maestria en desarrollo sustentable análisis de ciclo de vida

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE
MONTERREY.
CAMPUS ESTADO DE MÉXICO.
MAESTRIA EN DESARROLLO SUSTENTABLE
ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DEL CONCRETO EN MÉXICO
DR. FRANCISCO JAVIER CHAVEZ DEL VALLE
ARQ. CESAR ALEJANDRO ESPINOZA LÓPEZ
ABRIL DE 2005
INTRODUCCIÓN
1.1 Importancia del Cemento en México y en el mundo.
La industria de la construcción es una de las industrias más importantes en el
México teniendo un gasto en materiales en el año de 2001 por más de 24 mil
millones de pesos1, y generando el 4.97% del Producto Interno Bruto Nacional
en el mismo año1 y generando casi el 7% de los empleos a nivel nacional1.
De acuerdo con una estimación, la industria del concreto está consumiendo
agregados naturales a una tasa de aproximadamente 8 billones de toneladas
cada año. La fabricación del cemento Pórtland, que se usa comúnmente como
aglomerante para las mezclas de concreto moderno, también requiere grandes
cantidades de materiales naturales, tal como se describe enseguida.
El consumo mundial de cemento Pórtland se ha elevado de menos de dos
millones de toneladas en 1880 a 1.3 billones de toneladas en 1996.2 Para
darnos una idea del volumen que ocuparía esta cantidad de cemento basta con
tener la densidad del cemento que es de 2 toneladas por metro cúbico esto
seria 600,000 millones de metros cúbicos, esto se compara con una montaña
de 25 x 25 Km. por un 1 Km. de altura
El análisis de ciclo de Vida es una técnica para evaluar los aspectos y los
impactos ambientales potenciales asociados con productos.3 El análisis de
ciclo de vida en México empieza a tener auge en algunas instancias tanto
gubernamentales como de la iniciativa privada, estas ultimas motivadas
principalmente por sus exportaciones de productos, hacia países donde el
Análisis de Ciclo de vida es un requisito indispensable para la comercialización
en estos. Aún hay legislaciones en México que exijan el ACV como requisto
para comercializar productos, y son pocas las empresas e instituciones que
piden un Análisis de Ciclo de Vida para comprar productos y/o Servicios en
México.
Existen diferentes etapas del análisis de ciclo vida.
1. Definición de los alcances y objetivos del ACV.
2. Inventario de análisis de vida. En esta etapa se hace la obtención de
datos de las entradas y las salidas de los diferentes procesos del ciclo
de vida.
1
Banco de Información Económica del INEGI
http://dgcnesyp.inegi.gob.mx/BDINE/BANCOS.HTM
2
Tecnología del concreto para un desarrollo Sustentable, Instituto Mexicano del Cemento y del
Concreto, A.C. Revista Construcción y Tecnología , Mayo 2001
3
ISO 14040 Marco Metodológico
3. Análisis de impacto ambiental, en esta etapa se consideran los impactos
realizados por las entradas y las salidas asociados a estas mismas.
4. Se realiza un análisis de los resultados obtenidos con el objeto de
estudio
Los resultados obtenidos pueden ayudar en diferentes formas desde
identificación de áreas de oportunidad, toma de decisiones, selección de
indicadores de impacto ambiental y mercadotecnia.
El presente trabajo de investigación tiene como objetivo recabar la información,
sobre el ciclo de vida del cemento en México que involucre al cemento, en sus
diferentes etapas. Estas comprenden desde la extracción de las materias
primas, su procesamiento y transportación; el proceso mismo de la elaboración
del cemento, su transporte hasta el lugar de su transformación en concreto, y
su uso en la construcción; al final de la obra su demolición, y al final su reciclaje
o rehúso en otros materiales, o su confinamiento como desecho sólido.
El inventario de análisis de ciclo de vida se realizará obteniendo las cantidades
de las materias primas, recursos y energía que se utilicen en cada etapa del
ciclo de vida. También será importante considerar las emanaciones yo/ salidas
que se produzcan a los diferentes medios como son al agua, al aire y los
desechos sólidos.
Posterior mente se determinar los impactos ambientales asociados a las
diferentes entradas y salidas y las cantidades que se obtengan a través de
inventario del ciclo de vida.
La exactitud de los datos obtenidos el estudio de Análisis de Vida esta
determinado por la fuentes y de información, la accesibilidad y/o disponibilidad
de los datos necesarios, habrá datos que se obtengan por promedio o de
diferentes fuentes que en su momento serán especificados en el desarrollo del
estudio. Otro aspecto que no hay que perder es la dimensión espacial y
temporal del estudio la cual se determinará por la factibilidad de la obtención de
los diferentes datos
El estudio se realizará seleccionando una planta de fabricación de cemento, ya
que los procesos pueden variar según el tipo de equipos y las fuentes de
extracción de las materias primas, pero si se podrá seguir la metodología
utilizada en este estudio para obtener los datos de otras plantas procesadoras
de cemento.
Otra etapa es el fin de ciclo de vida donde se verán los dos aspectos posibles
