Metodologías para el cálculo de emisiones de combustibles bajo en carbono

Las emisiones de dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero son considerados los principales responsables del calentamiento global que se ha experimentado en las últimas décadas. Este calentamiento global se traduce en un cambio climático cuyas consecuencias pueden suponer un gran impacto en el ser humano en aspectos tales como inundaciones, temperaturas extremas o incluso una problemática en la producción y suministro de alimentos.

Con el fin de reducir el impacto del cambio climático, la mayoría de los gobiernos a nivel mundial están implementando medidas para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero que permitan frenar el calentamiento global. Estas medidas se centran, principalmente, en la sustitución de combustibles fósiles para cubrir nuestras necesidades en los sectores de la energía, del transporte y de la industria.

Esta sustitución se ha de realizar usando alternativas cuyas emisiones sean menores que los combustibles tradicionales. Entre las principales opciones se encuentran las energías renovables, especialmente la energía solar y la eólica, así como el uso de biomasa.

El hidrógeno, sin ser una fuente de energía per se (exceptuando quizás el hidrógeno natural), es un vector energético fundamental para la reducción de emisiones en aquellas aplicaciones en las que las energías anteriormente mencionadas no tienen una aplicación directa o representa un reto (por ejemplo, en el transporte pesado).

Además, el uso de hidrógeno como materia prima en procesos industriales tiene asociado a día de hoy una huella de carbono nada despreciable (10-12 kg CO₂/kg H₂) debido al uso de combustibles fósiles en su producción (principalmente a través del reformado de gas natural), por lo que la producción a través de tecnologías alternativas con menores emisiones (por ejemplo el hidrógeno a partir de electrolisis alimentada con energía renovable) supondrá un gran impacto en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero.

El uso de tecnología alternativa con el objetivo de reducir emisiones de carbono supone un reto y un impacto en los distintos sectores en los que estos cambios tendrán lugar. Por ejemplo, el uso del vehículo eléctrico implica el desarrollo de una infraestructura de recarga y unos tiempos de repostaje muy superiores a lo que estamos habituados. Es por ello que antes de sustituir una tecnología tradicional por una posible alternativa hay que asegurar que dicha alternativa va a representar una mejora en cuanto a emisiones.

Este aspecto cobra aún más importancia cuando desde los gobiernos se apoya económicamente ciertas tecnologías con la esperanza de alcanzar los objetivos de descarbonización. En dicho caso, hay que certificar que el uso del dinero público se está poniendo en aquellas tecnologías que tengan un mayor impacto a la hora de reducir emisiones.

Es por ello que se están desarrollando metodologías que permitan calcular las emisiones asociadas al uso de cada tecnología. Este cálculo no solo se centra en el proceso de producción, sino que también incluye las emisiones asociadas a toda su cadena de valor, desde la extracción de materias primas para la producción de equipos hasta la gestión de sus residuos al final de su vida útil. Este tipo de metodologías se basan en los análisis de ciclo de vida (ACV) o LCA en su acrónimo inglés (Life Cycle Assessment).

Análisis de ciclos de vida

El análisis del ciclo de vida es una herramienta que permite estimar y evaluar los impactos medioambientales que un producto o servicio puede tener durante todas las etapas de su vida.

La metodología del análisis del ciclo de vida fue inicialmente propuesta en la década de los sesenta del pasado siglo. Se centra en identificar y describir las etapas del ciclo de vida de los productos, desde la extracción de las materias primas, la producción, la distribución y uso del producto final hasta su posible reutilización, reciclaje o desecho.

Esta metodología identifica no solo las emisiones de carbono sino también otros muchos impactos ambientales como pueden ser la acidificación, la ecotoxicidad o el consumo de recursos.

A la hora de aplicar esta metodología se pueden usar referencias internacionales como los estándares ISO:

• • ISO 14040. Gestión Ambiental. Análisis de Ciclo de Vida. Principios y marco de referencia.

• • ISO 14044. Gestión Ambiental. Análisis de Ciclo de Vida. Requisitos y directrices.

Además, el DG Joint Research Centre de la Comisión Europea ha desarrollado un extenso manual para la ejecución del análisis de ciclo de vida conocido como el ILCD Handbook, que consta de distintos volúmenes en los que se detalla las metodologías, impactos ambientales y tratamiento de datos a seguir a la hora de realizar un ACV.

