Uso de modelos comerciales de economía circular y evaluación del ciclo de vida para mejorar la sostenibilidad de los ascensores

La investigación explora el potencial de la renovación de unidades para mejorar la sostenibilidad de los ascensores.

por Marco Tomatis, Christian Kukura, Siniša Djurović, Judith Apsley, David Griffin, Jordan Griffin, Rob Corner y Laurence Stamford

Resumen

Alrededor del 55% de la población mundial vive actualmente en ciudades y se espera un nivel creciente de urbanización en el futuro. Por lo tanto, la construcción de edificios altos está aumentando y, en consecuencia, la instalación y el mantenimiento de ascensores son facilitadores cada vez más cruciales. Los accionamientos eléctricos son uno de los principales componentes de los ascensores, controlando su movimiento, velocidad y par. La vida útil de los accionamientos de los ascensores suele ser más corta que la del ascensor y, por lo tanto, es necesario reemplazar la unidad una o más veces durante la vida útil del ascensor, lo que contribuye a los impactos medioambientales. Este trabajo explora el potencial de la renovación de accionamientos para mejorar la sostenibilidad del ascensor. La reducción potencial de los impactos ambientales relacionados con el uso de unidades reacondicionadas en comparación con las nuevas se evaluó mediante la evaluación del ciclo de vida (LCA). Para esta evaluación se consideraron dos accionamientos de ascensor, el OVF20 (Otis) y el VF22BR (Schindler), incluida la recopilación de datos empíricos sobre los materiales y las masas de los componentes. En un rango de 18 categorías de impacto, los resultados mostraron que la renovación de un variador de ascensor genera un impacto ambiental entre un 53 % y un 91 % menor en comparación con la construcción de un nuevo variador y tiene el potencial de reducir los volúmenes de desechos electrónicos en un 72 % a un 84 % dependiendo de la unidad considerada. A lo largo de la vida útil de un sistema completo de ascensores, el consumo de electricidad es la principal fuente de impactos, representando entre el 63 y el 99 % del total, mientras que el accionamiento en sí contribuye con ≤27 %. No obstante, es posible reducir los impactos ambientales de por vida de un ascensor en un 1-17 % mediante la instalación de unidades de ascensor reacondicionadas. En general, los resultados de este estudio sugieren que el uso de estrategias de economía circular puede mejorar notablemente la sostenibilidad ambiental de los ascensores y podría combinarse con otras estrategias de ascensores verdes para permitir una urbanización más ecológica.

Keywords: Ascensores; Circularidad; ACV; Residuos electrónicos; Impactos ambientales; Estrategia de ascensor verde; unidad de ascensor

1. Introducción

Se han informado aumentos significativos en la población urbana durante los últimos 30 años, con aproximadamente el 55% de la población mundial residiendo actualmente en ciudades,^{[ 1 ]} y los pronósticos informan que se espera que esta tendencia continúe.^{[ 2 ]} Esta rápida urbanización ha llevado a la construcción de edificios cada vez más altos para optimizar el uso del suelo en las zonas urbanas.^{[ 3 ]} En este contexto, los ascensores son cruciales para mantener la accesibilidad de los edificios altos. En consecuencia, desde 2012, el número de ascensores instalados en todo el mundo ha aumentado de unos 11 millones a más de 18 millones,^{[ 4 ]} con un crecimiento continuo esperado en el futuro previsible: se prevé que el mercado crezca desde su valor actual (US$99.30 millones) a US$120-130 millones para 2029.^{[5, 6]}

Una variedad de literatura científica anterior sobre ascensores ha abordado el rendimiento, la eficiencia energética, el mantenimiento y el control y otros temas predominantemente técnicos.^{[3, 7-10]} Los accionamientos de ascensores son uno de los principales componentes de los ascensores, ya que controlan sus movimientos, velocidad, posición y par. Cuando estas unidades funcionan mal, normalmente se reemplazan por otras nuevas y las unidades defectuosas se eliminan como desechos electrónicos. Además, la vida útil de un accionamiento de ascensor, que varía según el modelo de accionamiento, suele ser más corta que la del propio ascensor (siendo esta última de al menos 20-30 años).^{[8, 11]} Por lo tanto, es posible que el accionamiento se sustituya varias veces durante la vida útil del ascensor. En consecuencia, la restauración de los accionamientos de los ascensores que funcionan mal podría reducir en gran medida la cantidad de desechos electrónicos producidos. Sin embargo, según el conocimiento de los autores, no existen publicaciones anteriores que investiguen las implicaciones de sostenibilidad ambiental de una estrategia circular de este tipo en el sector de los ascensores.

