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Coste del ciclo de vida de las baterías de NiZn mediante Optimización Multiobjetivo por Enjambre de Partículas

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en el JCR. El artículo de investigación se centra en la optimización de las funciones de coste del ciclo de vida (LCC) e impacto ambiental (LCA) de las baterías de níquel-zinc (NiZn) mediante el algoritmo de optimización por enjambres de partículas multiobjetivo (MOPSO). El proceso de optimización se centra en las fases de adquisición de materias primas y de fin de vida útil de las baterías de NiZn para mejorar sus indicadores clave de rendimiento (KPI) de sostenibilidad. La metodología, implementada en MATLAB, utiliza un modelo de formulación de LCC y LCA ambiental, e incorpora datos de la base de datos Ecoinvent, el software OpenLCA y otras bases de datos públicas. Los resultados obtenidos gracias a la optimización proporcionan información sobre las combinaciones de países más eficaces para obtener materias primas para la producción de baterías de NiZn y gestionar los residuos de las baterías que no se pueden reciclar. Los KPI de sostenibilidad, como el impacto del calentamiento global y los costes de capital, se vinculan automáticamente a los resultados, lo que garantiza su reproducibilidad en caso de actualizaciones de datos o cambios en las ubicaciones de producción y reciclaje establecidas inicialmente en París (Francia) y Krefeld (Alemania). El proceso de validación implica un análisis de sensibilidad para garantizar la solidez de los parámetros matemáticos y tener en cuenta las futuras variaciones del mercado, junto con el uso del proceso jerárquico analítico (AHP) para validar los resultados con interacciones humanas. En el futuro, se sugiere incluir las fases de fabricación y uso en el modelo de optimización para mejorar aún más la sostenibilidad y la eficiencia de las baterías de NiZn.

Como conclusiones más importantes de este trabajo, se pueden señalar las siguientes:

  • El estudio optimizó el ciclo de vida, el impacto ambiental y el costr de las baterías de NiZn, utilizando los datos más recientes disponibles de los principales productores y centros de tratamiento de residuos.
  • La optimización por enjambres de partículas multiobjetivo (MOPSO) se consideró más adecuada que el algoritmo genético (GA) para la optimización multiobjetivo, debido a su eficiencia y eficacia.
  • El análisis tuvo en cuenta 14 flujos de materiales, una línea de eliminación de residuos y varias ubicaciones del mundo con diferentes costes e impactos ambientales, lo que puso de relieve la complejidad del proceso de optimización.
  • Mediante el MOPSO, se identificaron las ubicaciones óptimas de los proveedores de materias primas con un coste e impacto medioambiental mínimos, así como las ubicaciones de eliminación de residuos de materiales no reciclables.
  • Se recomendaron países proveedores óptimos específicos para los diferentes materiales, haciendo hincapié en la importancia de tomar decisiones estratégicas de abastecimiento para reducir el impacto ambiental y los costes.
  • El modelo de IA demostró su solidez al alinearse con los resultados del proceso jerárquico analítico (AHP) y mostrar su resiliencia a las fluctuaciones del mercado en el análisis de sensibilidad.
  • El estudio hizo hincapié en la necesidad de contar con módulos de programación dinámicos para estimar los indicadores clave de rendimiento (KPI) de sostenibilidad y validar los resultados de la optimización, especialmente en las fases de adquisición de materias primas y eliminación de residuos.
  • La validación mediante el AHP reveló similitudes y diferencias entre la IA y los resultados de las encuestas de un panel de expertos, lo que puso de manifiesto la eficacia del modelo de IA en la toma de decisiones estratégicas para el abastecimiento y la gestión de residuos.
  • El documento concluyó destacando la importancia de incorporar las fases de fabricación y uso en los futuros modelos de optimización para mejorar aún más la sostenibilidad y la eficiencia de las baterías de NiZn.

Abstract:

This study aims to optimize the Environmental Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Cost (LCC) of NiZn batteries using Pareto Optimization (PO) and Multi-objective Particle Swarm Optimization (MOPSO), which combine Pareto optimization and genetic algorithms (GA). The optimization focuses on the raw material acquisition and end-of-life phases of NiZn batteries to improve their sustainability Key Performance Indicators (KPIs). The optimization methodology, programmed in MATLAB, is based on a formulation model of LCC and the environmental LCA, using data from the Ecoinvent database, the OpenLCA software (V1.11.0), and other public databases. Results provide insights about the best combination of countries for acquiring raw materials to manufacture NiZn and for disposing of the waste of NiZn batteries that cannot be recycled. These results were automatically linked to some sustainability KPIs, such as global warming and capital costs, being replicable in case of data updates or changes in production or recycling locations, which were initially considered at Paris (France) and Krefeld (Germany), respectively. These results provided by an AI model were validated by using a sensitivity analysis and the Analytical Hierarchy Process (AHP) through an expert panel. The sensitivity analysis ensures the robustness of mathematical parameters and future variations in the market; on the other hand, the AHP validates the Artificial Intelligence (AI) results with interactions of human factors. Further developments should also consider the manufacturing and use phases in the optimization model.

