USO EFICIENTE DE ENERGÍA DESARROLLO SUSTENTABLE Y

V CONGRESO NACIONAL DE LA ACADEMIA DE INGENIERÍA.V CONGRESO NACIONAL DE LA ACADEMIA DE INGENIERÍA.

USO EFICIENTE DE ENERGÍA, DESARROLLO SUSTENTABLE Y CONSERVACIÓN DE RECURSOS NATURALES NO RENOVABLES:

TRES ESTUDIOS DE CASO.

CarlosCarlos EE.. EscobarEscobar Toledo*,Toledo*, LolLol--chenchen Alegría*,Alegría*, BárbaraBárbara Ramírez*Ramírez*Departamento de Ingeniería QuímicaDepartamento de Ingeniería QuímicaDepartamento de Ingeniería Química.Departamento de Ingeniería Química.

Facultad de QuímicaFacultad de QuímicaUniversidad Nacional Autónoma de MéxicoUniversidad Nacional Autónoma de México

*Se agradece el apoyo brindado a través del proyecto PAPIIT

1

IN102710.

El término desarrollo sustentable se asumió en el principio tercero de la

Declaración de Río de Janeiro como:

“Satisfacer las necesidades de las generaciones presentes sin

comprometer la capacidad de las generaciones futuras para

atender sus propias necesidades”.p p

La sustentabilidad es un tópico multidisciplinario: La sustentabilidad es un tópico multidisciplinario:

◦◦ IncluyeIncluye retosretos tecnológicostecnológicos enen productosproductos yy procesos,procesos, dede maneramanera quequeyy gg pp yy p ,p , qqlaslas tecnologíastecnologías desarrolladasdesarrolladas parapara lala producciónproducción dede bienesbienes yyservicios,servicios, enen esteeste casocaso dede productosproductos petroquímicos,petroquímicos, nono pongaponga enenriesgoriesgo lala supervivenciasupervivencia dede futurasfuturas generacionesgeneracionesriesgoriesgo lala supervivenciasupervivencia dede futurasfuturas generacionesgeneraciones..

2

MULTIDISCIPLINARIEDADEn el contexto de las sociedades del conocimiento,

todo lo humano debe poder abordarse desdepsus múltiples ángulos; ya no hay lugar para

las concepciones fragmentadas de las realidadesque se construyen. Es necesario avanzar hacia laque se construyen. Es necesario avanzar hacia la

transdisciplinariedad, entendida como la construcciónmetodológica y conceptual conjunta, derivada

de una perspectiva común que rebasa las fronterasde una perspectiva común que rebasa las fronteras entre disciplinas y genera nuevo conocimiento científico

y resultados emergentes de la investigación que no habrían podido surgir de lahabrían podido surgir de la

acción aislada de una sola disciplina.Rosaura Ruíz, Rina Martínez, Liliana Valladares.

“I ió l d ió i H i l i d d d l“Innovación en la educación superior. Hacia las sociedades del conocimiento

”.

Este trabajo explora la utilización de la energía en eldesarrollo sustentable y las fuentes potenciales paradesarrollo sustentable y las fuentes potenciales paraaumentar la eficiencia energética mediante el análisis deexergía y de ciclo de vida de materiales plásticos, usadospara la manufactura de bolsas de polietileno botellas depara la manufactura de bolsas de polietileno, botellas dePET y vasos de poliestireno.

La hipótesis principal es que usar eficientemente laenergía y evitar su desperdicio y el de las materiasprimas provenientes de recursos naturales noprimas provenientes de recursos naturales no-renovables, son esenciales para lograr lasustentabilidad.

Se analizan otros materiales para la posible sustitución delos tres materiales así como la posibilidad de reciclajelos tres materiales, así como la posibilidad de reciclaje.

4

Se realizan balances de exergía, materia y energía paracalcular las pérdidas de exergía y la eficiencia de loscalcular las pérdidas de exergía y la eficiencia de losprocesos de producción seleccionados.

Las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI)como parte constitutiva del desarrollo sustentable, sonp ,tratadas en este trabajo desde la perspectiva exergética.

Los criterios anteriores son analizados en el marco delanálisis multicriterio a través de la metodologíaPROMETHEE GAIA l i d t l t dPROMETHEE-GAIA para seleccionar de entre las todaslas alternativas, la mejor.

