Ingeniería Verde

Ingeniería Verde como técnica de reducción de residuos Ing. Jocelyn Loa Arjona

Ingeniería Verde  Diseño,

descubrimiento e implementación de soluciones de ingeniería con una conciencia de los beneficios potenciales y los problemas en términos de medio ambiente, economía y sociedad a través del tiempo de vida del diseño.

Principios de ingeniería verde  Procurar

garantizar que todas las entradas y salidas de material y energía sean tan inherementes no peligrosas como sea posible.  Prevenir los residuos a tratarlos  Operaciones de separación y purificación deben ser un componente del marco de diseño  Los componentes del sistema (productos, procesos y sistemas) se deben diseñar para maximizar la masa, energía y eficiencia temporal.  Los componentes del sistema se deben jalar hacia afuera en vez de ser empujados hacia adentro a través del uso de energía y materiales.



La entropía incrustada y la complejidad deben ser vistas una inversión a la hora de tomar decisiones de diseño sobre reciclaje, reutilización o disposición benéfica.



La durabilidad pretendida, no la inmortalidad, debe ser objetivo de diseño.



El diseño para la capacidad o aptitudes innecesarias se debe considerar como una falla de diseño.



Los productos multicomponentes deben procurar la unificación de materiales para promover el desmontaje y la retención de valor (minimizar la diversidad de un material)



El diseño de procesos y sistemas debe incluir la integración de la interconectividad con los flujos de materiales y energía disponibles



La métrica del desempeño incluye el diseño desempeño en la vida comercial "después de«



El diseño debe estar basado en las entradas renovables y fácilmente disponibles durante el ciclo de vida.

de

Diseño En

esta etapa es donde los ingenieros son capaces de seleccionar, evaluar las propiedades del egreso final. Esto puede incluir ingresos materiales, químicos, energía, efectividad, eficiencia, estética, forma, proceso de producción, operación y mantenimiento. Especificaciones pretendidas como calidad, seguridad y desempeño.



En esta etapa se tiene la oportunidad de incorporar temas de eficiencia incrementada, reducir desperdicio de agua, materiales y energía, reducir costos

EJEMPLO. Solución al diseño MEJORA INCREMENTAL

REINGENIERIA DEL SISTEMA

REDEFINICIÓN DE LOS LIMITES DEL SISTEMA

Mejorar la eficiencia del motor Carnot; utilizar materiales de peso más ligero (compuestos en vez de metales)

Utilizar un sistema hibrido eléctrico o de celda de combustible; cambiar la forma del carro para una aerodinámica mejorada; capturar el calor y la energía de desperdicio para su movilización

Cumplir con las necesidades móviles sin auto individual: implementar un sistema de transporte publico; diseñar comunidades de tal manera que los distintos comercios o empleos se encuentren a una distancia tal que se pueda caminar o usar bicicleta.

Beneficios potenciales realizados MEJORA INCREMENTAL

REINGENIERIA DEL SISTEMA

REDEFINICIÓN DE LOS LIMITES DEL SISTEMA

Ahorro de combustible moderado: reducciones moderadas de emisiones de CO2

Ahorros de combustible mejorados: reducciones mejoradas de CO2, eficiencia de material y energía mejorada.

Eliminación de los impactos ambientales asociados con el ciclo de vida total del automóvil; ahorros de combustible y reducciones de CO2 maximizados; infraestructura mejorada; desarrollo más denso (crecimiento inteligente), salud de sociedad mejorada por la caminata y menor contaminación del aire.

Prevención de la contaminación Enfocada en el incremento de la eficiencia de 

un proceso para reducir la cantidad de contaminación generada (Eco-eficiencia). Reducción de contaminantes Reciclaje 

El sistema actual es orientado a reducir el desperdicio e impacto ambiental

.

Tratamiento Di sp osi ció n

Ejemplo 

Aplicación de tecnologías de membranas de recuperación de aguas de lavado (Fábrica de Licores de Antioquia).



Este caso se centra solamente en el manejo del agua, insumo fundamental en todos los procesos. Se hace énfasis en el agua de lavado de envases y su impacto por vertimiento, debido a la carga de residuos y la soda cáustica empleada en el proceso.



La oportunidad de emplear tecnología de ultrafiltración en el cual se recoge por un lado el agua permeada y por el otro una corriente concentrada con las impurezas de la operación de lavado. Hay un reacondicionamiento del agua permeada y del concentrado, empleando la primera en otras operaciones internas y procesando el segundo para la recuperación de soda y la disposición de impurezas en forma de lodos.

