Construyendo una Red Nacional de Tuberías Compuestas para Reducir las Emisiones de Gases de Efecto Invernadero

Apr 13, 2023

65,000 millas de tubería: esa es la distancia que puede ser necesaria para lograr cero emisiones netas 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, incentivada por la Ley de Inversión en Infraestructura y Empleos 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 eq 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 solo a partir de la infraestructura de tuberías de acero.

Las tuberías hechas de materiales compuestos ofrecen un camino para reducir las emisiones. La tubería compuesta se compone de múltiples capas de diferentes materiales, generalmente un polímero termoplástico como capa estructural principal con materiales de refuerzo como fibras o rellenos de partículas para aumentar la resistencia y la rigidez. Algunos tipos tienen emisiones de ciclo de vida que son casi un tercio menos que 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 y de Tuberías (PHMSA, por sus siglas en inglés) para emitir permisos para tuberías compuestas lleva más tiempo que el 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 relacionadas con 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 se ha preparado con $ 21 mil millones para proyectos de demostración o "centros" en la Ley de Inversión en Infraestructura y Empleos y se ha reforzado con otros $ 7 mil millones para proyectos de demostración y al menos $ 369 mil millones en créditos fiscales en la Ley de Reducción de la Inflación. El Congreso reconoció que los oleoductos son un componente crítico y otorgó $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 de petróleo líquido cada año. Se utilizan muchas menos 5,000 millas para transportar dióxido de carbono y solo 1,600 millas se dedican al hidrógeno. La investigación sugiere que la red de tuberías existente no está ni cerca de lo que se necesita. Según Net Zero America, se necesitarán aproximadamente 65,000 millas de tuberías para transportar el dióxido de carbono capturado para 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.

La fabricación de tuberías de acero es un proceso intensivo en 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. Hay esfuerzos en curso para reducir las emisiones generadas por el acero (es decir, "acero verde") al ser más eficientes energéticamente, capturar y almacenar el dióxido de carbono emitido, reciclar chatarra de acero combinada con energía renovable y usar hidrógeno de bajas emisiones. Sin embargo, el costo es un desafío importante con muchas de estas estrategias de mitigación. El costo estimado de la transición de activos de acero globales a tecnologías compatibles con cero neto para 2050 es de $ 200 mil millones, además de un promedio de referencia de $ 31 mil millones anuales para simplemente satisfacer la creciente demanda.

Dada la vasta red de tuberías requerida para lograr un futuro neto cero, expandir el uso de tuberías compuestas brinda una oportunidad significativa para que los Estados Unidos reduzcan las emisiones de carbono. Los materiales compuestos son altamente resistentes a la corrosión, pesan menos y 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 tubería compuesta puede ser cuatro veces más rápida de instalar, requiere un tercio de la mano de obra para instalarla y tiene costos operativos significativamente más bajos.2 Se espera que el uso de tubería compuesta continúe creciendo a medida que los avances tecnológicos hacen que estos materiales sean más confiables y rentables. .

El uso de tubería compuesta también se está expandiendo a medida que la industria busca mejorar su sostenibilidad. Realizamos un análisis del ciclo de vida de la tubería termoplástica, que se fabrica mediante un proceso llamado extrusión que consiste en fundir un material termoplástico, como polietileno de alta densidad o cloruro de polivinilo, y luego forzarlo a través de una matriz para crear un tubo continuo. Luego, el tubo se puede cortar a la longitud deseada y los accesorios se pueden unir a los extremos para crear una tubería completa. Descubrimos que las emisiones del ciclo de vida de la tubería termoplástica fueron de 6,83 kg de dióxido de carbono eq/pie y aproximadamente un 75 % más bajas que 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 posibles diferencias en las fugas. Específicamente, la tubería compuesta tiene una estructura continua que permite la producción de secciones de tubería más largas, lo que genera menos uniones y soldaduras. Por el contrario, las tuberías metálicas suelen fabricarse en secciones más cortas debido a las limitaciones del proceso de fabricación. Esto significa que se requieren más uniones 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 los Estados Unidos tienen más de 50 años, lo que aumenta la posibilidad de fugas y costos de mantenimiento.3 Otra ventaja de la tubería compuesta es que se puede jalar a través de tuberías de acero, reutilizando tuberías de acero envejecidas para transportar diferentes materiales al mismo tiempo que reduce la necesidad de nuevos derechos de paso y permisos asociados.

A pesar de las ventajas de usar materiales compuestos, los estándares aún no se han desarrollado para permitir el transporte seguro de dióxido de carbono supercrítico4 e hidrógeno. A nivel federal, la seguridad de las tuberías es administrada por la Administración de Tuberías y Materiales Peligrosos (PHMSA, por sus siglas en inglés) 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 las para prevenir incidentes. Existen normas reglamentarias para transportar dióxido de carbono supercrítico en tuberías de acero.6 Sin embargo, no existen normas para tuberías compuestas para transportar hidrógeno o dióxido de carbono en estado líquido supercrítico, gas o líquido subcrítico.