5

POLIETILENO

Considerando el consumo de polietileno para la manufactura deb l l ñ 2009 d 567 680 t l dbolsas en el año 2009, que corresponde a 567,680 toneladas, sefabricaron aproximadamente 101,371 millones de bolsas(Considerando que 900 bolsas equivalen a 5.04 Kg, en promedio).

El margen bruto de ganancia para los productores de bolsas es de24 $/Kg (precio de venta: 28$/Kg; costo de producción: 4$/Kg.

PETDe acuerdo al “Centro Empresarial del Plástico”, el consumo debotellas de PET en 2009 fue de 375,360 ton. Equivalentes a 9,700millones de botellas.El costo de producción es de 0.30 $/botella y se vende en 0.90$. Elp ymargen bruto de ganancia es de 0.60$/botella.

6

En la siguiente figura se aprecia el marco de referencia del presentetrabajo mediante las interrelaciones del desarrollo sustentable:

B l d

Conservación de los recursos naturales

Balance de Materia

Balance de Energía

Desarrollo Sustentable Balance de Exergía Emisiones

atmosféricasAnálisis de Ciclo de Vida

Uso eficiente de la energía.g

Análisis económico de alternativas

7

“Buscar y analizar alternativas para lograr un usoeficiente de energía en el ciclo de vida de bolsasgpara transportar bienes, botellas conteniendo aguay vasos para ingerir bebidas, que demuestren que

f ó fsu manufactura, uso y disposición final, incluyendoposibles substitutos, se lleven a cabo en el marcodel desarrollo sustentable tanto en términodel desarrollo sustentable, tanto en términoecológicos, como de conservación de recursosnaturales”.

8

Definición del ciclo de dvida

Cálculo del valor agregado

Recopilar información:

Balance deBalance de Balance de 

•Procesos de producción•Variables termodinámicas

•Costos de producción

ENERGÍAEXERGÍA MATERIA

Irreversibilidades

Petróleo crudo equivalente

Petróleo crudo equivalente

Petróleo crudo equivalenteq q q

SELECCIÓN MULTICRITERIO

9

Involucra el análisis del uso de recursos en la producciónInvolucra el análisis del uso de recursos en la producciónde bienes y servicios desde “la cuna hasta la tumba”, elcual implica el análisis de materias primas, energía yemisiones de contaminantes que intervienen en TODASemisiones de contaminantes que intervienen en TODASlas etapa del proceso de producción de un bien o unservicio

Compilación y Evaluación en etapas consecutivas einterrelacionadas para un producto:interrelacionadas para un producto:

Entradas, salidas, e impactos ambientales Consta de 4 fases :

1. Definición del objetivo y alcance2. Análisis de Inventario3 Análisis de impactos3. Análisis de impactos4. Análisis de mejoras

La Exergía, Es una función de estadotermodinámica que proporciona una medida delmáximo trabajo disponible, como resultado de unacondición de no equilibrio respecto a un ambientecondición de no equilibrio, respecto a un ambientede referencia(P= 1 atm y T=298 K )(P 1 atm y T 298 K )

Puede calcularse en cualquier punto de un sistemaa partir de las propiedades resultantes de unp p pbalance de materia y energía.

La exergía es la parte de la energía que enrealidad se aprovecha. Se trata de una propiedadextensiva.

11

Ecuación general para el cálculo de exergía: Ex=(H-Ho)- To (S-So)

Donde: Ex: exergíaEx: exergíaHo, So: entalpía y entropía en el ambiente de referenciaTo: Temperatura de referenciaH y S: entalpía y entropía en condición de no equilibrio.

Exergía física Exergía química

T0P0X

T0P0

T0P0

T P0

TP Exergía Exergía Exergía Exergía

X0X10

XXX mecánicag

térmica concentracional

La exergía se divide principalmente en exergía física y química.Para la mayoría de los recursos naturales la exergía química constituye la mayor parte delvalor exergético

reaccional

valor exergético.

T d b l ACV bi á d l l áli i d Tomando como base el ACV y combinándolo con el análisis deexergía, se desarrolló un método llamado Análisis de Ciclo deVida Exérgico (ACVE).

Las irreversibilidades durante el ciclo de vida permiten evaluar elgrado de pérdidas de exergía de los procesos de producción yrealizar la evaluación de la cadena de producciónrealizar la evaluación de la cadena de producción(Cornelissen, 1999).

