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Impacto sobre la calidad del aire de una planta de generación de energía eléctrica a base de Fuel Oil

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Academic year: 2020

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(1)Trabajo de Diploma Título: “Impacto sobre la calidad del aire de una planta de generación de energía eléctrica a base de Fuel Oil”.. Autor: Aracely Guerra Mesa. Tutores: Dra. Mayra Morales Pérez. Dra. Elena Regla Rosa Domínguez. Consultante: Idalberto Herrera Moya.. “Año 52 de la Revolución“ Julio 2010..

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(3) El único camino abierto a la prosperidad constante y fácil, es el de conocer, cultivar y aprovechar los elementos inagotables e infatigables de la naturaleza...” José Martí..

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(5) A mis padres y en especial a mi hermana..

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(7) Ante todo tengo que agradecer a todos los profesores de la carrera en general que han velado por mi formación como profesional para llegar hasta este punto. Agradezco en especial a mis tutoras Mayra Morales y Elena Rosa por su dedicación,, pues a pesar de estar lejos han seguido muy de cerca este trabajo dándome todo su apoyo y sabiduría. Al profesor Idalberto, por su preocupación y contribución en una parte muy importante de esta tesis. A Pastora, Reina y Roberto por su ayuda. A Vladimir Núñez en el Centro Meteorológico Provincial. Agradezco también especialmente a Noel por su colaboración e interés en mi trabajo, a Javier, Yoannis y los que de alguna forma me ayudaron, todos ellos en los grupos electrógenos de la Subplanta. A mi familia por su apoyo incondicional y su amor. A mis amigos de cinco años y a los de muchos más por su aliento. A todos aquellos que de una forma u otra hicieron posible la realización de este trabajo.. Muchas Gracias..

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(9) RESUMEN El presente trabajo evalúa la calidad del aire en una zona donde esta ubicada una fuente fija del sector de la energía, la Central Eléctrica Fuel oil Santa Clara 110. Para el estudio se desarrolló un procedimiento que permite la evaluación del proceso tecnológico de generación distribuida y su incidencia en la calidad del aire mediante el análisis integrado de la emisión de los contaminantes a una capacidad de carga estable y los impactos asociados, la modelación de la dispersión y la evaluación de los niveles de inmisión en un radio que incluye el radio de protección sanitaria. Se realizan cálculos básicos de ingeniería para conocer los parámetros tecnológicos de interés y para la evaluación experimental de la emisión y de la inmisión. se. utilizan. un. analizador. automático. y. captadores. pasivos. respectivamente, reconocidos internacionalmente para este tipo de estudio. Además se realiza la modelación de la dispersión mediante el software ISCT3 y el modelo de la dispersión de la norma cubana 39:1999 y se evalúan las categorías de impacto contempladas en el eco indicador 99. Los resultados demuestran que la calidad del aire en la zona residencial es aceptable y que la fuente estudiada no tributa directamente a esta zona en el período del estudio. Sin embargo los valores de las concentraciones emitidas de SO2 y NO2 son elevados e impactan significativamente en la categoría de respiración de inorgánicos con incidencia en la categoría de daños a la salud y al ecosistema. Los resultados de la modelación de la dispersión justifican que la dispersión es hacia el oeste no afectando directamente la zona residencial en este período, pero por los altos valores de concentración en la zona rural y/o industrial y porque las condiciones meteorológicas de velocidad y dirección del viento no son constantes en todo el año se debe mejorar el desempeño ambiental con el objetivo de minimizar los impactos..

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(11) ABSTRACT The present work evaluates the quality of the air in an area where is located a fixed source of the sector of the energy, the ¨ Electric Central Fuel oil Santa Clara 110. For the study, a procedure that allows the evaluation of the technological process of distributed generation and its incidence in the quality of the air by means of the integrated analysis of the emission from the pollutants to a capacity of stable load and the associate impacts, the modeling of the dispersion and the evaluation of the inmision levels in a radius that includes the radius of sanitary protection, was developed. They are carried out basic engineering calculations in order to know the technological interesting parameters and for the experimental evaluation of the emission and of the inmision an automatic analyzer and passive captators are used respectively, grateful internationally pear this study type. Moreover, it was carried out the modulation of the dispersion by means of the software ISCT3 and the pattern of the dispersion of the Cuban norm 39: 1999 and the impact categories contemplated in the eco indicator 99 were evaluated. The results demonstrate that the quality of the air in the residential area is acceptable and that the studied source doesn't pay directly to this area in the period of the study. However, the values of the emitted concentrations of SO2 and NO2 are high and they impact significantly in the breathing category of inorganic with incidence in the category of damages to the health and the ecosystem. The results of the modeling of the dispersion justify that the dispersion is toward the west not affecting the residential area directly in this period, but for the high concentration values in the area rural and industrial and because the meteorological conditions of speed and address of the wind are not constant in the whole year the environmental acting should be improved with the objective of minimizing the impacts..

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(13) ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN.. 1. OBJETIVOS.. 3. CAPÍTULO 1: Marco teórico de la investigación.. 5. 1.1 Introducción.. 5. 1.2 Contaminación atmosférica.. 5. 1.3 Emisiones a la atmósfera.. 6. 1.4 Generación de electricidad.. 8. 1.4.1 Grupos electrógenos y su impacto ambiental.. 8. 1.5 Combustión.. 10. 1.6 Lluvias ácidas.. 12. 1.7 Efecto invernadero.. 13. 1.8 Protocolo de Kyoto.. 16. 1.8.1 Cumbre de Copenhague.. 16. 1.9 Calidad del aire en Cuba.. 16. 1.9.1 Determinación del Índice de Calidad del Aire (ICA) en los asentamientos humanos.. 19. 1.9.2 Situación ambiental en Villa Clara.. 19. 1.10 Metodologías para cuantificación de contaminantes.. 20. 1.11 Transporte y destino de los contaminantes atmosféricos. 23. 1.11.1 Modelación de la calidad del aire.. 25. 1.11.2 Modelación de la dispersión de emisiones. 26. 1.11.3 Modelos de dispersión atmosférica.. 26. 1.12 Indicadores de impacto ambiental.. 30.

(14) 1.12.1 Clasificación de los indicadores medioambientales.. 31. 1.13 Conclusiones parciales.. 33. CAPITULO 2. Materiales y Métodos. 34. 2.1 Introducción.. 35. 2.2 Descripción del área objeto de estudio.. 35. 2.3 Descripción del flujo tecnológico de la instalación.. 35. 2.4 Caracterización de las emisiones.. 37. 2.4.1 Medición de las emisiones.. 37. 2.4.2 Equipamiento utilizado.. 38. 2.4.3 Resultados de las mediciones de emisión.. 39. 2.5 Balance de materiales del proceso de combustión de fuel oil.. 41. 2.5.1 Cálculo del caudal total de la mezcla de aire y gases.. 41. 2.5.2 Determinación de la temperatura de salida de los gases.. 43. 2.5.3 Determinación de la velocidad de salida de la mezcla de gases y aire.. 44. 2.5.4 Análisis de los resultados de los cálculos.. 44. 2.6 Medición experimental de las inmisiones.. 45. 2.6.1 Equipamiento utilizado.. 46. 2.6.2 Muestreo de las concentraciones de NO2 y SO2.. 47. 2.6.2 a) Puntos de muestreo.. 47. 2.6.3 Análisis de los cartuchos muestreados de dióxido de nitrógeno y azufre.. 50. 2.6.4 Análisis de los resultados.. 52. 2.7 Indicadores Ambientales.. 53. 2.7.1 Resultados y análisis.. 56.

(15) 2.8 Conclusiones parciales.. 61. CAPITULO 3. Modelación de la dispersión de contaminantes.. 62. 3.1 Introducción.. 62. 3.2 Dispersión atmosférica de contaminantes en el aire.. 62. 3.2.1 Modelo de dispersión atmosférico de la Norma Cubana 39.1999.. 62. 3.2.2 Descripción del software.. 67. 3.2.3 Resultados de la modelación de la dispersión de los gases contaminantes mediante el software por la Norma Cubana.. 69. 3.3 Modelos de dispersión atmosférica ICSCT3. 72. 3.3.1 Datos necesarios para modelar.. 73. 3.3.2 Resultados de la modelación de la dispersión de los gases contaminantes mediante el software ICSCT3.. 75. 3.4 Conclusiones parciales.. 79. CONCLUSIONES.. 76. RECOMENDACIONES.. 77. BIBLIOGRAFÍA.. 78. ANEXOS.. 82.

