Análisis del movimiento de sustancias dentro de varios sistemas.
El análisis de flujo de materiales ( MFA ), también conocido como análisis de flujo de sustancias ( SFA ), es un método analítico para cuantificar flujos y existencias de materiales o sustancias en un sistema bien definido . MFA es una herramienta importante para estudiar los aspectos biofísicos de la actividad humana en diferentes escalas espaciales y temporales. Se considera un método central de la ecología industrial o del metabolismo antropogénico , urbano , social e industrial . MFA se utiliza para estudiar flujos de materiales, sustancias o productos en diferentes sectores industriales o dentro de ecosistemas . MFA 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 de MFA orientada a los negocios se denomina contabilidad de costos de flujo de materiales . MFA es una herramienta importante para estudiar la economía circular y diseñar la gestión del flujo de materiales . Desde la década de 1990, el número de publicaciones relacionadas con el análisis del flujo de materiales ha crecido de manera constante. Las revistas revisadas por pares que publican trabajos relacionados con el MFA incluyen Journal of Industrial Ecology , Ecoological Economics , Environmental Science and Technology y Resources, Conservation, and Recycling . [1]
Metodología
Motivación
Las necesidades humanas como vivienda, alimentación, transporte o comunicaciones 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 sobre el medio ambiente y la sociedad ya no pueden ignorarse , ni a nivel local ni global. Los flujos de materiales están en el centro de los problemas ambientales locales, como la lixiviación de los vertederos o los derrames de petróleo . La creciente preocupación por el calentamiento global coloca a un flujo de desechos que antes no tenía importancia, el dióxido de carbono , en lo más alto de la agenda política y científica. El cambio gradual de la producción de materiales primarios a la minería urbana en los países desarrollados requiere una evaluación detallada de las existencias de materiales obsoletos y en uso dentro de la sociedad humana. Por lo tanto, los científicos, las industrias, los organismos gubernamentales y las ONG necesitan una herramienta que complemente la contabilidad y la modelización económicas. Necesitan un método sistemático para realizar un seguimiento y mostrar las existencias y flujos de materiales que entran, permanecen y salen de los diferentes procesos de la antroposfera . El análisis del flujo de materiales es uno de esos métodos.
Principios básicos
La MFA se basa en dos principios científicos fundamentales y bien establecidos: el enfoque de sistemas y el equilibrio 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 AMF más general y 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 del sistema se elige para que se ajuste al 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 a través de flujos que cruzan los límites del sistema. Contrariamente a la noción 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 definidas. 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 puede perfeccionarse desagregando procesos o simplificarse agregando procesos.
Además de especificar la disposición de los procesos, stocks y flujos en la definición del sistema, el profesional también necesita indicar la escala y el elemento o material indicador del sistema estudiado. La escala espacial describe la entidad geográfica que cubre el sistema. Un sistema que represente un determinado sector industrial se puede aplicar a EE. UU., China, determinadas regiones del mundo o al mundo en su conjunto. La escala temporal describe el momento o el lapso de tiempo durante el cual se cuantifica el sistema. El elemento indicador o material del sistema es la entidad física que se mide y para la cual se cumple el balance de masa. Como su nombre indica, un elemento indicador es un determinado elemento químico como el cadmio o una sustancia como el CO 2 . En general, un material o un producto también puede utilizarse como indicador siempre que se pueda establecer un equilibrio de proceso para el mismo. Ejemplos de indicadores más generales son bienes como los turismos, materiales como el acero u otras cantidades físicas como la energía .
La 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 del método MFA. .
Un elemento químico es "una sustancia química pura que consta de un tipo de átomo que se distingue por su número atómico". [5]
Una sustancia es "cualquier elemento (químico) o compuesto compuesto de unidades uniformes. Todas las sustancias se caracterizan por una constitución única e idéntica y, por tanto, son homogéneas". Del capítulo 2.1.1 de Brunner&Rechberger. [4]
Un bien se define como "entidad económica de materia con un valor económico positivo o negativo. Los bienes están compuestos por una o varias sustancias". Del capítulo 2.1.2 de Brunner y Rechberger. [4]
El término material en el AMF "sirve como término general tanto para sustancias como para bienes". Del capítulo 2.1.3 de Brunner&Rechberger. [4]
Un sistema típico de MFA con cuantificación.
equilibrio del proceso
Uno de los principales propósitos de MFA es cuantificar el metabolismo de los elementos del sistema. A diferencia de la contabilidad económica, la AMF también cubre los flujos de desechos no económicos, las emisiones al medio ambiente y los recursos naturales no comerciales.
Modelo de un proceso industrial en contabilidad económica (arriba) y en contabilidad física (abajo).
