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Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13708 (2023) Citar este artículo

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El cambio climático y la contaminación del aire por partículas presentan importantes amenazas para el bienestar humano al causar impactos en la salud humana. Ambos están relacionados con contaminantes atmosféricos clave, como el dióxido de carbono (CO\(_\text {2}\)), las partículas finas primarias (PM\(_\text {2.5}\)), el dióxido de azufre (SO\(_ \text {2}\)), óxidos de nitrógeno (NO\(_\text {x}\)) y amoníaco (NH\(_\text {3}\)), que se emiten principalmente en sectores industriales que consumen mucha energía. . Presentamos el primer estudio que vincula consistentemente una amplia gama de mediciones de emisiones para estas sustancias con datos técnicos específicos del sitio, modelos de emisiones y modelos de destino y efectos atmosféricos para cuantificar los impactos en la salud causados ​​por casi todas las plantas de energía fósil, acerías y petroleras del mundo. refinerías y plantas de cemento. Los patrones de impacto en la salud resultantes difieren sustancialmente de estudios anteriores mucho menos detallados debido a la alta resolución de los datos incluidos, destacando en particular el papel clave de la reducción de emisiones en sitios industriales individuales que consumen carbón en áreas densamente pobladas de Asia (Norte y Noreste). India, Java en Indonesia, este de China), Europa occidental (Alemania, Bélgica, Países Bajos), así como en EE.UU. De mayor preocupación para la salud son las altas emisiones de SO\(_\text {2}\) en la India, que se destacan debido a la falta de tratamiento de los gases de combustión y causan una proporción particularmente alta de impactos en la salud local a pesar de un número limitado de sitios de emisión. Al mismo tiempo, la enorme construcción de infraestructura y capacidad exportadora en China en los últimos años está cobrando un precio sustancial en la salud regional y global y requiere una regulación más estricta que en el resto del mundo debido a las condiciones ambientales desfavorables y las altas densidades de población. . Se ha descubierto que la actual eliminación de industrias altamente emisoras en Europa no ha comenzado en los lugares que tienen los mayores impactos en la salud. Nuestro inventario detallado de emisiones e impactos específicos del sitio puede resaltar alternativas más efectivas y rastrear el progreso futuro.

Las emisiones industriales, en particular las de sectores intensivos en energía, han sido identificadas como fuentes clave de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y partículas (PM), que representan las dos causas principales de los impactos de la contaminación global1,2,3. Las sustancias relevantes asociadas con estos impactos son principalmente dióxido de carbono (CO\(_\text {2}\)), metano (CH\(_\text {4}\)), partículas primarias con un diámetro inferior a 2,5\( \,\upmu\)m (PM\(_\text {2.5}\)), dióxido de azufre (SO\(_\text {2}\)), óxidos de nitrógeno (NO\(_\text {x}\ )), amoniaco (NH\(_\text {3}\)) y metales pesados. Numerosos estudios proponen formas de mitigar los impactos de la contaminación global proveniente de fuentes industriales, pero su alcance está restringido por la disponibilidad de datos sobre las emisiones específicas del sitio y el destino de los contaminantes, que comúnmente se estima mediante enfoques de arriba hacia abajo (por ejemplo, con estimaciones de emisiones nacionales en lugar de específicas del sitio). factores) combinados con datos aproximados aproximados4. Por lo tanto, tales estudios no pueden dar cuenta adecuadamente de los impactos contaminantes altamente específicos de cada lugar debido a las diferencias de emisión entre instalaciones industriales (incluso del mismo tipo), el clima, las condiciones atmosféricas, la población expuesta o la contaminación de fondo, mientras que la falta de datos técnicos por sitio también limita las conclusiones sobre la eficacia de medidas de mejora específicas. Por lo tanto, sigue sin haber sugerencias realistas de mejora disponibles en todo el mundo. Llenamos este vacío combinando mediciones de emisiones con modelos globales detallados específicos del sitio de más de 125.000 unidades generadoras de energía, 3.500 hornos de cemento, 1.500 altos hornos para la producción primaria de acero y 700 refinerías de petróleo (alcanzando una cobertura global casi completa) y cuantificamos los potenciales de reducción de la contaminación. para los impactos de los GEI y los impactos en la salud de las PM basándose en medidas de reducción adicionales. Por lo tanto, el presente estudio es capaz de cubrir más del 90% de las emisiones globales de CO\(_\text {2}\)5.

Se ha descubierto que los patrones globales de contaminación del aire están estrechamente relacionados con el uso de carbón en los distintos sectores industriales. Este tipo de combustible fósil no sólo tiene la mayor intensidad de emisiones de CO\(_\text {2}\) entre los tres tipos principales de combustibles fósiles (carbón, gas y petróleo), sino que también es responsable de altos niveles de exposición a la contaminación primaria y secundaria de PM. Una comparación directa de los impactos en la salud del calentamiento global y las PM muestra que son de un orden de magnitud similar (Fig. 1). Las incertidumbres son demasiado altas para derivar conclusiones adicionales a partir de las diferencias en las cantidades absolutas de estos impactos en la salud debido a diferencias metodológicas (consulte la información complementaria (SI) para obtener más detalles).

Comparación de emisiones e impactos sectoriales en [%] de contribución a los totales en cada categoría para 2016 (relacionado con el calentamiento global en gris o relacionado con el impacto de las partículas en la salud humana en rojo). Cantidades totales de emisiones e impactos indicadas en la parte inferior de la figura. La división de los impactos en la salud entre PM \(_\text {2.5}\), SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x}\) y NH\(_\text {3 }\) es 18%, 53%, 27% y 2%, respectivamente. Los datos completos se presentan en el cuadro complementario 24. Cada acería puede constar de varios altos hornos, mientras que cada planta de cemento puede constar de varios hornos.

El principal contribuyente a las emisiones de gases de efecto invernadero y a los impactos en la salud humana a nivel mundial es la generación de energía a base de carbón y, en particular, la generación de energía a gran escala con carbón. La mayor parte de las emisiones de CO\(_\text {2}\) generadas por el carbón se producen en China, donde se necesitan enormes cantidades de energía para el consumo interno y la producción de bienes exportados. Las emisiones precursoras de PM\(_\text {2.5}\) y PM\(_\text {2.5}\) de las centrales eléctricas de carbón en China han disminuido sustancialmente en los últimos años debido a la introducción de límites estrictos de emisiones para las centrales eléctricas de carbón. en 2012, pero los impactos en la salud siguen siendo altos debido a la densidad de población y las condiciones ambientales desfavorables, como las bajas velocidades del viento estacionalmente en combinación con temperaturas frías. Los dos países del mundo que se destacan aún más debido a los impactos de PM\(_\text {2.5}\) en la salud son India e Indonesia, que también están densamente poblados, pero además cuentan con regulaciones ambientales indulgentes y luchan por implementar incluso las existentes. leyes ambientales. Como consecuencia de ello, el tratamiento de los gases de combustión de una parte importante de las centrales eléctricas de carbón está muy por detrás de los estándares internacionales. En otras partes del mundo, como Europa occidental o América del Norte, el nivel general y la aplicación de la regulación ambiental son más estrictos. Sin embargo, los altos estándares para las nuevas centrales eléctricas, así como los costos del carbón de mejor calidad, han creado una situación de mercado en la que la operación de nuevas centrales eléctricas de hulla altamente eficientes con menores impactos para la salud es a veces menos rentable que la de las antiguas centrales eléctricas de lignito. plantas con emisiones mucho mayores. Como resultado, algunas de las centrales eléctricas más nuevas están en proceso de ser cerradas, mientras que las más antiguas y más contaminantes siguen funcionando6. Además, las centrales eléctricas de carbón también suelen estar ubicadas en centros de población o cerca de ellos, en condiciones ambientales que favorecen la formación de PM secundarias\(_\text {2.5}\), por lo que los impactos sobre la salud de la energía del carbón también son altos en Europa y América del Norte7.

Otros tipos de centrales eléctricas, como las turbinas de gas, empeoran aún más la situación cuando son antiguas, están situadas dentro de los límites de la ciudad y tienen una altura de chimenea baja. En tales condiciones, incluso las pequeñas unidades generadoras de petróleo o gas son responsables de una proporción desproporcionadamente grande de los impactos en la salud humana relacionados con las partículas, mientras que los impactos del CO\(_\text {2}\) son menores que los de las centrales eléctricas de carbón. A veces, el equipo o el funcionamiento inadecuados contribuyen aún más a los impactos en la salud, por ejemplo en África, donde se utilizan algunos generadores diésel de emergencia con baja eficiencia eléctrica y sin medidas de reducción de emisiones para la generación de energía de carga básica. Sin embargo, en general, la generación moderna de energía a gas en particular causa impactos en la salud significativamente menores que la generación de energía a carbón en el mismo lugar, ya que solo las emisiones de NO\(_\text {x}\) por cantidad de electricidad generada pueden ser de un orden de magnitud similar. Los impactos de las centrales eléctricas de gas provienen principalmente de EE.UU. (donde el gas natural procedente del fracking ha sustituido al carbón como combustible fósil más barato), la UE (donde varios países utilizan gas natural para sustituir parcialmente la generación de energía con carbón a pesar de los costes) y Japón (donde el papel de la energía del gas ha aumentado tras el cierre de la central nuclear a partir de 2011). Por otro lado, los impactos globales de la generación de energía petrolera son difíciles de cuantificar ya que su uso es más común en países en desarrollo con registros incompletos de generación de energía. La energía petrolera se utiliza en estas regiones porque los requisitos de infraestructura para la energía petrolera son relativamente bajos, y en países de Medio Oriente con abundantes reservas de petróleo y precios baratos del petróleo.

