Development and application of methodologies to get sustainable industrial systems

Resumen

En el contexto actual de disponibilidad limitada de recursos, y las cada vez más restrictivas políticas de seguridad y medio ambiente, la industria requiere metodologías o estrategias que permitan afrontar estos retos. En las últimas décadas se han desarrollado muchos métodos con diferentes propósitos, siendo el principal interés de la industria obtener procesos químicos más atractivos y competitivos (Pasanen et al., 1999). Estos métodos, frecuentemente motivados por la legislación en materia de seguridad y medio ambiente (Palaniappan et al., 2002), han contribuido a la mejora de los sistemas de producción (Santos da Silva and Gonçalves Amaral, 2009), cada vez más centrados en satisfacer objetivos económicos, ambientales o sociales (Alexander et al., 2000; Palaniappan et al., 2002). Conseguir sistemas industriales sostenibles implica considerar de forma integrada el ciclo de vida. Sin embargo este objetivo requiere modelos predictivos y la optimización de procesos individuales, junto con la optimización completa de todo el ciclo de vida (Jayal et al., 2010). Por tanto, la visión global de la filosofía de Pensamiento de Ciclo de Vida (Life Cycle Thinking, LCT) debe complementarse considerando el ciclo de vida como un conjunto de etapas individuales que pueden analizarse individualmente. Estas etapas pueden entenderse como `sistemas¿ o incluso `ecosistemas¿, si se tiene en cuenta la ecología industrial. El objetivo de esta tesis es desarrollar y aplicar metodologías para obtener sistemas industriales sostenibles basadas en inventarios de técnicas y herramientas de identificación de flujos. Los inventarios de técnicas se proponen en base a dos criterios diferentes: la filosofía de prevención y control integrados de la contaminación (Integrated Pollution Prevention and Control, IPPC) y la jerarquía de gestión de residuos (Waste Management Hierarchy, WMH), ambos derivados de políticas ambientales europeas. Por otro lado, se proponen dos herramientas de identificación de flujos: el análisis de flujo de materiales y energía (Material and Energy Flow Analysis, MEFA) y la simulación de procesos. Las herramientas de identificación de flujos se emplean para detectar algunos flujos específicos cuyas propiedades cualitativas y cuantitativas los hacen susceptibles de ser mejorados mediante la implementación de técnicas recompiladas en un inventario. Inicialmente se proponen inventarios de técnicas enfocados en la filosofía IPPC y la WMH, respaldados por herramientas de identificación de flujos seleccionadas. Ambos se analizan individualmente y se validan para identificar sus ventajas y limitaciones. A continuación se proponen metodologías integradas y optimizadas que combinan un inventario de técnicas y una herramienta de identificación de flujos. Estas metodologías se desarrollan y validan considerando diferentes criterios para sistemas industriales específicos. Las distintas metodologías se estudian para evaluar su potencial para mejorar la sostenibilidad de los sistemas industriales, identificando la mejor combinación de inventarios de técnicas y de herramientas de identificación de flujos para cada situación. INVENTARIOS DE TÉCNICAS Los inventarios de técnicas se proponen como base para desarrollar metodologías que permitan obtener sistemas industriales sostenibles. Pueden definirse como un conjunto de técnicas, cada una de ellas respaldada por información específica sobre determinados aspectos, seleccionadas de acuerdo a criterios definidos para cada sistema industrial. Implican un exhaustivo proceso de recopilación de información, así como conocer en profundidad el proceso industrial para proporcionar una herramienta potente que mejore la sostenibilidad de los procesos. Estos inventarios deben presentar todas las alternativas adecuadas y disponibles para optimizar o mejorar los sistemas industriales. Las alternativas se clasifican de acuerdo a diferentes criterios, normalmente relacionados con el criterio de selección, lo que facilita la toma de decisiones a la hora de seleccionar una u otra técnica. Se ha propuesto una metodología para desarrollar inventarios de técnicas en relación con las Mejores Técnicas Disponibles (Best Available Techniques, BAT), de acuerdo con las principios de la filosofía IPPC (EU, 1996). Esta metodología, BAT Analysis, en un procedimiento por pasos que comienza por la evaluación del sistema