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(17) Introducción INTRODUCCIÓN La degradación del medio ambiente debida a la actitud adoptada por el hombre hacia la naturaleza durante el último siglo, en el sentido de que en su actuación explotó los recursos naturales con una total indiferencia ante todo lo que no repercutiera en su beneficio directo, ha dado lugar a uno de los problemas capitales que la humanidad tiene planteados en la actualidad, la contaminación. La explotación intensiva de los recursos naturales y el desarrollo de grandes concentraciones industriales y urbanas en determinadas zonas, son fenómenos que, por incontrolados, han dado lugar a la saturación de la capacidad asimiladora y regeneradora de la Naturaleza y pueden llevar a perturbaciones irreversibles del equilibrio ecológico general, cuyas consecuencias a largo plazo. no. son. fácilmente. previsibles.. (http://www.jmarcano.com/recursos/contamin/catmosf.html) Uno de los principales problemas que enfrentan hoy tanto los países desarrollados como los subdesarrollados, es lograr un equilibrio que permita obtener la energía que necesitan para su desarrollo de forma económica y sin dañar. el. entorno.. (http://centros6.pntic.mec.es/cea.pablo.guzman/lecciones_fisica/energia_ electrica.htm) En la actualidad la energía eléctrica se genera mayoritariamente a partir de combustibles fósiles.. La instalación de los grupos electrógenos (GE) en. nuestro país fue una de las medidas tomadas en la batalla por el ahorro energético. Un grupo electrógeno está formado básicamente por un conjunto integrado que contiene un motor térmico primario (turbina de gas, motor Otto), un generador eléctrico (generalmente de corriente alterna) acoplado en el mismo. eje. y. complementarios. los. correspondientes. elementos. auxiliares. y. sistemas. que durante su funcionamiento desprenden sustancias. tóxicas tales como: óxidos de nitrógeno, hollín, monóxido y dióxido de carbono, hidrocarburos, compuestos de azufre y plomo. Debido a ello la generación de electricidad produce impactos locales como la contaminación de áreas urbano-. 1.

(18) Introducción industriales; regionales como la lluvia o deposición ácida; y globales como el cambio climático. Uno de los objetivos básicos de la ingeniería ambiental es reducir las emisiones de residuos y minimizar su impacto ambiental. Para ello, se requiere conocer las características de los contaminantes, sus interacciones con los procesos naturales que ocurren en los medios receptores y sus efectos sobre el funcionamiento de los ecosistemas y sobre la salud de las personas. En este sentido la evaluación de la calidad de aire mediante monitoreo de emisiones permite verificar el cumplimiento de las correspondientes normas de calidad de aire y de emisión de contaminantes y tomar medidas para mitigar en la medida de lo posible sus efectos así. como lograr un balance riesgo. beneficio en la decisión de implantación de nuevas instalaciones con efectos iguales sobre el medio ambiente. El aire se considera como un bien común limitado, indispensable para la vida; por lo tanto este debe estar sujeto a normas que eviten el deterioro de su calidad de tal modo que se preserve su pureza como garantía del normal desarrollo de los seres vivos en la Tierra y de la conservación del patrimonio natural de la humanidad. Es por ello que se hace necesario realizar los monitores de la calidad del aire para conocer los niveles de contaminación en este medio en todas las zonas donde existen y seguirán instalándose fuentes del sector de la energía en aras de minimizar los impactos y satisfacer las necesidades de la población y los servicios en cuanto a la energía eléctrica sin afectar la calidad de vida de las generaciones presentes y futuras.. 2.

(19) Objetivos. Problema científico La generación distribuida de electricidad usando fuel como combustible es una de las alternativas de solución a los problemas energéticos del país, sin embargo no se ha evaluado la calidad del aire con la metodología de diagnóstico que permite evaluar el impacto ambiental de las emisiones.. Hipótesis Es posible evaluar la calidad del aire en del proceso de generación distribuida de electricidad de motores fuel mediante un procedimiento de diagnóstico que permita evaluar los impactos potenciales de las emisiones y el nivel de exposición de los receptores.. Objetivo general: Realizar el diagnostico ambiental de la calidad del aire de un proceso tecnológico de generación distribuida utilizando fuel como combustible.. Objetivos específicos: 1. Evaluar experimentalmente la emisión de contaminantes gaseosos de los grupos electrógenos de fuel en la ¨Central Eléctrica Fuel oil Santa Clara. 2. Evaluar experimentalmente el nivel de inmisión de S02 y NO2 en la zona residencial cercana al emplazamiento de. grupos electrógenos de fuel. Santa Clara 110. 3. Evaluar la temperatura y velocidad de salida del flujo de gases en las baterías del emplazamiento. 4. Modelar la dispersión de los contaminantes generados en el proceso mediante la Norma Cubana 39:1999 y por el software ISCST3. 5. Evaluar indicadores ambientales usando el modelo eco indicador 99 y el software Sima Pro V7.1.. 3.

(20) Objetivos. Metodología empleada: 1. Identificación de las etapas críticas del proceso desde el punto de vista energético ambiental. 2. Evaluación experimental de la emisión a una capacidad de carga de 95%. 3. Evaluación experimental de la inmisión en la zona residencial cercana a la fuente objeto de estudio. 4. Modelación de la dispersión. 5. Evaluación de categoría de impacto de las emisiones con el modelo eco indicador 99.. 4.

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(22) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. CAPITULO 1: Marco teórico de la investigación. 1.1 Introducción La atmósfera es la envoltura gaseosa de unos 200km de espesor que rodea la Tierra y constituye el principal mecanismo de defensa de las distintas formas de vida. Ella. está constituida por varias capas de aire; las de mayor. importancia para el estudio del control de la contaminación del aire se llaman troposfera y estratosfera. La troposfera es la capa delgada de aire relativamente denso más cercana a la superficie de la tierra. La troposfera contiene el aire que todos los seres vivos necesitan para respirar. La estratosfera es la capa protectora de aire que ayuda a absorber y dispersar la energía solar. El aire es una mezcla compleja de muchas sustancias; sus principales elementos constitutivos son el nitrógeno, oxígeno y vapor de agua. Aproximadamente el 78 por ciento del aire es nitrógeno y el 21 por ciento oxígeno. El uno por ciento restante incluye pequeñas cantidades de sustancias, como el dióxido de carbono, metano, hidrógeno, argón y helio. En teoría, el aire siempre ha tenido cierto grado de contaminación. Los fenómenos naturales tales como la erupción de volcanes, tormentas de viento, descomposición de plantas y animales e incluso los aerosoles emitidos por los océanos "contaminan" el aire. Sin embargo, cuando se habla de la contaminación del aire, los contaminantes son aquellos generados por la actividad del hombre (antropogénicos). Los principales focos de contaminación atmosférica de origen antropogénico son las chimeneas de las instalaciones de combustión para generación de calor y energía eléctrica, los tubos de escape de los vehículos automóviles y los procesos industriales.. 1.2 Contaminación atmosférica La contaminación atmosférica se define como la presencia de ciertas substancias y/o formas de energía en el aire, en concentraciones, niveles o permanencia lo suficientemente altos como para constituir un riesgo a la salud y a la calidad de vida de la población, y a la preservación de la naturaleza o a la conservación del patrimonio ambiental. (Zaror,2000) Dichos contaminantes pueden ser:. 5.

