Construcción de una red nacional de tuberías compuestas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero

65.000 millas de tuberías: esa es la distancia que puede ser necesaria para lograr emisiones netas cero en toda la economía para 2050, según un estudio de la Universidad de Princeton. Estados Unidos está a punto de construir una vasta red de oleoductos para transportar hidrógeno y dióxido de carbono, incentivados por la Ley de Empleo e Inversión en Infraestructura y la Ley de Reducción de la Inflación. Sin embargo, las emisiones del ciclo de vida generadas por una tubería de acero típica son de 27,35 kg de dióxido de carbono equivalente por pie1. Lo que significa que 65.000 millas darían como resultado casi 9,4 millones de megatones de dióxido de carbono equivalente (equivalente a más de 2 millones de automóviles de pasajeros al año) producidos únicamente a partir de la infraestructura de tuberías de acero.

Las tuberías fabricadas con materiales compuestos ofrecen una vía para reducir las emisiones. La tubería compuesta está compuesta de múltiples capas de diferentes materiales, generalmente un polímero termoplástico como capa estructural primaria con materiales de refuerzo como fibras o rellenos de partículas para aumentar la resistencia y la rigidez. Algunos tipos tienen emisiones durante su ciclo de vida que son casi un tercio menores que las de las tuberías de acero típicas. Dependiendo de la aplicación, las tuberías compuestas pueden ser más seguras y menos costosas. Sin embargo, el proceso bajo la Administración de Seguridad y Materiales Peligrosos (PHMSA) para emitir permisos para tuberías compuestas lleva más tiempo que el de acero, y para el hidrógeno y el dióxido de carbono supercrítico, la industria carece por completo de estándares regulatorios. La reautorización de la Ley de Protección de Nuestra Infraestructura de Tuberías y Mejora de la Seguridad (PIPES) ofrece una excelente oportunidad para revisar las políticas relativas a tecnologías de tuberías nuevas y menos emisivas.

Estados Unidos está al borde de un auge de la construcción de energía limpia, expandiéndose mucho más allá de la energía eólica y solar para incluir infraestructura que utiliza hidrógeno y captura de carbono. La bomba ha sido preparada con 21 mil millones de dólares para proyectos de demostración o “centros” en la Ley de Empleo e Inversión en Infraestructura y reforzada con otros 7 mil millones de dólares para proyectos de demostración y al menos 369 mil millones de dólares en créditos fiscales en la Ley de Reducción de la Inflación. El Congreso reconoció que los oleoductos son un componente crítico y proporcionó $2.1 mil millones en préstamos y subvenciones bajo la Ley de Innovación y Financiamiento de Infraestructura de Transporte de Dióxido de Carbono (CIFIA).

Estados Unidos está atravesado por oleoductos. Aproximadamente 3,3 millones de millas de tuberías predominantemente de acero transportan billones de pies cúbicos de gas natural y cientos de miles de millones de toneladas de productos derivados del petróleo cada año. Se utilizan muchas menos 5.000 millas para transportar dióxido de carbono y sólo 1.600 millas se dedican al hidrógeno. Las investigaciones sugieren que la red de oleoductos existente no se acerca en absoluto a lo que se necesita. Según Net Zero America, se necesitarán aproximadamente 65.000 millas de tuberías para transportar el dióxido de carbono capturado y lograr cero emisiones netas en toda la economía de los Estados Unidos para 2050. El estudio también identifica la necesidad de varios miles de millas de tuberías para transportar hidrógeno dentro de cada región.

Fabricar tuberías de acero es un proceso que consume mucho carbono y la fabricación de acero en general representa entre el siete y el nueve por ciento de las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero. Se están realizando esfuerzos para reducir las emisiones generadas por el acero (es decir, “acero verde”) siendo más eficientes energéticamente, capturando y almacenando el dióxido de carbono emitido, reciclando chatarra de acero combinada con energía renovable y utilizando hidrógeno de bajas emisiones. Sin embargo, el costo es un desafío importante en muchas de estas estrategias de mitigación. El costo estimado de la transición de los activos siderúrgicos mundiales a tecnologías compatibles con emisiones netas cero para 2050 es de 200 mil millones de dólares, además de un promedio de referencia de 31 mil millones de dólares anuales para simplemente satisfacer la creciente demanda.

