4 marzo, 2024 11:51 am

Equipos eléctricos para la construcción de cimentaciones profundas

Se dice que la crisis climática es uno de los mayores desafíos para la humanidad en este momento. Los efectos del calentamiento global, reflejados en desastres naturales, se manifiestan con más frecuencia y con mayor severidad. El cambio climático proviene del calentamiento global que está directamente relacionado con una mayor densidad de gases de efecto invernadero emitidos hacia la atmósfera. En 2015, en la COP21, 196 partes adoptaron el Acuerdo de París, cuyo principal objetivo es limitar el calentamiento mundial por debajo de 2 ºC, en comparación con los niveles preindustriales, buscando trabajar hacia una economía global con cero emisiones netas de carbono en 2050. En la industria de cimentaciones profundas, y de construcción geotécnica en general, debemos contribuir a eliminar la huella de carbono correspondiente a estas actividades.

Los efectos progresivos del cambio climático requieren una transformación fundamental y urgente. Se espera que los gobiernos y la industria desarrollen soluciones que puedan contribuir a reducciones significativas de las emisiones de dióxido de carbono. Hace años, la industria del automóvil tomó un papel pionero y comenzó a cambiar hacia un número cada vez mayor de vehículos con propulsores alternativos. Los fabricantes de maquinaria de construcción no deberían dejar de participar en este proceso. Investigaciones recientes han mostrado que una excavadora diésel de 14 t emite 32 t de CO2 al año; un avión de pasajeros tiene que recorrer la distancia de Múnich a Berlín 15 veces para provocar emisiones similares (www.traktuell.at).

Los confinamientos inducidos por el COVID-19 pueden haber trastornado el mundo del trabajo, pero no han acabado con los rascacielos. Incluso cuando los trabajadores se quedan en casa, la tendencia de las ciudades por los edificios altos continúa. En el centro de Manhattan, en Estados Unidos, JPMorgan Chase demolió su antigua sede para construir una nueva torre con 18 pisos más. En toda la ciudad se están construyendo más de una docena de estructuras superaltas, con más de 300 m de altura. En Londres, más de 200 torres han transformado el horizonte desde 2009. El frenesí de la construcción no se limita a las grandes ciudades: según una estimación, el planeta agregará espacio construido del tamaño de la ciudad de Nueva York cada mes, hasta 2060 (The Economist, 2022). En términos generales, las cimentaciones de este tipo de edificaciones son de tipo profundo.

De acuerdo con el Programa del Medio Ambiente de la ONU (PNUMA), a pesar de un aumento en la inversión en eficiencia energética y una menor intensidad energética, el consumo de energía y las emisiones de CO2 del sector de la edificación y la construcción se han recuperado de la pandemia de COVID-19 a un máximo histórico. En la última reunión del COP27 en Egipto, el informe sobre el estado global de la edificación y la construcción 2022 muestra que el sector representó más del 34% de la demanda de energía y alrededor del 37% de las emisiones de CO2 relacionadas con la energía y los procesos en 2021.

Las emisiones de CO2 relacionadas con la energía del sector alcanzaron 10 gigatoneladas de CO2 equivalente: un 5% más que los niveles de 2020 y un 2% más que el pico prepandémico de 2019. En 2021, la demanda operativa de energía para calefacción, refrigeración, iluminación y equipos en edificios aumentó alrededor del 4% desde 2020 y el 3% desde 2019.

Según el informe del PNUMA (UN Environment Programme y Yale Center for Ecosystems + Architecture, 2023), esto significa que la brecha entre el desempeño climático del sector y la ruta de descarbonización hacia 2050 se está ampliando.

En la figura 1 se muestra una descripción general de la huella de carbono total y neta (en kilogramos de CO2) de algunos equipos de construcción. Las cifras totales representan las emisiones de un equipo sin eliminación adecuada, mientras que la cifra neta representa las emisiones que toman en cuenta un reciclaje adecuado; expone la importancia del reciclaje de materiales cuando un producto llega al final de su ciclo de vida. Desechar adecuadamente y utilizar materiales del equipo puede reducir significativamente su huella de carbono. Dependiendo del tamaño y composición del material, las reducciones pueden variar del 21% al 54%. Establecer ciclos de propiedad de circuito cerrado, junto con diseño para el desmontaje, mejora las tasas de reciclaje y ayuda a reducir aún más el impacto de carbono del sector de la construcción. Se puede estimar la huella de carbono de otros equipos de construcción utilizando la calculadora que se encuentra en el sitio web de la European Rental Association (ERA, s.f.).

