Análisis del flujo de materiales

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 . El 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 el metabolismo antropogénico , urbano , social e industrial . El MFA se utiliza para estudiar los flujos de materiales, sustancias o productos en diferentes sectores industriales o dentro de los ecosistemas . El 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 orientada a los negocios del MFA se llama contabilidad de costos del flujo de materiales . El 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 MFA incluyen Journal of Industrial Ecology , Ecological Economics , Environmental Science and Technology y Resources, Conservation, and Recycling . ^[1]

Metodología

Motivación

Las necesidades humanas , como la vivienda, la alimentación, el transporte o la comunicación, requieren materiales como la madera, el almidón, el azúcar, el hierro y el acero, el cobre o los 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 se pueden descuidar , 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 un flujo de desechos previamente sin 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 en uso y obsoletos 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 el modelado económicos. Necesitan un método sistemático para realizar un seguimiento y mostrar las existencias y los flujos de los materiales que entran, permanecen y salen de los diferentes procesos en la antroposfera . El análisis del flujo 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 masa . ^{[2] [3]} La definición del sistema es el punto de partida de cada 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 de 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 el límite 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 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. Una descripción de un sistema MFA se puede refinar desagregando los procesos o simplificando agregándolos.

Además de especificar la disposición de los procesos, los stocks y los flujos en la definición del sistema, el profesional también debe indicar la escala y el elemento indicador o material del sistema estudiado. La escala espacial describe la entidad geográfica que cubre el sistema. Un sistema que representa un determinado sector industrial se puede aplicar a los EE. UU., China, ciertas regiones del mundo o el mundo en su conjunto. La escala temporal describe el punto en el tiempo o el lapso de tiempo para el que se cuantifica el sistema. El elemento indicador o material del sistema es la entidad física que se mide y para la que se cumple el balance de masa. Como lo indica el nombre, 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 se puede utilizar como indicador siempre que se pueda establecer un balance de proceso para él. Ejemplos de indicadores más generales son bienes como los 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 "bueno", 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 consiste en un tipo de átomo que se distingue por su número atómico". ^[5]
• Una sustancia es "cualquier elemento (químico) o compuesto 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 & Rechberger. ^[4]
• Un bien se define como "una 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 genérico tanto para sustancias como para mercancías". Del capítulo 2.1.3 en Brunner & Rechberger. ^[4]

Un sistema MFA típico con cuantificación.

Equilibrio de procesos

Uno de los principales objetivos de la contabilidad multifactorial es cuantificar el metabolismo de los elementos del sistema. A diferencia de la contabilidad económica, la contabilidad multifactorial 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 de primer orden que convierte al MFA en una potente herramienta de contabilidad y análisis. La naturaleza de los procesos del sistema determina qué balances se aplican. Para un proceso (una refinería de petróleo ), por ejemplo, se puede establecer un balance de masas para cada elemento químico, mientras que esto no es posible para una central nuclear. Una planta de fabricación de automóviles respeta el balance para el acero, pero una acería no.

Al cuantificar sistemas MFA, ya sea mediante mediciones o a partir de datos estadísticos, se deben verificar los balances de masa y 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 conflictiva 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 en diferentes escalas espaciales y temporales

Los estudios de MFA 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:

• Contabilidad del flujo de materiales a escala nacional o regional (también denominada contabilidad del flujo de materiales ): en este tipo de estudio se analizan los intercambios de 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 el reciclaje y la reducción de desechos . Las empresas pueden utilizar los resultados obtenidos mediante la contabilidad de costos del 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 de 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 masa o la conservación de la materia fue postulado ya 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 encontró su camino hacia la ingeniería química y finalmente a la ciencia ambiental.
• Otras contribuciones fundamentales fueron realizadas por Sanctorius y Theodor Weyl .
• Dennis Meadows concientizó a un amplio público 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 reservas de recursos; véase 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 de 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 relacionado con el MFA de unidad de entrada de material por servicio (MIPS). ^[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 escalas cruzadas ^[16] . Definió indicadores como el Requerimiento Total de Material ^[17] (anteriormente Insumo Total de Material) ^[18] y el Insumo de Materia Prima ^[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. En analogía con el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el 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 de las políticas y las partes interesadas.

