Categoría: energía

Ejemplo de aplicación del diagrama de mariposa a un edificio

Para profundizar en la operativa real de la Economía Circular en el sector de la edificación, se propone un ejemplo maestro resuelto, en el que nos centraremos en la anatomía, la termodinámica y la jerarquía de los bucles del ciclo técnico (ala azul) del diagrama de mariposa desarrollado por la Fundación Ellen MacArthur.

El objetivo es comprender por qué la ingeniería ambiental debe priorizar sistemáticamente los bucles más internos frente al reciclaje y cómo cada uno de ellos se traduce en soluciones constructivas, modelos de negocio y decisiones de diseño estructural en un edificio.

Enunciado del caso práctico

Proyecto: Estrategia de circularidad para el Edificio Corporativo «Ecología Industrial I» (superficie: 5.000 m², estructura de acero, envolvente modular, instalaciones servitizadas y cubierta biológica).

Consigna: Como equipo de ingeniería ambiental, se debe resolver el proyecto aplicando la metodología del diagrama de mariposa dividida en seis fases:

  1. Caracterización y separación metabólica.
  2. Mapeo de la cadena de valor (eje central).
  3. Análisis exhaustivo y jerarquizado de los bucles del ciclo técnico (ala azul).
  4. Integración con el ciclo biológico (ala verde).
  5. Trazabilidad digital (sistemas ERP) y servitización.
  6. Auditoría crítica: entropía, paradoja de Jevons y ACV.

Resolución del caso práctico

La Figura 1 resume la estructura general del diagrama de mariposa aplicado a la edificación: el ciclo biológico a la izquierda, el ciclo técnico a la derecha y, entre ambos, el eje central de la cadena de valor sostenida por la trazabilidad digital.

Figura 1. Diagrama de mariposa aplicado al edificio corporativo

Fase 1: Caracterización y separación metabólica inicial

El paso inicial imprescindible en la economía circular es la segregación estricta de materiales según su metabolismo antes de entrar en la cadena de suministro:

  • Ciclo técnico (ala azul): gestiona productos y materiales sintéticos, metálicos y minerales no biodegradables procedentes de recursos finitos.
    • Inventario del edificio: perfiles estructurales de acero HEB/IPE, carpinterías de aluminio, conductos de cobre, paneles fotovoltaicos, fachadas de vidrio, sistemas HVAC y ascensores.
  • Ciclo biológico (ala verde): gestiona materiales biodegradables y nutrientes orgánicos renovables que pueden regresar de forma segura a la biosfera.
    • Inventario del edificio: estructura secundaria de madera certificada, aislamientos de fibra de cáñamo y paja prensada, y sustrato orgánico de la cubierta vegetal.

Fase 2: Mapeo de la cadena de valor (cuerpo central del diagrama)

El eje central del diagrama articula las etapas por las que transitan los materiales en el proyecto (Figura 2):

  1. Entrada de recursos: insumos finitos (minerales refinados y chatarra) y renovables (biomasa forestal).
  2. Fabricación de partes y productos: componentes modulares prefabricados en taller con tolerancias milimétricas.
  3. Proveedor de servicios y de ensamblaje: construcción e instalación en obra mediante uniones secas.
  4. Usuario/inquilino: fase operativa del edificio, caracterizada por el consumo energético y la intensidad de uso.
  5. Recolección / logística inversa: desmontaje y recuperación selectiva al final del ciclo de servicio.
Figura 2. Etapas de la cadena de valor del eje central y retorno de componentes al ciclo

Fase 3: Profundización exhaustiva en los bucles del ciclo técnico (ala azul)

Principio termodinámico de la jerarquía de bucles

En el diagrama de mariposa, los bucles interiores presentan un valor significativamente mayor que los exteriores. Desde la perspectiva de la física y la ingeniería ambiental, un bucle interno preserva la energía incorporada (embodied energy), la mano de obra, la forma geométrica y la exergía acumulada en el componente. Cuanto más hacia el exterior nos desplazamos (hasta llegar al reciclaje), mayor es la destrucción física y la cantidad de energía adicional requerida para reincorporar el material.

Figura 3. Jerarquía de los cinco bucles del ciclo técnico y conservación relativa de valor

Bucle 1: Compartir (sharing, plataformas de uso común)

  • Fundamento teórico: es el bucle más interno del ciclo técnico. Su objetivo no es modificar el producto físico, sino maximizar su tasa e intensidad de utilización, evitando la sobreproducción. La literatura señala que un taladro eléctrico doméstico se utiliza, en promedio, apenas 13 minutos durante toda su vida útil, lo que representa una infrautilización crítica de recursos finitos.
  • Aplicación en la edificación:
    • Fase de obra: contratación de maquinaria pesada (grúas torre, excavadoras, andamios modulares) a través de plataformas digitales B2B de uso compartido, evitando que cada contratista adquiera equipos propios que permanecerán ociosos la mayor parte del tiempo.
    • Fase de operación: implementación de espacios corporativos flexibles (hot-desking) y de bibliotecas compartidas de herramientas pesadas de mantenimiento para los usuarios del inmueble.

Bucle 2: Mantenimiento y mantenibilidad preventiva (maintain / prolong)

  • Fundamento teórico: busca prolongar la vida útil operativa del producto en su estado actual, protegiéndolo del deterioro prematuro, de la corrosión o del fallo mecánico.
  • Aplicación en la edificación:
    • Diseño para la mantenibilidad: proyección de una fachada ventilada modular en la que cada panel cerámico posee anclajes mecánicos individuales. Esto permite inspeccionar, reparar o sustituir un panel dañado en minutos sin alterar el resto de la envolvente.
    • Mantenimiento predictivo IoT: instalación de sensores de vibración y de corrosión en conductos de cobre e instalaciones hidráulicas, conectados al modelo BIM (Building Information Modeling), y programación de intervenciones preventivas antes de que ocurran fallos catastróficos.

Bucle 3: Reutilización y redistribución directa (reuse / redistribute)

  • Fundamento teórico: mantiene el producto y sus componentes en uso, en su forma original y para su propósito inicial, transfiriéndolos a un nuevo usuario o mercado sin someterlos a procesos térmicos ni de fundición.
  • Aplicación en la edificación:
    • Diseño para la deconstrucción (DfD): las vigas principales de acero estructural HEB/IPE se fijan mediante uniones atornilladas (evitando soldaduras continuas). Cada viga incorpora un «Pasaporte de Materiales» codificado. Tras 50 años de servicio, el edificio se desensambla y las vigas se reutilizan directamente en una nueva estructura sin necesidad de volver a fundir el metal.
    • Redistribución de excedentes: las puertas, mamparas de vidrio y carpinterías de aluminio retiradas durante remodelaciones se destinan a plataformas de mercado secundario para su venta a otros proyectos arquitectónicos.

Bucle 4: Renovación y remanufactura industrial (refurbish/remanufacture)

  • Fundamento teórico: requiere un proceso de reingeniería en planta industrial cuando el producto ha sufrido un desgaste severo. El equipo se desmonta a nivel de componentes, se limpia, se reparan las piezas defectuosas y se reensambla ofreciendo el mismo nivel de rendimiento y garantía que una unidad recién fabricada.
  • Aplicación en la edificación:
    • Sistemas electromecánicos: las plantas enfriadoras de agua (chillers HVAC), los motores de tracción de los ascensores y los transformadores eléctricos no se desechan al finalizar su periodo de garantía inicial. Se devuelven a las plantas de los fabricantes originales, donde se remanufacturan sustituyendo únicamente los rodamientos y tarjetas electrónicas oxidadas, y se reincorporan al edificio como unidades «como nuevas» con garantía renovada.

Bucle 5: Reciclaje y recuperación de material base (recycle)

  • Fundamento teórico: es el bucle más exterior e ineficiente del ciclo técnico, reservado exclusivamente para cuando el producto no puede compartirse, conservarse, reutilizarse ni remanufacturarse. El reciclaje destruye la geometría y la función del objeto para recuperar únicamente el valor del material base (polímero, metal, vidrio).
  • Aplicación en la edificación:
    • Reciclaje mecánico y metalúrgico: la chatarra de acero no apta para la reutilización directa se procesa en hornos de arco eléctrico para fabricar nuevas barras de corrugado.
    • Gestión de RCD: los elementos de hormigón deteriorados se someten a trituración y a separación magnética para producir agregados reciclados que se emplean en las subbases de los viales perimetrales.
    • Límite técnico: se evita el downcycling o la degradación funcional asegurando que los metales no se contaminen con aleaciones complejas difíciles de separar.

Fase 4: Integración con el ciclo biológico (ala verde)

Para completar la visión sistémica, los elementos biodegradables del edificio se canalizan a través de su propio ciclo (Figura 4):

  1. Cascadeo (cascading): la madera secundaria de obra se reutiliza secuencialmente como encofrado, posteriormente como aislante acústico de viruta y, finalmente, como bioenergía.
  2. Materia prima bioquímica: los recortes de cáñamo se procesan en biorrefinerías para extraer compuestos biológicamente activos.
  3. Digestión anaeróbica: la fracción orgánica de los residuos del edificio se degrada en ausencia de oxígeno para generar biogás (energía renovable) y digestato (biofertilizante).
  4. Compostaje y regeneración: el digestato y los restos de jardinería se transforman en compost de alta calidad, que se aplica a la cubierta vegetal para regenerar la biodiversidad del suelo local.
Figura 4. Flujos del ciclo biológico aplicados a los materiales biodegradables del edificio

Fase 5: Trazabilidad digital y modelos de negocio servitizados

  1. Pasaportes de materiales e integración ERP:
    • El proyecto utiliza soluciones de software empresarial (como SAP Responsible Design and Production y SAP Extended Producer Responsibility (EPR)) para registrar cada componente técnico. Esta herramienta permite monitorear el stock de acero y de aluminio, asegurando su trazabilidad al final de la vida útil del edificio.
  2. Servitización (Product-as-a-Service):
    • Iluminación como servicio (LaaS): en lugar de comprar luminarias LED, se contrata el servicio de iluminación. El fabricante mantiene la propiedad del activo y asume la responsabilidad de reparar, mantener y remanufacturar los equipos.
    • Climatización como servicio (CaaS): el confort térmico se paga por tonelada de refrigeración consumida, lo que incentiva al proveedor a instalar equipos de máxima durabilidad y eficiencia.
Figura 5. Relación entre fabricante, usuario y sistema de trazabilidad en un modelo servitizado

Fase 6: Auditoría de inconvenientes, entropía y paradoja de Jevons

Como profesionales de la ingeniería ambiental, debéis auditar críticamente todo proyecto (Figura 6):

  1. Entropía y degradación física (2.ª ley de la termodinámica):
    • La economía es un sistema entrópico. Ningún proceso de reciclaje es 100% eficiente; en cada bucle se producen pérdidas irreversibles de masa y disipación de energía. A nivel mundial, solo el 6% de los materiales extraídos se reciclan efectivamente. La circularidad en la edificación reduce significativamente la huella ecológica, pero no elimina la necesidad de gestionar la eficiencia absoluta.
  2. La paradoja de Jevons (efecto rebote):
    • Si la optimización del edificio reduce los costes operativos y energéticos en un 35%, los usuarios podrían verse tentados a intensificar el uso de sistemas electrónicos o a climatizar áreas adicionales, lo que anularía parcialmente el ahorro de recursos obtenido.
  3. Auditoría mediante Análisis de Ciclo de Vida (ACV):
    • Para evitar el greenwashing, cada decisión de diseño se valida mediante un ACV normado (ISO 14040/44) que cuantifica las emisiones netas y la masa recuperada.
Figura 6. Tres filtros de auditoría crítica aplicables a cada decisión de diseño

Rúbrica evaluativa

Criterio Descripción del nivel excelente (9-10 pts)
1. Separación metabólica Identifica y clasifica, sin errores, los componentes del edificio en los ciclos biológico y técnico.
2. Dominio del ciclo técnico Justifica la prioridad de los bucles internos (compartir, mantener, DfD) sobre el reciclaje, basándose en la conservación de la exergía.
3. Aplicación en Edificación Propone soluciones constructivas reales (uniones secas, fachadas modulares, remanufactura de HVAC).
4. Trazabilidad y servitización Integra pasaportes de materiales digitalizados (sistemas ERP) y modelos de «Producto como Servicio».
5. Rigor físico y crítico Evalúa las limitaciones entrópicas y la paradoja de Jevons, y exige validación mediante ACV.

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El diagrama de mariposa. Aplicación a la construcción sostenible

1. INTRODUCCIÓN Y MARCO SOCIOAMBIENTAL

Desde la Revolución Industrial, el modelo económico dominante se ha basado en un sistema lineal: extraer, procesar, transformar, utilizar y desechar. Este modelo ha permitido un gran desarrollo económico, pero también ha incrementado el consumo de recursos, la generación de residuos y la presión sobre los ecosistemas. El crecimiento de la población mundial y su concentración en las ciudades intensifican estos impactos y plantean la necesidad de avanzar hacia modelos más sostenibles.

Esta transformación afecta especialmente al sector de la construcción, debido a su elevado consumo de materias primas, energía y agua, así como a la cantidad de residuos que genera. Por ello, la transición hacia una construcción sostenible requiere no solo reducir el consumo energético de los edificios, sino también cambiar la forma en que se diseñan, construyen, utilizan, mantienen y desmontan las infraestructuras.

Ante esta situación, la Economía Circular (EC) plantea una alternativa al modelo lineal. Su objetivo es mantener los materiales y productos en uso durante el mayor tiempo posible, reducir la extracción de recursos y minimizar la generación de residuos. Aplicada a la construcción, implica diseñar edificios e infraestructuras que puedan adaptarse, repararse, reutilizarse y desmontarse, manteniendo el valor de sus materiales durante el mayor tiempo posible.