La pérdida o destrucción de exergía, se calcula La pérdida o destrucción de exergía, se calcularealizando un balance y tomando la diferencia entrelos flujos de exergía entrantes y los flujos de exergíasalientes es decir:salientes, es decir:

POLIETILENO

Las unidades funcionales para substituir 900 bolsas de polietileno equivalentes a 5.04 Kg. del polímero son:

675 bolsas de papel Kraft1 bolsa de polipropileno1 bolsa de algodón 900 bolsas de polietileno con aditivo prodegradante.

15

BOTELLAS DE PET

“Contener 26,000 litros de agua” (1 Ton PET) El flujo de referencia correspondiente a los

materiales es:

1 Ton. 2 31de PET 14.84 Ton. de

vidrio

2.31 Ton. de Al

= =

Diagrama de exergía de para el ciclo de vida de 900 bolsas de polietileno de alta densidad a partir de petróleo crudo.

17

Diagrama de exergía de para el ciclo de vida de 1 bolsa de polipropileno.

Diagrama de exergía de para el ciclo de vida de 1 bolsa de algodón

18

Diagrama de exergía de para el ciclo de vida de 1 bolsa de algodón.

•La producción del papel Kraft posee la mayor destrucción de exergía, puesrepresenta un consumo alto de exergía comparado con las bolsas de Polietileno.

L d ió d l b l d li til diti d d t ti l•La producción de las bolsas de polietileno con un aditivo oxo-degradante tiene elvalor más alto en cuanto a exergía en emisiones.

•Es de hacer notar que la producción de una bolsa de Polipropileno que equivale al•Es de hacer notar que la producción de una bolsa de Polipropileno, que equivale aluso de 900 bolsas plásticas desechables, involucra la menor pérdida de exergía.

•De los materiales analizados solamente el uso de bolsas re usables de•De los materiales analizados solamente el uso de bolsas re usables depolipropileno representa una mejora considerable si se considera la minimizaciónde las pérdidas de exergía.

ALTERNATIVA EXERGIA IRREVERSIBILI ENERGÍA MATERIA Ton de DEL PRODUCTO, a la salida (barriles de

DADES(barriles de petróleo/ton)

CONSUMIDA(barriles de petróleo/ton)

PRIMA (barriles de petróleo/ton)

CO2 /ton

petróleo/ton)

PE 7.377 7.49 0.55 41.1 1.56PE OXO 7.316 7.44 0.71 40 1.54PAPEL KRAFT SIN BLANQUEAR

3.117 19.34 8.08 0.003 1.08

ALGODÓN SIN 3.117 519.09 9.55 3.88 4.26BLANQUEAR

3.117 519.09 9.55 3.88 4.26

POLIPROPILENO 7.376 5.02 0.297 59.38 1.67

Producción primaria de botellas de PET

Etileno Propileno Butadieno Benceno Tolueno

Gasolinas Combustibles

REFINERÍACRUDO p-xileno Ácido Tereftálico

Xilenos

Gas seco (CH4) Propano n-butano

iso-butano n-pentano

i t

GAS NATURAL PLANTA

CRIOGÉNICA

iso-pentano Hexano PET Soplado

HÚMEDO CRIOGÉNICA

EtilenoÓxido de Etileno EtilenglicolEtano Etileno

Producción primaria de botellas de vidrio

SiO2

Producción primaria de botellas de vidrio

Obtención de materias

primas

SiO2

Na2CO3

CaCO3

Fundición Soplado

3

Feldespato

Producción primaria de latas de aluminio

BauxitaNaOH

ProcesoCoqueObtención de materias

primas

Proceso Bayer

ProcesoHall-

Heroult

Fabricación de latas

q

Na2CO3

CaO

  Materiales primarios Materiales secundariosCriterios  PET Vidrio Aluminio PET Vidrio Aluminio

Irreversibilidad (MJ/u.f.) 146,347 93,581 151,831 13,037 53,946 17,595( / ) , , , , , ,Emisiones CO2 (Kg./u.f.) 2,922 12,396 4,366 1,864 10,661 218Energía real (MJ/u.f.) 73,929 96,163 233,440 12,977 53,688 8,416Ganancia ($/ton) 6,912 451 4,320 3,745 232 1,809

 

160000

Irreversibilidades en la producción primaria y secundaria de envases

250000

Energía consumida

100000

120000

140000

160000

.f. 150000

200000

250000

u.f.

