Planificación estratégica para la descarbonización en la producción sostenible de hidrógeno verde con un enfoque de economía circular

Abstract

In this project, an approach is proposed to analyze the transition from conventional products toward sustainable schemes, considering that energy vectors derived from renewable sources can replace traditional processes based on fossil fuels. However, their adoption requires evaluating various aspects such as processing routes, equipment, infrastructure materials, energy sources, and economic and environmental criteria. Since the energy transition not only involves substituting the energy source but also efficiently managing the associated material resources, it is necessary to link this analysis with the principles of the circular economy. A systematic approach is proposed for planning an energy system applied to the green hydrogen process, integrating multiple units and their energy requirements. One of the principles of the circular economy is resource optimization; therefore, incorporating novel circularity indicators becomes essential for energy planning, as it enables a reduction in the amount of material required for infrastructure and, consequently, a decrease in the use of non-renewable resources. This work presents a MINLP-based mathematical programming model that introduces rigorous metrics for non-renewable resource consumption and energy self-sufficiency, dimensions that have been scarcely explored within the circular economy applied to the energy sector. The model determines the optimal selection of infrastructure and generation capacities to meet a specific energy demand and green hydrogen production. Additionally, material quantification is normalized using the ADP (Abiotic Depletion Potential) indicator, which evaluates the depletion of non-renewable resources. The multi-objective model is solved using the compromise programming technique, allowing the analysis of trade-offs among total cost, CO?eq emissions derived from energy generation, and circular economy indicators.

En el presente proyecto se plantea un enfoque para analizar la transición de productos convencionales hacia esquemas sustentables, considerando que los vectores energéticos de origen renovable pueden sustituir a los procesos tradicionales basados en combustibles fósiles. No obstante, su adopción exige evaluar diversos aspectos, como rutas de procesamiento, equipos, materiales de infraestructura, fuentes de energía y criterios económicos y ambientales. Dado que la transición energética no solo implica sustituir la fuente de energía, sino también gestionar eficientemente los recursos materiales asociados, resulta necesario vincular este análisis con los principios de la economía circular. Se propone un enfoque sistemático para planificar un sistema energético aplicado al proceso de hidrógeno verde, integrando múltiples equipos y sus requerimientos energéticos. Uno de los principios de la economía circular es optimizar el uso de recursos; por ello, la incorporación de indicadores novedosos en este ámbito resulta clave para la planificación eléctrica, al permitir reducir la cantidad de materiales necesarios y, con ello, el uso de recursos no renovables. Este trabajo presenta un modelo de programación matemática de tipo MINLP que introduce métricas rigurosas sobre el consumo de recursos no renovables y la autosuficiencia energética, dimensiones poco exploradas dentro de la economía circular aplicada al sector energético. El modelo determina la selección óptima de infraestructura y capacidades de generación para satisfacer una demanda energética específica y producción de hidrógeno verde. Además, la cuantificación de materiales se normaliza mediante el indicador ADP (Abiotic Depletion Potential), que evalúa el agotamiento de recursos no renovables. El modelo multiobjetivo se resuelve mediante la técnica de programación compromiso lo que permite analizar las compensaciones entre costo total, emisiones de CO?eq derivadas de la generación energética y los indicadores de economía circular.