EVOLUCIÓN DE LOS FACTORES DE EMISIÓN COMO HERRAMIENTA DE MEJORA AMBIENTAL. CASO DE ESTUDIO DEL SECTOR CEMENTERO ESPAÑOL

EVOLUTION OF EMISSION FACTORS AS AN ENVIRONMENTAL IMPROVEMENT TOOL. CASE STUDY OF THE SPANISH CEMENT SECTOR

El control de la protección del ambiente y la contaminación antrópica producida por las diferentes actividades industriales es uno de los aspectos que más ha evolucionado desde el punto de vista técnico, social y, por ende, legislativo. El enfoque ha evolucionado, pasando de una estrategia correctiva a otra totalmente preventiva cuyo objetivo principal es reducir la contaminación mediante una visión holística de los procesos, protegiendo el medio ambiente de forma global y siendo más transparentes y accesibles en cuanto a información ambiental.

Para un control exhaustivo de la calidad del aire de forma preventiva y anticipada en el tiempo, es necesario estimar las emisiones mediante modelos estadísticos que se ajusten a la realidad de cada entorno, basados en las emisiones de sustancias contaminantes, normalmente simulados mediante factores de emisión (FE) (INECC 2013).

La transparencia y accesibilidad de datos es una cuestión primordial y los registros de emisiones y transferencias de contaminantes son una de las herramientas más adecuadas y utilizadas a nivel global para tener a disposición información y realizar el seguimiento y control de las emisiones (Mora-Peris et al. 2018). Por ello es necesario vigilar y recopilar tanto la emisión de gases contaminantes de CO₂, NO_x, SO_x (Barba et al. 2006, Zemba et al. 2011), como las de metales pesados, furanos, dioxinas (Rovira et al. 2014) y partículas sólidas, entre las que cabe destacar las PM₁₀ (Pérez Vidal et al. 2010, Abril et al. 2014). Cualquier ciclo de un producto que implique extracción, transporte y otras fases, conduce a la emisión de estos componentes (Barba et al. 2007, Syamala Devi et al. 2017).

El presente estudio tiene como objetivo evaluar la emisión de contaminantes en los procesos de combustión para la obtención de una tonelada de clínker, en los que se consumen entre 3000 y 6500 MJ de energía, dato que varía según el proceso de fabricación y el tipo de producto (García-Gusano et al. 2015), por un lado, y por otro a las mejoras tecnológicas de los hornos (Barba et al. 2006), implementando las mejores tecnologías disponibles (MTD).

En el caso del cemento, los procesos de combustión, como se ha comentado previamente, generan NO_x, SO₂ y otros contaminantes menores (Valderrama et al. 2012), pudiendo incluso considerarse aquellos con contenido de cloro (Carrasco et al. 2010, Laribi et al. 2017). Este tipo de emisiones son características tanto de los hornos húmedos (Zimwara et al. 2012) como los de vía seca. La mejor solución aplicable a las existentes es la aplicación de las MTD por vía seca (Hoyos-Barreto et al. 2008).

Las partículas sólidas con diámetro de 10 µm (PM₁₀) que pueden tener origen en este tipo de industrias (Pérez-Vidal et al. 2010), contienen algún componente dañino que causa malestares como irritación de garganta y ojos, e incluos enfermedades cardiovasculares, asmáticas o respiratorias crónicas (HEI 2002, Pérez-Vidal et al. 2010). Esto se debe principalmente a su tamaño reducido (Gupta et al. 2012, Sana Mehraj et al. 2013, Rovira et al. 2018), el cual facilita la penetración al tórax por inhalación e influye en la aparición de células cancerígenas, teratogénicas y mutagénicas (Arden et al. 1995, Pérez-Vidal et al. 2010). Diversos estudios han demostrado que los parámetros meteorológicos como precipitación y viento no sólo pueden perjudicar la flora y la fauna (HEI 2000, Pérez-Vidal et al. 2010), sino que además la estacionalidad es otra constante que debe tenerse en cuenta, ya que, por ejemplo, las emisiones son mayores en diciembre y con condiciones anticiclónicas y menores en verano o en la época de lluvia (Pey et al. 2010, Rovira et al. 2018). Por ello la identificación y cuantificación de las fuentes de contaminación por partículas sólidas se han convertido en un tema cada vez más trascendente (Kong et al. 2011, Gupta et al. 2012).