industrial, seguido de una descripción del proceso considerado. A continuación se identifican los principales impactos ambientales (emisiones y consumos). Después se elabora un inventario de técnicas candidatas a ser BAT para el sistema considerado. Para la selección de técnicas se tiene en cuenta toda la información anteriormente analizada así como aspectos tecnológicos, localización geográfica, condiciones ambientales o la antigüedad de la instalación analizada. BAT Analysis se ha validado en un sistema industrial: la industria gallega de producción de cerámicas pesadas. La metodología se aplica al sistema, resultando en una extensa evaluación del sector, un diagrama de flujo genérico que identifica todas las etapas del proceso, así como las entradas y salidas involucradas, y un inventario de 46 técnicas candidatas. Las metodologías para desarrollar inventarios de técnicas, como BAT Analysis, son instrumentos útiles para reunir y clasificar todas las alternativas disponibles para obtener sistemas industriales sostenibles. Sin embargo no todos las técnicas disponibles pueden implementarse en un sistema industrial, ya que puede que no todas sean adecuadas o necesarias (Mavrotas et al., 2007; Samarakoon and Gudmestad, 2011). Las técnicas recogidas en los inventarios deben aplicarse únicamente cuando sean necesarias para mejorar la sostenibilidad de un sistema industrial, considerando aquellos elementos que deben modificarse o mejorarse. Por tanto se necesita un indicador que clara y fácilmente señale qué elementos del sistema no son sostenibles, y por tanto deben mejorarse. FLUJOS MEJORABLES Y HERRAMIENTAS DE IDENTIFICACIÓN Se ha definido un nuevo indicador basado en los flujos de materiales y energía: los flujos mejorables (Improvable Flows, IF). Se definen como aquellos flujos cuantitativamente (o incluso cualitativamente) relevantes en un sistema industrial que son susceptibles de ser mejorados si se gestionan adecuadamente (Torres Rodríguez et al., 2011) aplicando medidas preventivas o correctivas. Estos flujos se cuantifican y ubican en el sistema industrial que representan, de forma que las técnicas de los inventarios pueden seleccionarse e implementarse para mejorar de forma efectiva la sostenibilidad del sistema. Se emplean herramientas de identificación basadas en análisis de procesos para detectar los flujos de entrada, salida o intermedios, tanto de materia como de energía. La detección de IF puede estar respaldada por la bibliografía o por la experiencia disponible sobre el sector analizado. Se proponen dos herramientas para identificar los IF de un sistema industrial: análisis de flujo de materiales y energía (MEFA) y simulación de procesos. - Análisis de flujo de materiales y energía. MEFA es una herramienta derivada del metabolismo industrial. Abarca toda una familia de herramientas para estudiar los materiales y la energía que fluyen a través de un sistema, los stocks, y los flujos dentro del mismo sistema, así como los flujos desde el sistema considerado hacia otros sistemas (Hendriks et al., 2000). La metodología típica (Hendriks et al., 2000) de MEFA se ha adaptado para identificar los IF. Incluye la definición de los objetivos del estudio, la descripción del sistema, la colección de datos, el modelado y la construcción del escenario empleando software específico, la evaluación y la discusión de resultados, y finalmente la detección de los IF de acuerdo con los resultados del MEFA. Esta metodología aporta conocimiento sobre el proceso mediante el análisis cualitativo de todas las etapas y la identificación cuantitativa de los flujos de materiales y energía involucrados. Esta metodología se valida en una planta de fabricación de tejas, considerando únicamente la etapa `transporte y almacenamiento de materias primas¿. La aplicación de MEFA a este caso de estudio señala que las operaciones de transporte son las que más impacto tienen sobre el resto del sistema. Son responsables de un gran porcentaje del combustible consumido y de los gases de escape emitidos, siendo el transporte desde la cantera hasta la planta la sub-etapa más impactante. De acuerdo con estos resultados, se han identificado los IF del sistema, que corresponden al combustible consumido y los gases de escape emitidos en esta sub-etapa, así como las emisiones de partículas, también derivadas de esta sub-etapa. De esta forma MEFA se valida como una herramienta adecuada para la identificación de IF. Aporta información cuantitativa