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Análisis del flujo de materiales

El análisis de flujo de materiales ( AFM ), también conocido como análisis de flujo de sustancias ( AFS ), es un método analítico para cuantificar los flujos y las existencias d...

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El análisis de flujo de materiales ( AFM ), también conocido como análisis de flujo de sustancias ( AFS ), es un método analítico para cuantificar los flujos y las existencias de materiales o sustancias en un sistema bien definido . El AFM es una herramienta importante para estudiar los aspectos biofísicos de la actividad humana en diferentes escalas espaciales y temporales. Se considera un método fundamental de la ecología industrial o del metabolismo antropogénico , urbano , social e industrial . El AFM se utiliza para estudiar los flujos de materiales, sustancias o productos en diferentes sectores industriales o dentro de los ecosistemas . El AFM también se puede aplicar a una sola instalación industrial, por ejemplo, para rastrear los flujos de nutrientes a través de una planta de tratamiento de aguas residuales . Cuando se combina con una evaluación de los costos asociados con los flujos de materiales, esta aplicación del AFM orientada a los negocios se denomina contabilidad de costos de flujo de materiales . El AFM es una herramienta importante para estudiar la economía circular y para diseñar la gestión del flujo de materiales . Desde la década de 1990, el número de publicaciones relacionadas con el análisis de flujo de materiales ha crecido de manera constante. Entre las revistas revisadas por pares que publican trabajos relacionados con MFA se incluyen Journal of Industrial Ecology , Ecological Economics , Environmental Science and Technology y Resources, Conservation, and Recycling . [ 1 ]

Metodología

Motivación

Las necesidades humanas básicas, como vivienda, alimentación, transporte o comunicación, requieren materiales como madera, almidón, azúcar, hierro y acero, cobre o semiconductores. A medida que la sociedad se desarrolla y la actividad económica se expande , la producción, el uso y la eliminación de materiales aumentan hasta un nivel en el que los impactos no deseados en el medio ambiente y la sociedad ya no pueden ignorarse , ni a nivel local ni global. Los flujos de materiales son la base de problemas ambientales locales como la lixiviación de vertederos o los derrames de petróleo . La creciente preocupación por el calentamiento global sitúa un flujo de residuos que antes se consideraba irrelevante, el dióxido de carbono , en lo más alto de la agenda política y científica. El cambio gradual de la producción de materias primas a la minería urbana en los países desarrollados exige una evaluación detallada de las existencias de materiales en uso y obsoletos dentro de la sociedad. Por lo tanto, los científicos, las industrias, los organismos gubernamentales y las ONG necesitan una herramienta que complemente la contabilidad y la modelización económica. Necesitan un método sistemático para controlar y visualizar las existencias y los flujos de los materiales que entran, permanecen y salen de los diferentes procesos en la antroposfera . El análisis de flujos de materiales es uno de esos métodos.

Principios básicos

El MFA se basa en dos principios científicos fundamentales y bien establecidos: el enfoque de sistemas y el balance de masas . [ 2 ] [ 3 ] La definición del sistema es el punto de partida de todo estudio de MFA.

Definición del sistema

Sistema MFA básico sin cuantificación.
Un sistema MFA más general sin cuantificación.

Un sistema MFA es un modelo de una planta industrial, un sector industrial o una región de interés. El nivel de detalle del modelo se elige según el propósito del estudio. Un sistema MFA siempre consta del límite del sistema, uno o más procesos , flujos de materiales entre procesos y existencias de materiales dentro de los procesos. El intercambio físico entre el sistema y su entorno se produce mediante flujos que cruzan el límite del sistema. Contrariamente a la idea preconcebida de que un sistema representa una instalación industrial específica, los sistemas y procesos en MFA pueden representar entidades mucho más grandes y abstractas, siempre que estén bien definidos. La definición explícita del sistema ayuda al profesional a localizar la información cuantitativa disponible en el sistema, ya sea como existencias dentro de ciertos procesos o como flujos entre procesos. La descripción de un sistema MFA se puede refinar desagregando procesos o simplificar agregándolos.