Como se muestra en la Ilustración 2, el ACV consta de una serie de etapas fundamentales:

• • Definición del objetivo del ACV.

• • Definición del alcance del ACV: Se identifica y define de manera detallada el objeto del ACV (producto o sistema, por ejemplo).

• • Análisis del inventario: Se identifican los materiales y recurso usados en las distintas etapas, así como el impacto asociado a ellos.

• • Análisis del impacto: Cálculo del impacto a partir de la información obtenida durante la etapa anterior.

• • Interpretación: En la que se obtienen las principales conclusiones a partir de los resultados obtenidos.

El proceso del ACV es un proceso iterativo en la que los resultados obtenidos en una etapa pueden hacer que haya que volver a etapas anteriores para refinar o revisar las decisiones tomadas.  Un aspecto clave en la realización de un ACV es la información relativa a las materias y recursos utilizados, así como al impacto ambiental asociado. Con respecto a este último existen una variedad de bases de datos que permiten identificar dichos impactos. Sin embargo, el impacto identificado para un materia prima o recurso concreto puede variar entre bases de datos. Esta diferencia puede ser debida a diferentes métodos de cálculo o a la localización de la materia prima o producto. Por ejemplo, la extracción de un mineral puede tener un mayor impacto en función del lugar en el que es extraído.

Otro aspecto importante a la hora de calcular emisiones de un determinado producto es la distribución de dichas emisiones entre los distintos coproductos producidos en el proceso. Esto se conoce como asignación (allocation). Por ejemplo, durante la producción de hidrógeno se puede producir también vapor (en el caso de reformado de gas natural), que puede ser utilizado en otros procesos o incluso vendido a un cliente externo.

La asignación de las emisiones totales se puede hacer en base a distintos parámetros. Ésta puede hacerse, por ejemplo, en base al contenido energético de los productos, o al peso o volumen de los mismos. La decisión en base a qué se asignan las emisiones puede tener un impacto considerable en las emisiones asociadas a un determinado producto.

La metodología de ACV descrita se le conoce como “atribucional”. Otra alternativa es el ACV “consecuencial”, en el que se analiza el impacto que puede generarse como consecuencia de un cambio en la demanda de la unidad funcional. Por lo tanto, el ACV consecuencial intenta cuantificar los cambios causados por una decisión o intervención en un sistema.

En el caso concreto del cálculo de las emisiones de gases de efecto invernadero existe el estándar ISO 14067. HUELLA DE CARBONO DE PRODUCTO que se basa en los estándares mencionados anteriormente y que define de maneral general la metodología a aplicar.

Análisis de ciclo de vida aplicado a la producción del hidrógeno

Debido a la relevancia del hidrógeno para alcanzar los objetivos de descarbonización se están implementando a nivel internacional, o están en proceso de desarrollo, diversas metodologías para el cálculo de emisiones de carbono asociadas a la producción del hidrógeno.

Estas metodologías están basadas en los análisis de ciclo de vida. A pesar de partir de la misma base, las metodologías desarrolladas no son idénticas, lo cual puede llevar a obtener distintas huellas de carbono para un mismo sistema de producción en función de la metodología aplicada.

Como se ha comentado, estas metodologías de cálculo pueden ser usadas por los gobiernos u organismos de certificación para identificar las emisiones de carbono asociadas a una cierta cantidad de hidrógeno producida a través de una tecnología determinada. Esta cuantificación servirá para clasificar dicho hidrógeno dentro de una categoría específica (hidrógeno renovable, por ejemplo) y dicha categorización permitirá obtener, o no, ciertas premisas o beneficios fiscales.

La aplicación de distintas metodologías que permiten obtener distintos resultados puede suponer un reto para el comercio internacional del hidrógeno. Una cantidad concreta de hidrógeno puede tener una huella de carbono bajo una metodología aplicable una parte del mundo determinada (EEUU, por ejemplo) que puede diferir de la obtenida en otra parte del mundo (Europa, por ejemplo). Ésto, unido a los diferentes requerimientos en cuanto a emisiones que se pueden encontrar en las distintas legislaciones internacionales, puede suponer que un hidrógeno considerado como renovable, o al menos con la posibilidad de recibir algún tipo de ayuda fiscal en un país o región, no tenga la misma categoría y/o apoyo en otros países o regiones.

