Integración de metodologías de análisis de ciclo de vida al diseño sistemático de procesos químicos

Resumen

1. INTRODUCCIÓN El medio ambiente se ha convertido en factor determinante en los resultados de la industria química que se enfrenta hoy en día a muchos retos incluyendo, entre otros, una mayor competencia global y un aumento en la demanda de productos y procesos de fabricación más sostenibles. Asimismo, la problemática ambiental se ha convertido en uno de los factores que más determinan la forma en la que la industria química es percibida por la sociedad. Así, la creciente contaminación, reforzada por datos avalados por informes científicos sobre los impactos ambientales a los que está sometido el planeta, ha contribuido a movilizar a la opinión pública para pedir a las Administraciones normativas más restrictivas y respetuosas con el medio ambiente. A principios del siglo XX, el procedimiento más habitual para reducir las emisiones y vertidos contaminantes en el sector químico era incluir al final de los procesos de fabricación alguna tecnología de control encaminada a reducir el nivel de contaminación hasta los niveles legalmente admisibles y, por tanto, permitir su vertido al medio (atmósfera, red de saneamiento, etc.) sin miedo a una sanción administrativa. Uno de los inconvenientes de este enfoque es que requiere de grandes inversiones para la instalación y posterior funcionamiento de los sistemas de tratamiento. Sin embargo, aunque existe una clara necesidad de mejorar los procesos químicos medioambientalmente hablando, no existen metodologías o guías de referencia claras que ayuden a diseñarlos mejor desde esta perspectiva. Esta afirmación es fácil de justificar si se analiza la mayoría de los libros de referencia que con frecuencia se utilizan en el ámbito universitario para la enseñanza del diseño y optimización de procesos químicos y que casi no contienen información sobre cómo incluir los temas ambientales en la síntesis de instalaciones químicas y en el análisis de alternativas fuera de un contexto más amplio que el propio diseño. Afortunadamente, es cada vez más numerosa la inclusión de la problemática ambiental en cualquier decisión que se tome desde cualquier disciplina técnica, social y/o económica como así se evidencia en gran parte de la literatura científica actual aunque de forma dispersa y heterogénea. De manera que la síntesis y optimización de procesos químicos se realiza, en la mayor parte de los casos, atendiendo a criterios meramente económicos debido fundamentalmente a dos motivos. Hasta hace relativamente poco tiempo, la problemática medioambiental asociada al diseño de instalaciones químicas no se consideraba al no ser un factor determinante para justificar inversiones adicionales para reducir o minimizar el impacto ambiental de los procesos más allá de los exigidos para el cumplimiento de la legislación medioambiental. Por otro lado, la complejidad de resolución que presenta la optimización multiobjetivo de los procesos químicos (minimizar simultáneamente el coste de la instalación y su impacto ambiental) hace que las técnicas estén poco extendidas fuera del ámbito académico y, por lo tanto, que las PYMEs se decanten (si acaso) por la optimización de una sola función objetivo de tipo económico (por ejemplo, maximizar el beneficio o minimizar los costes totales del proceso industrial). Con todo lo mencionado es fácil de entender las principales motivaciones que mueven esta investigación y cuál son los principales objetivos a los que se intentará dar respuesta a lo largo de la misma y que se resumen a continuación: - Desarrollar nuevas herramientas para abordar la problemática ambiental asociada a los procesos químicos y, en particular, a los casos de estudio que se analizarán durante el desarrollo de la tesis doctoral. - Presentar distintas metodologías para afrontar la síntesis y optimización multiobjetivo de procesos químicos (ej. minimizar el coste total e impacto ambiental) intentando mantener, en la medida de lo posible, la simplicidad matemática de la optimización uniobjetivo para garantizar su resolución. Con este fin se abordan distintas técnicas para encontrar las soluciones óptimas (o soluciones de Pareto) que podrán estar compuestas por un conjunto de soluciones discretas (en el caso de que se estudien distintas configuraciones o diagramas de flujo para resolver un mismo problema de diseño) o continuas (si el diagrama de flujo o configuración de la instalación se mantiene fija y, únicamente, se optimizan las condiciones de operación del sistema). En caso que esto no sea posible se recurrirá a métodos numéricos especializados. - Establecer una metodología clara y adecuada para incluir indicadores ambientales de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) en el diseño sistemático de procesos químicos (por ejemplo, Ecoindicador-99 y Global Warming Potential). 2. DESARROLLO TEÓRICO En primer lugar, se estudiarán técnicas y algoritmos matemáticos que permitan la integración de indicadores ambientales (entre otros, el Ecoindicador-99 y Global Warming Potential) en el diseño sistemático de procesos químicos, considerando tanto aspectos globales (diseño total de la instalación) como el estudio pormenorizado de subsistemas de especial interés (secuencias de columnas, reactores químicos, etc.). Para este análisis se utilizarán distintos procedimientos que irán desde el estudio detallado de las alternativas más sostenibles del proceso hasta métodos numéricos especializados. El plan de trabajo se compone, a priori, de las siguientes etapas: 1) Puesta al día de la bibliografía y estado de la ciencia. 2) Estudio de los métodos numéricos y aplicación al diseño sistemático de procesos químicos más sostenibles con el medio ambiente. 3) Análisis y estudio de la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) y su aplicación a los sistemas industriales y, en particular, a la industria química. 