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1 Introducción
En el año 2021, se registró un aumento de 1,9 Gt en las emisiones de CO2 relacionadas con la energía e industria, alcanzando un total de 36,6 Gt a nivel global, marcando un récord. En el contexto de Bolivia en 2022, las centrales hidroeléctricas jugaron un papel esencial al generar alrededor de 2.847,73 GWh, representando el 26,88% de la matriz energética del país (AETN, 2023).
No obstante, esta fuente de energía se ubica en áreas de alta biodiversidad y fragilidad ambiental, lo que ha llevado al desarrollo del proyecto MIBIO (Monitoreo Integral de la Biodiversidad ante el impacto de Megaproyectos Hidroeléctricos) hace cuatro años. Este proyecto busca incorporar la biodiversidad en la evaluación de impacto ambiental de estos proyectos.
Este proyecto busca incorporar la biodiversidad en la evaluación de impacto ambiental de estos proyectos, reconociendo que los embalses, que son un componente crucial de las centrales hidroeléctricas, son un sistema acuático antropogénico con un impacto substancial en el ciclo global del agua (Barros et al., 2011). Estudios han identificado a los embalses como una fuente importante de dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4) a la atmósfera (Abril et al., 2005;Rudd et al., 1993;Tremblay et al., 2004;Fearnside, 2002)
Hace más de dos décadas, han persistido debates acerca de la neutralidad de carbono de los embalses hidroeléctricos (Prairie et al., 2018). Por un lado, algunos argumentan que los reservorios hidroeléctricos representan una fuente de energía renovable limpia y sostenible. No obstante, esta perspectiva se encuentra en contraposición a la opinión de otros autores, quienes sostienen que los reservorios emiten cantidades significativas de GEI, en particular, el metano, un gas que tiene un impacto ambiental mucho mayor que el dióxido de carbono (Abril et al., 2005;Chanudet et al., 2011).
La generación de GEI proviene de la descomposición de la materia orgánica e inorgánica que se encuentra inundada, afectando tanto al ecosistema terrestre como acuático dentro del embalse. Estas emisiones se dividen en una fracción que se libera a la atmósfera, otra que se acumula en los sedimentos y una tercera que puede ser transportada aguas abajo (Abril et al., 2005;Barros et al., 2011).
La literatura indica que los embalses poco profundos y situados en zonas tropicales emiten cantidades significativas de gases de efecto invernadero, como el dióxido de carbono y el metano. Las emisiones de metano son especialmente preocupantes en términos de cambio climático debido a que el CH4 tiene un potencial de calentamiento global 34 veces mayor que el CO2 (Gunkel, 2009) en un horizonte de tiempo de 100 años, este factor sube a 84 si consideramos un periodo de permanencia en la atmósfera de 20 años. Por ello, las emisiones de GEI en términos de CO2 equivalente de una represa hidroeléctrica dependen en gran medida de la forma en que la materia orgánica se degrada, la cantidad de Metano que se emite y el momento y la forma en que se emite el Metano.
Las estimaciones realizadas de emisiones de GEI de reservorios a escala global tienen una amplia variación en los resultados. Estas variaciones son resultado de la complejidad de los ciclos biogeoquímicos de un embalse (Deemer et al., 2016). Estimar las emisiones solo con el uso de algunas variables, no es suficiente para explicar la variabilidad de las emisiones de GEI para un embalse (Goldenfum, 2012). Similarmente, los modelos y metodologías utilizadas en las investigaciones son limitadas para cuantificar las nuevas emisiones de GEI y el nuevo potencial como sumideros después de la inundación, una situación que llevó a varias discusiones entre diferentes autores (Prairie et al., 2018).
La estimación precisa de estas emisiones biogénicas requiere mediciones confiables de dióxido de carbono, metano y óxido nitroso (N2O) en embalses, a lo largo del tiempo y el espacio, dado que la interacción es altamente compleja. Diversos factores, como las diferencias en la cobertura terrestre, la variabilidad entre sistemas terrestres y acuáticos, y la influencia del carbono orgánico contenido en el suelo y el bosque, complican la cuantificación precisa de la fracción de emisiones de CO2 y CH4 que proviene de esta fuente. Además, los cambios en la dinámica de degradación de la materia orgánica natural y la descomposición de la vegetación emergente también impactan en estas emisiones, en particular si la degradación es aerobia o anaerobia (Prairie et al., 2018).
Un factor relevante en estas emisiones es el tiempo de residencia del agua debido al embalsamiento del río. Cuanto mayor es este tiempo de residencia, mayor es la cantidad de carbono orgánico disuelto que se mineraliza dentro del embalse y se libera como CO2. A esto se suma la influencia de la temperatura y las características del carbono en el reservorio, lo que puede modificar las tasas de mineralización. Es importante destacar que estas emisiones, aunque están relacionadas con el embalse, podrían haber ocurrido río abajo de todas formas, lo que plantea la cuestión de si deben considerarse como emisiones del embalse en sí (Prairie et al., 2018).
Uno de los primeros estudios sobre las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) por unidad de energía en embalses hidroeléctricos fue realizado por Rudd et al., (1993). Además, han demostrado que esta relación también puede ser importante para determinar la magnitud de las emisiones de gases de efecto invernadero. Dependiendo de la magnitud de las inundaciones y otras características físicas, químicas y biológicas, algunos embalses pueden ser importantes emisores de gases de efecto invernadero.
En un estudio llevado a cabo por Demarty & Bastien, (2011), se encontraron niveles de intensidad de emisiones de GEI muy altos para centrales hidroeléctricas Amazónicas, tales como 1.368 g CO2eq kWh-1 en Tucuruí, a los 5 años después de la inundación, 1.308 g CO2eq kWh- 1en Petit Saut 2.167 g CO2eq kWh-1 en Samuel, 473 g CO2eq kWh-1 en Tucuruí a los 11 años después de la inundación, 3.641 g CO2eq kWh-1 en Barra Bonita, 1075 g CO2eq kWh-1 en Tres Marías, 2.222 g CO2eq kWh-1 en Balbina. Estos valores se contrastan significativamente con el factor de emisión de una central termoeléctrica, que emite 490 g CO2eq kWh-1, es decir son valores superiores.
Un análisis de la huella de carbono biogénica de 1.473 embalses hidroeléctricos en 104 países, bajo el supuesto de que las emisiones antes de las inundaciones son insignificantes y no cambian significativamente la huella neta, encontró que la huella de carbono de la energía hidroeléctrica es de 173 g CO2 y 2,95 g CH4 kWh-1 de electricidad producida y dando como resultado una huella de carbono de 273 g CO2eq kWh-1 cuando se utiliza un factor de equivalencia de 33,8 para el CH4 en un horizonte temporal de 100 años (Scherer & Pfister, 2016).
Almeida et al., (2019) evaluó las intensidades de carbono en 351 represas hidroeléctricas propuestas y 158 ya existentes en la región amazónica. Los resultados encontraron que las intensidades de carbono de las represas en tierras altas del Amazonas emiten aproximadamente 39 gCO2eq kWh-1 en un tiempo de vida de 100 años, mientras que las represas en tierras bajas Amazónicas emiten 133 gCO2eq kWh-1 que pueden exceder la intensidad de carbono de plantas termoeléctricas.
Asimismo, un reciente estudio realizado por Ubierna, et, al (2022) cuantificó las emisiones de gases de efecto invernadero durante el ciclo de vida promedio global de la energía hidroeléctrica en 23 g CO2eq kW-1 utilizando la herramienta G-res tras evaluar la emisión neta de 480 proyectos de almacenamiento de energía hidroeléctrica.
Las estimaciones de Almeida et al., (2019) se basaron en el escenario de desarrollo sostenible establecido en el Informe Mundial de Energía 2017 de la Agencia Internacional de Energía (AIE), considerando una intensidad de carbono de referencia de 80 g CO2eqkWh-1, para una generación de electricidad sostenible. Este valor se alinea con los objetivos establecidos en la Agenda 2030 de las Naciones Unidas para el Desarrollo Sostenible, que busca reducir la intensidad de carbono del sector eléctrico global de 500 g CO2eq kWh-1 en 2017 a 80 g CO2eq kWh-1 en 2040. Sin embargo, el informe del IEA (2022) estima que la intensidad de emisiones alcanzará los 325 g CO2eq kWh-1 hasta 2030, luego descenderá a 158 g CO2eq kWh-1 en 2050.