sobre los flujos de materiales y energía, y los ubica dentro del sistema industrial considerado. Aunque es bastante útil como herramienta de identificación de IF, MEFA tiene algunas limitaciones. No todos los flujos cuantitativamente relevantes deben considerarse IF, mientras que algunos flujos cuya cantidad puede no ser relevante deben ser eliminados o reducidos (debido a su coste económico o su impacto ambiental potencial), y por tanto identificados como IF. MEFA simplemente cuantifica y localiza flujos, aportando información valiosa para los profesionales involucrados en la toma de decisiones, que son quienes evalúan qué flujos deben clasificarse como IF. En cualquier caso, MEFA es una herramienta potente para estrategias orientadas a la optimización de procesos. Una vez que los principales flujos insostenibles han sido identificados, pueden definirse como IF para proponer medidas correctoras específicas para evitar, reducir o aprovechar estos flujos. - Simulación de procesos. Esta herramienta se aplica mediante simuladores de procesos, que se definen como software específicamente programado para modelar plantas de proceso (Casavant and Côté, 2004). Permite simular y cuantificar flujos de materia y energía en un sistema industrial, y predice el comportamiento de los procesos después de haber modificado una o más variables. Es ampliamente utilizado con múltiples propósitos, como evaluar modificaciones en procesos, predecir emisiones o analizar el potencial de integración de un proceso, entre otros. Se ha propuesto una metodología que aplica criterios de la WMH (EU, 2008) y de la filosofía IPPC con la simulación de procesos para seleccionar alternativas adecuadas para la gestión de residuos en un sistema de industrial. Incluye tres módulos bien diferenciados: descripción del sistema, análisis cualitativo y análisis cuantitativo. El análisis cualitativo se aplica para definir la corriente de residuos considerada y así elaborar un inventario de técnicas que incluya las opciones de gestión disponibles clasificadas según la WMH. La técnica más apropiada, o conjunto de técnicas, se seleccionan respetando la filosofía de IPPC y la clasificación jerárquica establecida en la WMH. El análisis cuantitativo incluye la selección del software de simulación adecuado, la toma de datos, el modelado y construcción del escenario, y la simulación para definir de forma cuantitativa las corrientes de materia y energía del sistema, pero también los requerimientos cuantitativos de los equipos involucrados. Este análisis cuantitativo permite identificar los IF del sistema. Esta metodología se valida en un caso de estudio que considera el sector de gestión de residuos, concentrándose en una corriente residual concreta: los aceites lubricantes usados. La aplicación de esta metodología resulta en la selección de un tratamiento de reciclado que se evalúa de forma cuantitativa mediante simulación de procesos para identificar cuatro IF. La aplicación de la simulación de procesos en una metodología compleja la valida como una herramienta adecuada para la identificación de IF. Sin embargo la simulación de procesos es una herramienta más valiosa para evaluar la idoneidad de las opciones destinadas a mejorar un proceso. Permite modificar todas las variables involucradas, las etapas del proceso y los equipos, e incluso secciones completas del proceso para analizar los impactos. Requiere disponer de información abundante y rigurosa sobre el sistema simulado para garantizar que los modelos representan fielmente la realidad. Las inversiones económicas para la optimización de procesos estarían más justificadas y mejor respaldadas si surgieran de la aplicación de metodologías como la propuesta, donde las alternativas de mejora han sido validadas mediante simulación de procesos. METODOLOGÍAS COMBINADAS Después de analizar de forma individual las ventajas y limitaciones de BAT Analysis y de las herramientas de identificación de IF, estos instrumentos se combinan en metodologías integradas para obtener sistemas industriales sostenibles. Se han propuesto tres metodologías. - Combinación de BAT Analysis y MEFA. Esta metodología, aplicada a un sistema industrial, pretende identificar los IF mediante MEFA, de forma que las técnicas candidatas más apropiadas puedan seleccionarse mediante BAT Analysis. Las entradas, salidas y flujos intermedios de materiales y energía se localizan y cuantifican, y se proponen soluciones sostenibles en base al metabolismo industrial. Esta metodología combinada aporta un exhaustivo análisis cualitativo y cuantitativo del sistema, definiendo sus límites, identificando las etapas involucradas, y determinando y localizando los consumos y emisiones asociados. Como resultado se obtiene una estrategia completa enfocada en la mejora de los flujos insostenibles del sistema. Esta metodología se valida en una planta de fabricación de tejas. La aplicación de la metodología en esta planta ejemplar permite identificar 14 IF, la mayoría de ellos correspondientes a la etapa `tratamientos térmicos¿. 