La cogeneración de calor y energía es una técnica común para aumentar la utilización general de combustibles, aunque puede disminuir la eficiencia eléctrica de las centrales eléctricas. Para diversas industrias que consumen mucha energía, como la industria química, esto es clave para mejorar la economía del proceso. En particular, las turbinas de vapor con pequeñas capacidades eléctricas (por debajo de 100 MW) suelen tener altas capacidades de producción de calor o vapor. Ignorar la cogeneración de calor y energía puede conducir a una subestimación masiva de las emisiones de CO\(_\text {2}\) relacionadas, lo cual es un problema importante con los datos de la AIE8, ya que tienen lagunas considerables con respecto a la cogeneración de calor y energía. generación (por ejemplo, en China). Los motores de combustión interna tienen una alta eficiencia eléctrica incluso en el caso de capacidades pequeñas, pero su calor residual es de baja calidad, con una proporción importante de calor por debajo de 100\(^\circ\)C, por lo que rara vez se utilizan para co- generación en entornos industriales con demandas de alta temperatura. En cambio, se utilizan comúnmente para aplicaciones comerciales (por ejemplo, en escuelas, hospitales, aeropuertos o centros comerciales) donde el calor residual de baja temperatura se puede utilizar para edificios en invierno, mientras que a veces se combinan con enfriadores para utilizar el calor residual para refrigeración. en verano. La complejidad de las instalaciones de cogeneración del mundo real es difícil de capturar en este estudio global como datos operativos (por ejemplo, sobre el uso de turbinas de vapor adicionales o calderas auxiliares) o parámetros básicos (por ejemplo, en el caso de calor con varios niveles de presión y temperatura). ) generalmente no están disponibles. Sin embargo, es poco probable que esto tenga una influencia importante en los patrones de emisiones globales en nuestro estudio, ya que influye principalmente en la proporción y la calidad de la producción de calor y electricidad de las unidades individuales, mientras que desempeña un papel comparativamente limitado en términos de emisiones e impactos en la salud humana.

La producción de acero primario ha ido aumentando en los países en desarrollo como China e India en los últimos años, mientras que la producción de acero primario en las regiones industrializadas de Europa (como la zona del Ruhrgebiet alemana) y América del Norte (como en el cinturón industrial de Estados Unidos) se está estancando o disminuyendo. junto con el aumento de las importaciones de productos siderúrgicos. Por lo tanto, actualmente existe un desplazamiento continuo de la carga de los países industrializados a los países en desarrollo9, pero debido a una mayor susceptibilidad a los impactos de las partículas en la salud en Asia debido a las altas densidades de población y, hasta cierto punto, a los estándares de emisión más bajos, los impactos en la salud de la producción primaria de acero están aumentando. Una parte importante de estos impactos en la salud proviene de China (Fig. 2e), donde el exceso de capacidad de las acerías en la última década ha reducido los precios mundiales del acero y ha llevado a un mayor consumo de acero, lo que, a su vez, aumenta aún más los impactos relacionados. .

Tradicionalmente, la producción primaria de acero ha requerido mucha mano de obra, por lo que las principales ciudades están ubicadas cerca de las acerías más grandes. Hoy en día, estas ciudades han aumentado de tamaño a pesar de que ha disminuido el número de trabajadores por tonelada de producción primaria de acero. Como resultado, hay muchas acerías grandes en las inmediaciones de un gran número de personas, lo que genera impactos en la salud muy altos por acería, incluso en regiones como Europa, América del Norte o América del Sur (Fig. 2e). Las principales fuentes de impactos sobre la salud regionales o locales son las emisiones de las plantas de coquización y de sinterización, que desempeñan un papel central con respecto a las emisiones in situ. La reducción básica de las emisiones primarias de PM\(_\text {2.5}\) de estas instalaciones es común, pero la reducción más avanzada de SO\(_\text {2}\) y NO\(_\text {x}\) son costosos y más difíciles de implementar. Cuando la información sobre las tecnologías de tratamiento de gases de combustión para los sitios era incompleta, asumimos condiciones promedio de reducción de acuerdo con las pautas de cálculo10,11.

Algunas emisiones de PM\(_\text {2.5}\) son causadas por la manipulación de materiales en los procesos de coquización y sinterización y, por lo tanto, dependen de las prácticas operativas y del mantenimiento adecuado de los equipos, para los cuales generalmente no hay datos adecuados disponibles. Por lo tanto, los impactos de las emisiones en el mundo real de este tipo de instalaciones pueden desviarse e incluso pueden ser más extremos que los calculados en el presente estudio. Si bien el coque sólo a veces se prepara fuera del sitio, esto es mucho más común para la peletización. Por lo tanto, es posible que pasemos por alto una parte sustancial de los impactos de la peletización en las cadenas de suministro ascendentes. La producción de cal sólo se lleva a cabo en algunas acerías importantes, pero a pesar de sus alturas de chimenea frecuentemente bajas, de alrededor de 30 m, no juega un papel importante con respecto a los impactos sobre la salud de las acerías. Los impactos en la salud debidos a las emisiones de CO\(_\text {2}\) de la producción primaria de acero provienen principalmente de los altos hornos, que representan una fuente importante de emisiones globales de CO\(_\text {2}\), y a una menor grado de los convertidores.

Las refinerías de petróleo están relativamente distribuidas regionalmente en los países desarrollados y en desarrollo, excepto en algunas áreas de refinación importantes, como Texas o California. Los países menos desarrollados no operan sus propias refinerías de petróleo y dependen de las importaciones de productos petrolíferos, que a menudo son de baja calidad (por ejemplo, con un alto contenido de azufre) y causan mayores emisiones en la generación de energía, el sector del transporte y el suministro de calor industrial. Las principales fuentes de emisiones relacionadas con CO\(_\text {2}\) y PM de las refinerías globales son el sistema de suministro de energía de la refinería, el craqueador catalítico fluido (FCC) y la producción de azufre (donde existan). Por lo tanto, las emisiones del suministro de calor dependen principalmente de los tipos de combustibles que se utilizan, más que del consumo de combustible específico de la refinería por cantidad de petróleo crudo procesado, ya que las intensidades de emisión de los combustibles típicos pueden diferir ampliamente. En los países industrializados, el uso de gas natural para el suministro de calor está aumentando8, ya que los productos de bajo valor provenientes del refinado (como el fueloil pesado) o el coque de petróleo que se han utilizado con frecuencia en el pasado ya no cumplen con los estándares de emisiones y requerirían la instalación de costosos sistemas de tratamiento de gases de combustión. Por lo tanto, existe una tendencia a invertir en tecnologías de mejora más costosas y que consumen más energía, o a vender el coque de petróleo a países con normas de emisión más bajas. Por ejemplo, una proporción importante del coque de petróleo de baja calidad procedente de las refinerías estadounidenses se vende a la India, donde este tipo de producto de desecho se utiliza como combustible barato para plantas de cemento con una reducción limitada de la postcombustión.

El FCC y otros procesos que requieren la regeneración del catalizador mediante combustión suelen ser las mayores fuentes de emisiones e impactos en la salud en una refinería, a menos que exista un control adecuado de los gases de combustión para estos procesos. Hoy en día, muchos de ellos han sido equipados con depuradores venturi electrodinámicos (EDV), que reducen las emisiones de PM\(_\text {2.5}\) y SO\(_\text {2}\) y pueden ampliarse aún más. para reducir también las emisiones de NO\(_\text {x}\). Si bien los niveles de emisión de PM\(_\text {2.5}\) de los EDV pueden ser más altos que los de los precipitadores electrostáticos (ESP), la otra tecnología de eliminación de PM\(_\text {2.5}\) muy común para los FCC, tienen varias ventajas, incluidos requisitos mínimos de área y costos de inversión limitados. Esta tecnología se ha vuelto muy común en Estados Unidos y China. En la mayoría de los países en desarrollo, la reducción de las emisiones de FCC puede estar menos avanzada que en los países industrializados, pero carecemos de los datos respectivos.