Además de especificar la disposición de los procesos, existencias y flujos en la definición del sistema, el profesional también debe indicar la escala y el elemento o material indicador del sistema estudiado. La escala espacial describe la entidad geográfica que abarca el sistema. Un sistema que representa un sector industrial determinado puede aplicarse a Estados Unidos, China, ciertas regiones del mundo o al mundo en su conjunto. La escala temporal describe el punto en el tiempo o el intervalo de tiempo para el cual se cuantifica el sistema. El elemento o material indicador del sistema es la entidad física que se mide y para la cual se cumple el balance de masa. Como su nombre lo indica, un elemento indicador es un elemento químico determinado , como el cadmio, o una sustancia como el CO₂ . En general, un material o un producto también puede usarse como indicador siempre que se pueda establecer un balance de proceso para él. Ejemplos de indicadores más generales son bienes como automóviles de pasajeros, materiales como el acero u otras cantidades físicas como la energía .

El MFA requiere que los profesionales hagan un uso preciso de los términos "material", "sustancia" o "bien", como se establece, por ejemplo, en el capítulo 2.1 de Brunner y Rechberger, [ 4 ] una de las principales referencias para el método MFA.

  • Un elemento químico es "una sustancia química pura que consta de un solo tipo de átomo, distinguido por su número atómico". [ 5 ]
  • Una sustancia es «cualquier elemento o compuesto (químico) formado por unidades uniformes. Todas las sustancias se caracterizan por una constitución única e idéntica y, por lo tanto, son homogéneas». Del capítulo 2.1.1 de Brunner y Rechberger. [ 4 ]
  • Un bien se define como "entidad económica de materia con un valor económico positivo o negativo. Los bienes están compuestos de una o varias sustancias". Del capítulo 2.1.2 de Brunner y Rechberger. [ 4 ]
  • El término «material» en el MFA «sirve como término general para referirse tanto a sustancias como a bienes». Del capítulo 2.1.3 en Brunner y Rechberger. [ 4 ]
Un sistema MFA típico con cuantificación.

Balance del proceso

Uno de los principales objetivos del análisis de flujos de materiales (AFM) es cuantificar el metabolismo de los elementos del sistema. A diferencia de la contabilidad económica, el AFM también abarca los flujos de residuos no económicos, las emisiones al medio ambiente y los recursos naturales no comercializables.

Modelo de un proceso industrial en contabilidad económica (arriba) y en contabilidad física (abajo).

El balance de procesos es un principio físico fundamental que convierte al análisis de flujo de masas (AFM) en una potente herramienta de contabilidad y análisis. La naturaleza de los procesos del sistema determina qué balances se aplican. Por ejemplo, en una refinería de petróleo se puede establecer un balance de masas para cada elemento químico, mientras que esto no es posible en una central nuclear. Una planta de fabricación de automóviles respeta el balance del acero, pero una acería no.

Al cuantificar los sistemas MFA, ya sea mediante mediciones o a partir de datos estadísticos, es necesario verificar los balances de masa y otros balances de proceso para garantizar la exactitud de la cuantificación y detectar posibles inconsistencias en los datos o incluso conceptos erróneos en el sistema, como la omisión de un flujo o un proceso. La información contradictoria se puede conciliar mediante la validación y conciliación de datos , y el software STAN ofrece una funcionalidad básica de conciliación adecuada para muchas aplicaciones MFA. [ 6 ]

Ejemplos de aplicaciones en diferentes escalas espaciales y temporales.

Los estudios de análisis de flujo de materiales (AFM) se realizan en diversas escalas espaciales y temporales, y para una variedad de elementos, sustancias y bienes. Abarcan una amplia gama de cadenas de procesos y ciclos de materiales. Algunos ejemplos:

  • Análisis de flujos de materiales (AFM) a escala nacional o regional (también conocido como contabilidad de flujos de materiales ): En este tipo de estudio, se analizan los intercambios de materiales entre una economía y el medio ambiente natural. Se calculan varios indicadores para evaluar el nivel de intensidad de recursos del sistema. [ 7 ] [ 8 ]
  • El análisis del flujo de materiales (AFM) a lo largo de una cadena de suministro industrial involucra a varias empresas. Su objetivo es cuantificar y optimizar los procesos de producción para lograr un uso más eficiente de los materiales y la energía, por ejemplo, mediante el reciclaje y la reducción de residuos . Las empresas pueden utilizar los resultados del análisis del flujo de materiales para reducir sus costos operativos y mejorar su desempeño ambiental.
  • En el ciclo de vida de un producto : El inventario del ciclo de vida, cuya compilación es fundamental para la evaluación del ciclo de vida , sigue la metodología MFA, ya que se basa en una definición explícita del sistema y en balances de procesos.

