Introducción al Análisis de Ciclo de Vida (y otras...

Introducción al Análisis de Ciclo de Vida

Dr. Julio C. Sacramento Rivero Facultad de Ingeniería Química, Universidad Autónoma de

Yucatán, Mérida, México

Curso: Análisis de ciclo de vida de sistemas de producción de bioenergía | IV Reunión Nacional de la RTB | 15 nov 2017

Estamos en tiempos de crisis

¿Cómo podemos mejorar nuestro plan actual?


Pensar en el Ciclo de vida

Enfoque en el ciclo de vida (Life-Cycle Thinking)

Extracción

de materias

primas

Diseño y

Producci

ón

Empacad

o y

Distribuci

ón

Uso y

Mantenimient

o

Reutilizació

n

Reciclaje de

materiales y

componentes

Desecho

Incineración y

Relleno

Sanitario

Recurso

s

naturales

Recuperaci

ón


Pensar en el Ciclo de vida

En parejas, leer “Los orígenes y caminos de una lata de cola”

Identificar en este diagrama DÓNDE ocurre cada etapa y CUÁNTO DURA

Cuando sea posible, identificar flujos de materia y energía en cada etapa y para el ciclo completo.

Extracción

de materias

primas

Diseño y

Producci

ón

Empacad

o y

Distribuci

ón

Uso y

Mantenimient

o

Reutilizació

n

Reciclaje de

materiales y

componentes

Desecho

Incineración y

Relleno

Sanitario

Recurso

s

naturales

Recuperaci

ón


Análisis de Ciclo de Vida

Herramienta para evaluar cuantitativamente el desempeño ambiental de productos y procesos hechos por el hombre

1960’s y 1970’s – Estudios para optimizar el uso de energía en varias etapas



vs

1969 (H.E. Teastley) – Primer estudio moderno multicriterio



1993 – EEUU Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC) estandariza el procedimiento

1997 y 2006 – International Standards Office (ISO) complementa la estandarización: ISO 14040 y 14044

Áreas de protección ambiental Salud humana Recursos naturales Entorno natural Entorno antropogénico (man-made environment)



Adquisición de materias primas

Procesamiento

Transporte

Manufactura

Uso

Manejo de residuos

Recursos: materiales, energía, etc.

Emisiones e impactos i.e. agua, aire, etc.



1. Metas y alcances

2. Análisis de Inventario

3. Evaluación del Impacto

Clasificación / Caracterización

Normalización/ Agrupación/ Ponderación*

4. Interpretación

Proceso en cuatro etapas


Ejemplo: ACV de bombas de agua

Bombas centrífugas en sistemas de enfriamiento/calentamiento con agua (WSHP)

5-10% del total de

demanda de energía en la UE-27



1. Definición de metas y alcances

Propósito del análisis

Las fronteras del sistema

Unidad funcional

Suposiciones



1. Definición de objetivos y alcance

“Cuantificar los impactos ambientales asociados al ciclo de vida de una bomba WSHP típica, incluyendo los efectos de su reciclado de acuerdo a diferentes escenarios de gestión de residuos”

Unidad funcional: 1 bomba



Diagrama de flujo del sistema: Método “cut-off” (ISO 14040) Los impactos del

reciclado se asignan al proceso que haga uso de los materiales reciclados

La etapa de reciclaje de los elementos queda fuera, pero incluye el uso de materiales reciclados de otros procesos anteriores



2. Análisis de inventario Cantidad y composición de los flujos de materiales y energéticos

El tipo de datos es MUY importante: Periodo de tiempo Origen geográfico y de tipo (experimental, promedio, modelado) Reglas de atribución (si se usaron)

Bases de datos comerciales Ecoinvent ELCD US-LCI Agro-footprint Muchas más

Muchas veces, tener datos “pobres” es mejor que ¡no tenerlos! Análisis de sensibilidad



Composición promedio de una bomba WSHP



2. Inventario: Esquema



2. Inventario: Consideraciones

Flujo de 860 L/h de agua a 75°C, operando en un sistema de 15 kW de carga

Carga de bombeo: 2 m

Operación: 285 días/año

Tiempo de vida: 10 años

Energía consumida: 217 kWh/año (electricidad)



2. Inventario: Consideraciones

Mezcla de energía EU-25



2. Inventario de Ciclo de Vida: Consideraciones En teoría el 98% del material es reciclable

Es impráctico desensamblar para reciclar.

