Seminario de Manufactura Sustentable

Notas de la Sesión 3

Manufactura VerdeHéctor Domínguez Aguirre

12 de Octubre 2011UPIITA-IPN

Introducción a la Manufactura Verde

Hemos visto como la actividad humana ha tenido un gran impacto en nuestro planeta y la humanidad misma.

La construcción de la civilización humana ha requerido de la transformación de su medio ambiente. Al mismo tiempo ha demandado materiales y energía para poder crear un ambiente protegido y de acuerdo a los deseos y necesidades humanas.

El ser humano ha desarrollado un proceso de transformación de materiales y energía de la naturaleza como todo un proceso productivo y económico. La forma tradicional de realizar este proceso se resume en una cadena de eventos que inicia en una necesidad de consumo y termina con grandes cantidades de desecho y gasto realizado.

Sin embargo, estamos entendiendo nuestras responsabilidades y paulatinamente se va generando un cambio en la mentalidad de la gente, las corporaciones y los gobiernos. De aquí surge la idea de manufactura verde o limpia.

La manufactura puede definirse como el conjunto de procesos de transformación de materia prima en un producto terminado. Sin embargo, extendiendo este concepto podemos incluir también todas las actividades relacionadas con la distribución, mercadotecnia y mantenimiento y soporte del producto.

Históricamente, la manufactura ha tenido grandes etapas de desarrollo:

• Periodo artesanal• Periodo de producción en masa• Periodo de producción flexible• Periodo de la manufactura esbelta

El Periodo artesanal

Se da en los primeros días industriales con obreros hábiles o artesanos trabajando en una variedad de máquinas creadas especialmente para elaborar productos con alta entrada de trabajo. Muy poca mecanización estaba disponible y estos artesanos eran independientes del proceso de planeación, tiempos y técnicas usadas.

La producción en Masa

Finales del 1800 y principios del 1900 vieron el desarrollo de la producción en masa. (por ejemplo, los limpiadores de algodón de Eli Whitney, o Henry Ford y la línea de ensamble). La producción en Masa llevó a una dramática reducción en el trabajo directo, mas altos ritmos de producción, mayor control del proceso, habilidad para satisfacer grandes demandas del cliente, partes intercambiables, y los primeros elementos de automatización. El costo por pieza se redujo sustancialmente como resultado de esto. F.W. Taylor formó parte de todo esto.

Producción flexible: en los 1980, gracias a visionarios como Eugene Merchant en los Estados Unidos y Manufactureras japonesas como Taiichi Ono y El sistema de producción de Toyota, la eficiencia de estos sistemas se incrementó temendamente. Las operaciones innecesarias se eran hechas aparte del proceso de manufactura de la máquina, resultando también en altos niveles de disponibilidad y utilización. Esto es debido, en parte, a las computadoras y métodos ingeniosos para preparar las piezas de trabajo y herramental para la máquina fuera de línea mientras se asegura la calidad y precisión.

La manufactura esbelta y la “personalización en masa”

A finales de 1990 y principios de los 2000, se vio la introducción de respuestas verdaderas de las demandas de los clientes . Esto llegó debido a la habilidad de la manufactura de elaborar productos personalizada en pequeñas cantidades con eficiencia y cortos periodos de entrega (esto es, el periodo desde que se toma la orden hasta cuando el producto es enviado). Métodos de calidad estricta aseguran que “la primera parte sea correcta”. Estos métodos eliminaron stock de reserva, inventarios y el costo asociados en mantener pilas de partes y productos disponibles para cubrir la manufactura requerida o la inhabilidad para planear o responder a las demandas del cliente. Esto es, hacerlo “bien a la primera” y no tener stocks extras para cubrir errores o procesos fuera de control.

¿Cuál es el siguiente cambio? Sin duda tiene que ver con el aumento de la eficiencia ecológica de los procesos de producción y reducir los costos de energía, emisión de partículas, re-uso y re-manufactura hacia una producción sustentable.