Desarrollo histórico

  • El balance de masas o la conservación de la materia ya se postulaba en la antigua Grecia, y fue introducido en la química moderna por Antoine Lavoisier (cf. capítulo 2.1.3 en Brunner&Rechberger, [ 4 ] ), desde donde pasó a la ingeniería química y finalmente a la ciencia ambiental.
  • Otras contribuciones fundamentales fueron realizadas por Sanctorius y Theodor Weyl .
  • Dennis Meadows dio a conocer a un público amplio la base física de la economía cuando fue coautor del bestseller Los límites del crecimiento en 1971. Meadows y otros basaron sus predicciones en un análisis de las reservas de recursos; véase en el glosario de ciencias ambientales .
  • La metodología del AFM se desarrolló durante las décadas de 1980 y 1990. Su desarrollo tuvo lugar simultáneamente en diferentes grupos de investigación. Entre las publicaciones centrales sobre la metodología del AFM se incluyen Baccini y Bader (1996), [ 9 ] Brunner y Rechberger (2004), [ 4 ] Baccini y Brunner (2012), [ 10 ] y van der Voet et al. (2002). [ 11 ]
  • Friedrich Schmidt-Bleek, que trabajaba en el Instituto Wuppertal, [ 12 ] desarrolló el concepto de Entrada de Material por Unidad de Servicio (MIPS) relacionado con el MFA. [ 13 ]
  • Stefan Bringezu especificó este concepto en el análisis del flujo de materiales a nivel de toda la economía, [ 14 ] como herramienta de selección para la evaluación del ciclo de vida del producto [ 15 ] dentro de un marco de escalas múltiples. [ 16 ] Definió indicadores como Requerimiento Total de Materiales [ 17 ] (anteriormente Entrada Total de Materiales) [ 18 ] y Entrada de Materias Primas, [ 19 ] que se utilizan para cuantificar la Huella Material de los productos, [ 20 ] [ 21 ] las infraestructuras [ 22 ] y los países. [ 23 ]
  • El Panel de Recursos del PNUMA [ 24 ] fue creado en 2007 por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. De forma análoga al Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático ( IPCC ) [ 25 ], reúne a expertos de diversas disciplinas e instituciones para revisar el estado actual de la investigación sobre el metabolismo social y comunicar los hallazgos más recientes a los responsables políticos y las partes interesadas.

