Introducción

El desarrollo industrial en un territorio puede facilitar la reactivación de la economía y mejorar la calidad de vida de la población. Pero tiene el potencial de modificar significativamente el entorno y causar efectos negativos sobre los el agua, suelo, aire y los seres vivos. A partir de ello se define que cualquier alteración ocasionada por la actividad humana sobre el medio ambiente se conoce como impacto ambiental[¹].

Una de las industrias a las que se le asocian muchos impactos ambientales en la actualidad es la industria de la construcción, ya que involucra actividades como la extracción y procesamiento de materias primas vírgenes (desde la naturaleza), transporte de los materiales, construcción de infraestructura, operación, demolición y disposición final de los residuos que se generan en cada actividad. Dichas acciones consumen grandes cantidades de recursos, tanto materiales como energéticos. Esta industria es responsable de al menos la tercera parte de las emisiones mundiales de dióxido de carbono (CO₂) a la atmósfera, del 40% de los residuos sólidos producidos [²], el consumo del 40% de la energía producida y del 12% del agua potable. Específicamente en Costa Rica este sector contribuye anualmente con 283 000 toneladas de CO₂ eq (unidad comparable para medir impacto ambiental) [³].

El sector de la construcción utiliza el acero intensivamente. Éste es una aleación de hierro, carbono y pequeñas cantidades de otros elementos que le añaden características específicas [⁴]. Su uso le permite conocerse como Acero estructural. Para el año 2014, el 51% de su producción mundial se empleó en la construcción de viviendas e infraestructura [⁵].

Costa Rica no produce acero, pero empresas como ArcelorMittal Costa Rica importan lingotes de acero desde otros países para producir y colocar en el mercado nacional e internacional materiales acabados como las varillas de acero para la construcción #3, las cuales son empleadas como refuerzo para el concreto durante la construcción [⁶].

La fabricación de este producto impacta potencialmente el ambiente debido al uso de recursos energéticos y materiales. Para determinar ese impacto, se pueden utilizar metodologías que permiten medir su calidad ambiental, siendo una de ellas el Análisis de Ciclo de Vida (ACV). El ACV es un proceso objetivo que evalúa las cargas ambientales asociadas con un proceso, producto o servicio, mediante la identificación y cuantificación de la energía, materiales consumidos y de los residuos generados al ambiente, con la finalidad de evaluar e implementar mejoras ambientales [⁷].

Sin embargo, en Costa Rica la aplicación de los ACV en los diferentes sectores industriales, incluyendo el de construcción, es aún incipiente [⁸]. Debido a lo anterior, el objetivo del estudio es determinar la trazabilidad de la varilla de acero para construcción #3 y sus impactos ambientales potenciales en las etapas de producción y transporte del lingote de acero y la producción y transporte de la varilla de acero en la empresa ArcelorMittal Costa Rica.

Metodología

La metodología para realizar el estudio se basa en lo establecido en las Normas ISO 14040 y 14044, donde inicialmente se realiza la Definición del planteamiento y alcance del ACV. Se especifican los siguientes términos:

Unidad Funcional: Producir una tonelada de Varilla de Acero para Construcción #3 en la empresa ArcelorMittal Costa Rica.

Flujo de Referencia (FR):FR=Cantidad de Recursos × Peso unitario

Sistema de Producto: Varilla de acero para construcción #3 para ser empleada como refuerzo en la construcción con concreto.

Límites del Sistema: Los límites del sistema se encuentran definidos en la Figura 1.

Figura 1 Diagrama de flujo del ACV de la varilla 

Procedimientos de Asignación: Con relación a las cantidades en términos de masa y a las entradas significativas de energía en todo el sistema, utilizando los datos aportados por la empresa según el último corte de información del año 2015.

Criterios de Corte: Se promediaron las distancias inferiores al 100 km para obtener el valor de dicha variable en la etapa de distribución de la varilla de acero, puesto que el 80% de su producción anual se distribuyó en distancias inferiores a los 100 km.

