Into the smoke : a research on household air pollution and climate impacts of biomass cookstoves in Senegal

Resumen

Más de la mitad de la población mundial depende de los combustibles sólidos (leña, carbón vegetal, residuos agrícolas y animales) para cocinar. Estos combustibles son quemados en el interior de los hogares en cocinas poco eficientes, convirtiendo los hogares en entornos muy peligrosos para la salud. Cada año, la contaminación del aire interior provoca la muerte prematura de 4,3 millones de personas, un número mayor que la suma de las muertes producidas por el paludismo, el sida y la tuberculosis. Las mujeres, y los niños que a menudo las acompañan, inhalan estas sustancias durante horas, ya que ellas son las responsables de preparar la comida para sus familias. Además, ellas son las principales responsables de recolectar el combustible para cocinar, poniendo en peligro su seguridad y reduciendo de manera importante su tiempo disponible para la educación, el descanso y las actividades generadoras de ingresos. Pero el problema no se queda en casa. La quema de combustibles sólidos a nivel doméstico supone el 12% de las emisiones mundiales de partículas finas (PM2.5) y el 25% de las emisiones mundiales de carbono negro (BC, por sus siglas en inglés) o carbono elemental (EC) , que se considera el segundo mayor contribuyente al calentamiento global, después del CO2. Afortunadamente, la comunidad mundial está intensificando sus esfuerzos para garantizar el acceso a una energía limpia y segura para cocinar en los hogares, y se considera ya un aspecto esencial para poder avanzar en los objetivos planteados en la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible. Existe una amplia gama de soluciones de cocinado limpias y eficientes, cada una de ellas con una determinada eficiencia, coste, ventajas y desafíos en cuanto a la satisfacción de las necesidades de las personas usuarias. Aunque estas soluciones de cocinado puedan parecer simples, la naturaleza estocástica de la combustión de la biomasa, combinada con las variaciones naturales durante su uso diario, la amplia variedad de tecnologías y combustibles disponibles, dificultan la evaluación de las mismas, especialmente de algunos parámetros o contaminantes, como el BC. Hasta la fecha, se han realizado pocos estudios para cuantificar las emisiones de BC de la quema de biomasa a nivel residencial, en parte debido a que los métodos analíticos disponibles son relativamente costosos y complejos. Además, el efecto de calentamiento del BC es bastante incierto, puesto que se emite siempre junto con el carbono orgánico (OC), tradicionalmente asociado a efectos de enfriamiento. Por otra parte, la necesidad de estudios para cuantificar los impactos relacionados con la quema de combustibles para cocinar no es homogénea en todo el mundo. Tradicionalmente, la mayoría de los estudios se han centrado en Asia, y muy pocos estudios se han llevado a cabo en otras regiones del mundo, como en África subsahariana. En este contexto, esta tesis pretende contribuir al conocimiento existente sobre los impactos en el clima y la calidad del aire interior producidos por el cocinado con biomasa a nivel residencial, con especial énfasis en las emisiones de BC y OC, y centrándose en la región de África Occidental, donde reside un tercio de la población total de África subsahariana y donde el 75% de la gente todavía utiliza madera y carbón para cocinar. El Capítulo 3 presenta una intercomparación de tres métodos analíticos para estimar las emisiones de BC procedentes de los sistemas de cocinado. Dos métodos relativamente baratos y fáciles de usar, un reflectómetro (Difussion Systems Ltd.) y un sistema de análisis a través de teléfono móvil (Nexleaf Analytics), fueron validados con un dispositivo más preciso, el Analizador OC-EC (Sunset Laboratory). Los resultados muestran una buena concordancia entre las dos técnicas de bajo coste, lo que supone una importante ayuda para superar las actuales barreras metodológicas para la determinación de emisiones de BC procedentes de cocinas en lugares con recursos limitados. Asimismo, la facilidad de uso del sistema basado en el teléfono móvil puede facilitar la participación de las usuarias de las cocinas en los procesos de recopilación de datos, aumentando así la cantidad y la frecuencia de la recolección de información. En el capítulo 4 se presenta una cuantificación de emisiones de aerosoles carbonosos (EC y OC) de cuatro tipos de cocina ampliamente utilizados en Senegal y países vecinos: i) Tres piedras; ii) cocina tipo rocket; iii) cocina mejorada básica de cerámica); iv) gasificador. Para todas las cocinas analizadas, los Factores de Emisión (FE) (g/MJ) de EC y OC se vieron significativamente afectados por la especie forestal, desatanco la necesidad de tener en cuenta el tipo de combustible al presentar los FE de los sistemas de cocinado. En cuanto al efecto del tipo de cocina, la cocina rocket dio lugar a los FE de EC más altos, mientras que las otras tres cocinas mostraron valores muy similares. En lo que se refiere a emisiones totales por test, el