Exploración del uso potencial del biocarbón en la construcción

El aumento de las emisiones globales de CO₂ y sus efectos perjudiciales para el medio ambiente son innegables. Entre 1990 y 2022, las emisiones de CO₂ pasaron de 22.75 mil millones de toneladas a aproximadamente 37.15 mil millones de toneladas. El sector de la edificación y la construcción es el mayor emisor de gases de efecto invernadero, representando un alarmante 37% de las emisiones globales. El cemento, el material de construcción más consumido en todo el mundo, contribuye aproximadamente con el 8% de las emisiones totales de CO₂ de origen humano (Habert et al., 2020). Esto subraya la urgente necesidad de soluciones innovadoras y materiales alternativos para alcanzar la neutralidad de carbono a nivel mundial. Uno de estos materiales que está avanzando significativamente en la revolución de la industria de la construcción es el biocarbón.

El biocarbón, un material enriquecido con carbono producido a partir de la conversión termoquímica de residuos de biomasa, ha atraído una atención considerable por su capacidad para secuestrar carbono y mejorar el rendimiento de los materiales de construcción. Este artículo explora la producción de biocarbón, su aplicación en la construcción y su potencial para llevar a la industria hacia la neutralidad de carbono.

¿Qué es el biocarbón?

El biocarbón es un material poroso y rico en carbono que se produce al calentar biomasa orgánica (como madera, residuos agrícolas o estiércol) en un entorno con poco oxígeno, un proceso conocido como pirólisis (Lehmann & Joseph, 2015). El material resultante es altamente estable y capaz de secuestrar carbono durante cientos o miles de años. El biocarbón no solo es una solución potencial para el almacenamiento de carbono a largo plazo, sino que también ofrece varios beneficios cuando se integra en materiales de construcción.

Métodos de producción de biocarbón

El biocarbón puede producirse mediante diversos procesos termoquímicos, cada uno de los cuales genera un biocarbón con propiedades distintas:

1. Pirólisis:
   Este es el método más común, en el que la biomasa se calienta a temperaturas de entre 300°C y 800°C en ausencia de oxígeno. El biocarbón producido tiene un alto contenido de carbono y se caracteriza por su estructura porosa, lo cual es beneficioso para aplicaciones en la construcción (Tripathi et al., 2016).
2. Gasificación:
   En este proceso, la biomasa se oxida parcialmente a temperaturas superiores a los 700°C. La gasificación produce un biocarbón con mayor porosidad y superficie específica, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde estas propiedades son ventajosas, como en el hormigón utilizado como agregado ligero (You et al., 2018).
3. Carbonización hidrotérmica (HTC):
   La HTC consiste en la conversión de biomasa húmeda en biocarbón a temperaturas relativamente bajas (de 180 °C a 250 °C) y bajo alta presión. Este método es especialmente útil para tratar biomasa con un alto contenido de humedad, como los residuos alimentarios o los lodos de depuradora. El biocarbón producido mediante HTC, conocido como hidrocarbón, posee propiedades únicas que lo hacen útil en aplicaciones de construcción específicas, como la modificación del asfalto (Cao et al., 2021).

Impacto ambiental de la producción de biocarbón

Los beneficios ambientales de la producción de biocarbón son significativos. Al convertir la biomasa residual en biocarbón, podemos reducir las emisiones de gases de efecto invernadero tanto de la propia biomasa como de los materiales de construcción en los que se utiliza el biocarbón (Lehmann et al., 2021). Los estudios han demostrado que la producción de biocarbón puede reducir las emisiones de CO₂ hasta en 3,7 gigatoneladas al año, lo que contribuye de forma importante a los esfuerzos globales de secuestro de carbono (Fawzy et al., 2021).

Además, la energía producida como subproducto durante la fabricación de biocarbón (en forma de bioaceite y gas de síntesis) puede aprovecharse para la generación de electricidad y calor, lo que aumenta aún más las ventajas medioambientales de esta tecnología (Tomczyk et al., 2020).