Las represas situadas en tierras bajas tienden a presentar intensidades de carbono significativamente superiores debido a la extensión de sus embalses y a sus menores densidades de energía. Por otro lado, las represas en zonas de gran altitud tienden a mostrar menores intensidades de carbono. Esto explica por qué las represas amazónicas con alta intensidad emisiones de GEI se localizan en Brasil, mientras que las de menor intensidad se ubican en regiones montañosas de Bolivia, Ecuador y Perú. Las represas en tierras bajas generan reservorios enriquecidos en nutrientes, como fósforo y nitrógeno, lo que incrementa la producción primaria acuática y, en consecuencia, las emisiones de GEI, contribuyendo a aumentar su intensidad de carbono (Almeida et al., 2019)
La construcción de represas sin coordinación a nivel de toda la cuenca ha llevado a una cartera actual de represas en el Amazonas con una intensidad de carbono colectiva de aproximadamente 200 g CO2eq kWh-1 (horizonte temporal de 20 años) y 90 g CO2eq kWh-1 (100 años en horizonte temporal) (Almeida et al., 2019).
A pesar de los avances recientes en la literatura sobre el balance de GEI en embalses, la predicción del balance de GEI en embalses futuros sigue siendo un desafío debido a la complejidad en la representación de los procesos biogeoquímicos que ocurren cada embalse, así como a la variabilidad espacial y temporal (Almeida et al., 2019). Los modelos desarrollados estiman emisiones globales en función a promedios de valores medidos por región climática o geográfica y son extrapolados a todo el mundo. Además, solamente han evaluado los flujos de GEI de la superficie del embalse y pocos estudios han cuantificado la huella neta de carbono de reservorios individuales (Prairie et al., 2021). Es decir, huella neta de carbono es la estimación y cuantificación del balance de GEI del paisaje antes y después de la inundación por la construcción del embalse hidroeléctrico.
El modelo robusto de regresión múltiple desarrollado por (Barros, et al., 2011) ha estimado las emisiones de CO2 y CH4 en función a la edad y la latitud del embalse. La ecuación para calcular las emisiones de CO2 se relaciona con la edad, latitud y la concentración de carbono orgánico disuelto como variables independientes, mientras que la ecuación para estimar las emisiones de CH4 depende de factores como la precipitación, la cantidad de carbono orgánico y la latitud. Los resultados obtenidos por (Barros, et al., 2011) revelaron que las emisiones en embalses hidroeléctricos ascendían a 192 Tg de CO2 año-1 y 4 Tg año-1 de CH4. Además, el modelo no tomó en cuenta la pérdida del potencial sumidero de carbono en la zona inundada que se convirtió en el embalse, por lo que las emisiones netas reales debido al embalse están actualmente sistemáticamente subestimadas. Los embalses hidroeléctricos también experimentan sedimentación y, por lo tanto, pueden acumular grandes cantidades de carbono secuestrado en los sedimentos, lo que compensaría las emisiones de GEI, a menos que esa materia orgánica se degrade de manera anaerobia produciendo CH4.
Asimismo, (Hertwich, 2013) complementó el conjunto de datos con información sobre electricidad y la producción potencial neta primaria del área como variable adicional para llevar a cabo una estimación similar a Barros (Scherer & Pfister, 2016). Los resultados encontrados son 2,5 veces mayores que los estimados por Barros, et al., (2011). Además, estimó que, para una producción total de energía hidroeléctrica de 3,288 TWh en el año 2009, las emisiones directas promedio de los embalses hidroeléctricos ascienden a 3 g CH4 kWh-1.
Para abordar esta complejidad, Prairie et al., (2021) desarrollaron una herramienta llamada G-res, la cual ha estado disponible para su uso desde 2017. G-res es un modelo empírico estadístico sólido que describe las principales fuentes de producción de GEI en un embalse, incluyendo las emisiones difusas de CH4 y CO2, las emisiones de CH4 debido a burbujeo desde la superficie del embalse, y las emisiones resultantes de la desgasificación de CH4 aguas abajo del embalse. Esta herramienta ha sido fundamental para evaluar la huella neta de carbono de embalses en todo el mundo y tomar decisiones más informadas en la planificación y construcción de proyectos hidroeléctricos. Además, la herramienta G-res compara las emisiones de GEI obtenidas con otras emisiones de embalses del mismo tipo de la misma zona climática.
El estudio realizado en el embalse multipropósito Stanca- Costesti por (Ion & Ene, 2021) indica que los modelos desarrollados por Scherer, Barros y Villela se limitan a calcular las emisiones de CO2 y CH4, mientras que la herramienta G-res es la única que puede estimar las emisiones netas de gases de efecto invernadero (GEI). Además, G-res es el único modelo que permite estimar las emisiones de GEI asociadas con cada uso del embalse, especialmente en el caso de embalses multipropósito. La utilización de la herramienta G-res para calcular las emisiones de GEI del embalse multipropósito Stanca- Costesti reveló que este actúa como un sumidero de GEI, con una emisión neta de -5 g CO2eq m-2 año-1, sin tener en cuenta las emisiones derivadas de la construcción de la presa.
En el presente artículo, se han evaluado las emisiones de gases de efecto invernadero en tres proyectos hidroeléctricos ubicados en diferentes contextos biogeográficos. El proyecto hidroeléctrico Ivirizu se encuentra en una zona caracterizada por una densa cobertura forestal y temperaturas elevadas; mientras que el proyecto Miguilas se sitúa en una zona templada, y el área que será inundada corresponde a un bofedal. Por último, el proyecto Multipropósito Misicuni se desarrolla en un entorno de clima frío de montaña, donde predominan los pajonales y los cultivos.
2 Marco Teórico
2.1 Emisiones de biogénicas de GEI desde embalses Hidroeléctricos
La dinámica de emisiones biogénicas de GEI es bastante compleja y existen varios factores y mecanismos que intervienen en el proceso. Los principales factores son: ubicación del embalse, latitud, edad, clima, temperatura, tipo de vegetación, la cantidad de carbono almacenado en los suelos, profundidad, tiempo de residencia del agua, profundidad y las estructuras de toma de agua.
La inundación, provoca una alteración del ciclo del carbono, convirtiendo cada componente inundado en una posible fuente de emisiones o de acumulación de GEI. Estos embalses también funcionan como lugares activos para el procesamiento y transporte de carbono en sus diversas formas, ya sean fracciones disueltas o particuladas de origen orgánico o inorgánico (Prairie et al., 2018).
Además, es importante señalar que los embalses pueden desempeñar roles tanto como sumideros como fuentes de GEI en diferentes latitudes. El proceso principal que contribuye a estas emisiones elevadas de GEI en embalses recién creados es la descomposición de la vegetación y la materia orgánica del suelo, como hojas, ramas, troncos y hojarasca, en la zona de inundación. Durante este proceso, los embalses pueden liberar una parte de los GEI a la atmósfera, mientras que otra fracción se acumula en los sedimentos y el resto puede ser transportado aguas abajo (Abril et al., 2005;Barros et al., 2011).
En la fase inicial de degradación, que coincide con la inundación, se registran tasas elevadas de actividad microbiana y producción de GEI (Teodoru et al., 2012) . Además, los sedimentos y el agua en el fondo del embalse a menudo carecen de oxígeno, especialmente en regiones tropicales, lo que contribuye a la producción de Metano. Los aportes continuos de materia orgánica procedente de los afluentes del río, la producción de algas y el crecimiento de la vegetación emergente en las áreas temporalmente inundadas pueden llegar a constituir la principal fuente de carbono orgánico a medida que el embalse envejece (Fearnside, 2002).
A lo largo del proceso de maduración del embalse, la producción tiende a disminuir exponencialmente en las etapas iniciales, con el tiempo las emisiones se estabilizan de acuerdo con las características específicas del embalse. Este decrecimiento es más pronunciado en climas templados que en climas cálidos. Este patrón refleja la rápida degradación de la fracción lábil de la materia orgánica inundada, seguida de una disminución gradual en la cantidad y biodisponibilidad de la materia orgánica que permanece en los fondos del embalse. En embalses antiguos, los aportes de carbono de la cuenca tributaria, la entrada fluvial y la producción primaria acuática, adquieren importancia en el proceso de descomposición dentro del embalse y sus emisiones de GEI (Abril et al., 2005).
Los mecanismos que intervienen en la liberación de los GEI desde embalse a la atmósfera son; las emisiones por difusión, ebullición y desgasificación. Las emisiones por difusión surgen de la difusión molecular a través de la interfaz aire-agua, y es la mayor vía de las emisiones de CO2, en cambio las emisiones por difusión de CH4 es lenta y puede ser parcialmente bio-oxidado en la columna de agua del embalse (Goldenfum, 2012). Las emisiones por ebullición son los gases que provienen del sedimento a través de la columna de agua, es una fuente minoritaria de emisiones de CO2, pero pueden ser una fuente relevante de emisiones de CH4 (Goldenfum, 2012). Por último, las emisiones por desgasificación son resultado de un cambio de presión hidrostática luego que el agua del embalse fluye por las turbinas o vertederos, y emite altas cantidades de CH4 y en menor proporción CO2 que se encontraban secuestrados en los sedimentos (Rosa et al., 2016).