En consecuencia, este estudio utiliza LCA para investigar el impacto y la huella de la renovación de la unidad de ascensor de acuerdo con los procedimientos desarrollados por una empresa con sede en el Reino Unido, Northern Drives and Controls (NDC) Ltd., y lo compara con la práctica estándar de la industria de instalar nuevos motores de repuesto. unidades Dos accionamientos de ascensores comerciales diferentes, a saber, el OVF20 (Otis) y el VF22BR (Schindler), se utilizan como ejemplos. Con el fin de proporcionar un contexto más amplio de los impactos de un accionamiento de ascensor, también se evalúa su sostenibilidad medioambiental como parte de todo el sistema de ascensores. El objetivo de esta evaluación es determinar los beneficios potenciales de aplicar opciones de gestión de residuos que se adhieran a los principios de la economía circular para los accionamientos de ascensores. En términos más generales, este estudio tiene como objetivo proporcionar más bases para los modelos comerciales circulares en los sectores que se ocupan de la electrónica y/o la infraestructura urbana.

2. Metodología

Los modelos LCA se desarrollaron de acuerdo con las directrices ISO 14040/44,^{[12, 13]} y por lo tanto, el objetivo y el alcance del estudio, el análisis del inventario, la evaluación del impacto y la interpretación se describen a continuación. Todas las evaluaciones siguieron el enfoque atribucional y el software GaBi 10.5^{[ 14 ]} se utilizó para el modelado del sistema.

2.1 Objetivo y alcance

El objetivo principal de este estudio fue evaluar los impactos ambientales de la restauración de los accionamientos de los ascensores en comparación con la instalación de otros nuevos. Para tener en cuenta la variabilidad entre las unidades, se eligieron dos modelos diferentes para analizarlos uno al lado del otro: Otis OVF20 y Schindler VF22BR. Estos modelos específicos se eligieron en función de su prevalencia en el mercado, según lo determinado por la experiencia directa del socio del proyecto NDC Ltd.

El propósito de este estudio fue permitir la identificación de las ventajas y desventajas de los variadores reacondicionados, así como las oportunidades de mejora. Un objetivo secundario era evaluar la sustentabilidad ambiental del accionamiento en el contexto de todo el sistema de ascensores para determinar la relevancia del accionamiento del ascensor para los impactos del ascensor.

La unidad funcional (FU) para el accionamiento del ascensor es "renovación o producción de una unidad de accionamiento", mientras que para el LCA del sistema de ascensores, la unidad funcional es "25 años de funcionamiento del ascensor", que representa la vida útil media de un ascensor.^{[8, 11, 15]}

Se consideró un enfoque de la cuna a la tumba para la producción/restauración del accionamiento del ascensor (Figura 1). Los límites del sistema para el proceso de restauración incluyen el transporte de la unidad al sitio de reparación, las pruebas para evaluar qué componentes deben reemplazarse, la reparación, un segundo conjunto de pruebas para evaluar si la unidad restaurada está funcionando como se esperaba, la eliminación de los desechos electrónicos producidos. y transporte del accionamiento reacondicionado al lugar del ascensor. Se consideró un sistema más simple para el montaje de una nueva unidad, que incluía el montaje de una nueva unidad, su transporte al sitio del ascensor y la eliminación de la unidad rota. Para el LCA del sistema de ascensores, también se tuvo en cuenta el consumo de electricidad durante toda la vida del ascensor.