gasificador mostró los valores más bajos, y la rocket, los más elevados. Asimismo, la cocina tradicional y la rocket fueron analizadas en una aldea rural de Senegal, con el fin de obtener datos de emisiones de EC y OC, y entender cuán representativos son los estudios estandarizados de laboratorio de las prácticas de cocinado reales de África Occidental. Al igual que en los resultados de laboratorio, la estufa tipo rocket mostró un FE y emisiones totales de EC más alto que la cocina tradicional. Además, el FE y emisiones totales de OC fueron más bajos con la cocina rocket, por lo que las emisiones de aerosoles carbonosos de este tipo de cocinas producirían un efecto neto de calentamiento positivo, en comparación con la cocina tradicional. El capítulo 5 presenta un análisis de concentración de PM2.5, partículas ultrafinas, BC y monóxido de carbono (CO) en el interior de las viviendas en la misma aladea rural de Senegal. Los resultados confirman que la contaminación del aire en los hogares en esta zona se deben principalmente a las actividades de cocinado. Además, la instalación de la cocina tipo rocket contribuyó a una reducción significativa PM2.5, partículas ultrafinas y CO, pero incrementó la concentración de BC, lo cual es coherente con los resultados de FE presentados en el capítulo 4. Los resultados también evidencian que, además de un cambio en la fuente de emisión (es decir, la cocina y/o el combustible), las estrategias enfocadas en la mejora de la calidad del aire doméstico deben enfocarse en las prácticas de ventilación y el uso de los materiales de construcción más adecuados. Según los resultados presentados en los capítulos 4 y 5, la implementación de estufas tipo rocket tendría un efecto positivo con respecto a la reducción de la contaminación interior, pero efectos más inciertos sobre el clima. Esto demuestra que los efectos en el clima y en salud de las soluciones de cocinado no siempre están alineados y destaca que ambas dimensiones deben ser consideradas en las decisiones tecnológicas. No obstante, en el estudio no se incluyen otros contaminantes emitidos y factores importantes, como la renovabilidad de la biomasa empleada para cocinar. Por lo tanto, los resultados presentados no significan que el uso de cocinas tipo rocket no tenga beneficios medio ambientales, ya que el panorama completo es mucho más complicado e incierto. La información presentada en esta tesis ayuda a tener una imagen más precisa de los impactos producidos por la quema de biomasa para cocinar a nivel residencial en la región de África Occidental. Además, puede ser útil para los implementadores y tomadores de decisiones de la región a la hora de seleccionar las soluciones tecnológicas más apropiadas en función de los impactos esperados, y para que los diseñadores optimicen los co-beneficios para el medio ambiente y la salud de las soluciones de cocinado. Se necesitan más estudios de laboratorio y de terreno que analicen diferentes sistemas de cocinado, cubriendo otras áreas de África Occidental y que también estudien el efecto de la estacionalidad sobre las emisiones, con el fin de obtener datos más representativos para su uso en los inventarios de emisiones y modelos climáticos. ----------ABSTRACT---------- Over half of the world’s population still rely on solid fuels, like fuelwood, charcoal, coal, agricultural residues and animal wastes for cooking. These fuels are burnt inside homes in inefficient stoves, turning the home into one of the most health damaging environments. Each year, 4.3 million people prematurely die because of the air pollution inside their homes, a number above the deaths produced by malaria, aids and tuberculosis together. Women, and children who are often with them, inhale the smoke for hours, as they are responsible for preparing meals for their families. Moreover, they are the primary responsible for gathering fuel for cooking, facing safety risks and suffering significant constraints on their available time for education, rest and activities for income generation. And the problem does not stay at home. Residential solid fuel burning accounts for up to 12% of global ambient fine particulate matter (PM2.5) emissions and 25% of global emissions of black carbon (BC) or elemental carbon (EC), which is considered the second biggest climate forcer after CO2. Fortunately, the global community is intensifying its efforts to expand and accelerate access to clean household energy for cooking, since addressing this issue is essential to make progress toward the Sustainable Development Agenda. A broad range of stove and fuel solutions have been developed, each one with differentiated efficiencies, costs, distribution models and challenges in term of meeting user needs. While household’ stoves often look simple in appearance, the stochastic nature of biomass combustion, combined with natural variations in daily use, the wide variety of fuel-stoves combinations available and their scattered location, make the stove evaluation challenging, especially for some parameters or pollutants, as the BC. To date, quantitative data of BC emissions