y regulaciones (0 restricciones) ambientales pueden ser estimulos para innovaciones y optimizaciones que permiten reducir costos (Porter y van der Linde 1996).

2000 2100

24 24

5,9 8,8

7000 X2 14000

0,6 0,2

Figura 3. Ejemplo para la f6rmula de Ehrlich (Fuente: Hoffman & Kuss 2009)

Conocimiento en Ingenieda

Soluciones soste nibles - Optim iza cion eficiencia - Optimizacion consistencia

Cambio de perspectiva -> Innovaciones -> Ahorros

Desarro llo Sosten ible

Figura 4. Conocimiento en Ingenieria y Desarrollo sostenible (Elaboraci6n propia)

8.2.1. SOLUCIONES SOSTENIBLES

Las areas para soluciones sostenibles son casi ilimitadas. Desde la generacion de energia y la extraccion de materias primas, pasando por la produccion y el uso de productos; hasta la el iminacion de los residuos, las posibilidades para mitigar los impactos ambientales son transversales a todos los sectores y procesos.

Los avances de los uitimos anos en la tecnologia de energias renovables son muy impresionantes. Las optimizaciones de paneles fotovoitaicos y de transformacion de energia termica solar; de las plantas eolicas y de tratamiento de biomasa muestran, que es posible, si hay suficiente inversion, avanzar en una direccion mas sostenible .

En la mineria tambien existen iniciativas , que estan representadas principalmente en regulaciones que promueven el establecimiento de procesos mas limpios, y casi todas las empresas grandes de este sector ya cuentan con un departamento de sostenibilidad. Pero los estimulos para la investigacion y la adopcion de innovaciones no parecen suficientes, por 10 que muchas empresas prefieren asumir los costos (multas 0 impuestos) y esperar hasta que las presiones externas sean mas

156

contundentes, 0 hasta que se establezca un sello de extraccion limpia para el producto final.

Un gran sector para soluciones sostenibles es la disposicion final de residuos. EI tratam iento, la separacion y el reciclaje de resid uos no solo reducen la canti dad de basuras para los botaderos 0 las plantas incineradoras, sino que tambiem producen materias primas complementarias. La meta debe ser una ecolog [a industrial (Industrial ecology (Hoffmann y Kuss 2009)) en la cual - correspondiente con el ecosistema real - el residuo de un proceso casi siempre es la materia prima de otro.

En todos los procesos y sectores existe el tema de la eficiencia tanto energetica como de materiales. Todavia hay un potencial enorme. como muestra la figura siguiente; existen estimaciones solidas del potencial quedando para optimizar en total hasta el factor diez (W uppertal Institut 2012). Las optimizaciones de eficiencia tienen la ventaja de que normal mente si rven ta nto a intereses economicos como ecologicos.

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Figura 5. Perdidas de eficiencia en provisi6n de agua (Lovins 2005)

EI desarrollo sostenible no solo se trata de protecci6n med io ambiental; tambien existen soluciones tecnicas C,Jn una meta directa mente social, como el proyecto "On e Laptop Per Child" (OLPC). En este proyecto han desarrollado un portatil muy barato y robu sto para reduci r la brecha digital y entregar computadores a ninos en regiones poco desarrolladas. Otros ejemplos para impactos socia les de ingenieria son el recambio de materiales con muchos confli ctos (p. ej. aceite de pa lma de indonesia). y los programas de voluntarios dentro del marco de RSE.

8.2.2. CAMBIO DE PERSPECTIVA

Ver cosas desde otro punto de vista lIeva frecuentemente a nuevas preguntas, descubrimientos e ideas. La perspectiva de sostenibi lidad incluye - al contrario de la pura perspectiva economica - tambien las consecuencias ecologicas y sociales, y tiene por naturaleza una vision de largo plazo . La producci6n mas optimizada con esta perspectiva - una produccion sostenible - serra la creacion de productos que utilizan procesos y sistemas que son (Lieber 20 10):

• No contaminantes. • Usan excl usiva y eficientemente recursos renovables y reciclados.