Desarrollos recientes

  • Los conceptos de AFM se han incorporado o se están incorporando en las cuentas nacionales de varios países y regiones, como la UE [ 26 ] y Japón. [ 27 ] El AFM también se utiliza en el Sistema Integrado de Contabilidad Ambiental y Económica .
  • Varias conferencias internacionales u otras reuniones proporcionan una plataforma para que los investigadores y los responsables políticos se reúnan e intercambien resultados e ideas, incluido el Foro Mundial de Recursos , [ 28 ] una conferencia internacional bienal sobre análisis de flujo de materiales y desarrollo sostenible.
  • El análisis de flujos de materiales (AFM) basado en el análisis de insumo-producto de residuos ( WIO -MFA) es un enfoque diseñado para establecer un sistema integral de AFM para toda la economía. Esto se logra mediante la utilización de tablas de insumo-producto (IO) monetarias y la incorporación de información física relacionada con los insumos materiales. El método integra a la perfección el AFM con los modelos de insumo-producto, ofreciendo una manera sencilla de transformar los flujos monetarios dentro de una tabla de insumo-producto en flujos físicos distintos categorizados por materiales. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] El WIO-MFA sirve como ejemplo ilustrativo de AFM basado en el análisis económico de insumo-producto.
  • El Instituto de Investigación para la Europa Sostenible (SERI) en Viena, Austria, ha desarrollado una base de datos llamada material flows.net. [ 33 ]
  • El MFA dinámico busca la cuantificación a largo plazo de los sistemas MFA y utiliza patrones de desarrollo históricos de existencias y flujos físicos para crear escenarios robustos para los años y décadas venideros. [ 34 ]
  • El modelo MaTrace, una variante del Análisis Dinámico del Flujo de Materiales (MFA), está diseñado para rastrear la trayectoria de los materiales a lo largo del tiempo y a través de diferentes productos dentro de sistemas de reciclaje de ciclo abierto. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] Este modelo considera explícitamente las pérdidas y la calidad de los materiales de desecho. MaTrace se centra en monitorear el recorrido de los materiales presentes inicialmente en un producto final, como un automóvil de pasajeros. Este seguimiento abarca varias etapas de la vida, incluido el procesamiento de fin de vida (EoL), que implica recolección, desmontaje/demolición y clasificación/separación en chatarra. Posteriormente, hay procesos metalúrgicos como la refundición y/o fundición, donde la chatarra se transforma en materiales secundarios. Luego, los materiales se someten a la fabricación de productos, extendiéndose más allá de los automóviles de pasajeros. Finalmente, el modelo considera la acumulación de estos materiales como existencias, con pérdidas que ocurren en cada fase de transformación y uso.
  • Japón se ha convertido en un centro neurálgico para la investigación en análisis de flujos de materiales (MFA). El país cuenta con escasos recursos minerales y, por lo tanto, depende de la importación de portadores de energía, minerales y otras materias primas. El gobierno japonés fomenta la investigación sobre los ciclos de los materiales y también impulsó el concepto de las 3R. [ 42 ]

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Un MFA de última generación consta de los siguientes pasos: [ 4 ]

  • Defina el sistema de forma explícita: especifique sus límites geográficos y temporales, los procesos (que pueden incluir existencias) y los flujos. Especifique el material que se cuantificará (producto, sustancia o elemento indicador). Asegúrese de que cada existencia esté asociada a un proceso y que cada flujo conecte un proceso con otro. Los flujos también pueden comenzar o terminar fuera de los límites del sistema.
  • Defina y nombre las variables del sistema. Estas variables incluyen: todos los inventarios dentro de los procesos, todos los flujos entre procesos y todos los flujos que provienen del exterior o se dirigen fuera de los límites del sistema. En ocasiones, no se consideran los inventarios y solo interesan las variaciones netas de los mismos. Para cada variable, debe quedar claro si se trata de un inventario o un flujo, y esta distinción debe reflejarse en los nombres y en los símbolos matemáticos elegidos.
  • Cuantifique las variables del sistema vinculándolas con la literatura, las mediciones o los datos modelados.
  • Realizar una comprobación del balance de masas para todos los procesos y para el sistema en su conjunto.
  • Opcional: Visualice su sistema utilizando el esquema de cajas y flechas que se muestra arriba o utilizando diagramas de Sankey .
  • Documente el análisis de flujo de masas (AFM) informando la definición explícita del sistema junto con la lista de variables del sistema cuantificadas y las verificaciones del balance de masas.

La diferencia entre el análisis de flujo de materiales y el análisis de flujo de sustancias

Si bien el término «sustancia» en «análisis de flujo de sustancias (SFA)» siempre se refiere a sustancias químicas, el término «material» en «análisis de flujo de materiales (MFA)» tiene un alcance mucho más amplio. Según Brunner y Rechberger [ 4 ], el término «material» comprende sustancias Y bienes, y la razón de este amplio alcance es el deseo de aplicar el MFA no solo a elementos o sustancias químicas, sino también a materiales como acero, madera o productos como automóviles o edificios. Por lo tanto, es posible realizar un MFA para la flota de vehículos de pasajeros registrando los vehículos que entran y salen de la fase de uso.

Relación con otros métodos

El MFA complementa los otros métodos centrales de ecología industrial , como la evaluación del ciclo de vida (ACV) y los modelos de entrada-salida (E/S) . [ 43 ] Existen algunas superposiciones entre los diferentes métodos, ya que todos comparten el enfoque sistémico y, en cierta medida, el principio de balance de masas. Los métodos difieren principalmente en su propósito, alcance y requisitos de datos.

