De acuerdo con Cruzado y Valdez, para la estimación de emisiones primero debe considerarse que tipo de emisiones se tienen: conducida o fugitiva. La primera corresponde a las emisiones que se descargan de manera directa o indirecta a través de ductos o chimeneas, mientras que las segundas son aquellas que se descargan a cielo abierto o bien corresponden a fugas por lo que no pueden medirse directamente.
La estimación de emisiones en fuentes fijas se mide mediante métodos directos e indirectos los cuales están en función de si las emisiones son conducidas o no conducidas, por lo que para emisiones conducidas se utilizan los métodos directos e indirectos, mientras que para las emisiones no conducidas se utilizan los métodos indirectos.
Los métodos directos se basan en estudios de campo por lo que la técnica de mayor uso es el de muestreo en la fuente que se realiza directamente en la chimenea donde se dirigen los gases. Este método es el más confiable, pero es el más costoso debido a que requiere personal calificado para hacerlo, así como procedimientos de muestreo estandarizados. Al respecto, en México, se tiene la NMX-AA-010-SCFI-2001 que establece el procedimiento para hacer un muestreo isocinético (el cual es un muestro directo), a continuación, en la siguiente tabla, se presentan las normas mexicanas que apoyan a la NMX-AA-010-SCFI-2001, así como las normas EPA afines.
Tabla 1. Muestreo Isocinético y su normatividad.
| MÉTODO EPA* | DESCRIPCIÓN | NORMA MEXICANA | DESCRIPCIÓN |
| MÉTODO 1 | Determinación y lugar de puntos de muestreo. | NMX-AA-009-1999-SCFI | Determinación de flujo de gases en un conducto por medio de tubo Pitot. |
| MÉTODO 2 | Determinación de velocidad del gas y flujo volumétrico | ||
| MÉTODO 3 | Determinación del peso molecular seco. | NMX-AA-035-1976 | Determinación de CO2, CO y O2 en los gases de combustión. |
| MÉTODO 4 | Determinación del contenido de humedad | NMX-AA-054-1978 | Determinación de humedad en los gases que fluyen por un conducto. |
| MÉTODO 5 | Determinación del material particulado | NOMX-AA-010-SCFI-2001 | Determinación de la emisión de partículas contenidas en los gases que fluyen por un conducto-método isocinético. |
La siguiente figura muestra el tren de muestreo para efectuar un muestreo isocinético de acuerdo a la NMX-AA-010-SCFI-2001.
Ilustración 1. Tren de muestreo isocinético.
Con respecto a los métodos indirectos, estos se basan en información general sobre el comportamiento típico de un proceso o equipo similar al de interés. Los métodos indirectos que se utilizan frecuentemente son los factores de emisión y los cálculos de balance de masa.
Los factores de emisión son una magnitud escalar representativa que relaciona la cantidad de un contaminante con su actividad generadora. Originalmente, estos se consideraron a partir de la necesidad de formular inventarios de emisiones al detectar que no se contaba con la información suficiente para realizarlo debido a que muchas fuentes de emisión carecían de datos o bien eran poco confiables, fue entonces que se trabajó su formulación.
Cabe mencionar que estos factores, además de cumplir con su propósito original, se utilizan para estimar las cantidades de contaminantes que se formaran en la producción de algún producto ante de iniciar sus operaciones productivas o ya iniciado para conocer la concentración de contaminantes que tienen sus emisiones.
¿Por qué se necesita estimar la concentración de los contaminantes si hay laboratorios certificados que las determinan? La respuesta es: porque en algunas fuentes es difícil conocer las emisiones por lo complicado de su naturaleza. Por ejemplo, en una zona minera a cielo abierto sería complicado conocer el material particulado que se está generando cuando la excavadora retira un montículo de suelo y minerales, aunque aun teniendo una fuente simple, accesible y definida, en ocasiones es difícil tener datos confiables por lo que se utilizan factores de emisión.
La Agencia de Protección al Ambiente (EPA, por sus siglas en inglés) tiene una compilación de factores de emisión para diferentes combustibles e industrias, a esta se le denomina Compilation of Air Pollutant Emission Factors (AP-42, por sus siglas en inglés) y es el más utilizado a nivel mundial, aunque existen diversos documentos de muchos países en donde es posible encontrar factores de emisión propios. Se debe tener presente que el AP-42 es el más citado inclusive en los países que han elaborado sus propios factores de emisión incluido México.