157

• Seguros y sa ludables para los trabajadores, las comunidades y los consumidores.

• Social y creativamente grati ficante para todos los trabajadores. • Econ6micamente viables a largo plazo.

Optimizaciones en esta direcci6n serian un progreso sostenible de verdad. La perspectiva de sostenibilidad ya ayud6 a hacer optimizaciones que son mucho mas que s610 mejorar un producto, porque no s610 pregunta por la funci6n del prod ucto sino tambien por la necesidad del consumidor sobre dichos productos. Ejemplos de estas optimizaciones son los nuevos conceptos como "car-sharing" 0 el leasing de baterias para coches electricos (Better Place 2012), pero tambien nuevos segmentos de productos como las gaseosas biol6gicas en Alemania.

EI aspecto de la sostenibilidad debe entrar en todas las fases del quehacer de la ingenieria , dado que ya en el diseno se determina el 80% de los costos e impactos ambientales (Hopfenbeck y Jasch 1995); pero tambien en la implementacion, el funcionamiento 0 el mantenimiento hay muchas posibi lidades de mejorar tanto los impactos ambientales como los gastos pecuniarios.

Por eso es una tendencia muy plausible, que los principios y metodos del desarrollo sostenible se incluyen cada vez mas transversalmente en ensenanza de la ingenieria. Un buen ejemplo de esto es el programa de formacion que ofrece el Tecnologico de Monterrey en Mexico (Tecnologico de Monterrey 2012), como "Ingeniero en Desarrollo Sostenible", que dentro de su plan de estudios ofrece las siguientes areas del conocimiento: generacion sostenible y uso eficiente de energ ia; manejo de emisiones; reciclaje y uso eficiente del agua y de los residuos; y responsabilidad ambiental y social.

Por fal ta de integracion de la perspectiva sostenible , hasta ahora muchas de las soluciones ambientales en la industria son puntuales 0 se ubican exclusivamente "al fin de tu bo". Con filtros y otros tratamientos de agua, aire y otros materiales residuales se trata de proteger el medio ambiente y a veces la motivaci6n mas fuerte para esto es cumplir con leyes y regulaciones. Pero esta opcion es la peor en el largo plazo y casi nunca se ve como una optimizaci6n del proceso en general, porque todos los sistemas de tratamiento necesitan energia y recursos adicionales para su fu ncionamiento. La mejor opcion para optimizaciones sostenibles siempre es analizar un sistema completo. En el contexto del desarrollo sostenible se forma ban metodos que soportan este enfoque.

8.3. METODOS DEL DESARROLLO SOSTENIBLE PARA OPTIMIZACION

8.3.1. ANAuSIS DE FLUJOS DE MATERIALES

EI analisis de flujos de materiales (AFM, en ingles: Material flow analysis MFA) surgio en los afi os 90·s como un metodo de hacer eco balances . Un eco balance es un inventario de todos los elementos entrando y saliendo de un sistema, y la evaluacion de los impactos ambientales resultantes. Un sistema en este caso puede significar una entidad con limites definidos (ej . una empresa), 0 toda la cadena de produccion de un producto (extraccion , produccion, usc, el iminacion ). Para sistemas pequenos el inventario puede ser elaborado con hojas de calculo u otras herramientas basicas;

158

pero para sistemas complejos como una empresa grande con interes de un analisis detallado, se necesita crear modelos (Schmidt , Stoffstromanalysen in Okobilanzen und Oko-Audits 1995).

Todos los sistemas de produccion y consumo pueden ser representados como modelos de flujos. Para todos los procesos en un sistema se establecen los balances de entradas y salidas de materiales , entendidos como materias primas, energia, productos, residuos, y en general todos los elementos que intervienen en cada proceso. La red de flujos resultante se puede usar para analisis del sistema real.

Entradas Sa lidas

Materias primas Producto

CoproductosEnergfa

EmisionesMateriales auxiliares

ResiduosBienes intermedios

etc. L--____ --l etc .