2.2 Emisiones Netas de GEI en embalses
Las emisiones netas de GEI representan el cambio en las emisiones de gases de efecto invernadero debido a la creación del embalse. Las emisiones netas no pueden ser medidas de forma directa, los resultados medidos en campo son considerados emisiones brutas, incluyendo los efectos de fuentes naturales y antropogénicas no relacionadas, tanto antes y después de la inundación (Goldenfum et al., 2010).
Los valores son calculados por una estimación de las emisiones brutas en el área afectada (ecosistema terrestre y acuático) comparando con valores con las condiciones antes y después de la inundación (Del Sontro et al., 2010), es necesario excluir las fuentes antropogénicas no relacionadas porque (Prairie et al., 2021) encontró una evidencia fuerte de que las actividades antropogénicas contribuyen al crecimiento de las emisiones de GEI en el embalse, mostrando la importancia de evaluar la cantidad y la fuente de carbono y nutrientes que entran al embalse (Prairie et al., 2021).
En cuanto a Prairie et al., (2021), la huella neta de GEI es la suma de los cuatro componentes diferentes de emisión del total de emisiones posteriores al embalse, de las cuales se pueden restar las emisiones previas al embalse para obtener una estimación de la huella neta de GEI.
2.3 Emisiones en Embalses Hidroeléctricos Tropicales
Las variaciones de las emisiones de GEI de los embalses en zonas tropicales pueden ser causadas por; el carbono existente en el cuerpo de agua, los nutrientes provenientes de la cuenca, temperatura, concentración de oxígeno en el agua, tipo y densidad de la vegetación, flora y fauna acuática, tiempo de residencia, velocidad del viento, estructura del cuerpo de agua, topografía del reservorio y nivel del agua (Goldenfum et al., 2010).
Los embalses en regiones tropicales se destacan por recibir una mayor cantidad de materia orgánica particulada procedente del entorno circundante, lo que resulta en una acumulación significativa de sedimentos. Esta acumulación favorece la emisión de metano en comparación con el dióxido de carbono (Palau & Prieto, 2009). Además, estos embalses experimentan una estratificación térmica constante a lo largo del año, lo que crea gradientes de temperatura, variaciones en el oxígeno disuelto y densidad en el agua. Esto limita la capacidad de oxigenación de las aguas debido a la reducción de la solubilidad del oxígeno a temperaturas más altas, lo que, a su vez, favorece la actividad microbiana y la producción de CO2 y CH4 (Tremblay et al., 2005).
Las emisiones de carbono en forma de CO2 pueden originarse en dos tipos de fuentes: fuentes fijas que producen una emisión única, como los árboles que mueren debido a la inundación del embalse y las reservas de carbono en el suelo, y fuentes renovables, como el carbono que se retira de la atmósfera a través de la fotosíntesis realizada por plantas acuáticas, fitoplancton o algas en el embalse, árboles en la cuenca que generan material orgánico que es llevado al embalse por el agua de lluvia, o vegetación en la zona expuesta cuando se baja el nivel del agua en el embalse (Fearnside & Pueyo, 2012).
El CO2 de las fuentes fijas contribuye al calentamiento global, especialmente la descomposición de los árboles muertos que quedan fuera del agua en embalses amazónicos. Por otro lado, el CO2 de las fuentes renovables no es una emisión neta, ya que se equilibra con el carbono eliminado de la atmósfera cuando se forma la biomasa, a menos que este carbono se emita en forma de CH4 luego de una biodegradación anaerobia (Fearnside & Pueyo, 2012).
El embalse actúa como una "fábrica de metano", retirando constantemente carbono de la atmósfera como CO2 y liberándolo como CH4, con un impacto significativo en el calentamiento global. El metano se forma cuando la materia orgánica se descompone en condiciones anaerobias, como en los sedimentos en el fondo del embalse. Esto también sucede con la vegetación que crece en la zona expuesta de la rivera del embalse, cuando baja el nivel del agua, y luego se descompone cuando sube el nivel del agua en condiciones anaerobias, liberando metano (Fearnside & Pueyo, 2012).
Para contextualizar estas observaciones, se puede tomar como referencia el embalse hidroeléctrico Balbina en la Amazonia, considerado uno de los embalses tropicales más grandes de América del Sur. A pesar de su capacidad de generar una gran cantidad de gases de efecto invernadero, su retorno energético es relativamente pequeño. Según mediciones, las emisiones anuales de CH4 y CO2, tanto aguas arriba como aguas abajo, fueron de 73 y 2.531 Gg CO2eq año-1, respectivamente, contribuyendo significativamente a la emisión total de GEI. Su intensidad de emisión, considerando su potencia nominal, fue de 2.900 g CO2eq kW-1 (Kemenes et al., 2011).
Además, Kemenes et al., (2011) estimó que las emisiones por desgasificación en la salida de la turbina de la represa Balbina representó el 51% de las emisiones anuales totales debajo de la presa Balbina, significativamente mayor que la pérdida proporcional atribuida a la desgasificaciónn 18% en la presa Petit Saut. Este valor en Balbina se debe a que, de la parte hipolimnética, fluyen las aguas directamente hacia la toma de la turbina. Además, la toma de la turbina en la presa de Balbina tiene 30 m, aproximadamente el doble de profundidad que la de la presa de Petit Saut de 16 m, por lo que la presión hidrostática es considerada mayor en Balbina.
2.4 Emisiones de Embalse Hidroeléctricos Templados y Boreales
En contraste a los embalses en zonas tropicales, los embalses en regiones templadas y boreales tienden a exhibir emisiones de gases de efecto invernadero más bajas. Durante la fase inicial de inundación, estos embalses no muestran estratificación del cuerpo de agua, y la materia orgánica se descompone principalmente a través de procesos aeróbicos. A medida que disminuye el oxígeno disuelto y persiste una alta carga de materia orgánica, pueden surgir condiciones anaeróbicas que promueven la producción de CH4. La maduración de estos embalses es más rápida, aproximadamente en unos 10 años, en comparación con los embalses tropicales. Después de la primera inundación, las emisiones de CO2 y CH4 disminuyen significativamente (Palau & Prieto, 2009).
La edad de un embalse es un factor crucial en las emisiones de gases de efecto invernadero. Los embalses más jóvenes requieren un monitoreo más constante durante los primeros años después de la inundación para observar cambios en las tasas de emisiones y almacenamiento de carbono (Goldenfum et al., 2010). Con las tendencias del cambio climático, los embalses van a tender hacia condiciones crecientes de eutrofización, con menos volumen de agua, menor reserva de oxígeno disuelto en el hipolimnium y mayor tendencia a la eutrofización, estas condiciones favorecen las emisiones de Metano en los embalses (Palau & Prieto, 2009).
Las emisiones de gases de efecto invernadero en los embalses también varían estacionalmente. En climas fríos, los gases quedan atrapados bajo el hielo durante el invierno, liberándose en grandes cantidades durante la primavera. En verano, las emisiones de CO2 superan a las de CH4 debido a la estratificación térmica del agua embalsada (Tremblay et al., 2005).
2.5 Metodologías para la Estimación de GEI
El enfoque más actual para estimar las emisiones procedentes de embalses implica calcular la emisión neta acumulada a lo largo de un período de 100 años, que se considera una aproximación sólida a la vida útil típica de estos proyectos (Levasseur et al., 2021).
2.5.1 Modelo desarrollado para calcular emisiones de CO2 y CH4 por IPCC
EL Panel Intergubernamental de Cambio Climático (IPCC) define una metodología por niveles para calcular las emisiones de CO2 y CH4 de embalses hidroeléctricos
Nivel 1 de estimación
En el nivel 1 se utiliza factores de emisión por defecto y datos agregados para calcular las emisiones de CO2 provenientes de embalses hidroeléctricos. La única vía de emisión considerada en este nivel es la difusión durante el período sin hielo. Se supone que las emisiones de CO2 son nulas durante el período cubierto de hielo. Las emisiones de CO2 se limitan a los primeros 10 años después de la inundación, y provienen principalmente de la descomposición de la materia orgánica y se representa con la ec. 2.
Donde:
CO2: total de las emisiones de CO2 provenientes de las tierras convertidas en tierras inundadas (GgCO2 año-1)
P: cantidad de días sin cobertura de hielos durante un año, días año-1
E (CO2)dif: promedio diario de las emisiones difusoras (kgCO2 ha-1 día-1)
A: área total de la superficie del reservorio, incluidas las tierras inundadas, los lagos y ríos (ha)
fA: fracción del área total del reservorio que se ha inundado en los últimos 10 años
Asimismo, la ec. 3 para estimar las emisiones de metano provenientes de las tierras inundadas se incluyen sólo las emisiones difusoras durante el periodo libre de hielos. Las emisiones producidas durante el periodo cubierto de hielos se suponen nulas.