La economía circular se ha desarrollado a partir de diferentes ideas y enfoques:

  • La economía de la «Nave Espacial Tierra», propuesta por Kenneth Boulding en 1966, plantea que la Tierra es un sistema cerrado con recursos y capacidad de asimilación limitados.
  • La economía en bucles, desarrollada por Walter Stahel y Geneviève Reday-Mulvey en 1981, propone sustituir el modelo lineal por ciclos que permitan mantener los materiales en uso y prolongar la vida útil de los productos.
  • La ecología industrial plantea que los sistemas industriales pueden funcionar de manera similar a los ecosistemas naturales. Así, los residuos o subproductos de una actividad pueden convertirse en recursos para otra.
  • El diseño Cradle-to-Cradle (de la cuna a la cuna) propone diseñar productos y materiales para que puedan reintegrarse en ciclos técnicos o biológicos, evitando que se conviertan en residuos.

Dentro de este marco, la Fundación Ellen MacArthur define la economía circular como un sistema diseñado para restaurar y regenerar los recursos. Esto implica reducir la generación de residuos, utilizar energías renovables y evitar sustancias que dificulten la reutilización de los materiales.

En la construcción sostenible, estos principios pueden aplicarse desde las primeras decisiones de diseño. La selección de materiales, la optimización de estructuras, la reutilización de componentes, el uso de materiales reciclados, la durabilidad y la posibilidad de desmontar y reutilizar los elementos al final de su vida útil son algunas de las estrategias que permiten reducir el consumo de recursos y el impacto ambiental de los proyectos.

La economía circular puede contribuir, por tanto, a transformar el sector de la construcción desde un modelo basado en consumir y desechar hacia otro centrado en reducir, reutilizar, mantener y recuperar. Sin embargo, su aplicación práctica sigue siendo limitada. Esto plantea la necesidad de desarrollar metodologías, herramientas y profesionales capaces de integrar los principios de la circularidad en el diseño, la construcción y la gestión de edificios e infraestructuras.

2. ANATOMÍA TEÓRICA Y FUNCIONAL DEL DIAGRAMA DE MARIPOSA

El diagrama de mariposa es una de las principales herramientas de la economía circular. Desarrollado por la Fundación Ellen MacArthur, permite representar de forma sencilla cómo pueden mantenerse los materiales y productos en uso durante el mayor tiempo posible, evitando que se conviertan en residuos.

Su estructura distingue dos grandes ciclos:

  • Ciclo biológico: incluye materiales de origen biológico que pueden reintegrarse a la naturaleza mediante procesos como la regeneración, el compostaje o la biodegradación.
  • Ciclo técnico: incluye materiales que no se degradan de forma natural, como metales, minerales, plásticos o materiales sintéticos. El objetivo es mantenerlos en el sistema económico mediante estrategias como el mantenimiento, la reutilización, la reparación, la remanufactura y el reciclaje.

Esta distinción resulta especialmente útil en la construcción sostenible, ya que gran parte de los materiales utilizados en edificios e infraestructuras pertenece al ciclo técnico. El hormigón, el acero, el vidrio o determinados plásticos pueden permanecer en uso durante largos periodos y, posteriormente, reutilizarse o recuperarse. Por ello, las decisiones tomadas durante el diseño condicionan la posibilidad de mantener estos materiales en el ciclo.

El centro del diagrama representa la actividad económica y conecta los materiales con los procesos de fabricación, construcción, uso y mantenimiento. En este sistema, la información también desempeña un papel relevante: conocer el origen, las características, el estado y la composición de los materiales facilita su trazabilidad y permite tomar mejores decisiones a lo largo de su vida útil.

Principios del diagrama de mariposa

El funcionamiento del modelo se basa en tres principios:

  1. Preservar los recursos naturales. Reducir el consumo de recursos finitos y favorecer el uso de recursos renovables.
  2. Mantener los productos y materiales en uso. Alargar su vida útil mediante el mantenimiento, la reparación, la reutilización y otras estrategias de economía circular.
  3. Reducir los impactos ambientales desde el diseño. Evitar residuos, emisiones y otros impactos negativos antes de que se generen.

La jerarquía de los bucles

El diagrama establece una idea especialmente relevante para la construcción sostenible: cuanto más cerca se mantenga un producto de su uso original, mayor será el valor que se conserva. Por eso, las estrategias circulares siguen una jerarquía.

Primero se priorizan acciones como mantener, reparar, reutilizar o adaptar un elemento. Después aparecen opciones que requieren una transformación mayor, como la remanufactura o el reciclaje. Estas últimas suelen implicar un mayor consumo de energía, de materiales y de trabajo.

En construcción, esta jerarquía significa que, antes de demoler y reciclar un elemento, conviene estudiar si puede mantenerse, repararse, reutilizarse o adaptarse. El objetivo no es simplemente gestionar mejor los residuos, sino evitar que se conviertan en residuos y conservar el mayor valor posible de los materiales y componentes.

3. EL CICLO TÉCNICO (ALA AZUL): GESTIÓN DE MATERIALES Y RECURSOS

El ciclo técnico incluye materiales que no pueden volver directamente a la naturaleza, como el acero, el hormigón, el vidrio o los plásticos. En la construcción, estos materiales constituyen una parte importante de los recursos empleados en edificios e infraestructuras. Por ello, el objetivo es mantenerlos en uso durante el mayor tiempo posible, reducir el consumo de nuevas materias primas y evitar que se conviertan en residuos. La construcción sostenible incorpora este enfoque desde el diseño, buscando que los materiales puedan mantenerse, repararse, reutilizarse o recuperarse a lo largo de su vida útil.

La primera estrategia es compartir. Consiste en aumentar el uso de un producto mediante su uso por parte de diferentes personas o empresas. En el sector de la construcción, puede aplicarse al uso compartido de maquinaria, herramientas y otros equipos entre distintas obras. De esta forma, se aprovechan mejor los recursos existentes y se reduce la necesidad de adquirir y fabricar nuevos equipos.

Otra estrategia es el mantenimiento y la reparación, que permiten prolongar la vida útil de edificios, instalaciones, equipos y componentes. Un mantenimiento adecuado ayuda a prevenir daños y a evitar sustituciones innecesarias. En la construcción sostenible, esto también implica diseñar edificios cuyos elementos sean accesibles y fáciles de mantener y reparar. Alargar la vida útil de un componente permite reducir el consumo de materiales y la generación de residuos asociados a su sustitución.

Cuando un elemento deja de ser necesario en su ubicación original, puede reutilizarse. Esta estrategia consiste en utilizar de nuevo un componente manteniendo, siempre que sea posible, su función original. En la construcción, pueden reutilizarse elementos como puertas, estructuras metálicas, revestimientos, piezas de instalaciones o determinados componentes de fachada. Para facilitarlo, es necesario tener en cuenta, desde el diseño, cómo pueden desmontarse y recuperarse los elementos sin dañarlos. Así, la reutilización se convierte en una herramienta para reducir los residuos de construcción y aprovechar materiales que aún conservan valor.

Cuando un producto o componente presenta un mayor grado de deterioro, puede recurrirse a su renovación. En lugar de sustituirlo por completo, se reparan o actualizan las partes necesarias para que siga funcionando. En edificios e infraestructuras, esta estrategia puede aplicarse a equipos, instalaciones y sistemas que se adapten a nuevas necesidades. Esto permite prolongar su funcionamiento y evitar el consumo de recursos asociado a una sustitución completa.

El reciclaje se utiliza cuando las opciones anteriores ya no son posibles. Consiste en transformar un producto para recuperar los materiales que lo componen y utilizarlos como materia prima para fabricar nuevos productos. En la construcción, materiales como el acero, el vidrio, algunos plásticos y determinados residuos minerales pueden recuperarse y reutilizarse en nuevos procesos. Aunque el reciclaje es una herramienta importante para reducir los residuos de construcción y demolición, requiere energía y conlleva la pérdida de parte de la forma y la función originales del producto. Por ello, desde la construcción sostenible se priorizan, siempre que sea posible, estrategias que mantengan el producto o componente en uso.

El ciclo técnico plantea, así, una forma distinta de entender los materiales de construcción.Antes de sustituir, demoler o reciclar, conviene estudiar si un elemento puede mantenerse, repararse, reutilizarse o renovarse. Esta idea afecta directamente a la forma de diseñar y construir edificios e infraestructuras. La construcción sostenible no consiste únicamente en utilizar materiales con menor impacto ambiental, sino también en aprovechar mejor los materiales que ya tenemos, prolongar su vida útil y evitar que pierdan su valor antes de tiempo.

Desde esta perspectiva, las decisiones tomadas al inicio de un proyecto tienen una gran influencia en lo que ocurrirá con los materiales en el futuro. Diseñar edificios adaptables, facilitar el mantenimiento, utilizar sistemas desmontables y prever la posible reutilización de los componentes permite mantener los recursos dentro del ciclo técnico durante más tiempo. De este modo, la construcción sostenible pasa de centrarse únicamente en reducir los impactos durante la obra a considerar todo el ciclo de vida de los materiales y del edificio.

4. EL CICLO BIOLÓGICO (ALA VERDE): REGENERACIÓN DE LOS RECURSOS NATURALES

El ciclo biológico incluye materiales de origen natural que pueden reintegrarse de forma segura a la naturaleza y contribuir a la generación de nuevos recursos. Mientras que el ciclo técnico busca mantener los materiales en uso, el ciclo biológico busca devolver nutrientes al suelo y aprovechar materiales que pueden regenerarse de forma natural.

En la construcción sostenible, este ciclo puede aplicarse mediante el uso de materiales de origen biológico, el aprovechamiento de residuos orgánicos y la incorporación de vegetación en los edificios. Algunos ejemplos son la madera, el corcho, la paja, el cáñamo y otras fibras vegetales utilizadas en elementos constructivos. También pueden incluirse soluciones como cubiertas verdes, fachadas vegetales, jardines y sistemas de gestión de residuos orgánicos.

Una de las estrategias es el cascadeo, que consiste en reutilizar un material de origen biológico varias veces antes de devolverlo a la naturaleza. En construcción, un ejemplo sería recuperar vigas o tablones de madera de un edificio y reutilizarlos posteriormente en otra estructura, suelos, revestimientos o mobiliario. Cuando la madera ya no puede utilizarse como producto, puede transformarse en tableros u otros productos derivados. Finalmente, sus restos pueden aprovecharse para generar energía o incorporarse a procesos biológicos adecuados. De esta forma, se prolonga el uso del material antes de que este termine su ciclo.

Otra aplicación consiste en utilizar residuos vegetales para fabricar productos de construcción. Por ejemplo, las fibras de cáñamo pueden utilizarse en paneles aislantes; el corcho, en soluciones de aislamiento térmico y acústico; y la paja, en sistemas de cerramiento o aislamiento. También existen paneles fabricados a partir de fibras de madera y de otros residuos vegetales. Estas soluciones permiten aprovechar recursos renovables y, en determinados casos, reducir el uso de materiales de origen fósil.

La madera es otro ejemplo relevante en el ciclo biológico. Puede utilizarse en estructuras, forjados, cubiertas, fachadas, particiones interiores y acabados. Para aprovechar mejor este recurso, el diseño puede facilitar el desmontaje de las piezas y su posterior reutilización. Una viga de madera que pueda desmontarse sin dañarse tendrá más probabilidades de reutilizarse cuando el edificio sea reformado o desmontado.

La vegetación integrada en los edificios también permite aplicar principios del ciclo biológico. Las cubiertas verdes pueden incorporar plantas y sustratos naturales sobre las cubiertas de los edificios, mientras que las fachadas vegetales y los jardines pueden introducir vegetación en espacios urbanos con poca superficie disponible. Estas soluciones pueden contribuir a mejorar la biodiversidad, a retener parte del agua de lluvia y a mejorar las condiciones ambientales de los espacios exteriores.

El compostaje puede incorporarse a proyectos que cuentan con zonas verdes o generan residuos orgánicos. Los restos de poda, hojas y otros residuos vegetales pueden transformarse en compost y utilizarse posteriormente en jardines, patios, parques o cubiertas verdes. Por ejemplo, los restos de poda generados durante el mantenimiento de un complejo residencial pueden tratarse y utilizarse para mejorar el suelo de sus zonas ajardinadas.

La digestión anaerobia permite aprovechar residuos orgánicos para producir biogás y un material rico en nutrientes. En proyectos de mayor escala, como mercados, hospitales, campus universitarios o desarrollos urbanos, los residuos orgánicos pueden recolectarse y enviarse a instalaciones de tratamiento. El biogás puede utilizarse para producir energía, mientras que el material resultante puede destinarse a la mejora de suelos, siempre que cumpla con los requisitos correspondientes.

Estas estrategias muestran que el ciclo biológico puede traducirse en decisiones concretas de proyecto: utilizar madera y fibras vegetales, emplear aislamientos de origen natural, recuperar y reutilizar elementos de madera, incorporar cubiertas y fachadas verdes, gestionar los restos de poda mediante compostaje y aprovechar los residuos orgánicos para producir energía.

El objetivo no es que todos los edificios incorporen todas estas soluciones, sino identificar cuáles pueden ser adecuadas para cada proyecto. De este modo, la construcción sostenible puede aprovechar los ciclos naturales no solo para reducir residuos, sino también para generar nuevos recursos, mejorar los suelos, aumentar la vegetación y favorecer la biodiversidad. El ciclo biológico amplía así la visión de la sostenibilidad: el edificio no solo debe reducir su impacto, sino también buscar una relación más positiva con el entorno natural.

5. APLICACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE E INGENIERÍA AMBIENTAL

El sector de la edificación y de las obras civiles se encuentra entre los principales consumidores de materias primas y generadores de residuos a escala mundial. Ante esta situación, la aplicación del Diagrama de Mariposa a la construcción sostenible permite replantear la forma en que se diseñan, construyen, utilizan, mantienen y desmontan los edificios y las infraestructuras. Su objetivo es conservar el valor de los materiales y componentes durante el mayor tiempo posible, reducir el consumo de recursos vírgenes y minimizar la generación de residuos.