Otra fuente importante de emisiones de SO\(_\text {2}\) puede ser el proceso de producción de azufre (normalmente un proceso Claus de dos etapas) cuando no se aplica un tratamiento adecuado de los gases de cola. Encontramos tratamiento de gases de cola en la mayoría de las instalaciones recientes, por lo que ha habido un progreso considerable en la eliminación de importantes emisiones de SO\(_\text {2}\) de este proceso. Las contribuciones a las emisiones de las antorchas también pueden ser significativas en casos individuales (por ejemplo, cuando hay problemas operativos a largo plazo con la refinería, en el caso de un mantenimiento deficiente del equipo o debido a accidentes mayores). La cuantificación de los impactos de la quema en la salud es un desafío, ya que las emisiones generalmente no se miden directamente y solo pueden ser aproximadas. Una operación inadecuada de quema puede, por ejemplo, cambiar las emisiones de PM\(_\text {2.5}\) en varios órdenes de magnitud12 y no se puede capturar completamente en el presente estudio. La coquización y el reformado catalítico no desempeñan un papel importante en las emisiones y los impactos en nuestro análisis. Como las refinerías son generalmente muy difíciles de operar y el equipo es altamente especializado, sólo hay unas pocas empresas en el mercado y la mayoría de las refinerías modernas a gran escala siguen estándares comparablemente altos. Sin embargo, debido a su gran tamaño, a menudo representan fuentes importantes de impactos en la salud en una región.

Las plantas de cemento se encuentran en la mayor parte del mundo y, a menudo, también están ubicadas cerca de las principales ciudades donde se necesita cemento para proyectos de construcción. Por lo tanto, sus emisiones frecuentemente conducen a una alta exposición a contaminantes para la población local y los impactos en la salud pueden ser altos, especialmente en el caso de chimeneas bajas en combinación con grandes emisiones primarias de PM\(_\text {2.5}\). La mayor proporción de impactos en las plantas de cemento se observa con respecto a las plantas de cemento modernas en China debido a los requisitos de cemento para la construcción de infraestructura en los últimos años9. Las plantas de cemento chinas son los principales contribuyentes locales a los impactos, a pesar de que sus emisiones se han reducido mediante el despliegue de ESP o cámaras de filtros de última generación, debido a su número y tamaño. El uso de hornos de alta eficiencia con precalentadores y precalcinadores ha contribuido a la reducción de emisiones de CO\(_\text {2}\) y NO\(_\text {x}\) por cantidad de clinker producido, no sólo en China sino también en la mayoría de los demás países del mundo. La mayoría de los viejos hornos rotatorios se han modernizado con precalentadores y precalcinadores para mejorar la eficiencia y la capacidad de la planta. Hemos descubierto que pocas regiones como Rusia o Italia todavía tienen tipos más antiguos de hornos rotativos sin precalentadores ni precalcinadores en funcionamiento. Las reducciones futuras de las emisiones de CO\(_\text {2}\) están limitadas por la liberación estequiométrica de CO\(_\text {2}\) de la calcinación de CaCO\(_\text {3}\), que representa alrededor de dos tercios de las emisiones actuales de CO\(_\text {2}\) de los hornos de clinker modernos. Esta proporción sólo puede reducirse mediante la captura de carbono o reduciendo la proporción de clinker en el cemento.

Los combustibles más comunes en uso, principalmente dominados por el carbón de baja calidad o el coque de petróleo, muestran diferencias limitadas en las intensidades de las emisiones de CO\(_\text {2}\). Se ha descubierto que las emisiones constantes de NO\(_\text {x}\) son elevadas independientemente del tipo de planta de cemento, aunque las modernas suelen tener emisiones de NO\(_\text {x}\) algo más bajas por producción de clinker. Así, la reducción de NO\(_\text {x}\) poscombustión mediante reducción selectiva no catalítica (SNCR) se ha implementado en la mayoría de los hornos de cemento de EE. UU., Europa, China y Japón. La eficiencia de reducción de emisiones de esta tecnología varía según la cantidad de NH\(_\text {3}\) que se inyecta. NH\(_\text {3}\) sólo se consume parcialmente y el resto se emite en forma de amoníaco. NH\(_\text {3}\) también es un precursor de PM\(_\text {2.5}\), por lo que se pueden observar ciertas compensaciones del despliegue de SNCR en los países donde se utiliza (cf. Fig. .2k). Además, las altas concentraciones de NH\(_\text {3}\) en los gases de combustión pueden causar problemas operativos no deseados, como la formación de penachos desprendidos. Implementación de un control más efectivo de NO\(_\text {x}\) mediante reducción catalítica selectiva (SCR), que simultáneamente resulta en niveles más bajos de deslizamiento de amoníaco y NO\(_\text {x}\) en comparación con SNCR se está implementando actualmente en aproximadamente una docena de plantas de cemento en todo el mundo y se espera que siga aumentando. Las emisiones de SO\(_\text {2}\) solo se reducen con depuradores en unas pocas plantas de cemento que, de otro modo, emitirían altos niveles de SO\(_\text {2}\), y generalmente tiene menor importancia en comparación con las emisiones de NO\(_\text {x}\) porque los aportes de piedra caliza al horno generalmente unen algunos de los aportes de azufre como yeso.

Debido a la falta de disponibilidad de las composiciones globales de los insumos de los hornos (combustibles y materias primas), nuestro modelo no captura la variabilidad total de los niveles de emisiones de SO\(_\text {2}\) donde las emisiones no se miden ni reportan. Asimismo, el deslizamiento de amoniaco depende mucho de los aportes al horno y de las condiciones operativas, por lo que pueden diferir más de lo que calculamos. Los molinos de cemento en sitio contribuyen solo en menor medida a las emisiones directas de PM\(_\text {2.5}\)11 y, por lo tanto, se omitieron. Las emisiones generales de CO\(_\text {2}\) de nuestro inventario a nivel unitario se comparan bien con un estudio reciente a nivel regional mundial13, pero las emisiones de otros contaminantes y sus impactos en la salud son muy diferentes porque incluimos los tipos específicos del sitio. del tratamiento de gases de combustión, las mediciones de emisiones reportadas, las alturas de las chimeneas y el cálculo no lineal específico del sitio del destino y los efectos de los contaminantes.

Mapas de impacto en la salud de PM que muestran dónde podrían ocurrir reducciones en el caso de una reducción total de las emisiones (escala logarítmica, CF promedio anual, FE marginales) como (a) totales, (bg) por fuente de emisión y (h-k) por contaminante primario. Los impactos se expresan en [AVAD/km\(^{2}\)/a].

Las principales prioridades para mejorar el impacto en la salud en el sector energético son la reducción de las altas emisiones de CO\(_\text {2}\) y SO\(_\text {2}\) procedentes de la generación de energía a partir de carbón. Si bien los impactos de ambos son muy difíciles de comparar debido a las diferentes escalas de tiempo, mensurabilidad, vías de impacto y no linealidad de la exposición-respuesta humana a los contaminantes14,15, existe, sin embargo, amplia evidencia de que ambos presentan serias amenazas al bienestar humano1 ,2,3,15,16. Los beneficios potenciales de la reducción de las emisiones de SO\(_\text {2}\) generadas por la energía a carbón son mayores en el noreste de la India y en Java en Indonesia (Fig. 2b, i), donde las centrales eléctricas de carbón actuales generalmente carecen de cualquier tipo de tratamiento de gases de combustión SO\(_\text {2}\) postcombustión. Otros puntos críticos de contaminación por energía a base de carbón con importantes impactos se encuentran en Sudáfrica, México y Filipinas, donde las centrales eléctricas de carbón a menudo también presentan tasas extremas de emisión de SO\(_\text {2}\). En China, Alemania, Japón y partes de EE. UU., existe una aplicación más estricta de los niveles de emisiones de SO\(_\text {2}\) provenientes de la energía a base de carbón, pero las altas densidades de población locales o regionales aún provocan impactos importantes de la energía a base de carbón. Emisiones SO\(_\text {2}\). Como normalmente ya hay instalados equipos de reducción de SO\(_\text {2}\) modernos en las plantas de estos países, sólo queda la opción de cambiar a combustibles con menor contenido de azufre (por ejemplo, utilizando carbón lavado o de mayor calidad). , utilizando mejores absorbentes en el tratamiento de los gases de combustión (por ejemplo, sustituyendo la piedra caliza por cal) o reduciendo la generación de energía a partir de carbón en zonas vulnerables. Las altas emisiones de NO\(_\text {x}\) procedentes de la energía a base de carbón también son motivo de preocupación, especialmente en las calderas más antiguas, en las que las condiciones de combustión favorecen la formación de NO\(_\text {x}\).

Se pueden lograr potenciales de mejora limitados mediante simples cambios en las condiciones de combustión, pero el logro de niveles de emisión de NO\(_\text {x}\) de última generación normalmente sólo puede lograrse con nuevos niveles bajos de NO\(_\ text {x}\) quemadores (LNB) y reducción de la postcombustión mediante SCR. En nuestra evaluación, los beneficios para la salud derivados de la reducción de las emisiones de NO\(_\text {x}\) superan el descenso observado de NH\(_\text {3}\) debido a la operación SCR. Los impactos primarios sobre la salud de las PM\(_\text {2.5}\) provenientes de la generación de energía a base de carbón a gran escala hoy en día son menos preocupantes que los SO\(_\text {2}\) y los NO\(_\text {x}\) emisiones debido a reducciones efectivas de emisiones post-combustión y altas alturas de chimenea. Sin embargo, un estudio17 indica que puede haber una gran cantidad de equipos de reducción de PM obsoletos todavía en funcionamiento en lugares como India (97,9% en 2010) o Rusia (57,0% en 2010). De hecho, las imágenes satelitales revelan que los ESP de muchas centrales eléctricas de carbón en estos países son largos y tienen áreas de sección transversal pequeñas. Los ESP modernos, sin embargo, tienen áreas de sección transversal mucho más grandes y son más cortos para reducir la velocidad de los gases de combustión, ayudar en la deposición de partículas y evitar su reingreso18,19. Si bien nuestro estudio carece de datos de medición detallados para esto como evidencia, todavía existe la posibilidad de que dichas unidades emitan cantidades desproporcionadamente altas de PM\(_\text {2.5}\) primarias y, por lo tanto, presentarían una opción muy atractiva para reducir aún más el impacto en la salud. a costos limitados.