Dada la vasta red de tuberías necesarias para lograr un futuro neto cero, la ampliación del uso de tuberías compuestas brinda una oportunidad significativa para que Estados Unidos reduzca las emisiones de carbono. Los materiales compuestos son muy resistentes a la corrosión, pesan menos, son más flexibles y tienen una capacidad de flujo mejorada. Esto significa que las tuberías fabricadas con materiales compuestos tienen una vida útil más larga y requieren menos mantenimiento que las tuberías de acero. La instalación de tuberías compuestas puede ser cuatro veces más rápida, su instalación requiere un tercio de mano de obra y sus costos operativos son significativamente más bajos.2 Se espera que el uso de tuberías compuestas continúe creciendo a medida que los avances tecnológicos hagan que estos materiales sean más confiables y rentables. .

El uso de tuberías compuestas también se está expandiendo a medida que la industria busca mejorar su sostenibilidad. Realizamos un análisis del ciclo de vida de tuberías termoplásticas, que se fabrican mediante un proceso llamado extrusión que implica fundir un material termoplástico, como polietileno de alta densidad o cloruro de polivinilo, y luego forzarlo a pasar a través de una matriz para crear un tubo continuo. Luego, el tubo se puede cortar a la longitud deseada y se pueden unir accesorios a los extremos para crear una tubería completa. Descubrimos que las emisiones del ciclo de vida de las tuberías termoplásticas fueron de 6,83 kg de dióxido de carbono eq/pie y aproximadamente un 75 % más bajas que las de una longitud equivalente de tubería de acero, que tiene emisiones de ciclo de vida de 27,35 kg de dióxido de carbono eq/pie.

Estas estimaciones no incluyen diferencias potenciales en las fugas. Específicamente, la tubería compuesta tiene una estructura continua que permite la producción de secciones de tubería más largas, lo que resulta en menos juntas y soldaduras. Por el contrario, los tubos metálicos suelen fabricarse en secciones más cortas debido a limitaciones en el proceso de fabricación. Esto significa que se requieren más juntas y soldaduras para conectar las secciones, lo que puede aumentar el riesgo de fugas u otros problemas. Además, aproximadamente la mitad de las tuberías de acero en Estados Unidos tienen más de 50 años, lo que aumenta el potencial de fugas y los costos de mantenimiento.3 Otra ventaja de las tuberías compuestas es que pueden pasar a través de tuberías de acero, reutilizando así tuberías de acero envejecidas para transportar diferentes materiales y al mismo tiempo reducir la necesidad de nuevos derechos de paso y permisos asociados.

A pesar de las ventajas de utilizar materiales compuestos, aún no se han desarrollado normas que permitan otorgar permisos seguros para transportar dióxido de carbono4 e hidrógeno supercríticos. A nivel federal, la seguridad de las tuberías es administrada por la Administración de Tuberías y Materiales Peligrosos (PHMSA) del Departamento de Transporte.5 Para garantizar el transporte seguro de energía y otros materiales peligrosos, la PHMSA establece una política nacional, establece y hace cumplir estándares, educa y realiza investigaciones. para prevenir incidentes. Existen normas reglamentarias para transportar dióxido de carbono supercrítico en tuberías de acero.6 Sin embargo, no existen normas para que las tuberías compuestas transporten hidrógeno o dióxido de carbono en estado líquido supercrítico, gaseoso o líquido subcrítico.

Reutilizar la infraestructura existente es fundamental porque la ubicación de las tuberías, independientemente del tipo, suele ser un desafío. Mientras que los oleoductos y algunos oleoductos pueden invocar disposiciones de expropiación bajo la ley federal, como la Ley de Gas Natural o la Ley de Comercio Interestatal, no existen tales autoridades federales para los oleoductos de hidrógeno y dióxido de carbono. En algunos estados, estatutos específicos abordan la expropiación de los oleoductos de dióxido de carbono. Estas leyes generalmente establecen los procedimientos para iniciar procedimientos de expropiación, determinar el monto de la compensación que se pagará a los propietarios y resolver disputas relacionadas con la expropiación. Sin embargo, actualmente se están realizando esfuerzos en estados como Iowa para restringir el uso de las autoridades estatales para otorgar dominio eminente a los oleoductos de dióxido de carbono pendientes. Los desafíos del dominio eminente subrayan la oportunidad que brindan las tecnologías que permiten la reutilización de tuberías existentes para transportar dióxido de carbono e hidrógeno.

¿Cómo podemos construir una vasta red de tuberías de dióxido de carbono e hidrógeno y al mismo tiempo utilizar materiales con bajas emisiones?

Recomendación 1. Desarrollar estándares de seguridad para el transporte de hidrógeno y dióxido de carbono supercrítico mediante tuberías compuestas.

