ABSTRACT:
The European rail network is largely electrified, and rail emits far less CO2 than equivalent travel by road or air. It accounts for only 0.4 % greenhouse gas emissions from EU transport, while all EU transport accounts for 25% of the EU’s total emissions. Additionally, rail is the only transport that between 1990 and 2017 has consistently reduced its emissions and energy consumption, while increasingly using renewable energy sources.
Following this green line, this article presents the Life Cycle Assessment (LCA) study of new generation trains, mainly based on lightweighted primary structures made of composite material (about 30-50% weight loss compared to conventional ones).
The composite materials are novelty in the railway sector. Their introduction brings a clear advantage from the point of view of train capacity or energy/infrastructure canon savings. However, it needs to be justified from the LCA point of view.
Two different stages are developed in this article. An LCA of the new prototypes (production, assembly, transport and use phase). It is completed with an LCA of conventional structures. The second phase presents a comparison between the environmental impact produce using CFRP materials or metallic materials at the end of a useful life (EoL) of a carbody.
The results indicates that, at EoL, the composite material would be more economically and environmentally attractive than the current materials.
Keywords: Circular Economy, CFRP, rail, lightening
1. Motivación: situación del sector del ferrocarril
La industria ferroviaria quiere seguir siendo competitiva y afrontar el reto planteado por la Comisión Europea de ser la columna vertebral del transporte en Europa. Gracias a que la red ferroviaria europea está electrificada en gran medida, hace posible que los viajes en tren emitan mucho menos dióxido de carbono que los equivalentes por carretera o por aire.
El ferrocarril representa tan solo el 0,4 % de las emisiones de gases de efecto invernadero del sector transporte de la UE, mientras que todo el transporte de la UE representa el 25% de las emisiones totales de la UE.
Desde Talgo, se continua con esta línea verde, analizando el impacto de la reducción de peso en una composición, primero a nivel económico y después medioambiental, a través de un estudio del ciclo de vida de estos trenes de nueva generación, principalmente basados en estructuras primarias aligeradas.
2. Impacto económico
Entre los nuevos desafíos que se presentan en la industria ferroviaria, se destaca el aumentar la capacidad y la demanda, una mejora de la eficiencia energética y la disponibilidad y la fiabilidad. Para darles solución, una de las líneas de acción se centra en la introducción de estructuras más ligeras de caja y/o rodadura (pues son de los componentes más pesados del tren).
El impacto que supone la pérdida de un kilogramo en la masa total de un tren se puede ver en los siguientes términos económicos:
- Reducción del consumo energético: si usamos la fórmula de Davis ([1]):
donde, el término independiente está ligado a la masa, dependiendo de las condiciones (rampas, tipologías, etc.), la masa puede ser responsable de más del 30% de la resistencia al avance a velocidad nominal.
Si se tiene en cuenta aceleraciones, la reducción de masa puede suponer importantes ahorros energéticos y, por tanto, económicos. Para un tren de alta velocidad y 30 años de vida útil, se traduce en un ahorro entorno a los 5-6.5 €/kg ahorrado. (Nota: este calculo que debe adaptarse cada vez a la situación de precios actuales).
- Reducción del coste de accesos a vía: basado en la reducción del daño sobre la infraestructura al tener menos masa semi-suspendida y masa suspendida. Basado en el modelo de cálculo del canon británico (ver [2]), se estima que se puede reducir el coste de mantenimiento en el entorno de 6-12 €/kg ahorrado.
- Aumento de la capacidad de los trenes: ya sea por aumento de la carga de pago o mejora/introducción de nuevos equipos para mejora de equipamiento de seguridad, confort, experiencia, etc. Se ha estimado un aumento de la capacidad de 5-10% y unos 50-100 €/kg ahorrado. Todo se traduce en unos menores costes de operación.
3. Impacto medioambiental: ¿qué supone la pérdida de un kilogramo en el peso total del tren en cuanto a la sostenibilidad?
El Análisis del Ciclo de Vida (ACV) es un concepto primordial a la hora de hablar de economía circular. Un ACV es aquel documento que representa a un determinado producto relacionando aspectos ambientales, económicos y sociales, y permitiendo la transparencia de todo lo involucrado en el sistema.