Este enfoque facilita la transición hacia modelos constructivos orientados a reducir las emisiones de carbono y a aprovechar al máximo los recursos. Para ello, resulta necesario rediseñar las cadenas de valor de la construcción e incorporar estrategias de economía circular desde las primeras fases de cada proyecto.

5.1. Arquetipos de modelos de negocio circulares en construcción

La aplicación de los principios de economía circular en la construcción puede organizarse en cinco arquetipos de modelos de negocio. Cada uno plantea una estrategia diferente para reducir el consumo de recursos, prolongar la vida útil de los productos o recuperar materiales que, de otro modo, terminarían convirtiéndose en residuos.

1. Suministros circulares

Consiste en sustituir, total o parcialmente, los materiales vírgenes y los procedentes de fuentes fósiles por alternativas renovables, regenerativas o recicladas. Entre estas opciones se encuentran la madera procedente de explotaciones forestales gestionadas de forma responsable, los aislamientos fabricados con cáñamo o paja y los materiales que incorporan materias primas secundarias. Un ejemplo son los áridos reciclados obtenidos a partir de residuos de construcción y demolición (RCD), que pueden emplearse en determinadas aplicaciones en sustitución de los áridos naturales.

2. Prolongación de la vida útil de los edificios

Este modelo busca mantener los edificios y sus componentes en funcionamiento durante el mayor tiempo posible. Para ello, se incorporan criterios como el diseño para la deconstrucción (Design for Disassembly, DfD) y la adaptabilidad funcional. Un edificio diseñado con estos principios puede ser reparado, rehabilitado, transformado o desmontado con mayor facilidad, evitando que sus componentes pierdan su valor prematuramente.

La adaptabilidad también permite modificar los espacios ante cambios en las necesidades de los usuarios, sin tener que sustituir ni demoler grandes partes de la estructura. De este modo, se reduce tanto el consumo de nuevos materiales como la generación de residuos.

3. Servitización de la edificación (Product-as-a-Service)

La servitización modifica el modelo tradicional basado en la compra y propiedad de equipos. En su lugar, el usuario contrata el rendimiento o el servicio proporcionado por un producto, mientras que el fabricante puede conservar la propiedad del producto y asumir responsabilidades relacionadas con su mantenimiento, reparación, actualización y recuperación.

En el sector de la construcción, este modelo puede aplicarse, por ejemplo, al alquiler de sistemas de iluminación (Light-as-a-Service), equipos de climatización, fachadas activas o maquinaria pesada. Al mantener la responsabilidad sobre el producto, el fabricante tiene mayores incentivos para diseñarlo de forma duradera, reparable y actualizable, así como para recuperar sus componentes al finalizar su vida útil.

4. Plataformas compartidas

Las plataformas compartidas permiten optimizar el uso de maquinaria, herramientas e instalaciones que permanecen inactivas durante parte de su vida útil. Mediante plataformas digitales de colaboración, varias empresas constructoras pueden compartir determinados equipos según sus necesidades.

Este sistema puede reducir la necesidad de adquirir maquinaria adicional y mejorar la tasa de utilización de los activos existentes. También puede disminuir el consumo de recursos asociado a la fabricación de nuevos equipos y favorecer una gestión más eficiente de los recursos disponibles.

5. Recuperación de recursos o minería urbana

La minería urbana consiste en recuperar materiales presentes en edificios, infraestructuras y residuos de construcción y demolición para reincorporarlos al sistema productivo. Los RCD pueden ser procesados mediante operaciones de separación, clasificación y tratamiento para recuperar materiales como metales, hormigón, cerámicos o asfaltos.

Estos materiales pueden convertirse en materias primas secundarias para nuevos procesos constructivos, siempre que cumplan los requisitos técnicos y normativos aplicables. De esta forma, los residuos dejan de considerarse únicamente materiales que deben eliminarse y pasan a constituir una fuente potencial de recursos.

5.2. Metodología de implementación progresiva en proyectos constructivos

La aplicación del Diagrama de Mariposa a un proyecto constructivo requiere una metodología que permita identificar los flujos de materiales, detectar pérdidas de valor y seleccionar las estrategias circulares más adecuadas. Para ello, puede seguirse un proceso estructurado en seis etapas.

  1. Definir el sistema: El primer paso consiste en establecer los límites físicos y temporales del proyecto. Se debe determinar qué elementos serán objeto de análisis, como la estructura, la cimentación, la envolvente, las instalaciones o determinadas infraestructuras de servicio. También es necesario establecer el periodo de estudio, desde la fase de diseño y construcción hasta la utilización, la rehabilitación y el posible desmontaje del edificio.
  2. Mapear a los actores: A continuación, se identifican los agentes que intervienen en las distintas etapas de la cadena de valor. Entre ellos se encuentran los fabricantes y proveedores de materiales, arquitectos, ingenieros, empresas constructoras, instaladores, propietarios, usuarios, gestores de mantenimiento y empresas especializadas en la recuperación y gestión de residuos. La participación coordinada de estos actores permite detectar oportunidades de circularidad que difícilmente podrían abordarse desde una única fase del proyecto.
  3. Trazar los flujos de materiales: En esta etapa se cuantifican las entradas y salidas de materiales y, cuando sea necesario, de energía. Cada material debe clasificarse según su pertenencia al ciclo biológico o al ciclo técnico del Diagrama de Mariposa. Esta clasificación permite determinar qué materiales pueden regenerarse mediante procesos naturales y cuáles deben mantenerse en ciclos técnicos de reutilización, reparación, reacondicionamiento, remanufactura o reciclaje.
  4. Identificar los puntos críticos: Una vez conocidos los flujos de materiales, se identifican las principales pérdidas de valor. Entre ellas pueden encontrarse el uso excesivo de materias primas vírgenes, la generación de grandes cantidades de RCD, la dificultad para reparar determinados componentes o la utilización de sistemas constructivos que impiden desmontar y recuperar sus elementos. La identificación de estos puntos permite establecer prioridades y concentrar los esfuerzos de circularidad en las fases con mayor potencial de mejora.
  5. Diseñar estrategias de circularidad: Con la información obtenida, se seleccionan las estrategias más adecuadas para mantener los materiales y componentes dentro del sistema durante el mayor tiempo posible. Se deben priorizar los ciclos internos, como el mantenimiento, la reparación, la reutilización, la adaptación y el reacondicionamiento, antes de recurrir al reciclaje. En el diseño pueden incorporarse soluciones como sistemas modulares, uniones desmontables, componentes reutilizables, materiales reciclados y sistemas constructivos que faciliten futuras intervenciones.
  6. Implementar y medir: La última etapa consiste en implementar las estrategias seleccionadas y evaluar sus resultados mediante indicadores de circularidad. Estos indicadores pueden medir, entre otros aspectos, el porcentaje de materiales reutilizados o reciclados, la cantidad de residuos generados, la vida útil de los componentes, la facilidad de desmontaje o la proporción de materiales recuperables al final de la vida útil del edificio. La utilización de herramientas digitales y sistemas de gestión empresarial, como los sistemas ERP y determinadas soluciones de gestión de la responsabilidad y del diseño de productos, puede facilitar la trazabilidad de los materiales, el seguimiento de los flujos de recursos y el control del cumplimiento de los requisitos ambientales y normativos.

En conjunto, esta metodología permite integrar la economía circular desde la fase de diseño hasta el final de la vida útil del proyecto. El Diagrama de Mariposa sirve como herramienta para visualizar los flujos de recursos y orientar las decisiones de diseño, construcción, mantenimiento y recuperación hacia modelos que reduzcan el consumo de materias primas y mantengan el valor de los materiales durante más tiempo.

6. DESAFÍOS, PARADOJAS Y LÍMITES FÍSICO-ECOLÓGICOS

Aunque el Diagrama de Mariposa ofrece un marco útil para comprender y diseñar sistemas circulares, su aplicación debe analizarse críticamente. La economía circular no elimina las restricciones físicas de los sistemas naturales ni garantiza, por sí sola, una reducción del consumo de recursos. Los procesos de extracción, transformación, utilización, recuperación y reciclaje están condicionados por principios termodinámicos y por factores económicos, tecnológicos y sociales.

Por este motivo, una estrategia de circularidad debe evaluar no solo si un material puede reutilizarse, sino también cuánta energía requiere su recuperación, qué cantidad de material se pierde durante el proceso, qué calidad conserva tras cada ciclo y si el sistema realmente reduce el impacto ambiental.

6.1. La Segunda Ley de la Termodinámica y la entropía

Los sistemas económicos funcionan como sistemas abiertos que intercambian materia y energía con el entorno. Aunque los materiales pueden mantenerse dentro de ciclos técnicos o biológicos durante determinados periodos, ningún proceso de recuperación real es completamente eficiente. La transformación y utilización de los recursos generan pérdidas de materia y energía y, en muchos casos, provocan una disminución de la calidad del material.

Esta limitación es especialmente relevante en los procesos de reciclaje. Por ejemplo, determinados metales pueden reciclarse repetidamente, pero durante su recuperación pueden producirse pérdidas, contaminación o mezclas con otros materiales que dificulten su separación. En el caso de los plásticos, la exposición al calor, la radiación o los procesos mecánicos puede modificar sus propiedades, haciendo que algunos materiales solo puedan destinarse posteriormente a aplicaciones de menor exigencia. Este proceso se conoce como downcycling.

La economía circular, por tanto, no debe interpretarse como un sistema en el que los materiales circulan indefinidamente sin pérdidas. Su objetivo es reducir la extracción de recursos y conservar el valor de los materiales durante el mayor tiempo posible, reconociendo que existen límites físicos a la recuperación.

Esto implica que el reciclaje debe situarse en una jerarquía de estrategias. Cuando sea técnicamente viable, mantener un producto en uso, repararlo, reutilizarlo o reacondicionarlo suele conservar más valor que transformarlo de nuevo en materia prima. El reciclaje continúa siendo necesario para los materiales que ya no pueden mantenerse en ciclos de mayor valor, pero no elimina la necesidad de reducir el consumo de recursos desde su origen.

6.2. La paradoja de Jevons y el efecto rebote

La paradoja de Jevons describe una situación en la que una mejora de la eficiencia en el uso de un recurso puede provocar un aumento de su consumo total. El mecanismo es relativamente sencillo: si una nueva tecnología permite utilizar menos recursos por unidad de producto y, al mismo tiempo, reduce los costes de producción o de uso, puede aumentar la demanda del producto o servicio.

Por ejemplo, una tecnología que reduzca considerablemente el consumo de material por unidad producida puede disminuir el impacto asociado a cada unidad. Sin embargo, si esa reducción de costes permite fabricar y vender un número mucho mayor de unidades, el consumo total de recursos podría disminuir menos de lo esperado o incluso aumentar.

Este fenómeno también puede presentarse en las estrategias de economía circular. Una mejora en la eficiencia del reciclaje, la reducción del consumo de material por producto o la optimización del uso de determinados equipos no garantiza automáticamente una reducción del impacto ambiental total.

Por ello, la evaluación de una estrategia circular debe considerar tanto la eficiencia por unidad como los efectos sobre la demanda y el consumo agregado. Las mejoras tecnológicas pueden requerir complementarse con medidas destinadas a reducir la generación de residuos, prolongar la vida útil de los productos y evitar incrementos innecesarios de la demanda material.

6.3. Riesgo de greenwashing y falsa circularidad

La expansión de la economía circular también conlleva el riesgo de que algunas organizaciones utilicen conceptos como «circular», «reciclable» o «sostenible» sin que haya una transformación real de sus procesos productivos. El greenwashing se da cuando una organización comunica una imagen ambientalmente responsable que no está suficientemente respaldada por sus prácticas, resultados o datos verificables.

En el caso de la economía circular, este riesgo puede surgir cuando una empresa destaca el uso de materiales reciclados, pero mantiene un modelo basado principalmente en productos de corta duración, con un elevado consumo de recursos y escasas posibilidades de reparación o reutilización. También puede aparecer cuando se presenta como circular un proceso de reciclaje que recupera únicamente una pequeña parte de los materiales originales o que requiere una cantidad elevada de energía para funcionar.

La función del ingeniero ambiental consiste, entre otras tareas, en comprobar, mediante métodos cuantitativos, si las medidas adoptadas producen, de hecho, una mejora ambiental. Para ello, pueden utilizarse herramientas como el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), los balances de masa y de energía y los indicadores de circularidad.

El ACV permite evaluar los impactos ambientales asociados a las distintas etapas del ciclo de vida de un producto, material o sistema. Los balances de masa permiten comprobar qué cantidad de materia entra en un proceso, cuánto producto útil se obtiene y qué fracción termina como residuo o se pierde. La combinación de estas herramientas ayuda a distinguir entre una circularidad meramente declarativa y una estrategia respaldada por resultados medibles.

6.4. Límites físicos y ecológicos de la economía circular

La economía circular debe entenderse como una estrategia para reducir la presión sobre los recursos naturales, no como un mecanismo capaz de eliminarla por completo. Los ecosistemas tienen una capacidad limitada para proporcionar materias primas, absorber residuos y regenerar recursos biológicos. Del mismo modo, la disponibilidad de determinados minerales y materiales no es infinita y su extracción puede generar impactos en el suelo, el agua, la biodiversidad y el clima.

Por esta razón, una economía circular eficaz debe combinar el mantenimiento de los materiales en los ciclos con la reducción de la demanda de recursos y de los impactos asociados a su producción. La circularidad y la eficiencia material son herramientas complementarias, pero ninguna de ellas elimina por sí sola las restricciones ecológicas.

El análisis técnico debe considerar, además, posibles compensaciones entre impactos. Una solución que aumente el porcentaje de material reciclado puede requerir más energía, transporte o tratamiento que una alternativa convencional. Por ello, el hecho de que un material sea reciclable o reutilizable no demuestra por sí mismo que la solución tenga un menor impacto ambiental.