La reutilización de la infraestructura existente es fundamental porque la ubicación de las tuberías, independientemente del tipo, suele ser un desafío. Mientras que los oleoductos de gas natural y algunos oleoductos pueden invocar disposiciones de dominio eminente en virtud de 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, los estatutos específicos abordan el dominio eminente de las tuberías de dióxido de carbono. Estas leyes suelen establecer los procedimientos para iniciar procedimientos de dominio eminente, determinar el monto de la compensación que se pagará a los propietarios y resolver disputas relacionadas con el dominio eminente. Sin embargo, se están realizando esfuerzos actuales en estados como Iowa para restringir el uso de las autoridades estatales para otorgar el dominio eminente a las tuberías de dióxido de carbono pendientes. Los desafíos con el 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 al mismo tiempo que usamos materiales menos emisivos?

Recomendación 1. Desarrollar estándares de seguridad para el transporte de hidrógeno y dióxido de carbono supercrítico utilizando tubería mixta.

PHMSA, la industria y las partes interesadas deben trabajar juntas para desarrollar estándares de seguridad para transportar hidrógeno y dióxido de carbono supercrítico utilizando tuberías compuestas. Sin estándares, no hay camino para permitir el uso de tubería compuesta. Esta colaboración podría ocurrir en el contexto del reciente anuncio de PHMSA para 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 (p. ej., 49 CFR § 195.8). Lleva varios años desarrollar estándares, por lo que es fundamental lanzar el proceso de establecimiento de estándares para que la tubería compuesta se pueda usar 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 actualmente un proyecto industrial conjunto para revisar el coste y el riesgo de utilizar 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 European Clean Hydrogen Alliance 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. Simplificar el proceso de permisos para reacondicionar tuberías de acero.

El Congreso debería agilizar la modernización de las tuberías de acero mediante la promulgación de una exclusión categórica legislativa en virtud de la Ley de Política Ambiental Nacional (NEPA). NEPA requiere que las agencias federales evalúen las acciones que pueden 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 de CE permite que las agencias federales eviten el tiempo y el gasto de preparar una EA o EIS para acciones que probablemente no tengan efectos ambientales significativos. Los CE a menudo se establecen a través de la reglamentación de las agencias, pero también pueden ser creados por el Congreso como un "CE legislativo". Los ejemplos incluyen actividades menores de construcción, mantenimiento de rutina y actividades de reparación, transferencias de terrenos 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 asegurarse de que no haya circunstancias extraordinarias que justifiquen un análisis adicional.

Dada la urgencia de implementar infraestructura de tecnología limpia, el Congreso debería autorizar a las agencias federales a aplicar una exclusión categórica cuando la tubería de acero se readapte con tubería compuesta. En tales situaciones, el proyecto está utilizando un derecho de paso de tubería existente, y debería haber pocos impactos ambientales adicionales, si es que hubiera 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 del análisis procesal bajo la NEPA.

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

Las dos ideas antes mencionadas deben considerarse a medida que 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 PHMSA hasta el año fiscal 2023. A medida que 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 integradas de los materiales de construcción al financiar proyectos de demostración.

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

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

Los materiales compuestos ofrecen ventajas en muchas otras aplicaciones, no solo en tuberías. La Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE) debe 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, EERE debe apoyar la innovación en materiales compuestos alternativos para tuberías y otras aplicaciones.

La legislación reciente impulsará la construcción de la próxima generación de infraestructura de energía limpia, y la financiación también crea una oportunidad para implementar materiales de construcción con menores emisiones de gases de efecto invernadero durante el 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 un camino para el uso de materiales compuestos. La PHMSA y la industria deben iniciar discusiones para crear los estándares de seguridad necesarios, y el Congreso debe trabajar con la industria y los reguladores para simplificar el proceso de la NEPA al reacondicionar 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 mediante 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 para los diversos materiales y procesos se basan en la base de datos ecoinvent 3.5 para promedios globales.

Al igual que ocurre con 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 apropiados de prueba, inspección y mantenimiento. Además, se deben seguir los protocolos de manipulación y transporte adecuados, incluido el cumplimiento estricto de los límites de presión y temperatura y las 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 línea de plástico reforzado enrollable, cubre el uso de tubería compuesta flexible en aplicaciones en tierra. La norma no aborda el transporte de dióxido de carbono y no se ha incorporado a las reglamentaciones de PHMSA.

La especificación API 17J, Especificación para tubería flexible no adherida, cubre el uso de tubería compuesta flexible en aplicaciones costa afuera. Similar a 15S, no aborda el transporte de dióxido de carbono y no se ha incorporado a las reglamentaciones de PHMSA.

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

La tubería de HDPE ha sido aprobada por PHMSA para transportar gas natural bajo 49 CFR Parte 192. Sin embargo, las presiones operativas típicas (por ejemplo, 100 psi) son significativamente más bajas que las tuberías compuestas. De manera similar a 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 el almacenamiento de carbono.

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EE. UU. necesitaría 65 000 millas de tuberías para lograr emisiones netas cero para 2050. Así es como la Administración Biden puede expandir el uso de materiales compuestos de bajas emisiones para respaldar una visión de cero emisiones netas.