La realización de un ACV permite identificar los principales impactos ambientales a lo largo de la vida útil de un producto. Para una correcta elaboración, es necesario tener en cuenta las siguientes etapas, según la norma ISO 14040 (ver [3]):
- Definición del objetivo y del alcance.
- Análisis del inventario del ciclo de vida (ICV).
- Evaluación del impacto.
- Interpretación de los resultados.
En este apartado, se muestra la información preliminar para construir el ACV. Será necesario conocer e identificar todos los flujos de los procesos relevantes, desde la extracción de la materia prima hasta el procesado al final de su vida útil. Existen cuatro fases diferenciadas: producción de materias primas, fabricación, transporte y fin de vida útil. El ACV calculado se centrará en dos líneas principales:
- Impacto energético: energía asociada a los distintos pasos del ciclo.
- Impacto medioambiental: dirigido a evaluar la importancia de los potenciales impactos ambientales utilizando los resultados del inventario realizado. En este estudio, se tienen en cuenta las siguientes categorías de impacto:
- Cambio climático: gases de efecto invernadero medidos como kg de CO2 (dióxido de carbono) equivalente.
- Eutrofización del agua dulce: emisiones de fosfatos expresados como kg de P (fósforo) equivalente.
- Eutrofización del agua de mar: emisiones de elementos nitrogenados como aminas, óxidos de amina, etc., expresados como kg de N (nitrógeno) equivalente.
- Acidificación del suelo: emisiones de ácidos expresados como mol de H+ (moles de protones equivalente).
- Consumo de metales: emisiones de metales referidos como kg de Sb (antimonio) equivalente.
Las unidades seleccionadas concuerdan con las utilizadas en la EPD de Talgo del tren AVRIL (ver referencia [4]).
Se utilizarán los diagramas de Sankey para mostrar la contribución y/o el impacto de cada proceso o mercado con respecto a cada uno de los cinco impactos medioambientales. Para su construcción, se han consultado diferentes fuentes: datos de bibliografía, datos experimentales y el software SimaPro. La base de datos utilizado es Ecoinvent v3.8.
3.1. Interpretación del ACV
Se van a considerar dos estructuras: MC (del inglés, “Metal Carbody”, caja metálica convencional) y CC (del inglés, “Composite Carbody”, caja ligera de material compuesto CFRP más testeros en aluminio). La unidad funcional es una pieza.
| Estructura | Aluminio | CFRP(*) | Total |
| MC | 3520 | --- | 3520 |
| CC | 609 | 1884 | 2493 |
| (*)CFRP es un tipo de material compuesto, que consiste en una resina epoxi reforzada con fibra de carbono (del inglés, “Carbon Fibre Reinforcement Plastic”) que Talgo introduce por primera vez en una Caja para un tren de alta velocidad. | |||
La pérdida de peso gracias a la introducción del CFRP es cercana a los 1000 kg.
Hay distintos alcances a la hora de definir un ACV. En las siguientes secciones se va a presentar diferentes ACV de los pasos intermedios (del inglés, “cradle to gate”, traducido por “de la cuna a la puerta”) para poder obtener los ACV completos (del inglés “cradle to cradle”, traducido como “de la cuna a la cuna”).
Se hará un ACV para la CM y otro para la CC, con tres de las cuatro fases indicadas anteriormente (producción, fabricación y transporte), así, como una comparación del ACV incluyendo la fase de uso y fin de vida, de una Caja Metálica convencional de un tren de alta velocidad con una Caja Ligera realizada en material compuesto CFRP y aluminio.
3.1.1. ACV “de la cuna a la puerta”
3.1.1.1. 1 kg material – Fase producción
La unidad funcional para este ACV es la producción de un kilogramo de material para fabricar las estructuras objeto de este estudio. Por un lado, se tiene el impacto medioambiental de producir un kilogramo de fibra de carbono (CF, del inglés, “carbon fibre”) virgen, y por otro, un kilogramo de aluminio reciclado.
La siguiente tabla muestra los resultados para el primer ACV:
| Resultados para el ACV: MATERIAL | |||||
| Cambio
Climático |
Acidificación
terrestre |
Eutrofización de agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización de agua salada [kg N eq] |
Consumo mineral [kg Sb eq] | |
| CF
[1 kg] |
35 | 0.26 | 0.0068 | 0.032 | 0.00003 |
| Aluminio reciclado
[1 kg] |
0.88 | 0.0043 | 0.00035 | 0.00081 | 0.0001 |
El uso de fibra de carbono produce un mayor impacto medioambiental comparado con el material tradicional, el aluminio.