Por otro lado, los contaminantes orgánicos persistentes (COP), caracterizados como dioxinas y furanos (PCDD-PCDF) son nocivos por sus propiedades lipófilas y sus efectos bioacumulativos persistentes en los seres humanos y el ambiente (van den Berg et al. 2006, Sana-Mehraj et al. 2013); sin embargo, en contraposición con la creencia que ha persistido durante décadas, se ha demostrado que la industria cementera no es uno de los emisores significativos de este tipo de contaminante (Raffetti et al. 2019); es más, contribuye con un porcentaje inferior al 1 % de las emisiones globales (Karstensen 2008). Se ha probado incluso que muchos contaminantes provienen del tráfico de vías de comunicación públicas de la red estatal o regional localizadas en los alrededores de las cementeras (Bertoldi et al. 2012, Rovira et al. 2018). Situación similar ocurre con los metales pesados, cuyas emisiones no superan los límites establecidos por la legislación (DOUE 2010, 2013), y la fuente de emisión en estudio no tiene por qué afectar a la flora, la fauna o el ambiente en general.

El mayor productor de cemento a nivel mundial es China, con casi 2.4 × 10³ Mt en 2018, seguida por India con 290 Mt en el mismo año (Estatista 2019). España se situó en una producción próxima a los 20 Mt en 2019. Para reducir las emisiones de la industria cementera se han combinado la mejora en la eficiencia energética, el uso de sustitutos del clínker (tales como cenizas volantes y escorias [Siti-Aktar y Haslenda 2015]) y el cambio a combustibles alternativos (McLellan et al. 2012). El sector del cemento es responsable del 12-15 % de la energía primaria consumida (Ali et al. 2011), de la cual el 75 % corresponde al combustible usado en la fase de fabricación (Madlool et al. 2011). Extensos estudios han demostrado que recurrir al uso de combustibles alternativos, tales como aceite de motor, residuos urbanos, residuos de pintura y residuos de tratamiento de efluentes (Gupta et al. 2012, Rovira et al. 2014) permite disminuir las emisiones en una media del 40 % (Hoyos-Barreto et al. 2008).

Debido a esta preocupación ambiental, el cambio de combustible en las fábricas de cemento es una estrategia seguida en muchos países, y su rendimiento individual se evalúa constantemente en función de normativas reglamentarias (Richards y Agranovski 2017). En España, la administración está tomando medidas para limitar en el año 2025 las emisiones antrópicas de NO_x, SO₂, COVs no metálicos, amoniaco y partículas finas (BOE 2018).

De ahí que los FE e inventarios de emisión (IE) sean herramientas fundamentales para la gestión de la calidad del aire (Yeo et al. 2016). La estimación de emisiones puede ser la clave para desarrollar, controlar y evaluar las estrategias de emisión, a fin de determinar la aplicación de controles y programas, inventarios de efectos de las fuentes adecuadas y estrategias de mitigación, así como cualquier otro tipo de aplicación relacionada, vinculando al Estado y a distintas administraciones, así como agencias locales, consultorías y la propia industria (Mora-Peris et al. 2008). Los FE destacan las fuentes de emisión, cuyos controles pueden llevar a considerables reducciones de contaminación en las zonas geográficas (Canpolat et al. 2002). Sin embargo, hasta ahora la mayoría de los estudios se han centrado en años específicos (Lei et al. 2011).