Figura 6. Entradas y salldas de un proceso (Fuente : Schmidt 1995)

Procesos prel1minares Flujo de reclcia,e

Figura 7. Modelo de flujos de materiales de una empresa (Fuente: Schmidt 1995)

Modelos de flujos de materiales y energia sirven como base de informacion para varias, parcialmente solapantes funciones:

• Los modelos de fluj os en un nive l regional 0 nacional sirven para sustentar la toma de decisiones politicas adecuadas. (OECD 2008).

• La gestion de flujos de materiales y energia ha side catalogada como la influencia metodica , responsable , integral y eficiente de sistemas de materiales. Se usa el AFM para la optimizacion de eficiencia e impactos ambientales. Varias empresas ya usan esta forma de gestion para armonizar materiales y establecer ciclos cerrados.

• EI analisis de flujos de costos de materiales y residuos (en ingles: Material Flow Cost Accounting - MFCA) es una extension del AFM que incluye los costos de materiales y de produccion en el modelo; y con este se puede zanali1Jcomposicion de gastos para productos y residuos y descubrir poten .

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mejoras tanto economicas como ecologicas.

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Figura 8. Analisis de flujos de costos, materiales y residuos (Prox 2010)

• Los sistemas de gestion ambiental (ej. ISO 14001) necesitan una base de informacion general para medir los impactos ambientales que se infringen, identificar los procesos con impactos significativos y a partir de allf implementar la mejora continua (PHVA).

• Con un modele de flujos en una empresa (0 una de sus sedes) se pueden calcular muchos de los datos necesarios en un reporte ambiental (ej . el reporte GRI (GRI 2012)), 0 para el cumplimiento de regulaciones . Los datos tambiEm sirven para la calificacion para la adquisicion de sellos (ej. huella de carbon).

• Como ya se ha descrito antes, el AFM se puede usar para hacer el inventario de las entradas (gastos) y salidas (productos, residuos) , para generar un eco balance . Hay programas (software) para hacer AFM que ya incluyen la evaluacion de impactos ambientales, para un tipo de proceso determinado, que implique un inventario de materiales y tipos de energfa determinados. Los eco balances, ademas de brindar a las companfas la informacion referente a flujos de materia y energfa , y de impactos ambientales relacionados con un proceso especffico; 10 cual les permite escoger la opcion de proceso 0 producto mas ecologico; les permiten comunicar a los grupos de interes esta informacion de manera eficaz.

• La razon mas importante para la compra de un software que permita hacer AFM , es la optimizacion de los procesos . Muchos programas para AFM ofrecen la posibilidad de simular varios escenarios 0 planear procesos nuevos. Con la transparencia de gastos y residuos en cada paso del sistema, se pueden identificar ocasiones para reusar energfa 0 materiales y mejorar los impactos economicos yecologicos.

8.3.2. ANALISIS DE CIClO DE VIDA

EI analisis del cicio de vida de un producto (ACV, en ingles: life cycle analysis 0 life cycle assessment, LCA) es un eco balance que incluye todos los procesos relacionados con dicho producto, desde la extraccion de materias primas hasta la eliminacion de residuos (de la cuna a la tumba), y se diferencia de eco balances tipo Input/Output en varios aspectos, como muestra en la figura siguiente .

160

Balance producto (lCA/ACV)

Objeto de balance Empresa, proceso, sistema Producto, servicio

Uso Optimizacion, Documentacion, Seleccionar entre alternativas Comunicacion (Empresa, Politica) (Consumidor, Politica)

Principio de inclusion Periodo Principio del causante

Vehiculo de inclusion Perlodo Unidad funcional

Dimensi6n de tiempo Periodo Cicio de vida

Umites Arbitrario (docu mentado I) Cicio de vida (documentadol)

Comparable con ... Contabilidad peri6dico C~lculo de gastos totales

Normalizacl6n ISO 14040 (parcial) ISO 14040

Normas para carbono ISO 14064 (CCF) ISO 14067, PAS 2050 (PCF)

Figura 9. Comparaci6n de los tipos de eco balances (Elaboraci6n propia)

Figura 10. Modelo de flujos de materiales para un producto (Fuente: Schmidt 1995)

Un ACV esta compuesto por cuatro fases:

Primero se definen la meta, el objeto y los limites del analisis. Estas definiciones, sobre todo la unidad funcional cuantificada (ej . 333m I de gaseosa), es muy importante para poder comparar los resultados .