(23) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Primarios: son los que permanecen en la atmósfera, tal y como fueron emitidos por la fuente. Para fines de evaluar la calidad del aire se consideran: el óxido de azufre, el monóxido de carbono, el óxido de nitrógeno, los hidrocarburos y las partículas. Secundarios: son los que han estado sujetos a cambios químicos, o bien, son el producto de la reacción de dos o más contaminantes primarios en la atmósfera. Entre ellos destacan los oxidantes fotoquímicos y algunos radicales de corta existencia como el ozono. Clasificación de las fuentes emisoras • Fuente fija o estacionaria: Es toda fuente que opera en lugar fijo, cuyas emisiones se descargan a través de un ducto o chimenea. Como ejemplo la industria en general e incineradores.(NC 55:2008) •Fuente móvil: son las correspondientes al transporte automotor: los camiones, los autos, las motos.. 1.3 Emisiones a la atmósfera Las principales emisiones al aire procedentes de la combustión de combustibles fósiles o biomasa consisten en óxido de azufre (SOX), óxidos de nitrógeno (NOx), material particulado (PM), y gases de efecto invernadero, como el monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2) dependiendo del tipo y la calidad del combustible empleado. •. Monóxido de carbono (CO). Es un gas incoloro e inodoro que en concentraciones altas puede ser letal. En la naturaleza se forma mediante la oxidación del metano, que es un gas común producido por la descomposición de la materia orgánica. La principal fuente antropogénica de monóxido de carbono es la quema incompleta de combustibles. Para que se complete el proceso de combustión es necesario que haya cantidad adecuada de oxígeno; cuando éste es insuficiente, se forma el monóxido de carbono. Efectos principales en la salud humana: Se combina con la hemoglobina en la sangre y desplaza al oxígeno del sitio de enlace. Obstaculiza la liberación de oxígeno en los tejidos y forma carboxihemoglobina que afecta al sistema nervioso central provocando cambios funcionales cardíacos y pulmonares.. 6.

(24) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. •. Oxidos de nitrógeno (NOx). El nitrógeno forma parte del tejido vivo, por lo que se lo encuentra en los combustibles fósiles. Al quemarse carbón y petróleo se oxidan, formando N2O, NO y NO2. El término NOx se refiere a la combinación de estas dos últimas sustancias. El dióxido de nitrógeno se emite al aire por procesos de combustión a altas temperaturas, siendo las fuentes principales las móviles y en menor escala las centrales eléctricas a base de carbón y ciertas industrias. En urbes soleadas es un precursor de la generación fotoquímica del ozono. Efectos principales en la salud humana: produce irritación a los pulmones y daña las células que revisten a éstos llegando a causar en ocasiones edema pulmonar. •. Óxidos de azufre (SOx). Los óxidos de azufre son gases incoloros que se forman al quemar azufre. El dióxido de azufre (SO2) es el contaminante que indica la concentración de óxidos de azufre en el aire. La fuente primaria de óxidos de azufre es la quema de combustibles fósiles, en particular el carbón, siendo la cantidad de dióxido de azufre emitido al aire casi la misma cantidad presente en el combustible. Efectos principales en la salud humana: la exposición al SO2 causa constricción de los conductos respiratorios y ataques asmáticos. Irrita los ojos y el tracto respiratorio. Reduce las funciones pulmonares, provocando enfermedades como el asma, la bronquitis crónica y el enfisema. •. Partículas suspendidas en su fracción respirable (PM-10 y PM-2.5). Partículas sólidas o líquidas dispersas en la atmósfera (su diámetro va de 0.3 a 10um) como polvo, gotas cenizas nieblas y humo. La fracción respirable de partículas suspendidas totales (PST), conocida como PM-10 y PM-2.5, está constituida por aquellas partículas de diámetro inferior a 10 micras y 2.5 micras, respectivamente, que tiene la particularidad de penetrar en el aparato respiratorio hasta los alvéolos pulmonares. Estas provienen de la combustión industrial y doméstica del carbón, de los procesos industriales, incendios, erosión eólica y erupciones volcánicas, de las construcciones, demoliciones y otros.. 7.

(25) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Efectos principales en la salud humana: produce irritación en las vías respiratorias. Su acumulación en los pulmones origina enfermedades como la silicosis y la asbestosis. Agravan el asma y las enfermedades cardiovasculares. (Secretaría,2003) 1.4 Generación de electricidad La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada ya que gracias a la flexibilidad en la generación y transporte, se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo energético. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores. Para el transporte de una cantidad de energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de corriente necesaria; esto disminuye las pérdidas. Posteriormente, para la distribución se reduce el voltaje en las subestaciones, que gradúan la tensión según se utilice en la industria o en instalaciones domiciliarias. Por su parte la Generación Distribuida es la producción de energía eléctrica y térmica, cerca del punto de consumo y de acuerdo a la demanda, donde los sistemas pueden estar conectados a la red o ser independientes formando pequeñas redes locales.. 1.4.1 Grupos electrógenos y su impacto ambiental. Un grupo electrógeno es, según el Diccionario de la Real Academia, un conjunto de un motor de explosión y un generador de electricidad, que se usa en algunos establecimientos para el suministro de corriente eléctrica. En otras palabras, son equipos capaces de suministrar energía eléctrica de forma autónoma. Las insuficiencias que venía presentando el sistema eléctrico tales como depender de pocas centrales que procesaban. crudo nacional con alto. contenido de azufre, la carencia de un mantenimiento adecuado bajo estas condiciones debido a las necesidades de las demandas, la falta de piezas de repuesto y el no uso de otras energías alternativas como la eólica; obligó al. 8.

(26) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. país a buscar alternativas para enfrentar roturas o salida del circuito de las plantas, por lo que hace algún tiempo, se inició la batalla por el ahorro energético que concluyó con el inicio de una revolución energética. sin. precedentes en Cuba, que entre sus prioridades estuvo la instalación de grupos electrógenos. Hasta el momento se han instalado en Cuba 205 grupos electrógenos que generan más de 250 000 Kw. de potencia unitaria y que en caso de alguna avería no representarían un problema para la distribución de la energía eléctrica en el Sistema Energético Nacional, gracias a que estos equipos tienen una distribución geográfica adecuada, lo que evita que se produzca alguna crisis y que se afecte a la población. (Martínez Varona and Roche,2007) Los grupos electrógenos pueden ser de emergencia, que son generalmente los que trabajan con diesel como combustible y se utiliza cuando existe corte o déficit de generación eléctrica por diversos motivos, siendo su régimen de trabajo de minutos hasta pocas horas; o de régimen base que son los que funcionan con fuel oil. y se utilizan de forma continua para la generación. eléctrica distribuida. (NC 55:2008) Los equipos energéticos que más aceptación han tenido son los motores de combustión interna (MCI), a ellos corresponde más de un 80 % de la totalidad de la energía producida en el mundo. El impacto ambiental de los MCI está estrechamente relacionado con un problema social surgido por la utilización creciente de los mismos: el aumento de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los llamados gases de invernadero, y de ruido. Las discusiones internacionales acerca de las causas e implicaciones para la humanidad del llamado efecto invernadero, provocado por las crecientes emisiones a la atmósfera de gases tales como: dióxido de carbono, metano, óxido nitroso y los cloro-flurocarbonatos, reflejan la necesidad de un enfoque integral en el tratamiento de los problemas ambientales y del desarrollo, así como la necesidad de una acción concertada de la comunidad internacional para mitigar los efectos del calentamiento global. Se ha descrito que los MCI actúan sobre el medio ambiente de diversas formas tales como: - Agotamiento de materias primas no renovables consumidas durante el funcionamiento de los MCI. 9.

