Tesis doctorales de la Escuela Internacional de Doctorado de la URJC desde el curso 2024/25
Integration of advanced sustainability analytics into the ecodesign framework of hydrogen-related products
Autor
CAMPOS CARRIEDO, FELIPE
Director
IRIBARREN LORENZO, DIEGO
Codirector
DUFOUR ANDÍA, JAVIER
Fecha de depósito
09-07-2025
Periodo de exposición pública
9 a 23 de julio de 2025
Fecha de defensa
Sin especificar
Modalidad
Presencial
Programa
Tecnologías industriales, Química, Ambiental, Energética, Electrónica, Mecánica, y de los materiales
Mención internacional
Solicitada
Resumen
A medida que las economías europeas avanzan hacia la transición energética, se espera que el sector del hidrógeno desempeñe un papel crucial como habilitador clave de los objetivos de descarbonización de la Unión Europea. Sin embargo, existen preocupaciones relacionadas con la sostenibilidad del sector concernientes a los impactos de diversa tipología que los productos y tecnologías que sustentan una economía basada en el hidrógeno pueden ocasionar. Por ejemplo, se prevé que la evaluación y optimización de las implicaciones sociales a lo largo de las cadenas de suministro relacionadas con el hidrógeno desempeñen un papel vital en la diferenciación de este tipo de soluciones energéticas. Otro de los principales retos a los que se espera que el sector del hidrógeno se enfrente es la disponibilidad de materias primas críticas, en un contexto de creciente demanda y competitividad entre diferentes alternativas de tecnologías de energía limpia.
Estas preocupaciones se enmarcan en un contexto global de presión creciente por lograr una transición energética justa, eficiente y equitativa, lo cual implica no sólo adoptar nuevas tecnologías, sino hacerlo de una manera que minimice impactos negativos sobre las personas y el medio ambiente a la vez que garantiza su competitividad económica. En este sentido, la sostenibilidad ya no puede entenderse únicamente desde una perspectiva ambiental, sino que requiere un enfoque sistémico que incorpore otras dimensiones relevantes para evaluar el impacto de un producto. En el caso particular del hidrógeno, esta complejidad se amplifica debido a su carácter transversal: interviene en múltiples sectores —como el transporte, la industria o la generación de energía— y conecta diferentes tecnologías, desde electrolizadores hasta infraestructuras de almacenamiento y distribución. Por ello, la necesidad de herramientas adecuadas que permitan evaluar y guiar su desarrollo sostenible se vuelve prioritaria.
Para dar respuesta a estos desafíos, los productos de pilas de combustible e hidrógeno deben concebirse desde un enfoque holístico de sostenibilidad desde las etapas más tempranas de su diseño, lo cual requiere herramientas de evaluación efectivas que orienten este proceso. La Directiva de Ecodiseño de la Unión Europea, que ha sido complementada y actualizada recientemente con el Reglamento de Ecodiseño para Productos Sostenibles, ha demostrado ser un marco regulatorio eficaz para apoyar la transición energética en varios sectores industriales. Como herramienta analítica, proporciona el EcoReport, un recurso simplificado para facilitar el análisis del ciclo de vida de un producto concebido para asistir en el desarrollo de medidas de ecodiseño que deben implementarse de forma obligatoria en los países europeos.