Donde:
CH4: total de las emisiones de CH4 provenientes de las tierras inundadas (GgCH4 año-1)
P: periodo libre de hielos (días año-1)
E(CH4)dif: promedio diario de las emisiones difusoras (kgCH4 ha-1 día -1)
A: área total de la superficie inunda, incluidas las tierras inundadas (ha)
Nivel 2 de estimación
Este nivel utiliza factores de emisión específicos del país para estimar las emisiones difusoras de CO2 y CH4. Se consideran los períodos sin hielo y los períodos con hielo. La Ec. 4 se utiliza para estimar las emisiones de CO2.
Donde
Emisiones de CO2 inundación: total de las emisiones de CO2 provenientes de las tierras convertidas en tierras inundadas (Gg de CO2 año-1)
Pf: periodo libre de hielos, días año-1
Pi: periodo cubierto de hielos, días año-1
Ef(CO2)dif: promedio diario de las emisiones difusoras provenientes de la interfaz aire-agua durante el periodo libre de hielos (kg CO2 ha-1 día-1)
Ei(CO2)dif: emisiones difusoras relacionadas con el periodo cubierto de hielos (kg CO2 ha-1 día-1)
A: área total de la superficie del reservorio, incluidas las tierras inundadas, los lagos y ríos (ha)
fA: fracción del área total del reservorio que se ha inundado en los últimos 10 años, adimensional
La ec. 5 para las emisiones de CH4 es similar y considera las emisiones difusoras y las emisiones por burbujas.
Donde:
CH4: total de las emisiones de CH4 provenientes de las tierras inundadas por año (kg CH4 año-1)
Pf: periodo libre de hielos, días año-1
Pi: periodo cubierto de hielos, días año-1
Ef (CH4)dif: promedio diario de las emisiones difusoras provenientes de la interfaz aire-agua durante el periodo libre de hielos (kg CH4 ha-1 día-1)
Ef (CH4)burbuja: promedio diario de las emisiones por burbujas provenientes de la interfaz aire-agua durante el periodo libre de hielos (kg CH4 ha-1 día-1)
Ei(CH4)dif:emisiones difusoras relacionadas con el periodo cubierto de hielos (kgCH4 ha-1 día-1)
Ei(CH4)burbuja: emisiones por burbujas relacionadas con el periodo cubierto de hielos (kg CH4 ha-1 día-1)
Nivel 3 de Estimación
En este nivel, se realizan mediciones detalladas y se consideran todas las fuentes de emisión relevantes, incluidas las emisiones de desgasificación. La estimación es exhaustiva y toma en cuenta factores adicionales, como la profundidad, ubicación geográfica y temperatura del agua en el embalse. Los factores de emisión se desagregan para reflejar la variabilidad temporal y espacial. Se divide entre las emisiones de CO2 y CH4 degradadas de la materia orgánica inundada y de la cuenca hidrográfica.
Los principales valores por defecto son los factores de emisión del CH4 y CO2 a través de la vía de la difusión como se aprecian en la Tabla 1 y Tabla 2, son necesarios para implementar el método de Nivel 1. Se obtienen a partir de datos de las emisiones medidas para varias zonas climáticas. Para el Nivel 1 deben usarse sólo los factores de emisión por defecto para el periodo libre de hielos. Las emisiones de CH4 y CO2 producidas durante el periodo cubierto de hielos se suponen nulas.
En resumen, estos niveles de estimación proporcionan diferentes niveles de detalle y precisión para calcular las emisiones de CO2 y CH4 en embalses hidroeléctricos, considerando diversos factores como el clima, la ubicación y la gestión del embalse. El nivel 3 es el más detallado y preciso al tomar en cuenta todas las fuentes de emisión y condiciones específicas del sitio.
2.5.2 Modelo desarrollado para calcular emisiones de GEI de embalses hidroeléctricos en función a edad y latitud por Barros et al.,2011
El estudio desarrolló un modelo que permite calcular las emisiones de GEI en embalses hidroeléctricos, teniendo en cuenta su edad y ubicación geográfica. Hace dos décadas, estimaciones sugerían que las emisiones de GEI de las hidroeléctricas ascendían a 321 Tg CO2eq año-1.
El estudio de Barros et al., (2011) se enfocó en evaluar las emisiones globales de CO2 y CH4 de embalses hidroeléctricos utilizando datos de 85 embalses ubicados entre 68°N y 25°S de latitud. Se recopilaron 141 estimaciones de emisiones de CO2 y 89 estimaciones de emisiones de CH4. Los resultados indicaron que todos los embalses eran fuentes de metano hacia la atmósfera, y el 88% también emitía dióxido de carbono. Solo el 12% de los embalses actuaba como sumideros netos de CO2, y estos sumideros tenían una contribución modesta, menor a 500 mg CO2 m-2 d-1 generalmente.
Las emisiones de CO2 y CH4 por área de los embalses mostraron una correlación negativa con la edad del embalse y la latitud. Esta tendencia concordó con evaluaciones previas sobre las emisiones de embalses hidroeléctricos (St. Louis et al., 2000) y Barros et al.,(2011) estableció una relación empírica que vincula las emisiones de CO2 y CH4 con la edad y la latitud, observando tasas de emisión más altas cerca de los trópicos y tasas más bajas en latitudes más bajas.
Ecuación para emisión de CO2
Las ecuaciones utilizadas para estimar las emisiones de CO2 y CH4 se basaron en múltiples factores, incluyendo la edad del embalse, la latitud y la concentración de carbono orgánico disuelto. La ec. 6 representa a los flujos de CO2 y la ec. 7 estima los flujos de CH4.
Donde:
Flujo CO2: Las emisiones de CO2 (mg C m2 d-1)
Edad: Es la edad del reservorio (años)
COD: Cantidad de carbono orgánico disuelto (mg C m2 d-1)
Ecuación para emisión de CH4
Las emisiones de CH4 varían en función de la edad del reservorio, profundidad media, contenido de carbono orgánico disuelto y latitud, según la siguiente ec. 7 (R2 = 0,53; gl=89; p<0,001).
Donde:
Flujo CH4: Emisiones de CH4 (mg CO2 m2 d-1)
Edad: (años)
pm: profundidad media del reservorio (m)
La investigación de Barros revela que, en los embalses hidroeléctricos, la proporción de CH4 a CO2 en las emisiones es mayor que en los lagos naturales. En promedio, los embalses liberan un 7% de carbono en forma de CH4, mientras que en los lagos naturales esta proporción es inferior al 4%. En términos de emisiones de CH4 por unidad de superficie, los embalses hidroeléctricos tienden a mostrar una proporción mayor que los lagos naturales. Esto se debe a la mayor producción de metano alimentada por los depósitos de carbono en los suelos inundados y la biomasa. Además, los embalses hidroeléctricos suelen retener la materia orgánica de los ríos y cuencas tributarias, lo que provoca condiciones anóxicas en las capas profundas del embalse, fomentando la producción de metano.
Es importante destacar que al considerar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de los embalses y los lagos, se debe tener en cuenta que las emisiones de los lagos no constituyen una nueva fuente de CO2 para la atmósfera. Sin embargo, al menos una parte de los flujos de los embalses contribuye a las emisiones de CO2, ya que las áreas terrestres inundadas suelen actuar como sumideros de carbono.
Además, la latitud desempeña un papel en las emisiones, posiblemente debido a las diferencias en la temperatura del agua. Se observa una correlación positiva entre las entradas de carbono disuelto y las emisiones tanto de CO2 como de CH4, ya que el carbono disuelto sirve como sustrato para la respiración microbiana y la producción de metano.
En cuanto a las emisiones de metano por área, se correlacionan negativamente con la profundidad del embalse, lo que sugiere que el metano se produce en los sedimentos, el metano producido en estas zonas tiene más tiempo para oxidarse en los embalses más profundos antes de ser emitido a la atmósfera como CO2. Los modelos de regresión múltiple muestran que la edad del embalse es un factor importante en las emisiones de carbono, siendo especialmente relevante en embalses jóvenes (menos de 15 años). Algunas excepciones incluyen embalses eutróficos, que actúan como sumideros de CO2, independientemente de su edad o latitud. Este fenómeno se debe a que, en estos casos, la fotosíntesis supera la respiración de carbono orgánico, reduciendo las emisiones de CO2 (Barros et al., 2011).
