Impactos ambientales de tres alternativas de mantenimiento y rehabilitación de pavimentos

*Por los Ings. Gerardo W. Flintsch, director del Center for Sustainable Transportation Infrastructure, Virginia Tech Transportation Institute y Wilmar Fernández-Gómez, investigador en Center for Sustainable Transportation Infrastructure, Investigador Asociado Universidad Distrital Bogotá.

Este artículo presenta la evaluación del ciclo de vida de un tramo de pavimento localizado en la carretera interestatal de 5.9 Km en el Estado de Virginia en los Estados Unidos. Se analizaron tres estrategias de mantenimiento; una basada en reciclaje, una reconstrucción tradicional y un mantenimiento correctivo. Como resultado, se obtuvo que la estrategia basada en reciclaje es aquella que reduce los impactos ambientales de manera significativa debido a la reducción en consumo de energía y emisiones al ambiente. Además, se estableció que la etapa del ciclo de vida que mayor impacto genera en el periodo de análisis es la del uso de la carretera.

HERRAMIENTAS DE ANÁLISIS AMBIENTAL

El análisis ambiental considera los impactos generados en todas las etapas del pavimento por las cargas ambientales, incluyendo las emisiones de gases efecto invernadero, el consumo de energía y las sustancias contaminantes. Así como en la evaluación económica se utiliza el análisis de ciclo de vida de los pavimentos, la evaluación ambiental también utiliza este concepto para determinar los impactos ambientales que genera a lo largo de la vida un proyecto de pavimentación. La evaluación del ciclo de vida (LCA) estudia los aspectos ambientales y los impactos potenciales de un producto (Hendrickson, 2010). Comúnmente, el análisis se realiza con un enfoque basado en procesos, en un enfoque económico de entradas y salidas, o en una combinación de los dos.

El enfoque basado en procesos se fundamenta en estimar las cargas ambientales debido a las transformaciones y usos de la materia prima de los principales procesos del sistema en evaluación, los que se representan mediante diagramas de flujo o matrices que describen las interacciones y permiten estimar todos los impactos asociados tanto en la producción como en el uso del producto. Por su parte, en el enfoque económico de entradas y salidas (Economic Input–Output Analysis EIO) se estiman las cargas ambientales que se asocian a la producción de una unidad de producto (entrada), para ello se establecen de manera jerárquica (de arriba hacia abajo) cada elemento que compone el producto y se calcula la carga ambiental. Las cargas de entrada se calculan con ayuda de bases de datos que capturaron durante años esos indicadores y que se basan en operaciones de comercio intersectoriales de la economía global. La estimación de las cargas ambientales por unidad de producto arroja una serie de multiplicadores unitarios que se aplican proporcionalmente al número total de productos de salida.

El método más utilizado para la evaluación del ciclo de vida (LCA) es el método basado en procesos, que además fue estandarizado por la International Standards Organization (ISO) y comprende el conjunto de normas denominadas ISO 14000. Los cuatro pasos para aplicar la norma se encuentran definidos en ISO 14040 e ISO 14044. El primero tiene que ver con el objetivo y las metas del LCA, la audiencia, las consideraciones espacio – temporales, las funciones del sistema y las condiciones de frontera. El segundo paso desarrolla el inventario de cargas ambientales (LCI) en donde se cuantifica la energía utilizada, las emisiones y el uso de la tierra y el agua en cada etapa del ciclo del producto. En tercer paso, la evaluación del impacto (LCIA) estima tanto la magnitud como la significancia de los hallazgos del inventario y en cuarto paso, la interpretación de los resultados del inventario y de la evaluación del impacto en términos de la contribución de cada etapa del ciclo de vida. Es de anotar que la interpretación incluye también el análisis de la calidad de los datos, el análisis de sensibilidad y la incertidumbre de los resultados.

En el caso de los pavimentos, Huang et al. (2009) interpreta el proceso dado por ISO 14040 en términos más generales como: (1) definir el objetivo del análisis, (2) desarrollar el inventario del ciclo de vida (LCI), contabilizando las cargas ambientales y (3) desarrollar la evaluación del impacto del ciclo de vida (LCIA). En el presente artículo se presenta la evaluación de impacto del ciclo de vida de un proyecto de rehabilitación comparando tres estrategias (basada en reciclaje, rehabilitación tradicional y mantenimiento correctivo) para un periodo de 50 años.

CICLO DE VIDA DE LOS PAVIMENTOS

En el caso de estudio presentado en este artículo se establecieron las etapas del ciclo de vida de la siguiente manera:

1. Extracción y producción de materiales.
2. Transporte.
3. Construcción y mantenimiento y rehabilitación (M&R).
4. Manejo de la zona de trabajo.
5. Uso.
6. Finalización de la vida útil.

