Revision as of 21:22, 9 July 2024

Abstract:

Life Cycle Assessment (LCA) of composite materials is the use of a systematic approach to assess environmental impacts throughout all stages of the life cycle. This methodology includes defining the objectives and scope of the study, data collection, impact assessment and interpretation of results. This chapter presents the specific considerations for the LCA of composite materials, analyzing related works on this topic. It is concluded that most of the work published to date uses LCA as a tool for comparative studies between traditional solutions (mostly metallic structures) and lightweight composite solutions. The authors observe that there has also been an increase in the use of green or bio-based composites in the recent years, made from natural fibers and/or resins.

1.- INTRODUCCIÓN

En el contexto global actual donde la sostenibilidad y la eficiencia ambiental son prioritarias, resulta crucial considerar un capítulo en el que abordar la aplicación del análisis de ciclo de vida (ACV) al mundo de los materiales compuestos.

Los materiales compuestos se han convertido en aliados estratégicos en muchas de las soluciones ambientales que se están considerando, contribuyendo de manera significativa a la reducción de emisiones de carbono y al fomento de prácticas más sostenibles. Su excepcional relación resistencia-peso y su versatilidad han impulsado su introducción en sectores clave, desde la generación de energía renovable hasta la eficiencia en el transporte y la construcción, en su búsqueda de soluciones ambientalmente responsables.

En este capítulo se pretende recoger una metodología para la evaluación de los impactos ambientales causados a lo largo del ciclo completo de la vida de los materiales compuestos. Resulta imprescindible calcular y estudiar estos impactos ambientales para definir estrategias que permitan reducir los efectos negativos sobre el medio ambiente y potenciar los efectos positivos.

Los impactos ambientales se calculan empleando herramientas de ACV que estudian los productos, procesos y servicios desde la extracción de las materias primas hasta su tratamiento una vez finalizada su vida útil o función. Emplear la filosofía del ciclo de vida resulta fundamental para evitar que los impactos ambientales se desplacen de una etapa a otra de la vida de un producto.

Por su naturaleza compleja, investigar el impacto ambiental de los materiales compuestos supone un desafío puesto que existe una amplia gama de combinaciones de materiales disponibles y procesos de fabricación para satisfacer la ingeniería personalizada en diferentes sectores, entre otros: aeronáutica, automoción, eólico y ferroviario.

2.- ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA

El ACV es una herramienta de gestión medioambiental que permite analizar de forma objetiva, metódica, sistemática y científica, el impacto ambiental originado por un producto, proceso o actividad a lo largo de todo su ciclo de vida. En la Figura 1 se recoge un ejemplo de un ciclo de vida incluyendo las diferentes etapas del mismo.

Al realizar un ACV es importante definir los límites del sistema esto es, definir qué procesos del ciclo de vida deben considerarse. Los límites de sistemas típicos que se utilizan incluyen las siguientes etapas:

• De la puerta a la puerta: se considera únicamente la etapa de fabricación de un producto.

• De la cuna a la puerta: considera las etapas desde la extracción de materias primas hasta la fabricación del producto.

• De la cuna a la tumba: considera las etapas desde la extracción de materias primas hasta la eliminación del producto.

• De la cuna a la cuna: considera las etapas desde la extracción de materias primas hasta su reconversión en nuevas materias primas tras su vida útil.

Una vez que se han definido los límites del sistema (etapas de interés), se deben identificar y cuantificar todas las entradas y salidas ambientales en cada etapa,sSiendo entradas ambientales típicas el uso de materiales, energía o agua, y siendo las salidas ambientales, las emisiones al aire, agua y suelo.

A todas estas entradas y salidas se les conoce como flujos elementales, y se cuantifican y agrupan en categorías de impacto en función de su efecto sobre el medio ambiente. Hay muchas categorías de impacto diferentes y el ACV permite analizar diferentes categorías de impacto a la vez para un mismo producto, proceso o actividad.