Motivaciones de la industria para el cambio

Pueden venir de diferentes fuentes:

• Presión del gobierno• Regulaciones• Penalizaciones

• Beneficios fiscales• Interés en eficiencia/Reducción de Costo de la Propiedad• Encarecimiento de Recursos/Riesgos• Mejora continua• Presión de la sociedad/Consumidores/Clientes• Presión de competidores• Mantener liderazgo en el mercado• Efectos de la cadena de producción

Presión del gobierno

Presiones de los gobiernos en términos de regulaciones, penalizaciones, beneficios u obligaciones fiscales. La Union Europea ha desarrollado muchos instrumentos alrededor, Estados Unidos y países manufactureros como China y Brasil han ido desarrollado reglamentación local para su industria e importaciones.

Interés en Eficiencia/Reducción de Costo de la Propiedad

Es un estimador financiero que incluye los costos directos e indirectos, así como ciertos beneficios que incluyen costos de operación y adquisición de maquinaria y equipo. Se ha extendido el concepto a incluir los residuos industriales. Por lo que Producir el mismo producto con menores recursos/energía/residuos representa menores costos totales de producción.

Encarecimiento de Recursos/Riesgos

Por ejemplo, si se requiere agua para la fabricación de un producto, y repentinamente no es posible obtenerla en cantidades necesarias para la manufactura, esto representa un riesgo para el negocio. Igual aplica para cualquier proveedor en la cadena de suministros. La vulnerabilidad de este riesgo puede ser conocida por inversionistas o prestamistas. Es necesario asentar bien estos riesgos y es donde las técnicas de Manufactura Verde aplican para verificar la disponibilidad de recursos, energía y emisiones.

Mejora Continua

Como parte del proceso Continuo de Calidad, es necesario mejorar los sistemas y procesos integrando prácticas verdes. Tanto para evitar accidentes, penalizaciones y mejorar la calidad de las condiciones de trabajo.

Presión de la Sociedad/Consumidores/Clientes

Al volverse una necesidad global la de ser ecológicamente responsable, los usuarios de productos están empezando a reconocer quien mantiene prácticas verdes y quien no. Si no se cubren ciertos requisitos, los usuarios simplemente pueden irse con alguien que sí los cubra.

Presiones de los competidores

Si un competidor ofrece una diferenciación de su producto basada en la responsabilidad ecológica del mismo, es muy probable que hoy en día vaya ganando un segmento del mercado que otro proveedor que no la ofrece. Los mercados actuales cada vez se desplazan a una oferta que sea basada en mejor calidad, rendimiento y confiabilidad a un precio competitivo. Ver el ejemplo de Apple.

Huella Ecológica

Otro concepto que aplica a la manufactura verde es la Huella Ecológica.

La huella ecológica es una medida que refleja el consumo de un cierto número de recursos de alguna actividad o estilo de vida.

Es un indicador del impacto ambiental generado por la demanda humana que se hace de los recursos existentes en los ecosistemas del planeta relacionándola con la capacidad ecológica de la Tierra de regenerar sus recursos. Por lo que es una medida de sustentabilidad.

Algunos de los recursos que pueden estar involucrados en este índice son:

Energía: Aires acondicionados, calefactores, alumbrado, cocina.

Vivienda: Tamaño, personas en el mismo espacio, localización, con aire acondicionado o no, materiales de fabricación, etc.

Consumibles: Alimentos (locales o transportados al área)

Transporte: Si se usa transporte público o privado, tipo de auto, uso de aviones, etc.

Entretenimiento: Si se depende de la tecnología o se hacen caminatas a la naturaleza.

Plomería, duchas, uso del agua para jardinería, etc.

Este indicador puede también usarse no solo para estilos de vida, sino también para la industria y organizaciones.

http://myfootprint.org/es/

http://www.carbonfootprint.com/

Consumo de Energía

Para poder evaluar el impacto industrial es necesario evaluar la demanda, producción y consumo de energía. En el caso de México, la Secretaría de Energía es la encargada de llevar estas estadísticas que se presentan en el Reporte de Balance Nacional de Energía del 2009, publicado por la subsecretaria de planeación energética y desarrollo tecnológico en el 2010

A nivel mundial la producción mundial de energía aún se centra en el petróleo y el carbón. Esto genera grandes emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera.