Como se ha comentado, existen una gran cantidad de metodologías de cálculo de emisiones en la producción de hidrógeno. Por ejemplo, el segundo acto delegado de la Unión Europea establece la metodología para calcular la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero que se logra al utilizar combustibles renovables de origen no biológico (el hidrógeno entre ellos) y combustibles de carbono reciclado. La metodología tiene en cuenta el ciclo de vida completo de los combustibles para calcular las emisiones que producen y el descenso de emisiones que implican.

Por otra parte, en EEUU las ayudas bajo la Inflation Reduction Act (IRA) están basadas en emisiones calculadas a través del modelo GREET. Este modelo ha sido desarrollado por el Argonne National Laboratory para evaluar el consumo energético, las emisiones y el impacto ambiental de las tecnologías con el fin de ayudar a los programas de I+D así como a las distintas normativas y regulaciones.

A nivel global, GH2 (Green Hydrogen Organisation) ha desarrollado un estándar que acredita y certifica la producción de hidrógeno permitiendo a los productores de hidrógeno etiquetar su producto como hidrógeno verde.

Asimismo, la International Standard Organisation (ISO) está desarrollando un estándar para la metodología de cálculo de la producción del hidrógeno, ISO 19870-1 – Emissions associated with the production of hydrogen up to production gate. Este es un estándar que en futuros desarrollos también incluirá el acondicionamiento y el transporte al punto del consumo.

En la siguiente sección se describen las principales metodologías existentes con algo más de detalle y con un foco en las principales diferencias.

Segundo Acto delegado

Esta metodología se ha desarrollado en el marco de la directiva europea de las energías renovables (Directiva (UE) 2018/2001) con el fin de identificar las emisiones asociadas a los combustibles renovables de origen no biológico (RFNBO).

De acuerdo a esta metodología, las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de la producción del hidrógeno se calcularán como sigue:

donde:

E = emisiones totales procedentes del uso del combustible (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e i = e i elástica + e i rígida – e uso-ac: emisiones procedentes del suministro de insumos (gCO2eq/MJ de combustible)

e i elástica = emisiones procedentes de los insumos elásticos (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e i rígida = emisiones procedentes de los insumos rígidos (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e uso-ac = emisiones procedentes del uso o destino actual de los insumos (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e p = emisiones procedentes de la transformación (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e td = emisiones procedentes del transporte y la distribución (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e u = emisiones procedentes de la combustión del combustible durante su uso final (gCO2eq-/-MJ de combustible)

e ccs = reducción de emisiones derivada de la captura y el almacenamiento geológico de carbono (gCO2eq-/-MJ de combustible)

Esta metodología no tiene en cuenta las emisiones procedentes de la fabricación de maquinaria y equipos. Además, se incluyen los conceptos de insumos elásticos y rígidos, que pertenecen a enfoques de ACV consecuencial.

Los insumos rígidos son aquellos que no pueden suministrarse en mayor cantidad para satisfacer una demanda adicional. Por ejemplo, esta metodología considera que todos los insumos que se consideren una fuente de carbono para la producción de combustibles de carbono reciclado son rígidos, como también lo son los productos finales obtenidos en una proporción fija en un proceso que tiene lugar en el mismo complejo industrial y que representen menos del 10 % del valor económico de la producción. Si representan el 10 % del valor económico o más, se considerarán elásticos.

En principio, los insumos elásticos son aquellos que pueden suministrarse en mayor cantidad para satisfacer una demanda adicional. Los productos petrolíferos procedentes de refinerías pertenecen a esta categoría porque las refinerías pueden cambiar la proporción de los productos obtenidos.

Las emisiones procedentes de insumos rígidos incluirán las emisiones resultantes de desviar esos insumos de un uso anterior o alternativo. Estas emisiones tendrán en cuenta la pérdida de producción de electricidad, calor o productos que se generaban previamente utilizando el insumo, así como cualquier emisión debida al tratamiento y el transporte.

Esta metodología atribuye un valor de cero emisiones de gases de efecto invernadero a la electricidad que se considere totalmente renovable con arreglo al artículo 27, apartado 3, de la Directiva (UE) 2018/2001. Esto incluye el concepto de adicionalidad, es decir, que la planta de producción de energía renovable entre en funcionamiento después o al mismo tiempo que la instalación que produce el hidrógeno.