que una vez hecha la demolición del cemento fraguado ahora como concreto y
el primer fin sería el confinamiento como desecho o su posible reciclaje o
rehúso tales como: materia prima algún agregado o grava triturada, en México
este último no es muy común pero se determinara según un estudio de 100% a
su confinamiento como desecho.
1.4 JUSTIFICACIÓN.
El Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, tiene como
misión Formar personas comprometidas con el desarrollo de su comunidad y
que sean competitivas internacionalmente en su área de conocimiento. La
Misión incluye hacer investigación y extensión relevantes para el desarrollo
sostenible del país.
Con base en esta misión El departamento de Calidad Ambiental tiene el
proyecto de crear junto con algunas otras instituciones de Estados Unidos y de
Canadá para formar una base de datos de productos de la región y hacer un
análisis de ciclo de vida.
El departamento de Arquitectura busca crear una base de datos de inventarios
de materiales de construcción con el fin de hacer un estudio de impacto
ambiental de proyectos arquitectónicos.
También se encuentra en negociación ponerla a disposición de la industria del
cemento en México por medio de la Cámara Mexicana del Cemento y el
Instituto Mexicano del Cemento y en Concreto, con lo cual se obtendrían datos
de primera mano así como la correcta divulgación de la misma en diferentes
sectores tanto públicos como privados.
DEFINICIÓN DEL CICLO DE
VIDA, ALCANCES Y OBJETIVO
DEL ESTUDIO.
Este trabajo de investigación busca realizar un inventario del ciclo de vida del
cemento, con el fin de tener una herramienta para el análisis de las nuevas
construcciones en México y poder un tener un parámetro de medición en
cuanto a impacto ambiental se refiere.
ARBOL DE PROCESO DEL ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DEL CEMENTO
Como se ve en el gráfico anterior en ACV del cemento resulta algo complejo
debido al gran número de procesos y que lo involucran y algunas de ellas con
algunas variantes, de procesos y/o pasos a seguir.
Un etapa de extracción de recursos en la cual es una actividad minera un tanto
compleja como impactante del medio ambiente, de la cual obtenemos len su
mayoría los recursos necesarios para la fabricación del cemento.
La producción de materiales lo que nos lleva su selección y molienda del las
materias primas para su uso en la fabricación del cemento.
Fabricación del cemento, donde el uso de energía es impresionante ya que se
deben de calentar toneladas de piedra y polvos a una temperatura de mas de
1400°C, lo que lleva un uso de combustible bastante considerable al utilizar
1.68 (10)11
Embalaje y distribución las distribución del cemento es como la mayoría de los
productos, y tiene dos variantes puede ser vendido a granel o envasado en
empaques de 50kg 4 siendo esta la de mayor consumo en nuestro país.
Uso del cemento, este en su gran mayoría se utiliza para hacer concreto lo que
tiene tres diferentes maneras de realizar concreto
Colado en sitio
Premezclado en planta
Precolado.
Fin de vida, la primer paso para esta etapa es la demolición muchas veces tan
demandante de recursos como la extracción de materiales debido al uso de
energía para poder demoler la piedra del cemento y una vez mas triturarla
hasta obtener piedras de fácil movimiento transportación, posterior mente esta
podrá ser reciclada en el proceso del cemento o obtener un agragado tipo
grava
4
Cámara Nacional del Cemento, CANACEM
http://www.canacem.org.mx
PROCESO DE EXTRACCIÓN DE
MATERIAS PRIMAS
3.1 PROCESO DE EXTRACIÓN
El proceso de extracción de la piedra caliza y la arcilla son muy diversos y es
variado dependiendo de varios factores tanto naturales, como son el tipo de
beta y de yacimiento como de los de la propia cementera por lo que los
procesos son muy variados. El siguiente proceso es el más convencional y el
cual es el mismo para la obtención de la arcilla
Proceso de explotación
La explotación, normalmente, se efectúa a cielo abierto, utilizando medios
mecánicos convencionales. La potencia del recubrimiento a remover varía de
unos yacimientos a otros, pero, generalmente, en la mayor parte de las
explotaciones son inferiores a los 15m.
Exploración.
El sistema de exploración se hace por medio de barrenas que detectan
concentraciones arcillosas en el subsuelo.
Explotación.
La explotación de los yacimientos es por medio de minas de cielo abierto a
base de un sistema de terrazeo, en el cual se usan explosivos para extraer las
rocas.
Transportación
Es transportada en bandas al sitio de molienda por medio de bandas o de
camiones de tipo minero.
Trituración
Es llevada a unos silos la cual es dosificada al la trituradora la cual opera por
golpeo y por el paso de cilindros de trituración.
El árbol de proceso de la extracción de las piedras pueden variar de igual
manera y puede ser tan diverso como los procesos mismos, esto son los
procesos que se analizaran para este estudio.
3.2 DIAGRAMA MET.
EXTRACCION DE MATERIAS PRIMAS
INPUTS
EMISIONES
PRODUCTOS
Emisiones al aire
Recursos