La PHMSA, la industria y las partes interesadas deben trabajar juntos para desarrollar estándares de seguridad para transportar hidrógeno y dióxido de carbono supercrítico mediante tuberías compuestas. Sin normas, no hay camino que permita el uso de tuberías compuestas. Esta colaboración podría ocurrir en el contexto del reciente anuncio de PHMSA de actualizar sus estándares para el transporte de dióxido de carbono, lo que se está haciendo en respuesta a un incidente en 2020 en Sartartia, MS.

Idealmente, los permisos podrían emitirse utilizando el proceso normal de PHMSA en lugar de permisos especiales (por ejemplo, 49 CFR § 195.8). Se necesitan varios años para desarrollar estándares, por lo que es fundamental iniciar el proceso de establecimiento de estándares para que las tuberías compuestas puedan usarse en centros de hidrógeno financiados por el Departamento de Energía y proyectos de demostración de captura de carbono.

Europa está por delante de Estados Unidos en este sentido, ya que la empresa de clasificación DNV está llevando a cabo un proyecto industrial conjunto para revisar el coste y el riesgo del uso de tuberías termoplásticas para transportar hidrógeno. Este trabajo informará a los reguladores de la Unión Europea, que actualmente están revisando los estándares para la infraestructura de hidrógeno. La Alianza Europea para un Hidrógeno Limpio adoptó recientemente una “Hoja de ruta sobre la estandarización del hidrógeno” que recomienda expresamente establecer estándares para tuberías no metálicas. En la medida de lo posible, beneficiaría a los mercados de exportación de productos estadounidenses si las normas fueran similares.

Recomendación 2. Agilizar el proceso de obtención de permisos para modernizar tuberías de acero.

El Congreso debería agilizar la modernización de tuberías de acero mediante la promulgación de una exclusión legislativa categórica en virtud de la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA). La NEPA exige que las agencias federales evalúen acciones que puedan tener un efecto significativo en el medio ambiente. Las exclusiones categóricas (CE) son categorías de acciones que se ha determinado que no tienen un impacto ambiental significativo y, por lo tanto, no requieren una evaluación ambiental (EA) o una declaración de impacto ambiental (EIS) antes de que puedan proceder. Las CE se pueden procesar en unos pocos días, lo que acelera la revisión de las acciones elegibles.

El proceso CE permite a las agencias federales evitar el tiempo y los gastos de preparar una EA o una EIS para acciones que probablemente no tengan efectos ambientales significativos. Los CE a menudo se establecen mediante la elaboración de normas por parte de agencias, pero también pueden ser creados por el Congreso como un “CE legislativo”. Los ejemplos incluyen actividades de construcción menores, actividades de reparación y mantenimiento de rutina, transferencias de tierras e investigación y recopilación de datos. Sin embargo, incluso si una acción cae dentro de una categoría CE, la agencia aún debe realizar una revisión para garantizar que no existan circunstancias extraordinarias que justifiquen un análisis más detallado.

Dada la urgencia de implementar infraestructura de tecnología limpia, el Congreso debería autorizar a las agencias federales a aplicar una exclusión categórica cuando las tuberías de acero se modernicen utilizando tuberías compuestas. En tales situaciones, el proyecto utiliza un derecho de paso de tubería existente y debería haber pocos impactos ambientales adicionales, si es que hay alguno. Si hubiera circunstancias extraordinarias, como cambios sustanciales en el riesgo de efectos ambientales, las agencias federales podrían evaluar el proyecto bajo una EA o EIS. Una CE no obvia la revisión de las normas de seguridad y otras leyes sustantivas aplicables, sino que simplemente ajusta el tamaño correcto del análisis de procedimientos según la NEPA.

Recomendación 3. Explorar oportunidades para mejorar el marco de políticas para tuberías compuestas durante la reautorización de la Ley PIPES.

Ambas ideas antes mencionadas deben considerarse cuando el Congreso inicia su reautorización de la Ley de Protección de Nuestra Infraestructura de Tuberías y Mejora de la Seguridad (PIPES) de 2020. Entre otras mejoras a la seguridad de las tuberías, la Ley PIPES reautorizó a PHMSA hasta el año fiscal 2023. Mientras el Congreso comienza a trabajar en su próximo proyecto de ley de reautorización para PHMSA, es el momento perfecto para revisar el estado de la industria, incluido el potencial de las tuberías compuestas para acelerar la transición energética.

