FUSTA I CAPTACIÓ DE CARBONI

WILL HAWKINS

MEng, CEng, MIStruct. Will Hawkins és professor de Disseny d’Enginyeria Estructural a la Universitat de Bath. La seva investigació i ensenyament se centra en els camins cap a estructures de construcció de carboni zero, a través de l’optimització del disseny, nous
sistemes estructurals i materials baixos en carboni.

Traducció del text original de Will Hawkins publicat a gener de 2021 a la revista The Structural Engineer, disponible a https://www.istructe.org/journal/volumes/volume-99-(2021)/issue-1/timber-and-carbon-sequestration/.

Agraïm al seu autor i a The Institution of Structural Engineers el permís desinteressat per a la seva traducció i publicació.
Traduït de l’anglès per Oriol Palou, Arquitecte Consultor d’Estructures i membre de la comissió de sostenibilitat de l’ACE.

Will Hawkins analitza la retenció de carboni, la circularitat en les estructures de fusta i les implicacions per a la sostenibilitat en la presa de decisions en el disseny estructural.

INTRODUCCIÓ

El primer pas per reduir el carboni incorporat als edificis és calcular-lo de forma fiable i comparable, per a això s’ha format un ampli consens al voltant de la metodologia basada en BS EN 159781 [1] per a l’Anàlisi del Cicle de Vida (ACV d’aquí endavant).

Aquesta norma es recolza en la guia d’IstructE [2], i divideix el cicle de vida d’un producte en: producció (etapa A), ús (etapa B), fi de vida (etapa C) i potencial de recuperació/reutilització (etapa D).

A mesura que aquestes etapes s’inclouen a l’abast de l’avaluació del cicle de vida obtenim una imatge més completa dels impactes dels dissenys. Tot i això, sovint només s’inclou l’etapa A atesa la considerable incertesa relacionada amb els processos del final de la vida útil.

Per acer i formigó, que requereixen processos d’elevada demanda d’energia en la producció, l’etapa A és la que més condiciona les emissions a l’ACV. Les emissions per a la fabricació de productes de fusta, des de la collita, assecat i serrat, són també significatius; no obstant això, la quantitat de carboni absorbit per l’arbre i emmagatzemat dins del propi material pot ser encara més gran.

Encara que aquest carboni generalment retorna a l’atmosfera al finalitzar la seva vida a causa de combustió i/o descomposició, hi ha beneficis climàtics derivats de la retenció de carboni dins dels productes de fusta amb vida de llarga durada, ja que actuen com a embornals de carboni [3].

Per exemple, endarrerint les emissions de carboni redueix l’energia acumulada introduïda al medi, guanyem temps per a l’adaptació dels sistemes tant naturals com artificials, reduïm la possibilitat d’assolir perillosos “punts de no retorn” i augmentem les possibilitats de retenció permanent per a futures tecnologies com la captura i emmagatzematge de carboni.

Tot i això, comptabilitzar el carboni emmagatzemat és sovint una font de debat, confusió i contradiccions. Quan s’inclou a l’etapa A com una emissió negativa, es pot crear la impressió contra intuïtiva que utilitzar fusta en excés pot tenir beneficis ambientals.

Per tant, la guia IStructE [2] aconsella que la retenció només ha de ser comptabilitzada amb les emissions si es contempla el cicle complet fins al final de vida, on el carboni emmagatzemat normalment queda anul·lat pel seu alliberament al final de la vida útil.

Aquest article proporciona un apropament als càlculs del carboni incorporat així com recomanacions per a un disseny amb fusta climàticament eficient considerant un origen sostenible, una vida útil prolongada i l’eficiència en l’ús dels materials.

RACIONALITZAR L’EMMAGATZEMATGE DE CARBONI

Es proposa plantar arbres i emmagatzemar carboni en edificis de fusta [3], però, des de la perspectiva del carboni, no seria millor deixar que els boscos creixessin naturalment?

La Figura 1 mostra els canvis en l’emmagatzematge de carboni per a una plantació d’avet comercial (Picea sitchensis) amb un cicle de collita de 50 anys, segons dades de la Forestry Comisión [4], comparades amb un bosc equivalent no gestionat. Aquí es posen de manifest diversos punts importants.