(27) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. - Consumo de oxígeno que contiene el aire atmosférico. - Emisión y contaminación de la atmósfera con gases tóxicos que perjudican al hombre, la flora y la fauna. - Emisión de sustancias que provocan el llamado efecto invernadero contribuyendo a la elevación de la temperatura de nuestro planeta. -. Emisión de altos niveles de ruido a la atmósfera y ocasiona molestias en sentido general.. (Martínez Varona and Roche,2007) Además de la Generación Distribuida hay otras posibilidades para la utilización de la energía, como es la eólica que no es más que la que se obtiene de la energía cinética generada por efecto de las corrientes de aire y así mismo las vibraciones que el aire produce. Cuba avanza en el estudio para medir la velocidad del viento en diferentes regiones de la Isla con vistas a incrementar la energía eólica como alternativa para producir electricidad. Los resultados hasta la fecha ubican a la costa norte de la provincia de Holguín, en el oriente, con las mejores condiciones para el desarrollo de este tipo de energía. (http://es.wikipedia.org/wiki/Energía). 1.5 Combustión El proceso de combustión implica la transformación química entre una sustancia o sustancias denominadas combustibles y otra denominada comburente. La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se produce entre dos elementos: el combustible, que puede ser un sólido (carbón, bagazo), un líquido (diesel, Fuel-Oil) o un gas (gas natural, propano) y el comburente, oxígeno. La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser una oxidación rápida y con presencia de llama. A su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápida, (detonaciones y explosiones) por mantenerse una llama estable. (García San José,2001) La combustión empleada para obtener calor, generar energía eléctrica o movimiento, es el proceso más significativo de emisión de contaminantes Los principales elementos químicos del combustible son el carbono, hidrógeno y azufre, siendo este último de menor importancia como fuente de calor. 10.

(28) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Cuando el carbono y el hidrógeno se queman completamente con oxígeno se transforman a CO2 y H2O. La combustión completa de combustible fósil que usa aire como fuente de oxígeno se resume en la reacción química siguiente y asume que el nitrógeno permanece inerte:. y⎞ y⎞ y⎞ ⎛ ⎛ ⎛ y⎞ ⎛ C x H y + ⎜ x + ⎟O2 + 3.76⎜ x + ⎟ N 2 → Calor + xCO2 + ⎜ ⎟ H 2 O + 3.76⎜ x + ⎟ N 2 4⎠ 4⎠ 4⎠ ⎝ ⎝ ⎝2⎠ ⎝ donde los coeficientes estequiométricos x y. y. dependen del tipo de. combustible. En una combustión incompleta, el nitrógeno puede oxidarse produciendo varios óxidos. Además, también se obtienen productos de oxidación del azufre que aparece como impureza así como monóxido. de. la formación de dióxido de carbono, carbono. y. agua.. (http://en.wikipedia.org/wiki/Fossil_fuel_power_station) El objetivo principal de la combustión es liberar el máximo calor posible, minimizando las pérdidas debidas a una combustión incompleta. Para que todos los elementos del combustible se oxiden completamente se requiere una temperatura suficientemente alta que permita la ignición de los constituyentes, mezcla o turbulencia y suficiente tiempo de residencia para completar la reacción. Los derivados de azufre, incluidos los óxidos de azufre (SOx) que se producen en la combustión por procesos de oxidación directa se resumen en las siguientes ecuaciones : (Cullis,1980; Monn,2001). S + O2 → SO2 2 SO2 + O2 → 2 SO3 SO3 + H 2 O → H 2 SO4 Una vez que el SO2 se emite a la atmósfera se transforma químicamente, su oxidación puede proceder de diversas maneras, incluida la oxidación directa y los procesos fotoquímicos, sin embargo la dominante es la conversión de SO2 a SO42- que es un proceso fotoquímico; (Godish,1991; Khoder,2002) en general la tasa de oxidación de SO2 está en función de la humedad relativa. El SO2 se elimina de la atmósfera, tanto por deposición seca (plantas), como por. 11.

(29) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. deposición húmeda (se disuelve en el agua de las nubes o en las gotas de lluvia). El NO es un producto que se forma a altas temperaturas de combustión y que una vez emitido se puede transformar a NO2 por oxidación química directa con el oxígeno atmosférico.. 2 NO + O2 → 2 NO2 (Stranger,2005) El NO2 reacciona con el agua dando ácido nítrico que se disuelve en la misma: 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO Debido a lo anteriormente explicado, los dióxidos de carbono, azufre y óxidos de nitrógeno son los principales causantes de fenómenos atmosféricos como efecto invernadero y la lluvia ácida.. 1.6 Lluvias ácidas La lluvia ácida es una de las consecuencias de la contaminación del aire. Cuando cualquier tipo de combustible se quema, diferentes productos químicos gaseosos se liberan al aire. Algunos de estos gases (en especial los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre) reaccionan con el agua contenida en el aire y producen ácidos sulfúrico y nítrico.. Figura 1. Formación de acidez atmosférica y la deposición ácida.. 12.

(30) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. La lluvia normalmente presenta un pH de aproximadamente 5.6 (ligeramente ácido) debido a la presencia del CO2 atmosférico, que forma ácido carbónico, H2CO3 ; este valor disminuye a 4.0-4.2 debido a la combinación con dióxido de azufre (SO2) y óxidos de nitrógeno (NOx) ocurriendo los procesos antes explicados y la formación de la “lluvia ácida”. (Lee,1982) Los hidrocarburos y el carbón usados como fuente de energía, en grandes cantidades, pueden también producir óxidos y dióxidos de azufre y nitrógeno; y en interacción con el vapor de agua, estos gases forman ácido sulfúrico y ácido nítrico. Finalmente, estas sustancias químicas suben a la atmósfera, forman una nube y después caen a la tierra acompañando a las precipitaciones, constituyendo la lluvia ácida. El carbón, el petróleo y otros combustibles fósiles contienen azufre en cantidades variables (generalmente más del 1%) y debido a su combustión, se oxida a dióxidos de azufre y posteriormente, en presencia de oxígeno de la atmósfera se transforma en SO3, que puede quedar disuelto en las gotas de lluvia o depositarse sobre superficies húmedas. La acidificación de las aguas de lagos, ríos y mares dificulta el desarrollo de vida acuática en éstas, aumentando en gran medida la mortalidad de los peces. Igualmente, afecta. directamente. a. la. vegetación,. produciendo. daños. importantes en las zonas forestales.. 1.7 Efecto invernadero La progresiva acumulación en la atmósfera de los gases que provocan el llamado efecto invernadero (gases de invernadero) ha provocado el aumento en la temperatura de la superficie terrestre (calentamiento global) lo cual tiene consecuencias en el clima y demás procesos que dependen de él. Dentro de estos gases, el dióxido de carbono es el más importante y su fuente principal es el consumo de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural) seguido por el metano, que en general procede de fuentes naturales pero su aumento drástico se debe a la actividad humana creciente y el óxido de nitrógeno (N2O). También contribuyen los clorofluorcarbonos (CFC) y otros compuestos clorados, los cuales son gases sintéticos, responsables del debilitamiento global de la capa de ozono y al mismo tiempo de un porcentaje importante del efecto invernadero. (Hernández,2001). 13.

(31) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Estos gases trasmiten el calor atrapado al resto de la atmósfera provocando un incremento general de temperatura y cuanta mayor cantidad haya de ellos en la atmósfera, mayor es la energía que son capaces de atrapar y más se calienta el planeta. El hecho cierto es que estos gases han estado aumentando hace más de un siglo y medio, desde el comienzo de la Revolución Industrial y a causa de ella. Lo peor es que en las últimas décadas este incremento se está acelerando. En la figura 2 (Organization,2003) se observa la variación semestral de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, medidas desde el observatorio de Mauna Loa (Hawai), en los últimos 45 años.. Figura 2. Variación de la concentración de CO2 en la atmósfera. La importancia del indiscutible incremento de la concentración de CO2 adquiere relevancia comparándola con el incremento de la temperatura media de la superficie terrestre desde la perspectiva histórica y geológica de la citada concentración. En ella se aprecia una correlación indiscutible y por tanto da una confirmación del efecto invernadero de estos gases en la dinámica del clima de la tierra. Se prevé que la temperatura media de la superficie del planeta aumente hasta seis grados centígrados a pesar que los inviernos son más fríos y violentos si no se toman acciones concretas para frenar la emisión de gases contaminantes, advirtió el último estudio elaborado por el Proyecto Global del. 14.