El presente trabajo tiene como objetivo evaluar y mostrar los resultados del cálculo de los FE de cada contaminante basados en las mediciones de cada fábrica de cemento según el RD 818/2018 (BOE 2018), tanto anual como quinquenalmente. En este proceso, los factores han sido calculados para las emisiones de los hornos de las cementeras españolas desde la perspectiva tecnológica y ambiental (Mora-Peris et al. en proceso) con una metodología característica de este sector del cemento y con base en datos reales. Los resultados obtenidos permiten disponer de un método de cálculo estándar para mejorar el conocimiento de las características, cantidades y frecuencias de las emisiones atmosféricas significativas del sector.

Para la interpretación de los datos obtenidos a partir de la Ecuación 5 (Cuadro IV) se debe tener en cuenta que el método de toma de muestras evolucionó a lo largo del intervalo de tiempo establecido en la investigación (2007-2018). Uno de los factores más importantes ha sido la evolución de los métodos normalizados de medición adecuados para determinados contaminantes en fuentes estacionarias. El uso de un método inadecuado puede generar errores en la medición superiores al 100 % del valor medido. Por ello la homogenización normalizada de las mediciones ha sido uno de los principales avances del proyecto. También las incertidumbres y los errores de estimación en los cálculos anuales han evolucionado, de tal manera que los errores han ido disminuyendo. De la misma manera, con la evolución de la tecnología se han incorporado nuevas técnicas de mejora en las instalaciones, por lo cual debe destacarse que posiblemente alguna medida expuesta resalte por estos motivos.

CUADRO IV
FE POR kg/t DE CLÍNKER EN FÁBRICAS DE VÍA SECA, CON MTD 2019.

NMVOC: compuestos orgánicos volátiles distintos del metano, COT: carbono orgánico total, PAH: hidrocarburos aromáticos policíclicos, PCB: bifenilos policlorados, PCDD/F: policlorodibenzodioxinas/ policlorodibenzofuranos.

Por otro lado, en el caso de algunos contaminantes seleccionados (por ejemplo, el N₂O) no hay personas acreditadas por la ENAC para la realización de ensayos en España, mientras que para otros contaminantes las mediciones no siguen las normas CEN sino que se han tenido que adaptar de acuerdo con las normas ISO nacionales o internacionales, como EPA, ASTM, etc. Por tanto las variaciones de índices son incongruentes o pueden inducir errores de interpretación.

Para la interpretación de datos se toma como base 100 la media del quinquenio 2007-2011. En el análisis global de resultados se aprecia una gran disminución de los factores emitidos por todos los componentes.

Centrando el análisis en los valores obtenidos para compuestos ácidos (NO_x como SO₂) (Fig. 1), hay una disminución del índice con tendencia a ser constante, debido a la implementación de MTD, tales como sistemas de desulfuración y reducción no catalítica de dióxido de nitrógeno. Lo mismo ocurre con el HCl y el HF, cuyas emisiones disminuyen y sus medidas se basan en sistemas de control de Cl y F en materias primas y combustibles.

Fig. 1. Evolución
de emisiones de compuestos ácidos respecto al año quinquenio base de los factores.

A pesar de todo, existe un incremento de las emisiones de CO y NH₃ debido al ajuste de los sistemas de combustión y a emisiones difusas de amoniaco generadas por la imposición de sistemas no catalíticos de reducción de NO_x en los que se inyecta amonio. El N₂O presenta un comportamiento errático en la medición, con valores en aumento, debido principalmente a errores producidos en los métodos de medición no normalizados, lo que determina una anomalía estadística a la hora de su medición.

Para los componentes pertenecientes a la familia de los metales pesados y de transición (Fig. 2) se observa en general una amplia variabilidad, pero se aprecia una cierta constancia para cada contaminante específico; a causa de ello (como se explicó antes), la calidad de las mediciones efectuadas en la primera campaña, cuyos valores se toman como referencia y a partir las cuales se efectúan los cálculos de índices, era inadecuada, ya que era la dictada por la legislación vigente del momento. Esto provoca una dispersión estadística en las medidas puntuales, puesto que los métodos de medición se tienen que adaptar en función de las modificaciones de las normativas vigentes.

