Model to determine greenhouse gas emissions of the urban railway system in the northeast of Brazil

Abstract

The emission of greenhouse gases (GHGs) is an urgent environmental issue with significant implications for global climate change. Historically, the transportation sector has been a significant contributor to GHG emissions due to the predominant use of fossil fuels in vehicles. However, the railway system is widely recognized for being a more carbon-efficient mode of transportation compared to road and air transport. Nevertheless, despite the relative advantages of the railway system in terms of GHG emissions, there are still challenges to be addressed. The expansion and modernization of railway networks, especially in developing regions, may require substantial investments in infrastructure and technology, which should be considered within the context of a sustainable approach. In this context, this study conducted a retrospective bibliometric analysis spanning two decades in the railway sector, from 2002 to 2021, with the aim of deepening the understanding of the nuances of research in this field. To achieve this, the VOSviewer tool was employed to map connections between studied variables, revealing a marked increase in publications over this period. The standout work was that of Zhang, Y.T., identified as the most prolific author. The focus predominantly lay in engineering, with the Transportation Research Record being the most published journal. The leadership in this field was attributed to China, notably from the Southwest Jiaotong University. However, a gap in research regarding environmental impact and sustainability in railway systems was emphasized, pointing towards a promising area for future investigation. Based on the bibliometric analysis, the urgency for further exploration in the realms of sustainability and environmental impact in railway systems became evident. The study was directed towards the railway system in northeastern Brazil, aiming to assess the greenhouse gas (GHG) emissions associated with this system and juxtapose them with relevant international studies. Its core scope was to establish parameters for GHG emissions from this system and formulate effective mitigation strategies. To accomplish this goal, a comprehensive Life Cycle Assessment (LCA) approach was employed, providing meticulous scrutiny of the entire lifecycle of the railway system. This encompassed the collection of real data to construct a detailed inventory of GHG emissions. Furthermore, a comparison of GHG emissions in different urban railway transportation systems was conducted, yielding valuable contextual perspectives The results indicated that the total GHG emissions from the northeastern Brazilian railway system reached 11,996.11 tCO2e. Projections for a 50-year lifecycle estimated a total of 59,980,550 tCO2e of GHG emissions over the operational and maintenance cycle of the system. The study also highlighted the Sustainable Water and Energy Consumption Program (SWEC), established to address supply challenges in a Brazilian railway company. The program succeeded in reducing per capita water and energy consumption by 10% and 19%, respectively, and included the installation of photovoltaic systems, resulting in an average 56% reduction in energy consumption in 2022 and a 50% reduction in greenhouse gas emissions. Therefore, the railway system offers a valuable opportunity to decrease GHG emissions in the transportation sector. Electrification, the implementation of cleaner technologies, and operational optimization can contribute to mitigating these effects. However, it is important to adopt a holistic approach, considering all aspects of the railway system's value chain, in order to achieve more significant results in reducing GHG emissions and promoting environmental sustainability. This study not only demonstrates an effective approach to challenges related to water and energy consumption but also contributes to the global sustainability objectives outlined in the UN's 2030 Agenda. Its interdisciplinary emphasis underscores the importance of reducing air pollution and fostering sustainable practices, especially within the context of climate change and public policies. In a scenario where sustainability and climate change mitigation gain crucial relevance, this study plays a significant role in sustainable development, paving the way for a more sustainable railway transportation system through Life Cycle Assessment and an interdisciplinary approach.

