Análise de fluxo de material

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A Análise de Fluxo de Material (AFM, Material Flow Analysis, MFA), também conhecida como Análise de Fluxo de Substância (AFS, Substance Flow Analysis, SFA) é um método analítico para quantificar os fluxos e estoques de materiais ou substâncias em um sistema bem definido. AFM é uma ferramenta importante para avaliar as consequências físicas das atividades humanas e as necessidades no campo da Ecologia Industrial , onde ele é usado em diferentes escalas de espaço e tempo. Exemplos de contabilidade de fluxos de materiais é sua aplicação dentro certas indústrias conectadas num ecossistema, a determinação de indicadores de uso de materiais por diferentes sociedades, o desenvolvimento de estratégias para melhorar os sistemas de fluxo de materiais na forma de gestão do fluxo de materiais. O escritor mais prolífico sobre o tema é Paul H. Brunner.[1]

Descrição do método

Motivação

Necessidades humanas, tais como moradia, alimentação, transporte e comunicação exigem materiais como madeira, amido, açúcar, ferro e aço, cobre ou semicondutores. Como a sociedade se desenvolve e a atividade econômica cresce, a produção, o uso e o descarte dos materiais empregados aumenta a uma escala onde os impactos indesejados sobre o meio ambiente e a sociedade não pode ser mais negligenciados, nem localmente, nem a nível mundial: fluxos de materiais representam o núcleo dos problemas ambientais locais, como lixiviação dos aterros ou derrames de petróleo. A preocupação crescente com mudanças climáticas globais colocam um fluxo de resíduos anteriormente sem importância, o do dióxido de carbono (CO₂), no topo da agenda política e científica. Além disso, a mudança gradual da mineração tradicional para a urbana nos países desenvolvidos, exige uma avaliação detalhada do uso e de estoques obsoletos de materiais dentro do ambiente humano. Indústrias, órgãos governamentais e outras organizações, portanto, precisam de uma ferramenta para complementar a contabilidade econômica com anotações sistemáticas de entradas de materiais, sua permanência e saída da antroposfera. Análise de fluxo de material é tal ferramenta.

Princípios básicos

A AFM é baseada em dois princípios científicos fundamentais e bem estabelecidos, aproximação de um sistema e balanço de massa. Embora esses princípios sejam aplicados amplamente em toda ciência e tecnologia, é a forma como são aplicadas ao metabolismo sócio-econômico que faz a AFM um método especial.[2][3]

Definição do sistema

Um sistema de AFM é um modelo de uma indústria de processos, ou região de interesse. Seu nível de detalhe é escolhido de acordo com o propósito do estudo. Um sistema AFM consiste nos limites do sistema, seus processos, fluxos e estoques. Ao contrário, por exemplo, da engenharia química, onde tal sistema representaria uma configuração física específica, sistemas e processos, em AFM pode-se representar sistemas muito maiores e mais coisas abstratas, estando estes bem definidos. O conceito do sistema é fundamental, pois permite alocar informações quantitativas ou com ações dentro de determinados processos ou como fluxos entre processos. Em outras palavras um sistema AFM permite alocar graficamente o significado de medidas ou dados estatísticos em forma de ações ou fluxos que estão relacionadas a determinados processos em um determinado sistema.

Estudos AFM podem ser refinados por desagregação (nos quais se decompõe determinado sistemas e fluxos, unidades e qualquer objeto em ainda mais detalhados sub-sistemas e seus fluxos) ou simplificados por processos de agregação (no qual se fundem determinados sub-sistemas em um conjunto maior, apenas considerando as entradas e saídas finais deste).

Ao lado do sistema e o arranjo dos processos e fluxos entre eles, escala e escopo do sistema precisam ser especificados. A escala espacial é a entidade geográfica que é coberta pelo sistema. Um sistema que representa um determinado setor industrial pode ser aplicado para os EUA, China, certas regiões do mundo, ou o mundo como um todo. A escala temporal é o ponto no intervalo de tempo ou tempo para que o sistema deve ser considerado. Um sistema pode representar um instantâneo de estoques e fluxos em um determinado ponto no tempo ou ele pode conter séries temporais que descrevem a evolução temporal das variáveis ​​do sistema. O material (escopo) do sistema é a entidade física real que deve ser quantificada. Isto pode ser um certo elemento químico como o cádmio ou uma substância, como o CO₂. Coisas mais gerais podem ser quantificadas, bem como uma espécie de equilíbrio pode ser estabelecido por muito tempo. Exemplos são bens como automóveis de passageiros ou outras quantidades físicas tais como energia.