3.1.1.2. 1 kg de CFRP: procesado por pultrusión o por autoclave
Dada la particularidad de trabajar con CFRP, es necesario alimentar la base de datos utilizada en cuanto al proceso de moldeo y métodos de reciclado de este material, como se estudiará más adelante este artículo.
La unidad funcional en este caso en un kilogramo de CFRP producido por moldeo por pultrusión o por autoclave (en estos cálculos, se incluye el impacto de obtener CF). Se estudian solo estos dos tipos de proceso porque son los utilizados para fabricar la CC.
Los datos de entradas y salidas de los procesos de autoclave y pultrusión se recogen en la Tabla 3 y la Tabla 4.
| Entradas | Salidas | ||
| Fibra de carbono | 0.832 kg | CFRP autoclave | 1 kg |
| Resina epoxi | 0.468 kg | ||
| Poliamida 66 | 0.045 kg | ||
| Tereftalato de polietileno (PET) | 0.034 | ||
| Politutrafluoroetileno (PTFE) | 0.005 kg | ||
| Disolvente orgánico | 0.003 kg | ||
| Electricidad | 20.52 kWh | ||
| Entradas | Salidas | ||
| Fibra de carbono | 1.05 kg | CFRP pultrusión | 1 kg |
| Electricidad | 0.861 kWh | ||
Por lo que el ACV de los procesos quedaría como sigue:
| Resultados para el ACV: AUTOCLAVE | ||||||
| Cambio
Climático |
Acidificación
terrestre |
Eutrofización de agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización de agua salada [kg N eq] |
Consumo mineral [kg Sb eq] | ||
| CFRP
[1 kg] |
39.03 | 2.48e-1 | 8.71e-3 | 3.70e-2 | 6.73e-5 | |
| Resultados para el ACV: PULTRUSIÓN | ||||||
| Cambio
Climático |
Acidificación
terrestre |
Eutrofización de agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización de agua salada [kg N eq] |
Consumo mineral [kg Sb eq] | ||
| CFRP
[1 kg] |
37.02 | 2.75e-1 | 7.24e-3 | 3.40e-2 | 2.97e-5 | |
A la vista de los resultados, es más sostenible fabricar por pultrusión que en autoclave, lo que en principio tiene sentido, ya solo pensando en el consumo eléctrico de cada proceso fabricación.
3.1.1.3. ACV - fases producción, fabricación y transporte.
Aquí se van a presentar los ACV para ver el impacto medioambiental de la fabricación de una unidad de MC y de CC.
| Inventario de ciclo de vida - Resumen | |
| MC | CC |
|
|
| Resultados para el ACV | ||||||
| Cambio
Climático |
Acidificación
terrestre |
Eutrofización de agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización de agua salada [kg N eq] |
Consumo mineral [kg Sb eq] | ||
| MC | Total | 10341.74 | 53.70 | 2.85 | 9.13 | 0.40 |
| Producción | 3081.76 | 15.28 | 1.22 | 2.85 | 3.56e-1 | |
| Ensamblaje / Transporte | 7259.98 | 38.43 | 1.63 | 6.28 | 4.41e-2 | |
| CC | Total | 74571.29 | 541.34 | 16.35 | 71.55 | 0.18 |
| Producción | 73315.23 | 534.69 | 16.07 | 70.46 | 1.74e-1 | |
| Ensamblaje / Transporte | 1256.06 | 6.65 | 0.28 | 1.09 | 7.62e-3 | |
Considerando cada pieza, en las siguientes imágenes viene graficado el peso de cada uno de los impactos medioambientales para fabricar una unidad funcional de una Caja o un Rodal.
