MADERA Y CAPTACIÓN DE CARBONO

WILL HAWKINS

MEng, CEng, MIStruct. Will Hawkins es profesor de Diseño de  Ingeniería Estructural en la Universidad de Bath. Su investigación y la enseñanza se centra en los caminos hacia estructuras de construcción de carbono cero. a través de la optimización del diseño, novedosos sistemas estructurales y materiales bajos en carbono.

Traducción del texto original de Will Hawkins publicado en enero de 2021 en la revista The Structural Engineer, disponible en https://www.istructe.org/journal/volumes/volume-99-(2021)/issue-1/timber-and-carbon-sequestration/.

Agradecemos a su autor y a The Institution of Structural Engineers el permiso desinteresado para su traducción y publicación. Traducido del inglés por Oriol Palou, Arquitecto Consultor de Estructuras y miembro de la comisión de sostenibilidad de la ACE

Will Hawkins analiza la retención de carbono, la circularidad en estructuras de madera, y las implicaciones para la sostenibilidad en la toma de decisiones en el diseño estructural.

INTRODUCCIÓN

El primer paso, si queremos reducir el carbono incorporado de los edificios, es calcularlo de forma fiable y comparable, para lo cual se ha formado un amplio consenso en torno a la metodología basada en BS EN 159781 [1] para el Análisis del Ciclo de Vida (ACV en adelante).

Esta norma se apoya en la guía de IstructE [2], y divide el ciclo de vida de un producto en: producción (etapa A), uso (etapa B), fin de vida (etapa C) y potencial de recuperación/reutilización (etapa D).

A medida que estas etapas se incluyen en el alcance de la evaluación del ciclo de vida obtenemos una imagen más completa de los impactos de los diseños. Sin embargo, a menudo solo se incluye la etapa A debido a la considerable incertidumbre en relación con los procesos del final de la vida útil.

Para acero y hormigón, que implican procesos de elevada demanda de energía en su producción, la etapa A es la que condiciona en mayor medida las emisiones en el ACV. Las emisiones para la fabricación de productos de madera, desde la cosecha, secado y aserrado, son también significativos; sin embargo, la cantidad de carbono absorbido por el árbol y almacenado dentro del propio material, puede ser aún mayor.

Aunque este carbono generalmente vuelve a la atmósfera al finalizar su vida debido a combustión y/o descomposición, hay beneficios climáticos derivados de la retención de carbono dentro de los productos de madera con larga vida, al actuar como sumideros de carbono [3].

Por ejemplo, retrasando las emisiones de carbono reduce la energía acumulada introducida en el medio ambiente, ganamos tiempo para la adaptación de los sistemas tanto naturales como artificiales, reducimos la posibilidad de alcanzar peligrosos «puntos de no retorno», y aumentamos las posibilidades de retención permanente para futuras tecnologías como la captura y almacenamiento de carbono.

Sin embargo, contabilizar el carbono almacenado es a menudo una fuente de debate, confusión y contradicciones. Cuando se incluye en la etapa A como una emisión negativa, puede crear la impresión contra-intuitiva de que usar madera en exceso puede tener beneficios ambientales.

Así, la guía IStructE [2] aconseja que la retención solo debe ser contabilizada con las emisiones si se contempla el ciclo completo hasta el fin de vida, donde el carbono almacenado normalmente queda anulado por su liberación al final de la vida útil.

Este artículo proporciona un acercamiento a los cálculos del carbono incorporado así como recomendaciones para un diseño con madera climáticamente eficiente considerando un origen sostenible, una vida útil prolongada y la eficiencia en el uso de materiales.

RACIONALIZAR EL ALMACENAMIENTO DE CARBONO

Se propone plantar árboles y almacenar carbono en edificios de madera [3], pero ¿sería mejor, desde la perspectiva del carbono, dejar que los bosques crezcan naturalmente?

La Figura 1 muestra los cambios en el almacenamiento de carbono para una plantación de abeto comercial (Picea sitchensis) con un ciclo de cosecha de 50 años, según datos de la Forestry Comisión [4], comparados con un bosque equivalente no gestionado. Lo cual revela varios puntos importantes.

La absorción de carbono de árboles jóvenes es inicialmente lento, para acelerarse a medida que estos medran. En un bosque no gestionado, la absorción continúa hasta el total del carbono que pude absorber y finalmente se estabiliza.

Un bosque adecuadamente gestionado también logra un almacenamiento constante de carbono, aunque disminuye respecto uno salvaje en los ciclos entre períodos de cosechas. Sin embargo, ese también almacena carbono a través de los productos que salen del bosque. Si estos se acumulan el tiempo suficiente, se acumula también el carbono total retenido y eventualmente podría ser mayor que el de un bosque no gestionado.