Dado que el análisis está enfocado en la evaluación de diferentes alternativas de mantenimiento y rehabilitación, resulta importante estimar el impacto ambiental que genera tanto la zona de trabajo como el transporte, razón por la cual se tomaron como etapas para estudiar individualmente. Los desvíos y la reducción de la velocidad de operación en la zona de trabajo incrementan el tiempo de viaje, aumenta el consumo de combustible y por ende las emisiones; así como también, el transporte de materiales, personal y maquinaria desde y hacia la zona de trabajo, incrementan el consumo de energía y las emisiones. La tabla 1 presenta la descripción de las etapas del ciclo de vida y las fuentes de la información para realizar los inventarios. Es recomendable considerar que el ciclo de vida adoptado por la agencia para evaluar sus pavimentos permita tanto la evaluación económica (LCCA) como la evaluación ambiental (LCA).

IMPACTO DE LAS FUENTES DE ENERGÍA EXTERNAS

Existen impactos asociados que no se consideraron en el ciclo de vida de los pavimentos por ser, de alguna manera, externos. Por ejemplo, en el proceso de producción de materiales se requiere de energía para el funcionamiento y transporte de los equipos que se utilizan. En el ciclo de vida se consideró, por ejemplo, el combustible pero no la energía que se utilizó para producirlo o también se consideró la energía eléctrica para el funcionamiento de alguna planta, pero no el impacto por la producción de esa energía eléctrica. Por este motivo, los impactos del ciclo de vida se deben considerar y mostrar por separado de los impactos debido al consumo de energía del proceso. La presentación de los impactos de la producción de las fuentes de energía facilita la comprensión de donde en el ciclo de vida del pavimento el uso de fuentes de energía ambientalmente menos pesadas puede ayudar a reducir la carga ambiental de un pavimento. Por lo anterior, usualmente en el inventario de las cargas ambientales en ciclo de vida (LCI), se presentan por aparte la energía de pre-combustión de aquella energía que se utiliza en el proceso de combustión del producto final. Un modelo ampliamente usado en este fin es el GREET (Argonne National Laboratory, 2013), que se utilizó para evaluar la energía utilizada en producción y transporte. Para el caso de la energía eléctrica se recurrió al modelo de consumo de energía del estado de Virginia proporcionado por Administración de la Información de Energía de los Estados Unidos (US EIA 2012). Información detallada de la estimación de consumo de energía se puede consultar en Santos et al (2015).

INVENTARIO Y EVALUACIÓN DE IMPACTOS DEL CICLO DE VIDA

Una vez que se tienen las etapas del ciclo de vida y las cargas ambientales, el inventario consistió en determinar cualitativa y cuantitativamente los materiales, los flujos de energía y las emisiones asociadas en cada estrategia de mantenimiento durante el periodo del proyecto. Los contaminantes evaluados fueron CO2, CH4, N2O, NOx  NH3, CO, VOC, NMVOC, PM2.5 y Pb en términos de emisiones atmosféricas. Las salidas del inventario se combinaron luego para obtener el total de las cargas ambientales del sistema en función de medio impactado, en este caso aire, agua y suelo.

La intención de evaluar los impactos del ciclo de vida (LCIA) es asignar los resultados del inventario LCI a diferentes impactos establecidos basado en los efectos potenciales que los diferentes contaminantes tienen sobre el ambiente, especialmente sobre la salud humana, el ambiente natural y los recursos naturales. De ahí, se escogieron las siguientes categorías: cambio climático (CC), acidificación (AC), eutrofización (EU), impacto en la salud humana respecto de contaminantes (HH), potencial para la generación de smog (PS) y disminución del recurso abiótico. Para determinar estos impactos se utilizó el software TRACI 2.0 (Tool for the Reduction and Assessment of Chemical and other environmental Impacts). Una amplia descripción de la evaluación de los impactos puede encontrarse en Bare (2011).

UNIDAD DE ESTUDIO

El segmento de carretera contiene una longitud de 5.9 Km, dos carriles por sentido, y el periodo de análisis del proyecto (PAP) es de 50 años contados a partir del 2011, momento de la rehabilitación. El tráfico promedio diario se estimó en 25.000 vehículos con 28% de camiones y la tasa de crecimiento en 3% (Diefenderfer et al 2012).

El estudio incluyó todas las intervenciones de M&R concernientes en todo el periodo del proyecto (50 años) y las actividades corresponden a las intervenciones en un año establecido. En la tabla 3 se presentan las actividades de que se utilizaron en el pasado por el VDOT. Para realizar una estrategia de M&R basta con realizar las combinaciones necesarias de las actividades de la tabla 2 que permitan asegurar el estado de la vía según la política de la agencia, ej. \»Mantener en un estado bueno más del 80% la malla vial\». Para cumplir los objetivos de la agencia en este caso, se proponen tres estrategias:

1. Reconstrucción basada en reciclaje.
2. Reconstrucción tradicional.
3.  Mantenimiento correctivo.

Las estrategias contemplan un conjunto de actividades, por consiguiente para mantener la política de la agencia, se requiere que a lo largo del ciclo de vida, se realicen las actividades según la estrategia de mantenimiento escogida. En este caso se evaluaron tres estrategias diferentes:

1. Estrategia de reconstrucción basada en reciclaje (ERBR).
2. Estrategia de reconstrucción tradicional (ERT).
3. Estrategia de mantenimiento correctivo (EMC).