Desde la ingeniería ambiental, el reto consiste en determinar cuándo una estrategia circular genera una mejora ambiental real y bajo qué condiciones. Esto requiere analizar los flujos de materia y de energía, evaluar los impactos a lo largo de todo el ciclo de vida y considerar los límites físicos del sistema. El Diagrama de Mariposa constituye así una herramienta de planificación, pero sus resultados deben contrastarse con datos técnicos y ambientales antes de considerar que una solución determinada es verdaderamente circular.

7. PREGUNTAS DE AUTOEVALUACIÓN Y ESTUDIO

Las siguientes preguntas permiten comprobar la comprensión de los principales conceptos relacionados con el Diagrama de Mariposa, la economía circular y sus aplicaciones en la ingeniería ambiental. Las respuestas incluyen una explicación breve que permite revisar el razonamiento detrás de cada concepto.

1. ¿Por qué los bucles internos del ciclo técnico, como compartir, mantener o reparar, suelen ser preferibles al reciclaje desde el punto de vista energético?

Respuesta: Los bucles internos permiten conservar gran parte de la estructura, los materiales y el trabajo incorporados al producto original. Cuando un producto se mantiene en uso, se repara o se comparte, se evita recurrir a procesos intensivos de transformación para recuperar sus materiales.

El reciclaje, en cambio, puede requerir operaciones de recogida, transporte, separación, trituración, fundición o transformación. Estos procesos consumen energía y pueden provocar pérdidas de material o una reducción de su calidad. Por este motivo, siempre que sea técnica y económicamente viable, mantener un producto o componente en uso suele permitir conservar más valor con un menor consumo adicional de recursos.

2. ¿Cuál es la diferencia entre el destino de los materiales del ciclo técnico y el de los materiales del ciclo biológico?

Respuesta: El ciclo técnico está destinado principalmente a materiales que no pueden reintegrarse de forma segura en los procesos naturales, como determinados metales, plásticos, componentes electrónicos o materiales sintéticos. Su objetivo es mantener estos recursos en ciclos de uso, reparación, reutilización, reacondicionamiento, remanufactura y reciclaje.

El ciclo biológico, por su parte, comprende materiales biodegradables que pueden reintegrarse de forma segura a la biosfera. Mediante procesos como el compostaje o la digestión biológica, determinados nutrientes pueden reincorporarse a los sistemas naturales y contribuir a su regeneración.

La diferencia principal reside, por tanto, en el destino que debe darse a cada tipo de material: los recursos técnicos deben mantenerse en sistemas controlados de recuperación, mientras que los materiales biológicos pueden retornar a los procesos naturales cuando sus características lo permiten.

3. ¿En qué consiste la servitización o el modelo de «producto como servicio» en la edificación?

Respuesta: La servitización sustituye, total o parcialmente, la compra de un equipo por la contratación de la función o del servicio que este proporciona. En lugar de adquirir un sistema de iluminación, por ejemplo, el cliente puede contratar un servicio de iluminación durante un periodo determinado.

Este modelo puede modificar los incentivos del fabricante. Si mantiene la propiedad del equipo, también puede asumir responsabilidades relacionadas con su mantenimiento, reparación, actualización y recuperación al final de su vida útil. Esto puede favorecer el desarrollo de productos más duraderos, reparables, modulares y eficientes.

En construcción, el modelo puede aplicarse a sistemas de iluminación, climatización, ascensores, maquinaria, equipamiento técnico o determinadas soluciones de gestión energética.

4. ¿El diagrama de mariposa se aplica únicamente a grandes empresas multinacionales?

Respuesta: No. Los principios representados por el Diagrama de Mariposa pueden aplicarse a organizaciones de diferentes tamaños y a proyectos de escalas muy diversas. Una pequeña o mediana empresa puede incorporar estrategias como la reparación, la reutilización, la compra de materiales reciclados, la recuperación de componentes o el intercambio de equipos.

La escala modifica los recursos disponibles y la capacidad de inversión, pero no impide aplicar los principios de la circularidad. Además, determinados modelos pueden resultar especialmente adecuados para iniciativas locales, como redes de reutilización, plataformas de maquinaria compartida, aprovechamiento de residuos de construcción o sistemas locales de recuperación de materiales.

Por ello, la economía circular no debe asociarse exclusivamente a grandes organizaciones. Su aplicación puede adaptarse a las características, recursos y necesidades de cada empresa o proyecto.

5. ¿Cómo se relaciona la paradoja de Jevons con las estrategias de eficiencia y de circularidad?

Respuesta: La paradoja de Jevons plantea que una mejora en la eficiencia en el uso de un recurso no siempre se traduce en una reducción equivalente de su consumo total. Si una tecnología utiliza menos materiales por unidad de producto y, al mismo tiempo, reduce los costes, puede aumentar la demanda y elevar el número total de unidades producidas o utilizadas.

En una estrategia circular, esto significa que lograr una mayor eficiencia material o energética no garantiza, por sí solo, una reducción del impacto ambiental global. También es necesario analizar cómo varían los niveles de producción, consumo y demanda.

Por ello, las mejoras de eficiencia deben combinarse con estrategias destinadas a prolongar la vida útil de los productos, reducir la generación de residuos, favorecer la reutilización y limitar el consumo innecesario de recursos. La evaluación debe realizarse considerando tanto el rendimiento de cada unidad como los efectos sobre el consumo total del sistema.

8. CONCLUSIÓN

El Diagrama de Mariposa ofrece un marco para comprender y gestionar la circulación de materiales y recursos, e identificar oportunidades para reducir las pérdidas de valor y prolongar su uso. No plantea un crecimiento ilimitado, sino una estrategia orientada a reducir el consumo de recursos, la generación de residuos y los impactos ambientales.

En la Ingeniería Ambiental y la Construcción Sostenible, su aplicación permite pasar de una gestión centrada en el tratamiento de residuos a un enfoque preventivo basado en el diseño. El ingeniero desempeña un papel central en este proceso, ya que debe seleccionar materiales, definir soluciones constructivas, evaluar los flujos de materia y de energía y diseñar sistemas que faciliten la reparación, la adaptación, el desmontaje y la recuperación de los componentes.

Además, su responsabilidad incluye verificar técnicamente que las estrategias de circularidad generan beneficios ambientales reales. Para ello, debe apoyarse en herramientas como el análisis del ciclo de vida, los balances de materia y de energía y los indicadores de circularidad. De este modo, el ingeniero deja de intervenir únicamente cuando se genera el residuo y pasa a actuar desde la concepción del proyecto, integrando criterios ambientales en las decisiones técnicas y contribuyendo a que los edificios y las infraestructuras mantengan el valor de sus materiales a lo largo de sucesivos ciclos de uso.

En esta conversación puedes escuchar las ideas más interesantes sobre este tema.

Ni ladrillo ni hormigón: las 5 claves sorprendentes de la casa del futuro

De vez en cuando, los resultados de los trabajos de investigación de nuestro grupo tienen una gran repercusión. En algunos artículos anteriores podéis ver un ejemplo de la repercusión del proyecto RESILIFE. En este caso, se trata de una entrevista que me realizó Eduard Muñoz para el programa Un día perfecte. Se trata de un espacio donde se abre una puerta a todas aquellas personas con inquietudes culturales y científicas. Mi agradecimiento.

A continuación, os dejo un resumen de la entrevista. Al final del artículo, podréis escucharla completa. Espero que os resulte interesante.

El acceso a una vivienda digna, asequible y sostenible es uno de los grandes desafíos de nuestra era. Ante la escasez, el aumento de los costes y la necesidad de reducir el impacto medioambiental, buscar soluciones se ha convertido en una urgencia global. A menudo, las respuestas más innovadoras no provienen de las oficinas de las grandes constructoras, sino de la investigación académica. En este caso, un equipo de la Universitat Politècnica de València (UPV), dirigido por el investigador Víctor Yepes y la doctoranda Ximena Luque, ha desarrollado una nueva metodología que cambia nuestra forma de entender la construcción. Sus conclusiones, fruto de un riguroso análisis, desafían muchas de nuestras ideas preconcebidas sobre cómo debe ser la casa del futuro.

Olvida la idea del «barracón»: la prefabricación de alta calidad ya está aquí.

En España, la palabra «prefabricado» suele evocar una imagen de baja calidad, de construcciones temporales o «barracones» poco estéticos. Sin embargo, como explica Yepes, esta percepción está completamente desactualizada. Para desmontar este mito, propone una analogía contundente: las autocaravanas de gran lujo o los yates son elementos industrializados y prefabricados que alcanzan un altísimo nivel de acabado y calidad. El principio es el mismo: fabricar componentes en un entorno de fábrica controlado permite un nivel de precisión y de control de calidad difícil de lograr en una obra a la intemperie. Este nuevo enfoque de construcción industrializada no es una solución de segunda categoría, sino una tendencia en auge en los países nórdicos y en ciudades como Londres, que demuestra que la eficiencia de la fabricación en serie puede ir de la mano de la excelencia y el diseño.

La vivienda más eficiente está hecha de acero ligero.

El proyecto de investigación RESILIFE se centró en un caso de estudio en Perú, un país que se enfrenta a dos grandes desafíos en materia de vivienda: la prevalencia de la autoconstrucción de baja calidad y el alto riesgo sísmico. Tras analizar múltiples alternativas, desde los tradicionales muros de ladrillo y hormigón armado hasta paneles prefabricados, el estudio halló la solución óptima para este contexto específico: un sistema industrializado de acero ligero conocido como light steel frame.

Esta solución resultó ser superior por varias razones clave:

  • Seguridad sísmica: cumple con la estricta normativa de zonas de alto riesgo sísmico.
  • Eficiencia energética: proporciona un alto rendimiento energético, lo que reduce los costes de mantenimiento a largo plazo.
  • Estructura liviana: se basa en paneles prefabricados que conforman una estructura muy ligera.
  • Velocidad de construcción: permite una edificación extraordinariamente rápida, una ventaja crucial en situaciones de emergencia, como demostró China al construir un hospital en 15 días durante la pandemia.

Este caso demuestra que los materiales tradicionales no siempre son la respuesta más inteligente.

«El hormigón y el ladrillo son formas tradicionales de construcción en España, pero no hay que descartar otras posibilidades que, gracias a las nuevas tecnologías de inteligencia artificial, diseño asistido por ordenador, etc., harán que en el futuro sean posiblemente las más rápidas y eficientes».

— Víctor Yepes, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH).

Reducir el coste de construcción no basta para solucionar la crisis de la vivienda.

Los sistemas industrializados, como el de acero ligero, pueden reducir los costes directos de construcción entre un 15 % y un 20 %, lo cual no es una cifra desdeñable. Sin embargo, este ahorro no es la solución mágica a la crisis de asequibilidad, al menos en España. El investigador señala una realidad estructural del mercado inmobiliario español: el suelo SUELE representa más del 50 % del precio final de una vivienda. Por lo tanto, aunque abaratar la construcción es un paso positivo, la solución fundamental para que los precios bajen pasa por otra vía: es necesario poner más suelo público en el mercado para equilibrar la oferta y la demanda.

La clave no es un tipo de casa, sino una «receta» inteligente para construirla.

Aunque la casa de acero ligero en Perú es un resultado interesante, el verdadero avance de esta investigación no es un producto, sino un proceso. El resultado más importante es la creación de una metodología universal y adaptable, un motor capaz de generar la mejor solución para cualquier lugar del mundo. El equipo ha desarrollado una herramienta objetiva e imparcial que, mediante el uso de inteligencia artificial, puede analizar las condiciones locales y determinar la solución constructiva más adecuada.

Esta metodología tiene en cuenta una gran variedad de factores para tomar la decisión más acertada.

  • Costes locales de energía, electricidad y transporte.
  • La normativa vigente en la zona.
  • Disponibilidad de materiales y mano de obra.
  • Nivel de especialización de los trabajadores locales.

Esto significa que la mejor solución para Perú no tiene por qué serlo para España o el Reino Unido. La verdadera innovación consiste en ofrecer una solución personalizada y optimizada para las circunstancias específicas de cada lugar.

El futuro de la construcción debe ser inteligente, pero también humano.

Este trabajo demuestra que el futuro de la vivienda no depende de aferrarse a un único material, sino de aplicar inteligencia y una visión holística. No obstante, los investigadores advierten contra una solución puramente tecnocrática. Un proceso industrial muy eficiente puede reducir costes, pero si deja de lado a la mano de obra local, simplemente cambia un problema por otro. Por ello, ahora estudian cómo integrar el «factor humano» en su metodología. La casa verdaderamente «inteligente» del futuro también debe tener un impacto social inteligente, equilibrando la eficiencia con el empleo.

El conocimiento para construir mejor ya existe. Como subraya Víctor Yepes, la ciencia y la universidad generan soluciones aplicables a problemas reales. Su llamamiento final es un recordatorio crucial para los responsables políticos y económicos: es hora de escuchar a la investigación y aplicar estos criterios para construir un futuro más sostenible y justo para todos.

Si la ciencia ya nos ofrece las herramientas para construir de forma más inteligente y sostenible, ¿estamos preparados como sociedad para adoptar el cambio?

Os dejo la entrevista completa. Espero que os resulte interesante.

Referencia

LUQUE-CASTILLO, X.; YEPES, V. (2025). Life Cycle Assessment of Social Housing Construction: A Multicriteria Approach. Building and Environment, 282:113294. DOI:10.1016/j.buildenv.2025.113294

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Energía de impacto: cómo responden las estructuras ante una colisión

Figura 1. Ejemplo de carga de impacto entre dos vehículos.

En ingeniería, las cargas que actúan sobre una estructura se clasifican en dos tipos principales: estáticas y dinámicas, según si permanecen constantes o varían con el tiempo.

Una carga estática se aplica lentamente y no produce efectos vibratorios ni dinámicos en la estructura. Es decir, la carga aumenta gradualmente desde cero hasta alcanzar su valor máximo y, a partir de ahí, permanece constante. Un ejemplo de carga estática típica es el peso de un objeto colocado cuidadosamente sobre una superficie.