2.5.3 Modelo Hertwicht
El modelo de (Hertwich, 2013) ha ampliado la base de datos de (Barros et al., 2011), al incluir datos sobre la generación de electricidad y la productividad primaria neta potencial del área como variables adicionales, realizando un análisis exhaustivo de estos conjuntos de datos. Los resultados muestran que la mejor predicción del factor de emisión (g CH4 kWh-1) se obtiene al incorporar los logaritmos de las categorías de uso de suelo, la productividad neta primaria (PPN), y la edad del embalse como variables lineales en el modelo como se expresan en la ec. 8. Asimismo, en la Tabla 3 se expresan los coeficientes de regresión y los parámetros estadísticos para la regresión de las emisiones de CO2 y CH4 por energía producida.
En este estudio, también se han estimado las emisiones de CO2 y CH4 de los embalses a nivel global. En la Tabla 4, podemos apreciar los resultados encontrados para las emisiones generadas por los embalses, que corresponden a una generación de 3,288 TWh en 2009.
Tabla 4. Emisiones de CO2 y CH4 de embalses a nivel global por zona climática. Fuente: (Hertwich, 201 3).
Sin embargo, (Hertwich, 2013) indica que la incertidumbre en la estimación biogénicas de un embalse se debe en gran medida a la notable variabilidad en las tasas de emisiones de los embalses individuales a lo largo del tiempo y en diferentes lugares, así como a las diferencias observadas entre los embalses. Esto se complica aún más por el hecho de que en muchos casos, las mediciones se centran en las emisiones totales en lugar de las emisiones netas, y a menudo se pasan por alto fuentes importantes de emisiones de metano, como las emisiones aguas abajo y la liberación de burbujas.
2.5.4 Estimación de la Intensidad de Emisiones por Almeida et al., 2019
(Almeida et al., 2019) realizaron una estimación de la intensidad de carbono para las represas amazónicas, tanto existentes como proyectadas hasta el año 2017. Para ello, combinaron datos específicos de cada proyecto, como el área inundada y la capacidad instalada, de nuestra base de datos de represas amazónicas, junto con estimaciones de flujos publicadas que abarcaban 48 de CO2 y 38 de CH4 para embalses ubicados en regiones tropicales y subtropicales.
En primer lugar, calcularon la intensidad de carbono para una presa en particular mediante la ec. 9.
Donde
ETpresa= Flujo total de GEI (kg CO2eq d-1), los valores positivos denotan emisión y los valores negativos reflejan captación.
Adam = Es el área inundada (km2)
FCO2 presa= Los flujos de CO2 (kg CO2 km-2 d-1)
FCH4 presa = Los flujos de CO2 (kg CH4 km-2 d-1)
GWPCH4= Es un factor de conversión para el potencial de calentamiento global del metano durante el horizonte temporal correspondiente (20 o 100 años) para transformar kgCH4 km-1 d-1 en kg CO2eq km-2d-1
Ragua abajo = Es una constante que representa la relación entre las emisiones aguas abajo y las emisiones de la superficie del embalse.
Posteriormente, calcularon la generación total de electricidad con la ec. 10.
Donde
EGpresa= La generación de electricidad instalada (MWh d-1)
Cappresa= Capacidad instalada (MW), el cual multiplicado por 24 se obtiene la energía en 24 horas.
Pcap = Es un constante que representa el factor de capacidad (0,5727), que denota la generación efectiva de electricidad como proporción de la capacidad instalada.
Finalmente, calcularon la intensidad de carbono (CI presa, kg CO2eq MWh-1) se calcula entonces como ec. 11..
Dónde CIConstrucción es una constante que representa la intensidad de emisiones de CO2eq asociada con la construcción e infraestructura de represas hidroeléctricas (19 g CO2eq kWh-1 día-1) para un horizonte temporal de 100 años.
De esta manera, obtuvieron estimaciones de las intensidades de carbono para las represas propuestas en las tierras altas del Amazonas, con una mediana de 39 g CO2eq kWh-1 en un horizonte de 100 años, valores que a menudo resultaron comparables con la energía solar y eólica. Por otro lado, algunas represas en las tierras bajas mostraron una mediana de 133 g CO2eq kWh-1, lo que podría superar las intensidades de carbono observadas en las centrales eléctricas que utilizan combustibles fósiles.
2.5.5 Modelo lineal generalizado de Scherer & Pfister, 2016
Este estudio ha estimado que la huella de gases de efecto invernadero de la energía hidroeléctrica es significativamente mayor, con una media global de 173 g de CO2 y 2,95 g de CH4 emitidos por cada kWh de electricidad producida. Esto resulta en una huella de carbono promedio combinada de 273 g de CO2eq kWh-1 cuando se utiliza un Potencial de Calentamiento Global (GWP) de 34 para el CH4 en un horizonte de 100 años. En este estudio, se desarrollaron dos modelos diferentes. El primer modelo estimó las emisiones de CO2eq por unidad de energía en (kg MWh-1), y el segundo modelo consideró flujos regionales en miligramos de carbono por metro cuadrado por día (mg CO2eq m-2 d-1).
En el primer modelo para estimar las emisiones de CO2 (kgCÜ2 MWh-1), se utilizaron dos predictores: la relación entre el área y la electricidad generada (ATE, km2 GWh-1) y el área (A, km2). Mientras tanto, el modelo para las emisiones de CH4 (kg CH4 MWh-1) incluyó la edad de la instalación (edad, años), ATE y la temperatura máxima (TMX, °C) como factores determinantes. Las ec. 12 y ec. 13 representan las emisiones de CO2 y CH4 respectivamente
En cuanto al segundo modelo de emisiones de GEI mgC m-2 día-1, estas emisiones son independientes de la producción de energía y dependen de la edad y la tasa de erosión (ERR, t ha-1 año-1) para el CO2. Además, se incluyeron las variables A y TMX como predictores para las emisiones de CH4. La ec. 14 y ec. 15 representan el modelo 2.
En función a los resultados existe mejor desempeño el primer modelo que el modelo 2 sobre los flujos por área. Además, compararon sus resultados de los flujos regionales con los obtenidos por (Barros et al., 2011) y las emisiones por unidad de energía con el de (Hertwich, 2013). En cuanto al modelo para predecir las emisiones de GEI tienen un buen desempeño. Además, este modelo puede tener incertidumbre como para estimar el CO2 no considera el secuestro y para el CH4 puede existir variación en cuanto a los flujos por ebullición
2.5.6 Modelo G-res desarrollada por Prairie et al., 2021
Es una herramienta informática diseñada para estimar la huella neta de carbono de los embalses en todo el mundo. Esta herramienta implica el desarrollo de modelos empíricos estadísticamente sólidos que describen las cuatro principales vías de emisión GEI basado en el carbono de los embalses: emisiones difusas de CO2 y CH4, emisiones de burbujeo de CH4 desde la superficie del embalse y emisiones de CH4 por desgasificación aguas bajo del embalse.
Este modelo tiene en cuenta las condiciones ambientales específicas de un embalse para predecir las emisiones tanto de CO2 y CH4, dividir los flujos entre las principales vías de emisión y caracterizar la evolución de las emisiones de GEI durante la vida útil del embalse.
En G-res Tool tiene un enfoque descrito por Prairie et al., (2018) que tiene como objetivo predecir el cambio inducido por el embalse en los flujos de GEI a la atmosfera por la inundación. La herramienta G-res es aplicable a nivel mundial y se puede usar con una funcionalidad de Earth Engine para que se pueda usar dinámicamente en embalses existentes, así como en potenciales o ubicaciones de embalses planificadas.
Esta herramienta se basa en una serie de modelos empíricos desarrollados a partir de una síntesis de la literatura publicada sobre emisiones de GEI de embalses. Estos modelos se basan en la influencia de los factores ambientales locales y regionales sobre las emisiones de GEI y sobre las características de los embalses individuales y sus cuencas.
Esta herramienta se diseñó para evaluar de manera integral la huella neta de carbono del embalse a lo largo de su vida útil (100 años). La plataforma G -res tool puede proporcionar una estimación del impacto neto de GEI de la creación de embalses.
De manera similar, la herramienta G-res proporciona cálculos para estimar la porción de las emisiones de GEI que probablemente sean el resultado del enriquecimiento de nutrientes (llamadas fuentes antropogénicas no relacionadas UAS) debido a los aportes de Fósforo asociados con actividades humanas en la cuenca del embalse. Basada en la diferencia esperado en la carga de fosforo en ausencia de perturbaciones de captación inducidas por el hombre.
2.5.7 Modelo Empírico
Emisiones difusas de Metano y Dióxido de Carbono para 100 años
Para las emisiones difusas de CH4 y CO2, la edad del embalse fue seleccionada como una de las variables más fuertes en la predicción (ec. 16 y ec. 17).