El balance de procesos es un principio físico de primer orden que convierte a MFA en una poderosa herramienta de contabilidad y análisis. La naturaleza de los procesos en el sistema determina qué saldos se aplican. Para un proceso de " refinería de petróleo ", por ejemplo, se puede establecer un balance de masa para cada elemento químico, mientras que esto no es posible para una central nuclear. Una planta de fabricación de automóviles respeta el equilibrio del acero, pero una acería no.
Al cuantificar los sistemas MFA, ya sea mediante mediciones o a partir de datos estadísticos, se deben verificar los balances de masa y de otros procesos para garantizar la exactitud de la cuantificación y revelar 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 de conciliación básica que es adecuada para muchas aplicaciones MFA. [6]
Ejemplos de aplicaciones MFA en diferentes escalas espaciales y temporales
Los estudios de MFA se llevan a cabo en diversas escalas espaciales y temporales y para una variedad de elementos, sustancias y bienes. Cubren una amplia gama de cadenas de procesos y ciclos de materiales. Varios ejemplos:
MFA a escala nacional o regional (también conocida como contabilidad de flujo de materiales ): en este tipo de estudio se analizan los intercambios materiales entre una economía y el entorno natural. Se calculan varios indicadores para evaluar el nivel de intensidad de recursos del sistema. [7] [8]
El análisis del flujo de materiales corporativo , o MFA a lo largo de una cadena de suministro industrial, involucra a varias empresas: el objetivo del análisis del flujo de materiales dentro de una empresa es cuantificar y luego optimizar los procesos de producción para que los materiales y la energía se utilicen de manera más eficiente, por ejemplo, mediante reciclaje y reducción de residuos . Las empresas pueden utilizar los resultados obtenidos por la contabilidad de costos de flujo de materiales para reducir sus costos operativos y mejorar el desempeño ambiental.
En el ciclo de vida de un producto : El inventario del ciclo de vida, cuya compilación es el núcleo del análisis del ciclo de vida , sigue la metodología MFA ya que se basa en una definición explícita del sistema y equilibrios de procesos.
Desarrollo historico
El equilibrio 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 llegó a la ingeniería química y finalmente a las ciencias ambientales.
Dennis Meadows concientizó a una amplia audiencia sobre los fundamentos físicos de la economía cuando fue coautor del best seller Los límites del crecimiento en 1971. Meadows et al. basaron sus predicciones en un análisis de las existencias de recursos; ver en el glosario de ciencias ambientales .
La metodología de MFA se desarrolló durante los años 1980 y 1990. El desarrollo se produjo simultáneamente en diferentes grupos de investigación. Las publicaciones centrales sobre la metodología MFA 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 trabajó en el Instituto Wuppertal, [12] desarrolló el concepto de unidad de entrada de material por servicio (MIPS) relacionado con MFA. [13]
Stefan Bringezu especificó este concepto en el análisis del flujo de materiales de toda la economía [14] como herramienta de detección para la evaluación del ciclo de vida del producto [15] dentro de un marco de escala cruzada. [16] Definió indicadores como Total Material Requirement [17] (anteriormente Total Material Input) [18] y Raw Material Input, [19] que se utilizan para cuantificar la Huella de Material de productos, [20] [21] infraestructuras [ 22] y países. [23]
El Panel de Recursos del PNUMA [24] fue creado en 2007 por el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente. En analogía con el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático ( IPCC ) [25] reúne a expertos de muchas disciplinas e instituciones para revisar el estado actual de la investigación sobre el metabolismo social y comunicar los últimos hallazgos a los responsables políticos y las partes interesadas.
Desarrollo reciente
Los conceptos de AMF se han incorporado o se están incorporando en las cuentas nacionales de varios países y regiones, como la UE [26] y Japón. [27] La AMF también se utiliza en el Sistema de Contabilidad Ambiental y Económica Integrada .
Varias conferencias internacionales u otras reuniones brindan una plataforma para que investigadores y formuladores de políticas se reúnan e intercambien resultados e ideas, incluido el Foro de Recursos Mundiales , [28] una conferencia internacional bianual sobre análisis de flujo de materiales y desarrollo sostenible.
Waste Input-Output ( WIO )-MFA es un enfoque diseñado para establecer un sistema integral de MFA para toda la economía. Esto se logra utilizando tablas de insumos-productos (IO) monetarios e incorporando información física relacionada con los insumos materiales. El método integra perfectamente MFA con los modelos de entrada-salida, ofreciendo un medio sencillo para transformar los flujos monetarios dentro de una tabla de entrada-salida en distintos flujos físicos categorizados por materiales. [29] [30] [31] [32] WIO-MFA sirve como ejemplo ilustrativo de AMF basado en un análisis económico de insumo-producto.