Figura 2. Representación de las contribuciones para la MC. |
| File:Draft Peinado 845063921-image3-c.png
Figura 3. Representación de las contribuciones para la CC. |
Mirando los resultados (ver Tabla 9), no se puede justificar la fabricación de una caja en material compuesto pues los impactos medioambientales son menores para las cajas actuales. Pero, hay que tener en cuenta, que, hasta aquí, la fase de uso no está contemplada.
| Comparación a nivel de Fabricación – Metal-Fibra
Unidad funcional: 1 Caja | ||||||
| Cambio climático [kg CO2 eq] |
Acidificación [mol H+ eq] |
Eutrofización agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización agua marina [kg N eq] |
Recursos: minerales y metales [kg Sb eq] | ||
| Caja | CM | 10342 | 54 | 2.9 | 9.1 | 0.40 |
| CC | 74571 | 541 | 16 | 72 | 0.18 | |
| Crédito(*) | -64230 | -488 | -13.5 | -62.4 | 0.22 | |
| (*)El crédito se calcula como la diferencia entre la estructura metálica menos la de compuesto (MC-CC). Un crédito negativo significa que el impacto medioambiental con estructura de compuesto es menos sostenible, mientras que un crédito positivo, indica un beneficio medioambiental. | ||||||
3.1.2. ACV “de cuna a cuna”
3.1.2.1. Fin de vida – Fase de uso
Como ya se vio anteriormente, si en el ACV se realiza contabilizando las fases de producción, ensamblaje y transporte, y se compara por unidad funcional de una pieza, se observa como el uso de material compuesto tiene un impacto medioambiental mayor en todos los impactos estudiados, salvo en el consumo de metales y minerales con respecto al uso del metal convencional.
De la base de datos de Ecoinvent, se han obtenido los siguientes valores para los impactos medioambientales en cuanto al uso de un tren tipo (ver datos en la Tabla 10). La propia base de datos, diferencia entre el uso de una locomotora diésel o una locomotora eléctrica.
| Impactos Medioambientales por kilómetro y tonelada de tren | |||||
| Cambio climático [kg CO2 eq] |
Acidificación [mol H+ eq] |
Eutrofización agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización agua marina [kg N eq] |
Recursos: minerales y metales [kg Sb eq] | |
| TREN Diésel | 5.68e-2 | 6.03e-4 | 6.98e-6 | 2.58e-4 | 2.19e-7 |
| TREN
Eléctrico |
3.87e-2 | 2.28e-4 | 2.52e-5 | 5.38e-5 | 2.30e-7 |
Si se tiene en cuenta un TREN completo de 322 toneladas, bien con locomotora tipo diésel o eléctrica, y teniendo en cuenta su fase de uso: 30 años y 500.000 km/año, se puede obtener la implicación medioambiental de la fase de uso.
| ACV: fase de uso | ||||||
| Cambio climático [kg CO2 eq] |
Acidificación [mol H+ eq] |
Eutrofización agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización agua marina [kg N eq] |
Recursos: minerales y metales [kg Sb eq] | ||
| TREN Diésel | MC | 3.00e+6 | 3.27e+4 | 3.78e+2 | 1.40e+4 | 1.18e+1 |
| CC | 2.13e+6 | 2.25e+4 | 2.61e+2 | 9.64e+3 | 8.17 | |
| Crédito(*) | 8.76e+5 | 9.29e+3 | 1.07e+2 | 3.97e+3 | 3.37 | |
| TREN
Eléctrico |
MC | 2.04e+6 | 1.20e+4 | 1.33e+3 | 2.84e+3 | 1.22e+1 |
| CC | 1.45e+6 | 8.51e+3 | 9.44e+2 | 2.01e+3 | 8.62 | |
| Crédito(*) | 5.96e+5 | 3.50e+3 | 3.89e+2 | 8.29e+2 | 3.55 | |
| (*) El crédito se calcula como la diferencia entre la estructura metálica menos la de compuesto. Un crédito negativo significa que el impacto medioambiental con estructura de compuesto es menos sostenible, mientras que un crédito positivo, indica un beneficio medioambiental. | ||||||
3.1.2.2. ACV – Fase de producción, fabricación, transporte y uso
Y sumado a los resultados del ACV donde se tenía en cuenta la fase de producción, fabricación y transporte, ver Tabla 9) con los de la fase de uso (ver Tabla 11), se puede calcular el crédito de utilizar una estructura ligera (de material compuesto) frente al uso de una convencional (metálica) a nivel de tren completo:
| Comparación a FIN DE VIDA ÚTIL del Tren – Metal-Compuesto | ||||||
| Cambio climático [kg CO2 eq] |
Acidificación [mol H+ eq] |
Eutrofización agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización agua marina [kg N eq] |
Recursos: minerales y metales [kg Sb eq] | ||
| Crédito(*) | Tren diésel | 8.11e+5 | 9.66e+3 | 1.04e+2 | 4.28e+3 | 3.90 |
| Tren eléctrico | 5.31e+5 | 3.02e+3 | 3.75e+2 | 7.66e+2 | 3.77 | |
A la vista de los resultados, se puede decir que el menor peso de las estructuras fabricadas en material compuesto hace que estos impactos medioambientales que antes salían desfavorables sin tener en cuenta la fase de uso, se compensen y se acabe alcanzando una mejora medioambiental global a favor de este material.