Donde:
CH4 Emisiones difusas = Emisiones difusivas de metano [mgC m-2 d-1]
% Área litoral = [%]
Temperatura efectiva de CH4 = [°C]
Donde:
CO2 Emisiones difusas: Emisiones difusivas de metano [mg C m-2d-1]
Área del embalse: [km2]
Temperatura efectiva de CO2: [°C]
Contenido de C en el suelo del embalse: [kgC m-2]
PT: Fósforo total [μ/l]
Las emisiones de metano de un embalse son más complejas de la del dióxido de carbono porque pueden ser liberado por tres vías (desgasificación, burbujeo y difusión) cada uno puede entregar cantidades sustanciales de CH4 a la atmósfera y porque cada vía es controlada por conductos diferentes y debemos modelar de forma diferente.
Emisiones de metano vía difusión
La ecuación para predecir las emisiones difusas de metano está en función de la edad del embalse, temperatura media anual, porcentaje del área litoral. La edad del embalse tiene una influencia fuerte, particularmente en lugar con altas temperaturas. Asimismo, la disminución de emisiones de GEI con la edad fue mayor en embalses con zonas litorales extensas. La ec. 18 permite estimar las emisiones difusas de metano y las unidades son (mg C m-2 d-1).
Donde:
CH4 Emisiones difusas = Emisiones difusivas de metano [mg C m-2 d-1]
% Área litoral = [%]
Temperatura efectiva de CH4= [°C]
Emisiones de metano por burbujeo
El metano es poco soluble y puede alcanzar presiones altas cuando es producido en los sedimentos, la formación de burbujas sucede cuando la presión parcial de CH4 exceda la suma de la presión barométrica e hidrostática. A medida que las burbujas crecen o después de un cambio repentino en la presión, las burbujas pueden liberarse del sedimento a la columna de agua, evitando en gran medida el intercambio dentro de la columna de agua y emitiendo directamente a la atmosfera. Debido a su dependencia de la presión hidrostática, la liberación de burbujas de metano es inversamente proporcional a la profundidad del agua y, en muchos sistemas acuáticos, se limita a zonas poco profundas en combinación con áreas altas de deposición de sedimentos (ec. 19).
Donde
CH4 Emisión por burbujeo: [mg C m-2 d-1]
Área litoral: [%]
Radiación horizontal global acumulada: [kWh m-2 periodo-1]
La Ec. 19 usa la radiación global horizontal acumulativa y el porcentaje del área litoral como las variables más representativas para predecir las burbujas de metano. Para las emisiones de metano por ebullición no se encontró una ecuación, debido a que la edad del embalse no fue seleccionada por el método de regresión neta elástica. El modelo para predecir emisiones vía burbujeo tiene muchas incertidumbres porque existe un número limitado de mediciones (n=46) en campo.
Emisiones de metano por desgasificación aguas abajo del embalse
Las salidas del embalse pueden originarse desde varias profundidades a través de varios conductos (a través de turbinas, vertederos, compuertas profundas y canales de derivación), con importante influencia en los flujos de metano por desgasificación. Para sistemas estratificados térmicamente o periodos, extraer agua del hipolimnion puede provocar una emisión de metano alta porque las concentraciones de metano se acumulan continuamente en la hipolimnia anóxica. La caída de presión repentina del agua turbinada puede liberar una fracción grande de gas disuelto directo a la atmósfera. El agua rica en metano extraída del embalse puede ser liberada a la atmósfera por aguas turbulentas río abajo del embalse. Sin embargo, esta vía de emisión no es considerado en G-res tool, porque este componente puede tener una amplia variación entre los ecosistemas.
Es un requisito para evaluar las emisiones de desgasificación es comparar la toma de agua y las profundidades de la termoclina para determinar que el agua que fluye río debajo de la presa proviene del hipolimnion. Si es así, el agua es rica en CH4. Contrariamente, si el agua que fluye río abajo es del epilimnion, es un agua pobre en metano, conduciendo a bajas emisiones por desgasificación. La herramienta G-res estima emisiones por desgasificación solo cuando las salidas de agua están ubicadas debajo de la termoclina.
El modelo para estimar emisiones de metano por desgasificación se desarrolló a base de datos publicados sobre las concentraciones de metano aguas arriba y aguas debajo de la presa y multiplicado por el flujo medio anual que pasa a través de la turbina. La diferencia entre estas concentraciones se predijo mejor en función del tiempo de residencia del agua y la emisión difusa anual de metano posterior al embalse como un representante de la producción de metano. La descarga promedio a través de la turbina se estima el 90% de la escorrentía anual, aunque este valor puede variar sustancialmente según las operaciones y el mantenimiento del embalse (ec. 20).
Donde:
CH4 Emisión por desgasificación: [mg C m-2d-1]
Área del embalse: [km2]
Escorrentía anual: [mm/años]
Área de la cuenca: [km2]
Emisiones difusas de CH4: [mg C m-2d-1]
TR: Tiempo de residencia [años]
Emisiones difusas de CO2
El modelo para estimar el flujo de CO2, incluye la edad del embalse, la temperatura media anual, la concentración de fosforo, el área del embalse, y el contenido de carbono de la superficie inundada como se muestra en la ecuación 14. En el modelo no se incluye cuando el embalse actúa como un sumidero. La entrada persistente de CO2 generalmente se observa solo en condiciones eutróficas o cuando hay entradas de carbono alóctono orgánico muy bajas. El G-res Tool proporciona un límite superior a la huella de CO2 de los sistemas eutróficos. En comparación con el CH4 difusivo, la disminución de las emisiones de CO2 a lo largo del tiempo es mucho más pronunciada al principio y se estabiliza más rápidamente hasta un nuevo equilibrio. Esta disminución temporal ha sido reportada en varios casos.
La predicción de las emisiones difusas de CO2 tanto de los embalses individuales como de los embalses en conjunto están influenciados por la temperatura y son menos sensibles a la cantidad de carbono orgánico contenido en el suelo inundado. Las emisiones difusas de CO2 de los embalses podrían aumentar con el aumento de la temperatura de agua (ec. 21).
Dónde Edad: [años]
Temperatura efectiva CO2: [°C]
Área del embalse: [km2]
Contenido de C en el embalse: [kgC/m2]
PT: [μg/l]
2.6 Indicadores de Emisiones de GEI para evaluar la sostenibilidad de proyectos hidroeléctricos
Las emisiones de gases de efecto invernadero de los embalses muestran notables variaciones en términos de espacio y tiempo, lo que guarda una correlación positiva con la temperatura y la producción primaria acuática, y una correlación negativa con la antigüedad del embalse (Almeida et al., 2019). Además, las emisiones netas totales de GEI están directamente relacionadas con el área inundada. La capacidad de generación de electricidad (capacidad instalada) por unidad de área inundada, es decir, la densidad de potencia constituye un factor clave que influye en la intensidad de carbono (Almeida et al., 2019).
La intensidad de carbono de las fuentes de energía se define como la cantidad de GEI emitida por unidad de electricidad generada (g CO2eq kWh-1). Para calcularla, hemos integrado datos específicos de proyectos, como las áreas inundadas y la capacidad instalada, de nuestra base de datos de represas en la región amazónica, combinándolos con estimaciones de flujo previamente publicadas.
Este enfoque revela que, incluso en casos de proyectos con emisiones de GEI relativamente bajas, la intensidad de carbono puede ser alta si la producción de electricidad por unidad de área inundada es reducida, lo que se traduce en una baja densidad de potencia. Por ello se consideran algunos indicadores de emisión que están asociados con la cantidad de GEI emitidos por la presa (ver Tabla 5) (Almeida et al., 2019).
Tabla 5. Indicadores para evaluar las emisiones de GEI de proyectos hidroeléctricos. Fuente: (Almeida et al., 2019).
3 Materiales y métodos
La presente investigación abarca tanto un enfoque documental como de campo, caracterizado por su naturaleza explicativa, descriptiva y analítica. La dimensión documental de este estudio implica el análisis y revisión exhaustiva de la información bibliográfica relacionada con los modelos de estimación de gases de efecto invernadero en proyectos hidroeléctricos. Por otro lado, la faceta de campo se materializa a través de visitas técnicas a los casos de estudio seleccionados con el fin de recopilar y verificar datos relevantes.
La naturaleza explicativa de la investigación se manifiesta en su objetivo de conceptualizar y aplicar un modelo para estimar las emisiones de GEI en embalses en diversos contextos climáticos y biogeográficos. La componente descriptiva se centra en la caracterización biogeográfica de los embalses hidroeléctricos y la elaboración de un modelo conceptual que sirva de base para la estimación de dichas emisiones. La perspectiva analítica se refleja en el análisis minucioso de la información proveniente de los Estudios de Evaluación de Impacto Ambiental, Programa de Prevención y Mitigación, Plan de Adecuación y Seguimiento Ambiental e Informes de Monitoreo Anual de los proyectos Ivirizu y Misicuni.