Impacto de la industria de cimentaciones profundas

La industria de cimentaciones profundas puede contribuir mucho a la reducción de las emisiones de carbono, ya que por su propia naturaleza es un trabajo que depende principalmente de maquinaria. Los fabricantes del equipo pueden desempeñar un papel importante en el desarrollo de maquinaria alimentada por baterías y ofrecer al mercado una opción adicional, además de las tecnologías de propulsión.

Sandanayake et al. (2015) presentan un caso de estudio durante la construcción en Melbourne de 84 pilas de cimentación de 75 cm de diámetro y alrededor de 20 m de longitud. En la tabla 1 se presentan las características del equipo utilizado, y en la tabla 2, las emisiones medidas durante el proceso de construcción, donde se estimó el dióxido de carbono (CO2), el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos (HC), el óxido de nitrógeno (NOx) y la emisión de partículas (PM).

En la tabla 2 se observa que las emisiones de la perforadora son relativamente bajas en lo que a CO se refiere, pero son mucho mayores que otros equipos en cuanto a CO2 y NOX, solo comparables con las emitidas por la excavadora principal. Se hace notar que una perforadora de 328 kW de potencia pesa alrededor de 85 t, con algunas variaciones, dependiendo de la marca.

El caso de estudio indicó que, además de la evaluación de las emisiones de dióxido de carbono, las emisiones distintas de CO2, como CO, NOX y PM, deben incluirse para dar paso a un análisis exhaustivo de las emisiones durante la construcción. Los resultados muestran que los trabajos de excavación controlan las emisiones totales, principalmente debido al alto número de horas de uso de los equipos. También se observa que los patrones de emisión de las máquinas son significativamente diferentes entre sí. Los resultados obtenidos indican que las emisiones de CO son considerablemente menores para la perforadora, en comparación con otras sustancias emisoras. El análisis revela que mejorar la planificación del uso de la máquina para reducir el tiempo de inactividad no reduciría las emisiones en forma significativa; en cambio, una cuidadosa selección de las máquinas y equipos puede reducir las emisiones en la fase de construcción hasta en 10 por ciento.

Equipos eléctricos para cimentaciones profundas

Una alternativa para la reducción de emisiones de agentes contaminantes consiste en el uso de equipos operados por motores eléctricos alimentados por baterías recargables. En la tabla 3 se muestran ejemplos de estos equipos, de diferentes marcas, modelos y capacidades. A manera de ejemplo, en la figura 2 se aprecian fotografías de algunos de estos equipos. Los datos técnicos fueron tomados de los sitios web de cada fabricante.

BMD (2023) reportó la primera prueba comparativa entre una perforadora alimentada por baterías y una alimentada por diésel. La prueba se llevó a cabo en una obra en Weiden, Alemania. En agosto de 2022, se comparó el equipo Liebherr LB 16 eléctrico con un LB 16 con motor diésel. Ambos equipos realizaron las mismas tareas en condiciones idénticas de suelo, profundidad de perforación, herramientas de perforación y operador del equipo. La prueba se centró en identificar el rendimiento y la eficiencia económica de ambas perforadoras en las condiciones de un sitio de construcción de la vida real (véase figura 3).

Para ambas máquinas se tuvieron en cuenta los siguientes aspectos: desempeño de la batería, rendimiento de perforación, economía, consumo de energía, emisión de CO2, emisión de calor y contaminación acústica.

Para garantizar la comparabilidad, ambos dispositivos perforaron pilas con la misma profundidad utilizando el método de perforación de barretón (kelly). Un único ciclo de trabajo incluía dos perforaciones de 6.8 m cada una; colocación de concreto hasta el nivel de la plataforma de trabajo; instalación y retiro de ademe metálico.

