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TENDENCIAS EN LA EVALUACIÓN DE EMISIONES A LA ATMÓSFERA EN EL SIGLO XXI

Dr. Faustino Martín Reyes Villegas

1

XVIII Foro de Avances de la Industria de la Refinación y a la

VIII Exhibición de Proveedores de Equipos, Insumos y Servicios para la Industria Petrolera

Julio, 2012

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Contenido:

•Medición de emisiones y su uso

•Magnitud de emisiones – Aire ambiente – con base en la salud humana.

•Escenario de emisiones en el siglo XXI - Informe Especial del IPCC sobre

escenarios de emisiones (IEEE).

•Utilidad de la metodología de monitoreo atmosférico en función del objetivo.

•Instrumentación de técnicas – inversión en USD.

•Tecnologías de Medición y Monitoreo para el siglo XXI en la EPA.

•Hacia donde enfocar esfuerzos.

•Conclusiones.

2

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Para que monitorearlos ?: •Toma de decisiones •Establecer bases científicas para políticas mitigación y desarrollo. •Evaluar la eficacia de las medidas de control y prevención aplicadas. •Determinar la congruencia con las normas y los criterios legales. • Advertencia y alerta a la población. •Calibrar y evaluar modelos de dispersión de contaminantes en la atmósfera.

Porque es importante conocer las Emisiones ? Constituyen un peligro potencial para la salud humana y el medio ambiente

Biogénicas -SO2 , PST -Isopreno -CH4

Antropogénicas • NO2, SO2, CO, O3, PST, PM10, PM2.5 •NH3, H2S, HCL, HCN • Benceno, Tolueno, Xileno omp,

Fenol, Estireno • CO2, CH4, N2O, H2O, SF6, HFC´s PFC´s, isoflurano (210),

sevoflurano (510) , desflurano (1620) • COV, NOx - O3 •Clorofluorocarbonos (CFC)

3

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TENDENCIA EN EL CUMPLIMIENTO DE LAS NORMAS NACIONALES

Fuente: Informe de Calidad del Aire Ciudad de México 2010

4

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TENDENCIA EN EL CUMPLIMIENTO DE LAS NORMAS NACIONALES

Fuente: Informe de Calidad del Aire Ciudad de México 2010

5

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Fuente: Informe Especial del IPCC sobre escenarios de emisiones (IEEE), 2001

6

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Fuente: Introducción al monitoreo atmosférico. Web: http://www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml 7

Muestreadores

pasivos

Muestreadores

activos

Monitores

Automáticos

Sensores

RemotosBioindicadores

Vigilar el cumplimiento de los valores límite

de la calidad del aire.1 3 3 1 1

Implementación de planes de contingencia. 1 3 3 2

Alertas ambientales: Vigilancia de valores

máximos.1 2 3 2

Investigación del transporte de

contaminantes atmosféricos.2 2 1 3 2

Barrido de contaminantes en una

trayectoria.2 3

Rastreo de tendencias temporales de

calidad del aire.2 1 3 3 1

Medición del impacto de las medidas de

control en la calidad del aire.3 2 3 2 1

Calibración y evaluación de modelos de

dispersión.1 1 3 3

Monitoreo Kerbside (en banqueta) 3 3 1

Efectos de la contaminación atmosférica

global. Inventario de efectos.2 2 2 1 3

Estudios de salud pública. 3 3 1 1

Medición de concentraciones de fondo. 3 1 1 3

Monitoreo en fuentes fijas. 1 2 3 3

Monitoreo perimetral a industrias riesgosas. 1 2 3 3 1

OBJETIVOS

METODOLOGÍAS

UTILIDAD DE LAS METODOLOGÍAS PARA MONITOREO DE CALIDAD DEL AIRE DE ACUERDO CON EL OBJETIVO

ESTABLECIDO

Nota: Los valores del 1 al 3 indican la util idad de la metodología. Correspondiendo el número 3 a la tecnología más recomendada para cumplir con el objetivo. La ausencia de valor implica que esta tecnología no es

recomendable para cumplir con el objetivo establecido.

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8 Fuente: Introducción al monitoreo atmosférico. Web: http://www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml

METODOLOGIA VENTAJAS DESVENTAJAS INVERSIÓN

U.S. DLLS (1991)

INVERSIÓN

U.S. DLLS (2012)

Muestreadores Pasivos Muy bajo costo.

Muy Simples.

Útiles para cribado y estudios de

base.

No probados para algunos

contaminantes. En general sólo

proveen promedios semanales y

mensuales. Requieren análisis de

laboratorio

$ 2 - 4

por muestra

$ 2 - 4

por muestra

Muestreadores Activos bajo costo.

Fáciles de operar.

Confiables en: operación y

funcionamiento.

Historia de base de datos

Proporciona concentraciones pico o

de alerta.