El proyecto se desarrolló en tres fases claramente definidas. En la primera fase, se llevó a cabo el análisis y revisión exhaustiva de la literatura sobre modelos de estimación de GEI en embalses hidroeléctricos, así como la evaluación de metodologías propuestas por agencias ambientales de otros países. La segunda fase se enfocó en la caracterización biogeográfica de los proyectos, el desarrollo de un modelo conceptual para la estimación de emisiones de GEI en diferentes contextos climáticos y biogeográficos, y la selección de la herramienta G-res para su aplicación en los proyectos Ivirizu y Misicuni. En esta etapa, se analizó minuciosamente la información proveniente de diversas fuentes, incluyendo los informes mencionados anteriormente.
4 Resultados
La estimación de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de los proyectos hidroeléctricos se llevó a cabo mediante la herramienta G-res Tool. Esta herramienta proporciona resultados de las emisiones de GEI antes y después de la inundación, emisiones no relacionadas con fuentes antropogénicas, emisiones durante la etapa de construcción y la huella neta de GEI del embalse durante su vida útil de 100 años. Además, la herramienta G-res utiliza Earth Engine para obtener información sobre atributos físicos, climáticos y cobertura del suelo en la cuenca de los proyectos.
4.1 Caracterización de los Proyectos Hidroeléctricos Ivirizu, Miguillas y Misicuni
La Características técnicas de los proyectos hidroeléctricos presenta las características técnicas de los proyectos hidroeléctricos Ivirizu, Miguillas y Misicuni. El proyecto hidroeléctrico Ivirizu se ubica en los municipios de Pocona, Totora y Mizque del Departamento de Cochabamba. Sus componentes principales, como la presa, la casa de máquinas, los túneles y la tubería forzada, se sitúan en las cuencas del río Ivirizu, mientras que la línea de transmisión abarca el municipio de Mizque. La superficie total del área de influencia directa es de 542,62 km2 y comprende ambientes acuáticos, semiacuáticos y terrestres, incluyendo toda la cuenca del río Ivirizu y parte de la cuenca Cristal Mayu. Además, recibe aportes de 4 subcuencas desde sus nacientes: Cuenca Huasa Mayu, Cuenca Cristal Mayu, Cuenca Lope Mendoza, Cuenca Ivirizu, Cuenca Fuertes y Cuenca Yana Mayu. Desde una perspectiva biogeográfica, esta área abarca desde matorrales y pastizales altoandinos hasta bosques secos interandinos, bosques montanos de Yungas y bosques subandinos hiperhúmedos (1.000-4.000 m s.n.m) (Ende Corporación y Valle Hermoso, 2015).
En el caso del proyecto hidroeléctrico Miguillas se encuentra localizado en la provincia de Inquisivi en el Departamento de La Paz. En el área de proyecto, se tiene una cuenca aprovechable de aproximadamente de 410 km2, con una precipitación promedio anual de 358,9 mm. En cuanto a la vegetación, se cuenta con la presencia de especies de gramíneas y amancollas, bosques subhúmedos puñenos, bosques montanos subhúmedos, bosques subhúmedos del subandino, bosques secos bisimontano. En el área del embalse se tiene la presencia de pajonales y bofedales (ENDE CORANI, 2021).
El proyecto Multiple Misicuni consiste en el aprovechamiento hídrico de las cuencas de los Ríos Misicuni, Viscachas y Putucuni, mediante el represamiento y trasvase de sus aguas. Se ubica en el sector sur de las Provincias de Ayopaya y Chapare y también quedan comprendidas, dentro del ámbito del proyecto, las Provincias de Quillacolllo. La zona de influencia del proyecto se encuentra en la cadena montañosa de la Cordillera del Tunari y Ecológicamente pertenece a la Provincia Biogeográfica de la Puna Peruana. En la zona de inundación se presenta asociaciones vegetales de: Vegetación saxicola altoandina y Vegetación altimontana y pajonales altoandinos de la Puna Húmeda (EMPRESA MISICUNI, 2018).
4.2 Estimación de la Huella Neta de GEI de los tres proyectos hidroeléctricos
En relación con la Huella Neta de GEI, la Tabla 7 indica los resultados obtenidos para los tres proyectos. Se ha determinado que para Ivirizu es de 665.132 (t CO2eq año-1), mientras que para Miguillas asciende a 412.733 t CO2eq año-1. En el caso del proyecto multipropósito Misicuni, se registró una huella de 974.747 t CO2eq año-1. Es importante destacar que en el proyecto Misicuni, solo 146.212 t CO2eq año-1 corresponden a la generación de electricidad, lo que representa un 15% del total, mientras que el 80% de las emisiones se atribuyen al abastecimiento de agua y el 5% al riego.
Estos datos son fundamentales para comprender el impacto ambiental y la distribución de las emisiones de gases de efecto invernadero en cada proyecto. Estos datos son calculados utilizando el GWP de 34 para CH4 a 100 años de vida. El proyecto con la mayor Huella Neta de GEI es Ivirizu, los mayores flujos de GEI pueden ser producto de la presencia previa de abundante vegetación en la zona inundada, además de una temperatura media anual superior, una mayor cantidad de carbono en el suelo y emisiones de GEI mucho más altas en cuanto a las actividades de construcción en comparación con los otros proyectos.
En la Tabla 8 se presentan las emisiones biogénicas de CO2 y CH4 para los proyectos mencionados. En el caso de Ivirizu, aproximadamente el 80% de las emisiones corresponden a CO2, el resto son emisiones de CH4; mientras que, para Miguillas, las emisiones de CO2 se reducen al 48%. Por otro lado, en el proyecto Misicuni, solo el 19% de las emisiones se atribuyen al CO2 y el 81% corresponde a CH4. Este resultado en Misicuni se explica por la presencia previa de una comunidad de alrededor de 3.000 personas que se dedicaban a la agricultura y la cría de camélidos antes de la construcción del embalse, la presencia de esta población genera emisiones de nutrientes que favorecen la productividad del embalse y la degradación de materia orgánica en zonas anóxicas. Entre los 3 proyectos, la mayor emisión biogénica del embalse corresponde al proyecto Ivirizu.
En la Tabla 8 se muestran las emisiones promedio anuales de GEI por unidad de área en los tres embalses hidroeléctricos. Estos resultados indican que las emisiones de CO2 por unidad de área son significativamente más altas en Ivirizu. Asimismo, podemos observar que Ivirizu tiene mayores emisiones de CO2 por área respecto a los otros embalses. En lo que respecta al metano, se observa que en Miguillas se registran las emisiones más elevadas de metano por área, alcanzando los 125 g CO2eq m-2 año-1, seguido por Ivirizu con 93 g CO2eq m-2 año-1 y, en último lugar, Misicuni con 53 g CO2eq m-2 año-1.
En la Tabla 9 se presentan las emisiones biogénicas anuales de GEI de los tres embalses hidroeléctricos a lo largo de un período de vida de 100 años, considerando un GWP de 34 para una temporalidad de 100 años propuesto por el IPCC en el 2013. En el proyecto Ivirizu, durante el primer año se emiten 1.505 g CO2eqm-2año-1, y después de 100 años, estas emisiones disminuyen a 359 g CO2eqm- 2año-1. En Miguillas, las emisiones biogénicas comienzan en 572 g CO2eqm-2año-1 y disminuyen gradualmente hasta llegar a 173 g CO2eq m-2año-1después de 100 años. En el caso de Misicuni, las emisiones inician en 655 g CO2eq m- 2año-1 y van decreciendo hasta alcanzar valores de 5 g CO2eq m-2año-1. En los tres embalses se observa una disminución anual de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Durante los primeros 8 años, esta reducción es pronunciada, después se vuelve más gradual y constante. Ivirizu y Miguillas muestran un declive sostenido y lento después de los primeros 10 años, mientras que en Misicuni, las emisiones prácticamente se estabilizan después de 100 años. Este fenómeno se explica, según (Tremblay et al.,2005), por la degradación de la materia orgánica proveniente de la vegetación preexistente y el carbono orgánico del suelo en los primeros 10 años, lo que genera emisiones de GEI, tanto de CO2 como de CH4.
La Tabla 10 presenta los resultados de los flujos de CH4 y CO2 a través de las distintas vías de emisión posteriores a la inundación. En el caso de Ivirizu, se destaca una contribución principal de metano a través de la difusión, seguida por el burbujeo y, finalmente, la desgasificación. En Miguillas, las emisiones se originan principalmente por burbujeo, seguidas de la difusión y, en última instancia, la desgasificación. Por otro lado, en Misicuni, el CH4 se emite principalmente por burbujeo, seguido de la difusión y, por último, la desgasificación.