En la Guía de elaboración y esos de inventarios de emisiones editada por la Secretaría de Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) – INE, en el 2005, se menciona que los factores de emisión que utiliza México para fuentes fijas son los de AP-42 siempre y cuando existan factores para la fuente de en cuestión, de lo contrario se utilizan balances de masas, encuestas, censos o pruebas para estimarlos. En este tenor, en algunas NOM se establecen ciertas ecuaciones para conocer las emisiones de contaminantes; por ejemplo, en la NOM-097-SEMARNAT-1995 se puede conocer la emisión de óxidos de nitrógeno en kilogramo por tonelada de vidrio fundido, entre otras emisiones. Por otro lado, para las fuentes de área, en México se utilizan principalmente los censos o encuestas para formular factores de emisión en este tipo de fuentes que son de tamaño pequeño pero grande en número.
¿Cómo se podría saber qué factores de emisión son una representación de las emisiones arrojadas por cierta fuente?
Para responder está pregunta considera que cada uno de los volúmenes del AP-42 ponen de manifiesto que los factores de emisión tienen una característica muy importante que es su diverso grado de certeza porque dependen de la información que se ocupó para originarlos. Está característica puede ser analizada desde numerosas pruebas hasta balances de masa o algún otro medio que brinde información hasta establecerlos.
Considerando el nivel de certeza de los factores de emisión, se presenta la siguiente clasificación:
Ilustración 2. Nivel de certeza de los factores de emisión.
De acuerdo al AP-42, Vol. 1, 1995, está clasificación se hace de acuerdo a la calidad de la metodología utilizada para realizar los factores de emisión, la calidad de esta metodología se clasifica en: A, B, C y D en donde:
A = corresponde a una metodología correcta y con una documentación suficiente como para una validación.
B = metodología correcta, pero con una documentación insuficiente para una validación.
C = metodología poco usada o nueva.
D = metodología inaceptable, aunque el método proporciona la magnitud de la emisión.
Una vez que se conoce la calidad de la metodología utilizada para la formulación de factores de emisión, los factores se clasifican en A, B, C, D y E, en donde:
A = excelente, el factor de emisión se fórmula con una metodología de calidad A y B y con los datos de un número significativo de establecimientos escogidos de manera aleatoria. La variabilidad es mínima debido a la especificidad de la información de la fuente.
B = arriba del promedio, el factor de emisión se desarrolla con una metodología de calidad A y B y con los datos de un número razonable de establecimientos escogidos de manera dudosamente aleatoria. La variabilidad es mínima debido a la especificidad de la información de la fuente.
C = promedio, el factor de emisión se desarrolla con una calidad de metodología A, B y C y con los datos de un número razonable de establecimientos, la muestra de estos no se puede afirmar que sea aleatoria. La variabilidad es mínima debido a la especificidad de la información de la fuente.
D = debajo del promedio, el factor de emisión se desarrolla con una metodología de calidad A, B y/o C y con los datos de un número pequeño de establecimientos, por lo que la muestra no es aleatoria. Puede haber variabilidad en la muestra de datos.
E = pobre, el factor de emisión se desarrolla con una metodología de calidad C o D, los establecimientos muestreados no representan ser aleatorios. Puede haber cierta variabilidad en la muestra de datos.
Después de revisar las características que tienen los factores de emisión es necesario que conozca la ecuación convencional para calcular la concentración de un contaminante de acuerdo con el AP-42, Vol. 1,1995.
Donde:
E = emisión.
A = nivel de actividad, es decir gasto o flujo de emisión.
EF = Factor de emisión.
ER = eficiencia porcentual de la reducción de la emisión.
Para ver como se aplica la ecuación, a continuación, se presenta un ejemplo de aplicación del AP-42.
Considera que tienes una caldera industrial y que quema gas natural ¿Cuál será la emisión anual de NOx y partículas? Si su consumo de este combustible es de 12,356,000 L/año
Pasos para la resolución del problema:
1. Visita la página del AP-42 y selecciona el volumen dedicado al gas natural “Section 1.4, Natural gas combustion, 1998”.
2. Después, ve la certeza que tienen los factores de emisión que se utilizaran y seleccionar el factor que se necesita.
3. Por último, aplica la fórmula para conocer las concentraciones del contaminante.
Solución del problema:
En el documento del AP-42, sección 1.4, 1998, se pone de manifiesto que los datos que se usaron para desarrollar los factores de emisión necesarios son de clase A. esto quiere decir que tienen un grado de certeza alta.
En el mismo documento se observa que para NOx los factores de emisión dependen de la capacidad de la caldera y que a su vez la capacidad se clasifica de acuerdo a la cantidad de energía requerida para su funcionamiento. En este ejemplo se considerará que la caldera tiene un consumo de energía <100 millones de MMBtu/hr y que no se controla las emisiones de NOx que emergen de este equipo, por lo que en este caso el factor tiene una magnitud 104lb/106scf. La selección del factor de emisión la podemos ver en las siguientes figuras:
Ilustración 3. Factores de emisión para calderas.
Ilustración 4. Factores de emisión para calderas.