(32) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Carbono (GPC, por sus siglas en inglés). En los últimos 25 años el planeta ha visto como se batían todas las metas máximas de temperatura desde que existen mediciones fiables, en un fenómeno que parecía intensificarse en el futuro. Las emisiones de dióxido de carbono (CO2) aumentaron un 29% entre los años 2000 y 2008, tal. incremento se produjo en la naciones en. desarrollo.(Granma noviembre,2009) Las consecuencias previsibles de esta problemática son:. •. El aumento del nivel del mar: provocado fundamentalmente por el continuo derretimiento de los hielos polares y los glaciales. La predicción de los expertos en el tema es que en este siglo el nivel del mar subirá entre 8 y 88 centímetros.. •. El aumento de los fenómenos atmosféricos violentos: cuanta más energía calórica queda atrapada en la atmósfera, más grande es la posibilidad de transformarla en energía cinética (de desplazamiento de grandes masas de aire de un lugar a otro), lo que significa tormentas más violentas y dañinas. La mejor prueba es la cantidad creciente de catástrofes naturales a escala global.. •. El cambio del clima en las distintas regiones del planeta: se afectarán los regímenes de precipitaciones ocasionando sequías o inundaciones donde antes no lo había.. La Convención del Marco de las Naciones Unidas sobre el cambio climático (CMNUCC) es el primer instrumento internacional legalmente vinculante que trata directamente el tema del cambio climático. Su urgente elaboración fue producto de la preocupación expresada en la década de los 80 por científicos de todo el mundo, con relación al aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, lo cual afectaría a corto plazo el delicado balance del sistema climático. Esta convención fue firmada en la cumbre de Río de Janeiro, en 1992 con el objetivo principal de conseguir la estabilización de gases de efecto invernadero en la atmósfera. Para alcanzar estos objetivos la Convención establece una serie de compromisos que se aplican tanto a países desarrollados como a países en vías de desarrollo, dentro de los que se destacan la elaboración y publicación. 15.

(33) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. periódica de un inventario nacional de emisiones, como programas de adaptación a los impactos derivados del cambio climático.(Blanch,2004). 1.8 Protocolo de Kyoto Con la intención de llegar a un acuerdo de las limitaciones de emisiones de gases de efecto invernadero se celebró la cumbre de Kyoto, conocida oficialmente como Tercera Conferencia de la Partes del Convenio Marco sobre el Cambio Climático de las Naciones Unidas. Esta cumbre tuvo como objetivo específico reducir las emisiones de estos gases en un porcentaje aproximado de al menos un 5%, dentro del periodo que va desde el año 2008 al 2012, en comparación a las emisiones al año 1990. (Bárcena,2009). 1.8.1 Cumbre de Copenhague (www.agenciapulsar.org/coberturas) La XV Conferencia Internacional sobre el Cambio Climático celebrada en Copenhague, Dinamarca, del el 7 al 18 de diciembre de 2009 fue organizada por la CMNUCC, que organiza conferencias anuales desde 1995 con la meta de preparar futuros objetivos para reemplazar los del Protocolo de Kyoto, que termina en 2012. El objetivo de la conferencia, según los organizadores, era "la conclusión de un acuerdo jurídicamente vinculante sobre el clima, válido en todo el mundo, que se aplica a partir de 2012". El objetivo final (a largo plazo) pretendido era la reducción mundial de las emisiones de CO2 en al menos un 50% en 2050 respecto a 1990, y para conseguirlo los países debían marcarse objetivos intermedios. Así, los países industrializados deberían reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero entre un 25% y un 40%, respecto a los niveles de 1990 en el año 2020 y deberían alcanzar una reducción entre el 80% y el 95% para 2050. 1.9 Calidad del aire en Cuba En Cuba la Contaminación del aire tiene sus causas en las deficiencias de algunos. aspectos. relacionados. con. la. planificación. territorial. de. los. asentamientos humanos, las industria, utilización de tecnologías obsoletas en las actividades productivas y otras fuentes como el transporte automotor. En la. 16.

(34) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. figura 3 se muestra como se comporta la calidad del aire en las ciudades de Cuba.(Véliz, Machado et al.,2001). C la s ifi c a c ió n d e la c o n ta m i n a c ió n a t m o s fé ric a d e a lg u n a s c i u d a d e s d e C u b a .. Figura 3. Calidad del aire en las ciudades de Cuba. (NC 55:2008) El estado cubano en su política encaminada a salvaguardar el medio ambiente aprobó la Estrategia Ambiental Nacional (EAN) en el período 2006-2010, en la que se caracteriza el problema de la contaminación y se plantea la ausencia de tratamiento para las emisiones, inadecuado control sobre los niveles de ruido que se generan y poca difusión sobre los efectos nocivos que provoca sobre la salud y el comportamiento social, el mal estado técnico del transporte y la carencia de normas técnicas sobre emisiones, además no se dispone de un sistema de monitoreo adecuado sobre las emisiones a la atmósfera. (CITMA,2005 a) En las tablas 1 y 2 se recogen los valores promedio anuales de las concentraciones de emisiones de dióxido de nitrógeno (NO2) y dióxido de azufre (SO2) respectivamente por estaciones de monitoreo.. 17.

(35) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación.. Tabla 1. Valores promedio anuales de las concentraciones de dióxido de nitrógeno (NO2) hasta 2008. ESTACIONES Casablanca. 2003 4,8. (miligramos por metro cúbico) 2004 2005 2006 2007 11,6 16,1 ... .... 2008 .... La Palma. 2,1. 1,5. 3,2. 3,4. 3,8. 2,2. Colón. 1,1. 1,1. 1,6. .... .... .... Falla. 1,1. 1,0. 0,7. 0,6. 0,5. 1,1. Santiago de Cuba. 2,0. 1,4. 4,5. 1,2. 1,4. 1,7. Concentración máxima admisible =0.04 mg/m³ en 24 horas. (www.une.cu). Tabla 2. Valores promedio anuales de las concentraciones de dióxido de nitrógeno (SO2) hasta 2008. ESTACIONES Casablanca. 2003 0,3. (miligramos por metro cúbico) 2004 2005 2006 2007 0,3 ... ... .... 2008 .... La Palma. .... .... .... .... .... .... Colón. 0,1. 0,2. .... .... .... .... Falla. 0,3. 0,9. 0,1. 0,1. 0,1. 0,2. Santiago de Cuba. 1,6. 1,6. 0,8. 0,1. 0,7. 1,1. Concentración máxima admisible =0.05 mg/m³ en 24 horas. (www.une.cu) El inventario nacional de emisiones no solo contribuye a mejorar los estimados de las emisiones globales sino que proporciona el basamento para la ejecución de diferentes acciones en el país, entre ello la proyección de las probables emisiones en el futuro, así como la identificación y evaluación de estrategias de mitigación de emisiones. Como se observa la contabilización de emisiones en el país por estaciones de monitoreo son escasas y desde el año 2005 esas evaluaciones han ido disminuyendo. Los objetivos hasta el 2010 en cuanto a las emisiones a la atmósfera y contaminación sonora van dirigido a prevenir, reducir y controlar la contaminación para mejorar la calidad de vida de la población y las acciones y metas se concretan en monitorear las emisiones, elaborar normas de emisión. 18.

(36) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. para las principales actividades productivas, cumplir con el programa nacional para la disminución de consumo de sustancias agotadoras de la capa de ozono, potenciar las investigaciones sobre la contaminación atmosférica y sus efectos, impulsar las prácticas de producción más limpias, fortalecer el sistema de vigilancia y control provocada por fuentes móviles, buscar tecnologías que ofrezcan una mayor eficiencia en los procesos de generación y uso de la energía, etc. 1.9.1 Determinación del Índice de Calidad del Aire (ICA) en los asentamientos humanos. La situación de la calidad o grado de contaminación del aire en los asentamientos humanos se evalúa mediante el ICA, el cual incluye una escala de seis categorías: Buena, Aceptable, Deficiente, Mala, Pésima, Crítica. El ICA se determina utilizando como criterio el valor resultante del cociente de las concentraciones reales de cada uno de los contaminantes principales, tomando como denominador las concentraciones máximas admisibles (Cma) correspondientes al período de tiempo evaluado según la NC 39: 1999. De acuerdo con el tipo de toxicidad específica de cada contaminante principal, así como las posibilidades de monitoreo, de acuerdo a los dispositivos y métodos analíticos normalizados, se establece la evaluación del ICA de cada contaminante para un período de tiempo diario, horario o ambos.(NC 11:2004). 1.9.2 Situación ambiental en Villa Clara. Dentro de los principales problemas ambientales del aire en la provincia identificados en la actualidad por (CITMA,2005 b) se encuentran la presencia de vapores, gases de combustión, polvo y otras partículas en suspensión dada por el uso de combustible de mala calidad, existencia de tecnologías contaminantes, malas condiciones técnicas del transporte automotor y combustión de residuales sólidos. Además existen varios grupos poblacionales expuestos a fuentes fijas de contaminantes atmosféricos que no cuentan con adecuadas zonas de protección sanitaria. En el área urbana de la ciudad de Santa Clara, o fuera de ella pero con influencias sobre la misma existen 84 fuentes fijas, las que emiten fundamentalmente los gases derivados de la combustión (CO, CO2, NO2, SO2). 19.

