7
Trazabilidad de Hidrógeno Verde
utilizando Blockchain
Traceability of Green Hydrogen using Blockchain
Carlos Ramiro Rodríguez
1
, Jorge Díaz
2
, Manuel Humberto Tiglio
3
, Franco Cerino
4
, Luciano Mori
5
,
Ernesto Esteban Coutsiers
6
, Edison Montoya
7
.
Recibido: 03/09/2023 y Aceptado: /08/09/2023
ENERLAC. Volumen VII. Número 2. Diciembre, 2023
ISSN: 2602-8042 (impreso) / 2631-2522(digital)
1.- Universidad Nacional de Córdoba. Argentina Profesor Adjunto Dedicación Exclusiva
ramiro.rodriguez@unc.edu.ar
https://orcid.org/0000-0003-4512-6398
2.- ISISTAN Research Institute (CONICET & UNICEN) Profesor Titular, Investigador Principal CONICET
andres.diazpace@isistan.unicen.edu.ar
0000-0002-1765-7872
3.- Universidad Nacional de Córdoba. Argentina Investigador Principal, CONICET
mtiglio@unc.edu.ar
0000-0003-0451-9611
4.- Universidad Nacional de Córdoba. Argentina Becario Doctoral, CONICET
francocerino@gmail.com
0000-0003-2022-0839
5.- lucianomori.cloud DevOps
0009-0001-8965-4224
6.- Calden Consultoría SRL. Universidad Nacional de Salta (UNSa). Argentina Socio Fundador. Doctorando en la UNSa
ecoutsiers@caldenconsultoria.com
0009-0008-6276-6120
7.- BCFort CEO
edison@bcfort.com
0000-0002-9982-8777
8
9
Este trabajo presenta una discusión de la importancia de trazabilidad de hidrógeno verde utilizando
blockchain, y propone un modelo prototípico de un contrato inteligente que se desplegó en las redes
Polygon y Algorand. En este desarrollo, se exploran aspectos de certicación y tokenización, que abren
interesantes líneas de trabajo y potenciales aplicaciones tecnológicas en base a hidrógeno verde
This work presents a discussion of the importance of traceability of green hydrogen using blockchain,
along with a prototypical model of a smart contract deployed in the Polygon and Algorand networks. In
this development, certication and tokenization aspects are explored, which open up interesting lines of
future work and potential technology applications around green hydrogen.
PALABRAS CLAVE: Hidrógeno verde, trazabilidad, blockchain, tokenización, Ethereum, certicación.
KEYWORDS: Green hydrogen, traceability, blockchain, tokenization, Ethereum, certication.
Resumen
Abstract
10
1. INTRODUCCIÓN
7.- Un modelo económico energético alternativo al uso de combustibles fósiles en el cual el hidrógeno es considerado como un vector
energético más (capaz de almacenar energía de tal manera que esta pueda ser liberada en otro lugar o momento posterior de forma
controlada), alternativo a los combustibles fósiles y acoplador de sectores (eléctrico, gas), usado en los cuatro ámbitos fundamentales:
energía, transporte, residencial e industria.
El hidrógeno (H2) tiene una larga y productiva
historia en el ámbito de la industria en general y
la química en particular. Uno de los primeros usos
industriales del H2 fue en el proceso Haber-Bosch,
que se desarrolló a principios del siglo XX y todavía
se usa para producir amoníaco para fertilizantes y
otras aplicaciones químicas (Kandemir et al., 2013).
Sin embargo, el planteo de su posible utilización
como vector energético
7
, con aplicaciones en
distintos sectores de demanda como transporte,
minería, industria manufacturera (producción de
aceros, cementos, vidrios, etc.), residencial y
pesca, sólo data de dos décadas (Berry & Aceves,
2006; Rifkin, 2002). La penetración en la oferta
energética comenzó a tomar tracción, motivada
por la inestabilidad del precio internacional de
los hidrocarburos, en particular de los derivados
del petróleo (NU. CEPAL. Subsede de México,
2009), y por la necesidad desde un punto de vista
medioambiental de hallar alternativas sostenibles,
entre otras. Recientemente, el acelerado
despliegue de las energías renovables ha puesto
en marcha una transformación energética
global con implicaciones geopolíticas de gran
alcance, pronosticando el advenimiento de una
nueva era energética que podría remodelar las
relaciones entre los estados y las comunidades
y generar un nuevo orden de poder, seguridad
e independencia energética. Con la urgencia de
avanzar hacia sistemas energéticos resilientes,
alineados con los imperativos climáticos y de
desarrollo establecidos en el Acuerdo de París y
la Agenda 2030, el H2 se identicó mediante un
enfoque sin precedentes, dado su rol central en la
descarbonización de sectores difíciles de abatir,
incluyendo la necesidad de alcanzar la carbono-
neutralidad hacia el año 2050 (IRENA, 2022).