El biocarbón en la construcción: un punto de inflexión para la sostenibilidad

Las propiedades únicas del biocarbón lo convierten en un aditivo excelente para diversos materiales de construcción, como el cemento, el asfalto y los polímeros. A continuación, explicamos cómo puede utilizarse el biocarbón para crear materiales de construcción más sostenibles y neutros en carbono:

Compuestos de cemento y biocarbón

La producción de cemento es uno de los principales responsables de las emisiones mundiales de CO₂, pero la incorporación de biocarbón a los compuestos de cemento puede mitigar estos efectos. El biocarbón puede actuar como relleno o árido en el cemento, ofreciendo varias ventajas:

• Secuestro de carbono: El biocarbón puede absorber CO₂ durante el proceso de fraguado del cemento, ayudando a compensar las emisiones derivadas de su producción (Wang et al., 2021a).
• Mayor durabilidad: La estructura porosa del biocarbón mejora el curado interno del cemento, reduciendo la retracción y aumentando la durabilidad del producto final (Praneeth et al., 2020).
• Propiedades mecánicas mejoradas: Las partículas finas de biocarbón pueden rellenar los huecos del cemento, mejorando su resistencia a la compresión y convirtiéndolo en una opción viable para aplicaciones de alto rendimiento, como el hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) (Dixit et al., 2021).

Las investigaciones han demostrado que la incorporación de un 4% de biocarbón al cemento puede almacenar 0,12 kg adicionales de CO₂ por kilogramo de cemento, contribuyendo a la creación de hormigón con huella de carbono negativa (Praneeth et al., 2021).

Compuestos de asfalto y biocarbón

El asfalto, muy utilizado en la construcción de carreteras, también se beneficia de la integración del biocarbón. El biocarbón mejora las propiedades del asfalto de varias maneras:

• Mejora de la resistencia a la deformación permanente: La adición de biocarbón mejora el rendimiento del asfalto a altas temperaturas, haciendo que las carreteras sean más resistentes a la deformación bajo tráfico pesado (Zhang et al., 2018).
• Resistencia al envejecimiento: El contenido de carbono del biocarbón ayuda a proteger el asfalto del envejecimiento oxidativo, prolongando la vida útil de los pavimentos (Zhao et al., 2014a).
• Sostenibilidad mejorada: El biocarbón, cuando se utiliza en el asfalto, no solo mejora el rendimiento, sino que también reduce la huella ambiental general de la construcción de carreteras (Hu et al., 2021).

Por ejemplo, la incorporación de hidrocarbón (un tipo de biocarbón producido mediante HTC) en el asfalto mejora su rendimiento a altas temperaturas y su resistencia a la formación de roderas, convirtiéndolo en una opción más duradera y sostenible para la construcción de carreteras (Hu et al., 2021).

Compuestos de biocarbón y polímeros

El biocarbón también puede incorporarse a los polímeros, ofreciendo una alternativa sostenible a los rellenos tradicionales como el negro de humo. Los beneficios del biocarbón en los compuestos poliméricos incluyen:

• Mejora mecánica: El biocarbón mejora la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión y las propiedades de elongación de los polímeros, haciéndolos adecuados para diversas aplicaciones estructurales (Jiang et al., 2020).
• Estabilidad térmica: La estructura estable y porosa del biocarbón mejora la resistencia térmica de los polímeros, haciéndolos más adecuados para aplicaciones que requieren resistencia al fuego (Das et al., 2017b).
• Conductividad eléctrica: En ciertas aplicaciones, el biocarbón puede mejorar la conductividad eléctrica de los polímeros, haciéndolos útiles en electrónica y blindaje electromagnético (Poulose et al., 2018).

La capacidad del biocarbón para mejorar las propiedades de los polímeros al tiempo que reduce la huella de carbono de estos materiales lo convierte en una opción atractiva para diversas aplicaciones industriales.

