Cómo diseñar componentes y sistemas más eficientes y sostenibles

Introducción

Tradicionalmente, el diseño de componentes y sistemas se ha centrado en garantizar que estos elementos cumplan con sus funciones y operaciones dentro de un producto o máquina. Sin embargo, en los últimos años, aspectos como la eficiencia energética, la sostenibilidad o la neutralidad climática se han convertido en factores esenciales que no pueden ser ignorados en el proceso de diseño.

Estos aspectos, no solo responden a la creciente demanda por parte de consumidores y reguladores, sino que, para las empresas industriales manufactureras, también representan oportunidades para mejorar la competitividad y reducir costes operativos a largo plazo.

El objetivo de este artículo es proporcionar una guía práctica que incluya una serie de recomendaciones que permita a las empresas del sector integrar estos conceptos y saber cómo diseñar componentes y sistemas más eficientes, sostenibles y respetuosos con el medio ambiente. ¡Comenzamos!

Definición de conceptos clave

Vamos a comenzar con la definición de algunos conceptos clave que forman la base sobre la que se desarrollará el resto del artículo. Es importante entender el significado de cada uno de ellos para luego poder profundizar y aplicarlos de manera correcta en el diseño de componentes y sistemas.

Sostenibilidad

La sostenibilidad en el diseño se refiere a la creación de productos que satisfacen las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para satisfacer las suyas. En el contexto del desarrollo de componentes y sistemas, la sostenibilidad implica la consideración del impacto ambiental, social y económico durante todo el ciclo de vida del producto, desde la extracción de materias primas hasta la fabricación, el uso y el fin de su vida útil.

Un diseño sostenible busca minimizar el consumo de recursos, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, y evitar la contaminación, todo ello mientras se mantiene la viabilidad económica del producto.

Circularidad

La circularidad, por su parte, es un enfoque dentro de la economía circular que busca mantener los recursos en uso durante el mayor tiempo posible, extrayendo el máximo valor de ellos mientras están en uso y recuperando y regenerando productos y materiales al final de cada ciclo de vida.

En el contexto del diseño de componentes y sistemas, la circularidad implica diseñar productos que sean fáciles de desmontar, reparar, reutilizar o reciclar, minimizando el desperdicio y reduciendo la dependencia de recursos vírgenes. Este enfoque, además de optimizar el uso de los materiales, también reduce el impacto ambiental y fomenta la sostenibilidad a largo plazo.

Si la minimización de residuos no es posible, como muchas veces existe otra alternativa: la valorización de residuos plásticos, ya sean pá

Neutralidad Climática

La neutralidad climática se refiere al equilibrio entre las emisiones de carbono producidas y las que se eliminan de la atmósfera. Para lograr la neutralidad climática en el diseño de componentes y sistemas, es crucial evaluar y reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en cada etapa del ciclo de vida del producto.

Esto puede incluir la optimización del uso de materiales y procesos, el empleo de energías renovables, y la compensación de emisiones inevitables a través de mecanismos como la compra de créditos de carbono. La neutralidad climática es un objetivo ambicioso pero necesario en el contexto del cambio climático global.

Eficiencia Energética

La eficiencia energética en el diseño se refiere a la optimización del uso de la energía durante la fabricación y el funcionamiento de los componentes y sistemas. Un diseño energéticamente eficiente busca minimizar el consumo de energía, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero y los costes operativos.

Esto puede lograrse a través de la selección de materiales con propiedades térmicas adecuadas, el diseño de sistemas que maximicen el rendimiento con el menor uso de energía posible, y la implementación de tecnologías que mejoren la eficiencia durante las diferentes fases el ciclo de vida de un determinado componente, sistema o producto.

Principios del diseño sostenible

A continuación, se presentan los principios clave del diseño sostenible que son fundamentales para la creación de componentes y sistemas que minimicen el impacto ambiental y maximicen la eficiencia a lo largo de su ciclo de vida.

Diseño para la reciclabilidad y circularidad

Uno de los principios más importantes del diseño sostenible es asegurar que los componentes y sistemas sean fácilmente reciclables y que puedan reintegrarse en la cadena de producción al final de su vida útil.

Esto implica seleccionar materiales que sean reciclables, diseñar productos que puedan desmontarse fácilmente y evitar el uso de compuestos difíciles de separar o que generen residuos peligrosos. La idea es cerrar el ciclo de vida del producto, manteniendo los materiales en circulación y reduciendo la necesidad de extraer nuevos recursos.