Teniendo en cuenta estas observaciones, el enfoque de absorción de carbono que se adopta en este artículo se basa en los siguientes principios:

• Aunque resulta interesante conocer la variación de carbono almacenado por un bosque, este normalmente no se incluye en el análisis del ciclo de vida de los edificios, y únicamente se considera el carbono incorporado a los productos madereros, en línea con las metodologías de ACV [5].
• La cosecha, manipulación de los materiales y construcción de un edificio de madera libera un «pico» de carbono a la atmósfera, mientras que el almacenamiento ocurre gradualmente.
• La cuenta del carbono debería comenzar siempre de cero: no se considera la cantidad absorbida por un árbol plantado hace 50 años, incluso si la madera se utiliza para construir la estructura analizada.
• En los lugares en los que se talan árboles reemplazados (deforestación), el secuestro de carbono no debe contabilizarse, de acuerdo con las normas europeas actuales (5).

FIGURA 1: Carbono almacenado en árboles, escombros/deshechos y tierra para uso típico en una plantación de pícea de Sitka con un período de rotación de 50 años, en comparación con un bosque sin gestionar, con datos de la Forestry Commission (4) (derechos de autor de la imatgen: Will Hawkins)

Este artículo recomienda usar valores de retención de carbono que correspondan a la propia estructura de madera, como las de la base de datos ICE (6) de la guía de IStructE [2], en lugar de todo el bosque de donde proviene. Sin embargo, el momento supuesto de la absorción de carbono de los árboles que sustituyen a los talados, partiendo de cero y creciendo hasta la próxima cosecha, se supone que es de 50 años. Este enfoque con visión de futuro queda caracterizado y recomendado por Helin et al. [7]. A continuación exploramos sus implicaciones.

COMPARACIÓN DE OPCIONES CONSTRUCTIVAS CON HORMIGÓN, ACERO Y MADERA

En esta sección se compara el carbono incorporado en la estructura de un edificio de seis plantas con tres opciones: hormigón (losa plana), acero (forjado mixto) y madera (madera contra-laminada con pórticos de madera laminada encolada). Los diseños se exponen en un reciente estudio de Buro Happold [8], con núcleo rigidizador y cimentación de hormigón en todas las opciones. La metodología de cálculo es según la guía de IstructE [2] y se detalla en otra publicación [9].

El análisis es del origen al fin de vida útil (cradle-to-grave*1); no se incluyen los beneficios de la etapa D (y el potencial de recuperación/reutilización), que se contabilizan por separado en las normas vigentes [1]. Esto tiene el mismo efecto que si se supone que toda la producción de material es efectivamente descarbonizada pasados 60 años de vida útil del edificio, de acuerdo a las normas del Reino Unido, ya que los materiales de compensación también serían cero carbono.

* Bioenergia con captura y almacenamiento de carbono (N del T)

Se consideraron tres ciclos de vida del carbono para la madera:

• 1) Madera de origen sostenible tipo del Reino Unido con replantación (absorción de carbono) y una gran emisión de carbono en el final de la vida correspondiente al reciclaje (55% en masa), incineración con aprovechamiento de la energía (44%) y vertedero (1%) [10], tal como se establece en la guía de IStrucE [2].
• 2) Como el punto anterior, pero sin replantar o absorber, representando el peor escenario de madera de origen no sostenible, poco común en la UE.
• 3) Un escenario optimista que combina bosques de gestión sostenible con emisiones mínimas al final de su vida. Se ha sugerido que hasta un 90% de las emisiones de combustión podrían ser potencialmente capturadas usando bioenergía con captura de carbono y almacenamiento (BECCS)* [11]. Esto se representa aquí con una reducción del 90% en las emisiones de la etapa de fin de vida útil. La captura de carbono no se permite en un estándar ACV [5], pero aquí se considera como un escenario hipotético.

*Bioenergia con captura y almacenamiento de carbono (N del T)

Aún es mejor (para el clima) no construir nada que hacerlo con madera

En la Figura 2 se muestran las emisiones de carbono acumuladas durante un período de 120 años para cada solución de estructura. El caso de hormigón tiene las mayores emisiones iniciales (etapa A), seguido por el acero y finalmente la madera. Para hormigón y acero, en las etapas de uso y fin de vida solo se ven pequeños cambios en el carbono incorporado. Para la madera, sin embargo, los cambios posteriores son más significativos.

En el escenario de madera 1, la retención de carbono genera un pequeño período temporal de emisiones negativas, que dura solo mientras el edificio está en uso, terminando abruptamente con su demolición. Si la estructura se utiliza 100 años, tendría carbono negativo durante la mitad de su vida, mientras que la misma estructura demolida después de 40 años nunca alcanzaría la situación de carbono negativo.