La implementación de una nueva tecnología permitió a la empresa reducir sus consumos de agua y soda, al igual que disminuir el impacto ambiental por vertimientos.

Análisis de eficiencia Reuso del 50% del agua. Inversión

Ahorro Total

US$171.500 por unidad de filtración

US$48.859 por consumo de agua

US$21.500 por unidad de limpieza de sosa

US$8.046 por concepto de sosa

Eco-eficiencia  Descripción

de los resultados de la instrumentación con respecto de indicadores económicos, ambientales y comerciales  Es necesario elaborar una revisión de análisis de casos del mismo sector 1. Situación previa a la instrumentación de las alternativas de Eco-eficiencia en la empresa del caso 2. Descripción de las acciones emprendidas por dicha empresa 3. Aspectos que pueden ser replicables

Ejercicio Una empresa produce 3 productos, jitomate, calabaza, lechuga en un invernadero. En la tabla 1 se dan los volúmenes de producción de cada producto. En las tablas 2, 3 se indican costos directos e indirectos de la producción.

Costos directos Prepara ción del terreno

Insumos Mano de obra directa Total

Jitomate

Calabaz a Calabaz a

Lechuga

TOTAL

Lechuga

TOTAL

Costos directos

Jitomate

Preparaci ón del terreno Insumos Mano de obra directa Total

$5000

$150,000

$8000

$163,000

$90,000 $5,000

$5000 $30,000

$40,000 $15,000

$135,000 $50,000

$100,000

$185,000

$63000

$348,000

Eco-diseño  Eco-diseño:

Propuesta de diseño en el que las cargas ambientales son intencionalmente consideradas y eliminadas donde sea posible en la fase de diseño. Estrategias de diseño para eliminar cargas ambientales Cambios en los materiales Cambios en la dirección Prácticas de operación mejoradas Prácticas mejoradas de recuperación y disposición Logística mejorada

Eco-mapa  Herramienta

que sirve para identificar puntos críticos de la empresa que están asociados a consumos significativos de materiales, energía y agua así como la generación de residuos, ruido o problemas potenciales.  Ayuda a tener una idea inicial del aprovechamiento de materias primas y energía, así como la reducción de residuos.

Pasos para elaborarlo 

Identificarse entradas de materiales, energía, insumos y empaques,



Así como la salidas de residuos, efluentes emisiones, productos, ruido.



Consiga o elabore un plano sencillo de la planta (lay out)



Obtenga información del proceso de operarios o responsables del proceso, sobre mayores consumos de agua, energía o materias primas



Utilice una simbología simple y fácil para distinguir aspectos; agua, energía, residuos, etc.



Utilice datos que tenga disponible para cuantificar entradas y salidas



Una vez concluido, determine el numero de cada tipo de simbolo para cada tema.

Eco-balance Ayuda a determinar las cantidades de materias primas e insumos que entran a un proceso o una operación especifica y las cantidades de productos, subproductos y residuos que salen de dicha operación.  Permite identificar oportunidades de mejora en aquellos puntos donde se encuentren ineficiencias significativas del proceso de producción que provoquen reducción de costos para la empresa. 

MASA DE ENTRADA (MASA DE A+B) = MASA DE SALIDA (MASA DE PRODUCTO + MASA DE RESIDUOS)

Insumos y Aditivos

Materia prima A

Emisiones

PROCESO DE PRODUCCIÓN Materia prima B

Energía Agua

Producto Terminado

Envases Material Reciclable Aguas Residuales Residuos

Ejemplo.

Ejemplo 

Fuegos Artificiales San Lorenzo, fabricante de pólvora preparándose para la próxima temporada decembrina, desea sacar el mayor provecho de su producción. Desea analizar áreas criticas de la planta y proponer una reingeniería del proceso.



Para la fabricación de pólvora se utilizan 3 sustancias (Azufre, Carbón, Nitrato de potasio) en proporciones de 10, 15, y 75% en peso respectivamente. Esas sustancias deben molerse finamente y mezclarse con cuidado para dar el producto final. Una vez lista, la pólvora se empaca con papel.



En la empresa se generan residuos de materia prima en la alimentación de los molinos y en la mezcladora, así como en el empacado del producto final.