4) Estudio de los distintos indicadores existentes para valorar la sostenibilidad de los procesos químicos (Global Warming Potential, toxicidad humana, Ecotoxicidad, Ecoindicador-99, etc.) 5) Análisis, síntesis y optimización de distintos procesos químicos buscando las mejores soluciones de compromiso entre el rendimiento económico y medio ambiental. 3. CONCLUSIONES Como se ha analizado en los casos de estudio desarrollados a lo largo de la investigación es posible introducir dentro del diseño sistemático de procesos químicos consideraciones de índole económico y medioambiental en la búsqueda de instalaciones químicas económicamente más atractivas y ambientalmente menos dañinas con el medio natural. Para ello basta con incorporar dentro de los modelos de programación matemática indicadores económicos (por ejemplo, el Potencial Económico o el Coste Total Anualizado) junto con otros de carácter medioambiental (por ejemplo, el indicador “Global Warming Potential” o el Ecoindicador-99). Si bien la incorporación de estos indicadores resulta relativamente sencilla desde un punto de vista formal y teórico, no lo es tanto la resolución del problema de optimización multiobjetivo que se genera y que suele presentarse como un sistema no lineal con variables continuas y discretas (MINLP). Así, el problema de optimización dentro de este contexto es equivalente a un modelo convencional de optimización con la excepción de que, además de la función económica (por ejemplo, maximizar el beneficio o minimizar el coste), aparece una nueva función objetivo de carácter medioambiental (minimizar el daño ambiental, es decir, el indicador “Global Warming Potential” o el valor del Ecoindicador-99). De manera que el problema de optimización uniobjetivo pasa a convertirse en un problema de optimización multiobjetivo donde el sistema debe ser optimizado simultáneamente atendiendo al rendimiento económico y al medioambiental. En todos los casos de estudio evaluados, el resultado de este proceso de optimización multiobjetivo ha conducido, tras la aplicación del método de la restricción épsilon, a una curva de Pareto que contiene todas las soluciones óptimas del problema de optimización. Por definición, ninguna de las dos funciones objetivo situadas en esta curva puede ser mejorada sin empeorar el valor de la otra función. La tesis doctoral también pone de manifiesto la dificultad de incorporar aspectos ambientales en el diseño de procesos químicos ya que los simuladores no incorporan información sobre los impactos ambientales que ocasiona el diagrama de flujo simulado (por ejemplo, datos toxicológicos, indicadores ambientales, etc.) ni tampoco contienen herramientas para resolver los problemas de optimización multiobjetivo (cuando se incluyen consideraciones adicionales de carácter económico, ambiental, social, etc.) y, por tanto, no facilitan el estudio comparativo de alternativas de diseño. Por este motivo, a lo largo de esta investigación la incorporación de las cuestiones económicas y medioambientales se ha realizado fuera del simulador de procesos (en nuestro caso, AspenHysys) y se ha planteado el problema de optimización MINLP en GAMS y/o MATLAB conectándolo mediante una interfaz adecuada que permite a AspenHysys simular los procesos y condiciones de operación que surgen del optimizador. Este modelado algebraico fuera del simulador de procesos que incluye algoritmos para la estimación de costes, impactos ambientales y para la resolución del propio problema de optimización multiobjetivo a través del método de la restricción épsilon presenta dos ventajas en las primeras etapas de diseño: - Cuantifica y evalúa el rendimiento ambiental del proceso químico desde un punto de vista más holístico (incluyendo desde la fabricación de las materias primas a las emisiones atmosféricas, transporte de materiales, vertidos, residuos, etc.) huyendo de los enfoques tradicionales donde únicamente se consideraba como objeto de optimización las etapas de reacción y separación. Este enfoque más amplio permite asegurar que cualquier mejora que se implemente en el proceso supone una verdadera reducción del impacto ambiental y no una mera externalización del daño a otros procesos y/o actividades donde las etapas más contaminantes se sitúan fuera del alcance inicialmente establecido para el estudio de ACV. - Permite la identificación de las soluciones óptimas sin tener que establecer a priori un conjunto de preferencias para realizar el proceso de optimización lo que permite que se evalúen todas las soluciones no dominadas de la curva de Pareto. Aunque la selección de la “mejor solución de compromiso” también conlleva implícitamente ciertas preferencias y juicios de valor, al menos, la elección se realiza a partir de la evaluación de todo el conjunto de soluciones no dominadas (soluciones que se encuentran en la superficie de Pareto) al contrario de otros métodos que también utilizan la metodología de ACV que pueden ignorar gran parte de las soluciones de Pareto. Por último se destaca la importancia que hoy en día están adquiriendo los conceptos de “Desarrollo Sostenible” y Análisis de Ciclo de Vida ya no sólo a nivel de Administraciones y Organismos Internacionales (Ejemplo, la Organización Internacional de Normalización) si no también en una sociedad cada vez más sensibilizada con la contaminación y el Cambio Climático. Esta creciente preocupación marcará sin duda el camino a seguir por las compañías químicas a corto/medio plazo que deberán centrarse en su rentabilidad pero también en ser respetuosas con el entorno en el que desarrollan sus actividades industriales. Dentro de este encuadre es donde se sitúa esta tesis doctoral que establece una metodología formal y objetiva para ayudar a identificar los mejores diseños para llevar a cabo un proceso químico (diseño sistemático de procesos) o mejorar los ya existentes, valorando ambiental y económicamente las bondades de las distintas propuestas que pueden plantearse en el búsqueda de una mayor eficiencia económica (más rentabilidad) y medioambiental (menor impacto ambiental) y tanto en grandes compañías químicas como en pequeñas y medianas empresas.