Figura 2: Emisiones de carbono acumulado incorporado para opciones de hormigón, acero y madera del edificio de ejemplo (8), incluyendo tres escenarios para componentes de madera (derechos de autor de la imagen: Will Hawkins)  

Se han considerado los impactos climáticos dinámicos de este almacenamiento temporal de carbono, para un estudio de caso similar, en la publicación de [9]. A pesar de la gran cantidad de emisiones de la etapa C, el total de carbono del origen a fin de vida sigue siendo más bajo que para las opciones de hormigón y acero en este escenario.

En el escenario 2, sin secuestro, la significativa liberación de carbono al final de la vida hace que la opción de madera resulte la de mayor carbono incorporado total. Esto pone de manifiesto la importancia fundamental de obtener madera sostenible que incluye la replantación, tal como se hace en la UE.  

El escenario 3 muestra el potencial para un edificio de madera sin carbono si se pueden evitar las emisiones del final de su vida útil. Este es un escenario optimista, confiando en tecnología que actualmente no está disponible. Por tanto, sería engañoso considerar esto en un cálculo de carbono incorporado, y no está permitido por las normas actuales [1 y 5]. Incluso en este escenario, no se desprecia la significativa emisión inicial, que contribuye al calentamiento global durante varias décadas [9].

Por lo tanto, se puede concluir que, incluso en las mejores condiciones, sigue siendo mejor (para el clima) no construir nada en absoluto que construir un edificio de madera.

Aunque este estudio muestra que la solución de hormigón es la más alta en carbono, y la madera la más baja, estos resultados son específicos para los diseños contemplados y no son extrapolables en cuanto a soluciones técnicas. Se plantea un diseño en madera muy ligero, con forjados de CLT de 100 mm de espesor, frente a la opción losas planas de hormigón que son relativamente ineficientes para vanos de 9 m en comparación con alternativas nervadas o postesadas.

La figura 3 ilustra el hecho de que un uso derrochador o inapropiado de la madera fácilmente podría tener un mayor impacto que una alternativa de hormigón o acero más eficiente: siempre es mejor usar menor cantidad de cualquier material. No podemos aumentar de forma repentina el suministro global de madera, y, por tanto debemos utilizar este valioso recurso con moderación para alcanzar el máximo potencial de aceptación en todo el sector.

Figura 3: El derroche en el uso de madera podría tener un mayor impacto, tanto en el corto como en el largo plazo, que las alternativas eficientemente diseñadas en hormigón o acero (derechos de autor de la imagen: Will Hawkins)

CONCLUSIONES

En este artículo se ha mostrado un método para el cálculo de la retención de carbono de la madera de acuerdo con la citada guía [2]. A través de un sencillo caso, podemos sacar varias conclusiones:

• La madera debe ser de origen sostenible, con replantación, para disfrutar de beneficio de carbono incorporado respecto hormigón y acero. Afortunadamente, las certificaciones de sostenibilidad disponibles (como PEFC y FSC) están satisfactoriamente implantadas, y a menudo son requisito legal para la importación de madera.
• Los flujos de carbono al final de su vida útil son importantes para las estructuras de madera. Los beneficios climáticos de la madera, por lo tanto, se pueden maximizar prolongando la vida útil de las estructuras, la reutilización de componentes de madera o el uso de reciclaje en nuevos materiales, con lo que se evita la presencia de carbono en la atmósfera.
• Es hipotéticamente posible que la madera tenga un efecto negativo en cuanto a carbono incorporado acumulado a largo plazo, si no se considera madera certificada y se evitan las emisiones del final de su vida útil, por ejemplo a través de las nuevas tecnologías como la bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS). Sin embargo, esto no se puede contabilizar mediante un típico análisis de carbono embebido, y son esperables resultados netos positivos en emisiones durante varias décadas.  
• Es mejor no construir nada en absoluto que construir un edificio de madera. Así mismo, el dispendio en el uso de la madera puede ser más dañino que un diseño eficiente en hormigón y acero.

Agradecimientos

Con agradecimiento a Aurimas Bukauskas, Sam Cooper, Steve Allen, Jonathan Roynon y Tim Ibell por su reflexiones, aportes y pericia.

Referencias

• [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, págs. 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 en: https://www.forestresearch.gov.uk/publications/understanding-the-carbon-and-greenhouse-gas-balance-of-forests-in-britain/ (Consultado: diciembre 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 en: https://circularecology.com/embodied-carbon-footprint-database.html (Consultado: diciembre 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/ (Consultado: diciembre 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 (Consultado: febrero de 2024)
• [10] Wood for Good (2017) «Environmental Product Declaration: 1m3 of kiln dried planed or machined sawn timber used as structural timber» Disponible en: https://woodforgood.com/assets/ Descargas/EPD/BREGENEPD000124.pdf (Consultado: noviembre de 2020)
• [11] Comité de Cambio Climático (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)