Varios países industrializados están aplicando actualmente estrategias a largo plazo para abandonar la generación de energía a partir de carbón con el fin de reducir las emisiones de CO\(_\text {2}\) y los riesgos asociados para la salud humana, pero las consecuencias a corto y mediano plazo de estas estrategias pueden reducir las inversiones en plantas existentes y, a veces, incluso conducir al cierre prematuro de las unidades más nuevas y eficientes (como las plantas de Westfalen o Moorburg en Alemania6), mientras que las unidades más antiguas con un tratamiento de gases de combustión menos eficaz y con insumos de combustible de menor calidad (como la mayoría de las plantas alemanas) centrales eléctricas de lignito) son más baratas de mantener y, por tanto, permanecen en funcionamiento. Además, si estas estrategias de salida de la energía a base de carbón van acompañadas de una reubicación de industrias de uso intensivo de energía a países con exceso de capacidad de energía a base de carbón barata (como en el caso de la industria del acero o la química a China en las últimas décadas), tales estrategias podrían ser se ha vuelto globalmente ineficaz. Por lo tanto, sugerimos evaluar las estrategias de salida de energía fósil desde una perspectiva de salud humana con una comparación de series de tiempo específicas del sitio más allá de las fronteras del país.

Los impactos de las centrales eléctricas de gas en buen mantenimiento por cantidad de electricidad generada suelen ser sustancialmente menores que los de las centrales eléctricas de carbón, debido tanto a las menores emisiones relativas de CO\(_\text {2}\) como a las emisiones relacionadas con PM. Además, las unidades suelen tener menor capacidad y estar más ampliamente distribuidas, de modo que las mejoras a nivel de unidad individual pueden generar menos beneficios en términos de impactos en la salud humana. Las actualizaciones más beneficiosas pueden provenir de unidades muy antiguas con altas emisiones de NO\(_\text {x}\) ubicadas en ciudades. Estas unidades todavía están en funcionamiento en países en desarrollo como la India y en los principales países productores de petróleo de Oriente Medio, donde existe una abundante oferta de gas natural barato como coproducto de la producción de petróleo (Fig. 2c). La inyección de agua o vapor en las cámaras de combustión de tales unidades ya puede reducir significativamente las temperaturas máximas y, por lo tanto, la formación de NO\(_\text {x}\) (en el rango de hasta el 90%20), pero se pueden lograr reducciones mayores con post -medidas de combustión como SCR. La mayoría de los principales fabricantes de turbinas de gas también ofrecen mejoras para sus turbinas de gas que pueden ayudar a restaurar la eficiencia eléctrica degradada de las unidades antiguas e incluso pueden permitir que dichas unidades alcancen eficiencias más altas que cuando eran nuevas. Estas mejoras pueden resultar atractivas desde el punto de vista económico y ecológico, ya que disminuyen el consumo relativo de combustible y las emisiones de CO\(_\text {2}\). Un desafío para la reducción de emisiones de NO\(_\text {x}\) procedente de la generación de energía a gas son las unidades utilizadas para el control de frecuencia secundario, ya que los aumentos repentinos en la generación de electricidad de dichas turbinas de gas pueden ir acompañados de picos de NO\(_\text { x}\) emisiones hasta que las tecnologías de abatimiento alcancen sus condiciones de diseño. Observamos que estas unidades generadoras de gas suelen tener una capacidad menor y su utilización a lo largo del año es menor que la de la generación de energía a gas de carga básica, por lo que esto aún genera impactos en la salud comparativamente bajos. Otra aplicación especial de las turbinas de gas es la cogeneración de electricidad y agua de mar desalinizada en los países de Oriente Medio. La abundante irradiación solar y la flexibilidad operativa de la generación de energía a gas existente generalmente harían que la combinación de energía fotovoltaica con energía a gas sea una opción atractiva para reducir los impactos ambientales en dichas regiones. Sin embargo, esto requeriría un cambio completo hacia plantas de ósmosis inversa para la desalinización de agua de mar, ya que el calor generado por las turbinas de gas existentes es hoy un insumo esencial para la desalinización de agua de mar.

Los bajos costos de los módulos fotovoltaicos son una opción para que los países en desarrollo y menos desarrollados sustituyan parte de su contaminante generación de energía descentralizada mediante petróleo que observamos (cf. Fig. 2d), lo que está relacionado en gran medida con los niveles de azufre en el combustible. Estos niveles de azufre provienen de refinerías que venden sus combustibles de menor calidad a los países menos desarrollados sin refinerías propias. En los últimos años se han logrado importantes avances en cuanto a los niveles de azufre en los combustibles para el transporte (principalmente en términos de diésel para automóviles21 y fueloil para barcos22), pero no está claro hasta qué punto se podrían haber logrado avances también con respecto al diésel de uso industrial, el combustible ligero y los fuelóleos pesados ​​no está claro, ya que hasta la fecha no ha habido una evaluación global sistemática al respecto. Sin embargo, las cuentas individuales indican que los combustibles utilizados industrialmente todavía contienen cantidades sustanciales (en porcentajes inferiores de un solo dígito), lo que también se ha asumido en las estimaciones de emisiones de este estudio. Como la reducción de las emisiones poscombustión debido al pequeño tamaño de la mayoría de las unidades alimentadas con petróleo es antieconómica y tecnológicamente difícil, sólo queda la desulfuración del combustible como una opción realista para reducir las emisiones de SO\(_\text {2}\). Esto ya se practica para una amplia gama de productos de refinería en todo el mundo y el azufre eliminado a menudo puede incluso convertirse en un producto vendible, pero esto puede requerir intervención gubernamental para lograrlo. Como observamos que los impactos del SO\(_\text {2}\) van mucho más allá de su fuente de emisión, normalmente también habría algún incentivo para que los reguladores de los países refinadores de petróleo impidan altos contenidos de azufre en cualquier producto de refinería. Las turbinas de vapor a gran escala que queman petróleo se han vuelto raras debido a las condiciones económicas desfavorables y ahora se pueden encontrar principalmente en Japón. Las opciones de reducción de emisiones para dichas unidades son generalmente las mismas que para las unidades generadoras de carbón a gran escala y, en muchos casos, ya se han implementado en Japón, pero el principal problema en Japón es a menudo la altísima densidad de población, ya que los niveles de emisiones ya son elevados. bajo. En tales circunstancias, las opciones técnicas para reducir el impacto en la salud se han explotado en gran medida y sería necesario un cambio de tecnología para lograr mayores mejoras. En el SI se proporcionan más análisis cuantitativos a nivel de país.

Los impactos en la salud de las acerías derivados de las emisiones de gases de efecto invernadero se deben en gran medida al uso de coque y carbón como agentes reductores en los altos hornos. Técnicamente, el gas hidrógeno (H\(_\text {2}\)) se ha identificado como una opción de sustitución viable23, pero debido a los altos precios, esta estrategia es actualmente incompatible con la demanda de acero primario barato en los sectores de la construcción y el transporte. En particular, la producción actual de H\(_\text {2}\) se basa en combustibles fósiles, ya que la electrólisis del agua con energía renovable y otras opciones de procesos renovables siguen siendo demasiado costosas. Incluso con acceso continuo a electricidad renovable muy barata, las celdas de electrólisis escalan linealmente con la capacidad requerida, por lo que solo puede haber beneficios económicos y ecológicos muy limitados debido a los efectos de escala. Al mismo tiempo, esta tecnología compite con una combinación de H\(_\text {2}\) de origen fósil y la captura y secuestro de carbono (CAC), que podría ser económicamente más atractiva. Una mayor proporción de reciclaje de acero también podría ayudar a reducir la producción primaria, que consume más energía, pero no puede satisfacer la creciente demanda de acero24 y en el futuro puede alcanzar límites en un punto en el que los materiales de aleación se vuelvan tecnológicamente difíciles de separar del acero25. Una sustitución parcial del acero como material de construcción podría ser una opción a largo plazo, pero PM\(_\text {2.5}\), NO\(_\text {x}\) y SO\(_\text {2 Los impactos sobre la salud humana relacionados con }\) se pueden reducir más directamente cuando estas emisiones y sus impactos se basan en las cualidades y el manejo del combustible, por lo que las técnicas habituales para el control de la combustión (medidas primarias como el control de las temperaturas de combustión) y el control posterior a la combustión anteriormente Se aplican los mencionados (depuradores, filtros o conversión de contaminantes). Estas medidas generalmente permiten reducir las emisiones en un 90% o más y producirían importantes beneficios en China y la India (Fig. 2e). Las prácticas de gestión de los hornos de coque y las plantas de sinterización también pueden provocar emisiones importantes de fuentes difusas que son más difíciles de controlar. En particular, las emisiones primarias de PM\(_\text {2.5}\) de fuentes difusas pueden afectar a las comunidades locales debido a sus bajas alturas de emisión, pero existen varios ejemplos en Japón, China y Europa que demuestran mejoras sustanciales para controlar las emisiones difusas26. Un problema crítico seguirá siendo la ubicación de las acerías individuales dentro de las ciudades, donde estas ciudades han crecido a su alrededor. La reubicación de acerías enteras, como se practica en algunos casos en China, en la mayoría de los casos es poco realista y poco atractiva para las ciudades, ya que perderían ingresos fiscales. Nuestro estudio indica que la eliminación gradual de equipos obsoletos y la reducción del exceso de capacidad presentan importantes opciones de mejora en China e India, así como en muchos otros países, mientras que las evaluaciones detalladas del impacto ambiental junto con una cuidadosa zonificación antes de otorgar permiso para nuevas instalaciones también pueden ser herramientas. para dirigir el progreso. Un requisito previo esencial para tales medidas específicas es la implementación de mediciones periódicas de la concentración de exposición.

