Life cycle cost – El blog de Víctor Yepes

Modelo para la construcción sostenible: reducción de emisiones y eficiencia estructural hacia 2100

Un artículo reciente en Sustainable Cities and Society revista del primer decil del JCR, explora un innovador modelo de evaluación de la sostenibilidad en la industria de la construcción, con aplicaciones de gran impacto a nivel global.

Esta investigación, llevada a cabo por un equipo de expertos de la Universidad de Ciencia e Ingeniería de Hunan (China) y de la Universitat Politècnica de València (España), introduce el «modelo de acoplamiento multidisciplinar», una metodología que integra conocimientos avanzados de matemáticas, ingeniería, ciencias ambientales y sociología económica para analizar, de manera más precisa, los efectos de la construcción sobre la sostenibilidad a largo plazo. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Objetivos y contexto de la investigación

El trabajo parte de un desafío global urgente: reducir las emisiones de carbono en la industria de la construcción, que representa un porcentaje significativo del consumo energético y de las emisiones contaminantes a nivel mundial. Según estimaciones previas, esta industria generará más del 50 % de las emisiones de carbono para 2050 si no se implementan políticas de mitigación eficaces. En este contexto, el equipo de investigación plantea un enfoque innovador para analizar el ciclo de vida completo de las construcciones, desde la selección de materiales y el diseño, hasta la construcción, el mantenimiento y el desmantelamiento, conocido como evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés).

Además, para obtener una visión integrada que abarque el impacto ambiental, social y económico de cada proyecto, se emplea la evaluación social del ciclo de vida (SIA), que permite analizar los efectos en la sociedad y en la economía. El objetivo principal de la investigación es ofrecer un marco más robusto que ayude a los gobiernos y a las empresas del sector a tomar decisiones informadas que favorezcan el desarrollo urbano sostenible.

Metodología y desarrollo del modelo

Para desarrollar este modelo, los investigadores implementaron una técnica de «acoplamiento multidisciplinar» novedosa que incorpora algoritmos avanzados y teorías de optimización de estructuras en tres dimensiones. Este enfoque se basa en el uso de algoritmos de interpolación y ajuste de datos, capaces de proyectar los impactos de la construcción de manera más precisa. Además, el modelo emplea herramientas de software de análisis ambiental, como OpenLCA, que permite integrar datos económicos y medioambientales para evaluar la sostenibilidad.

El equipo realizó pruebas del modelo en cuatro regiones económicas clave de China: las provincias de Hubei, Jiangsu, Henan y Guangdong, seleccionando puentes de gran escala en cada una como ejemplos de estudio. A través de análisis finitos y optimización de topología de estas estructuras, lograron proyectar cómo variará el impacto ambiental y social a lo largo de los próximos cien años.

Resultados más destacados y proyecciones futuras

Los resultados obtenidos indican que la industria de la construcción en China alcanzará su máximo de emisiones en el año 2030, con un estimado de 2,73 giga toneladas (GT) de CO₂. Tras este pico, se proyecta una significativa reducción de las emisiones, con niveles de -2,78 GT anuales entre 2061 y 2098, debido a la implementación de técnicas de construcción más eficientes y al uso de materiales más sostenibles. A nivel social, la evaluación SIA prevé un pico de impacto en 2048, con 4,26 GT de CO₂ equivalente en afectaciones sociales, seguido también de una reducción en las décadas posteriores.

Para obtener estas cifras, el estudio utilizó un algoritmo de optimización de la estructura en las distintas fases del ciclo de vida, con el que identificó puntos de mejora y áreas críticas de impacto. Así, el modelo no solo ofrece una herramienta para la proyección de emisiones, sino que también permite evaluar el desempeño de cada estructura en términos de durabilidad, coste y adaptabilidad a cambios estructurales, lo cual podría ser crucial en regiones urbanas que experimentan un crecimiento acelerado.