L’absorció de carboni d’arbres joves és inicialment lent, per accelerar-se a mesura que aquests creixen. En un bosc no gestionat, l’absorció continua fins al total del carboni que aquest pot absorbir i finalment s’estabilitza.

Un bosc adequadament gestionat també aconsegueix un emmagatzematge constant de carboni, encara que disminueix respecte un de salvatge en els cicles entre períodes de collites. Tot i això, aquest també emmagatzema carboni a través dels productes que surten del bosc. Si s’hi acumulen prou temps, s’acumula també el carboni total retingut i eventualment podria ser més gran que el d’un bosc no gestionat.

Tenint en compte aquestes observacions, l’enfocament d’absorció de carboni que s’adopta en aquest article es basa en els principis següents:

• Tot i que resulta interessant conèixer la variació de carboni emmagatzemat per un bosc, aquest normalment no s’inclou a l’anàlisi del cicle de vida dels edificis, i únicament es considera el carboni incorporat als productes de la fusta, en línia amb les metodologies d’ACV [5].
• La collita, la manipulació dels materials i la construcció d’un edifici de fusta allibera un “pic” de carboni a l’atmosfera, mentre que l’emmagatzematge té lloc gradualment.
• El compte del carboni hauria de començar sempre de zero: no es pren la quantitat absorbida per un arbre plantat fa 50 anys, fins i tot si la fusta es fa servir per construir l’estructura analitzada.
• Als llocs on es talen arbres reemplaçats (desforestació), el segrest de carboni no s’ha de comptabilitzar, d’acord amb les normes europees actuals [5].

Figura 1. Carboni emmagatzemat en arbres, enderrocs/deixalles i terra per a ús típic en una plantació de pícea de Sitka amb un període de rotació de 50 anys, en comparació amb un bosc sense gestionar, amb dades de la Forestry Commission (4) (drets d’autor de la imatge: Will Hawkins).

En aquest article es recomana usar valors de retenció de carboni que corresponguin a la pròpia estructura de fusta, com els de la base de dades ICE [6] de la guia d’IStructE [2], en lloc de tot el bosc d’on prové. Tot i això, el moment suposat de l’absorció de carboni dels arbres que substitueixen als talats, partint de zero i creixent fins a la propera collita, se suposa que és de 50 anys. Aquest enfocament amb visió de futur queda caracteritzat i recomanat per Helin et al. [7]. A continuació n’explorem les implicacions.

COMPARACIÓ D’OPCIONS CONSTRUCTIVES AMB FORMIGÓ, ACER I FUSTA

En aquesta secció es compara el carboni incorporat a l’estructura d’un edifici de sis plantes amb tres opcions: formigó (llosa plana), acer (sostre mixt) i fusta (fusta contra-laminada amb pòrtics de fusta laminada encolada). Els dissenys s’exposen en un estudi recent de Buro Happold [8], amb un nucli de rigidització i fonamentació de formigó a totes les opcions. La metodologia de càlcul és segons la guia d’IstructE [2] i es detalla en una altra publicació [9].

L’anàlisi és de l’origen per a la vida útil (cradle-to-grave)*; no s’hi inclouen els beneficis de l’etapa D (i el potencial de recuperació/reutilització), que es comptabilitzen per separat a les normes vigents [1]. Això té el mateix efecte que si se suposa que tota la producció de material és efectivament descarbonitzada passats 60 anys de vida útil de l’edifici, d’acord amb les normes del Regne Unit, ja que els materials de compensació també serien zero carboni.

* Bioenergia amb captura i emmagatzematge de carboni (N del T)

Es van considerar tres cicles de vida del carboni per a la fusta:

• 1) Fusta d’origen sostenible tipus del Regne Unit amb replantació (absorció de carboni) i una gran emissió de carboni al final de la vida corresponent al reciclatge (55% en massa), incineració amb aprofitament de l’energia (44%) i abocador (1%) [10], tal com s’estableix a la guia d’IStrucE [2].
• 2) Com l’anterior punt, però sense replantar o absorbir, representant el pitjor escenari de fusta d’origen no sostenible, poc comú a la UE.
• 3) Un escenari optimista que combina boscos de gestió sostenible amb emissions mínimes al final de la vida. S’ha suggerit que fins a un 90% de les emissions de combustió podrien potencialment ser capturades usant bioenergia amb captura de carboni i emmagatzematge (BECCS)* [11]. Això es representa aquí amb una reducció del 90% a les emissions de l’etapa de fi de vida útil. La captura de carboni no es permet en un estàndard ACV [5], però aquí es considera com un escenari hipotètic.