2.1.- METODOLOGÍA DEL ACV

2.1.1.- Estándares y etapas del ACV

La Organización Internacional de Normalización (ISO) estableció el marco para la estandarización de la metodología de ACV en 2006 mediante la familia de normas ISO 14040:

• UNE-EN ISO 14040:2006 | Gestión ambiental. ACV. Principios y marco de referencia. Esta norma describe los principios y el marco de referencia del ACV entre los que se encuentran: la definición del objetivo y el alcance, el análisis del inventario del ciclo de vida, la fase de evaluación del impacto del ciclo de vida, el informe y la revisión crítica, las limitaciones y la relación entre las fases del ACV [1].

• UNE-EN ISO 14044:2006 | Gestión ambiental. ACV. Requisitos y directrices. Esta norma describe las directrices concretas para la realización de un ACV y especifica metodología para las fases individuales de ACV [2].

La metodología de ACV descrita en ambas normas incluye cuatro etapas clave: 1) definición de objetivo y alcance, 2) desarrollo de inventario de ciclo de vida (ICV), 3) evaluación del impacto del ciclo de vida (EICV), e 4) interpretación. Estas etapas están relacionadas entre sí, y se pueden revisar según se realiza el estudio (Figura 2).

Además, existe una Plataforma Europea de Evaluación del Ciclo de Vida² donde el International Life Cycle Data system (ILCD) ha publicado varios documentos que complementan las normas internacionales, el más significativo de ellos es ILCD Handbook [3]. También han desarrollado una base de datos propia, la ILCD Data Network. Esta plataforma europea fue creada para promocionar el trabajo y la aplicación del ACV tanto en la industria como en la administración. Su objetivo es trabajar en la homogeneización metodológica y de tratamiento de datos, para obtener herramientas de trabajo comunes para todos los ACVs. A continuación, se describen los aspectos más importantes de las etapas del ACV.

2.1.2 - ETAPA 1: Objetivo y Alcance

La primera fase del ACV consiste en definir el objetivo y alcance del estudio.

El objetivo del estudio debe especificar de forma clara y coherente la aplicación prevista, las razones para realizar el estudio (marketing, ecodiseño de producto, comparación de productos, etc.), personas a las que va dirigido y si se pretende utilizar los resultados en aseveraciones comparativas previstas para su divulgación.

El alcance debe definir la extensión del estudio, los límites del sistema (etapas de interés del ciclo de vida) y las categorías de impacto que serán analizadas. En función del objetivo del estudio, se definirá si el modelado es atribucional (para conocer los impactos asociados a cada etapa del ciclo de vida) o consecuencial (para estimar la variación prevista de los impactos, por ejemplo, al implantar una nueva tecnología). También identifica la función del producto y la unidad funcional que es una característica de desempeño cuantificable de un sistema de producto relacionada con su función. La unidad funcional debe describir el sistema de acuerdo con el objetivo y debe permitir comparar diferentes productos que cumplen una misma función. También debe considerar la vida útil del producto.

Adicionalmente, en el alcance se consideran las suposiciones, los juicios de valor, las limitaciones, los requisitos de calidad de los datos, el tipo de revisión crítica - si la hay - y el tipo y formato del informe requerido para el estudio.

Por la naturaleza iterativa del ACV, en algunos casos el objetivo y el alcance del estudio deben revisarse por limitaciones imprevistas o por haber obtenido más información.

2.1.3.- ETAPA 2: Análisis de Inventario

El análisis de inventario es la fase del ACV que consiste en identificar y cuantificar todas las entradas (materias primas y energía) y las salidas (emisiones al aire, al agua y al suelo) de cada uno de los procesos unitarios definidos. Se considera que es el paso que más tiempo requiere en el ACV.

En esta etapa es habitual realizar diagramas de flujo que proporcionan una indicación visual de los procesos que se consideran dentro del alcance del estudio de ACV y, por tanto, qué flujos de entrada y salida (flujos elementales) deben recopilarse en cada etapa. La Figura 3 recoge un ejemplo de diagrama de flujo para un componente de material compuesto.

Todos los datos de entradas y salidas deben ir referenciados a las unidades de proceso. Los datos pueden ser primarios (obtenidos directamente del proceso), secundarios (bibliográficos, de bases de datos, modelados a partir de otros procesos, etc.), o pueden provenir de suposiciones cuando no es posible su identificación y/o cuantificación. Los datos primarios son una representación más precisa de los procesos específicos a analizar. Los datos secundarios se utilizan cuando no es posible medir los datos primarios. Es importante utilizar datos secundarios que sean lo más similares posible al proceso analizado para garantizar que los resultados reflejen lo más fielmente posible el escenario real. Cualquier fuente de datos utilizada dentro de un análisis de ACV debe registrarse en el informe de ACV.