Conclusiones y aplicación global

Este trabajo es una contribución pionera en la investigación sobre sostenibilidad en construcción, ya que ofrece un marco metodológico con potencial para ser replicado en otros países y sectores de la construcción. Su aplicación no solo está dirigida a la reducción de emisiones, sino también a la mejora de la resiliencia estructural y a la reducción de costes a largo plazo mediante un diseño optimizado. Los investigadores destacan que este modelo podría adaptarse a otros países que, como China, se enfrentan a grandes desafíos en la gestión de la sostenibilidad urbana y que buscan avanzar hacia economías bajas en carbono.

En conclusión, el modelo de acoplamiento multidisciplinar de esta investigación establece un estándar robusto para el análisis de sostenibilidad en construcciones complejas. Con este enfoque, gobiernos y empresas de construcción podrían optimizar sus prácticas para reducir los impactos negativos, no solo ambientales, sino también sociales y económicos, en sintonía con las metas de desarrollo sostenible. Este estudio ofrece, además, una guía para que la industria de la construcción pueda abordar sus desafíos actuales y proyectar una trayectoria sostenible para las próximas décadas.

Referencia:

ZHOU, Z.; ZHOU, J.; ZHANG, B.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2024). The centennial sustainable assessment of regional construction industry under the multidisciplinary coupling model. Sustainable Cities and Society, 101:105201. DOI:10.1016/j.scs.2024.105201

Modelo para estimar el coste del ciclo de vida de las baterías de NiZn

Acaban de publicarnos un artículo en la revista Sustainability, revista indexada en el JCR. El documento presenta un análisis exhaustivo del costo del ciclo de vida (LCC) de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB) y lo compara con otras tecnologías de baterías, como las baterías de plomo-ácido, LFP de iones de litio y NMC, en términos de costo, seguridad, rendimiento e impacto ambiental. El estudio concluye que las baterías de NiZn, en particular las de formulación de NiZn, son la opción más barata durante todo su ciclo de vida, con el menor costo por unidad de energía liberada. El documento también destaca la necesidad de obtener más datos sobre las baterías de níquel-zinc. Estas aún se encuentran en la fase de investigación y desarrollo, y recomienda considerar factores como la ubicación de la infraestructura, el costo de la maquinaria, el almacenamiento, los proveedores de materias primas, el transporte y la recuperación del material para reducir aún más los costos. El modelo de costos del ciclo de vida propuesto puede aplicarse a otras tecnologías de almacenamiento de energía y utilizarse con fines de optimización.

Las contribuciones más importantes de este trabajo son las siguientes:

El documento establece modelos matemáticos para estimar el costo del ciclo de vida de las baterías recargables de níquel-zinc (RNZB) y aplica estos modelos para comparar el costo de las RNZB con el de otras tecnologías avanzadas de baterías para aplicaciones estacionarias.
El estudio proporciona un análisis exhaustivo y sistemático de los RNZB, teniendo en cuenta factores como la seguridad, el rendimiento, el impacto ambiental y el costo. Se concluye que las baterías de NiZn, en particular las de formulación de NiZn, son la opción más barata durante todo su ciclo de vida, con el menor coste por unidad de energía liberada.
El modelo de costos del ciclo de vida sugerido se puede utilizar como una función objetiva para optimizar el costo y el impacto ambiental de las baterías de NiZn. También sugiere considerar varios factores, como la ubicación de la infraestructura, el costo de la maquinaria, el almacenamiento, los proveedores de materias primas, el transporte y la recuperación del material, para reducir aún más los costos a lo largo del ciclo de vida de la batería.
Los modelos establecidos en este documento se pueden aplicar para estimar el costo del ciclo de vida y el impacto ambiental de cualquier nueva tecnología de almacenamiento de energía, proporcionando un marco para la investigación y el desarrollo futuros en el campo del almacenamiento de energía.