Categorías de Impacto Seleccionadas y Metodología de Evaluación de Impacto: El método ReCiPe y Midpoint(H). Los factores de caracterización utilizados proceden del método de evaluación seleccionado. Se consideraron las etapas de clasificación y caracterización. Se seleccionaron 14 categorías:

Resultados y discusión

Los resultados obtenidos y encontrados en la Figura 2 muestran que durante la fabricación del lingote de acero la mayor carga ambiental corresponde al uso de materia prima virgen la cual se obtiene directamente de la naturaleza. Adicionalmente se le suman los procesos de extracción, el refinamiento del mineral de hierro, el coque y la piedra caliza para la fabricación del hierro. Esto conlleva a una alta demanda de energía eléctrica, gran consumo de combustibles fósiles y la generación de emisiones al aire, suelo y agua afectando en mayor medida la categoría de agotamiento de los minerales (Participación porcentual del 97,7%). El manganeso es el segundo elemento con mayor contribución en esta categoría debido a la extracción del manganeso para ser usado como potenciador de la resistencia mecánica del acero, así como para aprovechar sus propiedades desoxidantes y desulfurantes al fabricar dicho material [¹⁰].

Figura 2 EICV para la Etapa de Producción del Lingote de Acero. 

Se observa además que hay impactos importantes en la eutrofización de agua dulce (98%), producto de los fosfatos generados durante la fabricación del acero. Los fosfatos surgen de la combinación del fósforo con el oxígeno del aire. Este es un elemento agregado para aumentar el límite de resistencia, mayor dureza y conceder propiedades anticorrosivas al acero [¹⁰]. Los fosfatos deterioran la calidad del agua y aceleran la eutrofización del agua dulce [¹¹]. La Figura 2 muestra también que en el proceso de fabricación del acero a partir de material reciclado produce mayor impacto sobre la categoría de ecotoxicidad terrestre (13,4%) ya que el horno de arco eléctrico empleado en esta etapa puede emitir gases y polvo con metales pesados como cadmio, mercurio, plomo, etc., [¹²]. La sustancia que genera mayor impacto sobre dicha categoría es el mercurio debido a que éste aparece de manera natural en el carbón y demás combustibles fósiles, que al quemarse para producir energía, como materia prima en la producción del lingote de acero, quedando suspendido en la atmósfera y cayendo en el suelo por deposición atmosférica o por arrastre de otras partículas de mayor peso [¹³].

El transporte marítimo del lingote de acero presenta impactos potenciales importantes sobre la categoría de acidificación terrestre (90,1%) asociándose la deposición atmosférica del NO_x, SO_x, y otras sustancias (Figura 3). Los buques usan combustibles a base de petróleo con elevado contenido de azufre para alimentar sus motores liberando dichas sustancias durante la combustión. La deposición de ellas en el suelo se debe a que el lingote provenía desde Trinidad y Tobago donde la ruta marítima recorrida se encontraba relativamente cerca de la costa, y además que la rotación terrestre desvía los vientos alisios y arrastra las emisiones hacia la costa este del continente. Adicionalmente, se produce acidificación terrestre producto de las actividades terrestres en las zonas portuarias que pueden contaminar el suelo y de los sedimentos [¹⁴]. Durante la combustión de los hidrocarburos se emiten a la atmósfera material particulado, oxidantes fotoquímicos y gases de efecto invernadero (GEI) que favorecen al cambio climático. El 80% del comercio mundial se transporta vía marítima, constituyendo el 4% de las emisiones de GEI a mundiales [¹⁵].

Figura 3 EICV para la Etapa de Transporte del Lingote de Acero. 