ESCENARIO 1: Se reciclan los metales (79.1%), manual de instrucciones y embalaje (6.5%) y se envía al relleno sanitario el resto (14.4%)

ESCENARIO 2: Se envía al relleno sanitario la bomba completa (100%)

En ambos casos: 100 km de transporte al relleno sanitario



1. Metas y alcances





4. Interpretación



De las emisiones a las áreas de protección


Calentamiento global

Acidificación

Eutrofización

Eco-toxicidad

Merma recursos abióticos

Merma capa de ozono

Formación de smog

Toxicidad humana

Radioactividad ionizante

Ruido

Uso de suelo

Material particulado

Categorías de impacto ambiental




Leer “Definiciones de algunos impactos ambientales” y responder: ¿Cuáles son las áreas de protección a las que afecta

esta categoría de impacto?

Mencione un ejemplo de efectos negativos de la categoría de impacto sobre cada área de protección.

¿Cuáles son las principales sustancias (presentes en las emisiones) que provocan el impacto?

¿Cuál es la sustancia de referencia que se utiliza para caracterizar la categoría de impacto?


3. Evaluación del impacto: Categorías de impacto Merma de recursos abióticos Merma de recursos bióticos Merma del recurso agua Requerimientos de energía primaria comercial Uso de tierra

Aumento del calentamiento global Acidificación Merma de la capa de ozono Eutrofización de cuerpos de agua Oxidación fotoquímica y formación de ozono troposférico Toxicidad para el hombre Toxicidad para el ambiente (Eco-toxicidad)

Rec

urs

os

Co

nse

cue

nci

as


3. Evaluación del impacto


Resultados AI


Ponderación

SO2 NOx HCl etc.

NOx NH3

P etc.

CO2 CH4

CFCs etc.

Acidificación

Eutrofización

Calentamiento Global

Índice

H+

N

CO2



3. Evaluación de Impacto

Categoría Unidades Producción Transporte Uso Gestión de residuos ESC 1/ 2

TOTAL ESC 1/2

AD Merma Recursos Abióticos

kg Sb eq. 0.0 0.0 6.2 0.0 / 0.0 6.3 / 6.3

AP Potencial Acidificación

kg SO2 eq.

0.0 0.0 7.6 0.0 / 0.0 7.7 / 7.7

EP Potencial Eutrofización

kg PO43- eq.

0.0 0.0 0.3 0.0 / 0.0 0.3 / 0.3

GWP Potencial de Calentamiento Global

kg CO2 eq.

5.6 0.0 1,224 0.2 / 2.0 1,230 / 1,232

POP Potencial Foto-Oxidación

kg C2H4 eq. 0.0

0.0 0.4

0.0 / 0.0

0.4 / 0.4

PE Consumo Energía Primaria

MJ 79.0 0.6 24,814 0.7 / 1.8 24,895 / 24,895



1. Metas y alcances





4. Interpretación



4. Interpretación

Identificación de los problemas ambientales significativos

Evaluación

Desempeño comparado con un sistema de referencia

Conclusiones y recomendaciones




4. Interpretación

Las diferencias entre ambos escenarios son despreciables

El paso controlante es la etapa de Uso. La reducción de el consumo de electricidad debe ser el enfoque de las mejoras.

¿Cuál es el potencial de mejora en la etapa de Desecho de residuos?



4. Interpretación: Comparación de impacto ambiental de los escenarios planteados



4. Interpretación: Diseño Para Desensamblado

Reutilizar el estator, rotor, flecha, carcasa y voluta



4. Interpretación: Diseño Para Reciclaje


Asignación (Allocation)

1. Goal and Scope

2. Inventory Analysis

3. Impact Assessment

Clasification/ Characterization

Normalization*

4. Interpretation

Four-step process

UN 5540: Pan American Biofuels and Bioenergy Sustainable Development | October 7, 2014 34

Asignación (Allocation)