Fig. 2
Evolución de emisiones de metales pesados y metales de transición respecto al año quinquenio base de los factores.

En el caso de los compuestos orgánicos (Fig. 3), éstos presentan una reducción global significativa, aunque en algunos casos, tales como PCDD/F y bencenos, las incertidumbres de métodos de medición y las interrelaciones entre compuestos pueden generar incrementos en las incertidumbres en los valores.

Fig. 3
Evolución de emisiones de compuestos orgánicos respecto al año quinquenio base de los factores.

En cuanto a las partículas sólidas (Fig. 4), se aprecia un característico decremento de emisiones, fomentado primordialmente por el establecimiento de equipos como filtros de mangas de última generación (los cuales se engloban como MTD) debido al avance tecnológico de los últimos años.

Fig. 4
Evolución de emisiones de partículas sólidas respecto al año quinquenio base de los factores

Los factores de emisión por producción de cemento en fábricas de vía seca, que incorporan las MTD del último año, son los mostrados en el cuadro I. Esos resultados recogen la media de valores de los últimos cinco años.

La industria del cemento detectó que los FE expuestos en fuentes bibliográficas, los cuales se han utilizado de manera habitual tanto en inventarios nacionales y europeos como en protocolos internacionales, no eran equiparables a las técnicas implantadas en las fábricas ni se adaptaban a las normativas vigentes. Por ende, se vio la necesidad de desarrollar una metodología, adecuada a las condiciones del sector cementero español, que definiera los FE propios, de tal manera que permitiera obtener cálculos más característicos y ajustados a las emisiones reales y que hicieran más comparables los resultados entre sí.

Se ha determinado el cálculo de FE en instalaciones cementeras de hornos en vía seca y que siguen directrices de las MTD. Por el contrario, no se consideran aquellas industrias de las que toman datos EMEP/CORINAIR; fábricas de hornos tanto en vía seca como húmeda, y que además no desarrollan su actividad con equipos que emplean criterios establecidos en las MTD.

Para ello, y tras seleccionar los contaminantes más característicos emitidos, se diseñó la metodología para obtener los FE, teniendo en cuenta la realidad de la industria cementera española desde el punto de vista tecnológico y ambiental. De esta manera se incorporó toda la información existente disponible sobre emisiones y la evolución continua y real de la implantación de las MTD del sector en estudio.

Los FE obtenidos en este trabajo se ajustan a las características del sector cementero español en mayor medida que los propios FE teóricos procedentes de las distintas fuentes bibliográfica. Esto se debe a que los primeros se basan en datos derivados de la operación real de las cementeras españolas, los cuales no sólo son reales sino que, además, pertenecen a un rango de años largo y reciente.

Este estudio permite, adicionalmente, que los datos proporcionados sobre cargas de contaminantes anuales entre las distintas fábricas sean comparables y coherentes con los diversos instrumentos y requisitos legales de información ambientales, tales como inventarios nacionales, registros PRTR y otros.

Con los resultados obtenidos se puede afirmar que la industria cementera tiene a su disposición, para la evaluación de FE, una herramienta consistente y representativa debido a su metodología y por la muestra temporal y de las instalaciones, respectivamente. Cuenta además con un instrumento para la armonización de criterios de metodología de medición y FE atmosféricos sectoriales. Esta metodología es aplicable a conjuntos de fábricas de cemento en cualquier país que considere necesario disponer de factores reales actualizados para las tecnologías existentes.

A pesar de la existencia de esta nueva metodología, se recomienda la revisión periódica, para tener en cuenta los posibles cambios que puedan ocurrir en el sector cementero durante los próximos años, sobre todo en áreas técnicas y ambientales, referentes a instalaciones, requisitos y prácticas de seguimiento.