CTE operando con combustóleo a y eficiencia, usando la metodología y factores que propone el Panel Intergubernamental de Cambio Climático, cuyas principales características y requerimientos satisfacen las propuestas de proyectos para el MDL. Asimismo, se hacen las suposiciones e inferencias del cálculo de emisiones de GEI s si la CTE se modificara para quemar gas natural (LB proyectada) a y eficiencia. La diferencia de emisiones relacionada con la energía producida, indicará los posibles CRE s que se pudieran obtener en el esquema de MDL, considerando un precio mínimo y máximo de USD por tonelada de CO 2. De esta manera, se puede estimar el apoyo que se obtendría para la unidad de energía producida a través del MDL. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Los resultados se obtienen suponiendo las eficiencias promedio de las CTEs que operan con combustóleo y gas natural, que se muestran en la tabla II. Tabla II. s y de la CTEs CTE Combustóleo 30 50 Gas Natural 42 65 Teóricamente, con las s eficiencias de transformación de una CTE (CFE, 1995) se necesitan quemar entre 70 y 100 gramos de carbono, para producir 1 kilo Watt hora (kwh). Tomando en cuenta el valor promedio (85 gramos), se obtiene la cantidad de CO 2 producido, como se muestra en las tablas III y IV. Tabla III. GEI s emitidos por el uso de combustoleo en una CTE GEI CO 2 279 g C 168 g C CH 4 400 ppm 250 ppm N 2 O 400 ppm 200 ppm CO 2 eq. 281 g C 169 g C Tabla IV. GEI s emitidos por el uso de Gas Natural en una CTE. GEI 4
CO 2 202 g C 130 g C CH 4 500 ppm 350 ppm N 2 O 30 ppm 20 ppm CO 2 eq. 202 g C 130 g C Comparando el cambio de combustibles (Combustóleo Gas Natural) en la CTE, utilizando la relación estequiométrica y variándola unidad de energía tenemos las emisiones de GEI s, que se observan en la tabla V: Tabla V. Emisiones de GEI s en Toneladas de CO 2 equivalente, para los diferentes combustibles y sus eficiencias s y s. Combustible en CTE tco 2 eq/gwh tco 2 eq/gwh Combustóleo 1030 617 Gas Natural 739 476 Considerando las posibles variaciones de combustibles y suponiendo que se usaran los combustibles menos contaminantes (cambio de combustóleo a Gas Natural), las reducciones de emisiones se encuentran en la tabla VI. Tabla VI. Reducción de emisiones de GEI s por cambio de combustible, comparando la eficiencia si se cambia a eficiencia de Gas Natural CTE tco 2 eq/gwh tco 2 eq/gwh - 291-554 + 122-141 En la actualidad aún no hay un mercado formal de emisiones, pero ya se pueden negociar los CRE s (1 CRE igual a 1 tonelada métrica de CO 2 eq. ) a precios de entre 8 y 12 Dólares Americanos (USD), que propone el PK para el primer periodo que inicia el año 2008. La obtención de recursos por la venta de CRE s en la producción de energía se puede observar en la tabla VII. Tabla VII. Apoyos mínimos (usd/gwh) y máximos (USD/GWh) del MDL a la producción de energía por cambio de combustóleo CTE USD/GWh USD/GWh 2328 6648 no aplica 1692 5
CONCLUSIONES No se considera una diferencia (mayor generación de energía), porque que la filosofía del proyecto es el cambio de combustible no una re potenciación de la CTE involucrada. Indirectamente el cambio de tecnología, puede incrementar la vida útil de las CTE. El cambio de combustible (de combustóleo a gas natural), significa siempre la reducción de emisiones de GEI s, excepto que se quisiera cambiar una CTE de combustoleo de alta eficiencia por una de Gas de baja eficiencia, lo cual no puede ser aplicable. En este esquema de cambio de combustible la parte principal es el CO 2. Las fugas de hidrocarburos volátiles y los NO X, no tienen un valor muy importante en las emisiones globales de GEI s a pesar de su alto PCG. Si se negocian las reducciones de emisiones por cambio de combustible en un esquema MDL, las aportaciones económicas harán más viable el proyecto. El problema actual en el cambio de combustible es la variación en el costo del Gas Natural que como se rige por la oferta y la demanda y que en México no se produce la cantidad suficiente del mismo. Un problema económico adicional es que el gas natural, necesita de procesos químicos complejos y caros para ser utilizado y transportado, por lo tanto usar la combustión del combustóleo en una CTE es más simple y menos costoso. La factibilidad de ser aplicado en varias CTE s es alta, siempre que los costos económicos del gas natural se estabilicen, lo que si es claro el apoyo de los MDL es un ayuda, no un negocio. REFERENCIAS Comisión Federal de Electricidad (CFE) (1995). Prontuario de datos técnicos de la CTE Ing. Carlos Rodríguez Rivero. México Dagoumas A. S., Papagiannis G. K., y Dokopoulos, P. S. (2006) An economic assessment of the Kyoto Protocol application. Energy Policy. 34, 26-39. Haites, E. (2004) Estimating the market potential for the clean development mechanism: review of models and lessons learned, report no. 19, PCFplus: Washington, DC. Helioui K., Cohen C., y Azklo A. S. (2006) How to use the clean development mechanism in the residual sector? The case of Brazilian refrigerators. Energy Policy, in press Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) (2003). Greenhouse Gas Inventory. United Kingdom. Muñoz Ledo R., (1995). Emisiones de gases efecto invernadero del sector energético mexicano. En: Emisiones de gases efecto invernadero en América 6
Latina y opciones de atenuación. Publicidad Gráfica León s. r. l., Caracas, Venezuela, Vol. 10, pp. 89-106. Shimazaki Y., Akisawa A., y Kashiwagi T. (2000) Model analysis of clean development mechanisms to reduce both CO 2 and SO 2 emissions between Japan and China. Applied Energy. 66, 311-324. Sivan K., Lazarusa M., y Bosib M. (2004) Baseline recommendations for greenhouse gas mitigation projects in the electric power sector. Energy Policy. 32, 545-566. 7