Debido a importantes mejoras en varios pasos de procesamiento, encontramos que el suministro de energía de las refinerías ahora presenta una de las principales palancas para la reducción de emisiones y del impacto en la salud. Las acciones de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) en la implementación de Estándares de Desempeño de Nuevas Fuentes (NSPS) para calderas industriales y refinerías de petróleo constituyen un ejemplo de cómo evaluar las fuentes de emisiones de las refinerías de petróleo en todo el país y reducirlas continuamente. Por lo tanto, el papel anteriormente central de los FCC en las emisiones contaminantes de las refinerías de petróleo en los EE. UU. podría reducirse sustancialmente debido a la introducción de medidas de control de partículas, depuración de SO\(_\text {2}\) y combustión que reduzcan el NO\(_ \text {x}\) emisiones. Del mismo modo, la mayoría de los FCC globales en este momento tienen un control relativamente estricto de las emisiones de FCC, con un potencial adicional que proviene principalmente de la instalación de depuradores de SO\(_\text {2}\) (en caso de que los altos contenidos de azufre en los materiales quemados causen altos niveles de SO). \(_\text {2}\) emisiones) así como de la implementación de la reducción de emisiones de NO\(_\text {x}\) por parte de los SCR. La mayoría de los impactos relacionados con la salud humana se calculan para las refinerías en las cercanías de Los Ángeles, San Francisco, Guangzhou, Tokio, Osaka y Yakarta (Fig. 2f), ya que la población en estos lugares es extremadamente vulnerable a las partículas y las refinerías locales están ubicadas muy cerca. cerca o dentro de esas ciudades. Las refinerías alrededor de Yakarta, que están a más de 300 kilómetros de la ciudad, representan una excepción ya que sus impactos se deben en gran medida a sus altas emisiones contaminantes y no a su proximidad a las ciudades. Las principales fuentes de emisión en estas refinerías incluyen la quema, que puede ser un indicador de problemas operativos mayores. Un desafío en la implementación de la reducción de la postcombustión para las refinerías será la cantidad de fuentes de emisión y cómo se emiten. La normativa japonesa, por ejemplo, exige con frecuencia chimeneas altas (alturas superiores a 100 m), lo que no sólo ayuda a mantener bajos los picos de concentración de contaminantes a nivel del suelo, sino que también combina varias fuentes de contaminantes en un pequeño número de chimeneas grandes. En tales circunstancias, las medidas de reducción de la postcombustión pueden implementarse de manera más económica en comparación con las refinerías con grandes cantidades de fuentes de emisiones distribuidas y pequeñas chimeneas individuales (alturas inferiores a 50 m), que son comunes, por ejemplo, en los EE. UU. La recuperación de azufre en el caso de refinerías con materias primas crudas con alto contenido de azufre también puede ser la principal fuente de contaminación por SO\(_\text {2}\) cuando no existe un tratamiento eficaz de los gases de cola de los gases residuales del proceso Claus. Todas las unidades de recuperación de azufre instaladas recientemente para las cuales hemos encontrado registros públicos parecen incluir algún tipo de unidad de tratamiento de gases de cola. Aún así, es probable que no todas las unidades más pequeñas y antiguas lo tengan instalado, pero nos faltan datos al respecto. Cuando no exista dicho tratamiento, su introducción debería ser una prioridad, especialmente porque existe una amplia gama de tecnologías con tasas totales de recuperación de azufre superiores al 99,9% disponibles para ese fin27. En términos de los impactos de la contaminación en la salud por el suministro de calor de las refinerías, las soluciones no son tan sencillas. Según datos de la Agencia Internacional de Energía (AIE), la mayoría de las refinerías ya utilizan gas de refinería, una mezcla de subproductos volátiles del refinado de petróleo, y gas natural como principales combustibles8. Estos combustibles son comparativamente bajos en intensidad de emisiones de SO\(_\text {2}\), PM\(_\text {2.5}\) y CO\(_\text {2}\). Una menor demanda de productos altamente contaminantes del fondo de las refinerías, como el fueloil pesado, aumentará en el futuro la demanda relativa de combustible de las refinerías por cantidad de petróleo crudo ingresado. Ciertas mejoras de impacto aún son posibles mediante un despliegue más frecuente de LNB, posiblemente en combinación con SNCR o SCR. También se están desarrollando conceptos para sustituir el calor a alta temperatura como insumo en el refinado de petróleo por electricidad derivada de la energía solar o eólica, pero dependen de nuevos catalizadores y requieren cambios importantes en los procesos. Por lo tanto, las vías más efectivas de reducción del impacto en la salud para el suministro de calor de las refinerías requerirán más investigación, que también tenga en cuenta los cambios en los patrones futuros de demanda de productos derivados del petróleo.

Los principales problemas de las plantas cementeras mundiales en términos de sus impactos en la salud humana son las emisiones de CO\(_\text {2}\) causadas estequiométricamente por la calcinación de CaCO\(_\text {3}\) (alrededor del 60% del total CO\(_\text {2}\) emisiones) y, en menor medida, por el contenido de carbono en el combustible de entrada. Una reducción general de ambos es posible hasta cierto punto reduciendo la proporción de clinker en el cemento, pero la antigua tendencia mundial en esta dirección se ha estancado28. Un cambio al gas natural u otros combustibles con menor intensidad de emisiones de CO\(_\text {2}\) podría generar algunos potenciales de ahorro adicionales a mayores costos, pero esto también aborda solo una pequeña parte del problema. Se podrían lograr mayores ahorros si se sustituyeran los insumos de carbón y coque de petróleo de los hornos de cemento por desechos que de otro modo se quemarían en plantas incineradoras de desechos o se depositarían en vertederos. Sin embargo, dos requisitos centrales para esto serían que los hornos de clinker tengan suficiente control de la contaminación del aire para hacer frente a todos los contaminantes que se emiten (como metales pesados, dioxinas, etc.), y que el producto de cemento tampoco esté contaminado con contaminantes (que de otro modo podrían causar impactos en la salud humana a través de diferentes vías de impacto). Sin embargo, las emisiones de CO\(_\text {2}\) de la calcinación sólo pueden reducirse mediante una disminución de la demanda de clinker o la captura de CO\(_\text {2}\) posterior a la combustión. Como las inversiones gubernamentales en el sector de la construcción se utilizan comúnmente para evitar la desaceleración de las economías locales, y muchos países en desarrollo tendrán importantes necesidades de infraestructura en los próximos años, una reducción de la demanda de clinker parece poco probable y el CO\(_\text {2} \) la captura sigue siendo la única opción realista a medio plazo. El otro factor importante de los impactos en la salud humana de las plantas de cemento son las altas emisiones de NO\(_\text {x}\), incluso en el caso de la reducción de SNCR comúnmente utilizada. En este caso, la industria mundial del cemento se está quedando atrás en el desarrollo tecnológico, ya que el uso de SNCR con tasas de eliminación promedio del 40% ya no es común en el sector energético debido a su efectividad limitada y al alto contenido de NH\(_\text {3}\ ) deslizamiento, que no solo contribuye a los impactos de las partículas en la salud humana a través de la formación de NH\(_4\)NO\(_\text {3}\) y (NH\(_4\))\(_{1.5}\) SO\(_4\), pero también puede causar graves problemas operativos. La implementación del SCR superior (con tasas de eliminación de NO\(_\text {x}\) de hasta el 95%) está en marcha para un pequeño número de plantas de cemento, y la instalación debería acelerarse en regiones con importantes niveles de NO\( _\text {x}\) impactos de la producción de cemento (especialmente en China, Europa y Japón, como se ve en la Fig. 2g). Las plantas en el resto del mundo a menudo ni siquiera tienen SNCR instalado y pueden optar directamente por SCR, pero los beneficios de SNCR en estas regiones generalmente superan el daño adicional del deslizamiento de NH\(_\text {3}\) y, por lo tanto, podrían presentar una solución aceptable a corto plazo a costos más bajos. Finalmente, es muy común en las plantas de cemento el uso de enfriadores de clinker con parrillas móviles, que frecuentemente están acoplados a chimeneas separadas de baja altura y pequeños BES con pocas etapas y bajos tiempos de residencia de los gases de combustión. Las emisiones primarias de PM\(_\text {2.5}\) de estos refrigeradores contribuyen en gran medida a los impactos en la salud humana de las plantas de cemento donde los hornos de cemento están situados cerca de las principales ciudades, ya que las emisiones de estos refrigeradores pueden ser altas y pueden causar PM local. \(_\text {2.5}\) picos de concentración debido a sus bajas pilas (Fig. 2h). La mayoría de las plantas de cemento modernas, por ejemplo en Europa, Japón y, a veces, en China, utilizan todo el aire caliente de los enfriadores para precalentar, lo que reduce las necesidades de carbón o coque de petróleo de la planta de cemento y disminuye el CO\(_\text {2}\ ) emisiones, mejora la economía de las plantas y ayuda con la contaminación del aire. Como es el caso de la generación de energía o la fabricación de acero, reducir el consumo de carbón y combustibles similares es la clave para reducir los impactos en la salud humana.