(37) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. y material particulado. Algunos son potenciales emisores de gases tóxicos, polvos y malos olores.(Cruz,2004). 1.10 Metodologías para cuantificación de contaminantes. Existen diversas metodologías para la medición de una sustancia gaseosa en aire, entre ellas, las más importantes son las siguientes(GEMS/AIR 1994):. •. Sistemas pasivos de monitoreo. •. Sistemas activos de monitoreo. •. Sistemas de monitoreo automáticos. Sistemas Pasivos de Monitoreo. Estos sistemas se basan en la absorción sobre un sustrato específico que retenga al contaminante que se quiere analizar. Dicho contaminante llega al sustrato por medio de la difusión molecular a través del aire. Luego de la exposición, las muestras son llevadas al laboratorio donde se extrae el contaminante y se analiza cuantitativamente. Son sistemas simples sobre todo en la toma de muestra y el análisis en el laboratorio no necesita de personal altamente capacitado. Debido a su bajo costo inicial, pueden instalarse muchos sistemas de monitoreo de este tipo, pudiéndose obtener una importante información sobre la distribución espacial y geográfica del contaminante. (Radojeric M,2006). Sistemas Activos de Monitoreo. Los sistemas activos de monitoreo se basan en el pasaje forzado del aire, mediante una bomba de aspiración, a través de un reactivo químico específico o de un medio físico de colección. La muestra así obtenida es llevada luego a un laboratorio donde se realiza el análisis cuantitativo de la misma. El volumen de aire muestra es superior al de los sistemas pasivos, por tanto la sensibilidad del método es mayor, pudiéndose obtener promedios diarios de concentraciones de contaminantes. Existen técnicas de muestreadores activos disponibles y validadas para casi todos los principales contaminantes atmosféricos, tanto de material particulado como de contaminantes gaseosos (NO2, SO2, O3, etc.) a excepción del CO. (P.,1997). 20.

(38) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación.. Analizadores Automáticos. Los sistemas automáticos de análisis de aire utilizan alguna propiedad física o química del contaminante, que puede ser detectado y cuantificado en forma continua, generalmente por métodos óptico-electrónicos. La muestra de aire entra a una cámara de reacción donde alguna propiedad óptica del contaminante puede ser medida en forma directa o puede producirse una reacción química que produzca luz fluorescente o quimiluminiscente. Una fotocélula detecta luego la luz que le llega, produciendo una señal electrónica que es proporcional a la concentración del contaminante. Se encuentran disponibles en el mercado gran cantidad de analizadores continuos aprobados y validados para la mayoría de los contaminantes atmosféricos. (P.,1997). 21.

(39) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. Tabla 3. Ventajas y desventajas de las técnicas de monitoreo del aire. Método de. Ventajas. Desventajas. medida Captadores. - Muy económicos. - No se han probado para. pasivos. - Muy sencillo en la manipulación. algunos contaminantes. - Útiles para estudios de base. - Medidas semanales,. - Estudio de efectos a largo. quincenales o mensuales. plazo. - Transporte de muestras y. - Estudio de amplias zonas de. análisis en el laboratorio. muestreo. - Determinan promedio del. - No dependen de cables de. tiempo de muestreo. electricidad. - Requieren mano de obra. - Se pueden colocar en números. intensiva para su. muy grandes. funcionamiento y el. - Muy bajo costo de adquisición y. consiguiente análisis. analítico Captadores. - Económicos. - Suministran promedios. activos. - De fácil manejo. diarios. - Operación y rendimiento. - Requieren de mano de obra. confiables. intensiva para la recolección. - Cuentan con base de datos. y análisis de muestras. históricos. - Requieren de análisis de laboratorio. Analizadores. - Información en tiempo real. - Requiere de personal. automáticos. - Determina máximos, mínimos,. técnico calificado. ciclos diarios y situaciones de. - Son equipos pesados. alerta. - Necesitan electricidad. - Altas prestaciones. - Poco versátiles en el. - Han sido debidamente. emplazamiento. probados. - Sofisticados y costosos. - Información en línea. - Costosos en inversión y mantenimiento. (Helmer,2004). 22.

(40) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. 1.11 Transporte y destino de los contaminantes atmosféricos La atmósfera es un medio continuo a través del cual son transportados y dispersados los contaminantes vertidos en ella. Mientras esto ocurre pueden ser eliminados por procesos físicos tales como el lavado por lluvia, la deposición gravitatoria o el impacto sobre cualquier superficie, o bien dar lugar a reacciones químicas, a consecuencias de las cuales aparecen otros contaminantes denominados contaminantes secundarios. (Bueno,1997) Una vez que los contaminantes son emitidos, tienen lugar una serie de procesos que van a cambiar en el tiempo y en el espacio. Los factores que determinan la dispersión de los contaminantes fundamentalmente según (Clavelo Robinson,2004) son: 1. Parámetros de la fuente. En los parámetros de la fuente, la concentración es proporcional a la cantidad de contaminante emitido. Debido a que la concentración en la superficie es menor cuanto mayor es la altura de la fuente. La concentración depende de la cantidad total de gases liberados así como de su temperatura y velocidad. 2. Parámetros meteorológicos. Los parámetros meteorológicos estrechamente ligados con la dispersión de los contaminantes son la dirección y la velocidad del viento, la turbulencia, la temperatura ambiente, la clase de estabilidad atmosférica y la altura de la capa de mezcla.. •. Dirección del viento.. Es la que marca la dirección inicial del transporte de los contaminantes y es el factor que más afecta a las concentraciones medidas en un punto dado. La dirección viene influida por el giro en el sentido de las aguas del reloj que se produce con la altura y por la estructura térmica: una capa cálida acentúa este efecto, mientras que una fría lo vira en sentido contrario.. •. Velocidad del viento.. La concentración de un contaminante es inversamente proporcional a la velocidad del viento. Además el mezclado turbulento aumenta con la velocidad del viento. Mientras mayor es la velocidad del viento menor es la capacidad ascensional del penacho.. 23.

(41) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación.. •. Turbulencia.. La turbulencia es el movimiento altamente irregular del viento y es la causa de la dispersión de los contaminantes ya que el gran poder difusor de la atmósfera se debe a que los coeficientes de difusión turbulenta son de orden de magnitud mucho mayor que los correspondiente a la difusión molecular. (Bueno,1997). •. Estabilidad atmosférica.. La turbulencia de la atmósfera se caracteriza en base a un parámetro que se denomina clase de estabilidad, que es función de la turbulencia térmica y de la turbulencia mecánica. Para condiciones atmosféricas inestables las clases de estabilidad pueden ser A, B o C, para condiciones neutras D, y para condiciones estables pueden ser E o F. (Dawidowski Laura ,2004) Especificando: A: Atmósfera muy inestable B: Atmósfera moderadamente inestable C: Atmósfera levemente inestable D: Atmósfera neutra E: Atmósfera moderadamente estable F: Atmósfera estable. -. Una atmósfera es estable cuando impide los movimientos verticales de aire.. -. Una atmósfera es inestable, cuando se favorece el movimiento ascendente de las masas de aire.. La tabla 4 sintetiza la definición de las clases de estabilidad para condiciones diurnas, según la radiación solar incidente para todos los rangos de velocidades del viento:. 24.

