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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: [email protected]
Palabras clave: Mecanismo de Desarrollo Limpio, emisiones de CO2, 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 mínima se
tiene que las emisiones son para combustoleo de 61 t-CO2eq/GWh, y para gas
natural de 476 t-CO2eq/GWh. Por otro lado, trabajando con la máxima eficiencia
se obtiene que las emisiones operando con combustoleo y gas natural son de
1030 y 739 t-CO2eq/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 (CO2) 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 CO2 la oxidación de los combustibles fósiles (70 a 90% de
dichas emisiones de CO2 ) (Muñoz Ledo, 1995).
Estas emisiones se derivan principalmente del proceso de combustión donde la
mayoría del carbono contenido en el mismo se libera como CO2 durante el
proceso, otra parte (menor proporción) se libera como CO (combustión
incompleta), CH4, o hidrocarburos no metano (fugas de combustible) los cuales se
oxidan lentamente en la atmósfera para formar el CO2 en un período que va desde
unos cuantos días hasta 8 -10 años. La cantidad de CO2 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 (CO2).
b. Oxido Nitroso (N2O).
c. Metano (CH4).
d. Hidrofluorocarbono (HFC).
e. Perfluorocarbono (PFC).
f. Hexafluoruro de azufre (SF6).
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 CO2, 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: CO2, N2O y CH4.
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 CO2.
Tabla I. Potencial de Calentamiento Global, referido a CO2.
GEI
PCG
CO2
1
CH4
21
CH3CHF2
140
N2O
310
CH2FCF3
1300
CHF2CF3
2800
CF4
6500
C2F6
9200
CHF3
11700
SF6
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 (Fem) 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:
n
C=
∑ F em CONSUMO i
i
i =1
Tomando en cuenta que la oxidación del 'C' a CO2 ocurre de acuerdo con la
siguiente reacción química:
⎯→ CO2
C + O2 ⎯
Así, tomando en consideración la relación de pesos moleculares, se obtiene que
por cada 12 gramos de carbono se producen 44 gramos de CO2, siendo por lo
tanto su relación estequiométrica 44/12. Convencionalmente se reporta como 'C'
3
en CO2, un valor promedio indica que en un país en desarrollo se emite per cápita
1 tonelada de CO2 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 máxima y mínima 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 máxima y mínima 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 CO2. 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. Eficiencias mínima y máxima de la CTEs
Eficiencia Eficiencia
CTE
mínima
máxima
(%)
(%)
Combustóleo
30
50
Gas Natural
42
65
Teóricamente, con las máximas 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 CO2 producido, como se muestra en las tablas III y IV.
Tabla III. GEI´s emitidos por el uso de combustoleo en una CTE
GEI
CO2
CH4
N2O
CO2 eq.
Eficiencia Eficiencia
mínima
máxima
(%)
(%)
279 g C
168 g C
400 ppm
250 ppm
400 ppm
200 ppm
281 g C
169 g C
Tabla IV. GEI´s emitidos por el uso de Gas Natural en una CTE.
GEI
Eficiencia Eficiencia
mínima
máxima
(%)
(%)
4
CO2
CH4
N2O
CO2 eq.
202 g C
500 ppm
30 ppm
202 g C
130 g C
350 ppm
20 ppm
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 CO2 equivalente, para los
diferentes combustibles y sus eficiencias mínimas y máximas.
Combustible
en CTE
Combustóleo
Gas Natural
Eficiencia
mínima
tCO2eq/GWh
1030
739
Eficiencia
máxima
tCO2eq/GWh
617
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 mínima si se cambia a eficiencia mínima de Gas Natural
CTE
tCO2eq/GWh tCO2eq/GWh
Eficiencia
- 291
- 554
mínima
Eficiencia
+ 122
- 141
máxima
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 CO2eq.) 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
Eficiencia
mínima
Eficiencia
máxima
USD/GWh
2328
USD/GWh
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 CO2. Las fugas
de hidrocarburos volátiles y los NOX, 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
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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 CO2 and SO2 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.
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