Distribución de impactos ambientales entre las corrientes de un proceso

Se requiere cuando en un proceso se obtiene más de un producto

35

Tipos de asignación

Por atribución

Másico

Económico

Energético

Por expansión del sistema

Por ampliación

Por sustitución

36

Por expansión del sistema

37

Consiste en comparar las emisiones de un sistema de estudio (Bioenergía) frente a un sistema alternativo el cual es reemplazado por los mismos productos obtenidos en el sistema de estudio. Se puede expresar como “emisiones evitadas”. Por Ampliación: Consiste en comparar las emisiones totales

del sistema frente a las emisiones totales del sistema alternativo. (Método recomendado en ISO)

Por Sustitución: Consiste en establecer un producto principal y atribuirle el 100% de las emisiones para después restarle las emisiones de los co-productos que pueden reemplazar a los productos del sistema de referencia fósil.

Expansión del sistema por ampliación

Sistema de estudio

Biodiesel

Glicerina

Torta

Sistema alternativo

Diésel

Glicerina

Fertilizante

Total = 10,000 kgCO2-eq Total = 58,460 kgCO2-eq

Emisiones evitadas -48,406 kgCO2-eq

ó

-83%

38

Expansión del sistema por sustitución

Sistema base

Biodiesel

Glicerina

Torta

Sistema alternativo

Total = 10,000 kgCO2-eq

Total = 88.67 gCO2-eq/MJ

Emisiones evitadas -75.1 gCO2-eq/MJ

ó

-85% Glicerina

Fertilizante Biodiesel Diésel



ó 13.57 gCO2-eq/MJ

VS

39

Métodos de atribución o reparto

40

Se basa en el reparto de las emisiones basados en un porcentaje. Se requiere conocer a detalle el proceso de producción y se obtienen factores de emisión de productos individuales. Másica: Se reparten las emisiones según la distribución másica

de los productos.

Económica: Se atribuyen las emisiones a los productos según su distribución de precios.

Energética: Se atribuyen las emisiones según la distribución del contenido de energía en los productos (calculado con el poder calorífico inferior)

Métodos de atribución

Extracción Transformación

Composteo

Biodiesel 9 t 15 $/kg

Glicerina 1 t 1000 $/t

Aceite 10 t 10 $/kg

Torta 10 t 100 $/t

Fertilizante 10 t 120 $/t

Microalgas 20 t

3 tCO2-eq

1 tCO2-eq 6 tCO2-eq

Cultivo

Todos permiten calcular un factor de emisión (pero distinto) de cada producto



Composteo



Aceite 10 t 10 $/kg

Torta 10 t 100 $/t


Microalgas 20 t

3 tCO2-eq

1 tCO2-eq 6 tCO2-eq

Cultivo

Biodiesel = 1 t CO2e

9 t

10 t+ 6 t CO2e

10 t

20 t= 3.9 t CO2e F. E. Biodiesel =

3.9 t CO2e

9 t= 0.43

t CO2e

t biodiesel




Composteo



Aceite 10 t 10 $/kg

Torta 10 t 100 $/t


Microalgas 20 t

3 tCO2-eq

1 tCO2-eq 6 tCO2-eq

Cultivo


9 t

10 t+ 6 t CO2e

10 t

20 t= 3.9 t CO2e


15 × 9000

15 × 9000 + 1 × 1000+ 6 t CO2e

10 000

10 000 + 1 000= 6.4 t CO2e

F. E. Biodiesel =3.9 t CO2e

9 t= 0.43

t CO2e

t biodiesel

F. E. Biodiesel =6.4 t CO2e

9 t= 0.71

tCO2e

t biodiesel


Análisis de un artículo

Responder las siguientes preguntas sobre su artículo ¿Cuál es el objetivo del ACV? ¿Cuál es la unidad funcional? ¿Cuántos escenarios se comparan? ¿En qué consisten? ¿Cuál es el sistema alternativo? Descríbalo como un proceso. ¿Cuáles son las categorías de impacto ambiental que se incluyen en

el ACV? ¿Cuáles son las principales conclusiones sobre:

Potencial de calentamiento global? Uso de energía? Otros impactos importantes?

¿Cuántos tipos de asignación (allocation) se analizan? ¿Cuáles son? ¿Qué impacto tiene la decisión de usar un método de asignación u

otro?


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