A continuación se comentan los principales resultados; para mayores detalles, se sugiere consultar BMD (2023).

Rendimiento de perforación

La LB 16 eléctrica alcanzó un rendimiento medio de 68 m de perforación por turno. Por otra parte, la LB 16 convencional realizó una media de 81.6 m de perforación. En comparación, el equipo a diésel supera a su competidor eléctrico, con un rendimiento aproximadamente superior en 20 por ciento.

Rentabilidad

Uno de los aspectos más importantes para decidir entre una máquina libre de emisiones y su homóloga convencional es la rentabilidad. Una primera indicación de esto la proporcionan los costos operativos basados en la producción diaria determinada. Las cifras basadas en metros perforados revelan que la LB 16 eléctrica es 27% más económica que el equipo de perforación con motor diésel. Aunque la producción diaria es menor en comparación con su homólogo a diésel, la relación electricidad-diésel relativiza este hecho.

En este punto, cabe señalar que la base de esta cifra comparativa es únicamente el precio regional de la electricidad y el diésel en el momento de la prueba. Los precios de compra del diésel en Alemania están sujetos a fluctuaciones considerables casi diarias, lo que dificulta la determinación de este valor comparativo, incluso a mediano plazo. Sin embargo, esta comparación es suficiente como prueba de la ventaja económica de la LB 16 con batería.

Emisiones de CO2

La LB 16 eléctrica emite aproximadamente 4.61 kg de CO2 por metro perforado. Las emisiones medias de CO2 de la LB 16 con motor a diésel fueron de aproximadamente 8.27 kg/m de perforación, un 79% más que las del equipo de perforación con batería.

Emisión de calor

Se realizaron dos mediciones independientes para cada máquina con una cámara de mano y un dron, ambos con imágenes térmicas. Las mediciones mostraron desviaciones significativas entre las dos máquinas. Como resultado, se determinó que la LB 16 a diésel emitía mucha más energía térmica.

Contaminación acústica

Debido a las diferentes transmisiones, la LB 16 eléctrica es menos ruidosa que el equipo a diésel. La LB 16 eléctrica funciona con una media de 3 decibeles. Si la normativa local exige el cumplimiento de ciertos niveles de ruido, una perforadora alimentada por batería es más adecuada que una perforadora convencional. Esto también se aplica a las restricciones en los horarios de trabajo.

Conclusión

La perforadora LB 16 eléctrica es una máquina potente que es más útil para obras dentro de la ciudad. Debido a su baja emisión de ruido, presenta una ventaja sobre una máquina con motor a diésel. La desventaja es su tiempo de trabajo limitado de siete horas (a diferencia de 10 horas que indica el fabricante) si no se aplica ninguna carga intermedia. Sin embargo, consume 27% menos de energía y emite alrededor de 25% menos de calor que la perforadora diésel. Es necesario realizar más investigaciones para determinar factores adicionales, como la vida útil de la batería, ya que aún no se pueden evaluar datos sobre el uso a largo plazo.

Hoy en día, el equipo eléctrico está limitado por el tiempo de operación y recarga, además de que en nuestro país la energía limpia es solo del 25%, incluyendo las centrales hidroeléctricas, geotermoeléctricas, eoloeléctricas, fotovoltaicas y de bioenergía (Sener, 2020). Mientras la energía de recarga no sea de origen limpio, poco se avanzará en este aspecto.

Comentarios finales

El esfuerzo por disminuir la emisión de contaminantes en los proyectos de construcción geotécnica puede dirigirse en varios sentidos; se comentan brevemente los que se consideran más importantes.

Soluciones menos intensivas en carbono. Los métodos alternativos de mejoramiento masivo de suelos, como las columnas de grava en lugar de los pilotes tradicionales, pueden ahorrar entre un 30 y un 60% del costo y hasta un 95% del carbono incorporado en las cimentaciones profundas. Esto se debe al uso de agregados pétreos en lugar de concreto y acero y, por lo general, a una instalación más eficiente. Desafortunadamente, esta solución no es aplicable en todos los casos, particularmente ante solicitaciones altas.