Las emisiones por difusión están influenciadas principalmente por la edad del embalse, la temperatura media anual y el porcentaje del área litoral. Según Prairie et al., (2021), las emisiones por burbujeo son inversamente proporcionales a la profundidad y suelen limitarse a zonas poco profundas junto con áreas con altas tasas de deposición de sedimentos. Las emisiones por desgasificación ocurren cuando las aguas se perturban, generando un cambio drástico en la presión, especialmente si se libera agua rica en metano desde zonas profundas.
Los resultados de G-res indican una disminución constante de las emisiones difusas tanto de CO2 como de CH4, mientras que las emisiones a través del burbujeo y la desgasificación permanecen estables en el tiempo. En el caso de Ivirizu, se caracteriza por tener un clima templado, aunque experimenta temperaturas más elevadas en algunas temporadas, lo que puede llevar a la estratificación del embalse. Además, este embalse recibe un mayor aporte de materia orgánica en comparación con los otros dos embalses, lo que aumenta la producción de metano en lugar de dióxido de carbono. La estratificación térmica durante todo el año impide la oxigenación del agua y reduce la solubilidad del oxígeno disuelto en el embalse.
Por otro lado, tanto en Miguillas como en Misicuni, predominan las emisiones por burbujeo debido a la poca profundidad del embalse en Miguillas y a un mayor porcentaje de área litoral en Misicuni, además de una mayor radiación horizontal global que favorece las emisiones por burbujeo.
Además, se calcularon las emisiones biogénicas de GEI para dos intervalos de tiempo diferentes, uno de 100 años y otro de 20 años. Se empleó un GWP de 34 para convertir las emisiones de CH4 en CO2 equivalente en un período de 100 años y un GWP de 86 para un período de 20 años (ver Tabla 11). Estos resultados revelan que Ivirizu registra las mayores emisiones biogénicas, alcanzando 460 t CO2eq año-1 en un lapso de 100 años, seguido de Misicuni con 299 t CO2eq año-1. Sin embargo, es importante mencionar que en el caso de Misicuni, este valor total corresponde a los tres servicios prestados, y solo corresponde un 15 % a la generación de energía eléctrica que sería 45 t CO2eq año-1. Por último, Miguillas presenta emisiones de 78 t CO2eq año- 1. En un intervalo de 20 años, Misicuni emite alrededor de 669 t CO2eq año-1 debido a una mayor emisión de metano en comparación con el CO2 en todos los servicios, pero si nos enfocamos únicamente en las emisiones de la hidroeléctrica, la cifra se reduce a 100 t CO2eqaño-1, siendo considerablemente menor que las 611 t CO2eqaño-1 de Ivirizu en el mismo período.
Los indicadores de sostenibilidad de los tres proyectos se presentan en la Tabla 12. Cuando se considera un período de 100 y 20 años, Misicuni muestra la mayor intensidad de emisiones con 6,95 g CO2eq kWh-1 para 100 años y 7,20 g de CO2eq kWh-1 para 20 años, seguido de Ivirizu con 6,26 g de CO2eq kWh-1 para 100 años y 6,13 gCO2eq kWh-1 para 20 años, mientras que Miguillas tiene valores de 4,14 g CO2eq kWh-1 para 100 años y 4,17 g CO2eq kWh-1 para 20 años. Es relevante destacar que al calcular las emisiones de Misicuni, solo se tiene en cuenta el porcentaje correspondiente a la hidroeléctrica. Una de las razones detrás de la mayor intensidad en Misicuni se debe al tamaño más grande de su embalse y a una generación de energía menor en comparación con los otros proyectos.
La etapa de construcción se define como la extracción de materia prima, la fabricación de equipos, el transporte y los procesos reales de construcción de las represas (Song et al., 2018) ha estimado que desde la etapa de construcción se emiten entre 2,3 y 37,9 g de CO2 eq kWh-1, basándose en las emisiones de GEI de 27 represas en todo el mundo.
Estos valores se sitúan por debajo de las emisiones promedio de GEI asociadas al ciclo de vida de proyectos hidroeléctricos a nivel global, alcanzan los 23 gCO2eqkWh-1, según una evaluación de 480 proyectos de almacenamiento de energía hidroeléctrica utilizando la herramienta G-res. Asimismo, en comparación con las intensidades de otras fuentes de energías, solo la energía eólica tiene una intensidad promedio de emisión de GEI durante 100 años de vida que la energía hidroeléctrica como se muestra en la Tabla 13.
La intensidad de carbono de las represas hidroeléctricas está fuertemente vinculada a la densidad de potencia. La densidad de potencia es el criterio empleado por el Mecanismo de Desarrollo Limpio de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático para financiar y otorgar créditos de carbono a proyectos hidroeléctricos. Los proyectos con densidades de potencia superiores a 4 kW m-2 son elegibles para créditos, y las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) de los proyectos candidatos con densidades de potencia superiores a 4 kW m-2 se consideran insignificantes en horizontes de 100 años (Almeida et al., 2019).
Asimismo, la Iniciativa de Bonos Climáticos (CBI por sus siglas en inglés) ha introducido criterios para la emisión de Bonos Verdes para el sector de la Energía Hidroeléctrica. Los proyectos hidroeléctricos deben cumplir con los criterios de mitigación que implica tener una densidad energética mayor a 5 kW m-2 e Intensidad de Emisiones de GEI menor que 100 g CO2eq kWh-1 para proyectos antes del 2020. En cambio, para proyectos hidroeléctricos que comience a operar en 2020 o después es elegible si tiene; una densidad energética mayor a 10 Wm-2 e Intensidades de Emisiones de GEI menor que 50 g CO2eq kWh-1.
5 Conclusiones
Las emisiones de gases de efecto invernadero en un embalse hidroeléctrico se generan a partir de la descomposición de la vegetación y el carbono orgánico del suelo inundados. Estas emisiones pueden estar influenciadas principalmente por: la altura de la presa, la latitud, las condiciones climáticas, las concentraciones de fósforo y nitrógeno, la vida útil de la presa, el tiempo que el agua permanece en el embalse y la composición de este.
Para estimar las emisiones de GEI en los proyectos hidroeléctricos Ivirizu, Miguillas y Múltiple Misicuni, se seleccionó la herramienta G-res porque utiliza datos más específicos del proyecto y estima las emisiones con variabilidad temporal. Esta herramienta requiere una serie de datos fundamentales, como la zona climática, la cobertura del suelo en la cuenca y en el lugar del embalse, la ubicación y altura de la presa, el año de inundación, la superficie de la cuenca y del embalse, la capacidad del embalse, la profundidad máxima y media del embalse, la profundidad de la toma de agua, la población en la cuenca y datos climáticos.
El modelo G-res Tool estimó tanto las emisiones biogénicas de GEI generadas por el embalse como las emisiones de GEI asociadas a las actividades de construcción de cada proyecto. En el caso del Proyecto Ivirizu, se estimaron emisiones biogénicas de GEI anuales de 468 t CO2eq año-1 generadas por el embalse y 664.664 t CO2eq año-1 emitidas durante las actividades de construcción, lo que resulta en una Huella Neta de GEI de 665.132 t CO2eq año-1, y unas emisiones específicas de 6,13 g CO2eq kWh-1. En cuanto, al proyecto hidroeléctrico Miguillas se ha estimado 78 t CO2eq año-1 que corresponden a las emisiones biogénicas y 412.732 t CO2eq año-1 a las actividades de construcción, las emisiones específicas de este proyecto son 4,14 g CO2eq kWh-1. Por otro lado, en lo que respecta a la hidroeléctrica del proyecto multipropósito Misicuni, las emisiones biogénicas se sitúan en 45 t CO2eq año-1, y las emisiones por la construcción alcanzan las 146.212 t CO2eq año-1, con emisiones específicas de 6,95 g CO2eq kWh-1. Todos estos proyectos están por debajo de los 80 g CO2eq kWh-1 que se considera el límite de un proyecto hidroeléctrico sostenible.
Estos resultados revelan una mayor contribución de las emisiones de GEI durante las actividades de construcción en comparación con las emisiones derivadas de la inundación del embalse. Además, confirman la tendencia de una mayor generación de GEI en proyectos hidroeléctricos situados a menor altitud sobre el nivel del mar, siendo el embalse del Proyecto Ivirizu (a 2.175 metros sobre el nivel del mar) un emisor más significativo en comparación con el Proyecto Misicuni (a 3.774 metros sobre el nivel del mar).