*Bioenergia amb captura i emmagatzematge de carboni (N del T)

És encara millor (per al clima) no construir res que fer-ho amb fusta

A la Figura 2 es mostren les emissions de carboni acumulades durant un període de 120 anys per a cada solució d’estructura. El cas de formigó té les emissions inicials més grans (etapa A), seguit per l’acer i finalment la fusta. Per al formigó i l’acer, a les etapes d’ús i fi de vida només es veuen petits canvis al carboni incorporat. Per a la fusta els canvis posteriors són més significatius.

A l’escenari de fusta 1, la retenció de carboni genera un petit període temporal d’emissions negatives, que només dura mentre l’edifici està en ús, acabant abruptament amb la seva demolició. Si l’estructura es fa servir durant 100 anys, tindria carboni negatiu durant la meitat de la seva vida, mentre que la mateixa estructura enderrocada després de 40 anys, mai no aconseguiria la situació de carboni negatiu.

Figura 2. Emissions de carboni acumulat incorporat per a opcions de formigó, acer i fusta de l’edifici d’exemple (8), incloent tres escenaris per a components de fusta (drets d’autor de la imatge: Will Hawkins)

S’han considerat els impactes climàtics dinàmics d’aquest emmagatzematge temporal de carboni, per a un cas d’estudi similar a la publicació de [9]. Tot i la gran quantitat d’emissions de l’etapa C, el total de carboni de l’origen fins a la fi de vida continua sent més baix que per a les opcions de formigó i acer en aquest escenari.

A l’escenari 2, sense segrest, el significatiu alliberament de carboni al final de la vida fa que l’opció de fusta resulti la de més carboni incorporat total. Això posa de manifest la importància fonamental d’obtenir fusta sostenible que inclou la replantació, tal com es fa a la UE.

L’escenari 3 mostra el potencial per a un edifici de fusta sense carboni si es poden evitar les emissions del final de la vida útil. Aquest és un escenari optimista, confiant en tecnologia que actualment no és encara disponible. Per tant, seria artificiós considerar-ho en un càlcul de carboni incorporat, i no està permès per les normes actuals [1 i 5]. Fins i tot en aquest escenari, no es menysprea la significativa emissió inicial, que contribueix a l’escalfament global per diverses dècades [9].

Per tant, es pot concloure que, fins i tot en les millors condicions, continua sent millor (per al clima) no construir res en absolut que construir un edifici de fusta.

Tot i que aquest estudi mostra que la solució de formigó és la més alta en carboni i que la de fusta la més baixa, aquests resultats són específics per als dissenys contemplats i no representen exemples extrapolables pel que fa a solucions tècniques. Es planteja un disseny amb fusta molt lleuger, amb sostres de CLT de 100 mm de gruix, davant de l’opció de lloses planes de formigó que són relativament ineficients per a llums de 9 m en comparació amb alternatives nervades o postesades.

La figura 3 il·lustra el fet que un ús malbaratador o inapropiat de la fusta fàcilment podria tenir un major impacte que una alternativa de formigó o acer més eficient: sempre és millor fer servir menor quantitat de qualsevol material. No podem augmentar de forma sobtada l’ús global de fusta, i, per tant, hem d’utilitzar aquest valuós recurs amb moderació per assolir el màxim potencial d’acceptació a tot el sector.