Al factor de emisión encontrado 104lb/106scf se debe convertir a kg/m3 porque son las unidades que se estilan para trabajar en México, por lo que:
| La unidad scf significa pies cúbicos estándar y MMBtu significa 1 millón de Btu, que a su vez es igual a 1.054615GJ. |
Después de realizar los pasos 1 y 2, se aplica la fórmula para calcular la concentración de NOx:
Donde:
QGN = A = consumo o gasto del gas natural.
FENOx = fator de emisión del NOx.
Observa que en está ocasión no se utiliza la eficiencia porcentual de la reducción de la emisión dado que en el ejemplo no hay equipos de control.
Para el caso de partículas, debe realizarse el mismo procedimiento. Revisa otra vez el documento AP-42, sección 1.4, 1998 y selecciona el factor de emisión para partículas. Ten presente que en este factor están implícitas todas las partículas, es decir las PM10 y PM2.5.
El factor de emisión para partículas es de 7.6lb/106scf y nuevamente se transforma a kg/m3.
Después, se aplica la fórmula para encontrar las concentraciones de partículas.
Donde:
QGN = A = consumo o gasto del gas natural.
FEPM = fator de emisión de PM
Con el ejemplo que acabas de hacer, te percataste de cómo influyen las características del equipo y del combustible usado en las concentraciones de los contaminantes presentes en una emisión.
Revisa otro ejemplo.
Calcular las emisiones de CO2 provenientes del gas LP domiciliario que se producen al año en la Ciudad de México. Considera que se consumen 760 millones de litros/año.
Solución.
Siguiendo los pasos para la resolución de problemas con factores de emisión primero visita la página del aP-42 y selecciona el volumen dedicado al gas LP “Section 1.5, Liquefied petroleum gas combustion, 1993”.
Después, ve la certeza que tienen los factores de emisión que se utilizaran y selecciona el factor que se necesita.
En este documento del AP-42, sección 1.5, 1993 se pone de manifiesto que los datos que se usaron para desarrollar los factores de emisión necesarios son de clase C y D. esto quiere decir que tienen un grado de certeza promedio o debajo del promedio.
Para este caso el factor de emisión de CO2 es de 1500kg/1000L.
Después se aplica la fórmula para encontrar las concentraciones de CO2.
Donde:
QGLP = A = consumo o gasto del gas LP
FECO2 = factor de emisión del CO2.
Nota: en está ocasión tampoco se utiliza la eficiencia porcentual de la reducción de la emisión dado que en este ejemplo no hay equipos de control.
Para la resolución de este ejemplo se utilizaron los factores de emisión del AP-42, pero hay un dato importante que es necesario remarcar y es la consideración de que se consumían 760 millones de L de gas LP/año. Este valor se obtiene de los censos en donde se contabilizan, primero, los domicilios que cuentan con este gas, y después, el volumen que consumen en un periodo de tiempo determinado. Se hace así porque el consumo de gas LP domiciliario es una fuente de área y por tanto sus emisiones son más difíciles de cuantificar de otro modo.
| Ten presente que en tu ejercicio profesional es indispensable conocer la fuente de emisión a la perfección para hacer estos cálculos. |
El balance de masa estima las emisiones de contaminantes considerando que la masa del contaminante es igual a la diferencia entre las entradas y salidas del proceso. Los balances se utilizan para estimar los contaminantes que salen de los equipos, de un proceso o de todo un establecimiento. A continuación, se presenta un ejemplo de los balances de masa.
Se queman 25gmol de etano, C2H6, empleando aire enriquecido en O2. El análisis Orsat de los gases de chimenea es 15.4% molar CO2, 9.6% molar O2 y 75% molar N2. Realizar el balance total de masa.
Solución.
Como base de cálculo se tienen los 25g mol de etano, considerando esto y las salidas de los gases de chimenea se puede hacer el esquema del balance.
El balance total corresponde a balances de masa para cada uno de los elementos implicados por lo que este adquiere la forma de entrada = salida
Balance para el carbono
Observa que 0.154 es el 15.4%, pero en fracción
Despejando n4, n4 = 324.67gmol
Balance para hidrogeno.
Despejando n3, n3 = 75gmol
Balance de masa para el oxígeno.
Balance para nitrógeno.
Resolviendo los dos balances, el del oxígeno y el del nitrógeno, se tienen los valores para n2 y x. por lo que y
.
Entonces el contenido de O2 es 32.8%, por lo que el 100% - 32.8% = 67.2% de N2, dado que la composición del aire es mayoritariamente oxígeno y nitrógeno.