Sumado a estas fuerzas impulsoras, el conicto
bélico entre los países balcánicos intensica la
búsqueda de alternativas energéticas debido
a la presión económica que ejerce el alza en el
costo de los combustibles fósiles y otras materias
primas principales (Padinger, 2022).
Como el H2 se puede producir mediante una
variedad de procesos y fuentes de energía,
incluida la producción a partir del carbón, gas
natural, electrólisis del agua, etc.; no todo camino
de obtención del H2 cumple la exigencia de
reducir las emisiones de carbono, (White et al.,
2021), (Newborough & Cooley, 2021), situación
que condujo al adagio «el H2 es tan limpio como
la fuente que lo produce».
Se espera que la creciente demanda de H2
limpio y bajo en carbono promueva el comercio
internacional entre importadores y exportadores
de H2 (Maggio et al., 2019). Para esto, es crucial
aclarar los indicadores de calidad relacionados al
origen del H2, proveyendo una denición precisa
del “tipo de H2” que se comercializa, mediante la
implementación de estándares internacionales. La
contribución positiva del H2 al clima y al desarrollo
económico se garantizará únicamente con reglas
y normas transparentes y creíbles y un sistema
coherente que trascienda las fronteras nacionales,
regionales y sectoriales. Mediante la cooperación
internacional, el mercado emergente del H2
tiene el potencial de ser tanto descentralizado
como inclusivo, con oportunidades para países
desarrollados y en desarrollo por igual. En el
trabajo de (Liu et al., 2022) se analiza la principal
iniciativa de estándares de H2 en el mundo, junto
a los factores claves del estándar global, y se
discute cómo establecer estándares cuantitativos
y un sistema de evaluación de bajas emisiones de
carbono, H2 limpio e H2 renovable utilizando el
método en China.
El objetivo de este artículo es presentar una
discusión de la importancia de la trazabilidad de
hidrógeno verde (H2V), aprovechando para ello la
11
tecnología de blockchain, y generar un modelo
de contrato inteligente para este propósito. Con
esta nalidad se desarrolló una implementación
prototipo de un contrato inteligente con tres
roles de una cadena simplicada de H2V. Para
esto, se modelaron ciertos activos digitales
y sus operaciones bajo la forma de TRUs.
Adicionalmente, se exploró un esquema de
tokenización. El contrato se desplegó en Polygon
y Algorand, y se realizaron estimaciones y pagos
de costos de «gas» para dichos sistemas.
En esta sección se describe la clasicación
ambiental del H2, que da lugar al espectro de
colores que distingue su procedencia, así como
Para facilitar la descripción, la industria de la
energía limpia a menudo clasica el H2 por
colores, como se muestra en la Figura 1. Si bien
hay una gran variedad de colores, en este trabajo
se describen solamente los términos H2 gris
(H2G), H2 azul (H2A), H2 amarillo (H2Am), H2 rosa
(H2R) e H2 verde (H2V) (Noussan et al., 2020), en
función de su impacto ambiental y procedencia
8
(Koroneos et al., 2004). Esta clasicación es simple
y permite la fácil identicación del tipo de H2.
Sin embargo, con este método no se distinguen
clara y cuantitativamente los tipos de procesos
de producción de H2. Hay que señalar que todos
los procesos tienen emisiones asociadas, ya sea
en la fase de construcción, transporte, operación
o desmantelamiento de las instalaciones donde
se obtiene. De aquí la importancia de cuanticar
el impacto asociado mediante la metodología de
análisis de Ciclo de Vida (ACV) (CertifHy, 2017).
Cuando se compara la procedencia del H2 (gris,
azul o verde), se utiliza la aproximación cradle-to-
gate (de la cuna a la puerta), que tiene en cuenta
todos los impactos del proceso de generación
hasta que se entrega al cliente, pero no la
aplicación nal, ya que se trata exactamente del
2.1 Hidrógeno
2.1.1 Clasicación ambiental del hidrógeno:
2. DESARROLLO
mismo producto con las mismas propiedades
(Ramón et al., n.d.).
De este modo, el H2G es el generado con recursos
fósiles (típicamente reformado de gas natural) con
emisiones superiores a 10-11 kgCO2eq/kgH2
generado
9
.