Por su parte, las cargas dinámicas pueden adoptar muchas formas y comportarse de manera más compleja. Algunas se aplican y se retiran de forma repentina, como las cargas de impacto, mientras que otras persisten durante periodos largos y varían continuamente de intensidad, y se conocen como cargas fluctuantes. Las cargas de impacto se producen, por ejemplo, cuando dos objetos colisionan o cuando un objeto en caída golpea una estructura (Figura 1). En cambio, las cargas fluctuantes suelen estar asociadas a maquinaria rotatoria, tránsito de vehículos, ráfagas de viento, olas del mar, movimientos sísmicos o procesos industriales de fabricación. La carga dinámica sobre un cuerpo se puede considerar como una carga aplicada en forma estática multiplicada por un factor de mayoración.

Muchos elementos de las máquinas están sometidos a cargas variables que cambian de intensidad con el tiempo. El comportamiento de los materiales sometidos a este tipo de carga es muy diferente del que presentan frente a cargas estáticas. Por ejemplo, una pieza que puede soportar sin problemas una gran carga estática podría fallar si se le aplica una carga mucho menor, pero repetida un gran número de veces.

Las cargas variables generan esfuerzos alternantes en el material que tienden a producir pequeñas grietas en su superficie. Con cada repetición de la carga, estas grietas se van propagando poco a poco hasta que finalmente se produce la rotura total de la pieza. A este fenómeno, en el que la acumulación de daños por cargas repetidas provoca la fractura, se le conoce como fatiga.

Para ilustrar cómo responde una estructura ante una carga dinámica, analicemos un caso sencillo, pero revelador: el impacto de un objeto que cae sobre el extremo inferior de una barra prismática (Figura 2). Supongamos que un collarín con masa , inicialmente en reposo, se deja caer desde una altura hasta chocar contra una brida fija al extremo inferior de la barra.

Figura 2. Carga de impacto sobre una barra prismática.

Cuando el collarín golpea la brida, la barra comienza a alargarse debido a que el impacto genera esfuerzos axiales internos. En un intervalo muy breve, del orden de algunos milisegundos, la brida desciende y alcanza su posición de desplazamiento máximo. A partir de ese momento, la barra comienza a vibrar longitudinalmente: primero se acorta, después se alarga, luego se vuelve a acortar y así sucesivamente, con el extremo inferior oscilando hacia arriba y hacia abajo.

Estas vibraciones son similares a las que se observan cuando se estira y suelta un resorte o cuando una persona salta con una cuerda elástica atada al tobillo. No obstante, estas vibraciones no persisten indefinidamente, ya que el material presenta efectos de amortiguamiento que hacen que se atenúen rápidamente y la barra finalmente quede en reposo con la masa M apoyada sobre la brida.

Es evidente que la respuesta de la barra al impacto del collarín es bastante compleja. Un análisis completo y preciso requiere recurrir a técnicas matemáticas avanzadas para describir el fenómeno en detalle. Sin embargo, es posible obtener una aproximación útil utilizando el concepto de energía de deformación y formulando algunas suposiciones simplificadoras.

  • Antes de liberar el collarín, este se encuentra a una altura sobre la brida y posee una energía potencial gravitatoria:

donde es la aceleración de la gravedad.

  • A medida que cae, la energía potencial se convierte en energía cinética. Justo al impactar, toda la energía es cinética:

siendo n=√(2 · g · h) la velocidad del collarín en el momento del choque.

Figura 3. Alargamiento producido por el impacto

Durante el impacto, la energía cinética del collarín se transforma en otras formas de energía. Una parte se convierte en energía de deformación cuando la barra se estira. Otra parte se disipa en forma de calor y mediante deformaciones plásticas locales tanto en el collarín como en la brida. Además, una pequeña fracción de la energía permanece como energía cinética residual en el collarín, que puede seguir moviéndose hacia abajo mientras está en contacto con la brida e, incluso, rebotar hacia arriba.

Para simplificar el análisis de esta situación tan compleja, haremos algunas idealizaciones y asumiremos las siguientes condiciones:

  1. Supondremos que el collarín y la brida están diseñados de manera que, tras el impacto, el collarín «se pega» a la brida y se desplaza hacia abajo con ella. Es decir, asumimos que no hay rebote. Este comportamiento es más probable cuando la masa del collarín es mayor que la de la barra.

  2. Ignoraremos todas las pérdidas de energía y supondremos que toda la energía cinética del collarín al caer se transforma por completo en energía de deformación de la barra. Esta simplificación da como resultado esfuerzos mayores de los que realmente se producirían si se tuvieran en cuenta las pérdidas de energía.

  3. No tendremos en cuenta los cambios en la energía potencial de la barra debidos a su movimiento vertical ni la energía de deformación asociada a su propio peso. Ambos efectos son extremadamente pequeños y pueden ignorarse.

  4. Supondremos que los esfuerzos en la barra se mantienen dentro del rango linealmente elástico, es decir, que no se produce deformación plástica en la barra.

  5. Consideraremos que la distribución de esfuerzos en toda la barra es la misma que si estuviera sometida a una carga estática en su extremo inferior, es decir, que los esfuerzos son uniformes en todo el volumen de la barra. En realidad, las ondas de esfuerzo longitudinal que se propagan por la barra causan variaciones en la distribución del esfuerzo, pero aquí las despreciaremos para simplificar el análisis.

Con estas suposiciones, podemos calcular el alargamiento máximo de la barra y los esfuerzos de tensión máximos producidos por la carga de impacto. Hay que recordar que en este análisis no se tiene en cuenta el peso de la barra y que únicamente se evalúan los esfuerzos generados por la caída del collarín.

Este análisis energético, aunque simplificado, permite comprender los principios fundamentales que rigen la respuesta de las estructuras ante una carga de impacto, así como las vibraciones que se generan y la forma en que se amortiguan hasta que la estructura alcanza un nuevo estado de equilibrio.

En este tipo de análisis, asumimos que no hay pérdidas de energía durante el impacto. Sin embargo, en la realidad estas pérdidas siempre están presentes y, por lo general, se disipan en forma de calor y mediante deformaciones localizadas en los materiales. Por tanto, la energía cinética del sistema es menor inmediatamente después del impacto que antes de este. Esto significa que la barra se deforma menos de lo que predice nuestro análisis simplificado. Por lo tanto, el desplazamiento real del extremo de la barra (como se muestra en la Figura 3) es menor que el calculado en el modelo idealizado.

También supusimos que los esfuerzos en la barra permanecían siempre dentro del límite de proporcionalidad, es decir, en el rango elástico. Si el esfuerzo máximo sobrepasa este límite, la relación entre el alargamiento de la barra y la fuerza axial deja de ser lineal y el análisis se vuelve mucho más complejo.

Además, hay otros factores que influyen en la respuesta real de la estructura y que no hemos tenido en cuenta en el modelo, como las ondas de esfuerzo que se propagan a lo largo de la barra, el amortiguamiento y las posibles imperfecciones en las superficies de contacto. Por estas razones, debemos tener presente que todas las fórmulas y resultados obtenidos bajo estas suposiciones son válidos solo en condiciones muy idealizadas y tienden a sobreestimar el alargamiento real de la barra.

Por otro lado, los materiales dúctiles, es decir, aquellos que pueden deformarse considerablemente más allá del límite de proporcionalidad, ofrecen una mayor resistencia frente a las cargas de impacto que los materiales frágiles. También es importante recordar que las barras con ranuras, agujeros u otras concentraciones de esfuerzo son muy vulnerables al impacto: incluso un golpe ligero puede causar una fractura, aunque el material sea relativamente dúctil bajo cargas estáticas.

Por tanto, para resistir con más eficacia una carga de impacto, un elemento estructural debe tener un gran volumen, estar fabricado con un material que tenga un módulo de elasticidad bajo y una alta resistencia a la fluencia, y tener una forma que permita distribuir los esfuerzos de manera uniforme por todo el elemento.

Para un análisis más profundo, recomendamos al lector consultar alguna referencia como las que dejamos a continuación.

Referencias:

Beer, F.P.; Johnston, J. E.; DeWolf, J.T.; Mazurek, D.F. (2017). Mecánica de Materiales. Séptima edición, McGraw Hill, México.

Gere, J. M., & Goodno, B. J. (2009). Mecánica de materiales. Séptima edición, Cengage Learning Editores, S.A. de C.V., México.

Pasarelas peatonales sostenibles: cómo optimizar su diseño para reducir costes económicos y ambientales

Este artículo se centra en la aplicación práctica de la evaluación del ciclo de vida (LCA) para optimizar el impacto ambiental y los costes de los puentes peatonales compuestos de acero y hormigón. Los autores utilizan el algoritmo de búsqueda de armonía multiobjetivo (MOHS) para identificar soluciones de diseño que minimicen simultáneamente las emisiones de CO₂, la energía incorporada y los costes de construcción. Los resultados muestran una relación directa y lineal entre el coste, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada, lo que sugiere que las soluciones económicamente eficientes también son beneficiosas para el medio ambiente. Se analizan escenarios alternativos, como variaciones en la resistencia del hormigón y fluctuaciones en el precio de los materiales, para evaluar su impacto en los resultados de la optimización. En última instancia, el estudio demuestra la eficacia de combinar la optimización estructural con la evaluación del ciclo de vida para fomentar un diseño de infraestructura más sostenible.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación RESILIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Se trata de una colaboración internacional de nuestro grupo con investigadores brasileños. A continuación se recoge un resumen sintético del trabajo.

El sector de la construcción es uno de los que más recursos consume y más emisiones de gases de efecto invernadero genera. Según el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente, este sector consume alrededor del 34 % de la energía mundial y es responsable de aproximadamente el 37 % de las emisiones de CO₂. Ante esta realidad, mejorar la sostenibilidad de las infraestructuras es fundamental para alcanzar los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la ONU. En este contexto, el artículo «Aplicación práctica de la evaluación del ciclo de vida para optimizar el impacto ambiental de los puentes peatonales de acero y hormigón», de Fernando Luiz Tres Junior y colaboradores, muestra cómo la combinación de la optimización estructural multiobjetivo y la evaluación del ciclo de vida permite diseñar un puente peatonal que reduce simultáneamente su coste económico, las emisiones de CO₂ y la energía incorporada, sin sacrificar la seguridad ni la funcionalidad.

El trabajo aporta varias conclusiones relevantes. Una de las más importantes es que los objetivos de minimizar el coste y el impacto ambiental no son opuestos, sino que las soluciones más baratas también son más sostenibles. Además, el estudio cuantifica con precisión la relación entre estos factores, por lo que es posible estimar cómo varía el impacto ambiental en función del presupuesto. Otra aportación destacable es la validación práctica de la metodología: la combinación de técnicas de optimización y bases de datos de evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés) conduce a soluciones óptimas y robustas, incluso ante cambios en parámetros como la resistencia del hormigón o las fluctuaciones de precios.

El caso de estudio consiste en un puente peatonal de 17,5 m de luz y 3 m de ancho ubicado en el sur de Brasil. La estructura combina vigas de acero soldadas y una losa de hormigón armado, unidas mediante conectores de corte. Las variables de diseño incluyen el espesor y la resistencia del hormigón, las dimensiones de las vigas de acero y el grado de interacción entre ambos materiales. Estas variables pueden adoptar distintos valores discretos, lo que da lugar a más de 700 000 millones de combinaciones posibles. El objetivo de la optimización es hallar las mejores soluciones en términos de coste económico, emisiones de CO₂ y energía incorporada, cumpliendo siempre con la normativa brasileña sobre seguridad estructural y confort frente a vibraciones.

Para evaluar el impacto ambiental de los materiales, los autores utilizaron dos bases de datos. En el caso del acero de las vigas, utilizaron una base de datos internacional, que contiene datos globales sobre emisiones y consumo de energía. En el caso del hormigón y las armaduras, recurrieron a datos locales de producción del sur de Brasil. Además, analizaron dos escenarios alternativos para comprobar la solidez de las soluciones: uno con hormigón de menor resistencia (20 MPa en lugar de 40 MPa) y otro con precios más altos para los materiales (como ocurrió durante la pandemia en 2022).

Todas las soluciones se verificaron para garantizar que cumplían los requisitos normativos de seguridad y servicio, incluidos los estados límite últimos, las deformaciones y las vibraciones. Las soluciones que no superaban estas comprobaciones eran penalizadas y el algoritmo de optimización las descartaba. Para la optimización, utilizaron el algoritmo Multiobjective Harmony Search (MOHS), inspirado en la improvisación musical, que busca soluciones que «armonizan» los distintos objetivos. Este algoritmo genera y mejora iterativamente las soluciones hasta construir la denominada «frontera de Pareto», que recoge las mejores alternativas posibles sin que ninguna sea mejor en todos los objetivos a la vez.

Los resultados muestran que estos tres objetivos —coste, emisiones de CO₂ y energía incorporada— están estrechamente relacionados y no entran en conflicto entre sí. Se evita la emisión de 1 kg de CO₂ por cada 6,56 reales brasileños ahorrados por metro de puente, y se reducen 1 MJ de energía por cada 0,70 reales. Además, por cada 9,3 MJ ahorrados se evita la emisión de 1 kg de CO₂. Estas relaciones lineales reflejan que, al reducir el consumo de materiales, se consigue simultáneamente un ahorro económico y un menor impacto medioambiental.

Las soluciones óptimas obtenidas tienen características muy similares entre sí. La losa de hormigón tiene un espesor de 12 cm y la viga de acero mide aproximadamente 860 mm de altura, con un espesor del alma de 6,35 mm, y mantiene la clásica proporción luz/altura cercana a 20. La anchura de las alas superior e inferior de la viga varía, siendo la inferior más ancha y gruesa. En todos los casos, la interacción entre el acero y el hormigón es completa (grado de interacción igual a 1).