Trabajo intensivo.

Requieren análisis de laboratorio.

$ 2000 - 4000

por unidad

$ 2000 - 4000

por unidad

Monitoreos Automáticos Alto funcionamiento comprobado.

Datos horario.

Información On Line y bajos costos

directos.

Complejo.

Caro requiere técnicos calificados.

Altos costos periódicos de operación.

$ 10,000 - 20,000

por monitor

$ 10,000 - 20,000

por monitor

Sensores Remotos Proporcionan patrones de resolución

de datos.

Útiles cerca de fuentes y para

mediciones verticales en la

atmósfera.

Mediciones multicomponentes.

Muy complejos y caros.

Díficiles de operar, calibrar y validar.

No son siempre comparables con los

análizadores convencionales.

> $ 200,000

por sensor

> $ 160,000

por sensor

Bioindicadores Baratos.

Útiles para identificar la presencia de

alguos contaminantes.

Problemas en la estandarización de

sus metodologías y otros inherentes

a los procedimientos.

Algunos requieren análisis de

laboratorio.

Costo

variable.

Costo

variable.

* Nota: La inversión es inicial y no contempla el costo de análisis de laboratorio.

INSTRUMENTACIÓN DE TÉCNICAS DE MONITOREO ATMOSFÉRICO *

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9 Fuente: http://www.clu-in.org/programs/21m2/projects/

Áreas Temas específicosMonitoreo de emisisones al aire Monitoreo contínuo de emisiones de sistemas de tratamiento térmico de residuos

peligrosos.

Sensores remotos para monitoreo perimetral de emisiones fugitivas.

Monitoreo y caracterización de sitios Tecnologías de monitoreo para sitios con residuos mineros.

Caracterización de sedimentos contaminados Tecnologías analíticas y de muestreo para sedimentos potencialmente contaminados

Métodos analíticos y/o valoraciones en campo Dioxinas

MTBE en suelos y agua subterránea

Perclorados, particularmente en muestras de agua

Pesticidas y sus productos derivados de su degradación

Calidad del aire interior Monitoreo de intrusión de vapor dentro de construcciones

Sistemas de monitoreo in situ Tecnologías de sensores para monitoreo de de agua subterranea

Sensores in situ para el monitoreo de aguas subterraneas contaminadas y

desempeño de sistemas de tratamiento.

Tecnologías para la detección de fugas en rellenos municipales.

Métodos analíticos de Laboratorio Nuevos métodos para la determinación y especiación de compuestos derivados del

cianuro.

Evaluación de desempeño de la remediación in

situ

Sistemas de remediación In situ y monitoreo de procesos de atenuación natural.

Detección de químicos subsuperficiales no

invasivos

Tecnologías para localizar y monitorear contaminación por DNAPL.

Tecnologías de monitoreo no invasivo para mercurio y metales pesados en suelos.

Tanques de almacenamiento subterraneo Métodos de inspección interna para tanques de almacenamiento enterrados.

Métodos de detección de fugas para tanques de almacenamiento subterraneos y

tuberias.

Environmental Protección Agency

Áreas y Tópicos específicos de ínteres para el desarrollo de tecnologías para el Siglo XXI

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Fuente: FIELD TEST OF AN ULTRAVIOLET DIFFERENTIAL OPTICAL ABSORPTION SPECTROMETER FOR REMOTE AIR TOXICS SENSING, Peter A. Scheff et al ., 2001

10

Compuesto Número de datos Pendiente R2

UV-DOAS

concentración

promedio µg/m3

Lectura Directa

del Monitor aMuestra con

Canister VOC

NO2 225 1.016 0.67 44.64 44.73 n/a

O3 232 0.683 0.68 55.11 56.03 n/a

Benceno 74 ----- 19.86 n/a 2.62

Tolueno 74 ----- 20.13 n/a 1.45

M-Xileno 74 ----- 13.66 n/a 1.45

Estireno 74 ----- 8.55 n/a 0.46

Métodos de referencia

Concentración promedio

µg/m3

a El análisis de la concentración del NO2 se realizó con un equipo para NOx TECO 42. El análisis de la concentración de Ozono se realizó con un equipo Dasibi Modelo

Conparación de datos entre UV-DOAS y métodos de referencia específicos

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11

Gas Interferencias Región Espectral Técnica Lím. Det.