Ventajas ambientales y técnicas del biocarbón en la construcción

Más allá de su papel en la mejora de las propiedades de los materiales de construcción, el biocarbón ofrece varios beneficios ambientales y técnicos:

• Regulación de la humedad: La estructura porosa del biocarbón le permite absorber y liberar humedad, lo que lo convierte en un material excelente para regular la humedad en los edificios. Esta propiedad puede contribuir a mejorar la calidad del aire interior y reducir el consumo de energía para calefacción y refrigeración (Chen et al., 2022b).
• Aislamiento térmico y reducción de ruido: Las propiedades térmicas del biocarbón lo convierten en un aislante eficaz, lo que ayuda a reducir el consumo energético en los edificios. Además, su estructura porosa puede absorber el sonido, contribuyendo a la reducción del ruido en entornos urbanos (Gupta y Kua, 2020).
• Inmovilización de contaminantes: La capacidad del biocarbón para adsorber contaminantes lo hace útil para mejorar la calidad del aire interior al atrapar sustancias nocivas y evitar que entren en los espacios habitables (Muthukrishnan et al., 2019).
• Blindaje electromagnético: En los edificios modernos, donde la interferencia electromagnética puede ser un problema, las propiedades conductoras del biocarbón lo convierten en un material eficaz para proteger los equipos electrónicos de dichas interferencias (Tam et al., 2019).
• Propiedades de autodetención y autorreparación: Los materiales mejorados con biocarbón pueden diseñarse para autodetectarse y autorrepararse, mejorando la longevidad y la seguridad de las estructuras. Por ejemplo, el biocarbón puede utilizarse en compuestos de cemento capaces de detectar grietas e iniciar procesos de autorreparación, lo que prolonga la vida útil de los edificios y las infraestructuras (Wang et al., 2019b).

Desafíos y futuras líneas de investigación

Aunque el potencial del biocarbón en la construcción es enorme, aún quedan varios desafíos. La producción de biocarbón a escala comercial debe optimizarse para garantizar la consistencia en la calidad y la rentabilidad. Además, es necesario estudiar a fondo el rendimiento a largo plazo de los materiales mejorados con biocarbón para asegurar que cumplan con los estándares de la industria en cuanto a durabilidad y seguridad.

La investigación futura debería centrarse en las siguientes áreas:

• Personalización del biocarbón: Es fundamental adaptar las propiedades del biocarbón para satisfacer requisitos de construcción específicos. Esto incluye optimizar el tamaño de partícula, el área superficial y la composición química del biocarbón para maximizar sus beneficios en diferentes aplicaciones (Karnati et al., 2020).
• Análisis del ciclo de vida: Se necesitan evaluaciones integrales del ciclo de vida para cuantificar los beneficios ambientales de los materiales mejorados con biocarbón y compararlos con los materiales de construcción tradicionales (Matuštík et al., 2020).
• Viabilidad económica: Si bien el biocarbón ofrece importantes beneficios ambientales, es necesario demostrar su viabilidad económica para fomentar su adopción generalizada en la industria de la construcción (Reis et al., 2020).

Conclusión

El biocarbón representa una vía prometedora para lograr la neutralidad de carbono en la industria de la construcción. Su capacidad para secuestrar carbono, mejorar el rendimiento de los materiales de construcción y proporcionar beneficios ambientales y técnicos lo convierte en una herramienta valiosa en la lucha contra el cambio climático. Sin embargo, aprovechar todo el potencial del biocarbón en la construcción requerirá investigación, innovación y colaboración continuas en todo el sector.

A medida que el mundo sigue enfrentándose a los desafíos del cambio climático, la integración del biocarbón en los materiales de construcción ofrece una solución sostenible que no solo reduce la huella de carbono del sector, sino que también contribuye a un entorno construido más saludable y resiliente. Al adoptar el biocarbón, la industria de la construcción puede dar un paso significativo hacia un futuro más sostenible.