La emisión de gases de efecto invernadero (GEI) es una cuestión ambiental apremiante que tiene implicaciones significativas en el cambio climático global. Históricamente, el sector del transporte ha sido un contribuyente importante a las emisiones de GEI debido al uso predominante de combustibles fósiles en los vehículos. Sin embargo, el sistema ferroviario es ampliamente reconocido por ser una forma de transporte más eficiente en términos de emisiones de carbono en comparación con los modos de transporte por carretera y aéreo. No obstante, a pesar de las ventajas relativas del sistema ferroviario en términos de emisiones de GEI, todavía existen desafíos por enfrentar. La expansión y modernización de las redes ferroviarias, especialmente en regiones en desarrollo, pueden requerir inversiones significativas en infraestructura y tecnología, lo que debe considerarse en el contexto de un enfoque sostenible. En este contexto, este estudio realizó un análisis bibliométrico retrospectivo que abarca dos décadas en el sector ferroviario, desde 2002 hasta 2021, con el propósito de profundizar en la comprensión de los matices de la investigación en este campo. Para lograr esto, se utilizó la herramienta VOSviewer para mapear conexiones entre las variables estudiadas, revelando un marcado aumento en las publicaciones a lo largo de este período. El trabajo destacado fue el de Zhang, Y.T., identificado como el autor más prolífico. El enfoque predominante fue en la ingeniería, siendo el Transportation Research Record la revista más publicada. El liderazgo en este campo correspondió a China, notablemente con la Southwest Jiaotong University. Sin embargo, se resaltó una brecha en la investigación relacionada con el impacto ambiental y la sostenibilidad en los sistemas ferroviarios, señalando hacia un campo prometedor de investigación futura. Basado en el análisis bibliométrico, emerge la urgencia de una mayor exploración en las esferas de la sostenibilidad e impacto ambiental en los sistemas ferroviarios. El estudio se centró en el sistema ferroviario del noreste de Brasil, buscando evaluar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) asociadas con este sistema y compararlas con estudios internacionales relevantes. Su alcance central consistió en establecer parámetros para las emisiones de GEI de este sistema y formular estrategias de mitigación efectivas. Para cumplir con este objetivo, se empleó un enfoque integral de Evaluación del Ciclo de Vida (ACV), proporcionando un minucioso escrutinio de todo el ciclo de vida del sistema ferroviario. Esto implicó la recopilación de datos reales para construir un detallado inventario de emisiones de GEI. Además, se realizó una comparación de las emisiones de GEI en diferentes sistemas de transporte ferroviario urbano, brindando valiosas perspectivas contextuales. Los resultados indicaron que las emisiones totales de GEI del sistema ferroviario del noreste de Brasil alcanzaron 11.996,11 tCO2e. Las proyecciones para un ciclo de vida de 50 años estimaron un total de 59.980.550 tCO2e de emisiones de GEI a lo largo del ciclo operativo y de mantenimiento del sistema. El estudio también resaltó el Programa de Consumo Sostenible de Agua y Energía (SWEC), creado para abordar desafíos de abastecimiento en una empresa ferroviaria brasileña. El programa logró reducir el consumo per cápita de agua y energía en un 10% y 19%, respectivamente, e incluyó la instalación de sistemas fotovoltaicos, lo que resultó en una reducción promedio del 56% en el consumo de energía en 2022 y un 50% en la emisión de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, el sistema ferroviario ofrece una valiosa oportunidad para reducir las emisiones de GEI en el sector del transporte. La electrificación, la implementación de tecnologías más limpias y la optimización operativa pueden contribuir a mitigar estos efectos. Sin embargo, es importante adoptar un enfoque holístico, considerando todos los aspectos de la cadena de valor del sistema ferroviario, con el fin de lograr resultados más significativos en la reducción de las emisiones de GEI y en la promoción de la sostenibilidad ambiental. Este estudio no solo demuestra un enfoque efectivo para los desafíos relacionados con el consumo de agua y energía, sino que también contribuye a los objetivos globales de sostenibilidad delineados en la Agenda 2030 de la ONU. Su énfasis interdisciplinario subraya la importancia de reducir la contaminación del aire y fomentar prácticas sostenibles, especialmente en el contexto del cambio climático y las políticas públicas. En un escenario en el que la sostenibilidad y la mitigación del cambio climático adquieren relevancia crucial, este estudio desempeña un papel significativo en el desarrollo sostenible, allanando el camino hacia un sistema de transporte ferroviario más sostenible a través de la Evaluación del Ciclo de Vida y un enfoque interdisciplinario.