4 BAT ya estaban implementadas en la planta, y otras 7 técnicas candidatas de proponen para reducir los IF identificados. La metodología propuesta aporta una forma de detectar los flujos mejorables de materiales o energía de un proceso, tanto si son entradas, salidas o flujos intermedios, y selecciona las opciones más sostenibles para mejorarlos. Se proponen soluciones para los IF detectados, considerando de forma aproximada su efectividad para mejorar estos flujos, pero sin aportar datos específicos o cuantitativos. Estos resultados son de gran utilidad para mejorar el proceso de acuerdo al consumo de recursos, el comportamiento ambiental y, en menor medida, aspectos económicos relativos a la operación habitual del proceso analizado. - Combinación de BAT Analysis y simulación de procesos. Ambas herramientas se aplican de forma conjunta para identificar los IF del proceso analizado y seleccionar las técnicas candidatas más adecuadas. Las alternativas seleccionadas se evalúan en diferentes escenarios mediante simulación de procesos para determinar la configuración que mejor optimiza la sostenibilidad del proceso industrial. La metodología incluye dos módulos. El primero implica un profundo análisis del proceso, seguido de una evaluación rigurosa de los principales aspectos ambientales. Después se aplica BAT Analysis para desarrollar un inventario de técnicas candidatas. El software de simulación de procesos se aplica al caso base para analizar el proceso, cuantificando todos los flujos de materiales y energía. Los resultados de la simulación se emplean para identificar los IF y así seleccionar las técnicas candidatas del inventario. En el segundo módulo se proponen escenarios alternativos que implementan una o un conjunto de técnicas candidatas. Cada escenario se analiza de forma cualitativa para definir claramente las condiciones de implementación de las técnicas candidatas. A continuación se aplica a cada escenario el software de simulación de procesos, y los resultados se comparan para evaluar cuál es el más adecuado para mejorar los IF detectados en el caso base. Esta metodología se valida en un caso de estudio: una planta de producción de H2 que aplica el proceso de reformado de gas natural con vapor. El primer módulo de la metodología identifica tres IF en el proceso, que se resumen como `emisiones de CO2 desde¿ y `consumo energético en¿, asociados a algunas etapas del proceso. Como resultado se proponen tres escenarios alternativos y se evalúan, revelando dos técnicas candidatas como las más adecuadas para mejorar el proceso. La combinación de estas herramientas en una metodología integrada pretende ayudar a los profesionales en la toma de decisiones para seleccionar la mejor configuración para conseguir un sistema industrial sostenible. Las metodologías anteriores (combinando BAT Analysis con MEFA y simulación de procesos) se validan en casos de estudio que representan diferentes sistemas industriales. Sin embargo ambas metodologías se han desarrollado considerando plantas individuales, no sistemas que involucren más de una planta. Además estas metodologías están concebidas para plantas bastante grandes cuyos procesos pueden dividirse en etapas, y sus consumos y emisiones pueden ser fácilmente ubicados dentro del sistema, siendo capaces de aportar abundantes y precisos datos. Los sistemas industriales más complejos, así como las plantas más pequeñas, también requieren metodologías para mejorar su sostenibilidad, teniendo en cuenta sus particularidades. - Combinación de WMH y BAT Analysis. Esta metodología pretende mejorar la sostenibilidad de la gestión de residuos en un sistema industrial representado por un sector atomizado, integrado por pequeñas y medianas empresas muy dispersas en el área geográfica considerada. La metodología incluye a dos de los actores involucrados en las estrategias de gestión de residuos: los productores de