Teniendo en cuenta la cantidad de datos necesarios para realizar un ACV y la influencia de los datos en el resultado final, es muy importante que los datos utilizados en el estudio sean de calidad, y estos deben analizarse y validarse. Para garantizar la calidad de los datos, se deben documentar una serie de requisitos, tales como la correlación geográfica, temporal y tecnológica, la confiabilidad e integridad de los datos, etc.

2.1.4.- ETAPA 3: Evaluación de impactos ambientales.

La evaluación de impactos ambientales es la fase del ACV en la que el inventario de entradas y salidas es transformado en indicadores de potenciales impactos ambientales. Estos indicadores se suelen expresar en “unidades equivalentes”. Las categorías de impacto ambiental a su vez se pueden agrupar en tres áreas de protección: Salud humana, Ecosistemas y Disponibilidad de recursos (Figura 4) o, más aún, se pueden agrupar en un impacto ambiental total.

En la fase de evaluación de impactos ambientales se distinguen elementos obligatorios y elementos opcionales a realizar. Dentro de los elementos obligatorios, en primer lugar, hay que definir qué categorías de impacto son de interés (Potencial de cambio climático, Potencial de acidificación terrestre, Potencial de eutrofización en agua dulce, etc.). Esto se suele decidir en la fase de definición de objetivos y alcance. El segundo elemento obligatorio es la clasificación, que consiste en asignar los datos del inventario a cada categoría de impacto, por ejemplo: CO₂, CH₄, N₂O, CFC, HFFCs, CH₃Br pertenecen a la categoría de Potencial de cambio climático. Y, finalmente, el tercer elemento es la caracterización, que consiste en el cálculo de los resultados de los indicadores de categoría, y se expresa en “unidades equivalentes” (por ejemplo: kg CO₂ equivalente para el Potencial de cambio climático).

Dependiendo del objetivo y alcance del ACV, la etapa de evaluación de impactos ambientales también puede incluir una serie de elementos opcionales que son la normalización, la agrupación, la ponderación y el análisis de la calidad de los datos.

Existe cierta controversia sobre cómo mostrar los resultados de la evaluación de impactos ambientales, si con indicadores de punto medio, punto final o de puntuación única. Los indicadores de punto medio presentan potenciales de impacto basados en métodos científicamente sólidos. Sin embargo, los métodos de punto final crean incertidumbre ya que su modelado de las rutas de impacto es más complejo. La puntuación única permite una comparación rápida de diferentes productos o escenarios; el inconveniente de este enfoque es que se pierde mucha información y difícilmente se pueden identificar los puntos críticos del estudio.

Para el desarrollo de los pasos descritos anteriormente, existen a nivel científico metodologías de aplicación. La selección de la metodología adecuada para el análisis dependerá de las categorías de impacto de interés en el estudio, la validez regional y la validez temporal.

Algunas metodologías de evaluación de impacto más importantes y actualizadas son: IMPACT2002+, ILCD 2011 Midpoint+, IPCC 2013, CML – IA baseline 2016, ReCiPe 2016, y TRACI. Algunos de estos métodos permiten calcular los resultados de los indicadores en punto medio y final (IMPACT2002+ y ReCiPe 2016).

2.1.4.1.- Herramientas informáticas para el ACV

Existen diferentes herramientas informáticas para el cálculo de ACV de productos, servicios o procesos basados en la metodología de ACV. Las principales herramientas más desarrolladas y con un mayor nivel de detalle son SimaPro (PRé Sustainability B.V.), GaBi (Sphera Solutions, Inc.), y OpenLCA (GreenDelta). SimaPro y GaBi son herramientas de pago, mientras que OpenLCA es una herramienta gratuita y de software de código abierto. Comúnmente, profesionales especializados en ACV suelen emplear una de estas tres herramientas, requiriendo un conocimiento de la metodología de ACV para utilizarlas con eficacia.