A emissão de gases de efeito estufa (GEE) é uma questão ambiental premente que tem implicações significativas nas mudanças climáticas globais. Historicamente, o setor de transporte tem sido um contribuinte significativo para as emissões de GEE devido ao uso predominante de combustíveis fósseis em veículos. No entanto, o sistema ferroviário é amplamente reconhecido por ser uma forma de transporte mais eficiente em termos de emissões de carbono em comparação com os modos de transporte rodoviário e aéreo. No entanto, apesar das vantagens relativas do sistema ferroviário em termos de emissões de GEE, ainda existem desafios a serem enfrentados. A expansão e modernização de redes ferroviárias, especialmente em regiões em desenvolvimento, podem requerer grandes investimentos em infraestrutura e tecnologia, o que deve ser considerado no contexto de uma abordagem sustentável. Neste contexto este estudo realizou uma análise bibliométrica retrospectiva abrangendo duas décadas no setor ferroviário, de 2002 a 2021, com o intuito de aprofundar a compreensão das nuances da pesquisa nesse campo. Para tal, utilizou a ferramenta VOSviewer para mapear conexões entre variáveis estudadas, revelando um marcante aumento nas publicações ao longo desse período. O trabalho de destaque foi o de Zhang, Y.T., identificado como o autor mais prolífico. Predominou o enfoque em engenharia, sendo o Transportation Research Record o periódico com maior publicação. A liderança desse campo ficou a cargo da China, notadamente com a Southwest Jiaotong University. Contudo, salientou-se a lacuna concernente à pesquisa do impacto ambiental e sustentabilidade nos sistemas ferroviários, apontando para um campo promissor de investigação futura. Com base na análise bibliométrica, emerge a urgência por mais exploração nas esferas de sustentabilidade e impacto ambiental em sistemas ferroviários. O estudo direcionou-se ao sistema ferroviário do nordeste do Brasil, buscando avaliar as emissões de gases de efeito estufa (GEE) correlacionadas a esse sistema e cotejá-las com estudos internacionais relevantes. Seu escopo central consistiu em estabelecer parâmetros para as emissões de GEE desse sistema e formular estratégias de mitigação eficazes. Para cumprir tal desiderato, empregou-se uma abordagem ampla de Avaliação do Ciclo de Vida (ACV), proporcionando um escrutínio minucioso sobre todo o ciclo de vida do sistema ferroviário. Isso englobou a coleta de dados reais para construir um inventário meticuloso de emissões de GEE. Ademais, procedeu-se à comparação das emissões de GEE em distintos sistemas de transporte ferroviário urbano, conferindo valiosas perspectivas contextuais. Os resultados consignaram que as emissões totais de GEE do sistema ferroviário do nordeste do Brasil atingiram 11.996,11 tCO2e. Projeções para uma vida útil de 50 anos estimaram um total de 59.980.550 tCO2e de emissões de GEE ao longo do ciclo operacional e de manutenção do sistema. A pesquisa também destacou o Programa de Consumo Sustentável de Água e Energia (SWEC), criado para enfrentar desafios de abastecimento em uma empresa ferroviária brasileira. O programa conseguiu reduzir o consumo per capita de água e energia em 10% e 19%, respectivamente, e incluiu a instalação de sistemas fotovoltaicos, que levaram a uma redução média de 56% no consumo de energia em 2022 e 50% na emissão de gases de efeito estufa. Portanto, o sistema ferroviário oferece uma oportunidade valiosa para reduzir as emissões de GEE no setor de transporte. A eletrificação, a implementação de tecnologias mais limpas e a otimização operacional podem contribuir para a mitigação desses efeitos. No entanto, é importante adotar uma abordagem holística, considerando todos os aspectos da cadeia de valor do sistema ferroviário, a fim de alcançar resultados mais significativos na redução das emissões de GEE e na promoção da sustentabilidade ambiental. Este estudo não apenas demonstra uma abordagem eficaz para os desafios relacionados ao consumo de água e energia, mas também contribui para os objetivos globais de sustentabilidade delineados na Agenda 2030 da ONU. Sua ênfase interdisciplinar ressalta a importância de reduzir a poluição atmosférica e fomentar práticas sustentáveis, especialmente dentro do contexto das mudanças climáticas e políticas públicas. Em um cenário em que a sustentabilidade e a mitigação das mudanças climáticas adquirem relevância crucial, este estudo desempenha um papel significativo no desenvolvimento sustentável, apontando o caminho para um sistema de transporte ferroviário mais sustentável através da Avaliação do Ciclo de Vida e de uma abordagem interdisciplinar.