2.2 Datos de inventario

Las tablas 1 y 2 informan datos de inventario para la unidad OVF20 y VF22BR, respectivamente. Los datos de inventario para los procesos de restauración fueron proporcionados directamente por los socios del proyecto NDC Ltd., mientras que el balance de materiales para las unidades en sí se estimó empíricamente desmontando cada unidad y pesando e identificando sus componentes. Esto se realizó en el Laboratorio de Conversión de Energía de la Universidad de Manchester, donde cada unidad evaluada se desarmó metódicamente siguiendo las pautas comerciales y se evaluaron las características requeridas de sus subensamblajes. Los datos de fondo para materiales y energía se obtuvieron de Ecoinvent 3.7,^{[ 16 ]} suponiendo que el proceso de restauración se realice en el Reino Unido, mientras que la producción de nuevos discos depende de la ubicación de la empresa productora. Los autores señalan que algunos de los datos de inventario sobre productos electrónicos en la base de datos de Ecoinvent datan originalmente de la década de 2000 y es posible que deban actualizarse para reflejar con precisión la fabricación actual de productos electrónicos. Sin embargo, en ausencia de datos más nuevos y sólidos, sigue siendo la fuente más confiable.

Para el transporte de unidades nuevas y reacondicionadas, se supuso que el 60 % de las unidades rotas provendrían del Reino Unido, el 30 % de Europa y el 10 % de los EE. UU., según datos de mercado reales de NDC Ltd. Para la unidad reacondicionada, se asumió que las unidades desde el Reino Unido podrían transportarse al sitio de renovación por carretera, mientras que los vuelos serían necesarios para otros lugares en función del rápido tiempo de respuesta esperado por los propietarios de ascensores. También se contabilizaron los viajes de regreso al sitio del elevador. Se consideró el transporte a granel por envío a almacenes ubicados en diferentes países para los nuevos variadores, y se asumió que los vuelos de corta distancia o el transporte por carretera transportarían los variadores desde el almacén hasta el sitio del elevador. Para todo tratamiento de residuos se consideró una distancia de transporte de 50 km hasta el sitio de disposición. Los porcentajes de diferentes materiales reciclados o depositados en vertederos se estiman de acuerdo con los datos estadísticos específicos del país y las reglamentaciones pertinentes.^{[17 21-]}

Para la estimación del consumo eléctrico del ascensor se utilizó una calculadora de energía proporcionada por TK Elevator.^{[ 22 ]} Para este caso de estudio, se asumió que la unidad de accionamiento formaba parte de un elevador de oficina con engranajes con capacidad para seis personas, sirviendo a un edificio de seis pisos y operando a una velocidad de 0.8 m/s. En consecuencia, se estimó un consumo eléctrico de 89.9 MWh durante 25 años de funcionamiento. Se adoptó la combinación de electricidad del Reino Unido para este estudio de caso, utilizando la última versión (alrededor de 2017) disponible en Ecoinvent: 39 % gas natural, 22 % nuclear, 19 % energías renovables (eólica, solar, hidráulica), 8 % importaciones, 6 % biomasa y 6% carbón. Dada la continua ecologización del suministro eléctrico, el uso de una mezcla reciente es conservador. Tenga en cuenta que el consumo de electricidad del extractor de aire y de la iluminación de la cabina se ha excluido de este total, ya que son independientes del accionamiento del ascensor y es poco probable que contribuyan significativamente al total. El consumo de energía nominal de los dos variadores bajo investigación durante el funcionamiento es de 9 y 2 kW para el variador OVF20 y VF22BR, respectivamente.

Tabla 1: Datos de inventario para la producción y restauración del variador OVF20 [FU = unidad funcional]

2.3 Evaluación de impacto

Los impactos ambientales se estimaron utilizando el método de evaluación de impacto ReCiPe 2016 V1.1 en el nivel medio, siguiendo el enfoque jerárquico.^{[ 24 ]} Para esta evaluación, se seleccionaron siete categorías de impacto, incluidas las categorías basadas en el cambio climático, el agotamiento y la toxicidad, de las 18 categorías de impacto del método ReCiPe debido a su relevancia para la evaluación y su representatividad de las tendencias observadas.

