Artículo Científico
Recepción: 03 Diciembre 2021
Aprobación: 07 Junio 2022
Resumen: El desarrollo del hombre y la industrialización de la sociedad traen consigo la generación de una gran cantidad de sustancias que modifican la composición natural del aire. Entre estos contaminantes se encuentran los gases de efecto invernadero cuya acumulación provoca efectos perjudiciales al planeta como el cambio climático. Esta investigación se realizó con el objetivo de realizar un inventario de gases de efecto invernadero, expresados en términos de CO. equivalentes, emitidos en el proceso de producción de vidrio correspondiente al período 2015-2019. Se recolectaron y analizaron los datos de actividad ofrecidos por la entidad y se identificó las fuentes de gases de efecto invernadero que representan las principales emisiones, empleando la metodología del Panel Intergubernamental de Cambio Climático. Se realizó una propuesta técnico-económica para la mitigación de estos gases. Las fuentes estacionarias es la variable que tiene una mayor influencia en las emisiones de CO., en el período del 2015-2019, al compararla con las emisiones referidas a la descarbonatación de las materias primas y con el consumo de electricidad. El consumo de fuel oil influye de forma estadísticamente significativa en las emisiones de CO., asociadas a las fuentes estacionarias, a diferencia del consumo de aceites usados y gas natural. La sustitución del fuel oil por diésel, logra disminuir las emisiones en 464,48 tCO. para el año 2015.
Palabras clave: dióxido de carbono equivalente, emisiones, producción de vidrio, fuentes estacionarias.
Abstract: The development of man and the industrialization of society bring with them the generation of a large number of substances that modify the natural composition of the air. Among these pollutants are greenhouse gases whose accumulation causes harmful effects on the planet such as climate change. This research was carried out with the objective of carrying out a pollutants are greenhouse gases inventory, expressed in terms of equivalent CO., emitted in the glass production process corresponding to the period 2015-2019. The activity data provided by the entity were collected and analyzed and the GHG sources that represent the main emissions were identified, using the methodology of Intergovernmental Panel on Climate Change. A technical-economic proposal for mitigation was made of these gases. Stationary sources are the variable that has the greatest influence on CO. emissions, in the 2015-2019 period, when compared with emissions related to the decarbonation of raw materials and electricity consumption. The consumption of fuel oil has a statistically significant influence on CO. emissions, associated with stationary sources, unlike the consumption of used oils and natural gas. The substitution of diesel for fuel oil, manages to reduce emissions by 464,48 t CO for the year 2015.
Keywords: carbon dioxide equivalent, emissions, glass production, stationary source.
INTRODUCCIÓN
Eldesarrollo del hombre y la industrialización de la sociedad traen consigo la generación de una gran cantidad de sustancias que modifican la composición natural del aire. La introducción de estas sustancias o formas de energía, que tienen efectos nocivos para la seguridad y la salud de las personas, medio ambiente y demás bienes de cualquier naturaleza, es el origen del fenómeno denominado contaminación atmosférica (Moya, 2020).
Una vez que los contaminantes se emiten a la atmósfera, ésta actúa como medio receptor donde tienen lugar reacciones químicas. Dentro de estas sustancias se encuentran los Gases de Efecto Invernadero (GEI) cuya acumulación provoca efectos perjudiciales al planeta como el cambio climático. La Convención Marco las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC) lo define como el «cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la actividad humana, que altera la composición de la atmósfera global y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante períodos de tiempo comparables.» (Masson-Delmotte et al., 2018, p. 188).
Los impactos ocasionados por el cambio climático están relacionados principalmente con: el aumento de la temperatura promedio del planeta y del vapor de agua en la atmósfera terrestre, que propicia la ocurrencia de precipitaciones más extremas e impredecibles. Además provoca una disminución del rendimiento de las cosechas; aumento del número e intensidad de los desastres naturales como las inundaciones y sequías y cambios en la composición y distribución de los bosques (García, 2011; Espinoza et al., 2018; Bastidas & Hernández, 2019).
