El análisis de flujo de materiales ( MFA ), también conocido como análisis de flujo de sustancias ( SFA ), es un método analítico para cuantificar los 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 . El MFA se utiliza para estudiar los flujos de materiales, sustancias o productos a través de 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 de MFA orientada al negocio 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 de 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 refugio, comida, 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 a un nivel en el que los impactos no deseados sobre el medio ambiente y la sociedad ya no pueden ser ignorados , ni a nivel local ni global. Los flujos de materiales son el núcleo 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 que antes no era importante, el dióxido de carbono , encabeza la agenda política y científica. El cambio gradual de la producción de materias primas a la minería urbana en los países desarrollados requiere una evaluación detallada de las existencias de materiales obsoletos y en uso en la sociedad humana. Por lo tanto, los científicos, las industrias, los organismos gubernamentales y las ONG necesitan una herramienta que complemente la modelación y la contabilidad económica. 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 de flujo de material es un método de este tipo.
Principios básicos
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
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 adaptarse 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 ocurre 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 ubicar 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 refinarse desagregando procesos o simplificarse agregando procesos.
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 represente 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 cual se cuantifica el sistema. El elemento indicador o material del sistema es la entidad física que se mide y para la cual se mantiene el balance de masa. Como dice el nombre, un elemento indicador es un elemento químico determinado 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 automóviles de pasajeros, materiales como el acero u otras cantidades físicas como la energía .
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 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 lo tanto, son homogéneas". Del capítulo 2.1.1 en 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 en Brunner y Rechberger. [4]
- El término material en AMF "sirve como término general para sustancias y mercancías". Del capítulo 2.1.3 en Brunner & Rechberger. [4]
Equilibrio de proceso
Uno de los principales propósitos de MFA es cuantificar el metabolismo de los elementos del sistema. A diferencia de la contabilidad económica, MFA también cubre los flujos de residuos no económicos, las emisiones al medio ambiente y los recursos naturales no comerciales.
El equilibrio del proceso 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 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 de datos o incluso conceptos erróneos en el sistema, como la omisión de un flujo o un proceso. . La información en conflicto 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 de MFA. [6]
Ejemplos de aplicaciones de MFA en diferentes escalas espaciales y temporales
Los estudios de AMF 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:
- AMF a escala nacional o regional (también conocida como contabilidad de flujo 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 de flujo de material corporativo , o MFA a lo largo de una cadena de suministro industrial, involucra a varias empresas: El objetivo del análisis de flujo de material 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, p. 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 de la evaluación 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 balance de masas o la conservación de la materia ya se postuló 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.
- Sanctorius y Theodor Weyl hicieron otras contribuciones fundamentales .
- Dennis Meadows hizo que una amplia audiencia tomara conciencia de la base física de la economía cuando fue coautor del bestseller Limits to Growth 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 las décadas de 1980 y 1990. El desarrollo ocurrió 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, quien trabajó en el Instituto Wuppertal, [12] desarrolló el concepto relacionado con MFA de unidad de entrada de material por servicio (MIPS). [13]
- El Panel de Recursos del PNUMA [14] 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 ) [15] , 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 [16] y Japón. [17] La AMF también se utiliza en el Sistema de Contabilidad Ambiental y Económica Integrada .
- Varias conferencias internacionales u otras reuniones proporcionan una plataforma para investigadores y políticos a cumplir y resultados de cambio e ideas, incluyendo el Foro Mundial de Recursos , [18] una conferencia internacional bianual sobre el análisis de flujo de materiales y el desarrollo sostenible.
- MFA-IO es un enfoque para establecer un sistema MFA de toda la economía utilizando tablas Input-Output monetarias y físicas. [19]
- El Sustainable Europe Research Institute (SERI) en Viena, Austria, ha desarrollado una base de datos llamada materialflows.net. [20]
- Dynamic MFA tiene como objetivo la cuantificación a largo plazo de los sistemas MFA y utiliza patrones de desarrollo históricos de stocks y flujos físicos para crear escenarios sólidos para los próximos años y décadas. [21]
- Japón se ha convertido en un punto de acceso para la investigación de MFA. 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 ciclos de materiales y también inauguró el concepto 3-R. [22]
Realización de un MFA de última generación
Un AMF de última generación consta de los siguientes pasos: [4]
- Establezca una definición explícita del sistema: especifique el límite del sistema con el alcance geográfico y temporal, los procesos (pueden contener existencias) y los flujos. Especifique el material para el cual se cuantificará el sistema (producto, sustancia o elemento indicador). Asegúrese de que cada stock esté asociado con 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. Las variables del sistema incluyen: Todas las existencias dentro de los procesos, todos los flujos entre procesos y todos los flujos que vienen del exterior o que van hacia fuera de los límites del sistema. A veces, las acciones no se consideran y solo los cambios netos en las acciones son de interés. Para cada variable, debe quedar claro si es un stock o un flujo, y esta distinción debe reflejarse en los nombres y en los símbolos matemáticos elegidos.
- Cuantifique las variables del sistema vinculándolas a la literatura, la medición 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 usando el esquema de caja y flecha que se muestra arriba o usando los diagramas de Sankey .
- Documente el MFA informando la definición explícita del sistema junto con la lista de variables cuantificadas del sistema y las verificaciones de balance de masa.