En el caso de instalaciones alimentadas desde la red eléctrica, las emisiones también pueden ser consideradas nulas si el número de horas de funcionamiento a plena carga sea igual o inferior al número de horas en las que el precio marginal de la electricidad haya sido fijado por instalaciones que produzcan electricidad renovable o por centrales nucleares.

La metodología incluye una base de datos en la que se reflejan emisiones asociadas a ciertas materias primas y recursos. En el caso de necesitar información relativa a otros insumos, la metodología indica que se podrá extraer de la última versión del informe JEC-WTW, de la base de datos ECOINVENT, de fuentes oficiales como el GIECC, la AIE o el Gobierno, de otras fuentes revisadas como las bases de datos E3 o GEMIS, o de publicaciones revisadas.

Esta base de datos también identifica las emisiones aguas arriba (o upstream) de una serie de combustibles. Estas emisiones están asociadas a la extracción, transporte y preparación de los combustibles previas a su consumo.

GREET model

Esta metodología presenta distintas versiones en función de su campo de aplicación. El Argonne R&D GREET Model se usa para evaluar el uso de energía y emisiones de las tecnologías relacionadas con el sector del transporte y de la energía para evaluar progreso en el campo del I+D. Por otra parte, el ICAO-GREET se usa para estimar y verificar las emisiones asociadas a los combustibles sostenibles para la aviación (SAF).

El CA-GREET4.0 model es una versión adaptada para reflejar escenarios específicos de combustibles en California, para su aplicación en el California Low-Carbon standard.

Para su aplicación en la Inflation Reduction Act (IRA), el GREET se ha adaptado para el cálculo de emisiones asociadas a SAF (40BSAF-GREET) y al cálculo de emisiones asociados a la producción de hidrógeno limpio (45VH2-GREET).

La herramienta 45VH2-GREET está diseñada para calcular las emisiones asociadas a la producción de hidrógeno, incluyendo las emisiones asociadas a los recursos necesarios para la producción de dicho hidrógeno, así como a su procesado posterior (captura de carbono, por ejemplo) como se indica en el ejemplo mostrado en la  Ilustración 3.

Esta herramienta incorpora una serie de datos no modificables por el usuario, sobre todo en aquellos parámetros en los que es difícil verificar la fiabilidad de la información aportada por el productor de hidrógeno. Ejemplos de estos parámetros son la huella de carbono de la electricidad usada (ver Ilustración 4) o las emisiones upstream asociadas a las fugas de metano.

Como se ha mencionado al inicio, esta herramienta esta desarrollada para apoyar los requerimientos de la Inflation Reduction Act, por lo que también incorpora aspectos como la adicionalidad y la correlación geográfica y temporal a la hora de considerar la energía eléctrica utilizada como renovable.

El cálculo de las emisiones del modelo 45VH2-GREET se basa en la producción de un kilogramo de hidrógeno puro (100%) a una presión de 20 bar, aunque éstas no sean las condiciones del hidrógeno producido por el usuario. La herramienta integra una funcionalidad que permite recalcular las emisiones del hidrógeno producido (99% y 10 bar, por ejemplo) a las emisiones que tendría ese mismo hidrógeno bajo las condiciones en las que se basa el 45VH2-GREET (100% pureza y 20 bar), considerando el exceso o defecto de energía eléctrica necesarios para alcanzar dichos valores (procesos de purificación y compresión).

Además, el modelo asume que todas las impurezas carbonosas existentes en el hidrógeno serán transformadas a CO2 por el usuario final. En cuanto al impacto de los gases de efecto invernadero, este modelo se basa en lo valores indicados por el IPCC en su informe AR5, en el marco temporal de 100 años.

La herramienta incorpora distintas tecnologías para la producción de hidrógeno, que pueden usar fuentes de energía renovables (incluyendo biomasa), fósiles o nucleares. Éstas se muestran en la Ilustración 5. Para cada tecnología la herramienta requiere una información específica acerca de la materia prima y recursos utilizados, así como las características del hidrógeno producido y el tratamiento de otros subproductos (por ejemplo, la captura de carbono).