Los estudios de análisis de flujo de materiales (AFM) suelen abarcar el ciclo completo (extracción, producción, fabricación, uso y gestión de residuos) de una sustancia dentro de un límite geográfico y un período de tiempo determinados. Las existencias de materiales se especifican claramente en el AFM, lo que hace que este método sea adecuado para estudios relacionados con la escasez de recursos y el reciclaje de chatarra. El uso común de series temporales (modelado dinámico) y modelos de vida útil convierte al AFM en una herramienta idónea para evaluar las tendencias a largo plazo en el uso de materiales.

  • En comparación con los análisis de insumo-producto (IO), el número de procesos considerados en los sistemas de análisis de flujo de masas (MFA) suele ser mucho menor. Por otro lado, el balance de masas garantiza que los flujos de subproductos o residuos no se pasen por alto en los estudios MFA, mientras que en las tablas IO estos flujos a menudo no se incluyen debido a su falta de valor económico. Los modelos físicos de IO son mucho menos comunes que las tablas económicas. Sin embargo, WIO-MFA permite transformar los flujos monetarios dentro de una tabla IO en flujos físicos distintos categorizados por materiales, incluyendo el flujo de subproductos y residuos (consulte la sección anterior para obtener detalles sobre WIO-MFA). Las existencias de materiales no están cubiertas por el análisis IO, solo la adición a la existencia puede incluirse en forma de acumulación de capital .
  • Los inventarios del ciclo de vida registran la demanda de muchos materiales diferentes asociados a productos individuales, mientras que los estudios de análisis de flujo de materiales (AFM) suelen centrarse en un único material utilizado en muchos productos diferentes.

Véase también

Referencias

  1. ↑ "Recursos, Conservación y Reciclaje" .
  2. ↑ Marina Fischer-Kowalski, La historia intelectual del análisis del flujo de materiales, parte I, 1860-1970, Journal of Industrial Ecology 2(1), 1998, pp 61-78, doi : 10.1162/jiec.1998.2.1.61 .
  3. ↑ Marina Fischer-Kowalski, La historia intelectual del análisis del flujo de materiales, parte II, 1970-1998, Journal of Industrial Ecology 2(4), 1998, pp 107-136, doi : 10.1162/jiec.1998.2.4.107 .
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  41. ↑ Helbig, Christoph ; Kondo, Yasushi; Nakamura, Shinichiro (2022). "Seguimiento simultáneo del destino de siete metales a nivel global con MaTrace-multi" . Journal of Industrial Ecology . 26 (3): 923– 936. Bibcode : 2022JInEc..26..923H . doi : 10.1111/jiec.13219 . ISSN 1088-1980 . 
  42. ↑ "3R en Japón" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
  43. ↑ Gao, Jiyao; You, Fengqi (2018). "Marco de optimización del ciclo de vida basado en el análisis dinámico del flujo de materiales y su aplicación al diseño sostenible de sistemas de energía de gas de esquisto". ACS Sustainable Chemistry & Engineering . 6 (9): 11734– 11752. doi : 10.1021/acssuschemeng.8b01983 . S2CID 105839057 . 

Lecturas adicionales

  • Baccini, P.; Bader, H.-P. (1996). Regionaler Stoffhaushalt . Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Alemania). ISBN 978-3-86025-235-2.
  • Base de datos de CSIRO y UNEP sobre flujos de materiales y productividad de recursos para Asia y el Pacífico.
  • materialflows.net : portal en línea para datos de flujo de materiales, que proporciona acceso a conjuntos de datos de flujo de materiales a nivel nacional.
  • El MFA se describe con gran detalle y se publica en 166 páginas en el primero de cuatro volúmenes impresos coeditados con la ayuda del PNUMA y en formato digital por la OCDE.
  • Software gratuito para análisis de flujo de materiales STAN
  • Análisis e indicadores del flujo de materiales en toda la economía
  • Análisis del flujo de materiales en el contexto de la contabilidad ambiental.
  • Herramienta de análisis de flujo de materiales en línea (OMAT) : software en línea para administrar un análisis de flujo de materiales.