La diferencia entre el análisis de flujo de sustancias y materiales
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 AMF no solo a elementos o sustancias químicos, sino también a materiales como el acero, la madera o productos como coches o edificios. Por tanto, es posible realizar un AMF 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 centrales de ecología industrial de evaluación del ciclo de vida (LCA) y modelos de entrada-salida (I / O) . [23] Existen algunas superposiciones entre los diferentes métodos, ya que todos comparten el enfoque del sistema y, en cierta medida, el principio de balance de masa. Los métodos difieren principalmente en el propósito, el alcance y los requisitos de datos.
Los estudios de AMF a menudo cubren el ciclo completo (extracción, producción, fabricación, uso, manejo de desechos) de una determinada sustancia dentro de un límite geográfico y un marco de tiempo determinados. Las existencias de material son explícitas en MFA, lo que hace que este método sea adecuado para estudios que involucren escasez de recursos y reciclaje de chatarra vieja. El uso común de series de tiempo (modelado dinámico) y modelos de vida útil hace que MFA sea una herramienta adecuada para evaluar las tendencias a largo plazo en el uso de materiales.
- En comparación con los análisis de E / S, el número de procesos considerados en los sistemas MFA suele ser mucho menor. Por otro lado, el balance de masas asegura que los flujos de subproductos o desechos no se pasen por alto en los estudios de MFA, mientras que en las tablas de E / S estos flujos a menudo no se incluyen debido a su falta de valor económico. Los modelos de E / S físicas son mucho menos comunes que las tablas económicas. Las existencias de materiales no están cubiertas por el análisis IO, solo la adición a las existencias se puede incluir 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 enfocan en un solo material utilizado en muchos productos diferentes.
Ver también
- Metabolismo antropogénico
- Contabilidad energética
- Ecología industrial
- Metabolismo industrial
- Criticidad material
- Contabilidad de flujo de material
- Organigraph
- Metabolismo social
- Diagrama de Sankey
- Sustentabilidad
- Metabolismo urbano
Referencias
- ^ "Recursos, conservación y reciclaje" .
- ^ Marina Fischer-Kowalski, La historia intelectual del análisis de 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 .
- ^ Marina Fischer-Kowalski, La historia intelectual del análisis de 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 .
- ^ a b c d e f g h Brunner, PH; Rechberger, H. (2004). Manual práctico de análisis de flujo de materiales . Lewis Publishers, Nueva York. ISBN 978-1-56670-604-9.
- ^ IUPAC, Compendio de terminología química, 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) "elemento químico".
- ^ "Inicio" . www.stan2web.net .
- ^ Eurostat (2013). Cuentas de flujo de materiales en toda la economía (EW-MFA) (Informe). Eurostat.
- ^ Krausmann, Fridolin; Weisz, Helga; Eisenmenger, Nina; Schütz, Helmut; Haas, Willi; Schaffartzik, Anke (2015). "Contabilidad del flujo de materiales en toda la economía - Introducción y guía. Documento de trabajo de ecología social 151". Documento de trabajo sobre ecología social . Instituto de Ecología Social, Universidad Alpen-Adria, Klagenfurt / Graz / Viena. ISSN 1726-3808 .
- ^ Baccini y Bader 1996, 'Regionaler Stoffhaushalt' (metabolismo regional), Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Alemania), ISBN 3-86025-235-6
- ^ Baccini P. y Brunner PH (2012). Metabolismo de la Antroposfera, Análisis, Evaluación, Diseño. 2ª edición, The MIT Press, Cambridge, MA. ISBN 9780262016650
- ^ 'Predicción de emisiones futuras según las características de las poblaciones', Ecological Economics, 2002, 41 (2), 223-234.
- ^ "Instituto de Wuppertal" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ Schmidt-Bleek, Friedrich (1994), "MIPS: Ein neues ökologisches Maß", Wieviel Umwelt braucht der Mensch? , págs. 97-141, doi : 10.1007 / 978-3-0348-5650-8_4 , ISBN 978-3-0348-5651-5
- ^ "PNUMA" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ "IPCC" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ "Contabilidad en la UE" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ "Contabilidad en Japón" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 27 de septiembre de 2011 . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ "Foro de recursos mundiales" . Consultado el 16 de septiembre de 2019 .
- ^ Nakamura, S .; Kondo, Y. (2009). Análisis Input-Output de residuos. Conceptos y aplicación a la ecología industrial . Saltador. ISBN 978-1-4020-9901-4.
- ^ "materialflows.net" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ Daniel B. Müller, Dinámica de existencias para pronosticar flujos de materiales - Estudio de caso de vivienda en los Países Bajos, Ecological Economics 59 (1), 2006, pp 142-156, doi : 10.1016 / j.ecolecon.2005.09.025 .
- ^ "3R en Japón" . Consultado el 3 de julio de 2011 .
- ^ Gao, Jiyao; Tú, Fengqi (2018). "Marco de optimización del ciclo de vida basado en análisis de flujo de material dinámico y aplicación al diseño sostenible de sistemas de energía de gas de esquisto" . Química e Ingeniería Sostenible ACS . 6 (9): 11734-11752. doi : 10.1021 / acssuschemeng.8b01983 .
Otras lecturas
- 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 productividad de recursos y flujo de materiales de CSIRO y PNUMA 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 en gran detalle y se publica en 166 páginas en el primero de cuatro volúmenes de papel coeditados con la ayuda del PNUMA y en forma en línea por la OCDE.
- Software gratuito de análisis de flujo de material STAN
- Indicadores y análisis de flujo de materiales en toda la economía
- Análisis de flujo de materiales en el contexto de la contabilidad ambiental
- Herramienta de análisis de flujo de material en línea (OMAT) : software en línea para administrar un análisis de flujo de material