Abstract:

The increasing demand for electricity and the electrification of various sectors require more efficient and sustainable energy storage solutions. This paper focuses on the novel rechargeable nickel–zinc battery (RNZB) technology, which can potentially replace the conventional nickel–cadmium battery (NiCd), in terms of safety, performance, environmental impact, and cost. The paper aims to provide a comprehensive and systematic analysis of RNZBs by modeling their lifecycle cost (LCC) from cradle to grave. This paper also applies this LCC model to estimate costs along the RNZB’s lifecycle in both cases: per kilogram of battery mass and per kilowatt hour of energy released. This model is shown to be reliable by comparing its results with costs provided by recognized software used for LCC analysis. A comparison of LCCs for three widely used battery technologies: lead–acid, Li-ion LFP, and NMC batteries, which can be market competitors of NiZn, is also provided. The study concludes that the NiZn battery was the cheapest throughout its entire lifecycle, with NiZn Formulation 1 being the cheapest option. The cost per unit of energy released was also found to be the lowest for NiZn batteries. The current research pain points are data availability for nickel–zinc batteries, which are in the research and development phase. In contrast, other battery types are already widely used in energy storage. This paper recommends considering the location factor of infrastructures, cost of machinery, storage, number of suppliers of raw materials, amount of materials transported in each shipment, and the value of materials recovered after the battery recycling process to further reduce costs throughout the battery’s lifecycle. This LCC model can also be used for other energy storage technologies and serve as objective functions for optimization in further developments.

Keywords:

Sustainable energy; nickel–zinc battery; nickel–cadmium battery; lifecycle cost modeling; battery technologies

Reference:

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

Descargar (PDF, 1.8MB)

Evaluación del desarrollo sostenible de la industria de la construcción

Nos acaban de publicar en la revista Sustainable Cities and Society (1/68, CONSTRUCTION & BUILDING TECHNOLOGY, primer decil del JCR) un artículo relacionado con la evaluación del desarrollo sostenible de la industria de la construcción regional y nacional.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. Se corresponde con la colaboración internacional que mantiene nuestro grupo de investigación con la Hunan University of Science and Engineering, de China. El primer autor, Prof. Zhou, sigue perteneciendo a nuestro grupo de investigación, pues desarrolló con nosotros su tesis doctoral.

Los datos de la investigación muestran que la industria de la construcción en China alcanzará su pico más alto de emisiones, según la evaluación del ciclo de vida en 2030 y tendrá emisiones nocivas entre 2061 y 2098. La evaluación del impacto social indica que se alcanzará su punto máximo en 2048.

Las contribuciones más relevantes de esta investigación son las siguientes:

El artículo innova modelos teóricos, como la «ponderación de la sensibilidad de la respuesta estructural», a través de una investigación interdisciplinaria, que aborda las limitaciones de la precisión de la iteración multifactorial, multidiscreta, con múltiples restricciones y con un bajo acoplamiento.
La investigación proporciona un sistema integral de teoría de la investigación y estándares de referencia para el cálculo científico y la evaluación precisa del desarrollo sostenible de la industria de la construcción en varios países del mundo.
El documento presenta un modelo, el «peso de sensibilidad a la respuesta estructural (SRSW)», que determina de forma precisa e intuitiva los resultados de la evaluación del desarrollo sostenible de la industria de la construcción regional y nacional.
La investigación incluye estudios de casos para demostrar la solidez del modelo, y muestra el pico de emisiones y las emisiones nocivas más altas de la industria de la construcción en China según la evaluación del ciclo de vida más alto.
La investigación contribuye al campo de la investigación sobre sostenibilidad en la industria de la construcción, ya que proporciona información y datos para que los responsables políticos y los profesionales tomen decisiones informadas con respecto al entorno ecológico.

ABSTRACT:

Sustainability research in the construction industry is of great strategic significance to the ecological environment of countries worldwide. This paper innovates theoretical models such as “structural response sensitivity weight” through interdisciplinary research on advanced mathematics, engineering science, computer science, environmental management and economic sociology. The model solves the limitations of multi-factor, multi-discrete, multi-constraint and low coupling iteration accuracy. The article shows the robustness of the model through case studies. The research data shows that the construction industry in China will reach its highest life cycle assessment emission peak of 2.73 GT in 2030 and will have harmful emissions of -2.78 GT between 2061 and 2098. The social impact assessment will peak at 4.26 GT in 2048 and harmful emissions of −3.75 GT per year from 2061 to 2098. This research provides a comprehensive research theory system and reference standards for scientific calculation and accurate assessment of the sustainable development of the construction industry in various countries around the world.