Recomendación 4. Considerar las emisiones incorporadas de los materiales de construcción al financiar proyectos de demostración.

La Oficina de Demostraciones de Energía Limpia debería considerar las emisiones incorporadas de los materiales de construcción al evaluar proyectos para su financiación. Los solicitantes que tengan un plan para considerar las emisiones incorporadas de los materiales de construcción podrían recibir un peso adicional en el proceso de selección.

Recomendación 5. Apoyar la investigación y el desarrollo de materiales compuestos.

Los materiales compuestos ofrecen ventajas en muchas otras aplicaciones, no sólo en tuberías. La Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) debería apoyar la investigación para mejorar aún más las propiedades de las tuberías compuestas y al mismo tiempo mejorar las emisiones del ciclo de vida. Además de los esfuerzos en curso para reducir la intensidad de las emisiones del acero y el hormigón, la EERE debería apoyar la innovación en materiales compuestos alternativos para tuberías y otras aplicaciones.

La legislación reciente impulsará la construcción de infraestructura de energía limpia de próxima generación, y la financiación también crea una oportunidad para utilizar materiales de construcción con menores emisiones de gases de efecto invernadero en su ciclo de vida. Esto es importante, porque la construcción de vastas redes de tuberías utilizando procesos de alta emisión socava los objetivos de la legislación. Sin embargo, el código regulatorio sigue siendo un impedimento al no proporcionar una vía para el uso de materiales compuestos. La PHMSA y la industria deberían iniciar discusiones para crear los estándares de seguridad necesarios, y el Congreso debería trabajar tanto con la industria como con los reguladores para agilizar el proceso NEPA al modernizar las tuberías de acero. A medida que Estados Unidos comienza la construcción de redes de captura, utilización y almacenamiento de hidrógeno y carbono, la reautorización de la Ley PIPES brinda una excelente oportunidad para reducir significativamente las emisiones.

Comparamos dos tipos de tuberías: tubería metálica API 5L X42 de 4” versus tubería flexible termoplástica no metálica de próxima generación Baker Hughes de 4”. El análisis se realizó utilizando FastLCA, una aplicación web patentada desarrollada por Baker Hughes y certificada por un revisor independiente para cuantificar las emisiones de carbono de nuestros productos y servicios. Los factores de emisión de los distintos materiales y procesos se basan en la base de datos ecoinvent 3.5 para promedios globales.

Al igual que las tuberías de acero, el transporte de hidrógeno y dióxido de carbono mediante tuberías compuestas plantea ciertos riesgos de seguridad que deben gestionarse y mitigarse cuidadosamente:

Para mitigar estos riesgos de seguridad, se deben implementar procedimientos de prueba, inspección y mantenimiento adecuados. Además, se deben seguir protocolos adecuados de manipulación y transporte, incluido el estricto cumplimiento de los límites de presión y temperatura y precauciones para evitar fuentes de ignición. Finalmente, se deben desarrollar e implementar planes de respuesta a emergencias para abordar cualquier incidente que pueda ocurrir durante el transporte.

La especificación API 15S, Tubería de plástico reforzada enrollable, cubre el uso de tuberías compuestas flexibles en aplicaciones terrestres. La norma no aborda el transporte de dióxido de carbono y no se ha incorporado a las regulaciones de PHMSA.

La especificación API 17J, Especificación para tuberías flexibles no adheridas, cubre el uso de tuberías compuestas flexibles en aplicaciones costa afuera. Al igual que el 15S, no aborda el transporte de dióxido de carbono y no se ha incorporado a las regulaciones de la PHMSA.

Las tuberías de HDPE, comúnmente utilizadas en aplicaciones como suministro de agua, sistemas de drenaje, tuberías de gas y procesos industriales, tienen ventajas similares a las tuberías compuestas en términos de flexibilidad, facilidad de instalación y bajos requisitos de mantenimiento. Se puede ensamblar para crear uniones sin costuras, lo que reduce el riesgo de fugas. También se puede utilizar para adaptar tuberías de acero como revestimiento según API SPEC 15LE.

La tubería de HDPE ha sido aprobada por PHMSA para transportar gas natural según 49 CFR Parte 192. Sin embargo, las presiones operativas típicas (por ejemplo, 100 psi) son significativamente más bajas que las de las tuberías compuestas. Al igual que las tuberías compuestas, no existen estándares para el transporte de hidrógeno y dióxido de carbono, aunque los límites de presión más bajos de las tuberías de HDPE las hacen menos adecuadas para su uso en la captura y almacenamiento de carbono.

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