La herramienta 45VH2-GREET solo acepta vapor de agua, oxígeno y/o nitrógeno como coproductos a considerar a la hora de realizar asignación de emisiones. En el caso del vapor de agua no permite al usuario introducir cantidades de vapor que exceden un 17.6% del total del contenido energético del vapor e hidrógeno producido, de acuerdo a los rendimientos esperados de la tecnología de reformado. Además, si el sistema incorpora captura y almacenamiento de carbono, el vapor de agua no se puede considerar como coproducto (ya que se supone que se utilizaría para dicha captura).

Green Hydrogen Standard

Ésta es una herramienta de desarrollada por la fundación sin ánimo de lucro Green Hydrogen Organisation (GH2), con el fin de certificar el origen renovable del hidrógeno producido, que esta organización identifica como hidrógeno verde. Para GH2, el hidrógeno verde es aquel producido por electrolisis de agua usando 100% (o cercana al 100%) energía renovable, con emisiones de gases de efecto invernadero cercanas a cero (<1 kg CO2/kg H2).

La metodología utilizada por este estándar es la desarrollada por la International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy (IPHE), centrándose en tres tipos de tecnologías de electrolizadores (Alcalina, PEM y SOEC) e identificando el suministro de 1 kg de hidrógeno a 3 MPa y con una pureza superior al 99%, como unidad funcional. El cálculo de emisiones en este estándar se limita a las emisiones relacionadas  al suministro energético necesario para los distintos procesos (electrolisis, compresión, purificación y/o secado) Este estándar no incluye emisiones upstream en el cálculo de la huella de carbono, así como las relacionadas con el acondicionamiento y transporte para el usuario final, aunque en ambos casos recomienda su medición. Un esquema de los procesos incluidos en este  estándar se muestra en la Ilustración 6.

Este estándar, además de considerar los gases tradicionales de efecto invernadero (CO2, CH4, N2O), incluirá en futuras versiones el impacto indirecto que tienen las fugas de hidrógeno en dicho efecto invernadero.

En relación a base de datos, este estándar no suministra ninguna información en cuanto a los valores a usar a la hora de identificar las emisiones asociadas a materias primas y energías, dejando en manos del usuario la identificación de dichos valores. Siendo necesario, de acuerdo a la metodología ACV, aportar referencia detallada de los valores utilizados, identificando su nivel de incertidumbre y realizando análisis de sensibilidad si se estimara necesario, de acuerdo también a la metodología del ACV.

Conclusiones

El hidrógeno se identifica como herramienta fundamental para alcanzar los objetivos de descarbonización. Sin embargo, es necesario el uso de herramientas que permitan verificar que su uso supone un beneficio en comparación con las tecnologías convencionales basadas en combustibles fósiles.

Es por ello que se está extendiendo el desarrollo y aplicación de herramientas de cálculo de estas emisiones basadas en la metodología del análisis de ciclo de vida, que permiten entender todas las emisiones asociadas a la hora de producir y distribuir cierta cantidad de hidrógeno, tanto debido a la energía consumida como a otros recursos necesarios para realizar dicha producción y distribución al usuario final.

Estas herramientas están siendo usadas también en el marco de normativas que identifican los requisitos mínimos para que el hidrógeno tenga una cierta consideración, ya sea renovable, limpio o verde, por ejemplo, otorgando ventajas fiscales a dicho hidrógeno.

Sin embargo, estas herramientas están careciendo del suficiente grado de compatibilidad entre ellas, ya sea por no usar la misma metodología o por integrar bases de datos con valores de emisiones que difieren entre las distintas herramientas. Esta diferencia puede suponer un reto, ya que para un mismo proceso de producción de hidrógeno se pueden obtener distintos valores de emisiones en función de la herramienta. Como se ha comentado, el valor de emisiones asociados va a ser el que defina el tipo de hidrógeno y las ayudas fiscales que puede obtener. Además, esta diferencia en las herramientas de cálculo de emisiones es especialmente crítica para aquellos productores que pretendan vender el hidrógeno en diferentes mercados con diferentes herramientas de verificación de emisiones.

Desde SynerHy os podemos ayudar en el uso y aplicación de estas herramientas gracias a nuestra amplia experiencia, tanto en su análisis como en el desarrollo de las mismas.