Proceso

20000

40000

60000

80000

MJ /

u Producción primaria

Reciclaje0

50000

100000MJ /

primario

Reciclaje

0

20000 0

  Materiales primarios Materiales secundariosCriterios PET Vidrio Aluminio PET Vidrio Aluminio

Irreversibilidad (MJ/u.f.) 146,347 93,581 151,831 13,037 53,946 17,595Emisiones CO2 (Kg./u.f.) 2,922 12,396 4,366 1,864 10,661 218Energía real (MJ/u.f.) 73,929 96,163 233,440 12,977 53,688 8,416Ganancia ($/ton) 6,912 451 4,320 3,745 232 1,809

Ton CO2eq en los procesos primario y Ganancia económica entre los procesos

 

20

30

/ u

.f.

Ton CO2eq en los procesos primario y secundario.

1000012000

Ganancia económica entre los procesos primario y secundario.

10

20

. CO

2eq

/

Primario

Reciclaje2000400060008000

$ /

u. f. Ganacia en

proceso primario

0

PET Vidrio Aluminio

Ton

02000

Ganancia en proceso secundario

Ordenamiento PROMETHEE II de envases primarios y secundarios

Ordenamiento PROMETHEE II para materiales primarios

Ordenamiento PROMETHEE II Ordenamiento PROMETHEE II para materiales secundarios

Estrategia propuesta de substitución g p pde botellas de PET primario.

Considerando que existe una sobre oferta delPoli(Tereftalato de etileno) en todo el mundo conPoli(Tereftalato de etileno) en todo el mundo conlos efectos que ello implica, entonces la estrategiaconsiste en:consiste en:

“Substituir la tasa anual se crecimiento de laSubstituir la tasa anual se crecimiento de lademanda de botellas de PET primario de 10% endos partes de la siguiente manera a partir dedos partes de la siguiente manera a partir de2016 a 2035”:

5% por aluminio y 5% por PET, secundarios”

28

5% por aluminio y 5% por PET, secundarios

Aplicación de la estrategia para substitución de botellas de PET primariobotellas de PET primario.

110eIrreversibilidades

2530

das

Emisiones de CO2eq.

millones de

2030405060708090100110

llone

s de

bpc

e

Irrev(millones bpce) Sin Sub.

Irrev(millones bpce) Con Sub 5

10152025

nes

de to

nela

d

ton CO2 eq Sin Sub.

millones de ton CO2 eq

2021 2026 2030 2035Mil bpce) Con Sub.

2021 2026 2030 2035Mill

o Con Sub.

Para el año 2035 (desde la

60

ce

Energía consumida

Para el año 2035 (desde la implantación de la estrategia en 2016) se obtendrían las siguientes dismin ciones ac m ladas

1020304050

illon

es d

e bp

c

Ene (millones de bpce) Sin Sub.

disminuciones acumuladas:a) Irreversibilidades: 23.7 millones de bpce.

10

2021202620302035

M Sub.b) Energía: 11.5 millones de bpce.

c) Ton. CO2eq: 25.5 millones.

29

Vasos de Poliestireno versusVasos de Poliestireno versusVasos de Poliestireno versus Vasos de Poliestireno versus Tazas de PorcelanaTazas de Porcelana

La unidad funcional para el estudio fue definida en base a 3000 tazas depoliestireno cada una de las cuales se utiliza una vez contra el impactoprovocado por el uso de una tasa de porcelana 3000 veces (considerando queprovocado por el uso de una tasa de porcelana 3000 veces (considerando queésta será lavada después de cada uso).

Análisis de Ciclo de Vida Exergético para 3000 tazas de

SO2 NOx CO2

Análisis de Ciclo de Vida Exergético para 3000 tazas de poliestireno

Producción de Poliestireno

Petróleo crudo 495.7 MJ

echPS52% de tazas

ŋ=47.8% I= 540.3MJ1036 MJ

echProducción

de tazas ŋ=91.2% I 48 MJ

495.7 MJ Uso de tazas ŋ=100% I= 0 MJ

5 % de a asal basurero

257.7 MJ

P d ió d

Gas Natural

I = 48 MJ

Incineración del 48% de tazas

238 MJ ech

Producción de electricidad ŋ=31.1 %

I= 26.8 MJ

12 MJ

Electr

27.1 MJ ech

CarbónProducción de

electricidad por la quema de tazas

NOx

11.7 MJ ech

quema de tazas ŋ=15.1% I

= 202 MJ CO2

SO2 NOx CO2

Análisis de Ciclo de Vida Exergético de una taza de porcelana tili d 3000

NOx CO2

utilizada 3000 veces.