Mineral de piedra
62.755 millones de
toneladas
Arena silica 1.981
millones de toneladas
Materiales

Explosivos 661.5 Ton
Energía







NOx 102.58 Ton
PST 2.71 Ton
CO 139.45 Ton
CO2 628.21 Ton
COV 14.9296 Ton
Metano 109.39 Ton
Emisiones al agua

N.D.
Residuos sólidos

Energía Eléctrica 11.5
Gw/Hr

Productos
SO2 60.47 Ton
N.D.



Arcilla 10.404 millones
de toneladas
Calizas 33.524
millones de toneladas
Silicio 1.387 millones
de toneladas
FABRICACIÓN DEL CEMENTO.
4.1 MOLIENDA Y MEZCLA DE MATERIAS PRIMAS
4.1.1 PROCESO DE MOLIENDA
Una vez teniendo todos los materiales estos se pasan por un proceso de
Molienda. Este proceso consta de pasar los materiales por como la arcilla y las
caliza por unos rodillos que van moliendo las piedras en fragmentos no
mayores a 2 cms de diámetro.
Fuente: PCA Portlande Cement Association
http://www.pca.org
El proceso de molienda es un proceso físico donde no se cambia la estructura
molecular de los materiales únicamente ya que para que debe de ser
preparada para el proceso de calcinación.
4.1.2 UNIDAD FUNCINAL
Es muy variada la unidad funcional de la molienda debido ya que es necesario
moler varios materiales y no en la misma cantidad los mas representativos son
la arcilla con un 20 al 25 % y caliza del 70 al 75% por lo que pensaremos en
una tonelada de mezcla cruda con un 95 % de estos materiales 22.5% de
arcilla y 72.5% de caliza, por lo que la primer unidad funcional será una
tonelada de mezcla cruda la cual estará formada por los inventarios para la
molienda de una tonelada de arcilla por el 22.5% y de igual manera la arcilla el
72.5% del inventario para la molienda de una tonelada de Caliza.
4.1.4. MEZCLA DE MATERIAS PRIMAS.
Una vez hecha la molienda las materias primas pasan a ser mezcladas en la
correcta proporción que se necesita según el tipo de cemento a elaborar la
siguiente es la proporción aproximada en las que las diferentes materias
primas son mezcladas.
MATERIAS PRIMAS
CALIZAS ( Ca Co3)
Arcilla (SiO2 Al2O3 Y Fe2O3)
Silicio
Fierro
PORCENTAJE
70-75%
20-25%
2-3 %
0-1 %
Fuente: Cámara Nacional del cemento
http://www.canacem.org.mx
4.2. HORNEADO Y CALCINACIÓN
Este es el proceso más importante dentro de la elaboración del cemento ya que
es aquí donde el cemento adquiere sus propiedades químicas como
aglutinante y se produce las mayores emisiones a la atmósfera debido al
enorme uso de combustible para lograr la calcinación de las rocas a una
temperatura de 1400°C, el uso energético es igual a 3,500 mega joules por
tonelada de clinker saliente del horno.
Fuente: PCA Portlande Cement Association
http://www.pca.org
El proceso consiste en introducir la mezcla cruda en un horno giratorio de 12 m
de diámetro la mezcla se calienta al alcanzar una temperatura de 1400°C.
Después se extrae la mezcla una vez cocida y a esta se le llama clinker, el
clinker después es enfriado, el calor que se emite del enfriado en algunos
sistemas es utilizado para el precalentamiento del clinker que apenas se
introduce.
8.3 TRITURADO DE CLINKER
Una vez obtenido el clinker este es triturado en tolvas colocadas
horizontalmente, es introducido y es triturado por medio de bolas de acero que
giran a la par que el clinker para triturarlo hasta dejarlo con la consistencia fina
que lo caracteriza.
Fuente: PCA Portlande Cement Association
http://www.pca.org
8.4 DIAGRAMA DE PROCESO EN GENERAL.
Fuente: PCA Portlande Cement Association
http://www.pca.org
8.5. DIAGRAMA MET.
FABRICACIÓN DEL CEMENTO
INPUTS
EMISIONES
Recursos