Figura 3. El malbaratament en l’ús de fusta podria tenir un major impacte, tant a curt com a llarg termini, que les alternatives eficientment dissenyades en formigó o acer (drets d’autor de la imatge: Will Hawkins)

CONCLUSIONS

En aquest article s’ha mostrat un mètode per al càlcul de la retenció de carboni de la fusta d’acord amb la guia citada (2). A través d’un senzill cas, en podem extreure diverses conclusions:

• La fusta ha de ser d’origen sostenible, amb replantació, per gaudir del benefici de carboni incorporat respecte del formigó i l’acer. Sortosament, les certificacions de sostenibilitat disponibles (com PEFC i FSC) estan satisfactòriament implantades, i sovint són requisit legal per a la importació de fusta.º
• Els fluxos de carboni al final de la seva vida útil són importants per a les estructures de fusta. Els beneficis climàtics de la fusta, per tant, es poden maximitzar perllongant la vida útil de les estructures, la reutilització de components de fusta o l’ús de reciclatge en nous materials, tot el qual evita la presència de carboni a l’atmosfera.
• És hipotèticament possible que la fusta tingui un efecte negatiu quant a carboni incorporat acumulat a llarg termini, si no es considera fusta certificada i s’eviten les emissions del final de la seva vida útil, per exemple a través de les noves tecnologies com la bioenergia amb captura i emmagatzematge de carboni (BECCS). Així mateix, això no és possible comptabilitzar-ho mitjançant un anàlisi de carboni embegut, i són esperables resultats nets positius en emissions durant diverses dècades.
• És millor no construir res en absolut que construir un edifici de fusta. Així mateix, el malbaratament en l’ús de la fusta pot ser més perjudicial que un disseny eficient en formigó i acer.

Agraïments

Amb agraïment a Aurimas Bukauskas, Sam Cooper, Steve Allen, Jonathan Roynon i Tim Ibell per les seves reflexions, aportacions i perícia.

Referències

• [1] British Standards Institution (2011) BS EN 15978:2011 “Sustainability of construction works. Assessment of environmental performance of buildings. Calculation method”, Londres: BSI
• [2] Gibbons O. y Orr J.J. (2a edición marzo 2022) “How to calculate emdoided carbon”, Londres: IstructE Ltd.
• [3] Churkina G., Organschi A., Reyer C.P.O. et al. (2020) “Buildings as a global carbon sink”, Nat. Sustain., 3, pàgs. 269–276, doi: https://doi.org/10.1038/s41893-019-0462-4
• [4] Morrison J., Matthews R., Miller G. et al. (2012) “Forestry Commission Research Report: Understanding the carbon and greenhouse gas balance of forests in Britain” Disponible a: https://www.forestresearch.gov.uk/publications/understanding-the-carbon-and-greenhouse-gas-balance-of-forests-in-britain/ (Consultat: desembre de 2023)
• [5] British Standards Institution (2012) BS EN 15804:2012+A2:2019 “Sustainability of construction works. Environmental product declarations. Core rules for the product category of construction products”, Londres: BSI
• [6] Jones C. y Hammond G. (2019) “Inventory of Carbon and Energy” (Versión 3.0) Disponible a: https://circularecology.com/embodied-carbon-footprint-database.html (Consultat: desembre de 2023)
• [7] Helin T., Sokka L., Soimakallio S., Pingoud K. y Pajula T. (2013) “Approaches for inclusion of forest carbon cycle in life cycle assessment – a review”, GCB Bioenergy, 5 (5), págs. 475–486, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/gcbb.12016
• [8] Roynon J. (2020) “Embodied carbon: structural sensitivity study” Disponible en: www.istructe.org/resources/ caso de estudio/carbono incorporado-sensibilidad estructural-estudio/ (Consultat: desembre de 2023)
• [9] Hawkins W., Cooper S., Allen, S., Roynon, J. and Ibell, T. (2021) “Embodied carbon assessment using a dynamic climate model: Case-study comparison of a concrete, steel and timber building structure”, Structures 33, pp. 90-98. doi: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.12.013 (Consultat: febrer de 2024)
• [10] Wood for Good (2017) “Environmental Product Declaration: 1m3 of kiln dried planed or machined sawn timber used as structural timber” Disponible a: https://woodforgood.com/assets/ Descargas/EPD/BREGENEPD000124.pdf (Consultat novembre de 2020)
• [11] Comité de Cambi Climàtic (2019) “Net Zero: The UK’s contribution to stopping global warming” http://www.theccc.org.uk/publication/net-zero-the-uks-contribution-to-stopping-global-warming// (Consultat: desembre de 2023)