En México son los hidrocarburos los que generan la gran parte de la energía que se produce

Siendo el transporte y la industria los sectores que mas consumen esta energía

La estructura de las emisiones de partículas de CO2 en México se distribuyen de la siguiente manera. Siendo el transporte y la generación de energía las que mas emiten partículas.

Finalmente, una gráfica muy interesante es como se distribuye la energía por sectores

Resultando evidente que algo tenemos que hacer en todo estos procesos desde la generación hasta la transformación de la energía para hacer nuestra vida lo que es.

Manufactura Verde o limpia

Manufactura Verde es definida como la creación de productos manufacturados que usan materiales y procesos que minimizan los impactos negativos al medio ambiente, conservan energía y los recursos naturales, son seguros para los trabajadores, comunidades y consumidores y es viable económicamente.

Cabe hacer notar que la Manufactura Verde podría ser considerada sustentable como sustentabilidad débil, dado que aún considera los residuos y la energía como un tipo de capital natural.

El concepto de Manufactura sustentable involucra también la responsabilidad social de los procesos involucrados desde el inicio al fin de vida de un producto.

Uno de los grupos mas activos en Investigación en Manufactura Verde es el Laboratorio para la Manufactura y Sustentabilidad del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de California en Berkeley, dirigido por el Dr. David Dornfeld.

Muchos de los conceptos a continuación han sido tomados o inspirados en sus notas y le expreso mi profundo agradecimiento por su colaboración y apoyo en este seminario.

El grupo japonés Ricih desarrollo en 1994 un esquema que llamó 'El círculo Cometa' para promocionar el cambio en la mentalidad industrial rumbo a una sociedad sustentable.

En cada círculo de la gráfica se representa a un aliado industrial que puede aportar a la sociedad sustentable. Los recursos son adquiridos del medio ambiente a través de un proveedor (arriba derecha), se convierten en productos moviéndose de derecha a izquierda, finalmente llegan a los usuarios o clientes. Los productos usados seguirán la ruta de izquierda a derecha inferior.

Nos encontramos que la Manufactura Verde promueve un balance entre Sociedad, Economía y Medio Ambiente

El profesor Julian Allwood de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, ha descrito cinco opciones para la manufactura sustentable, los cuales puede ser adaptados hacia un 'enverdecimiento' de la manufactura convencional:

Usar Menos material y Energía

Desarrollo y utilización de tecnologías más eficientes para una mejor transmisión de energía y reducción de emisiones de partículas.

Implementación de Eco-Diseños en los productos.

Mejores equipos, planes de mantenimiento y planeación de la producción

En promedio, la fibra para una camiseta de algodón requiere de 713 galones de agua, y métodos tradicionales para pintar los tejidos utilizan de siete a 75 galones de agua por kilogramo de tejido. Todo esto se suma a los miles de millones de galones de agua que cada año pasan a través de las fábricas textiles para el teñido de las piezas de ropa.

Sustituir materiales de entrada: no-tóxico por tóxicos, renovable por no-renovable

Algunos elementos que se usan convencionalmente en la industria que tienen efectos tóxicos para la vida:

Cadmio (Cd) Metal tóxico que se origina en la refinación del zinc; también proviene de operaciones de electrodeposición y por tanto contamina el aire y el agua. Contenido en algunos fertilizantes contamina el suelo.

Cloro (Cl) Sus valores contaminan el aire y son corrosivos. Se le emplea en forma de cloratos para blanquear la ropa, para lavados bucales y fabricación de cerillos. Los cloratos son solubles en agua y la

contaminan, además de formar mezclas explosivas con compuestos orgánicos.

Los valores de compuestos orgánicos clorados como insecticidas, anestésicos y solventes dañan el hígado y el cerebro. Algunos medicamentos que contienen cloro afectan el sistema nervioso.

Cromo (Cr) El cromo y sus compuestos son perjudiciales al organismo, pues destruyen todas las células. Se le emplea en síntesis orgánicas y en la industria del acero. Cualquier cromato solubles contamina el agua.