Emisiones a la atmosfera provenientes del calentador de agua para las regaderas de los baños de empresa, y descarga de aguas residuales de las mismas



Si la empresa quiere producir 4 toneladas de pólvora por día (sin considerar en esta la masa del empaque, sino solamente del producto final de mezclado) ¿Qué cantidad de materia prima requiere?



Instrucciones. Elabore un análisis de la eco-eficiencia a través de un eco-balance. Complete el balance en unidades de kg/dia para masa y MJ/d para energía eléctrica

Entradas Sustancia

Unidad

Azufre Carbón Nitrato Empaque de papel

1000

Agua

5000

Combustible Energía Eléctrica

100 1000 MJ/d

Salidas Sustancia Pólvora

Unidad Ton/d 4

Residuo de azufre

0.15

Residuo de carbón

0.15

Residuo de nitrato

0.4

Residuo de papel

0.1

Emisiones a la atmosfera

0.08

Combustible sin quemar Evaporación Descargas Energía Liberada Energía aprovechada

4.5 450 MJ/d

Unidad Kg/d

COMBUSTIBLE AGUA Azufre Carbón Nitrato Energía

Proceso

EVAPORACIO N Emisiones Energía liberada Pólvora Descarga

RESIDUOS

Subproduct os

Ciclo de Vida  Desempeño

ambiental de un producto, proceso o sistema durante todas las fases de adquisición de materias primas para refinar dichos materiales, manufactura, uso y manejo de fin de vida.

Etapas del ciclo de vida. Extracción del material

Termino de vida

Uso de producto

Procesamien to del material

Manufactura

Ejemplos.  Un

automóvil creará el volumen de su impacto ambiental durante su etapa de uso de su ciclo de vida, principalmente por la combustión de combustibles fósiles.  Una construcción aunque una vasta cantidad de agua, agregados químicos y energía se utilizan para producir los materiales de construcción, transportación de los mismos hacia el sitio de trabajo y la construcción de un edificio. El mayor consumo de agua y energía viene después de la ocupación, durante su etapa de operación.

Evaluación ambiental del ciclo de vida (ACV) 

Tecnología avanzada para examinar el impacto ambiental total a través de cada etapa del ciclo de vida.

Definició n de meta y alcance

Análisis de inventari o

Evaluació n de impacto ambienta l

Interpretación

Definición de meta y alcance  La

meta declara la aplicación y audiencias pretendidas y el alcance la unidad funcional.

Preguntas para definición de alcance y meta ¿Cuál es el propósito de ACV?, ¿Cómo serán utilizados los resultados y por quién? ¿Qué materiales, procesos o productos se deben considerar? ¿Necesitan direccionarse las cuestiones especificas? ¿Qué tan ampliamente las opciones alternativas están definidas? ¿Qué cuestiones o preocupaciones direccionara el estudio?

Definición de función y unidad funcional Función

Unidad Funcional

Servicio proporcionado por el sistema

Medidas de cuantificación de función de producción

Características de desempeño de un producto

Bases para un ACV

Referencia para normalización de datos de entrada y salida

Ejemplo. 

Una compañía de lacas, que pinta platos de acero para refrigeradores ha sido entrevistada sobre el uso de materiales, recursos, energía y emisiones de su proceso de pintado, para determinar un proceso unitario del laqueado de un plato de acero. La compañía ha calculado los resultados de la siguiente tabla para el proceso de pintado, por hora trabajada; la laca es a base de solvente. Definir la unidad funcional para el proceso de laqueado.

Aspectos

Unidad

Cantidad

Plato de acero

m2/h

60

Uso de laca

Kg/h

9,49

USO DE MATERIALES

USO DE ELECTRICIDAD Compresores de aire

Kw/h

2,16

Ventilación de caja de laqueado

Kw/h

15,4

Calentamiento de la Kw/h caja de laqueado

51

Ventilación, horno

Kw/h

8.12

Calentamiento, horno

Kw/h

84

Kg/h

3,13

EMISIONES AL AIRE VOC

GENERACIÓN DE RESIDUOS Material del filtro

Kg/h

0,78

Exceso de laca

Kg/h

2,1

Solución Energía. 160.68 kw/h Contaminantes 6,01 kg/h Unidad Funcional 60m2/h/9,49 kg/h=6.32 m2/kg

Análisis del Inventario 

Descripción de todas las entradas y salidas en el ciclo de vida, comenzando con lo que compone al producto, de donde vinieron los materiales, a donde van, y las entradas y salidas relacionadas con dichos materiales componentes durante su vida entera.