H2O - 1990-2010 P 1%

- 1990-1985 A 0.01%

- 2655-2675 A 0.01%

CO2 - 2045-2065 P,A 0.5% (P)

H2O, CO2 2390-2400 P 100 ppb (A)

N2O H2O, CO, CO2 2180-2200 P 1 ppm

H2O 2180-2200 A 20 ppm

CO H2O, N2O 2160-2180 P 1-5 ppm

H2O, CO2 2090-2110 A 5 ppb

CH4 H2O 3030-3050 P, A 100 ppm (P)

H2O, N2O 1295-1315 P, A 30 ppb (A)

NO H2O, CO2 1890-1910 P, A 20 ppm (P), 30 ppb (A)

SO2 H2O 2500-2520 P, A 100 ppm (P)

H2O 1150-1170 P, A 200 ppb (A)

NO2 H2O 2910-2930 P, A 20 ppm (P)

H2O 1590-1610 P, A 30 ppb (A)

NH3 H2O, CO2 920-940 P, A 10 ppb (A)

HNO3 H2O, NH3 890-900 P, A 10 ppb (A)

HCl H2O 2765-2785 P, A 5 ppm (P), 2 ppb (A)

HCHO H2O 2770-2790 P, A 10 ppb (A)

Regiones espectrales óptimas y límites de detección de los gases obtenidos con técnicas de

teledetección pasiva (P) y activa (A).

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12

®

13 C l= Cualitativo Cn= Cuantitativo F = Flux E= Emisión

LIDAR - VIS

Extracción Trayectoria Abierta

Activo Activo Pasivo Activo PasivoH2O Alemania, Alemania, EEUU, Alem

Cn Cn Cn

Esp. EEUU, Alemania, EEUU, EEUU,

Cn Cn Cn Cl Cl

EEUU, EEUU, EEUU, EEUU, EEUU,

Cn Cn Cl Cl F

EEUU, Alem Alemania, EEUU, Alem Esp. Suecia, Nicar EEUU, Nicar

Cn Cn Cn Cn Cn Cn

NOx Méx,

Cl

EEUU, EEUU, EEUU, Alem EEUU, Alem EEUU, Esp, EEUU

Cn Cn Cn Cn Cl Cl, Cn

EEUU, Alem EEUU, EEUU, Alem EEUU, Mex

Cn Cn Cn Cl Cn

EEUU, Alem Méx Méx,

Cn Cn Cn

EEUU, Alem

Cn

EEUU, Alem Méx Méx

Cn Cn Cn

CH4 Méx, Méx Alemania

Cl, Cn Cn Cn

EEUU, Alem

Cn

EEUU, Alem

Cn

EEUU, Alem

Cn

EEUU, Alem

Cn

O3 EEUU, Alem Méx Esp, EEUU EEUU, EEUU,

Cn Cn Cn Cl, Cn Cn, F

EEUU,

Cn

EEUU, Méx Esp, EEUU,

Cn Cn F, E Cl

Esp,

F, E

Esp

Cl

Méx, Esp

Cn Cl

CO2

Trayectoria Trayectoria Abierta

N2O

FTIR - IRCompuestos

SO2

CO

Tecnologías

COV

Aerosoles

HAP

Plomo

Benceno, Tlueno

CH3OH

DOAS - UV

NO

NH3

H2CO

NO2

C2H2

C2H4

C2H6

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Espectroscopia IR

Extracción

Trayectoria abierta

Activo*

- Utiliza una fuente de radiación* - Sensor a T del N2 líquido* - Alimentación constante de N2 líquido* - Altamente sensible a vibraciones** - Utiliza un interferómetro de Michelson** - Por sus dimensiones y peso no es posible utilizarlo en aviones miniatura no tripulados. - Utiliza Red de Difracción*** - Sensor a T Ambiente*** - Sin problemas por vibración*** - Es posible su miniaturización***

•Fuentes fijas •Emisiones en dinamómetro

•Configurar celdas ópticas • Sistemas de acondicionamiento de

muestra •Base de firmas espectrales •Curvas de calibración

Pasivo ? ?

Activo*

IMAAC •Emisiones biogénicas •SO2 en ambientes urbanos •Calidad del aire en Salamanca

Pasivo

Difracción***

Interferencia**/***

SIGIS •Emisiones Volcánicas •Emisiones turbinas de avión • Monitoreo de emisiones en Termoeléctrica

Falta reforzar análisis cuantitativo

Interferencia**

Difracción*** ? ?

•Redes de difracción - Selección de ventanas

espectrales - Análisis de más y nuevos

contaminantes - Desarrollo de algoritmos

y procedimientos

•Emisiones en basureros •Emisiones quemadores elevados • Monitoreo en fosas

14

Modelos Matemáticos análisis cuantitativo

®

15

Fuente: Remote Sensing and Analysis of Unburned Gases from Stacks and Flares Using Imaging Spectrometry . Michele Hinnrichs, 2009

®

16

Fuente: Remote Sensing and Analysis of Unburned Gases from Stacks and Flares Using Imaging Spectrometry . Michele Hinnrichs, 2009

Especies Temperatura Peso Molecular Densidad Masa Pixel-Vol Emisión

(K) (g/mol) (g/cm3) (g/pixel-vol)(g/seg)