Eficiencia energética en el diseño

Un diseño eficiente, desde el punto de vista energético, considera el uso de materiales que requieran menos energía durante la fabricación y que optimicen el consumo energético durante la operación del sistema o componente.

Además, se busca que el producto final tenga un rendimiento energético superior, lo que no sólo contribuye a la sostenibilidad, sino que también reduce los costes operativos.

Diseño para la durabilidad y reparabilidad

Un componente o sistema diseñado para ser duradero y reparable tiene una vida útil más larga, lo que reduce la frecuencia de reemplazo y, por ende, el consumo de materiales y energía.

Esto implica utilizar materiales resistentes al desgaste y al deterioro, así como diseñar productos que puedan ser fácilmente reparados y actualizados. La modularidad es un enfoque eficaz en este sentido, ya que permite reemplazar partes específicas sin necesidad de desechar el producto completo.

Selección de materiales sostenibles

La selección de materiales es crucial en el diseño sostenible. Los diseñadores deben optar por materiales que tengan un bajo impacto ambiental, tanto en su extracción como en su procesamiento.

Esto incluye materiales reciclados, biodegradables, de origen renovable o aquellos que generen menos emisiones de carbono durante su ciclo de vida. Además, se debe considerar la toxicidad de los materiales y su efecto en la salud humana y el medio ambiente.

Minimización de residuos y optimización de recursos

Otro principio fundamental es diseñar componentes y sistemas que generen la menor cantidad de residuos posible durante su fabricación y que optimicen el uso de recursos. Esto se puede lograr mediante técnicas como el diseño para la fabricación sin residuos (Zero Waste) y la optimización del proceso de fabricación para reducir los desechos y los subproductos no deseados.

Asimismo, se busca maximizar la utilización de los recursos disponibles, reduciendo el desperdicio en todas las etapas del ciclo de vida del producto.

Estos principios del diseño sostenible son esenciales para crear productos que no sólo cumplan con su función técnica, sino que también contribuyan a un futuro más sostenible, reduciendo el impacto ambiental y fomentando la eficiencia y la economía circular.

Integración de la neutralidad climática en el diseño

La neutralidad climática implica minimizar o compensar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) generadas a lo largo del ciclo de vida de un componente o sistema. A continuación, se presentan algunos de los aspectos clave que se deben tener en cuenta al integrar la neutralidad climática en el diseño:

Evaluación del ciclo de vida (LCA)

La Evaluación del Ciclo de Vida (LCA, por sus siglas en inglés) es una metodología que permite analizar el impacto ambiental de un producto en todas las etapas de su ciclo de vida, desde la extracción de materias primas hasta su disposición final.

En el contexto de la neutralidad climática, la LCA es fundamental para identificar las fuentes de emisiones de GEI en cada una de dichas fases de un componente o sistema. Este análisis proporciona datos cuantitativos que permiten a los diseñadores tomar decisiones fundamentadas sobre cómo reducir el impacto ambiental, priorizando aquellas etapas donde se generan las mayores emisiones.

Herramientas empleadas

Existen herramientas empleadas específicamente para evaluar el impacto ambiental de un producto durante todo su ciclo de vida, desde la extracción de materias primas hasta su disposición final:

• SimaPro: Permite modelar y analizar el ciclo de vida completo de productos y servicios, proporcionando datos detallados sobre el impacto ambiental en cada etapa. Es ampliamente utilizado para evaluar la sostenibilidad y optimizar la eficiencia de los sistemas.
• Sphera GaBi LCA Ofrece una amplia base de datos y módulos personalizables para realizar evaluaciones detalladas del ciclo de vida, permitiendo identificar y mitigar los impactos ambientales de productos y procesos de manera integral.

Reducción de la huella de carbono en el diseño

Reducir la huella de carbono en el diseño implica adoptar estrategias que minimicen las emisiones de CO2 y otros GEI asociados con la fabricación, transporte, uso y disposición de los componentes y sistemas. Algunas de las estrategias incluyen:

• Uso de energías renovables en la fabricación: La transición hacia fuentes de energía renovable en los procesos de fabricación puede reducir significativamente la huella de carbono de los productos.
• Optimización del diseño para minimizar el uso de materiales y energía: Diseñar productos que requieran menos materiales y energía en su producción y uso contribuye directamente a la reducción de las emisiones de GEI.
• Optimización del transporte y la logística: Reducir la distancia entre los puntos de producción y consumo, así como optimizar las rutas de transporte, puede disminuir las emisiones derivadas del transporte de componentes y sistemas.