Ao contrário das análises mais comuns, a AFM exige uma utilização mais precisa de termos e conceitos. O material, a substância, o bem (no sentido de produto, máquina, equipamento, artefato, etc), devem ser bem definidos no que tange à forma como eles são afetados pelo princípio de balanço de massa. Para uma leitura completa destas questões procurar o capítulo 2.1 de de Brunner & Rechberger [3], mas os pontos principais são:

• • Um elemento químico é "uma substância química pura composta por um tipo de átomo distinguido pelo seu número atômico".[4]

  • A substância é "qualquer elemento (químico) ou composto formando unidades uniformes. Todas as substâncias são caracterizados por uma constituição única e idêntica e são, portanto, homogêneas".[3, capítulo 2.1.1]

  • O bem é definida como "entidade econômica da matéria com um valor positivo ou negativo da economia. Bens são compostos de uma ou várias substâncias ".[3]

  • O termo 'material' na AFM "serve como um termo 'guarda-chuva' tanto para substâncias como produtos."[3]

Balanço de Processo

Um dos principais objetivos da AFM é obter uma imagem completa do metabolismo de certos elementos ou substâncias dentro do escopo do sistema. Tal análise deve incidir igualmente sobre os estoques e fluxos que não são cobertos pela contabilidade financeira como alguns fluxos de resíduos, escapamentos, ou estoques de produtos obsoletos. O balanço de massa ou de processo mais geral é um princípio físico de primeira ordem que transforma a AFM em uma ferramenta poderosa. A exigência de um balanço a manter para cada processo facilita uma visão completa dos materiais utilizados, produzidos e descartados dentro de vários processos. O que esperar do balanço para um determinado sistema depende dos processos específicos que são considerados: Enquanto que para uma refinaria de petróleo um processo pode estabelecer um balanço de massa para cada elemento químico, isso não é possível para uma estação de energia nuclear. A fábrica de automóveis respeita o balanço para o aço, mas uma usina siderúrgica não. Balanço de massa é um conceito poderoso e surpreendentemente versátil para a quantificação dos sistemas de AFM.

Um típico sistema AFM com quantificações, no caso, para a produção

de aço na China (clickar na imagem para ampliá-la; Wikipedia).

Ao quantificar sistemas AFM por meio de medições ou a partir de dados estatísticos, o balanço de massa e os saldos de outro processo têm que ser verificados para garantir a correção da quantificação e revelar possíveis inconsistências de dados ou mesmo equívocos no sistema, tais como a omissão de um fluxo ou um processo.

Aplicações em diferentes escalas espaciais e temporais

Análises de fluxo de material são realizadas em várias escalas espaciais e temporais, para uma variedade de elementos, substâncias e produtos, e cobrem uma vasta gama de cadeias de processos e ciclos de material. Exemplos são:

• • AFM em escala nacional ou regional (também conhecida como Contabilidade de Fluxo de Material): neste tipo de estudo são analisadas as trocas de material entre uma economia e o ambiente natural. Vários indicadores são calculados, a fim de avaliar o nível de intensidade de recursos do sistema.[5]

  • Análise do fluxo de materiais corporativo, ou AFMF ao longo de uma cadeia de fornecimento industrial , envolvendo um determinado número de empresas: o objetivo da análise de fluxo de material dentro de uma empresa é otimizar os processos de produção de tal forma que os materiais e energia sejam utilizados da maneira mais eficiente (por exemplo, pela reciclagem e redução de resíduos). As empresas que implementam análise de fluxo de material podem usar os resultados para melhorar os custos de suas operações e o desempenho ambiental.

  • No ciclo de vida de um produto: o inventário do ciclo de vida como parte da análise do ciclo de vida (ACV) pode ser considerado uma AFM, uma vez que envolve definição do sistema e os saldos.

Histórico do desenvolvimento da disciplina

• • O balanço de massa ou a conservação da matéria tinham sido postulado já na Grécia antiga, e foram introduzidos na química moderna por Lavoisier [3, capítulo 2.1.3], de onde foi encontrado o caminho para o balanço de massa da engenharia química e, finalmente, para a ciência ambiental.