El propósito es cuantificar que viene, que sale, incluyendo energía y materiales asociados a cada etapa del ciclo de vida.



En esta etapa es importante la inclusión subproductos, desperdicios, emisiones, etc.

de

Evaluación de impacto Identificación

de todos los impactos ambientales asociados a entradas y salidas detalladas en el inventario. Los impactos ambientales pueden incluir factores de agotamiento de recursos, uso de agua, potencial de calentamiento global, toxicidad humana, formación de smog, etc.

Ejemplo. Desarrollo de análisis de ciclo de vida en materiales de tubería. 1.- Especifique la meta de estudio. Evaluar los impactos de ciclo de vida en dos diferentes materiales para su uso en distribución de agua para una nueva comunidad planeada para la sustentabilidad. Los materiales son: Cloruro de polivinilo (PVC) y Aluminio (Al) 2.- Especifique el alcance de estudio. Ciclo de vida total

Bauxita, petróleo

Producción de Al, PVC

Manufactura de hojas

Termino de vida. Relleno sanitario, incineración, reciclaje

Uso de tuberías

Manufactura de tuberías

Frontera del sistema. Desde extracción hasta termino de vida

3.- Determine la función. La tubería proporciona un producto físico para transportar el agua a través del entorno urbanístico. Las propiedades deseables son:  Minimización de la transferencia de calor  Vida larga y resistencia a la degradación

Suponga que 1000 pies de material de tubería, tanto empaques como transportación es la misma para cada material. NO SE INCLUYE EN EL ACV. 4.- Desarrolle diagramas de flujo.

Diagrama de flujo para PVC MINERIA

Sal de rocas ELECTROLISIS Cl2

EXTRACCIÓN Metano

CLORACIÓN

Estabilizad Plasticidad or EMULSIÓN, REACCION DE POLIMERIZACIÓ N

COV TUBERIA DE PVC

CALANDRADO

Diagrama de flujo para Al MINERIA NAOH

Piedra Bauxita Caliza

MANUFACTURA DE OXIDO DE ALUMINIO

MINERIA

MANUFACTURA DE CATODO/ANODO

Fluoruro de Na,Al, Ca Carbón

ELECTROLISIS

FUNDICIÓN Metal de Al

LAMINADOR RECOCIDO

5.- Desarrolle un inventario de materiales de ciclo de vida consumidos en la producción de material de tubería Inventario de PVC Inventario

Cantidad

Masa (kg) Petróleo crudo

0.2

Energía (MJ) Materia prima y pre combustión y combustión

10

Emisiones de aire (g) Materiales particulados Químicos orgánicos volátiles Monóxido de carbono

0.2 3000 0

Óxidos de azufre

2000

Óxidos nitrosos

2000

Inventario de PVC. Inventario Agua

Cantidad

Solidos Suspendidos

5g

Nitrógeno

10g

Carbón Orgánico Total

70g

Sales y ácidos

10,000 g

Metales pesados

0

Inventario Termino de Cantidad vida Relleno Sanitario

100 kg

Incinerado

150 kg

Impacto a la salud. Dioxinas, carcinógenos, teratógeno, mutageno

Inventario de Al Inventario Materiales Masa (kg) Bauxita, Piedra caliza Energía (MJ) Materia prima y pre combustión y combustión

Cantidad 1.2 kg, 1.4 kg 10 kg

Emisiones de aire (g) Materiales particulados

5000

Químicos orgánicos volátiles

6000

Monóxido de carbono

20,000

Óxidos de azufre

15000

Óxidos nitrosos

3000

Inventario Agua Solidos Suspendidos Nitrógeno Carbón Orgánico Total Sales y ácidos Metales pesados

Cantidad 2000 g 90g 270 g 35,000 g 150 g

Inventario Termino de Cantidad kg vida Relleno Sanitario

250

Incinerado

270

Reciclado

300

Impacto a la salud. Posible vinculo con la enfermedad de Alzheimer. La producción vinculada con asma, enfermedad crónica respiratoria. Descargas acidas de minería

Comparación con EVC Aspecto

PVC

Al

Intensidad del material

+

-

Energía

+

-

Salud

-

Ok

Contaminantes del aire

Ok

-

Contaminantes del agua

Ok

-

Potencial de calentamiento global

+

-

Termino de vida

-

ok