residuos y el gestor intermedio. Los IF entre ambos actores se identifican y se proponen técnicas de inventarios para obtener un sistema simbiótico sostenible. La metodología considera la WMH y la filosofía IPPC. Ambos elementos se combinan y la filosofía IPPC se adapta a las pequeñas y medianas empresas. La metodología se aplica y valida en un sistema donde los productores son las plantas de artes gráficas pertenecientes a una asociación regional, y representadas por una planta de referencia. El gestor de residuos intermedio es una planta local de transferencia de residuos. Esta metodología aporta extensa información acerca del sistema considerado en relación al área geográfica, los procesos implicados, los consumos y emisiones asociados, y los flujos de residuos entre los productores y el gestor. Los IF se identifican de acuerdo con su cantidad y peligrosidad. Las alternativas para mejorar su gestión se proponen en base a la WMH y BAT Analysis, de forma que los productores de residuos centren sus iniciativas en la prevención y la preparación para la re-utilización, mientras que el gestor intermedio aplique opciones de preparación para la re-utilización, reciclado y valorización. Las técnicas y tratamientos se seleccionan con el objetivo de establecer, o mejorar, una relación simbiótica entre los productores de residuos y el gestor intermedio. El sistema original, integrado por una planta de artes gráficas y una estación de transferencia, se analiza para detectar sus IF. Una serie de alternativas se proponen para mejorar el sistema, y algunas de ellas se seleccionan para ser implementadas. Tras la implementación, el sistema mejorado se compara con el original, mostrando que además de reducir la cantidad de residuos gestionada en el sistema, se ha establecido una relación simbiótica entres ambos actores. En esta metodología, principios establecidos considerando grandes instalaciones se han adaptado a sectores que, a pesar de estar principalmente integrados por pequeñas y medianas empresas, generan una no despreciable cantidad de variados residuos peligrosos. Cada metodología tiene sus propios puntos fuertes y débiles, y sus idoneidad depende de la situación específica en el que método se aplica. En todos los casos el análisis cualitativo se emplea inicialmente para definir el sistema industrial. Este paso permite identificar las etapas y clasificarlas, lo que facilita el estudio y la comprensión del proceso. También define los flujos de materiales y energía involucrados a priori en el proceso, permitiendo la identificación de todos los materiales esperados en cada etapa, así como los potenciales consumidores de energía. Toda esta información puede emplearse en la parte cuantitativa de la metodología, tanto si está basada en MEFA, en simulación de procesos, o en simples balances de materia. Los modelos se construyen en base a los resultados de la parte cualitativa de la metodología, de forma que la estructura definida para el proceso se respeta durante todo el análisis. El análisis cuantitativo se desarrolla empleando, en cada caso, diferentes herramientas de identificación de IF, MEFA y simulación de procesos, con diferentes resultados. El método aplicando MEFA pretendía identificar los IF del proceso para seleccionar técnicas candidatas de un inventario que previnieran o redujeran estos flujos. Por otro lado, el método aplicando simulación de procesos debía encontrar la configuración más sostenible para un proceso comparando la situación original con las potenciales situaciones futuras tras haber aplicado técnicas seleccionadas en base a los IF. La última metodología aplicaba balances de materia para analizar grosso modo las mejoras esperadas después de aplicar técnicas previamente seleccionadas. Los flujos mejorables se han presentado como un indicador adecuado que representa las insostenibilidades de los sistemas industriales. Son cuantificables y localizables, y pueden detectarse fácilmente mediante herramientas de identificación basadas en análisis de procesos. Estos flujos pueden prevenirse, reducirse o mejorarse mediante la aplicación de una adecuada selección de técnicas candidatas principalmente definidas considerando los principios de la filosofía IPPC y la WMH. Su utilidad se ha validado en tres metodologías diferentes, cada una combinando una herramienta de identificación de IF y un inventario de técnicas, que han sido validadas verificando que permiten obtener sistemas industriales sostenibles.