Agua 84,960 m3
Materiales




Arcilla 10.404 M ton
Calizas 33.524 M ton
Silicio 1.387 M Ton


Emisiones al aire







Mineral de fierro 0.92
M ton
Energía
Productos
SO2 60.47 Ton
NOx 102.58 Ton
PST 2.71 Ton
CO 139.45 Ton

CEMENTO 30.5
millones de toneladas
CO2 628.21 Ton
COV 14.9296 Ton
Metano 109.39 Ton
Emisiones al agua

Energía Eléctrica
385.82 Gw/Hr
Energía 1.68(10)11
Mega joules
PRODUCTOS
N.D.
Residuos sólidos

N.D.
M Ton = Millones de toneladas
385.82gig watt hour =
1,388,952,000mega joule
USOS DE CEMENTO
5.1 CEMENTO PREMEZCLADO EN PLANTA.
El 20% del cemento es vendido a granel y enviado a las plantas de concreto
premezclado y a la fábricas de elementos de concretos pre-tensado. Existen
varias proporciones de uso del cemento y esto depende directamente de la
resistencia que se busca alcanzar.
Proporciones de uso por m3 de concreto5
USOS
2
f'c (kg/cm )
Cemento (kg)
Arena (kg)
Grava (kg)
Agua (L)
Pisos, Firmes,
Banquetas
Dalas, Trabes
Cadenas
Zapatas, Losas,
Castillos
Losa y
Columnas
Especiales
100
239
780
812
205
150
263
749
825
205
200
323
705
812
210
250
370
654
786
210
El uso de agregados para la fabricación del cemento son determinantes en las
características del concreto a suministrar por parte de las plantas de
premezclados.
Al determinar las cantidades de agregados utilizados por los 7 millones de
toneladas que son destinados al rubro de concretos premezclados. Por lo que
los agregados superan casi 7 a 1 la cantidad de cemento utilizado.
5
Cementos Cruz Azul, proporciones de uso para cemento CPC 30R
http:// www.cruzazul.com.mx
5.2 DIAGRAMA MET
USO DEL CEMENTO
INPUTS
EMISIONES
PRODUCTOS
Recursos

Agua 21.16 Millones
de m3
Materiales



Emisiones al aire

N.D.
Emisiones al agua
Productos

CONCRETO 101.77
millones de metros
cúbicos.
Cemento 30.5 M Ton
Arena 75.678 M Ton
Grava 82.757 M Ton