El transporte terrestre del lingote de acero se realiza desde el puerto Moín hasta las instalaciones de la planta de producción de la empresa en Guápiles. La categoría que se ve afectada es la de transformación de suelo natural (100%) como consecuencia de los procesos de instalación de la vía ferroviaria, la tala de bosque, desplazamiento de tierra y la construcción de puentes sobre ríos. Dichas actividades generan pérdida de la cobertura vegetal, modifica los drenajes naturales, cambia el nivel freático y erosiona el suelo. En la figura 3 se puede observar un impacto (99,3%) en agotamiento de los minerales ya que al efectuar los cálculos, el software incluye los datos de la producción de la locomotora, vagón y vía del tren, demandando grandes cantidades de minerales como hierro, manganeso, níquel, etc., sumando indirectamente los impactos de esas infraestructuras. Los resultados que se presentan en la Figura 3 están basados en el transporte de una tonelada de lingote de acero en buque y tren en sus respectivas distancias. No obstante, los valores numéricos de los impactos ambientales potenciales generados al transportar una tonelada de lingote en un sólo kilómetro en buque y tren varían, puesto que se produce mayor impacto durante el transporte en tren.

Los impactos potenciales asociados a los elementos evaluados en la etapa de producción de la varilla de acero se generan en Costa Rica. En la Figura 4 se observa que el uso de bunker (fuel oíl) como combustible primario del horno presenta una influencia importante en eutrofización de agua dulce (95,9%) debido a los procesos implícitos de mantenimiento de las maquinarias utilizadas en la quema del combustible, que involucran a la vez su limpieza empleando sustancias como detergentes que contienen fosfatos [¹⁶]. En el agotamiento de los combustibles fósiles, el bunker contribuye en un 93,3% debido a que él es un combustible fósil derivado del petróleo y su uso ocasiona su agotamiento.

Figura 4 EICV para la Etapa de Producción de la Varilla de Acero. 

El consumo de agua genera impacto sobre la categoría de agotamiento del agua, con una participación del 28,7% ya que se utiliza para el enfriamiento del lingote de acero durante el proceso de laminación. El lingote es calentado en el horno para aumentar su maleabilidad, luego se rocía con agua para remover la cascarilla y pasarlo por los rodillos donde se le da forma a la varilla. El agua usada en el proceso proviene de pozo (2%) y de la recolección de agua de lluvia (98%).

El uso de energía eléctrica y su impacto fue analizado. Para lograrlo se determinó la matriz eléctrica del año 2015 en Cosa Rica la cual fue mixta y casi 100% renovable. La entrada de energía para esta etapa se basó en el plan de expansión de la generación eléctrica para el periodo 2014-2035 del ICE. El uso de la energía eléctrica en la producción de la varilla de acero incide en mayor medida sobre la categoría de transformación de suelo natural (71,5%), producto de que al construir una represa hidroeléctrica o de cualquier central de generación eléctrica conlleva una invasión del área natural, movilización de tierra y otros materiales alterando los ecosistemas terrestres. La categoría de agotamiento del agua muestra que el impacto es de 60,4% a causa del uso del agua en las turbinas generadoras de electricidad en el tipo de generación hidroeléctrica, por lo que hay un cambio en el uso del agua y la disminución del caudal natural.

El impacto de las emisiones de gases al producir la varilla muestra la afectación sobre la categoría de acidificación terrestre (99,6%). El análisis de contribución efectuado a esta categoría reveló que el efecto principal es provocado por el NO₂ y el SO₂. La acidificación terrestre hace referencia a los cambios en las propiedades químicas del suelo. Cuando el NO₂ y el SO₂ en el aire reaccionan con radicales hidroxilos y vapor de agua de la atmósfera pueden generar ácido nítrico y sulfúrico respectivamente, que pueden disolverse en las gotas de agua de la atmósfera y generar lluvia ácida, también puede ocurrir por efecto de la deposición atmosférica, aumentando su potencial de acidificación [¹⁷].

La etapa de transporte de la varilla de acero es afectado por una sola variable: transporte en camión. Para la selección de dicha entrada fue necesario usar un criterio de distribución entre las toneladas de varilla (producto terminado) transportadas y la distancia recorrida por dicho producto. Tal criterio se puede apreciar en Cuadro 2.