El software GaBi tiene su base de datos propia, mientras que los softwares SimaPro y OpenLCA no lo tienen. Los tres softwares pueden trabajar con una gran variedad de bases de datos libres o de pago tales como: ecoinvent, ELCD, Agri-footprint, ESU world food LCA database, Carbon Minds, etc.

Las tres herramientas permiten utilizar las metodologías de evaluación de impacto más importantes mencionadas anteriormente. Además de estudios detallados de ACV, las tres permiten calcular la huella de carbono, huella de agua y huella hídrica, la declaración ambiental de producto y la huella ambiental de la Unión Europea.

Por otro lado, también se han desarrollado numerosas herramientas de ACV simplificadas de acceso libre en la web. Algunas de ellas calculan únicamente la huella de carbono y/o la energía, y otras calculan una serie de categorías de impacto. Estas herramientas presentan simplificaciones en diferentes niveles, como en los datos de entrada, los métodos de cálculo y en la interfaz gráfica, y se debe tener cuidado al utilizarlas ya que quizás no cumplan los requisitos del proyecto. La elección de la herramienta dependerá de las necesidades específicas del usuario, la complejidad del análisis y la disponibilidad de datos.

2.1.5.- ETAPA 4: Interpretación de resultados

La interpretación de resultados es la fase del ACV en la que los resultados del inventario y la evaluación son interpretados de acuerdo con el objetivo y alcance definidos inicialmente. En esta fase se analizan los resultados obtenidos, se identifican los elementos más significativos y las limitaciones, se obtienen conclusiones y pueden emitirse recomendaciones dirigidas a la reducción de los impactos ambientales.

La etapa de interpretación de resultados también puede incluir la evaluación de la calidad de los resultados obtenidos: verificación de integridad, sensibilidad, incertidumbre y coherencia. Puesto que el ACV es un proceso iterativo, puede ser necesario revisar las etapas anteriores para garantizar que los resultados obtenidos son coherentes con el objetivo y alcance planteados y que la calidad de los datos es aceptable para el estudio.

3.- ACV DE COMPOSITES

En el ámbito de los materiales compuestos, la aplicación de la metodología de ACV se ha vuelto esencial en los últimos años para comprender los impactos ambientales tanto positivos como negativos asociados a su integración en diferentes sectores. A continuación, se recoge una visión general de esta aplicación derivada de la revisión bibliográfica realizada sobre investigaciones vinculadas a los sectores aeroespacial, automotriz, ferroviario y eólico.

En la mayoría de los trabajos analizados se realiza una comparación entre la solución tradicional (por ejemplo, basada en materiales metálicos) y su alternativa empleando materiales compuestos [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]. La realización de esta comparativa desde una perspectiva medioambiental es esencial para evaluar la ventaja del uso de los materiales compuestos. En general, los materiales compuestos ofrecen beneficios medioambientales significativos en comparación con las soluciones tradicionales siempre que se considere todo el ciclo de vida: desde la fabricación hasta la disposición final, incluyendo la fase de uso del producto. Esto se debe a varias razones: los materiales compuestos suelen ser más ligeros que los metales, lo que puede reducir significativamente el consumo de energía durante la fase de uso, especialmente en el sector aeroespacial y automoción, donde la eficiencia del combustible se relaciona directamente con el peso. Además, el aligeramiento debido al uso de los materiales compuestos puede conllevar un menor desgaste de componentes. Los materiales compuestos a menudo son más resistentes a la corrosión que los metales, lo que puede traducirse en una menor necesidad de reemplazo o mantenimiento durante la fase de uso y, por lo tanto, vida útil más larga. Sin embargo, la obtención de las materias primas (resinas y fibras) y la fabricación de los materiales compuestos implican también procesos químicos intensivos con grandes consumos energéticos. Además, en los materiales compuestos resulta difícil separarlos en los componentes originales, lo que dificulta el proceso de reciclaje, pudiendo derivar en grandes cantidades de residuos. Estos impactos negativos están siendo compensados con los últimos avances: tecnologías de reciclaje, investigación en materiales más ventajosos ambientalmente (fibras naturales, resinas biobasadas, resinas reciclables, termoplásticos, etc.) y en prácticas de fabricación más eficientes.