El cambio climático, es un potente multiplicador de riesgos, ya que contribuye a las pandemias creándose condiciones favorables para la propagación de ciertas enfermedades infecciosas transmitidas por mosquitos, como la malaria y la fiebre del dengue (Pinner, Rogers & Samandari, 2020). Además, este fenómeno puede ocasionar epidemias virales, como las fiebres hemorrágicas (de Lassa, del Ébola) y los nuevos coronavirus (CoV) asociados a síndromes respiratorios (SARS-CoV, MERS-CoV) (Beyer, Manica & Mora, 2021; Gomez, 2020).
El 21 de marzo de 1994 entró en vigor la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre Cambio Climático, con el objetivo de lograr la estabilización de las concentraciones de los GEI en la atmósfera a un nivel que impida interferencias antrópicas peligrosas en el sistema climático. Para lograr dicho objetivo, todos los países miembros de la CMNUCC deben elaborar, actualizar periódicamente, publicar y facilitar inventarios de sus GEI en un Inventario Nacional de Gases de Efecto Invernadero (INGEI) (Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático, 2007).
En Cuba, desde las últimas décadas se denotan los efectos del cambio climático. Con respecto al clima existe un incremento de la temperatura superficial promedio del aire de 0,9oC comparada con la línea base 1961-1990; un ascenso de la temperatura mínima promedio en 1,9oC y una reducción significativa del rango diurno de la misma (Planos et al., 2014). Se ha observado una disminución en el rango diurno de la temperatura superficial, déficit significativos en los totales anuales de precipitación, incremento de largas y severas sequías con progresión a todo el país, y aumento sin precedentes de huracanes intensos. Por otra parte, se ha reportado un incremento en la ocurrencia de inundaciones moderadas y fuertes para las costas de Cuba, independientemente de los eventos meteorológicos que las generan (Mesa, Correa, & Ortiz, 2021). Los países en desarrollo, como Cuba, los INGEI se deben presentar ante la CMNUCC como parte de las comunicaciones nacionales (cada cuatro años) y de los informes bienales de actualización (cada dos año a partir del 2014).
En la industria del vidrio las principales emisiones atmosféricas generadas vienen dadas en la etapa de fusión por el empleo de combustibles fósiles y las materias primas carbonatadas, aunque en los procesos de conformado y recocidos se emiten ciertas cantidades de estos contaminantes (Mari, 2002). Las principales materias primas del vidrio que emiten CO2 durante el proceso de fundición son: la piedra caliza (CaCO3), la dolomita [Ca, Mg(CO3)2] y la ceniza de sosa (Na2CO3) (Equipo Técnico de Gases de Efecto Invernadero, 2018). Estos materiales, allí donde se extraen como carbonatos minerales para ser utilizados en la industria del vidrio, representan una producción primaria de CO2 y deben incluirse en las estimaciones de emisiones (Vinos, 1988).
Esta industria se caracteriza, de manera general, por la prevalencia de tecnología obsoleta, lo que conlleva elevados consumos de combustibles fósiles y portadores energéticos, con una marcada incidencia negativa en la eficiencia de los procesos, y por ende, al incremento de los GEI (Cansiano, 2020).
La producción de vidrio constituye una de las sub-categorías principales dentro de las Guías establecidas por el IPCC. Los reportes de los INGEI realizados anteriormente en Cuba, como parte de las comunicaciones nacionales, se han visto afectado por la falta de datos que no han permitido completar las series cronológicas en determinados períodos. Además, de emplearse métodos simples de cálculos que no toman en consideración las materias primas carbonatadas y las emisiones de las fuentes estacionarias, lo que no permite un análisis integral de la situación actual de la industria, caracterizada por una obsolescencia tecnológica, principalmente en el horno de fusión, que conduce en gran medida a elevados consumos de combustibles y a la emisión de GEI. Es por ello que la presente investigación se realizó con el objetivo de completar la serie cronológica del inventario de GEI en la producción de vidrio a partir de la consulta del último informe correspondiente con la Tercera CMNUCC de 2021, sobre la base de métodos de cálculos que incluyan el análisis de las materias primas utilizadas, fuentes estacionarias y la tecnología empleada.