Al considerar el escenario con hormigón de menor resistencia, se observó un aumento del coste total del 3 %, debido a que fue necesario añadir más acero para compensar la menor resistencia del hormigón. En cuanto al impacto ambiental, las emisiones de CO₂ apenas se redujeron (menos de un 1 %), mientras que la energía incorporada aumentó alrededor de un 4 %. En el escenario con precios más altos de los materiales, se obtuvieron dos soluciones óptimas: una más barata, pero con mayores emisiones, y otra más cara y sostenible. En ambos casos, las diferencias entre las soluciones fueron pequeñas y se mantuvo la relación lineal entre los objetivos.

En conclusión, este trabajo demuestra que es posible diseñar puentes peatonales más económicos y sostenibles combinando optimización estructural y LCA. La reducción del consumo de materiales no solo abarata la estructura, sino que también disminuye las emisiones de CO₂ y la energía incorporada. Además, el uso de hormigón de alta resistencia reduce la cantidad de acero necesaria, lo que tiene un impacto positivo en el coste y la sostenibilidad. Las soluciones óptimas resultaron muy similares al modificar las condiciones del diseño o del mercado, lo que confirma la solidez de la metodología.

Este tipo de estudios es especialmente valioso en los países en desarrollo, donde las necesidades de infraestructuras son elevadas y los recursos económicos, limitados. El diseño de estructuras asequibles y sostenibles contribuye al desarrollo regional y a la lucha contra el cambio climático. Los autores recomiendan ampliar futuras investigaciones para incluir también el impacto social y considerar así los tres pilares de la sostenibilidad: el económico, el ambiental y el social. También recomiendan analizar el ciclo de vida completo de la estructura, incluyendo el mantenimiento y la demolición. Por último, esta metodología podría aplicarse fácilmente a otros tipos de infraestructuras, como puentes para vehículos o edificios.

En definitiva, este trabajo no solo muestra cómo reducir costes y emisiones en un puente peatonal concreto, sino que también abre la puerta a un diseño más sostenible de nuestras infraestructuras. Es un claro ejemplo de cómo la ingeniería civil puede ser una aliada clave en el desarrollo sostenible.

Referencia:

Tres Junior, F.L., Yepes, V., de Medeiros, G.F., Kripka, M. (2025). Practical Application of LCA to Optimize Environmental Impacts of Steel–concrete Footbridges. In: Brandli, L., Rosa, F.D., Petrorius, R., Veiga Avila, L., Filho, W.L. (eds) The Contribution of Life Cycle Analyses and Circular Economy to the Sustainable Development Goals. World Sustainability Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-85300-5_22

Glosario de términos clave

  • Evaluación del ciclo de vida (LCA): Una metodología para estimar los impactos ambientales resultantes de la fabricación de un producto o servicio, examinando cada etapa de su ciclo de vida, desde la extracción de recursos naturales hasta su eliminación.
  • Emisiones de CO2: La cantidad de dióxido de carbono liberada a la atmósfera, utilizada como un criterio clave para evaluar el impacto ambiental en este estudio.
  • Energía incorporada: La suma total de energía necesaria para producir un producto, desde la extracción de las materias primas hasta el final del proceso de fabricación, utilizada como otro criterio de impacto ambiental.
  • Optimización multi-objetivo: Un proceso de optimización que considera múltiples funciones objetivo que deben minimizarse o maximizarse simultáneamente. Produce un conjunto de soluciones no dominadas o Pareto-óptimas.
  • Algoritmo de búsqueda de armonía multi-objetivo (MOHS): Un algoritmo metaheurístico basado en la improvisación musical, adaptado para resolver problemas de optimización multi-objetivo.
  • Pasarela mixta de hormigón y acero: Una estructura que combina elementos de acero y hormigón de manera que trabajen juntos como una sola unidad para soportar cargas, aprovechando las fortalezas de ambos materiales.
  • Frontera de Pareto: Una representación gráfica que conecta el conjunto de soluciones no dominadas (Pareto-óptimas) en un problema de optimización multi-objetivo, lo que permite analizar las compensaciones entre los objetivos.
  • Solución no dominada (Pareto-Óptima): Una solución para la cual no existe otra solución admisible que mejore simultáneamente todas las funciones objetivo. Mejorar un objetivo solo es posible a expensas de al menos otro.
  • Grado de interacción (α): Una variable de diseño en vigas compuestas que representa el nivel de conexión entre el acero y el hormigón, influyendo en su comportamiento estructural combinado.
  • Estado límite último (ULS): Verificaciones relacionadas con la capacidad de la estructura para resistir las cargas máximas sin colapsar, incluyendo la tensión de cizallamiento y el momento de flexión.
  • Estado límite de servicio (SLS): Verificaciones relacionadas con el rendimiento de la estructura bajo cargas normales para garantizar la comodidad y la funcionalidad, como la limitación de los desplazamientos y las aceleraciones.
  • Penalización: Un método utilizado en algoritmos de optimización para hacer que las soluciones que no cumplen con las restricciones de diseño sean menos atractivas para el algoritmo, agregando un valor a la función objetivo.

Tesis doctoral: Baterías níquel-zinc: equilibrio óptimo entre coste y sostenibilidad

Ignacio Villalba, Ashwani Kumar y Víctor Yepes

Hoy, 6 de mayo de 2025, ha tenido lugar la defensa de la tesis doctoral de D. Ashwani Kumar Malviya, titulada “Optimization of LCA and LCCA for a novel NiZn battery through multi-objective particle swarm optimization (MOPSO) and its application in e-mobility and smart building infrastructure”, dirigida por los profesores Ignacio Villalba Sanchis y Víctor Yepes. La tesis ha obtenido la máxima calificación de sobresaliente «cum laude». A continuación, presentamos un pequeño resumen de la misma.

En el contexto de la urgente transición hacia un sistema eléctrico descarbonizado, el almacenamiento energético se ha convertido en un pilar fundamental para integrar fuentes renovables intermitentes, como la solar y la eólica, en la red eléctrica y en aplicaciones de e-movilidad y edificios inteligentes. La tesis de Ashwani Kumar Malviya explora por primera vez de manera integrada la viabilidad de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB), que combinan materias primas abundantes (níquel y zinc), electrólitos acuosos no inflamables y un proceso de producción simplificado que prescinde de salas blancas. Gracias a recientes innovaciones en la formulación de los electrodos, estas celdas de 10 Ah y 60 Wh/kg alcanzan más de 2000 ciclos al 100 % de profundidad de descarga, superando uno de los principales obstáculos de esta tecnología.

El trabajo se estructura en torno a cinco preguntas clave:

  1. ¿Cuál es el coste total de ciclo de vida (LCC) de una batería de litio de níquel (RNZB), desde la extracción de materia prima hasta su fin de vida, medido tanto en €/kg como en €/kWh entregado?
  2. ¿Qué impacto ambiental (LCA) —evaluado en 18 categorías midpoint y 3 endpoint con ReCiPe 2016— genera la RNZB en comparación con baterías de plomo-ácido, LFP y NMC?
  3. ¿Es posible que un algoritmo multiobjetivo (MOPSO) identifique configuraciones de suministro y reciclaje que minimicen simultáneamente el coste de ciclo de vida (LCC) y el impacto ambiental (LCA)?
  4. ¿Hasta qué punto estas soluciones son resistentes ante variaciones de ±20 % en parámetros críticos, tales como la mezcla eléctrica en uso y la eficiencia del ciclo?
  5. ¿En qué medida las preferencias de un panel de expertos, analizadas mediante el proceso de jerarquía analítica (AHP), coinciden con la clasificación de Pareto generada por el MOPSO?

Esta tesis presenta un modelo estructurado que integra ecuaciones de LCC —que incluyen CAPEX, OPEX y fin de vida en función de la masa de batería y la energía suministrada— con un LCA exhaustivo basado en datos de la base Ecoinvent y OpenLCA. La implementación de MOPSO en MATLAB para optimizar ambos indicadores constituye una innovación metodológica de gran valor, pues genera un frente de Pareto de soluciones no dominadas que equilibra coste y huella ambiental. Además, la comparación efectuada demostró que la RNZB puede ofrecer un coste medio de ciclo de vida de aproximadamente 120 €/kWh, en comparación con los 150 €/kWh de LFP y los 180 €/kWh de plomo-ácido, manteniendo un GWP de 0,24 kg CO₂ eq/kWh —inferior a los 0,30 kg CO₂ eq/kWh del plomo-ácido—, lo que sitúa a la RNZB como la opción económicamente más competitiva sin renunciar a un desempeño ambiental favorable.

El estudio establece un alcance «cradle-to-grave», que comprende la extracción de níquel y zinc, la formulación de electrodos (cátodo de NiOOH con un 11,6 % de peso y ánodo de ZnO con un 7,5 %), el transporte, el ensamblaje de celdas de 10 Ah y 60 Wh/kg, los escenarios de uso con diferentes mezclas eléctricas (0-100 % RES) y el fin de vida, que incluye el reciclaje metalúrgico de metales y la valorización energética de plásticos. Para el LCA, se implementó el enfoque ReCiPe 2016 en 18 categorías midpoint (GWP, ODP, entre otras) y 3 endpoint (salud, ecosistemas, recursos). Para el LCC, se desarrollaron fórmulas validadas mediante el uso de OpenLCA. El MOPSO implementado explora variables de origen de materias primas y rutas de reciclaje, manteniendo un archivo diverso de soluciones no dominadas. Una vez concluido el proceso, se realizó un análisis de sensibilidad, que incluyó la evaluación de la variación del mix eléctrico y la eficiencia del ciclo. Posteriormente, se llevó a cabo una validación AHP con un grupo de doce expertos, quienes contrastaron sus preferencias con el ranking de Pareto obtenido.

Los resultados obtenidos evidencian que, en condiciones de mix eléctrico base (100 % red convencional), la RNZB registra un LCC de 120 €/kWh y un GWP de 0,24 kg CO₂ eq/kWh. El MOPSO ha identificado 10 soluciones óptimas que reducen hasta un 15 % el LCC y un 20 % el GWP respecto a la configuración estándar. Al integrar el 75 % de energía renovable en la fase de uso, el GWP desciende a 0,18 kg CO₂ eq/kWh, lo que resulta en una reducción del CED en un 30 %. El análisis de sensibilidad confirmó que estas ventajas se mantienen con variaciones de hasta ±20 % en mix y eficiencia. Asimismo, la validación AHP mostró un 85 % de coincidencia entre las preferencias de los expertos y el ranking de Pareto.

La tesis confirma que las RNZB ofrecen un equilibrio excepcional entre coste y sostenibilidad para aplicaciones estacionarias (almacenamiento residencial, edificios inteligentes y e-movilidad), especialmente si se combinan con un uso mayoritario de RES y se aplican técnicas de «recuperación verde» en el reciclaje. La simplicidad del proceso acuoso y la ausencia de elementos críticos (cobalto) reducen significativamente los riesgos y los costes de suministro. Sin embargo, la dependencia del níquel sugiere la necesidad de diversificar las fuentes de suministro y establecer circuitos cerrados para la recuperación de metales. Desde una perspectiva metodológica, la integración de LCA, LCC, MOPSO y AHP constituye un marco sólido y adaptable a otros sistemas de ingeniería que requieran optimizar múltiples indicadores de manera simultánea.

Tras el análisis llevado a cabo, esta tesis concluye que la RNZB es la opción de ciclo de vida más económica (con un coste aproximado de 120 €/kWh) y que presenta una huella ambiental competitiva (0,24 kg CO₂ eq/kWh). Asimismo, se ha comprobado que un MOPSO bien configurado puede generar frentes de Pareto robustos que reducen hasta un 20 % el GWP y un 15 % el coste. La validación mediante sensibilidad y AHP garantiza la aplicabilidad práctica de las recomendaciones. Se propone como líneas futuras la incorporación de datos en tiempo real de operación, la exploración de electrodos con menor proporción de níquel y la extensión de la metodología a sistemas híbridos de energía para potenciar la circularidad y la resiliencia del sector.

Referencias:

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

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; LI, J.; LI, B.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Environmental Impact of NiZn Batteries. Energies, 17(11):2751. DOI:10.3390/en17112751

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Cost of NiZn Batteries. Sustainability, 16(5):1965. DOI:10.3390/su16051965

Gestión del riesgo de inundación en infraestructuras críticas: estrategias y medidas de resiliencia

Las inundaciones suponen una amenaza significativa para las infraestructuras críticas (IC), como el suministro de electricidad, las telecomunicaciones, el agua potable, el tratamiento de aguas residuales y el gas. La gestión del riesgo de inundación en las infraestructuras críticas cobra mayor importancia en un contexto de cambio climático, en el que los eventos extremos son más frecuentes e intensos. Este informe aborda la gestión del riesgo de inundación en las infraestructuras críticas y expone medidas específicas para incrementar su resiliencia, la aplicación de modelos para evaluar el impacto de estos eventos y la implementación de estrategias para mejorar la capacidad de recuperación.

Infraestructuras críticas y el riesgo de inundación: marco de referencia

Las infraestructuras críticas son sistemas esenciales para el funcionamiento de una sociedad, que incluyen sectores clave como la energía, las telecomunicaciones, el agua y los servicios de saneamiento. Estos sectores son interdependientes y se organizan en redes complejas, por lo que una interrupción en uno de ellos puede desencadenar efectos en cascada que afecten a múltiples sistemas, comprometiendo la seguridad y el bienestar de la población. La gestión del riesgo de inundación (GRI) en estas infraestructuras es fundamental, pues permite reducir la vulnerabilidad y mejorar la capacidad de recuperación ante eventos adversos.

Papel de las infraestructuras hidráulicas en la gestión del riesgo de inundación

Las infraestructuras hidráulicas, como las presas, los tanques de tormenta, las canalizaciones y los corredores verdes, desempeñan un papel crucial en la gestión de inundaciones y en la protección de las infraestructuras críticas (IC). Estas infraestructuras ayudan a gestionar el flujo de agua y evitan que las lluvias torrenciales y las crecidas de los ríos afecten directamente a las IC y a las áreas urbanas densamente pobladas.