N.D.
Residuos sólidos
Energía


Energía Eléctrica
112.78 Gw/Hr
Gasolina 10,741,083
lts

Residuos de cemento,
grava y arena 200,000
Ton
M Ton = millones de
toneladas
5.2 ELABORACIÓN DE CONCRETOS MEZCLADO EN OBRA.
5.2.1 ELABORACIÓN DE CONCRETO POR MEDIO DE PALEO
La mayor parte del concreto en México es elaborada de esta forma, con dos
variantes una de forma manual por paleo en la cual se vierten el suelo los
diferentes materiales y con ayuda de palas se va realizando la mezcla de los
componentes secos cemento, grava y arena para posteriormente y de forma
gradual verter el agua.
Fuente: Proyecto Jimmy Carter 2004
5.2.2 ELABORACIÓN DE CONCRETO POR MEDIO DE REVOLVEDORA.
Este método consiste en poner los materiales en una revolvedora de concreto
en las proporciones adecuada para lograr la resistencia y características
necesarias para la construcción. Hay diferentes tipo de revolvedoras de
distintas capacidades y de diferente tipo de motor una que son de gasolina y
otras con motor eléctrico. Aquí hay diferencias en el tipo de energía y los
contaminantes que pudiera emitir una u otro tipo. Los cuales son considerados
en el Diagrama MET los diferentes tipos energía utilizados.
ETAPA DE FIN DE VIDA
6.1 DEMOLICIÓN.
La demolición de los elementos de concreto pueden hacerse con diferentes
métodos.
Uso de explosivos.
Palas mecánicas.
Por medio de marro.
Estos tres diferentes métodos tienen sus implicaciones tanto técnicas como
ecologicas y para el inventario.
6.2 CONFINACIÓN DE RECURSOS.
Posterior a la demolición un impacto es la confinación del concreto pero es muy
incierto el destino de los residuos de las demoliciones de los elementos de
concreto debido a que en muchos de los casos se da de forma clandestina. En
tiraderos. Otros casos de utiliza para relleno de terrenos u otros tipos,
6.3 REUTILIZACIÓN DEL CONCRETO
Otro fin de el uso de la piedra de concreto para re incorporarse al ciclo del
cemento una vez que triturado esos elementos pueden reincorporarse en el la
etapa de dosificación de las materias primas.
En México no se tiene un control estricto sobre los desechos del concreto
siendo un 5% del material reciclado en diferentes procesos ya sea como
agregado o para reciclarse y triturarse en harina cruda para el cemento.
CONCLUSIÓN
El inventario de ciclo de vida del cemento es una herramienta valiosa para la
industria de la construcción ya que es uno de los sectores mas demandantes
de recursos tanto como la emisión de desechos sólidos, y polvos a la
atmósfera. En todo el proceso de fabricación del cemento es una etapa muy
controlada ya que las empresas cementeras buscan optimizar recursos y
dinero con el fin de hacer mas rentable la empresa y calidad en cada saco de
cemento. Por otra parte las empresas cementeras están obligadas a dar sus
valores de emisiones al RETCE Registro de emisiones y transferencia de
contaminantes de la SEMARNAt y debido a que deben de cumplir con la norma
siguiete: NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-040-SEMARNAT-2002, PROTECCIÓN
AMBIENTAL-FABRICACIÓN DE CEMENTO
PERMISIBLES DE EMISIÓN A LA ATMÓSFERA.
HIDRÁULICO-NIVELES
MÁXIMOS
Por otra parte una vez que el cemento sale de la industria cementera y es
entregada a la industria de la construcción esto cambia por completo el cuidado
de recurso material y mas aun si tomamos en cuenta que el porcentaje de
desperdicio en la industria de la construcción es del 5% siendo un porcentaje
muy grande de desperdicio de materiales y que en todos los presupuestos para
la industria de la construcción están considerados.
Hay dos formas posibles de usar el inventario una es por kg de cemento
utilizado y otra es por metro cúbico de concreto empleado. La primera nos
ofrece la ventaja de que se puede hacer al 100 % ya que dependerá del
cemento que se compre, es decir sin considerar el 5% de desperdicio, ya que
de la cantidad que se compre podrá estimarse su inventario completo. Al usar
el método del metros cúbicos en la construcción se toma en cuenta los metros
cúbicos de concreto en la edificación sin tomar en cuenta los desperdicios.
Aunque el método de cuantificación de metros cúbicos tiene menor desperdicio
ya que generalmente es el que se compra premezclado y sin conocer
exactamente los kilos o toneladas a menos que se proporcione la mezcla
exacta que se requiere en la obra.
TITULO
AUTOR
AÑO PUBLICACIÓN
-
Effective energy management during a
building's life cycle
Bao, Qi
2003
Improving the energy performance of
houses in Montreal using the life-cycle
analysis
Kassab, Mohamed
Comprehensive product life-cycle analysis
using input output techniques
Joshi, Satish Vasudev
Modeling pavement deterioration by
regression and artificial neural networks
Shekharan, Raja A
HONG KONG POLYTECHNIC
UNIVERSITY
CONCORDIA UNIVERSITY
2002
1988
Modeling pavement deterioration by
regression and artificial neural networks
1996
CARNEGIE MELLON
UNIVERSITY
THE UNIVERSITY OF
MISSISSIPPI
NPR
2004
Life cycle cost analysis of portland cement
concrete pavements
William James, Steve
Waalkes, Robin
Harrisons
Use limited Life Cycle Analysis for
Enviromental desion making
Robert P. Vignes
CEP Magazines.org
Simulation of Enviromental, Product and
Economic Performance in Cement
Production
Karin Gabel
University of Surrey, Uk
Cement and structural concrete products
Venta Glasser &
Associates
University de Texas
1999
2001
Athena Sustaintable Materials
1999
Análisis de ciclo de vida de productos
derivados del cemento
Life Cycle Analysis
NORMA OFICIAL MEXICANA NOM-040SEMARNAT-2002
Plan industrial Ambiental para la industria
Cementera Española
Registro de emisiones y transferencia de
contaminantes
INEGI, Sistema Nacional de Empresas
Constructoras
Arnaldo Cardim de
Carvalho Filho
Robert Zozak, Chris
Gaston
CASSIO LUISELLI
FERNANDEZ
2001
2001
2002
1996
2001
2000
Universidad Politecnica de
Cataluña
University of Washigton
SEMARNAT México
Daphnia
SEMARNAT
INEGI