El inventario de emisiones de este estudio utiliza datos de emisiones reportados cuando es posible. Las fuentes de datos superpuestas se clasifican según la calidad de sus datos para una región determinada y se les asigna prioridad en consecuencia. Los formatos de las diversas fuentes de datos están alineados y se utiliza una amplia gama de modelos de emisiones como último recurso para llenar los vacíos de datos sobre emisiones y desglosar diferentes emisiones por sitio emisor. Estos modelos utilizan cálculos de ingeniería basados ​​en balances de masa y energía cuando es posible para preservar los vínculos entre las emisiones y los parámetros técnicos de los equipos y los insumos, en lugar de basarse en enfoques puramente empíricos (como en29,30). El uso de estos modelos de ingeniería es posible gracias a la recopilación exhaustiva de datos primarios sobre las especificaciones técnicas de cada sitio, así como a la vinculación de numerosas bases de datos con datos técnicos.

Los límites del sistema encierran cada sitio emisor con los diferentes tipos de instalaciones (centrales eléctricas, acerías, refinerías de petróleo y plantas de cemento) separadas entre sí, incluso si están ubicadas físicamente dentro de los mismos límites de baterías. Las emisiones y los impactos aguas abajo y aguas arriba no se incluyen para evitar un doble conteo (consulte el SI para obtener más detalles sobre las posibles consecuencias). Además, cada sitio se subdividió en unidades más pequeñas (como unidades generadoras de centrales eléctricas o secciones de proceso importantes en el caso de refinerías de petróleo) cuando eso era posible. Las sustancias emitidas cubiertas son CO\(_\text {2}\), PM\(_\text {2.5}\), SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x} \) y NH\(_\texto {3}\). El alcance temporal de este estudio es el año 2016, y los datos se han extrapolado en parte de 2015 o 2017 debido a lagunas de datos. En unos pocos países (India, Australia, Sudáfrica), los datos de emisiones o actividad se reportaron para años fiscales en lugar de años calendario. En estos casos, los cálculos se realizan para el año fiscal 2016/2017. Los datos de actividad específicos del sitio se utilizan si se informan, o se estiman a partir de otros datos a nivel de planta o mediante una combinación de estadísticas y capacidades nacionales (en ese orden de prioridades).

La columna vertebral de este estudio es una base de datos de sitios de emisión con datos técnicos básicos para cada sitio, a la que se agregan datos de una gran cantidad de otras bases de datos. La parte de la planta de energía de esta base de datos de sitios de emisiones proviene de la base de datos Platts World Electric Power Plant (WEPP)31, disponible comercialmente, que proporciona datos sobre 125.000 unidades generadoras de energía de carbón, gas y petróleo y es globalmente completa, excepto para unidades muy pequeñas (como las de diésel de emergencia). generadores) y para China, donde el proveedor de la base de datos tiene dificultades para mantenerse al día con el rápido ritmo de construcción de centrales eléctricas y la cantidad de unidades pequeñas no registradas. Para la fabricación de acero, la base de datos sobre sitios de emisiones cubre todas las acerías con altos hornos a partir de una serie de informes sobre las capacidades mundiales de fabricación de acero32,33 y se complementó con datos sobre la industria34 y (especialmente en el caso de China) con un gran número de entradas individuales de páginas de inicio gubernamentales y de empresas. Los datos básicos de la refinería de petróleo se obtuvieron de la literatura35 para 2016 y, finalmente, los datos de la planta de cemento se obtuvieron combinando plantas de clinker gris con hornos rotatorios de Industryabout34, el Global Cement Directory 201736 y otras adiciones manuales.

Para cada uno de los sitios de emisión se han recopilado datos de coordenadas. Las coordenadas verificadas manualmente se utilizan para las grandes centrales eléctricas, todas las acerías, todas las refinerías de petróleo y las plantas de cemento más grandes. Otras coordenadas del sitio se obtienen de una gran cantidad de bases de datos cuando es posible34,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47. Las unidades restantes sin coordenadas obtuvieron sus datos de coordenadas automáticamente48 basándose en los nombres de las unidades y ubicaciones (solo necesario para pequeñas plantas de energía a nivel mundial y pequeñas plantas de cemento chinas).

Los datos de emisiones reportados se obtuvieron de una gran cantidad de fuentes de datos nacionales y supranacionales. Entre ellos se encontraban registros de emisiones de contaminantes como el E-PRTR para la Unión Europea37, NPI y NGER para Australia49,50, NPRI y GHGRP para Canadá47,51, y NEI y GHGRP para Estados Unidos52,53. Las bases de datos del Consejo de Electricidad de China54,55,56 se utilizan para derivar las emisiones de las centrales eléctricas chinas mediante una combinación de datos de actividad y concentraciones de gases de combustión informadas con un procedimiento de cálculo de un estudio anterior39. Los datos de la Autoridad Central de Electricidad de la India proporcionan emisiones de CO\(_\text {2}\) en combinación con datos de actividad de las centrales eléctricas de la India57. Los datos de emisiones de EE. UU.52,53 se complementan además con datos de eGRID46 y el reciente complemento eGRID para PM\(_\text {2.5}\)58. Para Sudáfrica, los datos de actividad de Eskom están disponibles para el año fiscal 2016/201759 y se pueden combinar con los datos de concentración de contaminantes de gases de combustión de 2017/201860. La vinculación de las fuentes de datos de emisiones y los datos básicos del sitio39 se amplía de forma semiautomática correlacionando los datos de las unidades básicas y se verifica manualmente. La validación de los datos modelados en contraste con los datos informados se muestra en el SI.

En el caso de la base de datos de referencia para unidades generadoras de energía, se han aplicado una gran cantidad de aproximadamente 8000 correcciones y actualizaciones manuales a entradas de datos individuales. Los datos técnicos que contiene se complementan con varias bases de datos38,39,41,42,43,44,45,54,55,56,57,59,61,62,63,64,65,66,67,68 que proporcionan más información sobre la configuración de las plantas, los parámetros operativos, las tecnologías utilizadas y, en particular, la cogeneración de energía y calor. Los datos bibliográficos31,38, así como las páginas de inicio de las empresas de los principales proveedores de unidades generadoras (General Electric, Siemens, Mitsubishi Hitachi Power Systems, Harbin, etc.) se utilizan para derivar reglas predeterminadas para llenar huecos basadas en desarrollos recientes en términos de recalentamiento de vapor. sistemas de regeneración y refrigeración, tal como se describe en el SI.

El modelado detallado de tipos de turbinas de vapor incluye ciclos de vapor específicos, regeneración, cogeneración de calor y energía, turbinas de contrapresión y condensación, temperaturas del vapor, presiones de vapor, temperaturas de enfriamiento y parámetros de operación (eficiencias de carga parcial, comportamiento de la caldera, relación calor-a- ratios de potencia (HTP)) y, por lo tanto, representa una expansión sustancial de un enfoque anterior68. Los datos termodinámicos para el cálculo de las eficiencias de las turbinas de gas y los motores de combustión interna generalmente no están disponibles en ninguna de las fuentes de datos mencionadas anteriormente, por lo que en su lugar se utiliza una base de datos de eficiencias de las turbinas de gas y los motores de combustión interna en condiciones ISO para frecuencias de la red eléctrica de 50 o 60. Hz se construye a partir de 1414 hojas de datos técnicos y otros registros de rendimiento, como se enumeran en la tabla complementaria 26. Cuando se conoce el tipo de turbina de gas o motor de combustión interna, la eficiencia termodinámica se puede utilizar directamente, mientras que para las otras unidades, tipo- Las correlaciones específicas y específicas del tamaño se derivan como alternativa (consulte el SI para obtener más detalles). Luego, los datos ambientales (temperaturas y humedad69) y los datos operativos se combinan con las curvas de reducción70,71,72,73 para adaptar las eficiencias a las condiciones locales específicas del sitio.