KEYWORDS:

Gross domestic product; Life cycle cost; Life cycle assessment; Social impact assessment; Topology optimization.

REFERENCE:

La editorial ELSEVIER permite el acceso directo y gratuito a este artículo hasta el 8 de marzo de 2024. El enlace para la descarga es: https://authors.elsevier.com/c/1iRse7sfVZE2dg

Durabilidad y rediseño de un puente de hormigón en ambiente costero mediante un método no destructivo de detección de daños

Durante los días 10-13 de julio de 2023 tuvo lugar en Donostia-San Sebastián (Spain) el 27th International Congress on Project Management and Engineering AEIPRO 2023. Fue una buena oportunidad para debatir y conocer propuestas sobre dirección e ingeniería de proyectos. Nuestro grupo de investigación, dentro del proyecto de investigación HYDELIFE, presenta varias comunicaciones. A continuación os paso la primera de las comunicaciones presentadas. Cabe destacar que este trabajo recibió el accésit del Premio “Jaume Blasco” a la innovación, por lo que hay que felicitar al doctorando Mehrdad Hadizadeh-Bazaz por el extraordinario trabajo realizado. A ello hay que sumar el Premio que recibió al mejor trabajo en la modalidad de póster otorgado por la Escuela de Doctorado de la Universitat Politècnica de València, dentro del VIII Encuentro de Estudiantes de Doctorado.

Durante algún tiempo, los expertos y los gobiernos han estado enfocados en reducir los costos de reparación y mantenimiento de estructuras cruciales como los puentes a través de un enfoque continuo en el mantenimiento y la reparación. En este estudio, se investiga la rentabilidad de dos métodos de predicción de daños: el método de densidad espectral de potencia (PSD) en comparación con el método convencional de detección de daños a través del rediseño de diferentes espesores de recubrimiento de hormigón para un puente costero de hormigón armado.

El estudio evalúa el impacto de los iones cloruro en la ubicación y extensión de los daños a lo largo de la vida útil del puente, y compara los costos totales de mantenimiento y reparación. Los resultados revelan que si bien el método PSD es efectivo para estructuras con recubrimientos de hormigón bajos, aumentar el espesor del recubrimiento de hormigón puede dar lugar a mayores costes de reparación.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Palabras clave:

Evaluación del costo del ciclo de vida, métodos no destructivos de detección de daños, puente costero de hormigón, corrosión del acero, corrosión por cloruros, técnicas de mantenimiento y reparación.

Agradecimientos:

This research was funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033, grant number PID2020-117056RB-I00 and The APC was funded by ERDF A way of making Europe.

Referencia:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Durability assessment and re-design of coastal concrete bridge through a non-destructive damage detection method. 27th International Congress on Project Management and Engineering, AEIPRO, 10-13 de julio, Donostia/San Sebastián (Spain), pp. 386-401. DOI:10.61547/3371

A continuación os dejo un vídeo donde presentamos el trabajo. Espero que os sea de interés.

Os dejo la comunicación completa, pues está editada en abierto. Espero que os sea de interés.

Descargar (PDF, 2.38MB)

Diseño sostenible de losas aligeradas de hormigón armado en entornos costeros

La industria de la construcción tiene un impacto significativo en el medio ambiente, especialmente en el sector de la construcción residencial, debido a un alto consumo de recursos. Con el fin de reducir el impacto ambiental en las etapas de construcción, servicio y fin de vida de los edificios, los académicos priorizan la adopción de Métodos Modernos de Construcción (MMC) para optimizar el consumo de materiales y minimizar el impacto del ciclo de vida de los edificios.