La unidad funcional más utilizada en estos estudios suele ser un 1 kg de material [8], [9], [11] o una pieza concreta (una puerta de coche, una pala de un aerogenerador, parte de un fuselaje de un avión...) [4], [7], [12], [13] y permite evaluar y comparar el impacto ambiental entre diferentes materiales o diseños. Además, refleja las cantidades típicas manejadas en la producción y uso de materiales compuestos, facilitando la comprensión y la toma de decisiones para profesionales del sector.

La tendencia actual es realizar los estudios de ACV desde la cuna hasta la tumba [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]. Esto supone una evaluación integral que abarca todas las etapas del ciclo de vida, incluida la fase de uso, que implica una mayor reducción de impactos ambientales al emplear materiales compuestos frente a otros más pesados.

En lo que se refiere al inventario de los estudios analizados, se identifican cuatro orígenes de datos: 1) datos medidos in situ, 2) datos extraídos de bases de datos (ej.: Ecoinvent), 3) datos obtenidos de literatura y 4) datos estimados por los autores.

En los artículos revisados los programas más utilizados para el cálculo de impactos ambientales son el Simapro [4], [6], [8], [9], [12], [13], OpenLCA [10] y GaBi [11]. Además, la Asociación europea de la industria de materiales compuestos (EuCIA) desarrolló una herramienta gratuita (Eco Impact Calculator) específicamente para materiales compuestos que cubre una variedad de categorías de impacto y utiliza datos de fabricantes y proveedores de materiales de toda Europa, así como bases de datos como Ecoinvent.

Existen diferentes metodologías que se pueden aplicar a los datos de inventario para calcular los resultados finales de ACV. En los artículos analizados el más utilizado es el método IMPACT 2002+ [4], [7], [8], [9], [12], [14]. Los métodos ReCiPe [6], [13] y el TRACI [10], [11] también se suelen utilizar habitualmente. Los estudios analizados suelen presentar o bien los indicadores de punto medio, o los de punto final o de daño.

De entre los estudios analizados, se han identificado trabajos donde comparan los impactos ambientales originados por composites termoestables y composites termoplásticos [7], [15]. Aunque los composites termoplásticos se pueden reciclar y reutilizar, no siempre presentan mejores impactos ambientales. El material del termoplástico (PA, PC, PPS, etc.) y el proceso de fabricación pueden variar el resultado [7]. Además, la mayoría de los estudios se centran en el análisis de los indicadores de energía, el potencial de cambio climático, y en los indicadores de punto final [7]. Sin embargo, es importante tener en cuenta los diferentes impactos ambientales, ya que estos proporcionan una mejor representación global del desempeño ambiental del composite. Así, por ejemplo, para composites de resina epoxi y composite termoplástico de sulfuro de polifenileno (PPS) se ha concluido que en el ACV en punto medio, de los 18 indicadores estudiados, 9 indicadores son mejores para el composite termoestable y los otros 9 para el composite termoplástico, siendo el potencial de cambio climático uno de ellos [15].

En los últimos años los estudios de LCA relacionados con composites biobasados o verdes se han incrementado considerablemente [16]. A diferencia de los compuestos sintéticos convencionales, los compuestos verdes están fabricados con materiales naturales, tanto fibra como matriz. En estos materiales resulta interesante realizar un estudio completo de la cuna a la tumba, ya que son materiales que presentan menor impacto en las fases de producción y fin de vida, pero cuyas propiedades mecánicas a priori no igualan la de los materiales compuestos tradicionales, derivando en una menor eficiencia durante su uso en comparación con compuestos tradicionales. Al seleccionar las categorías de impacto, es importante considerar que estos composites provienen de cultivos naturales y se deberían tener en cuenta los impactos relacionados con la agricultura, como el potencial de cambio climático, la acidificación, la eutrofización, el agotamiento abiótico y el uso de la tierra. En la bibliografía se afirma que tienen menores impactos ambientales debido a su origen renovable y su fácil reciclaje [17].