Los datos de tratamiento de gases de combustión para cada unidad se utilizan cuando se informan31,39,54,55,56,61 y de adiciones manuales con imágenes satelitales como se describió anteriormente39), mientras que los vacíos restantes se llenan con supuestos predeterminados adaptados de un estudio anterior39 y una base de datos de plantas de energía. documentación31. Siempre que sea posible, se utilizan ratios HTP específicos del sitio41,46,65,66,67 en combinación con las páginas de inicio de la empresa. Para las turbinas de gas, los motores de combustión interna y las centrales eléctricas de ciclo combinado, los índices de HTP de la fuente de datos mencionada anteriormente normalmente se encuentran dentro de un rango relativamente estrecho, independiente del tamaño de la unidad, por lo que cualquier brecha en el caso de estas unidades se puede llenar con promedios específicos de la tecnología. , que derivamos de esos datos (0,69 para las centrales eléctricas de ciclo combinado, 1,73 para las turbinas de gas y 1,10 para los motores de combustión interna). Los ratios HTP de las turbinas de vapor varían dentro de un amplio rango (desviación estándar 3,3), ya que el objetivo principal de algunas es la generación de electricidad, mientras que otras suministran principalmente calor. Observamos que esto depende un poco de la capacidad eléctrica de cada unidad. Las unidades con capacidades eléctricas pequeñas tienden a tener relaciones HTP altas y las unidades grandes tienden a tener relaciones HTP pequeñas. Por lo tanto, derivamos una correlación basada en el tamaño de la unidad a partir de un ajuste a los datos de la proporción HTP reportados y la aplicamos a los casos en los que se desconocen las proporciones HTP (como se muestra en el SI). Para garantizar la viabilidad de los resultados, los índices de HTP se verifican con los rangos típicos por tecnología proporcionados por74 y se consideran razonables. También se ha investigado el uso de datos nacionales de HTP por combustible8, pero la calidad de los datos era demasiado baja para su uso (datos en parte técnicamente inviables).

Las propiedades del carbón por unidad generalmente se obtienen de39, mientras que los contenidos promedio de cenizas en China e India se escalan a condiciones más recientes de 2016 (ver el SI para más detalles). Cuando no se disponía de datos a nivel unitario, se utilizan los supuestos predeterminados sobre cenizas y azufre específicos del combustible de 10,11,75, mientras que los valores caloríficos más bajos y los factores de emisión de CO\(_\text {2}\) se obtienen de 76. Se calculan promedios donde se reportan dos combustibles principales. El contenido de azufre de los tipos de petróleo se deriva de los datos de 2016 en el caso del diésel21, mientras que los contenidos de azufre del fueloil pesado y del fueloil ligero se estiman con los contenidos de azufre enumerados en la tabla complementaria S2.

Los datos de generación neta de energía se agregan desde varias bases de datos46,54,55,56,57,59,63. En el caso de lagunas de datos, se calculó a partir de las emisiones anuales de CO\(_\text {2}\), los factores de emisión y las eficiencias eléctricas (como se describió anteriormente39), o bien se aproximaron a partir de las estadísticas nacionales por tipo de combustible y el total operativo correspondiente. capacidades de generación8. Los insumos de combustible se derivan de los datos y eficiencias de generación neta de energía. Emisiones constantes de las centrales eléctricas de PM\(_\text {2.5}\), SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x}\) y NH\(_\text {3} \) luego se calculan con base en los factores de emisión de Nivel 2 por entrada de combustible10 revirtiendo los supuestos de reducción predeterminados utilizados allí y escalando las emisiones de SO\(_\text {2}\) proporcionalmente al contenido de azufre promedio y específico de la planta. El factor de emisión para las emisiones de NO\(_\text {x}\) de las turbinas de gas se utiliza de la referencia75 porque el valor de la referencia10 no coincide con los rangos informados por la empresa20. Las emisiones no disminuidas se reducen secuencialmente con modelos no lineales de tratamiento de gases de combustión para cada paso de tratamiento de gases de combustión derivados de dos fuentes de datos77,78 como se describe en el SI. En ausencia de factores de emisión de deslizamiento de amoníaco para la reducción de SNCR y SCR NO\(_\text {x}\), se asumen valores de 10 ppmvd y 2 ppmvd al 15 % de O\(_\text {2}\), respectivamente (basado en varias fuentes78,79,80). En los casos en los que existe un tratamiento posterior de los gases de combustión húmedos, asumimos que las emisiones de NH\(_\text {3}\) se reducen en un 84%81. Las emisiones reducidas de las centrales eléctricas de ciclo combinado luego pasan de las turbinas de gas o motores de combustión interna a sus generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG) y las turbinas de vapor asociadas en función de la participación en la generación de electricidad de las turbinas de vapor. Las emisiones de gases de combustión de HRSG se reducen aún más en función del tratamiento de los gases de combustión de HRSG. Las emisiones provenientes del encendido auxiliar de HRSG no se agregan al modelo a menos que se informen específicamente en cualquiera de las bases de datos de emisiones mencionadas anteriormente. Las asociaciones de HRSG y turbinas de gas o motores de combustión interna se establecen automáticamente en función de los nombres de las unidades. Las alturas de las chimeneas para las emisiones reducidas resultantes se agregan de la literatura61,82, nuestras propias mediciones basadas en datos de elevación83 y correlaciones de las alturas de las chimeneas informadas, como se describe en la tabla complementaria S2.

La producción de acero cubierta explícitamente por este estudio es la producción primaria de acero con altos hornos, que representa el 74,0% de la producción mundial de acero en 201624. La producción secundaria de acero con hornos de arco eléctrico, por el contrario, representa el 25,5% de la producción mundial de acero24 , pero sus impactos ambientales están influenciados en gran medida por el consumo de electricidad84, por lo que sus impactos sobre la salud están implícitamente cubiertos por la generación de energía fósil. Las capacidades de las acerías se interpolan linealmente para 2016 si solo se conocen las capacidades de otros años. Cuando no se conoce la capacidad (principalmente para algunas plantas chinas), la capacidad se aproxima a partir del número de altos hornos de la acería y la capacidad promedio del alto horno de 1,31 Mt \({a^{-1}}\), la promedio de capacidades conocidas por alto horno. Otros tipos de instalaciones in situ se identifican a partir de imágenes satelitales para cada acería (hornos de coque, plantas de sinterización, plantas de pellets, hornos de cal, hornos de oxígeno básico, hornos de solera abierta). La suposición predeterminada es que existen plantas de sinterización y hornos de oxígeno básico, a menos que se vea lo contrario, ya que este es claramente el caso más común. La utilización de las acerías se calcula luego a partir de las estadísticas nacionales de producción de arrabio24 y de las capacidades específicas de las acerías. Los datos de actividad de los demás equipos in situ se aproximan a partir de las necesidades de insumos por cantidad de producción de arrabio10,84 (detalles en el SI). Luego, las emisiones de cada equipo se calculan de acuerdo con las directrices10,76,85 con adiciones11 en el caso de lagunas en los datos, como las emisiones de PM\(_\text {2.5}\) de los hornos de cal. En el caso de los hornos de coque, hemos identificado si recuperan subproductos con imágenes de satélite. Estos datos son necesarios para determinar el procedimiento de cálculo de las emisiones de los hornos de coque para cada sitio, y la recuperación de subproductos se asumió como un supuesto predeterminado para las imágenes satelitales borrosas. Las emisiones promedio se utilizan en el caso de que los factores de emisión difieran según el tipo de combustible (gas de coquería, gas de alto horno), ya que se desconoce su participación por sitio. El control de emisiones se establece como efectivo o moderno para los países industrializados basándose en límites de emisiones más estrictos, mientras que el control de emisiones se supone moderado o convencional en los países en desarrollo y menos desarrollados. Las alturas de chimenea específicas del sitio para altos hornos, hornos de oxígeno básico, hornos de solera abierta, hornos de coque, plantas de sinterización, plantas de pellets u hornos de cal se utilizan cuando son conocidas82 o pueden medirse con datos externos83, y en caso contrario se derivan de correlaciones basadas en del tamaño de la acería y del país (como se documenta en la tabla complementaria S2).