  • Dennis Meadows fez público um amplo conhecimento da base física da economia, quando ele foi co-autor do livro sucesso de vendas Limits to Growth (Limites do Crescimento), em 1971. Meadows et al. basearam suas previsões em uma análise de estoques de recursos.[Nota 1]

  • Friedrich Schmidt-Bleek é considerado por muitos como o pai do AFM com seu conceito de entradas de materiais por unidade de serviço (MIPS). Dr. Schmidt-Bleek é conhecido por seu trabalho, que afirma que a eficiência de recursos pode ser aumentada por um fator 10. Na década de 1980 inspirou outros a realizar estudos AFM com ele no Instituto Wuppertal [6] e estabelecer grupos de pesquisa em outras instituições acadêmicas. Um exemplo é o Sustainable Europe Research Institute (SERI, Istituto de pesquisa Europa Sustentável), em Viena, Áustria, que desenvolveu uma base de dados chamada materialflows.net.[7]

  • Mathis Wackernagel é conhecida por co-desenvolver o conceito de pegada ecológica. O Dr. Wackernagel fundou a Global Footprint Network.

  • Painel de Recursos UNEP [8] foi criado em 2008 pelo Programa Ambiental das Nações Unidas, e é dirigido por Ernst Ulrich von Weizsaecker. Em analogia com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (IPCC) [9] que reúne especialistas de várias disciplinas e instituições para analisar o estado atual da investigação sobre o metabolismo da sociedade e para comunicar as últimas descobertas para os decisores políticos e partes interessadas.

Desenvolvimentos recentes

• • Conceitos de AFM foram ou estão sendo incorporados nas contabilidades nacionais em vários países e regiões como a União Europeia [10] e no Japão.[11]

  • Várias conferências internacionais e outros encontros fornecem uma plataforma para pesquisadores e formuladores de políticas para atender e trocar resultados e idéias. Um exemplo proeminente é o World Resources Forum [12] , uma conferência bi-anual internacional sobre análise de fluxo de materiais e desenvolvimento sustentável realizada em Davos, na Suíça. Friedrich Schmidt-Bleek, Dennis Meadows e Ernst Ulrich von Weizsaecker do Painel de Recursos UNEP estavam entre os palestrantes durante o evento de 2009.

  • MFA-IO é uma abordagem para estabelecer um sistema de AFM de toda a economia monetária e física usando análise de entradas e saídas (modelos input-output).[Nota 2][13]

  • A AFM dinâmica visa a longo prazo sistemas de quantificação AFM e utiliza padrões de desenvolvimento histórico das existências físicas e os fluxos para criar cenários robustos para os anos e décadas por vir. [14]

  • O centro para a pesquisa atual em AFM é o Japão. O país tem recursos minerais escassos e, portanto, dependente das importações de nações que disponham de energia, minérios e outras matérias-primas.

  • O governo japonês promove pesquisas sobre os ciclos de materiais e também inaugurou o conceito 3-R. [15]

Diagrama de Sankey do fluxo de materiais do Japão no ano de 2000 (www.sankey-diagrams.com).

Relação com outros métodos de Ecologia Industrial

AFM é complementar à Análise do Ciclo de Vida e modelos input-output. Algumas sobreposições entre os diferentes métodos existem devido a todos compartilharem a abordagem sistêmica e, em certa medida, o princípio de balanço de massa. Principalmente os métodos diferem em finalidade, o escopo e os requisitos de dados. Estudos AFM muitas vezes cobrem todo o ciclo (de mineração, produção, fabricação, uso e manuseio de resíduos) de uma determinada substância dentro de um espectro de limites de tempo e geografia. O nível de detalhe do sistema é adaptado para a substância considerada. Estoques de material são considerados explicitamente, o que faz a AFM adequada para enfrentar a escassez de recursos e reciclagem a partir de resíduos, mesmo com largo tempo de deposição. O uso comum de séries temporais e modelos de ciclo de vida faz da AFM uma ferramenta de previsão adequada para tendências de longo prazo no uso de materiais.