Este estudio evalúa la sostenibilidad de losas planas de hormigón armado utilizando un sistema estructural hueco, especialmente en entornos que desencadenan la corrosión del hormigón. El análisis se centra en siete alternativas de diseño para una estructura de hotel frente a la playa, empleando la técnica VIKOR para agregar cinco criterios de sostenibilidad. La opción más rentable y beneficioso para el medio ambiente es el uso de hormigón con un 10 % de humo de sílice, lo cual reduce los costos del ciclo de vida en un 87 % e impacta el diseño base en un 67 %. Sin embargo, al considerar criterios de sostenibilidad económica y ambiental, se llegó a mejores diseños sostenibles, como un recubrimiento de hormigón más extenso para las barras de refuerzo inferiores, lo que resulta en un índice de sostenibilidad un 46 % mejor.

El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

Referencia:

SÁNCHEZ-GARRIDO, A.J.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Sustainable design of lightened reinforced concrete flat slabs in coastal environment. 8th International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering IALCCE 2023, July 2-6, Milano (Italy). DOI: 10.1201/9781003323020-300

Os paso el artículo completo, pues está publicado en abierto. Las actas completas del congreso la podéis descargar aquí.

Descargar (PDF, 737KB)

Evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero

Acaban de publicarnos un artículo en el Journal of Marine Science and Engineering, revista indexada en el JCR. Se trata de la evaluación del coste del ciclo de vida mediante la función de densidad espectral de potencia en un puente de hormigón en ambiente costero. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

En los últimos tiempos, se han llevado a cabo reparaciones y mantenimiento en estructuras para prevenir el colapso súbito y los consiguientes daños económicos y humanos. La presencia de iones cloruro es un factor natural que contribuye a la degradación de las estructuras en entornos marinos, reduciendo su vida útil. Por lo tanto, es esencial supervisar regularmente el estado de los edificios costeros de hormigón para repararlos a tiempo. El objetivo de este estudio es evaluar el método de densidad espectral de potencia (PSD) como un método no destructivo de detección de daños para monitorizar la ubicación y cantidad de daños causados por los iones cloruro durante la vida útil de una estructura. Se utilizan diferentes enfoques, como la evaluación del ciclo de vida (LCA) y su coste (LCCA).

En este sentido, en primer lugar, se calculó el daño por corrosión causado por los cloruros en función de la distancia de la zona al agua de mar para determinar la vida útil de cada parte de un puente de hormigón en ambiente marino mediante el método convencional. A continuación, se estimó el deterioro del hormigón, basándose en la corrosión de las barras de refuerzo cada año. El método PSD permitió controlar la pérdida anual de sección transversal de la armadura, las variaciones en las características dinámicas (como la rigidez y la masa) y la vida útil de la estructura del puente mediante ecuaciones de sensibilidad y el algoritmo de mínimos cuadrados lineales. Por último, se compararon los costes del ciclo de vida (CCV) y los costes de mantenimiento y reparación del método PSD con el método convencional en función de la ubicación y calidad de los daños en cada año de vida del puente hasta el final de su vida útil. Los resultados mostraron que esta estrategia fue muy eficaz para reducir y optimizar los costes de mantenimiento y reparación causados por la corrosión por cloruros.

Figura 1. Dimensiones de un vano del puente de Arosa

Abstract:

Repairs and maintenance have recently been necessary to prevent sudden collapses of structures, which can lead to human and financial damage. Chloride ions are a natural factor in marine environments that deteriorate structures and reduce lifespan. Therefore, it is essential to regularly monitor the condition of concrete coastal buildings to ensure timely repairs. This study aims to evaluate the performance of the power spectral density (PSD) method as a non-destructive damage detection method for monitoring the location and amount of damage caused by chloride ions during a structure’s lifespan. The study employs different approaches, including life-cycle assessment (LCA) and life-cycle cost assessment (LCCA). The conventional method calculates the chloride corrosion damage dependent on the zone’s distance from seawater to determine the service life of each part of a coastal concrete bridge. The next stage forecasts the bridge’s concrete deterioration based on the rebar corrosion each year. The PSD method monitors the annual loss of reinforcement cross-sectional area, dynamic characteristics such as stiffness and mass changes, and the bridge structure’s lifespan using sensitivity equations and the linear-least-squares algorithm. Finally, the LCCA and maintenance and repair costs of the PSD method are compared to the conventional method based on the location and quality of damage in each year of the bridge’s life until the end of its service life. The results show that this strategy effectively reduces and optimizes the maintenance and repair costs caused by chloride corrosion.

Keywords:

Life-cycle cost assessment (LCCA); non-destructive damage-detection technique; chloride ion attack; steel corrosion; power spectral density method (PSD); concrete coastal bridge.

Reference:

HADIZADEH-BAZAZ, M.; NAVARRO, I.J.; YEPES, V. (2023). Life-cycle cost assessment using the power spectral density function in a coastal concrete bridge. Journal of Marine Science and Engineering, 11(2):433. DOI:10.3390/jmse11020433

Descargar (PDF, 3.17MB)

Desarrollo regional sostenible de la construcción basada en la teoría de la entropía

Acaban de publicarnos un artículo en Sustainability, revista indexada en el segundo cuartil del JCR. Se trata de aplicar la teoría de la entropía para evaluar el desarrollo sostenible de la construcción en una región determinada, en este caso, en China. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València.

La humanidad se enfrenta actualmente al problema cada vez más urgente de la contaminación del medio ambiente. Para gestionar de forma rigurosa el medioambiente, los distintos gobiernos nacionales deberían basarse en bases científicas prácticas para ajustar y formular políticas y medidas legales basadas en el análisis de los datos existentes. En este trabajo se realiza un análisis basado en la teoría de la entropía de la innovación para evaluar el impacto de ocho provincias chinas, incluyendo los impactos ambientales, los económicos y los sociales. Los resultados muestran que los impactos en China deberían crecer desde 2021 hasta 2044 aproximadamente. Después de 2045, se estabilizarían, habiendo un crecimiento negativo en un corto período. La evaluación global del ciclo de vida (ECV) y la evaluación del impacto social (EIS) siguen siendo positivas. No habrá crecimiento negativo en los datos agregados y las emisiones serán nulas o negativas antes de 2108. Los datos finales de la investigación se presentan en forma de emisiones anuales, que proporcionan una base teórica para que el gobierno formule normativas y planes medioambientales a medio y largo plazo.

Abstract:

Human beings are now facing the increasingly urgent problem of global ecological environment pollution. To verify the scientific nature of environmental governance by governments of various countries, researchers need to provide a scientific basis and practical support for governments to adjust and formulate new policies and regulatory measures at any time through data analysis. This paper applies visual literature, aggregate analysis, engineering data programming, advanced mathematical science algorithms, and innovation entropy theory, and through this study, obtains sustainable impact data from eight Chinese provinces in the 21st century, including environmental, economic, and social impacts. The results show that China’s sustainable data should grow from 2021 to about 2044. After 2045, it will be stable, and there will be negative growth in a short period. The overall life cycle assessment (LCA) and social impact assessment (SIA) remain positive. There will be no negative growth in aggregate data and zero or negative emissions before 2108. The final research data are accurately presented in the form of annual emissions, which provide a scientific and theoretical basis for the government to formulate medium- and long-term ecological regulations and plans.

Keywords:

life cycle cost (LCC); life cycle assessment; social impact assessment; environment; bridge; carbon emissions

Reference:

ZHOU, Z.; ALCALÁ, J.; YEPES, V. (2022). Research on Sustainable Development of the Regional Construction Industry Based on Entropy Theory. Sustainability, 14(24): 16645. DOI:10.3390/su142416645

Como el artículo está publicado en abierto, os lo podéis descargar aquí mismo:

Descargar (PDF, 3.4MB)