Producción de porcelana

ŋ=0% I= 7 9

Gas Natural

Porcelanaŋ=0% I= 7.9

MJ 7.9 MJ ech

Producción de Electricidad

ŋ=31 1% I=135 MJ

Gas Natural

287.5 MJ echUso de tazas

ŋ=0% I =Fosfatos

146.2 MJ ech

ŋ=31.1% I= 298.7 MJ Electr.Carbón

ŋ 0% I 135 MJ

SO2 NOx CO2 Fosfatos

Del balance de materia del PE se necesitan 0 201barriles de Del balance de materia del PE, se necesitan 0.201barriles depetróleo crudo* como materia prima por cada 900 bolsas.Esto equivale a 14.7 US$, tomando como precio del crudo deexportación 70 US$/blexportación 70 US$/bl.

Del balance de energía, obtuvimos que se requieren a0.0028 barriles/900 bolsas o 0.55 bl/ton PE.

Considerando las 107,100 millones de bolsasconsumidas cada año, y con el consumo de petróleo delos balances de materia y energía, se puede decir que sey g , p qdesecha en los basureros, el equivalente a 4.65MILLONES DE US$/día (tomando el precio de exportaciónde crudo de 70 US$/barril)de crudo de 70 US$/barril).

*Un barril de crudo equivale a 6263.6 MJ

En el caso de las botellas de PET primario los En el caso de las botellas de PET primario, losresultados condujeron a la creación de una estrategiade substitución congruente con los resultados delgmétodo multicriterio empleado, incluyendo como uncriterio económico la ganancia del producto final.

El reciclaje de envases reduce en gran medida lasi ibilid d t l d ió i i lirreversibilidades respecto a la producción primaria, locual coloca al reciclaje como una opción fundamentalpara un uso eficiente de energía y conservación depara un uso eficiente de energía y conservación derecursos no renovables, debido a la disminución en laexplotación de minerales e hidrocarburos.

34

Sabiendo que la cantidad de bolsas de polietileno que sedesechan en los vertederos, es de 539,296 toneladas en 2009.Esta cantidad equivale exergéticamente a 24,919 TJ/año, si seconsidera que cada kilogramo de polietileno tiene un valor entérminos de exergía de 46,207 kJ/añotérminos de exergía de 46,207 kJ/año

Lo anterior en términos de petróleo crudo equivalente(b ) i d i l l éti d l b l(bpce), quiere decir que el valor exergético de las bolsasdesechadas es igual a 4’181,040 bpce/año, es decir 418millones de US$/año a 100 US/b.

Para el caso de las botellas de PET (375,360 Ton) yconsiderando que el valor exergético de esta resina de 23 705considerando que el valor exergético de esta resina de 23,705MJ/Ton., se tiene que la cantidad desechada de PET esequivalente a 1’418,290 bpce, es decir se pierden 141 millonesd US$/ ñde US$/año.

35

La exergía perdida en el ciclo de vida de 3000 vasos de La exergía perdida en el ciclo de vida de 3000 vasos depoliestireno es 821 MJ, mientras que la exergía perdidaen el ciclo de vida de la taza de porcelana (utilizada3000veces) es de 432 MJ, un factor de 1,85 menos.)

Las principales causas de las pérdidas para los vasosson la producción de poliestireno y la quema de losresiduos en una planta de incineraciónresiduos en una planta de incineración.

Las pérdidas en el caso de la taza de porcelana se debenprincipalmente a la generación de electricidad y elprincipalmente a la generación de electricidad y ellavavajillas.

Fuente: Cornelissen, Reinerus Louwrentius, 1997, “Thermodynamics and sustainable development. The use of exergy analysis and the reduction of irreversibility”, P.hDThesis, Netherlands

36

V CONGRESO NACIONAL DE LA ACADEMIA DE INGENIERÍA.

GRACIAS !

37