Avaliação ambiental e econômica do ciclo de vida de sistemas de pavimentação permeável para captação e uso de água pluvial em edificações

Abstract

O objetivo desta tese foi desenvolver, validar e aplicar metodologias inéditas de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) e Avaliação de Custo do Ciclo de Vida (ACCV) de sistemas de pavimentação permeável com aproveitamento de água pluvial em edificações. A principal contribuição científica reside na elaboração de estruturas analíticas abrangentes que integram os impactos e benefícios ambientais e econômicos de todas as etapas do ciclo de vida desses sistemas, com ênfase especial na etapa de uso ? frequentemente subestimada ou abordada de maneira fragmentada na literatura científica internacional. O método do trabalho é composto por quatro etapas principais: (i) dimensionamento de quatro modelos de pavimentos (três permeáveis e um convencional), (ii) desenvolvimento de estruturas de ACV e ACCV considerando todos os impactos e benefícios associados ao ciclo de vida, (iii) validação por meio de um painel de especialistas, e (iv) aplicação do método em um estudo de caso teórico envolvendo um shopping center no município de Tubarão (SC), com base em dados reais de consumo de água e séries históricas de precipitação. O estudo também propôs equações próprias para o cálculo do inventário e dos impactos ambientais e econômicos para cada etapa do ciclo de vida dos pavimentos. Na etapa de operação, foram considerados benefícios como melhoria da qualidade e aproveitamento da água pluvial, mitigação das ilhas de calor urbano, recarga do lençol freático, sequestro de carbono por meio da carbonatação, efeitos da rugosidade sobre o consumo de combustível, redução de ruídos e impactos relacionados à iluminação viária. A abordagem integrada permitiu uma avaliação mais justa da sustentabilidade de soluções permeáveis em comparação a pavimentos convencionais. Os resultados indicam que os sistemas de pavimentação permeável com captação e uso de água pluvial proporcionam potencial significativo de economia de recursos, alcançando redução de até 1.110 m³ de água potável por ano e redução de até 12,65 MWh de energia elétrica associada ao abastecimento de água na edificação ao longo de 20 anos. Em termos de desempenho ambiental, foram observadas reduções de até 49% nas emissões de gases de efeito estufa, 62% na toxicidade humana, 47% na ecotoxicidade e 69% na eutrofização. Embora os custos iniciais dos sistemas permeáveis sejam mais elevados, a análise de viabilidade econômica demonstrou que, ao longo do ciclo de vida, os benefícios acumulados superam os investimentos iniciais, com tempo de retorno financeiro atrativo, entre 9,0 e 10,8 anos. Como contribuição científica, a tese amplia o estado da arte ao propor estruturas robustas e replicáveis de ACV e ACCV para sistemas de pavimentação sustentável, oferecendo base técnica para tomadas de decisão mais precisas em políticas públicas e projetos urbanos. As estruturas desenvolvidas podem ser adaptadas para diferentes contextos urbanos e climáticos, ampliando seu potencial de aplicação prática. Os resultados obtidos reforçam a relevância de considerar o ciclo de vida completo e todos os efeitos da etapa de uso na comparação entre soluções de pavimentação, promovendo uma abordagem mais justa e eficiente para avaliar tecnologias sustentáveis.

Abstract: The objective of this thesis was to develop, validate, and apply novel methodologies for Life Cycle Assessment (LCA) and Life Cycle Cost Assessment (LCCA) of permeable pavement systems with stormwater harvesting for use in buildings. The main scientific contribution lies in the development of comprehensive analytical frameworks that integrate the environmental and economic impacts and benefits across all life cycle stages of these systems, with particular emphasis on the use phase ? often underestimated or addressed in a fragmented manner in the international scientific literature. The methodology comprises four main steps: (i) design of four pavement models (three permeable and one conventional); (ii) development of LCA and LCCA frameworks considering all associated life cycle impacts and benefits; (iii) validation through a panel of experts; and (iv) application of the method in a theoretical case study involving a shopping center in the city of Tubarão (SC), based on real water consumption data and historical rainfall series. The study also proposed original equations for calculating the inventory and environmental and economic impacts at each life cycle stage of the pavements. In the operational phase, benefits such as improved water quality and use, mitigation of urban heat islands, groundwater recharge, carbon sequestration through carbonation, effects of surface roughness on fuel consumption, noise reduction, and impacts related to road lighting were considered. The integrated approach enabled a fairer assessment of the sustainability of permeable solutions compared to conventional pavements. Results indicate that permeable pavement systems with rainwater harvesting offer significant resource-saving potential, achieving reductions of up to 1,110 m³ of potable water per year and up to 12.65 MWh of electricity associated with water supply in the shopping center over 20 years. In terms of environmental performance, reductions of up to 49% in greenhouse gas emissions, 62% in human toxicity, 47% in ecotoxicity, and 69% in eutrophication were observed. Although the initial costs of permeable systems are higher, the economic feasibility analysis showed that, over the life cycle, accumulated benefits outweigh initial investments, with an attractive financial payback period between 9.0 and 10.8 years. As a scientific contribution, the thesis advances the state of the art by proposing robust and replicable LCA and LCCA frameworks for sustainable pavement systems, providing a technical basis for more accurate decision-making in public policies and urban projects. The frameworks developed herein can be adapted to different urban and climatic contexts, expanding their potential for practical applications. The results reinforce the importance of considering the complete life cycle and all effects of the use phase when comparing pavement solutions, promoting a fairer and more efficient approach to evaluating sustainable technologies.