MATERIALES Y MÉTODOS
Etapas para la realización de inventario de GEI.
En la Figura 1 se muestran los pasos empleados en la elaboración del presente inventario para el período 2015-2019. Se reportan en este epígrafe los diferentes métodos de cálculo y los factores de emisión empleados para cada proceso.
La delimitación del inventario realizado se orientó a las siguientes fuentes de emisiones de GEI:
Emisiones asociadas a la producción de vidrio.
Fuente estacionaria.
Consumo eléctrico.
Metodologías de cálculos.
Los datos de actividad correspondiente al período 2015-2019 para la elaboración del inventario
Los datos de actividad correspondiente al período 2015-2019 para la elaboración del inventario fueron suministrados por la industria objeto. En cada año se solicitaron las toneladas de vidrios producidos, además de los datos de consumos de materias primas empleadas en la producción, combustibles y energía eléctrica.
Para el cálculo del inventario de GEI se consultó la metodología del Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC, 2006). “Directrices del IPCC de 2006” para los Inventarios Nacionales de GEI. Volumen 3: Procesos industriales y uso de productos acorde al árbol de emisiones para la estimación de las emisiones de CO2. Se comenzó con el nivel 3 y se transitó de un nivel a otro en dependencia de la disponibilidad de datos.
Método de nivel 3
Para determinar las emisiones provocadas por las materias primas carbonatadas en el horno de fundición se aplicó la siguiente ecuación (Ecuación 1).
Donde:
Emisiones de CO2 = emisiones provenientes de la producción de vidrio, tonelada.
EFic= factor de emisión para el carbonato en particular i, toneladas de CO2/toneladas de carbonato.
Mi= peso o masa del carbonato i consumido (extraído de la mina), toneladas.
Fi= fracción de calcinación alcanzada para el carbonato i.
Entre las principales materias primas que emiten CO2 durante el proceso de fundición se encuentran: la piedra caliza (CaCO3)2 y la ceniza de sosa (Na2CO3), por lo que deben incluirse en las estimaciones de emisiones.
Método de Nivel 2
El método de Nivel 2 se basa en la aplicación de factores de emisión por defecto y proporciones de cullet a los diferentes tipos de vidrio producidos en Cuba (IPCC, 2006). Las emisiones se calcularon con el empleo de la ecuación 2:
Donde:
Mgi= masa de vidrio fundido de tipo i
EFi= factor de emisión para la fabricación de vidrio del tipo i, toneladas de CO2/toneladas de vidrio fundido.
CRi= proporción de cullet para la fabricación de vidrio del tipo i, fracción.
Método de Nivel 1
El método de Nivel 1 se emplea cuando no se disponga de datos sobre el vidrio fabricado por procesamiento de los carbonatos utilizados en la industria. Para determinar las emisiones de CO2 se utilizó la siguiente ecuación 3:
Emisiones de CO2 = FE * Mg
Donde:
Emisiones de CO2= emisiones provenientes de la producción de vidrio, toneladas.
EF= factor de emisión, toneladas de CO2/toneladas de vidrio fundido.
Mg= toneladas de vidrio fundido.
Cálculo de las emisiones asociadas a las fuentes estacionarias y consumo eléctrico.
Las emisiones de CO2 relacionadas con los procesos de combustión que tienen lugar en las fuentes estacionarias, se calculan mediante la aplicación de la ecuación 4 a cada uno de los combustibles empleados y sumando las emisiones resultantes.