3. Resultados y discusión

La Figura 2 informa los impactos del ciclo de vida estimados para las unidades OVF20 y VF22BR. Tenga en cuenta que, para cada unidad, las cajas reacondicionadas y nuevas se comparan en una proporción de 1:1. Esto es conservador porque el proceso de reacondicionamiento aborda los puntos comunes de falla para cada modelo de unidad, lo que significa que una unidad reacondicionada puede, de hecho, durar más que una nueva, lo que lleva a que se requiera una menor cantidad de unidades reacondicionadas durante la vida útil del elevador. en comparación con las unidades nuevas.

La Figura 2 (a) informa los impactos del ciclo de vida de la unidad OVF20, lo que demuestra que la renovación causa impactos ambientales menores (entre un 53 y un 83 %) que la producción de una unidad nueva. En ambos casos, los impactos son causados ​​principalmente por los materiales y la energía utilizados en la producción o renovación del variador (66-90% y 55-95% del impacto total, respectivamente).

En el caso de la unidad renovada, el transporte muestra contribuciones significativas al cambio climático (23 %), el agotamiento de los fósiles (22 %) y la ecotoxicidad terrestre (15 %), mientras que emergió como un contribuyente menor a la toxicidad humana (2 %) y un contribuyente insignificante (<1%) a otros impactos. Por el contrario, el transporte emergió como un contribuyente menor a los impactos ambientales de la nueva unidad, representando ≤2% en todas las categorías consideradas. La mayor contribución del transporte a los impactos de la unidad renovada se debe a que se incluyó el transporte al sitio de la remodelación y un viaje de regreso al sitio del elevador, con recorridos más largos realizados por vuelo; por el contrario, se asumieron el transporte en un solo sentido y diferentes supuestos para la nueva unidad (Sección 2.2).

Los materiales reciclados se acreditaron al sistema como parte del tratamiento de residuos, lo que posteriormente redujo los impactos ambientales de la unidad renovada en un 2-30 %. Los créditos de reciclaje aplicados a la nueva transmisión fueron más sustanciales y redujeron los impactos entre un 10 % y un 32 %, principalmente debido al reciclaje del chasis de aluminio (que no se desecharía durante la renovación). Aunque se atribuyen créditos más significativos al tratamiento de residuos del nuevo disco, hay que tener en cuenta que se producen más residuos, incluidos 17.1 kg de metales y 7.6 kg de residuos electrónicos, en comparación con el disco reacondicionado (2.1 kg de e-waste), lo que podría resultar en mayores costos para el tratamiento de residuos.

Se encontraron tendencias similares para el variador VF22BR, con la renovación dando como resultado un impacto ambiental 61-91 % menor que el de un variador nuevo (Figura 2 b). La restauración de la unidad (57-91 %) o la producción (57-89 %) surgieron como los principales contribuyentes a los impactos en ambos casos, mientras que el transporte muestra una contribución significativa a los impactos de la unidad renovada en el cambio climático (25 %), el agotamiento de los combustibles fósiles. (23%) y ecotoxicidad terrestre (14%), pero contribuciones insignificantes a otras categorías. Para el nuevo accionamiento, el transporte representa ≤5% de los impactos. Los créditos de la recuperación de materiales reciclados permitieron una reducción en los impactos tanto de unidades renovadas (2-29%) como nuevas (10-38%). Los mayores créditos observados para el nuevo variador se deben a la mayor masa de residuos que produce su disposición (12.1 kg de componentes metálicos y 13.4 kg de desechos electrónicos por variador) en comparación con la disposición de componentes reacondicionados (2.1 kg de desechos electrónicos). por unidad). En consecuencia, la restauración de los variadores VF22BR permite una reducción del 92 % en la cantidad total de desechos producidos y una reducción del 84 % en la cantidad de desechos electrónicos.

En general, este análisis muestra claramente los beneficios potenciales de la restauración de unidades en comparación con el reemplazo por una unidad nueva. Sin embargo, los impactos ambientales de la unidad renovada podrían reducirse aún más mediante la optimización de la logística para reducir las distancias de transporte y evitar, en la medida de lo posible, el transporte aéreo. Con este fin, los autores señalan que NDC está estableciendo actualmente centros de servicio en varios países clave, como EE. UU., Alemania y España, lo que debería permitir la optimización de la logística y, por lo tanto, la reducción del impacto. Por último,

Es difícil establecer una comparación sólida de las diferencias de transporte en el mundo real entre unidades nuevas y reacondicionadas debido a las diferentes prácticas comerciales, exposiciones al mercado y otras variables en todo el sector.