Las capacidades de los equipos de refinería a finales de 2016 para cada refinería son conocidas35 y se complementan con adiciones y correcciones manuales. La utilización promedio de cada equipo de refinería se aproxima utilizando datos nacionales sobre el procesamiento de petróleo crudo8. La recopilación manual de datos basada en imágenes satelitales y páginas de inicio de empresas agrega datos específicos del sitio sobre el tratamiento de gases de combustión de craqueadores catalíticos fluidos. Los datos sobre las tecnologías de producción de azufre86, así como los de las páginas de inicio de las empresas, se fusionan con la base de datos de la refinería, y el supuesto predeterminado en el caso de lagunas de datos es un proceso Claus de dos etapas. El tratamiento posterior de los gases de cola también se agrega a partir de estas fuentes de datos. Se suman los balances energéticos y las mezclas nacionales de combustibles para el suministro de calor8,87, que luego permiten calcular las emisiones correspondientes10,76,85. Los niveles de azufre en los combustibles se ajustan a los promedios nacionales como en el caso de las centrales eléctricas. Para equipos de refinería con emisiones adicionales además del consumo de combustible (craqueo catalítico fluido, coquización, reformado, producción de azufre, producción de betún, quema en antorcha), se utilizan varias pautas10,11,12,27,88. La reducción de emisiones específica del sitio mediante el tratamiento de gases de combustión se calculó con los datos del cuadro complementario S389. Se agregan mediciones de la cantidad de quema de VIIRS basadas en satélites para 201690,91 por refinería. Cuando se desconocen las cantidades quemadas por refinería específica, utilizamos promedios nacionales por insumo de crudo de cantidades conocidas o promedios para países desarrollados, en desarrollo o menos desarrollados. Las alturas de las chimeneas para el craqueo catalítico de fluidos, las antorchas y otros tipos de equipos son específicas del sitio cuando están directamente disponibles82 o son mensurables83, o bien se aproximan con correlaciones nacionales y globales, como se detalla en la tabla complementaria S2.

El modelo de planta de cemento cubre la producción global de clinker gris a partir de hornos rotatorios, por lo que se ignora la pequeña proporción de la producción de clinker blanco92, mucho más costosa, y la producción de clinker gris en hornos de cuba (alrededor del 2% de la cantidad total de clinker gris28). En el caso de que se desconozca la capacidad de clinker gris de una planta de cemento, se aproxima a partir de su número de hornos rotativos y la capacidad promedio del horno rotatorio de 1,36 Mt \(a^{-1}\) (basado en el promedio de datos de capacidad). Las ubicaciones exactas de las plantas de cemento se identifican a partir de las fuentes de datos mencionadas anteriormente y para las plantas de cemento pequeñas en China (<20% de la capacidad china) automáticamente48. Los datos sobre el tratamiento de gases de combustión específicos del sitio se derivan de imágenes satelitales y páginas de inicio de empresas cuando es posible, y la reducción de NO\(_\text {x}\) por parte de SNCR se establece además como supuesto predeterminado para China y Japón (basado en varias fuentes de datos11, 93,94). Como los hornos rotatorios con precalentador y precalcinador son el tipo dominante a nivel mundial28, esta configuración se utiliza como suposición predeterminada a menos que se identifique una configuración diferente a partir de imágenes satelitales. La utilización del horno se calcula a partir de datos de producción de cemento y clinker28 con llenado de espacios y desglose utilizando datos de producción de cemento nacional de 201692. A partir de las estadísticas nacionales también se suman los correspondientes aportes de combustible por tonelada de clinker y las proporciones de combustible (carbón/biomasa/residuos)28. Las emisiones resultantes de la combustión de combustible (incluida la calcinación) y las emisiones de enfriamiento del clinker (por el arrastre de partículas durante el enfriamiento) se calculan posteriormente de acuerdo con las directrices10,76,85 con adaptaciones para los tipos de tratamiento de gases de combustión y los tipos de hornos11, como se describe con más detalle en el SI. Las emisiones estequiométricas de CO\(_\text {2}\) se agregan en función de las estadísticas nacionales28 y se cotejan con los valores predeterminados globales85. Las intensidades de emisión de SO\(_\text {2}\)84,94 de las plantas nacionales de cemento se utilizan cuando están disponibles, mientras que las intensidades de emisión de NOx por tipo de horno se utilizan de otra fuente de datos11. Las emisiones primarias de PM\(_\text {2.5}\) también se utilizan de11 porque otros datos de la literatura10 no distinguen el enfriamiento del clinker y las emisiones del horno a pesar de chimeneas separadas, diferentes alturas de chimeneas y tipos de tecnologías de tratamiento de gases de combustión en uso. Las emisiones de PM\(_\text {2.5}\) de los refrigeradores se establecen en cero cuando no se identifican chimeneas de refrigeradores en las imágenes satelitales (por ejemplo, en el caso del uso de aire de refrigeración para precalentamiento o refrigeradores planetarios en lugar de los refrigeradores de rejilla móvil más comunes). Las emisiones difusas de PM primarias provenientes del manejo y procesamiento posterior del cemento (por ejemplo, cribado, trituración, molienda) suelen ser entre 1 y 4 órdenes de magnitud más bajas que las de los hornos y, además, carecen de información sobre la participación de PM\(_\text {2.5}\) en11, por lo que están excluidos. Las alturas de las chimeneas son específicas del sitio para los refrigeradores y hornos de clinker donde hay datos de elevación disponibles83 o bien se derivan de correlaciones nacionales y globales basadas en la capacidad, como se describe en la tabla complementaria S2. Los factores de emisión de deslizamiento de amoníaco en el caso de SNCR y SCR de reducción de NO\(_\text {x}\) no están disponibles y, por lo tanto, se supone que son 40 mg Nm\(^{-3}\)95 y 5 mg Nm\ (^{-3}\)96, respectivamente.

Se utiliza un modelo bibliográfico97 para derivar factores de caracterización (FC) específicos del sitio para los impactos primarios y secundarios en la salud de las partículas en suspensión. Los datos de fondo de este modelo (condiciones atmosféricas, población) reflejan las condiciones de 2015 (en contraste con los datos de emisiones de 2016). Desviándose del enfoque original97, el radio de transición de la parte del modelo de alta resolución a la de baja resolución alrededor de cada fuente de emisión se incrementa a 1.000 km (frente a 250 km), ya que se ha observado que, de lo contrario, sólo una parte limitada del total Los impactos en la salud se pueden cubrir para pilas muy altas con una resolución detallada. El modelo se alimenta con ubicaciones de emisión y alturas de chimenea como se describe anteriormente. Las cantidades de emisiones se combinan si ocurren exactamente en el mismo lugar (longitud, latitud y altura). Los cálculos se realizan para 1000 carreras de Monte Carlo alterando aleatoriamente las condiciones atmosféricas, lo que luego permitió derivar mapas de impacto en la salud basados ​​en fuentes de emisión y contaminantes, como se muestra en la Fig. 2. Este enfoque incluye funciones dosis-respuesta globales no lineales para cinco tipos de impactos en la salud humana relacionados con las PM: cardiopatía isquémica, accidente cerebrovascular, cáncer de pulmón, enfermedad pulmonar obstructiva crónica e infecciones de las vías respiratorias inferiores. El modelo incluye además la química atmosférica que puede transformar las emisiones de SO\(_\text {2}\), NO\(_\text {x}\) y NH\(_\text {3}\) en PM secundarias. \(_\texto {2.5}\). Los impactos en la salud de las emisiones de CO\(_\text {2}\) se cuantifican con los factores básicos de caracterización de la salud humana de14 para el CO\(_\text {2}\) fósil y biogénico debido a los largos tiempos de rebrote comunes. de biomasa98. Los potenciales máximos de reducción del impacto en la salud se cuantifican suponiendo la reducción total de todas las emisiones.

Descripciones ampliadas de métodos y resultados adicionales están disponibles en el SI. El código fuente del modelo (R v3.6.0)99 y los datos están disponibles en http://dx.doi.org/10.17632/k2vgcm4bnk.1100. Los datos de emisiones y de impacto en la salud específicos del sitio son totalmente compatibles con los conjuntos de datos de las centrales eléctricas de 31,38,39,68,97. Para solicitudes de datos adicionales, comuníquese directamente con los autores en [email protected].

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Descargar referencias

Agradecemos a Christie Walker por corregir nuestro manuscrito, así como a Jack Hensley, Helen Droz-Georget, Musuizi Lei, Martin Gasser, Dario Müller, Alexandre Waibel, Annika Sager y Daniela Seitz por sus contribuciones a las primeras etapas de este estudio. Además, agradecemos la financiación parcial de Innosuisse y SCCER-Mobility, así como de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF). Esta publicación fue creada como parte de NCCR Catalysis (subvención número 180544), un Centro Nacional de Competencia en Investigación financiado por la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia.

ETH Zurich, Instituto de Ingeniería Ambiental, John-von-Neumann-Weg 9, 8093, Zurich, Suiza

Christopher Oberschelp, Stephan Pfister y Stefanie Hellweg

Centro Nacional de Competencia en Investigación (NCCR) Catálisis, ETH Zürich, 8093, Zurich, Suiza

Christopher Oberschelp y Stefanie Hellweg

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CO, SP y SH diseñaron la investigación; CO recopiló los datos e hizo el modelado con contribuciones de SP; CO y SP interpretaron los resultados; CO escribió el artículo con aportes de SP y SH.

Correspondencia a Christopher Oberschelp.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Oberschelp, C., Pfister, S. & Hellweg, S. Impactos globales en la salud de sitios específicos de la energía fósil, acerías, refinerías de petróleo y plantas de cemento. Representante científico 13, 13708 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38075-z

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Recibido: 02 de septiembre de 2022

Aceptado: 02 de julio de 2023

Publicado: 22 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38075-z

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