Donde:
Emisiones de CO2= emisiones asociadas al proceso de combustión, toneladas.
Consumo de combustible: consumo de combustible en la industria, kilogramo.
PCI= poder calórico inferior, Giga Joule/ tonelada.
EFc= factor de emisión, kilogramo de CO2/Giga Joule
FO= factor de oxidación.
Para determinar las emisiones de CO2 asociado al consumo de electricidad en la empresa utilicé la ecuación 5 y se empleó el factor de emisión reportado por la Agencia Internacional de Energía de 0,176 kgCO2e/kWh (Leal, 2015).
Donde:
EFe= factor de emisión, kilogramo de CO2 equivalente/kilowatts hora
Ce= consumo eléctrico, kilowatts hora
Procesamiento de los datos
.
En el análisis inferencial se realizó una correlación lineal donde las variables independientes fueron el consumo de aceites usados, fuel oil y gas natural y la variable dependiente es las emisiones de CO2eq referidas al consumo de fuentes estacionarias, para el período de 2015-2019, utilizando la aplicación Statgraphics Centurion XVIII.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los resultados de la aplicación del nivel tres asociados al consumo de materias primas carbonatadas en la empresa se muestran en la Tabla 1. Estos resultados son los de mayor complejidad, precisión y menor grado de incertidumbre.
La Figura 2 muestra que la descarbonatación de las materias primas (carbonato de sodio y carbonato de calcio) influye significativamente en las emisiones de CO2; evidenciado en un análisis de regresión lineal.
En la Tabla 2 se expone el porcentaje de cullet para la producción de vidrio determinado mediante el empleo de nivel 2, a partir del consumo de materia prima y las toneladas de vidrio roto, así como las emisiones de CO2 equivalente, correspondiente a cada año.
El porcentaje de cullet promedio para el período estudiado es de 54,28 %, el cual se encuentra dentro del intervalo típico de 20 – 60 % , reportado por el IPCC para el tipo de vidrio especial (vajillas) (IPCC, 2006). Este porcentaje está muy cercano al límite superior recomendado lo cual minimiza las emisiones de CO2. Sin embargo, la utilización de estas chatarras de vidrio puede afectar la calidad del producto terminado, lo cual debe tenerse en cuenta en el control operacional del proceso.
Por otra parte, tal como se establece en la Guía, en el epígrafe Garantía de calidad / Control de calidad (GC/CC), si se estiman las emisiones con el empleo del método de Nivel 3, los resultados deben comparase con los del Nivel 2 para ver sí poseen un orden de magnitud similar (IPCC, 2006).
El Nivel 2 basado en el cálculo a partir del porcentaje de cullet resultó el de menor cantidad de CO2eq al compararse con lo obtenido en el Nivel 3 para cada año evaluado en el inventario. No obstante, cuando las emisiones de la producción de vidrio se estiman basándose en las entradas de carbonatos (Nivel 3), la incertidumbre del factor de emisión (1 a 3 %) es relativamente baja pues el factor de emisión depende del cociente estequiométrico.
Las emisiones calculadas mediante el método del Nivel 1 están asociadas a la cantidad de vidrio fundido por cada año y a un factor de emisión.
La Tabla 3 muestra la cantidad de vidrio fundido y las emisiones de CO2, calculadas mediante el método del Nivel 1. Estas emisiones están asociadas a la cantidad de vidrio fundido por cada año y a un factor de emisión relacionado con la cantidad de vidrio producido en cada año.
La Figura 3 muestra que la cantidad de toneladas de vidrio fundido influye significativamente en las emisiones de CO2; evidenciado en un análisis de regresión lineal. Como es usual en este tipo de producción la cantidad de vidrio fundido es directamente proporcional a las emisiones de CO2 equivalente (Martín, 2013).
Emisiones asociadas a las fuentes estacionarias
En la Tabla 4 refleja la contabilización de las cantidades de CO2eq emitidas por las fuentes estacionarias para el período 2015-2019.