El punto de partida de esta investigación fue evaluar la idoneidad de la herramienta EcoReport para abordar productos relacionados con el hidrógeno, siendo ésta la primera aplicación del instrumento en el sector. Como casos de estudio, este trabajo se centró en los sistemas de propulsión de un automóvil de pasajeros y un camión pesado, ambos alimentados con pila de combustible. Inicialmente, se analizaron ambos casos base utilizando la herramienta EcoReport para identificar puntos críticos de ecodiseño y las limitaciones de la herramienta. A continuación, se refinó la herramienta para abordar las deficiencias identificadas, permitiendo una estimación más precisa de cómo los avances tecnológicos a corto plazo podrían mejorar la ecoeficiencia y la criticidad de los recursos de los sistemas de propulsión analizados. Los resultados preliminares confirmaron que la herramienta EcoReport es valiosa para la evaluación en etapas tempranas y el desarrollo de estrategias de ecodiseño para tecnologías relacionadas con el hidrógeno, evidenciando por ejemplo, que la selección de materiales para los electrodos y membranas, así como la eficiencia en la conversión electroquímica, desempeñaban roles determinantes en el perfil ambiental de los sistemas analizados. Se identificó también en este punto que la herramienta EcoReport debería mejorarse mediante la inclusión explícita de la dimensión social dentro del marco análisis, el aumento de la disponibilidad de datos proporcionados por defecto para facilitar la evaluación, y la actualización de los factores de caracterización y métodos de evaluación de impacto de acuerdo a las tendencias actuales en el ámbito del análisis de ciclo de vida de producto. En cuanto a la evaluación del desempeño a futuro de los dos casos de estudio haciendo uso de la versión ajustada de la herramienta EcoReport, se observó que los vehículos con pila de combustible podrían convertirse en alternativas competitivas en el transporte por carretera, tanto en términos de ecoeficiencia como de criticidad material, en comparación con sus equivalentes puramente eléctricos en caso de alcanzar los indicadores clave de rendimiento previstos para las tecnologías involucradas en 2030. Sin embargo, cabe también destacar que la sostenibilidad de estos sistemas de movilidad resultó depender en gran medida de la vía de producción del hidrógeno utilizado como agente propulsor, lo que subraya la necesidad de un enfoque holístico para el despliegue de la economía del hidrógeno que garantice el desarrollo sinérgico de la cadena de valor completa de este vector energético.
En base a los resultados del análisis crítico mencionado anteriormente sobre la herramienta EcoReport y su idoneidad para impulsar el ecodiseño de tecnologías relacionadas con el hidrógeno, esta investigación pasó a continuación a profundizar en cómo podría integrarse adecuadamente la dimensión social en el marco del ecodiseño este tipo de productos. En este aspecto, el análisis de ciclo de vida social emerge como una metodología prometedora para evaluar el impacto social de las tecnologías a lo largo de sus cadenas de suministro. Se exploraron varios de sus aspectos metodológicos clave basándose en los estudios llevados a cabo previamente sobre un stack de pila de electrólisis de óxido sólido (SOEC) de 5 kW para producción de hidrógeno (tecnología emergente en el sector del hidrógeno) y un stack pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) de 48 kW para aplicaciones de movilidad (tecnología ya consolidada en el mercado dentro de su ámbito de aplicación). Esto incluyó la discusión de diversos enfoques para definir los límites del sistema e identificar los puntos críticos de impacto social. Se concluyó que definir una cadena de suministro específica del producto, utilizando criterios de corte adecuados en cuanto a la materialidad de los procesos a considerar dentro del alcance, fue el enfoque más eficaz desde la perspectiva del diseño sostenible. Además, los cálculos basados en el enfoque de variable de actividad ofrecieron los resultados más valiosos en materia de impacto social para la toma de decisiones relacionadas con el ecodiseño de las dos tecnologías analizadas. El enfoque de cálculo directo complementó además esta opción metodológica al facilitar la interpretación de los indicadores de impacto social, ya que proporciona métricas más accesibles para una audiencia fuera del área de especialidad del análisis de ciclo de vida social. Esta parte del estudio enfatizó que formalizar las prácticas mencionadas podría mejorar la integración de la consideración de la dimensión social en el marco de diseño sostenible para las tecnologías de hidrógeno. En términos prácticos, el contenido de platino surgió claramente como el principal punto crítico social bajo cada uno de los indicadores seleccionados en el caso del stack de pila PEMFC. Esto se debió al impacto unitario muy elevado que se relaciona con la extracción de este metal de acuerdo a los indicadores de impacto social analizados. En el caso del dispositivo SOEC, la producción de acero inoxidable se identificó como la principal área de preocupación social, condicionada esta vez por la elevada proporción en masa que el acero representa en la tecnología de producción de hidrógeno.
A continuación, este estudio investigó varios indicadores de criticidad de materiales a nivel de producto, construidos dentro de los dos marcos para la evaluación de la criticidad de los materiales más consolidados (el propuesto por la Comisión Europea y la alternativa GeoPolRisk desarrollada por investigadores líderes en el campo), y sus implicaciones al usarlos para abordar el problema de la criticidad de materiales en productos relacionados con el hidrógeno. Estos indicadores se testearon sobre los mismos casos de estudio empleados para la sección de la investigación relacionada con la evaluación del impacto social (stack pila de combustible tipo PEMFC y stack para electrólisis de tipo SOEC). Los resultados sugirieron que utilizar múltiples indicadores es el mejor enfoque para evaluar la criticidad de los materiales en el contexto de productos relacionados con el sector del hidrógeno, ya que cada uno de ellos proporciona información de valor que pone el foco sobre ámbitos distintos del contexto multivariable de la criticidad material. En el caso del stack de pila PEMFC, el platino fue nuevamente identificado como el material más crítico, mientras que para el stack SOEC, el itrio y el lantano fueron los contribuyentes más significativos.