CO 696 28.1 0.00049296 0.006802244 0.74144462

NO2 664 46.01 0.000844512 0.011674527 1.272523442

N2O 662 44.01 0.000810242 0.011200786 1.220885728

SO2 662 64.07 0.001179555 0.016306167 1.777372156

CH4 660 16.04 0.000296198 0.004094639 0.446315599

CO2 687 44.01 0.000780757 0.010793189 1.176457572

Resultados de la densidad de especies y flujo másico usando la ley de los gases ideales y presiones

parciales

g/s

®

•Se han realizado muy pocos estudios para explorar los daños que pueden

evitarse, o los impactos que pueden posponerse con la reducción o la

estabilización de las emisiones, a pesar de la importancia vital que este asunto

reviste, las investigaciones existentes han hecho hincapié en la escala mundial y

se necesitan con urgencia estudios desglosados a nivel regional e incluso

local.

•Los modelos son fundamentales para saber qué controles deben adoptarse y

evaluar su eficacia. A medida que se han conocido mejor los impactos

potenciales, la valoración de los efectos ha pasado del ámbito local al regional

y después al mundial.

•El analista de impactos se enfrenta a cantidades de datos muy grandes para

entender incluso una pequeña parte de la posible gama de situaciones futuras.

Existe una necesidad urgente de buscar herramientas y técnicas para ordenar

estas grandes cantidades de datos.

17 Fuente: El Grupo de Trabajo II del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre Cambio Climático, 2007

IPCC

®

•VII Cumbre de Líderes del G20. Se Resaltó la importancia de encontrar

políticas públicas para mitigar los efectos adversos del cambio

climático.

•En un futuro próximo será importante medir con precisión la

concentración y el flujo de diferentes gases, no sólo desde un punto de

vista de medio ambiente, sino también por razones económicas, ya que

parte de los impuestos puede depender de sus volúmenes de emisión.

•Con frecuencia se utilizan diferentes tipos de instrumentos in situ para

supervisar las principales fuentes de emisión, sin embargo los métodos

ópticos son cada vez más importantes.

18

CONCLUSIONES

®

•Es importante considerar el desarrollo de metodologías de medición

para estimar el flujo en una fuente de contaminación industrial que integre

en sitio, el análisis de contaminantes junto con el registro de variables

meteorológicas (velocidad y dirección del viento) que deben medirse en

forma exacta.

•Por otro lado, la reciente aparición de sistemas de imagen hiperespectral

hará posible en breve la obtención de imágenes con resolución espectral

suficiente para su aplicación a la teledetección de gases. Estos sistemas

dispersivos barren espectralmente una escena, proporcionando una

imagen para cada longitud de onda, o de otra forma, asociando a cada

punto de la imagen un espectro.

•Sin embargo, estos sistemas están todavía en fase de experimentación y su

aplicación de forma comercial no es inmediata debido a las dificultades

que presentan para su calibración.

19

CONCLUSIONES

®

•Los métodos de detección remotas ópticos permiten obtener mediciones de

tiempo real de los gases en la atmósfera, sin necesidad de instalar los

equipos de medición en la fuente. Estos métodos también tienen la posibilidad

de medir la concentración integrada a lo largo de una línea o una superficie.

Esto puede ser de más relevancia para la evaluación de los riesgos que una

medición puntual.

•Las ventajas con métodos ópticos son:

•Evaluación de grandes áreas

•Valoración continua cercano en tiempo real

•Ahorro en la valoración y especiación de diversos contaminantes

simultáneamente

•Ahorro en tiempo

20

CONCLUSIONES

®

21

¿Cuánto carbono está atrapado en un bosque? ¿Es posible medir con exactitud las emisiones de gases de una fábrica? ¿Y cómo se sabe si un producto supuestamente “verde” es realmente ecológico?

BBC - Centro para la Medición de Carbono Iniciativa REDD+ Predecir el clima del futuro

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22

Gracias ! Dr. Faustino Martín Reyes Villegas Dirección de Investigación y Posgrado Programa de Investigación en Integridad de Ductos Instituto Mexicano del Petróleo Eje Central Lázaro Cárdenas 152 México D.F. Tel. 9175 7141 email. freyes@imp.mx

M en C. Víctor Manuel García Vázquez Dirección de Seguridad y Medio Ambiente Instituto Mexicano del Petróleo Eje Central Lázaro Cárdenas 152 México D.F. Tel. 9175 7138 email. vmgarcia@imp.mx

Becarios:

Solymar Chinchilla Cortez Sistemas Ópticos e instrumentación Ángel Pérez Miguel Telecomunicación y electrónica Beatriz Sánchez Gómez Análisis químico y firmas espectrales

Apoyo : Humberto Martínez Roman Fotografía aérea , geoposicionamiento y análisis