estimates from residential biomass burning for cooking is scarce, in part due to the relatively costly and complex analytical methods available. Moreover, the warming effect of BC is highly uncertain, as it is always co-emitted with organic carbon (OC), which has been traditionally linked to cooling effects in the atmosphere. On the other hand, the need of studies to quantify coking-related impacts is not homogeneous across the globe. Traditionally, most studies have been focused in Asia with far few studies in other regions of the world. In this context, this thesis aims to contribute to the existing knowledge about climate and indoor air quality impacts of biomass cookstoves, with a particular emphasis on BC and OC emissions, and focusing in the West African region. Chapter 3 presents an intercomparison of analytical methods to estimate BC emissions from cookstoves. The performance of two relatively low-cost and easy-to-use methods, a cell-phone based system and smoke stain reflectometer, was validated against a more accurate device, the Sunset OCEC Analyzer (TOT). A good agreement was observed between the two low cost techniques and the reference system for the aerosol types and concentrations assessed. This validation helps to overcome current methodological barriers to determine BC emissions from cookstoves in resource-constrained locations. Moreover, the easy use of the cell-phone based system may allow engaging cookstove users in the data collection process, increasing the amount and frequency of data collection and helping to raise public awareness about environmental and health issues related to cookstoves. Chapter 4 presents a carbonaceous aerosols (EC and OC) emissions characterization of a set of stove-fuel combinations widely used in Senegal and neighbouring countries: i) Three-stone; ii) rocket stove; iii) Basic improved ceramic stove); and iv) natural draft gasifier. For all the stoves tested, EC and OC Emission Factors (EFs) (g/MJ) where significantly affected by the wood specie, highlighting the need of taking into account the fuel type when reporting cookstove carbonaceous aerosol EFs. The highest average EC EF per WBT was found with the rocket stove, while EC EF’s were fairly uniform across the other two improved cookstoves and the three stones. Considering EC and OC total emissions per test (Water Boiling Test), the gasifier induced to the smallest total emissions and the rocket stoves to the highest. To understand how real cooking practices in this region influenced EC and OC emissions and how representative are the standardized studies of actual cooking practices in the region, the three stones and the rocket stove were tested in a rural village of Senegal. Similarly to laboratory results, rocket stove showed the highest EC EF and EC total emissions per cooking task. Moreover, OC emissions were reduced with the rocket stove, so carbonaceous emissions of this stove type would produce a net positive warming effect when compared the traditional stove. Chapter 5 presents a real-world assessment of household concentrations of fine particulate matter, ultrafine particles, BC and carbon monoxide conducted in the same rural village. Results confirmed that HAP in this area is mainly due to cooking activities and showed that the installation of the rocket stove contributed to a significant reduction of fine and ultrafine particulate matter and CO concentrations, but increased indoor BC concentrations. Findings also evidence that, in addition to a switch in the emission source (i.e. cookstove and/or fuel), successful strategies focused on the improvement of household air quality should improve ventilation practices and appropriate construction materials. According to results presented in chapters 4 and 5, rocket stoves would have a positive effect with regard to HAP reduction, but more uncertain effects on climate. This proves that the climate and health-relevant properties of stoves do not always scale together and highlights that both dimensions should be considered in technological decisions. Notwithstanding, this research work is focused carbonaceous aerosol emissions, but it does not include climate impacts from other pollutants emitted or factors such as biomass renewability, so results do not mean that rocket stove types do not have climate benefits, as the full picture is much more complicated and uncertain. The information presented in this thesis helps to have a more accurate picture of the climate and health impacts of residential burning of biofuels for cooking in the West African region. Moreover, it gives useful insights for the selection of the more appropriate technologies and it may be useful for stove designers to optimize environmental and health co-benefits of cooking solutions. Further laboratory and field studies of different cooking technologies and fuels are needed, covering different stove-fuel combinations, in other areas of West Africa, and also studying the seasonality effect on emissions to have more representative EF data to be used in emission inventories and climate prediction models.