(42) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación.. Tabla 4. Clases de estabilidad. (Dawidowski Laura ,2004). Radiación solar incidente Velocidad. del. viento Fuerte. (m/s) a 10m de altura. (mayor Moderada 2. que 50 cal/m h). Débil. (entre 25 y 50 (menor que 25 cal/m2h). cal/m2h). <2. A. A-B. B. 2-3. A-B. B. C. 3-5. B. B-C. C. 5-6. C. C-D. D. >6. C. D. D. 1.11.1 Modelación de la calidad del aire. En las últimas décadas, la modelación se convirtió en una herramienta habitual de diversas disciplinas que buscan explicar o reproducir sus respectivas observaciones. La modelación permite determinar los resultados o predecir lo que podría ocurrir a un sistema a partir de un conjunto de datos de entrada. La modelación de la calidad del aire se basa en la evaluación de los modelos de dispersión de la emisión de una fuente dada para predecir las concentraciones de los contaminantes originados en los procesos generadores, siendo los principales los procesos de combustión de distintos tipos de fuentes, para luego compararlas con las concentraciones máximas permisibles de acuerdo a las legislaciones vigentes. Desde el punto de vista de la dispersión de contaminantes, la modelación se utiliza para saber, entre otras cosas, cómo cambia en el tiempo y el espacio la concentración o la razón de mezcla de una sustancia o traza habitualmente identificada como un contaminante criterio, a objeto de predecir y analizar la calidad del aire y de esta forma colaborar en las decisiones políticas y de planificación respecto a la gestión, mediante el desarrollo de planes, programas, proyectos y normas de emisión o calidad del aire.. 25.

(43) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación.. 1.11.2 Modelación de la dispersión de emisiones Para la evaluación del impacto de las emisiones es necesario tener en cuenta dos pasos fundamentales:. •. Caracterización de la fuente fija. El primer paso consiste en obtener toda la información relativa a la fuente de emisión, incluyendo su localización (urbana o rural), sus coordenadas geográficas,. características. físicas. y. un. inventario. detallado. de. los. contaminantes emitidos(Dawidowski Laura ,2004). Los parámetros de la fuente incluyen el diámetro y la altura de la chimenea por la cual se emiten los contaminantes, la temperatura, velocidad y flujo de los gases de escape así como el volumen de emisiones, el cual depende de la tecnología y del tipo de combustible empleado.. •. Dispersión de los contaminantes y cálculo de concentraciones.. La dispersión de los contaminantes en la atmósfera puede ser estudiada en un área local, comprendida en un radio de hasta 50 km. alrededor de la fuente, o en un área regional que puede alcanzar hasta algunos miles de kilómetros. Dependiendo de la escala (regional o local) se emplean diferentes modelos de transporte de contaminantes para determinar las concentraciones. Para la escala local, la. dispersión de. los contaminantes primarios depende. fundamentalmente de parámetros meteorológicos, como la velocidad y la dirección del viento, la temperatura ambiente, la clase de estabilidad atmosférica y la altura de la capa de mezcla. (Turtós Carbonel,2004). 1.11.3 Modelos de dispersión atmosférica. Los sistemas ambientales se pueden estudiar mediante la utilización de modelos de caja (Figura 4), estos se utilizan para comprender el transporte de los productos químicos desde las fuentes estacionarias y móviles hasta la atmósfera.. 26.

(44) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación.. Figura 4. Modelo de caja. Los modelos de dispersión de la calidad de aire son herramientas computacionales que consisten en un grupo de ecuaciones matemáticas que utilizando diversos métodos y aproximaciones sirven para interpretar y predecir las concentraciones de contaminantes causadas por la emisión de estos de una fuente determinada. Estos incluyen los estimados de dispersión, la topografía y las diferentes condiciones meteorológicas. Se manifiestan como necesarios, si se considera que la previsión y cuantificación del impacto ambiental atmosférico sólo es posible con un análisis de la modelación de las características básicas del medio emisor, difusor y receptor en su interrelación temporal y espacial. Si bien es cierto que cualquier simulación matemática de un fenómeno tan complejo como lo es la contaminación atmosférica no es nunca exacta, no es menos cierto que los resultados de un modelo son el instrumento más válido en la decisión de la planificación y en la adopción de medidas correctoras ya que con ellos se identifican y se disciernen aquellas zonas con mayor y menor incidencia de la contaminación atmosférica procedente de una instalación o instalaciones determinadas. (Bueno,1997) A partir de las concentraciones de los contaminantes en el aire se puede conocer el impacto de las emisiones sobre el medio. El uso de los modelos de dispersión puede predecir la concentración máxima de un contaminante bajo condiciones meteorológicas desfavorables. (Westbrook,1999). 27.

(45) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) dispone de un gran número de modelos de dispersión desarrollados para aplicaciones específicas, de uso condicionado por la cantidad y calidad de los datos de entrada requeridos.(EPA,2002). Clasificación de los modelos En un modelo de contaminación atmosférica debe tenerse en cuenta las características principales del proceso de dispersión, y proporcionar estimados de concentración en la dirección del viento. Cuando se va a seleccionar un modelo de dispersión, se dispone de varios niveles en dependencia de la complejidad matemática, de los datos de entrada y del conocimiento del usuario:(Bluett,2004) ƒ. Modelos básicos: solo se ocupan de una fuente y predicen situaciones extremas basadas en la información meteorológica. Suelen aplicarse antes de emplear modelos más avanzados.. ƒ. Modelos intermedios: pueden incluir variantes meteorológicas y fuentes de información más sofisticadas. Entre ellos se encuentran muchos modelos de la EPA, como el SCREEN3 de tipo Gaussiano muy empleado en América y algunos países de Europa.. ƒ. Modelos avanzados: requieren de una amplia fuente de datos relacionada con las emisiones y la meteorología, y comprenden múltiples fuentes de tipo puntual, área y volumen. También incluyen características como la complejidad del terreno, el flujo alrededor de las edificaciones y la estructura de las capas de la atmósfera. Algunos ejemplos son los de la EPA (ISCST3, AERMOD, CALPUFF), el modelo británico según (Mocioaca,2003) ADMS y el modelo danés OML.. ƒ. Modelos especializados: por lo general se usan para predecir la dispersión de materiales especiales que son peligrosos. Por ejemplo los modelos militares usados en la defensa química y biológica. Estos requieren de una amplia informaron termodinámica para explicar con detalle. las. condiciones. en. que. tuvieron. lugar. las. emisiones.. (Macdonald,2003) Ejemplos de ellos son el SLAB y el DEGADIS En el esfuerzo de predecir las concentraciones de contaminantes en un punto alejado del foco emisor. se han desarrollado varios tipos de modelos. 28.

(46) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. matemáticos para estimar la calidad del aire. Entre éstos se incluyen, modelos gaussianos, urbanos, regionales y globales. Modelos Gaussianos Los modelos “gaussianos” son de uso común en problemas de dispersión de contaminantes no reactivos de fuentes puntuales tales como chimeneas industriales. Básicamente suponen que el penacho de un efluente presenta una distribución normal o de Gauss (Gaussiana) de las concentraciones en torno al eje de simetría definido por la dirección del viento, siguiendo una distribución estadística normal como se muestra en la figura 5. (Zaror,2000). Figura 5. Emisión de contaminantes desde la altura de una chimenea. Este modelo describe a través de una fórmula simple el campo tridimensional de concentraciones generado por una fuente puntual en condiciones meteorológicas y de emisión estacionarias. A medida que un penacho progresa en la dirección del viento, el modelo gaussiano supone que el perfil de concentración por mezcla turbulenta adquiere una distribución gaussiana. La concentración en la línea central del penacho será máxima a una distancia cercana del foco emisor y disminuirá en la dirección viento abajo. El modelo supone que la tasa de emisión de contaminantes, su temperatura y velocidad de salida, así como las condiciones meteorológicas, se mantienen constantes. Además, supone que el contaminante no sufre transformaciones químicas, ni se absorbe en la superficie del suelo. (Zaror,2000). 29.

