Life Cycle Assessment of Waste Oil-to-Jet Fuel Production via the HEFA Process with Integrated Co-generation

Resumen Técnico: Evaluación del Ciclo de Vida de la Producción de Combustible de Aviación a partir de Aceite Residual mediante el Proceso HEFA con Cogeneración Integrada

Planteamiento del Problema
La producción de Combustible de Aviación Sostenible (SAF) a partir de aceites residuales mediante el proceso de Hidroprocesado de Ésteres y Ácidos Grasos (HEFA) enfrenta actualmente desafíos relacionados con su dependencia de la electricidad externa e hidrógeno, lo que puede comprometer su sostenibilidad ambiental general. A medida que el sector energético mundial transita hacia la descarbonización, existe una necesidad crítica de evaluar cuantitativamente cómo la integración de la cogeneración (calor y potencia combinados) y la sustitución de las fuentes de hidrógeno afectan el desempeño ambiental del ciclo de vida de la producción de SAF. Este estudio aborda la brecha en la comprensión de las compensaciones entre las rutas convencionales de HEFA y un sistema integrado HEFA-PG (Potencia y Gas) bajo escenarios de transición energética futura, específicamente en el contexto de la evolución del panorama de la red eléctrica y la producción de hidrógeno en China.

Metodología
El estudio emplea una Evaluación del Ciclo de Vida (LCA) de la cuna a la tumba siguiendo el marco ISO 14040. La unidad funcional se define como la producción de 100 toneladas de combustible de aviación biológico.

• Límites del Sistema: El análisis cubre la recolección y el transporte de aceite residual, el pretratamiento, la producción (hidrogenación y hidroprocesamiento), la distribución y el uso final. Se modelan dos rutas: un proceso HEFA convencional y un proceso HEFA-PG integrado con una unidad de calor y potencia combinados (CHP).
• Simulación y Datos: Las simulaciones de procesos se realizaron utilizando Aspen Plus para determinar los flujos de materia y energía. Los datos del Inventario de Ciclo de Vida (LCI) se compilaron basándose en estas simulaciones y en parámetros regionales para la región de Beijing-Tianjin-Hebei.
• Evaluación de Impacto: Se utilizó el método ReCiPe 2016 para evaluar los impactos ambientales a través de seis indicadores de punto medio (Potencial de Calentamiento Global [GWP], Potencial de Formación de Partículas [PMFP], Potencial de Acidificación Terrestre [TAP], Potencial de Eutrofización de Agua Dulce [FEP], Potencial de Toxicidad Humana [HTP] y Potencial de Agotamiento de Combustibles Fósiles [FFP]) y tres indicadores de punto final (Disponibilidad de Recursos, Diversidad de Ecosistemas y Salud Humana).
• Asignación y Escenarios: Se aplicó una asignación basada en la masa para el proceso HEFA convencional respecto a los subproductos, mientras que el proceso HEFA-PG utilizó un enfoque de carga evitada para la electricidad generada internamente. Se realizaron análisis de sensibilidad para proyectar el desempeño ambiental bajo escenarios de descarbonización de la red eléctrica (2030–2060) y para comparar el hidrógeno obtenido por reformado de gas natural frente al hidrógeno electrolítico impulsado por energía eólica.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio proporciona un análisis comparativo de las cargas ambientales del HEFA convencional, el HEFA-PG integrado y el queroseno de aviación de base fósil.

1. Desempeño de HEFA-PG vs. HEFA Convencional:

   • El proceso HEFA-PG demuestra ventajas ambientales significativas sobre la ruta HEFA convencional. Al generar electricidad verde interna, el sistema HEFA-PG logra una reducción neta del GWP a aproximadamente el 66% de la línea base del HEFA convencional.
   • La etapa de cogeneración integrada proporciona un efecto de compensación de aproximadamente un 35% para los indicadores FEP, HTP y FFP.
   • En términos de formación de ozono, el proceso HEFA-PG reduce las contribuciones del 80% (en el HEFA convencional) a aproximadamente el 10%, mitigando significativamente la formación de ozono a nivel del suelo.

2. Comparación con el Queroseno de Aviación Fósil:

   • Ambas rutas de combustible de aviación biológico exhiben un desempeño ambiental muy superior en comparación con el queroseno de aviación fósil. El GWP de las rutas HEFA y HEFA-PG se reduce al 13.3% y 7.2%, respectivamente, de la línea base fósil.
   • La ruta HEFA-PG muestra la menor carga ambiental en todas las categorías, incluyendo TAP y PMFP, seguida por el HEFA, siendo el combustible fósil el más alto.

3. Impacto de la Descarbonización de la Red Eléctrica (2030–2060):

   • A medida que la red eléctrica se vuelve más limpia, el GWP del proceso HEFA convencional disminuye gradualmente debido a la menor intensidad de carbono de la electricidad comprada.
   • Por el contrario, la ventaja de GWP del proceso HEFA-PG disminuye con el tiempo. A medida que la red se descarboniza, el beneficio del crédito de carbono por desplazar la electricidad de la red disminuye, lo que provoca que el GWP del HEFA-PG eventualmente supere al del HEFA convencional para el año 2060.
   • Sin embargo, el proceso HEFA-PG mantiene una ventaja robusta en POFP (reducciones >80%) y es menos sensible a los cambios de la red en cuanto a HTP, ya que su carga de toxicidad se concentra en la logística de la materia prima y la producción de hidrógeno, en lugar de la generación de electricidad.

4. Sustitución de Hidrógeno Verde:

   • Reemplazar el hidrógeno de reformado de gas natural por hidrógeno electrolítico impulsado por energía eólica reduce aún más el GWP para ambas rutas.
   • Compensación Crítica: A pesar de los beneficios de carbono, el hidrógeno electrolítico conduce a un Potencial de Toxicidad Humana (HTP) más de cuatro veces superior al del reformado de gas natural. Este aumento se atribuye principalmente a las cargas ambientales asociadas con los relaves de sulfuro fuera del sitio generados durante la fabricación de equipos de energía eólica.
   • Bajo las condiciones técnicas actuales, el reformado de gas natural presenta un desempeño ambiental integral superior dentro del sistema HEFA-PG. Los inconvenientes de toxicidad del hidrógeno electrolítico solo pueden mitigarse mediante una fabricación más limpia de los equipos eólicos o una revisión de la asignación de cargas ambientales entre los coproductos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el proceso HEFA-PG es un diseño altamente efectivo para las transiciones energéticas de corto a mediano plazo, ofreciando sustanciales beneficios de reducción de emisiones mediante la electricidad cogenerada. No obstante, el estudio enfatiza que la superioridad ambiental a largo plazo de este sistema integrado depende del ritmo de descarbonización de la red eléctrica.

Además, la investigación destaca un matiz crítico en la adopción del hidrógeno "verde": si bien el hidrógeno electrolítico impulsado por energía eólica reduce las huellas de carbono, puede aumentar inadvertidamente los riesgos de toxicidad humana debido a los impactos de fabricación upstream. En consecuencia, los autores afirman que, bajo las limitaciones tecnológicas actuales, el reformado de gas natural sigue siendo la fuente de hidrógeno ambientalmente más equilibrada para la producción de SAF. El estudio identifica la recolección/transporte de materia prima y la producción de hidrógeno como los principales puntos críticos ambientales, sugiriendo que las mejoras futuras deben centrarse en la fabricación más limpia de equipos eólicos y en estrategias optimizadas de asignación de coproductos para alcanzar plenamente el potencial del hidrógeno verde en el sector del SAF.