En el segundo paso se elabora el inventario. Este se puede hacer con un AFM. EI resultado de este paso es una lista de sustancias de entrada y salida, con sus respectivas cantidades. Despues se analizan los impactos de cada sustancia, categorizandolos segun varias categorias, por ejemplo efecto invernadero, acidificaci6n, toxicidad para personas 0

uso del suelo .

En la fase final se hace una interpretaci6n de los resultados. Se comparan los valores obtenidos con niveles criticos 0 totales; 0 se contraponen con otros productos de la misma unidad funcional.

161

--

Objetivos y alcance del estudio

(ISO 14041)

1 -. Analis is del Inventario

... -

~ -..

-.. ~

Interpretaci6n (ISO 14041) (ISO 14043)

t 1 Analisis del Impacto

(ISO 14042)

Figura 11. Fases de una ACV (Fuente: Rieznik & Hernandez 2005)

EI calculo de la huella de carbono es un caso especial de ACV, que solo tiene una categoria de impacto, el efecto invernadero . Todos los procesos se examinan exclusivamente para la absorcion 0 emision de gases del efecto invernadero (GEl).

8.3.3. UMBERTO - DEMONSTRACION DE SOFTWARE PARA AFM Y ACV

Existen varios programas en el mercado para elaborar modelos de flujos de materiales y energia. En este texto se muestra el programa Umberto, que esta basado en una red de Petri y por eso ofrece buenas opciones para simular procesos complejos. Ademas tiene incluidas las opciones de hacer eco balances completos y de analizar flujos de costos (MFCA). EI modelo de los flujos en Umberto consiste de una red de transiciones (0 procesos) en los cuales se requ ieren materiales y energia; que estan conectados entre si. Segun las reglas de la red de Petri siempre se deben conectar procesos con lugares y viceversa, nunca dos elementos del mismo tipo .

P2. Energia

Pl MaleneJes

T1\ Maneado

) P4. Residuos

1 • P3 Matta

P7 . Emlslones

o Empalme entre das procesas o Entrada

(]) Salida Procesa (presentada tambit'm can icanas) D Figura 12. Ejemplo de una red de flujos de materiales en Umberto (Elaboraci6n propia)

162

• •

Las transiciones representan transformaciones de materiales y energ ia, los lugares sirven como fronteras del sistema 0 como bodegas entre las transiciones. EI intercambio de materiales y energia s610 se realiza a traves de las conexiones yen la direcci6n indicada. Para facilitar una visi6n conjunta y al mismo tiempo un modelo muy detallado (hasta reacciones quimicas), la red ofrece una estructura jerarquica y las transiciones tambien pueden ser subredes completas.

Despues de modelar la estructura del sistema analizado con todas las transiciones y los flujos entre los cuales, se puede especificar que pasa dentro de cada una de las transiciones. Primero se especifican los materiales y energ ias que entran y salen . Umberto ofrece una biblioteca de materiales predefinidos pero tambien se puede administrar sus propios materiales. Luego se particularizan las transformaciones que se realizan en este proceso. Existe la posibilidad de especificar los coeficientes de entradas y sal idas, 0 emplear una programaci6n que puede representar las relaciones mas complejas. La figura siguiente muestra un ejemplo de un proceso de transformaci6n d cebada en malta, necesitado para elaborar cerveza 0 whisky.