(47) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. La ecuación general del modelo gaussiano asume que el flujo de materia viene dado por la Ley de Fick o primera Ley de la difusión y que la constante de proporcionalidad (K) es la constante de dispersión turbulenta porque como ya se dijo en la atmósfera la dispersión de los contaminantes se produce por turbulencia en lugar de por difusión pero la expresión matemática que regula el proceso es la misma. Por lo tanto el modelo de pluma gaussiano se obtiene a partir de : ⎡. 1. y 2 ( z − H )2 ⎤ )⎥ Kx ⎦⎥. ⎢ ( − )( + Q/u ⎣⎢ 4 t Kx C= e 1/ 2 4πt ( KyKz ). siendo. Ky = 0.5σ y u / x 2. Kx = 0.5σ x u / x 2. t = x/u. C=. Q 2πuσ y σ x. −. e. y2 2σ y 2. −. e. ( z − H )2 2σ 2 y. Donde: C= concentración (en µg/m3) de contaminante en régimen permanente en un punto (x,y,z), Q= valor de la emisión en función del tiempo (µg/s). σ y , σ x =parámetros de extensión lateral y vertical de la pluma (m). U = velocidad media del viento a la altura de la chimenea (m/s) Y = distancia lateral de la línea central de la pluma Z= distancia vertical de la línea central de la pluma H=altura final de la pluma (m). (Bueno,1997). 1.12 Indicadores de impacto ambiental. El autor (Gómez 2003) definió indicador como la expresión o mecanismo a través del cual se mide o cuantifica el impacto. Es un dato que provee información respecto a un factor ambiental de relevancia social.. 30.

(48) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. También se definen los indicadores medioambientales o eco-indicadores, como parámetros que ofrecen información de la situación medioambiental. Los indicadores medioambientales encierran una información estática y otra dinámica, la estática referida a la situación en un momento concreto, relacionando factores medioambientales y la dinámica referida a la evolución temporal de indicadores medioambientales. (Pons,2004). 1.12.1 Clasificación de los indicadores medioambientales. La organización de los indicadores en uno u otro tipo de estructura dependerá fundamentalmente de la función que se les quiera conceder como sistema de comunicación. El marco de análisis más frecuente es el denominado de Presión-EstadoRespuesta que es un modelo de desarrollo de indicadores adoptado por los países de la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos Los indicadores ambientales se pueden clasificar de la siguiente manera: (Colmenar,1998). •. Indicadores de Presión: reflejan presiones sobre el medio directas (ej. las emisiones de CO2) o indirectas (ej. crecimiento de la población). •. Indicadores de Estado del Medio Ambiente: describen la calidad del medio (flora, fauna, suelo, aire y agua) y de los recursos naturales asociados a procesos de explotación socioeconómica.. •. Indicadores de Respuesta: indican el nivel de esfuerzo social y político en materia ambiental y de recursos naturales. Esta propuesta de Indicadores Ambientales incluye, en definitiva, la percepción del problema, la formulación de políticas y el seguimiento y evaluación de las mismas. (Alvarez Arenas,2001) Es importante conocer qué tipo de indicadores se manejan en el ámbito empresarial. Dependiendo de si describen el impacto medioambiental de la empresa (comportamiento medioambiental), las actividades de gestión medioambiental, o la situación del medio ambiente externo de la empresa, pueden diferenciarse los siguientes grupos: (Ihobe,1999). 31.

(49) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. •. Indicadores de comportamiento medioambiental: se centran en la planificación, control y seguimiento del impacto medioambiental de la empresa. Algunos ejemplos típicos son el consumo absoluto de energía de una empresa, la cantidad de residuos generados por unidad de producción, el volumen total de transporte, etc. Estos indicadores son una herramienta muy útil para comunicar datos medioambientales por medio de informes.. •. Indicadores de gestión medioambiental: reflejan las acciones organizativas que. la. dirección. esté. emprendiendo. para. minimizar. el. impacto. medioambiental de la empresa. Podrían servir como ejemplo el número y resultados de las auditorias medioambientales realizadas o la formación de los miembros de la plantilla. •. Indicadores de situación medioambiental: describen la calidad del entorno medioambiental de la empresa, por ejemplo, la calidad del agua de un lago cercano o la calidad del aire de la región. Estos indicadores suelen determinarlos las instituciones gubernamentales, ya que en el estado de los medios ambientales influyen numerosos factores y están implicadas muchas fuentes.. 32.

(50) Capítulo 1: Marco teórico de la investigación. 1.13 Conclusiones parciales. •. La atmósfera se encuentra constantemente amenazada por la creciente contaminación del aire debido a la actividad del hombre sobre ella, poniendo en riesgo la calidad de vida humana.. •. La generación distribuida es un proceso significativo de emisión de contaminantes, causantes de problemas tales como las lluvias ácidas y el calentamiento global.. •. Las emisiones de gases contaminantes se pueden monitorear mediante analizadores automáticos, métodos pasivos y métodos activos; en dependencia de las particularidades del caso en estudio.. •. Los modelos de dispersión permiten interpretar y predecir las concentraciones de contaminantes emitidos de una fuente, en un área determinada, permitiendo evaluar la calidad del aire en esa región.. •. Los gases emitidos por. la combustión de fuentes fijas pueden ser. evaluados mediante eco-indicadores, obteniéndose información de los impactos y daños al ecosistema.. 33.

(51)

(52) Capitulo 2. Materiales y Métodos. CAPITULO 2: Materiales y Métodos 2.1 Introducción. En este capítulo se presenta el flujo tecnológico de la instalación objeto de estudio, el emplazamiento de Baterías de Grupos Electrógenos ¨Santa Clara Norte Fuel¨, la cuantificación experimental de las emisiones e inmisiones , así como los parámetros de la fuente emisora que incluyen el cálculo de la temperatura, velocidad y flujo de los gases de escape. También se evalúan las categorías de impacto y de daño afectadas por las emisiones de esta fuente mediante un modelo de impacto que es el eco indicador 99. 2.2 Descripción del área objeto de estudio. La zona noroeste de la ciudad de Santa Clara, donde en su periferia se encuentra enclavado el emplazamiento de Grupos electrógenos , se caracteriza por ser una zona residencial, poco compacta, con solo un edificio (doce plantas) alto, espacios abiertos y vías más amplias con respecto a otras zonas de esta ciudad. Como premisa para el estudio se tuvo en cuenta que es un área urbana representativa de la exposición general de contaminantes, con vías transitadas y receptores y se encuentra relativamente aislada de otras fuentes emisoras. La instalación en la que se enmarca el estudio es un sistema de generación distribuida que utiliza fuel oil como combustible; ubicado en Carretera Subplanta y Circunvalación y en las coordenadas 22o25' 26.00"N, 79o59' 03.90"W. El establecimiento cuenta con 3 fuentes emisoras fijas (chimeneas) de 1.016 m de diámetro y 15m de altura. 2.3 Descripción del flujo tecnológico de la instalación. Este emplazamiento de Grupos Electrógenos de Fuel de la Subplanta es de régimen base. utilizado de forma continua para la generación de electricidad. distribuida; y está constituido por 3 baterías, cada una con 4 unidades o grupos electrógenos con motores Fuel de combustión interna de 1.7 Mw por hora de potencia. Los motores utilizan Diesel para el arranque y apagado con el objetivo de garantizar su limpieza, fuel oil para la generación de electricidad, agua tratada 34.

Figure

Figura 2. Variación de la concentración de CO 2  en la atmósfera.
figura 3 se muestra como se comporta la calidad del aire en las ciudades de  Cuba.(Véliz, Machado et al.,2001)
Tabla 2. Valores promedio anuales de las concentraciones de dióxido de  nitrógeno (SO 2 ) hasta 2008
Tabla 3. Ventajas y desventajas de las técnicas de monitoreo del aire.  (Helmer,2004) Método de medida  Ventajas Desventajas Captadores pasivos - Muy económicos
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