Finalmente, basándose en los principios de la herramienta EcoReport, incorporando las mejoras directas detectadas a lo largo de la primera parte de esta investigación, e integrando los conocimientos metodológicos proporcionados por las secciones de evaluación social y de criticidad de materiales, se desarrolló un nuevo marco de diseño sostenible. Este marco fue operacionalizado por primera vez en el campo del diseño sostenible utilizando los paquetes Python Brightway2 y lca_algebraic, y se aplicó posteriormente a un caso de estudio de stack SOEC para producción de hidrógeno a alta temperatura. El análisis demostró que los conceptos de productos de stack SOEC podrían mejorar progresivamente su desempeño en sostenibilidad en las dimensiones ambiental, social y de criticidad de materiales mediante la consideración de las medidas de ecodiseño propuestas. Sin embargo, la competitividad económica siguió siendo un factor limitante, ya que algunas de las medidas de diseño consideradas incrementaban significativamente el coste de producción de la tecnología. Además, un análisis de decisión multicriterio integrado en el marco sugirió que el diseño de producto de un stack tipo SOEC debería priorizar la reducción de la intensidad material de la tecnología para mejorar su sostenibilidad de forma global.
En general, se concluyó que esta investigación logró formalizar procedimientos adecuados para incorporar análisis avanzados de sostenibilidad, más allá de las prácticas actuales, dentro del marco de ecodiseño de tecnologías relacionadas con el hidrógeno, tanto actuales como emergentes. Esta formalización representa un avance significativo en la consolidación de herramientas multidimensionales de evaluación, que incluyen aspectos ambientales, económicos, sociales y de criticidad de materiales, aportando así una perspectiva más completa del ciclo de vida de las tecnologías analizadas. De esta manera, se promovió el avance desde el ecodiseño enfocado al desempeño ambiental y económico, al desarrollo de productos desde una perspectiva holística de sostenibilidad dentro del sector del hidrógeno. Este cambio de paradigma resulta fundamental para respaldar el desarrollo tecnológico de este sector y mejorar su posicionamiento en un contexto de competitividad entre diferentes soluciones vinculadas a la transición energética. Además, al integrar los avances de esta investigación dentro de un marco normativo de eficacia probada, se espera que la aplicabilidad de los resultados respalde la toma de decisiones de alto nivel respecto al despliegue de una economía del hidrógeno alineada con los objetivos europeos y de otros marcos estratégicos internacionales en materia de sostenibilidad. Paralelamente, este trabajo ofreció recomendaciones prácticas para mejorar el perfil actual de sostenibilidad de los dos casos de estudio abordados a lo largo de la investigación, contribuyendo así a resolver progresivamente algunas de las preocupaciones que dificultan el despliegue a gran escala de este tipo de tecnologías.
Esta investigación se llevó a cabo en el contexto de los proyectos europeos eGHOST, centrado específicamente en el ecodiseño de productos relacionados con el hidrógeno, y SH2E, destinado a armonizar las prácticas de evaluación de sostenibilidad dentro del sector del hidrógeno. Ambos fueron financiados por la Clean Hydrogen Partnership, una iniciativa lanzada por la Comisión Europea para promover la colaboración público-privada en los ámbitos industrial y de investigación dentro del sector del hidrógeno. Esta colaboración ha sido clave para consolidar una base común de conocimiento técnico y metodológico que permita acelerar el desarrollo de soluciones sostenibles y replicables en distintos contextos industriales. En el marco de estos proyectos, se han generado sinergias valiosas entre instituciones académicas, centros tecnológicos, empresas del sector y entidades reguladoras, lo que ha favorecido una aproximación interdisciplinar e integrada a los desafíos del ecodiseño. Además, los resultados obtenidos en el marco de estas iniciativas no solo han contribuido a la investigación aplicada, sino que también han proporcionado insumos relevantes para la formulación de futuras normativas técnicas y estrategias sectoriales a nivel europeo. La implicación activa de múltiples partes interesadas ha sido un elemento clave para asegurar la viabilidad de la implementación de los marcos propuestos, así como su aceptación en el mercado y en la esfera política.