• • Em comparação com análises IO o número de processos considerados em sistemas AFM é geralmente muito menor. Por outro lado, os saldos de massa garantem que os fluxos de subprodutos ou resíduos não são negligenciados nos estudos AFM, enquanto nas tabelas IO esses fluxos muitas vezes não são listados devido à sua falta de valor econômico. Além disso, modelos físicos IO são muito menos comuns do que os econômicas. Estoques de material também são cobertos apenas indiretamente pela análise IO na forma de acumulação de capital. Além disso, os modelos IO não tem um limite superior: qualquer dada demanda final pode ser satisfeita. Sistemas AFM, por outro lado, geralmente possuem estoques de recursos e, portanto, um limite físico superior do volume de negócios de material pode ser estabelecido.

  • Análises e inventários de ciclo de vida focam-se nas demandas de diversos materiais e impactos subsequentes para produtos individuais, enquanto que estudos AFM geralmente se concentram em um único material, em muitos produtos diferentes. Quando a escala de estudos de ACV para cobrir todo um mercado ou setor, feedbacks sobre a indústria, tais como os fluxos de resíduos ou restrições de recursos devem ser considerados, tópicos que são tradicionalmente abrangidos pelos estudos AFM.

Notas

1. Estoque de recursos - o montante total dos recursos, muitas vezes relacionados com o fluxo de recursos que descreve a quantidade de recursos capturados (ou usados) por unidade de tempo. Para obter-se um estoque de recursos de forma sustentável, a obtenção (como por exemplo para um produto agrícola a colheita, para um pecuário o abate ou uma tosquia, especificamente) não deve exceder a produção líquida do estoque. Estoques ou reservas são medidas em massa, volume ou energia e fluxos em massa, volume ou energia por unidade de tempo.

2. Em Economia, um modelo de input-output usa uma representação em matriz da economia de um país ou região, para prever o impacto de alterações numa indústria sobre as outras e dos consumidores, governo e fornecedores estrangeiros sobre a economia. Wassily Leontief(1905 - 1999) é creditado com o desenvolvimento desta análise. François Quesnay desenvolveu uma versão mais simples desta técnica chamada Tableau Économique. Leontief ganhou o prémio Nobel da economia pelo seu desenvolvimento desse modelo. E, em essência, o trabalho de Léon Walras, Elementos de economia pura sobre a teoria do equilíbrio geral, é um precursor e a generalização do conceito de Leontief. A contribuição de Leontief foi conseguir simplificar os resultados de Walras de forma a poder ser implementado empiricamente. A International Input-Output Association dedica-se ao avanço do conhecimento nesta área, incluindo "melhorias nos dados básicos; conhecimentos teóricos e modelagem; e aplicações (tradicionais e novas) das técnicas de input-output".[16]

Referências

1. Brunner, P.H.; Rechberger, H. (2004). Practical Handbook of Material Flow Analysis. Lewis Publishers, New York.ISBN 1566706041.

2. Marina Fischer-Kowalski, The Intellectual History of Materials Flow Analysis, Part I, 1860-1970, Journal of Industrial Ecology 2(1), 1998, pp 61-78, DOI: 10.1162/jiec.1998.2.1.61.

3. Marina Fischer-Kowalski, The Intellectual History of Materials Flow Analysis, Part II, 1970-1998, Journal of Industrial Ecology 2(4), 1998, pp 107-136, DOI: 10.1162/jiec.1998.2.4.107.

4. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997).

5. Baccini, P.; Bader, H.-P. (1996). Regionaler Stoffhaushalt. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (Germany). ISBN 3-86025-235-6.

6. "Wuppertal Institute".

7. "materialflows.net".

8. "UNEP".

9. "IPCC".

10. "Accounting in the EU".

11. "Accounting in Japan".

12. "World Resources Forum".

13. Nakamura, S.; Kondo, Y. (2009). Waste Input-Output Analysis. Concepts and Application to Industrial Ecology. Springer.ISBN 978-1-4020-9901-4.

14. Daniel B. Müller, Stock dynamics for forecasting material flows - Case study for housing in The Netherlands, Ecological Economics 59(1), 2006, pp 142-156, DOI: 10.1016/j.ecolecon.2005.09.025.

15. "3R in Japan"

16. Thijs Ten Raa, Input-output economics: theory and applications: featuring Asian economies, World Scientific, 2009.

Ver também

• Contabilidade de fluxo de material

• Ecologia Industrial (EI)

  • Metabolismo industrial e metabolismo antropogênico