Tabla 2: Datos de inventario para la producción y restauración del variador VF22BR [FU = unidad funcional]

3.1 Evaluación del Sistema de Ascensores

La Figura 3 informa los impactos ambientales de todo el sistema de ascensores y muestra que el consumo de electricidad durante toda la vida del ascensor es la principal fuente de impactos para los variadores renovados (89-99%) y nuevos (63-99%), para ambos modelos de variador. Se estiman contribuciones mayores para el nuevo impulsor (1-27 %) en comparación con uno renovado, pero en ambos casos el impulsor en sí muestra contribuciones insignificantes al cambio climático, el agotamiento de los fósiles y el agotamiento del agua, así como ≤8 % a los otros impactos. . Esto se debe a que, según los datos disponibles, no hay razón para esperar ninguna diferencia en el consumo de electricidad de los ascensores que utilizan unidades nuevas frente a las reacondicionadas y, por lo tanto, la electricidad es similarmente dominante en ambos casos. En general, este análisis muestra que el uso de unidades reacondicionadas tiene el potencial de reducir los impactos del ciclo de vida del ascensor en un 1-17 % para el OVF20 y en un 1-16 % para el VF22BR.

Cabe señalar que, durante la vida útil de un sistema de ascensores, es probable que la combinación de electricidad suministrada se vuelva más baja en carbono con una mayor contribución de las energías renovables. En consecuencia, es probable que la contribución relativa de la electricidad a los impactos ambientales disminuya con el tiempo, lo que significa que aumentará la importancia relativa de la unidad y otro hardware, junto con los beneficios derivados de la renovación.

4. Conclusiones

Este estudio evaluó los posibles beneficios ambientales de la cuna a la tumba de restaurar los accionamientos de los ascensores como una estrategia de economía circular, en contraste con la práctica convencional de reemplazo con una nueva unidad de accionamiento. En una comparación uno a uno entre unidades, los resultados muestran que las unidades reacondicionadas tienen el potencial de reducir la cantidad total de desechos producidos en un 91-92 % y la cantidad de desechos electrónicos en un 72-84 % según el modelo de unidad. . También se observó que la reducción en el uso de materiales que se puede lograr a través de la estrategia de renovación permite una disminución en los impactos ambientales de la unidad de 53-91%, en comparación con la producción de una nueva unidad. Al considerar todo el sistema de ascensores, se encontró que el uso de electricidad es el principal contribuyente a los impactos (63-99%). Sin embargo, los ascensores que utilizan unidades reacondicionadas tienen el potencial de reducir los impactos de su ciclo de vida en ≤17 % debido a la masa reducida de materiales necesarios. Estos hallazgos son conservadores ya que, según el modelo de unidad y el proceso de renovación, la unidad reacondicionada puede tener una vida útil más larga que una unidad nueva debido a la eliminación de los puntos de falla comunes. En consecuencia, los resultados anteriores indican los beneficios mínimos probables de un modelo de negocio circular orientado a la reparación.

En general, la renovación ofrece el potencial de reducir significativamente la demanda de materiales y la generación de residuos durante la vida útil de los ascensores, mejorando significativamente su sostenibilidad ambiental. La investigación futura debería abordar la optimización de la logística de transporte para los accionamientos de ascensores y la aplicación de modelos circulares a las tecnologías de accionamiento emergentes, así como a otros componentes de los sistemas de ascensores.

David Griffin, director gerente de NDC, dijo:

“Siempre hemos creído que nuestro modelo, de reacondicionamiento de unidades de alta calidad, no era solo una oportunidad rentable para los clientes, sino un enfoque sostenible que aprovechaba al máximo las unidades y los materiales existentes. La renovación es una verdadera alternativa a la compra de unidades nuevas”.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la financiación proporcionada por la Cuenta de Aceleración del Impacto de la Innovación y la Investigación del Reino Unido a través de la Universidad de Manchester.

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