Uso de materiales reciclados. Es posible utilizar materiales reciclados, como la arena de vidrio en lugar de grava, la escoria granular de alto horno molida y las cenizas volantes pulverizadas en lugar de cemento. Se trata de productos de desecho de las industrias del acero y del carbón, respectivamente, que además de ahorrar carbono reducen los residuos y contribuyen a la economía circular. También se puede utilizar concreto reciclado en vez de agregados.

Uso de calculadora de carbono. La European Federation of Foundation Contractors (EFFC) y el Deep Foundations Institute (DFI) han creado una herramienta que calcula las emisiones de CO2 en las obras de cimentaciones profundas y otros proyectos geotécnicos. Está diseñada para que tanto contratistas como proyectistas o gerentes de proyecto evalúen la huella de carbono de sus proyectos. La calculadora permite una evaluación comparativa de las diferentes opciones de solución en un proyecto, incluyendo las técnicas constructivas presentadas en la tabla 4. En la figura 4 se muestra en ejemplo de la comparativa de la huella de carbono entre diferentes proyectos.

Cabe señalar que en algunos países se busca implementar la solución que genere la menor huella de carbono posible, independientemente de su costo de construcción (Lacasse, 2022).

Transición hacia equipos eléctricos basados en energías renovables. Esto reduce drásticamente la huella de carbono en la fase de construcción y al final de la vida útil del equipo. Es más factible el uso de estos equipos en zonas urbanas donde además se tienen otras ventajas, como menor contaminación térmica y por ruido.

Incrementar el uso de la telemática. Permite obtener una mejor visión de los tiempos de inactividad, las horas de uso y la vida útil total de las máquinas, para aumentar la precisión de los números en la calculadora de carbono.

En la figura 5 se muestra un esquema general de estas acciones, de acuerdo con la jerarquía sugerida por el Institute for Environmental Management and Assesment. En esa figura se enumeran algunos ejemplos de cada categoría.

Referencias

Borama Drilling Equipment, BDE (2023). Battery-powered vs. diesel-powered. Piling Canada Magazine.

Climate Neutral Group, CNG (2019). Carbon footprint of construction equipment. Research report. European Rental Association.

European Federation of Foundation Contractors, EFFC, y Deep Foundations Institute, DFI (s.f.). Carbon calculator. Disponible en: www.geotechnicalcarboncalculator.com/es/

European Rental Association, ERA (s.f.). Equipment CO2 calculator. Disponible en: www.equipmentcalculator.org.

Institute of Environmental Management and Assessment, IEMA (2020). Pathways to net zero: Using the IEMA GHG management hierarchy. Disponible en: www.iema. net/resources/reading-room/2020/11/26/pathways-to-net-zero-using-the-iema-ghg-management-hierarchy-november-2020.

Lacasse, S. (2022). Risk assessment and management: Necessary insight to asses dam safety and reduce lanslide risk. 26 Conferencia Nabor Carrillo. Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica.

Sandanayake M., et al. (2015). Equipment usage in pile foundation construction process – a case study. Proceedings of the 19th International Symposium on Advancement of Construction Management and Real Estate. Berlín: Springer-Verlag.

Secretaría de Energía, Sener (2020). Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional. Cap. 4: Infraestructura del Sistema Eléctrico Nacional. Disponible en: base.energia.gob.mx/dgaic/DA/P/SubsecretariaElectricidad/ConjuntosProyectosInversion/SENER_07_ProgramaDesarrolloSistemaElectricoNacional2020-2034(PRODESEN).pdf

The Economist (2022). The construction industry remains horribly climate-unfriendly [en línea]. Disponible en: www.economist.com/finance-and-economics/2022/06/15/the-construction-industry-remains-horribly-climate-unfriendly

Traktuell (2019). So viel CO2 lässt sich mit E-Baumaschinen einsparen. Disponible en: traktuell.at/artikel/so-viel-co2-laesst-sich-mit-e-baumaschinen-einsparen

United Nations Environment Programme y Yale Center for Ecosystems + Architecture (2023). Building materials and the climate: Constructing a new future. Disponible en: wedocs.unep.org/20.500.11822/43293.

Walter I. Paniagua, Pilotec, SA de CV

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