Magnesio (Mn) Se emplea en la manufactura de acero y de pilas secas. La inhalación de polvos y humos conteniendo magnesio causa envenenamiento. También contamina el agua y atrofia el cerebro.

Mercurio (Hg) Metales de gran utilidad por ser líquidos; se utiliza en termómetros y por ser buen conductor eléctrico se emplea en aparatos de este tipo, así como en iluminación, pinturas fungicidas, catalizadores, amalgamas dentales, plaguicidas, etc. pero contamina el agua, el aire y causa envenenamiento. Las algas lo absorben, luego los peces y finalmente el hombre. Los granos o semillas lo retienen y finalmente el hombre los come.

Plomo (Pb) El plomo se acumula en el cuerpo conforme se inhala del aire o se ingiere con los alimentos y el agua. La mayor parte del plomo que contamina el aire proviene de las gasolinas para automóviles, pues se le agrega para proporcionarle propiedades antidetonantes. También se le emplea en pinturas, como metal de imprenta, soldaduras y acumuladores. Por su uso el organismo se afecta de saturnismo. Sus sales, como el acetato, son venenosas.

Nonilfenoles (NPE), son comúnmente utilizados como detergentes en industrias como la producción de textiles naturales y sintéticos. NPE se descomponen para formar nonilfenol, una toxina peligrosa que causan trastornos hormonales persistentes. Esta toxina se ha demostrado que imita las hormonas femeninas, alterando el desarrollo sexual y afecta el sistema reproductivo.

Puede ver mas componentes tóxicos en el anexo B.

Reducir salidas no deseadas: Producción mas limpia, simbiosis industrial

En el proceso productivo se generan materiales no deseados que muchos consideran desechos industriales. De igual manera, componentes poco eficientes consumen mucho mas energía y pérdidas en calor, vibraciones, campos magnéticos, etc.

El origen de la energía que se usa se agrega a la cuenta de la huella ecológica industrial.

El cambio por máquinas más eficientes, mejores motores, materiales mas apropiados, utilización de fuentes limpias energéticas como la solar o el viento, así como una mejor integración en los niveles del proceso productivo.

Convertir salidas en entradas: Reciclar y todas sus variantes

Reutilización de residuos industriales, materiales de retrabajo, energía residual, implementación de

sistemas de recuperación de energía, productos y sus partes al final de vida o uso, etc.

Cambiar estructuras de propiedad y producción: Sistemas de servicio de productos y estructura de cadena de suministros.

Considerar la cadena de suministros dentro del impacto ambiental de un producto, de igual manera distribuir los costos relacionados ya sea en el usuario o los fabricantes a partir de servicios ambientales ligados a estructuras de propiedad.

Energía en Manufactura

Energía usada en un producto

Métrica de la manufactura

Este es un tema que veremos mas a detalle en siguientes sesiones. Sin embargo aquí tenemos que considerar que la manufactura verde debe de ser viable económicamente en términos medibles.

Para la manufactura verde, esta métrica debe de incluir:

Emisión de gases de efecto invernadero (CO2, Metano CH4, N2O, CFC's)-Per cápita-Por PIB-Por área/nación

Recliclabilidad (o porcentaje reciclado)Reutilización de materialesConsumo de energíaContaminación (aire, agua, tierra)Huella ecológica Exergía (trabajo disponible) u otras medidas termodinámicas

Estos pueden representarse en términos de un “retorno de inversión” - por ejemplo, el retorno de inversión en gases de efecto invernadero (GROI). Otras formas de medida pueden incluir:

Tiempo de pago de energíaTiempo de pago de Agua (o materiales, consumibles) Huella de carbono

Mejora en la eficiencia (por ejemplo, con respecto a la exergía)

Para la manufactura verde, estos necesitan estar relacionados con los parámetros de diseño tradicional, necesitan ser determinados por los tres objetivos de la norma ISO 14064

1 – Emisiones directas desde el lugar o las propiedades de la compañía, 2 – Emisiones indirectas creadas en nombre de la compañía desde la generación de energía o alimentación, 3 – Todo lo resultante de la operación del negocio incluyendo viajes de negocios, envío de bienes, extracción de recursos y desecho de productos

Ciclo de vida, LCA y PLM

El ciclo de vida de un producto o servicio es la serie de etapas consecutivas o interrelacionadas de un sistema de producto, desde la adquisición o generación de materia prima de la naturaleza hasta el fin de vida, inclusive de cualquier actividad de reciclaje o recuperación.