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Referencias

Chebil, S., Chaala, A., & Roy, C. (2000). Use of softwood bark charcoal as a modifier for road bitumen. Fuel, 79(6), 671–683. https://doi.org/10.1016/s0016-2361(99)00196-9

Choi, W. C., Yun, H. D., & Lee, J. Y. (2012). Mechanical properties of mortar containing bio-char from pyrolysis. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 16(3), 67–74. https://doi.org/10.11112/jksmi.2012.16.3.067

Gupta, S., Kua, H. W., & Low, C. Y. (2018). Use of biochar as carbon sequestering additive in cement mortar. Cement and Concrete Composites, 87, 110–129. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2017.12.009

Gupta, S., Kua, H. W. y Tan Cynthia, S. Y. (2017). Uso de fibras de polipropileno recubiertas de biocarbón para el secuestro de carbono y la mejora física del mortero. Cement and Concrete Composites, 83, 171–187. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2017.07.012

Gupta, S., Pang, S. D. y Kua, H. W. (2017). Autorreparación en hormigón mediante agentes reparadores de base biológica: una revisión. Construction and Building Materials, 146, 419–428. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.04.111

Habert, G., Miller, S. A., John, V. M., Provis, J. L., Favier, A., Horvath, A. y Scrivener, K. L. (2020). Impactos ambientales y estrategias de descarbonización en las industrias del cemento y el hormigón. Nature Reviews Earth & Environment, 1(11), 559–573. https://doi.org/10.1038/s43017-020-0093-3

Khushnood, R. A., Ahmad, S., Restuccia, L., Spoto, C., Jagdale, P., Tulliani, J.-M., y Ferro, G. A. (2016). Nanopartículas/micropartículas carbonizadas para la mejora de las propiedades mecánicas y el blindaje contra interferencias electromagnéticas en materiales cementosos. Fronteras de la Ingeniería Estructural y Civil, 10(2), 209–213. https://doi.org/10.1007/s11709-016-0330-5

Restuccia, L., y Ferro, G. A. (2016). Nanopartículas a partir de residuos alimentarios: Un futuro «verde» para los materiales de construcción tradicionales. Actas de la 9.ª Conferencia Internacional sobre Mecánica de Fractura del Hormigón y Estructuras de Hormigón. https://doi.org/10.21012/fc9.276  

Sajjad Ahmad, Jean Marc Tulliani, Giuseppe Andrea Ferro, Rao Arsalan Khushnood, Luciana Restuccia, y Pravin Jagdale. (2015). Modificaciones en la trayectoria de fisuración y en la superficie de fractura en compuestos de cemento. Frattura Ed Integrità Strutturale, (34). https://doi.org/10.3221/igf-esis.34.58

Schmidt, H.P. (2012). 55 usos del biocarbón. Ithaka Journal, 1, 286-289. https://www.delinat-institut.org, www.ithaka-journal.net. ISSN 1663-0521

Suarez-Riera, D., Restuccia, L., y Ferro, G. A. (2020). El uso de biocarbón para reducir la huella de carbono de los materiales a base de cemento. Procedia Structural Integrity, 26, 199–210. https://doi.org/10.1016/j.prostr.2020.06.023

Tagliaferro, P. A. (2021). Biocarbón: Aplicaciones emergentes. Institute OF PHYSICS PUBL.

Zhao, S., Huang, B., Shu, X., y Ye, P. (2014). Investigación de laboratorio sobre mezclas asfálticas modificadas con biocarbón. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2445(1), 56–63. https://doi.org/10.3141/2445-07

Zhang, Y., He, M., Wang, L., Yan, J., Ma, B., Zhu, X., Ok, Y. S., Mechtcherine, V., y Tsang, D. C. (2022). El biocarbón como material de construcción para lograr la neutralidad de carbono. Biochar, 4(1). https://doi.org/10.1007/s42773-022-00182-x