En la tabla 3 se presentan de manera esquemática el conjunto de actividades requeridas y el año de intervención para alcanzar cualquiera de las estrategias de mantenimiento.

RESULTADOS
La figura 1 resume los impactos potenciales del ciclo de vida del pavimento en el segmento de carretera estudiado. La etapa de uso es la que presenta mayores impactos en casi todas las categorías evaluadas, entre un 90% (CC de Mantenimiento correctivo) y un 96% (EU en la estrategia Basada en Reciclaje). Lo anterior quiere decir que la estrategia que presente el mayor impacto en la etapa de uso será simultáneamente la menos ambientalmente amigable. Así las cosas, aquella estrategia que reduzca más la tasa de deterioro de la rugosidad en general, tendrá  el mejor desempeño ambiental. La rugosidad se relaciona directamente con la resistencia al rodado dado que una mayor rugosidad incide en mayor consumo de combustibles y deterioro del vehículo en su conjunto. 

Además, el impacto de la fase de uso podría ser potencialmente mayor si el tráfico aumenta en el tiempo con respecto a los modelos de predicción y si se considera la construcción de carriles adicionales (no considerado en este estudio). Por otra parte, en la única categoría de impacto en la que la fase de uso no aparece es la de ARD MR, porque este indicador es dominado por el uso de materias primas y no de la carretera. Este resultado se puede explicar por el hecho que los recursos minerales consumidos para procesos energéticos durante la pre-combustión no son evaluados por el modelo GREET. Por lo tanto, todos los recursos minerales contabilizados ARD MR son exclusivamente aquellos agregados y materiales estabilizados con cemento consumidos durante las actividades de M&R. En orden de contribución seguido se encuentra el impacto generado por la zona de trabajo y la construcción y finalmente el transporte y los materiales. Es de anotar que en la estrategia basada en reciclaje el impacto de los materiales es muy bajo con respecto a las demás estrategias de mantenimiento. De la misma manera se presenta una reducción significativa del impacto producto del transporte.

La energía almacenada en las materias primas (FS – FeedStock Energy) corresponde a la energía almacenada en un material cuando no se usa como combustible. La energía del proceso (PRO) es la consumida durante la manufactura de un producto y la energía primaria (PRI) es aquella energía de materiales crudos disponible directamente en la naturaleza (ejemplo: petróleo crudo, carbón y uranio), medida a partir de su capacidad calorífica. La demanda de energía en cada etapa del ciclo de vida se puede apreciar en la figura 2. En general, se puede obtener una reducción del 32% en todos los tipos de energía a partir de la implementación de la estrategia basada en reciclaje. Es significativa además la reducción de la energía ahorrada en la etapa de transporte en la estrategia basada en reciclaje frente a las demás estrategias de M&R dado que no se hace necesario el retiro y traslado de la totalidad de materiales requeridos en la zona de trabajo. Además, es evidente que tanto la demanda de energía nuclear y de energía renovable es insignificante frente a la demanda de energía fósil, como se pueda apreciar en la tabla 4, entonces la demanda de las energías mencionadas corresponde básicamente a la pre-combustión de los procesos de producción.

En la figura 3 se presentan los impactos sobre el cambio climático (emisiones de gases de efecto invernadero) de dos estrategias de M&R con respecto a los materiales, la construcción, el transporte y la zona de trabajo. En general, una reducción significativa se observa en las emisiones de gases efecto invernadero de la estrategia basada en reciclaje que aquellas que produce la reconstrucción tradicional. Estos resultados son el efecto de la mayor demanda de materiales y de transporte, dado que es necesario retirar en su totalidad los instalados en la vía y además transportar nuevos materiales para la construcción.

CONCLUSIONES

Los resultados de este caso de evaluación del ciclo de vida muestran que la fase de uso presenta las mayores cargas ambientales y consecuentes impactos de las categorías estudiadas. Además, se puede establecer que la estrategia basada en reciclaje es la que produce menos impacto en las fases de materiales y transporte por el hecho de que se requiere menor cantidad de materiales crudos y por consiguiente menor cantidad de viajes tanto para el retiro y la construcción.

El ciclo de vida de los pavimentos es significativamente dependiente de la energía fósil. Dado que la etapa de uso es la de mayor impacto en el ciclo de vida. La contribución de la utilización de automóviles que utilicen energías alternativas al combustible fósil será determinante en la reducción de los impactos ambientales por los pavimentos.

En las categorías de impacto ambiental analizadas, demanda de energía y emisiones de gases efecto invernadero, la estrategia basada en reciclaje es la que genera unas menores cargas ambientales y por consiguiente tiene un impacto ambiental menor que las estrategias tradicionales de mantenimiento y rehabilitación. Sin embargo, es importante destacar que para que la adopción de esta estrategia se traduzca en los beneficios ambientales mencionados debe existir, en la agencia vial, una política decisiva de su implementación y las constructoras deben disponer del personal idóneo y de la maquinaria adecuada para lograr resultados satisfactorios.