El Asentamiento del ciclo de vida (LCA en inglés), es la compilación y evaluación de entradas, salidas e impactos ambientales potenciales de un sistema de un producto a través de su ciclo de vida.

Los métodos para asentar el ciclo de vida establecido mediante BS EN ISO 14040 y BS EN ISO 14044 son métodos especializados para establecer las emisiones de Gases de efecto invernadero dentro del ciclo de vida de bienes y servicios.

Estos requerimientos mejoran el entendimiento de la implementación de estos estándares en relación al asentamiento de las emisiones de gases de efecto invernadero de bienes y servicios, y estableciendo principios particulares y técnicas que incluyen:

a) Asentamiento de datos de emisión de gases de efecto invernadero desde la cuna a la puerta y desde la cuna a la tumba, como parte del asentamiento completo de emisiones del ciclo de vida de bienes y servicios;b) Los gases de efecto invernadero a ser incluidos cuyas fuentes son tanto fósiles como biogénicos para todos los productos, con la excepción de alimentos humanos y productos animales.c) Criterios para los datos de Potencial de Calentamiento Globald) Tratamiento del emisiones y remoción del cambio de uso de tierra y fuentes de carbon biogénico y fósil.e) Tratamiento del impacto de almacenamiento de carbón en productos y compensaciones.f) Requerimientos para el tratamiento del incremento de emisiones de gases de efecto invernadero para procesos específicos.g) Requerimientos de datos y contabilidad para emisiones en la generación de energía renovable.

Administración del Ciclo de Vida de un Producto (PLM)

En inglés, Product Lifecycle Management (PLM), es el proceso que administra el ciclo de vida completo de un producto desde su concepción, pasando por su diseño y fabricación, hasta su servicio y eliminación.

Consiste en la gestión, a través de soluciones integradas de software, del ciclo completo de vida del producto, desde la concepción del producto con soluciones CAD (Computer Aided Design), análisis y optimización del producto con soluciones CAE (Computer Aided Engineering), análisis de producción y mantenimiento del producto con soluciones DMF (Digital Manufacturing) y manejo de la información de captura, reutilización y cooperación de cada actor del ciclo productivo con soluciones PDM (Product Data Management)

Estás técnicas pueden contribuir enormemente al análisis de impacto ambiental e incorporarlo al proceso productivo de manera integral.

Comentarios Finales

La Ventaja de la Manufactura Verde

La energía, la manufactura verde y temas relacionados representan una gran oportunidad para la industria

– Apertura de nuevos productos, servicios y mercados,– Mejor desempeño general – Menores costos totales de propiedad, – Mayor competitividad, – Reducción de riesgos, – Tomar la ventaja dentro del incremento de reglamentos ambientales más estrictos.

Esto requiere de herramientas de análisis y desarrollo de métricas analíticas

La inclusión de aspectos energéticos y de manufactura verde pueden ser parte de una estrategia de negocios sustentables.

El problema es muy complicado y extenso para ser manejado y resuelto por compañías individuales, debe ser abordado de manera cooperativa a través de la industria, asociaciones, investigación y el gobierno.

Referencias

Azapagic, A., Perdan S. y Clift, R. Editors. Sustainable Development in Practice. Case Studies for Engineers and Scientists. John woley and Sons, Ltd. 2004.

