Análisis de ciclo de vida aplicado a sistemas de ablandamiento del agua

Abstract

El aumento de los efectos provocados por el cambio climático (calentamiento global del planeta, acidificación de los océanos, fenómenos meteorológicos y climáticos extremos, pérdida de masa glacial, cambios en los ecosistemas, etc.) hacen que la sostenibilidad y la economía circular se posicionen como elementos clave para revertir la situación. Por ello, es necesario el empleo de herramientas que permitan cuantificar el impacto ambiental de los procesos, actividades, productos, etc. para tratar de disminuir dichos efectos adversos. Bajo este contexto de cuantificación surge el “Análisis de ciclo de vida (ACV)”, como una herramienta de gestión medioambiental que ayuda a cifrar los impactos ambientales. Por otro lado, es conocido que el agua es un recurso esencial para la vida humana y para el resto de los seres vivos. Sin embargo, no es posible obtener el agua directamente desde la naturaleza para su consumo humano, ya sea para un uso doméstico o industrial, debido a que esta contiene disueltos e impurezas (carbonato, nitratos, gases disueltos, materia orgánica, etc.). En concreto, si el agua contiene mucha cantidad de calcio y magnesio, se considera que el agua es dura y su uso puede provocar importantes efectos desfavorables a nivel doméstico e industrial (atasco de tuberías, mayor uso de detergentes en lavadoras, disminución de la vida útil de maquinaria, ineficiencia de calderas y tanques debido a las deposiciones de cal, etc.). Es debido a esta problemática por lo que surgen los ablandadores de agua, que consiguen que el agua que entra al proceso salga con una menor cantidad de dureza (agua ablandada). Este Trabajo Fin de Máster auna el concepto de la economía circular y la sostenibilidad a través de la herramienta de ACV con la necesidad del ablandamiento de agua requerido para evitar la problemática asociada a la dureza de esta. Concretamente, el estudio realizado compara el impacto ambiental generado por dos sistemas de ablandamiento de agua diferentes. Por un lado, un sistema de ablandamiento convencional mediante intercambio iónico, en el cual se emplean productos químicos. Por otro lado, un novedoso sistema de ablandamiento electroquímico en el cual no se emplea ningún tipo de químico. Para llevar a cabo el estudio, se desarrolla inicialmente la teoría asociada al ciclo integral del agua (aducción, distribución, saneamiento y reutilización), así como del modo de caracterizar el agua a través de sus propiedades (pH, dureza, alcalinidad, conductividad, etc.). Además, se analiza el estado del arte asociado a las diferentes técnicas existentes para el ablandamiento del agua (basadas en procesos físicos, químicos, fisicoquímicos, etc.). Después, se describe la herramienta de análisis de ciclo de vida (ACV) según las normas UNE-EN-ISO 14040- 44, definiendo tanto su concepto como las diferentes etapas a seguir para su uso (definición de objetivos y alcance, inventario, evaluación de impactos, metodología de evaluación, etc.). Además, se muestran diferentes aplicaciones dónde esta herramienta puede ser empleada. A continuación, se centra este estudio en la aplicación práctica de la herramienta hacia el ablandamiento de agua, de modo que se describe en primer lugar el objetivo del trabajo como la evaluación del impacto ambiental de un sistema de ablandamiento electroquímico de agua potable y de un sistema de ablandamiento mediante intercambio iónico, para así poder compararlos y conocer cuál de los dos sistemas supone un menor impacto ambiental. En segundo lugar, se define el alcance del estudio (sistemas a estudiar, función del sistema, unidad funcional, límites del sistema, etc.). Finalmente, en esta descripción de la aplicación práctica llevada a cabo se documentan los cálculos realizados y se expone el inventario de los sistemas en estudio. En último lugar, se emplea el software SimaPro para evaluar el impacto ambiental a través de las categorías de impacto definidas mediante la metodología ReCiPe 2016 Midpoint (H). En base a los resultados que se obtienen con el software, se analizan los sistemas de ablandamiento en función de cuatro escenarios en los que varía la dureza eliminada, de modo que es posible conocer cuál es el sistema de ablandamiento de agua que supone un menor impacto ambiental. Además, se lleva a cabo un análisis de sensibilidad para cuantificar los cambios que se producen en las diferentes categorías de impacto ambiental si varía el mix energético español, comparándose el actual con el que se prevé que habrá en el año 2030 y en el año 2050. Finalmente, tras el análisis y estudio realizado se concluye que, de la comparación de los sistemas de ablandamiento analizados para el ablandamiento de agua durante un año según cuatro escenarios diferentes, el sistema que obtiene un menor impacto ambiental es el sistema de ablandamiento electroquímico.

The rise of climate change effects (global warming, oceans acidification, extreme weather phenomenons, melting of glaciers, ecosystem changes, …) makes that sustainability and circular economy position themselves as key elements. Because of this situation, it is necessary the use of tools for quantifing the environmental impacts, in order to reduce them. In this context, Life Cycle Assesment (LCA) is born like an environmental tool for quantifing the environmental impacts. Water is a esential resource for the human life and for all living beings. However, it is not posible to catch water for human consumption (household or industrial) directly from the nature, due to the fact that the water contains impurities (carbonate, nitrate, dissolved gas, organics, …). Specifically, if the water contains a lot of calcium and magnesium, the water is hard water. The use of hard water has adverse effects at home or at the industry like clogging of pipes, inefficiency of washing machines or boilers or tanks (due to lime deposits), … In order to fix this problems, water softeners are born for reducing the hard of water. This Final Master´s Degree Thesis mixes the concept of circular economy and sustainability through the Life Cycle Assesment (LCA) tool with the water softening requirement for solving the hard water problems. Concretely, this work compares the environmental impact of two different methods for water softening. On one hand, a conventional ion exchange system for water softening which uses chemicals inputs. On the other hand, a new electrochemical system for water softening without chemicals inputs. At first, it has been developed all of the theory about the water cycle (capture, transportation and supply, sewer and reutilization). Also, in this section it has been showed all the characteristics of water (pH, hard, alkalinity, conductivity, …). Furthermore, it is analyzed different techniques for water softening (physical process, chemical process, …). Next, it has been described the theory of the life cycle assesment through UNE-EN-ISO 14040-44 with the concept and stages for using it (goal and scope definition, inventory analysis, impact assessment, interpretation, …). In addition, it has been showed different applications for this tool. After that, this work is focused in a practical application of the tool for the water softening. First of all, the goal of the work has been defined as the evaluation of the environmental impact of a electrochemical tap water softening system and a ion exchange tap water softening system, in order to compare the impacts. At second, the scope of the work is defined (systems definition, system function, functional unit, system boundaries, …). Finally, it has been showed the calculations for making the inventory analysis. In the end, it has been used a life cycle assessment software called SimaPro in order to evaluate the environmental impacts by means of eighteen impact categories (ReCiPe 2016 Midpoint (H)). Water softening systems are compared and analyzed with the results achieved with the software. Specifically, it has been carried out four different scenaries in which the removed hardness varies. So, it is possible to observe which softening water system has a lower environmental impact. Additionally, it has been made a sensibility analysis to quantify changes in impact categories for alternatives of energetic mix of Spain in 2030 and 2050. Finally, both softening systems are analyzed and compared for the softening of water through four different scenaries. The conclusion is that the better softening system is the electrochemical softening system because it achieves the lower environmental impact.