4. Reciclado del material compuesto CFRP
De los estudios de ACV desarrollados, se puede decir que, el incorporar fibra de carbono reciclada (rCF) en el proceso de fabricación de estructuras ligeras, supone una mejora medioambiental frente al uso de la fibra de carbono virgen (vCF).
La Tabla 13 recoge el impacto que produce cada kilogramo de fibra de carbono (bien virgen o reciclada) comparado con el aluminio reciclado. Hay que indicar que el ACV para la fibra reciclada se ha calculado según el proceso de reciclado desarrollado en Talgo.
| Resultados ACV - Material | |||||
| Cambio climático [kg CO2 eq] |
Acidificación [mol H+ eq] |
Eutrofización agua dulce [kg P eq] |
Eutrofización agua marina [kg N eq] |
Recursos: minerales y metales [kg Sb eq] | |
| vCF | 35 | 0.26 | 0.0068 | 0.032 | 2.8e-5 |
| rCF | 12 | 0.06 | 0.0045 | 0.011 | 1.22e-4 |
| Aluminio reciclado | 0.88 | 0.0043 | 0.00035 | 0.00081 | 0.0001 |
La introducción de la fibra de carbono reciclada en el proceso de fabricación consigue que los impactos medioambientales se vean reducidos, lo que supondría una mejora sustancial a fin de vida útil, aportando además la opción de reciclar y recuperar, y apostando seriamente por la economía circular.
Si se tiene en cuenta únicamente el impacto del material, hay que indicar que sigue siendo más favorable medioambientalmente el aluminio reciclado frente a la fibra de carbono reciclada.
5. Conclusiones y pasos futuros
Se puede concluir que durante toda la vida útil del tren el menor peso de este hace que los impactos medioambientes calculados sin tener en cuenta la fase de uso, se minimicen y lleguen a dar como resultado un beneficio medioambiental global a favor del uso las estructuras ligeras de CFRP frente a las convencionales.
Y esto, combinado con estudio inicial del impacto económico, hace que las nuevas estructuras ligeras Talgo traigan un beneficio tanto económico como medioambiental.
En cuanto a los trabajos futuros, se está trabajando en la optimización de los nuevos prototipos con materiales compuestos reprocesables, reparables y reciclables, donde el ecodiseño tenga una cabida real y se consiga disminuir los impactos medioambientales calculados anteriormente y a la vez, se mejore el impacto económico y la reciclabilidad y recuperabilidad a fin de vida, con la finalidad de asentar las bases de una futura industrialización sostenible.
6. Agradecimientos
Este proyecto está dentro de la iniciativa Europe's Rail, específicamente parte del Proyecto Rail4EARTH. Ha recibido financiación del programa Horizonte Europe de la Unión Europea en virtud de los acuerdos de subvención 101101917.
7. Bibliografía
- [1] García Álvarez, A., y González Franco, I. (2021). Dinámica de los trenes en alta velocidad. Cinemática Ferroviaria.
- [2] Network Rail (2017). Variable Usage Charge (VUC) guidance document. (https://www.networkrail.co.uk/wp-content/uploads/2017/11/CP5-VUC-Guidance-document.pdf).
- [3] UNE-EN ISO 14040 “Gestión ambiental, análisis del ciclo de vida, principios y marco de referencia”. Dic 2006.
- [4] ENVIRONMENTAL PRODUCT DECLARATION - In accordance with ISO 14025 - PLATFORM TALGO AVRIL.
Document information
Published on 12/04/24
Accepted on 16/10/23
Submitted on 03/09/23
Volume 08 - COMUNICACIONES MATCOMP21 (2022) Y MATCOMP23 (2023), Issue Núm. 4 - Sostenibilidad y Reciclaje, 2024
DOI: 10.23967/r.matcomp.2024.04.01
Licence: Other
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