Dornfeld, David. Green Issues in Manufacturing - Greening processes, systems and products. http://green-manufacturing.blogspot.com

Feng, Shaw C. y Joung Che B. An Overview of a Proposed Measurement Infrastructure for Sustainable Manufacturing . National Institute of Standards and Technology. The 7th Global Conference on Sustainable Manufacturing. 2009

Goedkoop, Mark y Spriensma Renilde. The Eco-indicator 99. A damage orientes method for Life Cycle Impac Assessment. Methodology Report. Publikatiereeks produktenbeleiid. 1999

Living Planet Report. 2006. World Wild Fund. 2006

The Guidance Manual. How to Establish and Operate Clean Production Centres. UNIDO/UNEP. Cleaner Production and Environmental Management Branch, UNIDO. Junio 2004.

http://www.ricoh.com/environment/management/concept.html

Anexo A

Gráficas de Producción y Consumo energético

Producción y Consumo a nivel mundial

Datos en México

Producción de energía en México

Anexo B

Algunos elementos que causan contaminación

En la naturaleza existen algunos elementos que debido a su estructura o en combinación con otros en forma de compuestos, son perjudiciales al hombre, ya que son agentes contaminadores del medio ambiente; en especial del aire, agua y suelo, o bien, porque ocasionan daños irreversibles al ser humano, como la muerte.

Algunos de estos elementos son:

Antimonio (Sb) y textiles.- Se emplea en aleaciones, metal de imprenta, baterías, cerámica. El principal daño que provoca es el envenenamiento por ingestión o inhalación de vapores, principalmente por un gas llamado estibina SbH3.

Arsénico (As) medicamentos y vidrio. Se emplea en venenos para hormigas, insecticidas, pinturas, Es uno de los elementos más venenosos que hay, así como todos los compuestos.

Azufre (S) Principalmente son óxidos SO2 y SO3 contaminan el aire y con agua producen la lluvia ácida. Sustancias tales como derivados clorados de azufre, sulfatos y ácidos son corrosivos. El gas H2S es sumamente tóxico y contamina el aire. El azufre es empleado en algunos medicamentos para la piel.

Bromo (Br) Sus vapores contaminan el aire, además sus compuestos derivados son lacrimógenos y venenosos.

Cadmio (Cd) Metal tóxico que se origina en la refinación del zinc; también proviene de operaciones de electrodeposición y por tanto contamina el aire y el agua. Contenido en algunos fertilizantes contamina el suelo.

Cloro (Cl) Sus valores contaminan el aire y son corrosivos. Se le emplea en forma de cloratos para blanquear la ropa, para lavados bucales y fabricación de cerillos. Los cloratos son solubles en agua y la contaminan, además de formar mezclas explosivas con compuestos orgánicos.

Los valores de compuestos orgánicos clorados como insecticidas, anestésicos y solventes dañan el hígado y el cerebro. Algunos medicamentos que contienen cloro afectan el sistema nervioso.

Cromo (Cr) El cromo y sus compuestos son perjudiciales al organismo, pues destruyen todas las células. Se le emplea en síntesis orgánicas y en la industria del acero. Cualquier cromato solubles contamina el agua.

Magnesio (Mn) Se emplea en la manufactura de acero y de pilas secas. La inhalación de polvos y humos conteniendo magnesio causa envenenamiento. También contamina el agua y atrofia el cerebro.

Mercurio (Hg) Metales de gran utilidad por ser líquidos; se utiliza en termómetros y por ser buen conductos eléctrico se emplea en aparatos de este tipo, así como en iluminación, pinturas fungicidas, catalizadores, amalgamas dentales, plaguicidas, etc. pero contamina el agua, el aire y causa envenenamiento. Las algas lo absorben, luego los peces y finalmente el hombre. Los granos o semillas

lo retienen y finalmente el hombre los come.

Plomo (Pb) El plomo se acumula en el cuerpo conforme se inhala del aire o se ingiere con los alimentos y el agua. La mayor parte del plomo que contamina el aire proviene de las gasolinas para automóviles, pues se le agrega para proporcionarle propiedades antidetonantes. También se le emplea en pinturas, como metal de imprenta, soldaduras y acumuladores. Por su uso el organismo se afecta de saturnismo. Sus sales, como el acetato, son venenosas.

Existen otros elementos que de alguna forma contaminan el agua, el aire y el suelo tales como: talio, zinc, selenio, oxígeno de nitrógeno, berilio, cobalto y sobre todo gran cantidad de compuestos que tienen carbono. (Orgánicos).

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HÉCTOR DOMÍNGUEZ AGUIRRE

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