Compensación de carbono y otras prácticas

A pesar de los esfuerzos para minimizar las emisiones de GEI, es posible que algunas emisiones sean inevitables. En estos casos, las empresas pueden recurrir a la denominada compensación de carbono, que implica invertir en proyectos que reduzcan o eliminen una cantidad equivalente de emisiones de GEI, como la reforestación o la energía renovable. Además, otras prácticas que pueden contribuir a la neutralidad climática incluyen:

• Uso de materiales con menor huella de carbono: Optar por materiales reciclados o de origen sostenible que generen menos emisiones durante su ciclo de vida.
• Implementación de procesos de fabricación más limpios y eficientes: Adoptar tecnologías de producción que reduzcan el consumo de energía y las emisiones asociadas.
• Desarrollo de productos con una vida útil prolongada: Al diseñar productos que duren más tiempo y sean fácilmente reparables, se reduce la necesidad de fabricar nuevos productos, disminuyendo así la huella de carbono general.

Integrar la neutralidad climática en el diseño de nuevos componentes y sistemas, no sólo es una responsabilidad ambiental, sino que también puede mejorar la competitividad y la reputación de marca de la empresa en un mercado cada vez más consciente de la importancia de la sostenibilidad.

Oportunidades para mejorar la sostenibilidad y circularidad en producto

Uso sostenible de materiales

El diseño de producto implica la utilización de una amplia variedad de materiales como metales, plásticos y componentes electrónicos. Esta diversidad puede complicar la circularidad debido a la dificultad de reciclaje y la gestión de residuos al final de la vida útil.

El reciclaje eficiente requiere la separación y clasificación de materiales, y la mezcla de elementos (adhesivos, recubrimientos) puede obstaculizar la recuperación de recursos valiosos. Además, la extracción y procesamiento de materiales implica un consumo energético elevado, lo que aumenta el impacto ambiental.

Para superar estos desafíos, es crucial revisar el diseño de los productos, minimizando el uso de recursos sin comprometer su funcionalidad. Esto incluye optimizar diseños para emplear menos material, incorporar técnicas avanzadas como la impresión 3D o materiales multifuncionales, y fomentar el uso de materiales reciclados o biodegradables. Estandarizar los componentes y adoptar un diseño modular puede facilitar tanto el reciclaje como la reparación.

Por otro lado, están surgiendo nuevas e innovadoras técnicas de reaprovechamiento de materiales, como es el caso del reciclado biológico de materiales compuestos.  Ésta se basa en la degradación de estos materiales con bacterias, hongos y/o enzimas producidos por ellos, que los descomponen o transforman en compuestos más simples, a través de una serie de reacciones bioquímicas, combinando principios de la biología y la tecnología.

Diseño sostenible

En el contexto del diseño circular, es fundamental priorizar la simplicidad, la elección de materiales sostenibles y la facilidad de desmontaje. El diseño modular favorece el mantenimiento y la sustitución de partes, prolongando la vida útil del producto. Sin embargo, alcanzar estos objetivos puede ser complejo debido a la interrelación de componentes mecánicos y electrónicos.

Herramientas como la simulación multifísica permiten optimizar el diseño, evaluando el comportamiento de los productos en condiciones variadas, reduciendo el desperdicio y mejorando la eficiencia energética.

Digitalización y modelos de negocio

La digitalización también abre nuevas oportunidades para mejorar la circularidad en el diseño. Las tecnologías de monitorización en tiempo real, junto con el mantenimiento predictivo, extienden la vida útil de los productos.

Además, nuevos modelos de negocio como el pago por uso incentivan la fabricación de productos más duraderos y fácilmente mantenibles. Plataformas digitales colaborativas permiten compartir datos y mejorar la eficiencia operativa, fomentando la innovación y el desarrollo sostenible.

Implicaciones prácticas en la fabricación de componentes y sistemas

Aplicar criterios de eficiencia y sostenibilidad en el de diseño de nuevos componentes y sistemas puede ser todo un desafío a la hora de ponerlos en práctica. Éstos son algunos de los aspectos que debemos tener en cuenta en su implantación:

Objetivos de sostenibilidad de la empresa

Los objetivos de sostenibilidad son metas estratégicas que una empresa establece para:

• Minimizar su impacto ambiental.
• Mejorar su responsabilidad social.
• Garantizar su viabilidad económica a largo plazo.