Por otra parte, puesto que en las categorías de impacto seleccionadas el 100% de la participación en cada una de ellas corresponde a la única entrada evaluada, se omitirá la EICV individual para esta etapa. Sin embargo, se linearizaron los datos de peso transportado y consumo de combustible, de manera que se determinó una relación lineal entre dichos elementos (ver Figura 5).

Figura 5 Consumo de combustible por toneladas de varilla transportada. 

En la Figura 6 se presenta un análisis comparativo entre las distintas etapas analizadas, las categorías evaluadas y la participación porcentual. Se puede apreciar que la etapa de producción del lingote de acero genera el mayor impacto ambiental potencial (100%) en once de las categorías evaluadas. La fabricación de acero primario (materias vírgenes) y secundario (reciclado) produce gran variedad de efectos perjudiciales en el medio ambiente asociado al uso intensivo de energía y materias primas convertidos en emisiones de CO₂, SO_x, NO_x, material particulado, así como al uso de agua y sus emisiones asociadas [ ¹⁸].

En la Figura 6 se puede percibir una leve participación del transporte del lingote y sus efectos, asociándose al uso de combustible en el buque y la locomotora y sus respectivas emisiones a la atmósfera.

La etapa de producción de la varilla de acero tiene una participación mayoritaria (100%) en las categorías de acidificación terrestre, formación de oxidantes fotoquímicos y formación de material particulado, cuyo impacto procede de las emisiones de gases a la atmósfera desde la chimenea.

Figura 6 Análisis Comparativo de las Etapas de Producción del Lingote, Transporte del Lingote, Producción de la Varilla y Transporte de la Varilla. 

El transporte de la varilla genera un consumo de combustible proporcional a las toneladas de varilla trasladadas en camión. No obstante, la combustión de los combustibles libera a la atmósfera sustancias halogenadas, material particulado y GEI, generando impacto sobre las categorías de cambio climático y agotamiento de la capa de ozono.

Conclusiones

La etapa de producción del lingote es la responsable del 85% del impacto potencial en la mayoría de las categorías evaluadas producto del uso de materias primas vírgenes. Estudios similares reportados en Europa concuerdan con este mismo resultado. Una forma de reducir este impacto sería utilizando más cantidad de material reciclado en el horno de arco eléctrico, pero afectaría las propiedades mecánicas del material.

En la etapa de transporte del lingote de acero, no se puede señalar a uno de los dos medios de transporte, buque o tren, como el más influyente sobre los impactos producidos, ya que cada uno influye de manera distinta sobre las categorías analizadas. El transporte en tren tiene mayor influencia (73%) en una tonelada de acero en un sólo kilómetro recorrido que el transporte en buque.

En la etapa de producción de la varilla de acero, el 43% de los impactos son generados por la emisión de gases a la atmósfera desde la chimenea debido a la ausencia de una un sistema de tratamiento de los gases liberados. Otro 43% procede del uso de bunker como combustible para el horno galopante y 14% se asocia al uso de energía eléctrica, aunque este último no es significativo al provenir de una matriz energética casi 100% renovable.

La etapa de transporte de la varilla de acero, genera un impacto ambiental potencial menor al 3% en todo el sistema evaluado.

El enfoque del presente estudio es de la cuna a la puerta, pues comprende información desde la producción de la materia prima hasta la elaboración del producto final Los resultados generados en la EICV pueden ser empleados como línea base para comparar futuros ACV de productos de acero en Costa Rica. Se concluye además que los valores de participación porcentual no corresponden a la realidad costarricense debido a las limitaciones de la evaluación y las incertidumbres de los datos.

La trazabilidad de la varilla de acero para construcción #3 presentada es de tipo parcial debido a la ausencia de información en ciertas áreas del estudio. Se recomienda continuar con esta línea de investigación y desarrollar una Base de Datos con información relativa a la situación costarricense.