El Instituto de Investigación para una Europa Sostenible (SERI) en Viena, Austria, ha desarrollado una base de datos llamada material flows.net. [33]
La AMF dinámica tiene como objetivo la cuantificación a largo plazo de los sistemas de AMF y utiliza patrones de desarrollo históricos de existencias y flujos físicos para crear escenarios sólidos para los años y décadas venideros. [34]
El modelo MaTrace, una variante del análisis dinámico de flujo de materiales (MFA), está diseñado para rastrear la trayectoria de los materiales a través del tiempo y entre diferentes productos dentro de sistemas de reciclaje de circuito abierto. [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] Este modelo tiene en cuenta explícitamente las pérdidas y la calidad de los materiales de desecho. MaTrace se centra en monitorizar el recorrido de materiales inicialmente presentes en un producto final, como por ejemplo un turismo. Este seguimiento abarca varias etapas de vida, incluido el procesamiento de fin de vida útil (EoL), que implica recolección, desmontaje/demolición y clasificación/separación en desechos. A continuación, existen procesos metalúrgicos como la refundición y/o fundición, donde los desechos se transforman en materiales secundarios. Luego, los materiales se transforman en productos que van más allá de los automóviles de pasajeros. Finalmente, el modelo considera la acumulación de estos materiales como stocks, produciéndose pérdidas en cada fase de transformación y uso.
Japón se ha convertido en un punto de acceso para la investigación del MFA. El país tiene recursos minerales escasos y, por lo tanto, depende de las importaciones de portadores de energía, minerales y otras materias primas. El gobierno japonés fomenta la investigación sobre los ciclos de los materiales y también inauguró el concepto de las 3-R. [42]
Realización de un MFA de última generación
Una MFA de última generación consta de los siguientes pasos: [4]
Establecer una definición explícita del sistema: especificar los límites del sistema con alcance geográfico y temporal, procesos (puede contener stocks) y flujos. Especificar el material para el cual se va a cuantificar el sistema (producto, sustancia o elemento indicador). Asegúrese de que cada stock esté asociado 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.
Definir y nombrar las variables del sistema. Las variables del sistema incluyen: Todos los stocks dentro de los procesos, todos los flujos entre procesos y todos los flujos que provienen del exterior o van fuera de los límites del sistema. A veces, las existencias no se consideran y sólo interesan los cambios netos en las existencias. Para cada variable debe quedar claro si se trata de un stock o de un flujo, y esta distinción debe reflejarse en los nombres y en los símbolos matemáticos elegidos.
Cuantificar las variables del sistema vinculándolas con literatura, mediciones o datos modelados.
Realice una verificación del balance de masa de todos los procesos y del sistema en su conjunto.
Opcional: visualice su sistema usando el esquema de cuadro y flecha que se muestra arriba o usando diagramas de Sankey .
Documente el MFA informando la definición explícita del sistema junto con la lista de variables cuantificadas del sistema y las verificaciones del balance de masa.
La diferencia entre análisis de flujo de materiales y sustancias.
Mientras que el término "sustancia" en el "análisis de flujo de sustancias (SFA) siempre se refiere a sustancias químicas, el término "material" en el "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 AMF no sólo a elementos o sustancias químicas sino también a materiales como el acero, la madera o productos como coches o edificios. De este modo, 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
MFA es complementario a los otros métodos básicos de ecología industrial, evaluación del ciclo de vida (LCA) y modelos de entrada-salida (IO) . [43] Existen algunas superposiciones entre los diferentes métodos, ya que todos comparten el enfoque del sistema y, hasta cierto punto, el principio de equilibrio de masa. Los métodos difieren principalmente en el propósito, el alcance y los requisitos de datos.
Los estudios MFA a menudo cubren el ciclo completo (minería, producción, fabricación, uso, manejo de residuos) de una determinada sustancia dentro de un límite geográfico y un marco temporal determinados. Las existencias de materiales son explícitas en MFA, lo que hace que este método sea adecuado para estudios que involucran escasez de recursos y reciclaje de chatarra vieja. El uso común de series temporales (modelado dinámico) y modelos de vida útil hace que MFA sea una herramienta adecuada para evaluar tendencias a largo plazo en el uso de materiales.
En comparación con los análisis de IO, la cantidad de procesos considerados en los sistemas MFA suele ser mucho menor. Por otro lado, el balance de masa garantiza que los flujos de subproductos o residuos no se pasen por alto en los estudios de MFA, mientras que en los cuadros de 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, incluido 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 de IO, solo la adición a las existencias puede incluirse en forma de acumulación de capital .
Los inventarios del ciclo de vida registran la demanda de muchos materiales diferentes asociados con productos individuales, mientras que los estudios MFA generalmente se centran en un solo material utilizado en muchos productos diferentes.
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Base de datos de CSIRO y PNUMA sobre flujo de materiales y productividad de recursos para Asia y el Pacífico
materialflows.net: portal en línea para datos de flujo de materiales, que brinda acceso a conjuntos de datos de flujo de materiales a nivel nacional
MFA se describe con gran detalle y se publica en 166 páginas en el primero de cuatro volúmenes en papel coeditados con la asistencia del PNUMA y en formato en línea por la OCDE.
Software gratuito de 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