En cuanto al final de vida útil de los composites, el reciclaje industrial no está extendido y, en la mayoría de los casos, la gestión de estos residuos consiste en trasportarlos a vertederos de residuos no peligrosos. Este tratamiento puede generar emisiones tóxicas y contribuye a la acumulación de residuos. Para resolver este problema, se han desarrollado tecnologías para el reciclaje de materiales compuestos que se tratan en otros capítulos de este libro blanco. En esta línea se han realizado estudios de ACV de las diferentes opciones de reciclaje y fin de vida de los composites con el objetivo de analizar desde un punto de vista medioambiental los distintos escenarios y así poder identificar los procesos más prometedores [8], [12], [18]. Así, se han analizado varias rutas de tratamiento de residuos de composite tales como deposición en vertedero, incineración, procesos de reciclaje mecánico, pirólisis, reciclaje de lecho fluidizado y procesos de reciclaje químico. Los resultados obtenidos en los ACV, no siempre están alineados, ya que muchos de estos procesos de reciclaje necesitan de fuentes de energía y dependiendo de la fuente de energía que se seleccione las conclusiones pueden variar [6], [14]. Algunos resultados muestran que en las categorías de punto final los procesos de pirólisis, reciclaje de lecho fluidizado y reciclaje químico tienen menor impacto debido a la recuperación de energía y la cogeneración de calor y electricidad. Esto también se debe al mayor grado de recuperación de un posible producto reutilizable con un alto contenido de energía incorporado cuando se compara con las rutas de reciclaje mecánico [8], [12].

En la siguiente tabla se resumen los principales aspectos del ACV de materiales compuestos de los trabajos analizados.

4.- CONCLUSIONES

El ACV es cada vez más importantes para procurar la preservación del medio ambiente. El cálculo de impactos ambientales es fundamental para introducir cambios en los materiales compuestos que promuevan la sostenibilidad ambiental de cualquier producto o proceso.

Al realizar este tipo de estudio es importante definir el objetivo y alcance del análisis. Una vez que se han identificado los límites del sistema, se identifican y cuantifican todas las entradas y salidas ambientales de cada una de las etapas de interés. A partir de ello, se realiza la evaluación de los impactos ambientales y la interpretación de resultados con el objetivo de analizar los resultados obtenidos, identificar los elementos más significativos y las limitaciones, obtener conclusiones y de poder emitir recomendaciones dirigidas a la reducción de los impactos ambientales.

En España, tanto empresas como centros tecnológicos han integrado ya el análisis ambiental de productos y procesos en sus prácticas de desarrollo. Además, desde hace años, en las convocatorias de proyectos tanto nacionales como europeas, se precisa un ACV de las soluciones desarrolladas. Esta consideración del ACV refleja una concienciación del sector de materiales compuestos con la sostenibilidad y la necesidad de implementar prácticas más respetuosas con el medio ambiente.

De la revisión de los artículos revisados para preparar este capítulo cabe resaltar que la mayoría de los trabajos emplea el ACV como herramienta para estudios comparativos entre soluciones tradicionales (mayoritariamente estructuras metálicas) y soluciones aligeradas de material compuesto. El objetivo principal de estos estudios es obtener datos para la selección, diseño y optimización de componentes, así como generar información sobre puntos críticos ambientales, oportunidades de ahorro y compensaciones.

En general, los materiales compuestos ofrecen beneficios medioambientales significativos en comparación con las soluciones tradicionales siempre que se considere todo el ciclo de vida, desde la fabricación hasta la disposición final, incluyendo la fase de uso del producto. La durabilidad y ligereza de los materiales compuestos contribuyen a la eficiencia energética, reduciendo el consumo de combustibles en sectores como el aeroespacial y la automoción.

Merece mención especial el reciente incremento del uso de composites verdes o biobasados, fabricados con materiales naturales, tanto fibras como resinas. Aunque los materiales biobasados presentan menos impacto en las fases de producción y fin de vida, su uso en los diferentes campos todavía es limitado debido principalmente al aumento de peso con respecto a los compuestos tradicionales.

En resumen, el ACV se ha convertido en una herramienta indispensable en el desarrollo de materiales compuestos en España, contribuyendo significativamente a la integración de prácticas sostenibles y al cumplimiento de estándares ambientales en el sector.

BIBLIOGRAFíA

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(²) https://eplca.jrc.ec.europa.eu/ilcd.html