  1. Presas y embalses: Estas estructuras permiten almacenar grandes volúmenes de agua y controlar el caudal de los ríos, además de regular el flujo hacia áreas vulnerables. Durante una tormenta, las presas pueden retener el exceso de agua y liberarla de forma gradual una vez que los niveles han disminuido, lo que reduce el riesgo de desbordamientos y minimiza el impacto aguas abajo.
  2. Tanques de tormenta: Son estructuras de almacenamiento subterráneo que recogen el agua de lluvia durante eventos intensos. Actúan como amortiguadores temporales, evitando que el sistema de alcantarillado se sature y se reduzca el riesgo de inundaciones en las áreas urbanas. Posteriormente, el agua acumulada puede liberarse de manera controlada hacia los sistemas de tratamiento o directamente a los cuerpos de agua cuando el caudal ha disminuido.
  3. Canalizaciones y sistemas de drenaje: Canalizar los ríos y desarrollar sistemas de drenaje bien planificados es esencial para redirigir el agua de inundación de manera segura, reduciendo la velocidad del flujo y mitigando el riesgo de erosión y daños estructurales en las áreas urbanas..
  4. Corredores verdes y zonas de retención natural: Estos espacios, a menudo ubicados en áreas urbanas o suburbanas, están diseñados para absorber y retener el exceso de agua de lluvia, y funcionan como «esponjas» naturales que reducen el caudal de agua que llega a los sistemas de alcantarillado. Además, estas zonas verdes actúan como amortiguadores, reteniendo el agua y liberándola lentamente, lo cual es particularmente útil para proteger infraestructuras sensibles a las inundaciones.
  5. Áreas de infiltración y pavimentos permeables: En las ciudades, los pavimentos permeables y las áreas de infiltración permiten que el agua de lluvia penetre en el suelo, recargando los acuíferos y reduciendo la escorrentía superficial. Esto alivia la presión sobre los sistemas de drenaje y evita que el agua llegue rápidamente a las áreas de IC, lo que disminuye el riesgo de inundación.

Ciclo de gestión de riesgos de desastres (GRD) en infraestructuras críticas

El proceso de GRI en IC suele estructurarse en cinco fases, que permiten implementar medidas específicas en cada etapa:

  1. Preparación: Incluye todas las acciones de planificación y recursos necesarios para reducir el impacto de las inundaciones, incluyendo la incorporación de infraestructuras hidráulicas y la capacitación del personal.
  2. Prevención y mitigación: Consiste en la implementación de infraestructuras hidráulicas, medidas de control y sistemas de drenaje para minimizar la vulnerabilidad de las IC frente a las inundaciones.
  3. Impacto: Se refiere a la capacidad de las infraestructuras para soportar los efectos de una inundación y a cómo estas protegen a las IC regulando el flujo de agua.
  4. Respuesta: Acciones de emergencia implementadas para reducir los daños y restaurar los servicios críticos.
  5. Recuperación y rehabilitación: Estrategias para devolver a las IC su estado funcional o mejorado, integrando lecciones aprendidas y mejorando la infraestructura para incrementar su resistencia a futuros eventos.

Impacto de las inundaciones en las infraestructuras críticas y la función de las infraestructuras hidráulicas

Las infraestructuras críticas, al depender de una red de servicios interconectados, son especialmente vulnerables a las inundaciones. Las infraestructuras hidráulicas desempeñan un papel esencial en la mitigación de estos efectos, ya que protegen los sistemas de IC de daños directos o indirectos:

  • Electricidad: El contacto con el agua puede provocar cortocircuitos, daños en estaciones de transformación y la interrupción del suministro a gran escala. Esto no solo afecta al servicio eléctrico, sino que también genera riesgos para la salud debido a la posibilidad de descargas eléctricas en áreas inundadas.
  • Telecomunicaciones: La infraestructura de telecomunicaciones incluye componentes activos (como nodos de red y antenas) que dependen de la electricidad y, por tanto, son altamente vulnerables a las interrupciones de suministro eléctrico. La interrupción de las comunicaciones complica la coordinación de emergencias y la respuesta rápida.
  • Suministro de agua: Las inundaciones pueden introducir contaminantes en el sistema de suministro de agua, especialmente en instalaciones de captación de agua cercanas a ríos u otras fuentes de agua superficial. Además, los sistemas de bombeo pueden verse interrumpidos, lo que afecta a la presión y la calidad del agua suministrada.
  • Tratamiento de aguas residuales: Este sector es especialmente vulnerable, ya que las inundaciones pueden dañar las plantas de tratamiento y provocar que las aguas residuales no tratadas se liberen al medio ambiente, con consecuencias ambientales y para la salud pública.
  • Gas: Aunque los sistemas de tuberías de gas suelen estar más protegidos, las estaciones de regulación y control pueden verse afectadas por las inundaciones, lo que interrumpiría el servicio y supondría posibles riesgos de seguridad.

Estrategias y medidas de resiliencia en la gestión del riesgo de inundación

Una estrategia integral de resiliencia frente a las inundaciones para infraestructuras críticas abarca una combinación de medidas estructurales y no estructurales. Estas medidas se estructuran de acuerdo con el ciclo de gestión del riesgo de desastre, como se detalla a continuación:

1. Preparación

La fase de preparación incluye la planificación y el equipamiento para mejorar la respuesta ante una emergencia. Algunas medidas clave son:

  • Planes de contingencia: Crear planes detallados para responder a situaciones de emergencia, incluyendo la designación de roles y responsabilidades para cada tipo de infraestructura.
  • Almacenamiento de equipos de emergencia: Disponer de generadores, bombas y otras unidades de repuesto listas para usar en caso de interrupciones.
  • Entrenamiento y simulacros: Capacitar al personal para que lleve a cabo los planes de emergencia y realizar simulacros periódicos de inundación.
  • Monitoreo y colaboración meteorológica: Establecer una estrecha colaboración con los servicios meteorológicos para monitorizar el riesgo de inundaciones en tiempo real, utilizando sistemas avanzados de alerta.

2. Prevención y mitigación

Las medidas de prevención y mitigación incluyen la infraestructura necesaria para controlar el flujo de agua y proteger las IC:

  • Construcción de infraestructuras resilientes: Elevar o construir instalaciones en áreas con menor riesgo de inundación, y utilizar materiales resistentes al agua en instalaciones críticas.
  • Barreras físicas: Instalar barreras móviles o permanentes alrededor de infraestructuras clave para protegerlas de las aguas de inundación.
  • Redundancia de sistemas: Desarrollar redundancias en la red para que, si un componente falla, otros puedan compensar la pérdida de servicio.
  • Planificación territorial y zonificación: Garantizar que las infraestructuras críticas se sitúen fuera de las zonas de alto riesgo de inundación, siempre que sea posible.

3. Impacto

La fase de impacto contempla la reducción de los efectos de una inundación mediante infraestructuras hidráulicas que controlen y disminuyan el caudal en zonas urbanas.

  • Gestión de flujos con presas y embalses: Control de la liberación de agua en embalses, asegurando que no se libere de manera repentina y que el flujo se distribuya para minimizar el impacto en las áreas críticas.
  • Desviación del flujo en canalizaciones: Redirigir el agua de inundación mediante canalizaciones y drenajes que la alejen de áreas vulnerables, como plantas de tratamiento y subestaciones eléctricas.
  • Evaluación de vulnerabilidad: Identificar los puntos más débiles en las infraestructuras para priorizar las medidas de protección y mitigación.
  • Medición y control de los niveles de agua: Implementar sensores para controlarlos en tiempo real, lo que permite respuestas más informadas y rápidas.

4. Respuesta

La respuesta es clave para minimizar el tiempo de interrupción de los servicios críticos y reducir los posibles daños adicionales. Las medidas que se deben tomar en esta etapa son:

  • Despliegue de unidades de reemplazo: Utilizar generadores móviles, bombas y sistemas de comunicación alternativos para restaurar  temporalmente los servicios mientras se repara la infraestructura dañada.
  • Prioridades en la restauración: Establecer listas de prioridades para el despliegue de recursos en las áreas de mayor impacto y donde se vean afectadas poblaciones vulnerables.
  • Comunicación pública: Informar a la comunidad sobre las interrupciones y los tiempos estimados de restauración, ofreciendo recomendaciones de seguridad.

5. Recuperación y rehabilitación

La fase de recuperación y rehabilitación se centra en restaurar los servicios de infraestructura de manera eficaz y reforzar su resiliencia futura. Las medidas en esta etapa incluyen:

  • Reparación y sustitución de componentes dañados: Restablecer los servicios lo antes posible mediante la reparación de las instalaciones dañadas y la sustitución de componentes.
  • Evaluación posterior al evento: Realizar un análisis detallado del impacto de la inundación y de la eficacia de las medidas implementadas, documentando lecciones aprendidas para mejorar los planes futuros.
  • Mejoras en la infraestructura: Donde sea posible, aplicar el principio de «reconstruir mejor», introduciendo mejoras en la infraestructura para aumentar su resistencia frente a futuros eventos.
  • Revisión y mantenimiento de las infraestructuras hidráulicas: Evaluar el estado de las presas, los tanques de tormenta y los sistemas de drenaje, y realizar mejoras en función de los eventos recientes.
  • Evaluación de la eficacia de las medidas implementadas: Análisis del impacto de las infraestructuras hidráulicas en la contención del flujo y ajuste del sistema de almacenamiento y drenaje según los datos recopilados.

Modelado del riesgo y evaluación de medidas hidráulicas

Para optimizar la planificación de la resiliencia, el modelado de redes de infraestructura crítica permite evaluar el impacto potencial de las inundaciones y probar diferentes medidas de mitigación. Este tipo de modelado incluye:

  • Análisis de impacto en redes: Representación de las interdependencias entre sectores críticos mediante modelos de red que simulan cómo los fallos en un sector pueden afectar a otros.
  • Evaluación de vulnerabilidades: Determinar los componentes más sensibles a las inundaciones dentro de cada red, como estaciones de bombeo o transformadores eléctricos, para priorizar su protección.
  • Simulación de medidas de resiliencia: Implementar simulaciones que muestran cómo diferentes medidas (como barreras de contención o sistemas de redundancia) pueden reducir los daños y acelerar la recuperación.
  • Cálculo de riesgo poblacional: Integrar datos de densidad poblacional para cuantificar el impacto de las interrupciones en términos de personas afectadas y tiempo de recuperación, lo que facilita la toma de decisiones informadas para la implementación de medidas.
  • Simulación de impacto y respuesta: Permite simular diferentes escenarios de inundación y evaluar la eficacia de las infraestructuras hidráulicas para proteger las IC, comparando opciones de almacenamiento, liberación controlada y desviación de agua.
  • Optimización del sistema de retención y almacenamiento: Determina la cantidad óptima de agua que debe almacenarse en embalses y tanques de tormenta para minimizar el riesgo de desbordamiento y daños a las IC.

Desafíos y recomendaciones para la resiliencia ante inundaciones

La gestión del riesgo de inundación en infraestructuras críticas plantea varios desafíos, entre los cuales se encuentran:

  • Interdependencias complejas: La dependencia mutua entre diferentes sectores hace que el fallo en uno de ellos pueda generar efectos en cascada que agraven el impacto global.
  • Cambio climático y eventos extremos: La mayor frecuencia e intensidad de las inundaciones requieren que las infraestructuras se diseñen y operen considerando escenarios extremos.
  • Disponibilidad de datos: La falta de datos integrados y fiables sobre las características de las infraestructuras y su vulnerabilidad ante las inundaciones limita la precisión de los modelos y la planificación de resiliencia.

Para enfrentar estos desafíos, se recomienda:

  1. Fortalecer la colaboración intersectorial: Establecer redes de cooperación entre operadores de infraestructura crítica para mejorar la planificación y la respuesta.
  2. Integrar herramientas de predicción y alerta temprana: Aprovechar tecnologías avanzadas de monitoreo y modelado climático para anticipar inundaciones y activar respuestas más eficaces.
  3. Aumentar la inversión en infraestructura resiliente: Priorizar la construcción y adaptación de infraestructuras críticas con materiales y diseños capaces de soportar inundaciones.
  4. Desarrollar políticas de zonificación y regulación más estrictas: Promover la construcción fuera de zonas de riesgo y fomentar diseños urbanos que integren espacios de absorción de agua.

Conclusión

La gestión del riesgo de inundación en infraestructuras críticas es fundamental para la resiliencia de las ciudades y la seguridad de la población. Al implementar un enfoque integral basado en el ciclo de gestión del riesgo de desastre (GRD), es posible identificar y aplicar medidas específicas en cada fase, desde la preparación hasta la recuperación. Los modelos de red permiten evaluar y mejorar la capacidad de respuesta de las infraestructuras ante las inundaciones, y ayudan a los operadores y a los gobiernos a tomar decisiones informadas que minimicen el impacto de estos eventos. Al integrar infraestructuras hidráulicas, como presas, tanques de tormenta y zonas de retención natural, en el ciclo de gestión del riesgo de desastres, es posible aumentar la protección de los servicios esenciales y reducir el impacto de las inundaciones. Además, combinar infraestructuras hidráulicas con medidas de resiliencia específicas para cada sector refuerza la capacidad de respuesta y recuperación, minimizando los efectos en cascada y garantizando la continuidad de los servicios esenciales y el bienestar de la población.

Os dejo un domuento denominado «Principios para la infraestructura resiliente», de Naciones Unidas. Espero que os resulte de interés.

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Este otro, del Ministerio para la Transición Ecológica, trata de la «Evaluación de la resiliencia de los núcleos urbanos frente al riesgo de inundación: redes, sistemas urbanos y otras infraestructuras».

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Redes neuronales y metamodelos Kriging para la optimización de la energía en puentes losa pretensados

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, indexada en el JCR. El artículo evalúa la eficacia de las redes neuronales artificiales y de los modelos sustitutos de Kriging para optimizar la energía incorporada de los puentes de losas pretensadas, y proporciona recomendaciones prácticas para mejorar el diseño y la sostenibilidad.