Estos objetivos reflejan el compromiso de la empresa con un desarrollo sostenible, pero también son esenciales para cumplir con regulaciones cada vez más estrictas y satisfacer la creciente demanda de los consumidores por productos más responsables. Éstos son alguno de los objetivos de sostenibilidad corporativos más habituales:

• Reducción de emisiones de GEI: Este objetivo se centra en minimizar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en todas las etapas de la cadena de valor, desde la producción hasta la distribución.
• Uso eficiente de recursos: Consiste en optimizar el consumo de energía, agua, y materiales, promoviendo la reutilización y el reciclaje para reducir el desperdicio y el agotamiento de recursos naturales.
• Uso de energías renovables: Incorporar el uso de energías limpias, como la solar o la eólica, en los procesos de producción para reducir la dependencia de combustibles fósiles y disminuir la huella de carbono.
• Circularidad y reciclabilidad: Diseñar componentes y sistemas que puedan ser fácilmente reciclados o reutilizados al final de su vida útil, contribuyendo a una economía circular que minimiza el desperdicio.
• Compromiso social: Incluir prácticas de responsabilidad social corporativa (RSC) en la cadena de suministro, asegurando que las condiciones laborales, la equidad y los derechos humanos se respeten en todas las fases de producción.
  

Adaptación de la cadena de suministro

Para fabricar componentes y sistemas más eficientes y sostenibles, es necesario que toda la cadena de suministro esté alineada con los objetivos de sostenibilidad de la empresa. Esto implica algunas adaptaciones:

• Selección de proveedores sostenibles: Es fundamental trabajar con proveedores que compartan los mismos valores de sostenibilidad y que puedan proporcionar materiales y componentes que cumplan con los estándares ambientales y de calidad requeridos.
• Logística “verde”: La optimización de la logística para reducir la huella de carbono es otra consideración clave. Esto puede incluir la planificación de rutas de transporte más eficientes, el uso de vehículos eléctricos o híbridos para el transporte de materiales, y la implementación de estrategias de embalaje sostenible para reducir el uso de materiales y el volumen de residuos generados.
• Trazabilidad y transparencia: Garantizar la trazabilidad de los materiales y componentes a lo largo de toda la cadena de suministro es esencial para asegurar que se cumplen los estándares de sostenibilidad. Esto también ayuda a identificar áreas de mejora y a tomar decisiones informadas para optimizar la cadena de suministro.

Impacto directo en los procesos de fabricación

El diseño sostenible, no sólo influye en las características del producto final, sino también en los procesos de fabricación necesarios para su producción. A medida que se integran principios de sostenibilidad en el diseño, se deben considerar cambios y adaptaciones en los procesos de fabricación para alinearlos con estos principios. Esto puede implicar:

• Optimización de procesos: El diseño sostenible suele requerir la optimización de procesos de fabricación para minimizar el desperdicio de materiales y energía. Esto puede incluir la adopción de tecnologías de fabricación aditiva (impresión 3D), que permiten crear componentes más complejos con menos material, o la implementación de técnicas de fabricación lean para reducir el consumo de recursos.
• Selección de procesos de baja energía: Los procesos de fabricación de componentes y sistemas sostenibles deben priorizar el uso de tecnologías de bajo consumo energético, lo que no solo reduce la huella de carbono del producto, sino que también puede generar ahorros significativos en los costes operativos.
• Reducción de emisiones y residuos: Implementar tecnologías y procesos que reduzcan las emisiones de gases de efecto invernadero y la generación de residuos es crucial para cumplir con las normativas ambientales y los objetivos de sostenibilidad.

Casos de éxito: Mondo

Desde sus orígenes, el ITA ha ayudado a muchas empresas manufactureras, tanto en el diseño y desarrollo de nuevos componentes y sistemas industriales, como en la mejora de capacidades y funcionalidades de productos ya existentes. Estos proyectos, que son de carácter multidisciplinar y que tienen un enfoque metodológico científico, incluyen tareas como:

• Desarrollos tecnológicos complejos basados en las tecnologías digitales más avanzadas: Gemelo Digital, IA, Big Data, IoT, etc.
• Soluciones a medida de las necesidades del cliente.
• Análisis en laboratorio.
• Uso de técnicas y herramientas avanzadas.
• Etc.