Desarrollo reciente

• Los conceptos de MFA se han incorporado o se están incorporando en las cuentas nacionales en varios países y regiones como la UE ^[26] y Japón. ^[27] El MFA 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 Mundial de Recursos ^[28] , una conferencia internacional bianual sobre análisis del flujo de materiales y desarrollo sostenible.
• El método WIO -MFA es un enfoque diseñado para establecer un sistema integral de MFA para toda la economía. Esto se logra utilizando tablas de insumo-producto (IO) monetarias e incorporando información física relacionada con los insumos materiales. El método integra perfectamente el MFA con los modelos de insumo-producto, ofreciendo un medio sencillo para 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 un ejemplo ilustrativo de MFA basado en el análisis económico de insumo-producto.
• El Instituto de Investigación para una Europa Sostenible (SERI) de Viena (Austria) ha desarrollado una base de datos denominada material flow.net. ^[33]
• El MFA dinámico apunta a la cuantificación a largo plazo de los sistemas MFA y utiliza patrones históricos de desarrollo de existencias y flujos físicos para crear escenarios sólidos 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 través del tiempo y entre diferentes productos dentro de los 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 el seguimiento del recorrido de los materiales inicialmente presentes en un producto final, como un automóvil de pasajeros. Este seguimiento abarca varias etapas de la vida, incluido el procesamiento de fin de vida útil (EoL), que implica la recolección, el desmontaje/demolición y la clasificación/separación en chatarra. A continuación, hay procesos metalúrgicos como la refundición y/o la fundición, donde la chatarra se transforma en materiales secundarios. Luego, los materiales se someten a la fabricación de productos, que se extienden 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 foco de investigación en materia de materiales de gran calidad. El país tiene escasos recursos minerales 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

Un 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 (pueden incluir existencias) y flujos. Especificar el material para el que se va a cuantificar el sistema (producto, sustancia o elemento indicador). Asegurarse de que cada existencia esté asociada a un proceso y de 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. Las variables del sistema incluyen: todos los stocks dentro de los procesos, todos los flujos entre procesos y todos los flujos que vienen de fuera o van hacia fuera de los límites del sistema. A veces, los stocks no se consideran y solo interesan los cambios netos de stock. 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 la literatura, las mediciones o los datos modelados.
• Realice una verificación de balance de masa para todos los procesos y el sistema en su conjunto.
• Opcional: visualice su sistema utilizando el esquema de caja y flecha que se muestra arriba o utilizando diagramas de Sankey .
• Documentar 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 el análisis del 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 MFA no solo a elementos o sustancias químicas, sino también a materiales como el acero, la 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 es complementario a otros métodos básicos de ecología industrial, como la evaluación del ciclo de vida (LCA) y los modelos de entrada-salida (IO) . ^[43] Existen algunas superposiciones entre los diferentes métodos, ya que todos comparten el enfoque de sistemas 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 MFA suelen abarcar todo el ciclo (extracción, producción, fabricación, uso, manipulación de residuos) de una determinada sustancia dentro de un límite geográfico y un marco temporal determinados. Las existencias de materiales son explícitas en el MFA, lo que hace que este método sea adecuado para estudios que impliquen escasez de recursos y reciclaje de chatarra antigua. El uso común de series temporales (modelado dinámico) y modelos de duración de vida hace que el MFA sea una herramienta adecuada para evaluar las tendencias a largo plazo en el uso de materiales.

• En comparación con los análisis IO, el número de procesos considerados en los sistemas MFA suele ser mucho menor. Por otro lado, el balance de masas garantiza que los flujos de subproductos o desechos 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 IO físicos 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 desechos (consulte la sección anterior para obtener detalles sobre WIO-MFA). Los stocks de materiales no están cubiertos por el análisis IO, solo se puede incluir la adición al stock 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 de MFA generalmente se centran en un solo material utilizado en muchos productos diferentes.

Véase también

• Portal de economía y negocios
• Portal de ecología
• Portal de la sociedad

• Metabolismo antropogénico
• Contabilidad energética
• Ecología industrial
• Metabolismo industrial
• Criticidad del material
• Contabilidad del flujo de materiales
• Organigrama
• Metabolismo social
• Diagrama de Sankey
• Sostenibilidad
• Metabolismo urbano

Referencias

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Lectura adicional

• Baccini, P.; Bader, H.-P. (1996). Regionaler Stoffhaushalt . Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Alemania). ISBN 978-3-86025-235-2.

Enlaces externos

• Base de datos de flujo de materiales y productividad de recursos de CSIRO y PNUMA 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 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