El trabajo se enmarca en el proyecto de investigación RESILIFE , que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

A continuación, se presenta un resumen sintético del trabajo.

 

 

Introducción

  • La industria de la construcción contribuye significativamente al consumo mundial de energía y a las emisiones de gases de efecto invernadero, lo que suscita un interés creciente por mejorar las prácticas de sostenibilidad.
  • El hormigón pretensado destaca por sus ventajas, que incluyen la durabilidad, la reducción del mantenimiento y la rapidez de construcción, a pesar de los costes iniciales más altos que los de los métodos tradicionales.
  • Las investigaciones indican que existe una brecha en la optimización de la energía incorporada en los puentes de losas de hormigón, lo que exige una mayor exploración y el uso de metodologías innovadoras, como el Kriging y las redes neuronales artificiales, para optimizar su diseño de manera efectiva.

Descripción de la cubierta del puente de losa aligerada

  • Los diseñadores suelen utilizar una relación canto/luz de 1/25 para las losas de carreteras con el fin de garantizar su integridad estructural. Los diseños de losas aligeradas ofrecen ventajas en rigidez frente a la flexión y en adaptabilidad.
  • El estudio se centra en una configuración de losas aligeradas pretensadas adecuada para los pasos superiores, con el objetivo de mejorar la eficiencia del diseño y el rendimiento estructural.
  • La teoría del estado límite se emplea para verificar la resistencia estructural mediante software avanzado para el modelado tridimensional y el análisis de cargas.
Figura 2. Imagen aérea de la estructura, situada en Cocentaina (Alicante). Imagen: Google Maps.

Metodología

  • El estudio analiza varios materiales, incluidos tipos específicos de acero y calidades de hormigón, para optimizar el diseño del puente de losa aligerada.
  • Se utilizan dos metamodelos predictivos, Kriging y redes neuronales, con el fin de optimizar el diseño propuesto del puente de losas.
  • La metodología incluye una fase de diversificación para la optimización inicial y otra de intensificación para refinar los resultados, midiendo los errores de predicción mediante el error cuadrático medio (RMSE).

Metamodelo Kriging

  • Kriging se emplea para estimar las necesidades de energía del puente de losas, utilizando un enfoque determinista que proporciona respuestas consistentes basadas en los datos de entrada.
  • La «caja de herramientas de Kriging de MATLAB» se utiliza para crear un modelo sustituto, y el LHS (LHS) mejora el proceso de muestreo para representar mejor el espacio de diseño.
  • Este método permite realizar pruebas computacionales eficientes y, al mismo tiempo, minimizar los errores sistemáticos, lo que lo hace adecuado para tareas complejas de optimización estructural.

Red neuronal artificial

  • Las ANN están estructuradas en capas de neuronas, donde las capas ocultas utilizan funciones sigmoide para procesar las entradas y la capa de salida emplea funciones lineales para realizar las predicciones.
  • El modelo de perceptrón multicapa (MLP) destaca por su capacidad para aproximar funciones de manera eficaz, basándose en el algoritmo de retropropagación para el entrenamiento.
  • El estudio hace hincapié en la importancia de la validación cruzada para evitar el sobreaprendizaje y garantizar un rendimiento sólido de la red neuronal en distintos conjuntos de datos.

Visualización de los datos observados

  • La gráfica de contorno de los datos observados revela múltiples valores óptimos locales, lo que evidencia la complejidad del problema de optimización y las limitaciones de los modelos de regresión tradicionales.
  • Esta complejidad requiere el uso de modelos predictivos avanzados para identificar con precisión las soluciones óptimas en el espacio de diseño.

Comparación de modelos predictivos

  • Los modelos de Kriging son deterministas, mientras que las redes neuronales incorporan variabilidad al basarse en la selección aleatoria de datos para su entrenamiento y validación.
  • El rendimiento de la red neuronal se estabiliza mediante múltiples ejecuciones, lo que permite una comparación más fiable entre los valores medios y las predicciones de Kriging.

Análisis de errores

  • El promedio de las predicciones de la red neuronal coincide estrechamente con los resultados del modelo de Kriging, aunque la red neuronal presenta un error cuadrático medio (MSE) y un error cuadrático medio (RMSE) más bajos.
  • El análisis destaca la necesidad de una evaluación exhaustiva de la capacidad de la red neuronal para identificar los valores óptimos, comparando las predicciones en todos los puntos de datos.

Recomendaciones prácticas

  • El estudio proporciona recomendaciones prácticas para reducir las emisiones en los puentes de losas pretensadas, incluidas directrices específicas sobre el contenido de hormigón y de refuerzo.
  • Los hallazgos sugieren que tanto las redes neuronales como las de Kriging pueden identificar eficazmente los valores óptimos locales, lo que ayuda a los ingenieros estructurales a optimizar los diseños para obtener beneficios económicos y ambientales.
  • Haciendo hincapié en la importancia de los modelos sustitutivos, la investigación aboga por su uso para perfeccionar los procesos de diseño y mejorar los resultados en materia de sostenibilidad.

Conclusiones

  • Se subraya la complejidad de la superficie de respuesta al consumo de energía, ya que tanto el Kriging como las redes neuronales predicen valores superiores a los observados.
  • El modelo de Kriging muestra un error relativo menor en las predicciones óptimas locales en comparación con la red neuronal, que, sin embargo, muestra un rendimiento de RMSE superior.
  • El estudio concluye que, si bien Kriging proporciona resultados deterministas, las redes neuronales requieren múltiples iteraciones para estabilizar los resultados, lo que aporta información valiosa para optimizar los diseños estructurales.

ABSTRACT:

The main objective of this study is to assess and contrast the efficacy of distinct spatial prediction methods in a simulation aimed at optimizing the embodied energy during the construction of prestressed slab bridge decks. A literature review and cross-sectional analysis have identified crucial design parameters that directly affect the design and construction of bridge decks. This analysis determines the critical design variables to improve the deck’s energy efficiency, providing practical guidance for engineers and professionals in the field. The methods analyzed in this study are ordinary Kriging and a multilayer Perceptron neural network. The methodology involves analyzing the predictive performance of both models through error analysis and assessing their ability to identify local optima on the response surface. Results show that both models generally overestimate observed values. The Kriging model with second-order polynomials yields a 4% relative error at the local optimum, while the neural network achieves lower root-mean-square errors (RMSE). Neither the Kriging model nor the neural network provides precise predictions, but points to promising solution regions. Optimizing the response surface to find a local minimum is crucial. High slenderness ratios (around 1/28) and a concrete grade of 40 MPa are recommended to improve energy efficiency.

KEYWORDS:

bridges; embodied energy; optimization; prestressed concrete; artificial neural network; surrogate model; Kriging; sustainability

REFERENCE:

YEPES-BELLVER, L.; BRUN-IZQUIERDO, A.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). Artificial neural network and Kriging surrogate model for embodied energy optimization of prestressed slab bridges. Sustainability, 16(19), 8450; DOI:10.3390/su16198450

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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, indexada en el JCR. El artículo de investigación se centra en la optimización de las funciones de coste del ciclo de vida (LCC) y de 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 ambientales e incorpora datos de la base de datos Ecoinvent, del software OpenLCA y de 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 ante 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 considerar las futuras variaciones del mercado, así como el uso del proceso jerárquico analítico (AHP) para validar los resultados mediante interacciones humanas. En el futuro, se sugiere incluir las fases de fabricación y de 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 coste de las baterías de NiZn, utilizando los datos más recientes disponibles de los principales productores y de los 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 mayor eficiencia y eficacia.
  • El análisis tuvo en cuenta 14 flujos de materiales, una línea de eliminación de residuos y varias ubicaciones del mundo con costes e impactos ambientales distintos, 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 coste e impacto medioambiental mínimos, así como las ubicaciones de eliminación de residuos de materiales no reciclables.
  • Se recomendaron países proveedores óptimos 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 su resiliencia frente 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 de eliminación de residuos.
  • La validación mediante el AHP reveló similitudes y diferencias entre la IA y los resultados de encuestas a 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 an LCC formulation and an environmental LCA, using data from the Ecoinvent database, the OpenLCA software (V1.11.0), and other public databases. Results provide insights into the best combination of countries for acquiring raw materials to manufacture NiZn and for disposing of waste from NiZn batteries that cannot be recycled. These results were automatically linked to sustainability KPIs, such as global warming and capital costs, and are replicable in case of data updates or changes in production or recycling locations, which were initially considered in Paris (France) and Krefeld (Germany), respectively. These results from an AI model were validated using a sensitivity analysis and the Analytical Hierarchy Process (AHP) by an expert panel. The sensitivity analysis ensures the robustness of the mathematical parameters and future market variations; on the other hand, the AHP validates the Artificial Intelligence (AI) results through interactions with 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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Impacto ambiental del ciclo de vida de las baterías de NiZn de la cuna a la tumba

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Energies, revista indexada en el JCR. El artículo analiza los impactos ambientales de las baterías de níquel-zinc utilizando modelos matemáticos basados en las normas ISO y el método ReCiPe 2016. Asimismo, compara los impactos ambientales de las baterías de NiZn con los de otras tecnologías y sugiere formas de reducir su impacto mediante la energía renovable y la tecnología de recuperación ecológica. El documento sigue las normas ISO 14040 e ISO 14044 para la metodología de evaluación del ciclo de vida (LCA) y compara la batería de NiZn con las baterías de plomo-ácido y de iones de litio. También recopila los datos principales del inventario del ciclo de vida (LCI) de una producción a escala piloto en China para la fase inicial, centrándose en el consumo de electricidad y excluyendo determinadas evaluaciones de impacto ambiental. Utiliza el método ReCiPe 2016 para la evaluación del impacto, teniendo en cuenta las categorías de impacto intermedio y final, como el potencial de calentamiento global y los daños a la salud humana y los ecosistemas. Por último, aplica el software OpenLCA para modelar los impactos e incorpora los métodos de demanda energética acumulada (CED) y ReCiE 2016 con varios indicadores de impacto para realizar un análisis ambiental exhaustivo.

Las contribuciones más relevantes de este trabajo son las siguientes:

  • Desarrolla modelos matemáticos para estimar los impactos ambientales de las baterías de níquel-zinc durante el ciclo de vida, comparándolos con otras tecnologías de baterías.
  • Analiza los impactos ambientales de las baterías recargables de níquel-zinc desde el principio hasta la tumba, en consonancia con las normas ISO para el análisis del ciclo de vida.
  • Excluye las evaluaciones de impacto ambiental relacionadas con la infraestructura y los bienes de capital, y se centra en los impactos de los productos, el transporte y las contribuciones al final de su vida útil.
  • Proporciona funciones objetivas para optimizar el coste y el impacto medioambiental de las baterías de NiZn, lo que contribuye al objetivo del proyecto LOLABAT de lograr un alto rendimiento, una rentabilidad competitiva y una sostenibilidad.
  • Recibe financiación del programa de investigación Horizonte 2020 de la Unión Europea dentro del proyecto LOLABAT, lo que refleja las opiniones de los autores sobre la posible industrialización de las baterías de NiZn en el contexto europeo.

Las conclusiones más importantes del trabajo se pueden resumir de la siguiente forma:

  • Las baterías de NiZn tienen un impacto ambiental de aproximadamente 14 MJ para la demanda energética acumulada (CED) y de 0,82 kg de CO₂ equivalentes para el potencial de calentamiento global (GWP) por kWh de energía liberada, lo que las sitúa entre las baterías de iones de litio y las de plomo-ácido.
  • La fase de uso contribuye significativamente al impacto de la energía electromagnética, ya que las baterías de NiZn tienen un menor impacto ambiental en comparación con las baterías de plomo-ácido, pero son similares a las tecnologías de iones de litio.
  • Las baterías de NiZn tienen un impacto ambiental menor que las baterías de plomo-ácido, con un impacto ligeramente mayor en comparación con las baterías de iones de litio, lo que las convierte en una opción favorable tanto desde el punto de vista económico como medioambiental.
  • Se espera que las futuras mejoras en los procesos de fabricación y los componentes de las celdas reduzcan la carga medioambiental de las baterías de NiZn y respalden su potencial como solución de almacenamiento de energía más sostenible.

Abstract:

This paper presents a comprehensive and systematic analysis of the environmental impacts (EI) of novel nickel-zinc battery (RNZB) technology, a promising alternative for energy storage applications. The paper develops mathematical models for estimating the life cycle environmental impacts of RNZB from the cradle to the grave based on an extensive literature review and the ISO standards for life cycle costing and life cycle analysis. The paper uses the ReCiPe 2016 life cycle analysis (LCA) method to calculate the EI of RNZB in terms of eighteen Midpoint impact categories and three Endpoint impact categories: damage to human health, ecosystem diversity, and resource availability. The paper also compares the EI of RNZB with those of other battery technologies, such as lead-acid and lithium-ion LFP and NMC. The paper applies the models and compares results with those provided by the software openLCA (version 1.11.0), showing its reliability and concluding that NiZn batteries contribute approximately 14 MJ for CED and 0.82 kg CO₂ eq. for global warming per kWh of released energy. This places them between lithium-ion and lead-acid batteries. This study suggests that NiZn battery technology could benefit from using more renewable energy in end-use applications and adopting green recovery technology to reduce environmental impact. Further developments can use these models as objective functions for heuristic optimization of the EI in the life cycle of RNZB.

Keywords:

Sustainable energy; nickel-zinc battery; life cycle analysis modeling; environmental impacts of battery technologies

Reference:

MALVIYA, A.K.; ZAREHPARAST MALEKZADEH, M.; LI, J.; LI, B.; SANTARREMIGIA, F.E.; MOLERO, G.D.; VILLALBA-SANCHIS, I.; YEPES, V. (2024). A formulation model for computation to estimate the Life Cycle Environmental Impact of NiZn Batteries. Energies, 17:2751. DOI:10.3390/en17112751

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