Como se ha comentado anteriormente, ya no basta con poner el foco únicamente en las funcionalidades o capacidades de los componentes, sistemas o productos a desarrollar, sino que la eficiencia, la sostenibilidad y la circularidad son factores fundamentales que deben ser incorporados ya desde la misma fase de diseño.

Un buen ejemplo de ello es TuftCirc, un proyecto que el ITA ha desarrollado para Mondo. La empresa se enfrentaba al desafío de gestionar de manera eficiente los residuos generados al final de la vida útil de los campos de césped artificial. Anteriormente, estos residuos se enviaban a vertederos, lo que suponía un alto coste ambiental y económico.

Para abordar esta problemática, se han desarrollado y optimizado procesos de reciclado tanto para césped artificial tradicional como termosoldado. Estos procesos permiten la valorización de los componentes principales del césped: poliolefinas, poliuretano, poliésteres y látex.

Además, MONDO ha investigado en la creación de bioplásticos y otros materiales biobasados, con el objetivo de reducir la huella de carbono y mejorar la sostenibilidad del producto. En definitiva, TuftCirc representa un paso importante hacia la circularidad total del césped artificial, integrando reciclaje avanzado e incorporando nuevos materiales y consideraciones ambientales ya desde la fase de diseño.

Beneficios económicos y competitivos del diseño sostenible

A continuación, se detallan algunos de los principales beneficios que se pueden obtener al integrar prácticas de sostenibilidad en el diseño de componentes y sistemas.

Reducción de costes operativos a largo plazo

Diseñar con un enfoque de eficiencia energética, hacer uso de materiales reciclables y minimizar la generación de residuos permite a las empresas reducir significativamente los costes de producción y operación a largo plazo.

Por ejemplo, la utilización de materiales más duraderos y fácilmente reparables puede disminuir la necesidad de reemplazos frecuentes, lo que a su vez reduce los costes de mantenimiento y el desperdicio de recursos.

Además, la optimización del uso de energía y recursos durante la fabricación puede suponer importantes ahorros para la empresa, compensando la inversión inicial en tecnologías y procesos sostenibles, lo que se traduce en una mejora de la rentabilidad del producto final.

Mejora de la competitividad en el mercado

Los consumidores y las empresas están cada vez más interesados en productos que, no sólo cumplen con altos estándares de calidad, sino que también son respetuosos con el medio ambiente. Esto es especialmente relevante en sectores industriales donde la sostenibilidad se está convirtiendo en un factor clave de decisión de compra.

Además, el diseño sostenible puede abrir nuevas oportunidades de mercado, permitiendo a las empresas acceder a nichos de consumidores que valoran la sostenibilidad o participar en licitaciones y contratos donde la sostenibilidad es un requisito clave. La capacidad de ofrecer productos que cumplen con normativas ambientales y tienen una menor huella de carbono puede ser un factor diferenciador significativo frente a la competencia.

Atracción de inversores y mejora de la imagen corporativa

Integrar la sostenibilidad en el diseño de componentes y sistemas puede mejorar la percepción de la empresa entre los inversores, atrayendo capital y aumentando el valor de la compañía.

Asimismo, el compromiso con el diseño sostenible mejora la imagen corporativa, fortaleciendo la marca y aumentando la lealtad de los clientes. Las empresas que demuestran un compromiso real con la sostenibilidad son percibidas como líderes responsables y éticos. Esto, no sólo mejora las relaciones con los clientes, sino que también puede atraer talento altamente calificado que comparte estos valores.

Cumplimiento normativo y reducción de riesgos

El diseño sostenible ayuda a las empresas a cumplir con las crecientes regulaciones ambientales, evitando multas y sanciones por incumplimiento. Al adelantarse a las normativas y adoptar prácticas de diseño sostenible, las empresas pueden reducir riesgos legales y operativos, asegurando la continuidad del negocio.

Además, la adopción temprana de prácticas sostenibles puede preparar a las empresas para futuras normativas más estrictas, minimizando la necesidad de cambios costosos en los procesos de producción y diseño.

Innovación y mejora continua

Finalmente, un enfoque de diseño sostenible fomenta la innovación dentro de la empresa. Al buscar continuamente nuevas formas de mejorar la eficiencia, reducir el impacto ambiental y cumplir con los objetivos de sostenibilidad, las empresas impulsan la creatividad y el desarrollo de nuevas soluciones.

Esto puede traducirse en una mejora de la oferta de productos, a la vez que se fortalece la cultura de innovación dentro de la organización, posicionando a la empresa como un líder en su sector.

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