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P4 It. Resid!os orgMi<X0 2 A Calor 20 IU

X03 P2 ll. Luz 100 k.l

Figura 13. Especificacion de un proceso en Umberto (Elaboracion propia)

Con la estructura y las especificaciones en las transiciones completas, 5610 falta una cosa mas por calcular: una constante que determine las magnitudes de los fl ujos. Con Umberto es posible calcular la cantidad de salidas con una entrada especificada 0 las entradas necesitado para producir una salid especificada . Para un ACV se especifica la cuantidad de la unidad funcional que representa el producto seleccionado, en el ejemplo del malteado podria ser 100kg de malta . Despues del calculo se pueden representar las cantidades de los f1ujos de materiales, de la energia 0 de los costos graficamente en un diagrama de Sankey.

P2 En9fgfa

o P6· ProduclosP1 Ma~a

• Agua

Cebada

Malta 0 0

Agua residualL P7· mlsiones Residuos organicos

Diesel

•••• Verbindungen. anor~

Figura 14. Diagrama de Sankey en Umberto (Elaboracion propia)

163

Ademas se puede acceder al balance de materiales para el sistema 0 un subsistema seleccionado. Los datos del balance se pueden exportar a Excel 0 representar directamente. Umberto incluye unos sistemas de evaluaci6n ecol6gica, (ej. la del ministerio del medio ambiente de Alemania) pero tambiEm presenta la posibilidad de crear nuevas evaluaciones.

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Figura 15. Ejemplo balance y valuaci6n en Umberto (Elaboraci6n propio)

Especialmente para calcu lar hue lias de carbono existe una versi6n de Umberto que se llama "Umberto for Carbon Footprint", que soporta huellas de carbona para productos y empresas y ya incluye bancos de datos ecol6gicos como ecoinvent (ecoinvent 2012) que ofrece las huellas de carbona para muchos procesos (como transporte) y muchos productos intermedios.

8.4. EJEMPLOS p RACTICOS

Existen muchos ejemplos para optimizaci6n tanto ecol6gica como econ6mica con el apoyo de AFM y ACV. Ya la transparencia de los gastos y residuos que viene con un modele de flujos, y la conciencia de las perdidas resultantes puede generar ahorros significativos.

Los categorias mas importantes para las optimizaciones con uso de AFM y ACV son : eficiencia energetica y de materiales , diseno para reciclaje (0 eco diseno) y el tratamiento de residuos.

Un buen ejemplo para el uso eficiente de recursos a gran escala es la producci6n integrada de BASF en Ludwigshafen . Por analisis de los procesos y de los flujos de materiales y energia, se encontraron muchas posibilidades de utilizaci6n simultanea y de reutilizaci6n de recursos en diferentes procesos . Basados en estos resultados, BASF estima ahorros anuales de 500 millones de euros (Hoffmann y Kuss 2009).

En cooperaci6n con empresas de chatarra BMW desarroll6 un coche completamente reciclable . En una aplicaci6n de ecodiseno los materiales y el modo de construcci6n fueron optimizados para el desmantelamiento y la reutilizaci6n de partes. Con este ejemplo BMW pudo hacer lobbying entre el gobierno en Alemania para aprobar una ley

164

que hace la posibilidad de reutilizacion de 85% de coches obligatorio. Con esta ley BMW gano una grande ventaja en la competencia.

Las dos categorias mostradas anteriormente como ejemplo, ya presentan una reduccion en la generacion de residuos con estrategias de eficiencia y consistencia; pero tambien para el tratamiento de residuos , los metodos presentados implican grandes aportes para mejoras. Con ACV se puede determinar el tratamiento mas ecologico y con AFM se pueden anal izar y mejorar los procesos individuales .

A continuacion se presentan algunos ejemplos de usa de AFM y LCA mas detallados.

8.4.1. AFM PARA TRATAMIENTO DE AIRE RESIDUAL (Thir..en y van Look 2011 )

En un proceso de produccion quimica , se origina agua a partir del proceso contaminado con hidrocarburos halogenados (HCH . Partes de HCH salen en pasos diferentes con el aire resid ual, la parte restante entra con el agua en otra vuelta del proceso de produccion . Para limpiar el aire antes de su salida al medio ambiente, se habia proveido inicialmente un sistema de tratamiento de aire muy costoso.

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Figura 16. Modelo del tratamiento de aire - antes (Fuente: Thif!,en & v.Loock)

165