Keywords:

LCCA; LCA; MOPSO; genetic algorithms; AHP; sustainability KPIs; AI; NiZn batteries

Reference:

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; MARTÍNEZ-FERNÁNDEZ, P.; YEPES, V. (2024). Optimization of the Life cycle cost and environmental impact functions of NiZn batteries by using Multi-Objective Particle Swarm Optimization (MOPSO). Sustainability, 16(15):6425. DOI:10.3390/su16156425

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Valoración del impacto social de puentes de hormigón y mixtos

Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el JCR. Se trata de valorar distintas alternativas de puentes de hormigón o mixtos desde el punto de vista de la sostenibilidad social. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La definición de sostenibilidad incluye tres pilares fundamentales: económico, medioambiental y social. Los estudios sobre el impacto económico en las infraestructuras de ingeniería civil se han centrado en la reducción de costes. No está necesariamente en consonancia con la sostenibilidad económica, pues no se cosideran otros factores económicos. Además, la evaluación del pilar social se ha desarrollado poco en comparación con la económica y la medioambiental. Es esencial centrarse en la sostenibilidad social y evaluar indicadores claros que permitan a los investigadores comparar alternativas. Además, los estudios de evaluación del ciclo de vida de los puentes se han centrado hasta ahora en soluciones de hormigón. Esto ha dado lugar a una falta de análisis del impacto de las alternativas de puentes mixtos. Este estudio se realiza en dos fases. La primera parte evalúa la sostenibilidad social y medioambiental de “la cuna a la tumba” con las bases de datos SOCA v2 y ecoinvent v3.7.1. Esta evaluación se realiza sobre cuatro alternativas de puentes de hormigón y mixtos con luces entre 15 y 40 m. Para obtener los indicadores sociales y medioambientales se ha utilizado ReCiPe y el método de ponderación del impacto social. La segunda parte del estudio compara los resultados obtenidos de la evaluación social y medioambiental de las alternativas variando la tasa de reciclaje del acero. Las alternativas de puente son la losa maciza de hormigón pretensado, la losa aligerada de hormigón pretensado, el cajón-viga de hormigón pretensado y el cajón-viga mixto. Los resultados muestran que las opciones compuestas son las mejores en cuanto al impacto medioambiental, pero las soluciones de viga cajón de hormigón son mejores en cuanto al impacto social. Además, un aumento de la tasa de reciclaje del acero aumenta el impacto social y disminuye el medioambiental.

Abstract

The definition of sustainability includes three fundamental pillars: economic, environmental, and social. Studies of the economic impact on civil engineering infrastructures have been focused on cost reduction. It is not necessarily in line with economic sustainability due to the lack of other economic factors. Moreover, the social pillar assessment has been weakly developed compared to the economic and the environmental ones. It is essential to focus on the social pillar and evaluate clear indicators that allow researchers to compare alternatives. Furthermore, bridge life cycle assessment studies have been focused on concrete options. This has resulted in a lack of analysis of the impact of composite bridge alternatives. This study is conducted in two stages. The first part of the study makes a cradle-to-grave social and environmental sustainability evaluation with the SOCA v2 and ecoinvent v3.7.1 databases. This assessment is carried out on four concrete and composite bridge alternatives with span lengths between 15 and 40 m. The social impact weighting method and recipe have been used to obtain the social and environmental indicators. The second part of the study compares the results obtained from the social and environmental assessment of the concrete and the composite alternatives varying the steel recycling rate. The bridge alternatives are prestressed concrete solid slab, prestressed concrete lightened slab, prestressed concrete box-girder, and steel-concrete composite box-girder. The results show that composite options are the best for environmental impact, but the concrete box girder solutions are better for social impact. Furthermore, an increase in the steel recycling rate increases the social impact and decreases the environmental one.

Keywords

Sustainability; bridges; structures; LCA; ReCiPe; SOCA

Reference:

MARTÍNEZ-MUÑOZ, D.; MARTÍ, J.V.; YEPES, V. (2022). Social Impact Assessment Comparison of Composite and Concrete Bridge Alternatives. Sustainability, 14(9):5186. DOI:10.3390/su14095186.

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