La Figura 4 muestra que el consumo de las fuentes estacionaria influye significativamente en las emisiones de CO2; evidenciado en un análisis de regresión lineal.
Los resultados de ajustar modelos de regresión lineal simple para describir la relación entre las emisiones de CO2 referidas a las fuentes estacionarias y el consumo de cada uno de los combustibles (aceites usados, fuel oil y gas natural) se indican en la Tabla 5.
Se demostró que el consumo de fuel oil influye de forma estadísticamente significativa en las emisiones de CO2 asociadas a las fuentes estacionarias a diferencia del consumo de aceites usados y gas natural; por lo que las medidas para reducir estas emisiones tienen que estar encaminadas a disminuir el consumo del fuel oil o a la sustitución del mismo.
Emisiones asociadas al consumo eléctrico.
Las emisiones de CO2 equivalentes contabilizadas a partir del consumo eléctrico correspondiente al período 2015-2019 se registran en la Tabla 6.
La Figura 5 muestra que el consumo de consumo de electricidad influye significativamente en las emisiones de CO2; evidenciado en un análisis de regresión lineal.
Las mayores emisiones de CO2 relacionada al consumo eléctrico se reportan en el 2015 por ser éste el año de mayor consumo eléctrico y en el cual las toneladas de vidrio fundido fueron superiores. En el resto del período se observó una tendencia a la estabilidad en cuanto al comportamiento de este portador energético y las toneladas de CO2 equivalentes.
La Figura 6 resume las cantidades de CO2 equivalente emitidas en el período 2015-2019 correspondiente con la descomposición de las materias primas carbonatadas en el horno de fusión, las fuentes estacionarias y el consumo eléctrico asociadas con esta industria.
Las fuentes estacionarias es la variable que tiene mayor influencia en las emisiones de CO2, en el período de años comprendido del 2015-2019, al compararla con las emisiones referidas a la descarbonatación de las materias primas y con el consumo de electricidad.
Durante los años estudiados se observa que la disminución de las emisiones de CO2 se debe principalmente a la reducción de la producción de vidrio y no porque se hubiesen aplicado estrategias orientadas a la conservación del medio ambiente. Esto avala la importancia de inventariar las emisiones periódicamente.
A partir del análisis de los resultados del presente trabajo se procedió a evaluar las propuestas de medidas de mitigación orientadas a las fuentes estacionarias y dentro de estas el horno de fusión, puesto que el empleo de las materias primas carbonatadas no ejerce un impacto significativo en el inventario de GEI.
Se propone la sustitución del fuel oil por un combustible de menor contenido de carbono, como es el caso del diésel. Para comprobar los beneficios de esta propuesta desde el punto de vista ambiental se determinó las emisiones evitadas a partir de lo siguiente:
Emisiones evitadas = Emisiones fuel oil - Emisiones diésel
Se empleó el factor de emisión reportado en las Guías del IPCC, para el combustible diésel, 2,61 kg CO2 equivalente/L, obteniéndose un valor de 464,48 tCO2 equivalente como emisiones evitadas por el empleo de este combustible para el 2015 que es el año de mayor aporte (IPCC, 2006).
CONCLUSIONES
Las emisiones de CO2 equivalentes en la industria del vidrio en Cuba, según metodologías establecidas por el IPCC, apuntan hacia a las fuentes estacionarias como las de mayor aporte dentro del Inventario Nacional de Efecto Invernadero.
En el proceso de producción de vidrio se identificó al horno de fusión y dentro de este el consumo de fuel oil, como la principal fuente de emisión de toneladas de CO2 equivalentes, no resultando significativas las fuentes de materias carbonatadas y el consumo eléctrico.
La propuesta para la mitigación de GEI en esta industria estuvo orientada a la sustitución del fuel oil por diésel, lográndose una disminución de las emisiones en 464,48 tCO2 para el año 2015.
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