El balance total de masa queda de la siguiente manera:
Tabla 2. Resultados del balance de masa.
| Entradas | Salidas | ||||
| Compuesto | Moles (g mol) | Masa (g) | Compuesto | Moles (g mol) | Masa (g) |
| C2H6 | 25 | 750 | H2O | 75 | 1350 |
| O2 | 118.79 | 3801.28 | CO2 | 50 | 2200 |
| N2 | 243.38 | 6814.64 | O2 | 31.17 | 997.44 |
|
|
|
| N2 | 243.505 | 6818.14 |
| Total |
| 11365.92 | Total |
| 11365.58 |
Hay que aclarar que para obtener los moles en gmol de los compuestos se multiplico los gmol encontrados mediante el balance y la composición de entrada de los compuestos por ejemplo para el oxígeno (corresponde al 32.8%)
.
En el caso de la masa se multiplico los gmol por el peso molecular del compuesto. Por ejemplo, para el nitrógeno se multiplico .
En resumen, en las siguientes figuras se tienen los métodos de estimación de emisiones en donde considerando la confiabilidad y costos se tiene que el muestreo directo es el más confiable pero también el más costoso, mientras que los factores de emisión y los balances de masa son los que menos costos generan, pero los que menos confiabilidad tienen.
Ilustración 5. Métodos de estimación de emisiones.
Ilustración 6. Métodos de estimación de emisiones.
Otro aspecto importante que considerar es la Ley General de Cambio Climático publicada en el 2014. Está ley indica la necesidad de registrar las emisiones generadas por las fuentes fijas y móviles de emisiones que se identifiquen como sujetas a reporte respecto a los gases o compuestos de efecto invernadero. Para ello, se han establecido metodologías que se debe utilizar para la estimación de gases o compuestos de efecto invernadero provenientes de fuentes con actividades específicas.
Se debe resaltar que para hacer estas estimaciones se utilizan las mediciones directas e indirectas. Sin embargo, debido a la frecuencia de emisiones de ciertos contaminantes, fuente de generación y su cantidad, se han diseñado metodologías que permiten estimarlos con la finalidad de facilitar el cálculo y evitar errores en su realización.
Es importante señalar que las emisiones atmosféricas en México se reportan en ppm o . Sin embargo, algunos equipos que se utilizan para la medición de estos gases manejan la información en unidades inglesas, por lo que es necesario convertir unidades, para lo cual definiremos que es una parte por millón (ppm). Una de las unidades de medida más comunes mediante la cual se mide la concentración de una sustancia es ppm. Está unidad se refiere a la cantidad de unidades de una sustancia existentes por cada millón de unidades en un conjunto. Por ejemplo: un volumen de cierto contaminante contenido en un millón (106) de volúmenes de aire más cierta proporción del contaminante, por lo que si hablamos de volúmenes entonces decimos que una ppm es igual a
, en caso de una parte por billón está es igual a
.
Para hacer las conversiones se considera que los gases reales (por ejemplo, el CO2) tienen un comportamiento aproximadamente ideal siempre y cuando no estén sometidos a condiciones extremas de presión y temperatura.
| Se acepta que un gas se comporta idealmente a bajas presiones y temperaturas altas. |
Un gas se considera ideal siempre y cuando cumpla con las siguientes condiciones:
· Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.
· Está formado por moléculas que se mueven individualmente y al azar en todas direcciones.
· Los choques entre las moléculas son elásticos.
· Los choques son instantáneos.
· El volumen de las moléculas es despreciable.
La ecuación que representa a los gases ideales es llamada ecuación de estado, la cual es la siguiente:
Donde:
P = presión.
V = volumen.
n = número de moles.
T = Temperatura.
R = es una constante de los gases ideales y tiene diversas unidades dependiendo del sistema de unidades que se maneje, en si tiene un valor de .
A partir de esta ecuación de estado se pueden obtener ecuaciones que permiten hacer la conversión de manera directa, para lo cual se tiene:
Por ejemplo, si se desea convertir 356μg de CO2/m3 a ppm en condiciones normales de temperatura y presión, es decir 1atm de presión y 25ºC (aunque una temperatura en condiciones normales también podrá ser desde 19ºC hasta 27ºC dependiendo de la ubicación geográfica donde ocurra la emisión), podemos utilizar la siguiente fórmula:
Ahora veamos otro ejemplo:
Considera que vamos a transformar 11ppm de O3 a μg de O3/m3 en condiciones normales. Además, queremos el porcentaje de la concentración de ozono.
Solución.
Para transformar 11ppm de O3 a porcentaje, se considera que 1ppm es igual a 0.0001%, dado que:
Por lo tanto:
Ahora que ya conoces como determinar las concentraciones de los contaminantes dependiendo de su fuente de emisión, debe saber el grado de impacto que tienen; para ello primero revisa la legislación ambiental y se compara las concentraciones obtenidas producto de una actividad con los instrumentos pertinentes que marca la legislación en materia de aire.