El H2A es generado de fuentes no renovables con
emisiones menores a 4,37 kgCO2eq/kgH2 (36,4
CO2eq/MJH2), ya que gran parte de las emisiones
de dióxido de carbono (CO2) se secuestran en el
proceso. En el trabajo de (Howarth & Jacobson,
2021) se discute que lejos de ser bajas en carbono,
las emisiones de GEI (gases de efecto invernadero)
de la producción de H2A son bastante altas,
particularmente debido a la liberación de metano
fugitivo. Sin embargo, otros autores (Pettersen
et al., 2022) analizan la intensidad de GEI del
H2A, utilizando datos recientes y aportes de
proveedores de tecnología de reforma de gas
de última generación. Los datos muestran que
las cadenas de valor adecuadamente diseñadas
y operadas para el suministro de H2A, con
emisiones mínimas del suministro de gas natural
y alta captura de carbono en la producción de H2,
8.- Geólogos, químicos y expertos en minería están comenzando a entender y descubrir enormes bolsas de hidrógeno connadas bajo tierra,
que buena parte de la comunidad cientíca desconocía. Se trata del hidrógeno natural o dorado. Sin embargo, dado que su explotación aún
no está reglamentada, no se considerará en este trabajo.
9.- El dióxido de carbono equivalente (CO2eq) es una medida universal utilizada para indicar en términos de CO2, el equivalente de cada uno
de los GEI con respecto a su potencial de calentamiento global.
la cadena de valor del H2 limpio y la necesidad de
obtener certicados y garantías de origen.
12
darán una reducción importante en las emisiones
de GEI en el uso nal de la energía. La huella de
GEI para los usuarios nales basada en el H2A será
normalmente entre un 80% y un 90% menor que
para el suministro y uso directos de gas natural.
El H2V es generado a partir de fuentes renovables
con emisiones menores a 4,37 kgCO2eq/kgH2
(36,4 CO2eq/MJH2). El concepto de H2V fue
creado especícamente para la producción
H2 a partir de electrólisis del agua y mediante
electricidad renovable, en clara contraposición al
proceso actual de producción a partir de recursos
fósiles y con alto impacto ambiental. Se destaca
10.- Se hace referencia a esta variabilidad de deniciones porque, por ejemplo, en Brasil el hidrógeno producido a partir de la conversión de
Biometano (gas que se obtiene sintéticamente a partir del gas de síntesis o syngas) también se considera de origen renovable y por lo tanto
verde.
que durante el proceso de electrólisis del agua
no se emite directamente CO2, ni fósil ni neutro.
Como en todas las tecnologías, hay que evaluar
las emisiones indirectas en fases de construcción,
operación y desmantelamiento de los distintos
equipos.
El H2 electrolítico también puede ser: H2Am cuando
la electricidad utilizada para la electrólisis procede
de fuentes mixtas, desde energías renovables hasta
combustibles fósiles, o también H2R cuando la
electricidad proviene de energía nuclear. Éste es un
tipo de hidrógeno bastante sostenible (Good New
Energy, n.d.).
En resumen, una vez denido mediante un ACV, si
el H2 es azul o verde, se procede a clasicarlo en
función de la fuente de origen. Si ésta es renovable
(por ejemplo, electricidad eólica, biocombustibles,
biomasa o solar), se clasica como verde. Si, por el
contrario, la fuente es fósil (por ejemplo, gas natural,
carbón, naftas, o electricidad no renovable), éste
se clasica como azul. Ambos son considerados
como H2´s bajos en emisiones, siempre que se
demuestre que cumplen los objetivos de emisión.
Para conseguir tales objetivos, en el caso del H2
azul, es necesario el secuestro del CO2 emitido
como subproducto durante un periodo de tiempo
signicativo. Estas emisiones se clasican en
estándares ociales en el documento «Estándar
y evaluación de H2 bajo en carbono, H2 limpio e
H2 renovable» (Liu et al., 2022). No obstante, dado
que se utilizan diferentes deniciones de energía
renovable (ER) en todo el mundo, esto conduce a
diferentes deniciones de H2V
10
(Sailer et al., 2022),
(Velazquez Abad & Dodds, 2020).
De este modo, el H2V tiene una denición amplia
y se han hecho llamados para su estandarización
a nivel internacional. En un trabajo reciente (Lubbe
et al., 2023) se discute el desarrollo de criterios de
sostenibilidad para el H2V. Estos criterios se basan
en la adicionalidad, el uso sostenible del espacio,
el desarrollo económico sostenible en los países
productores, la sostenibilidad del suministro de
agua y las emisiones de GEI. La adicionalidad en el
desarrollo sostenible del H2 se reere al concepto
de que los proyectos o iniciativas relacionados
con su producción, uso o implementación
deben generar benecios ambientales o sociales
adicionales a los que ocurrirían en ausencia
de dichos proyectos. Esta adicionalidad de la
Electrólisis o reformado
del biogás o conversión
bioquimica de la biomasa
Electrólisis con
electricidad procedente
de una central nuclear
Electrólisis a partir
del mix eléctrico
Reformado de gas
natural
Gasificación de carbón
GN + CCUS
(Carbon capture utilization
and Storege)
HIDRÓGENO
VERDE
HIDRÓGENO
ROSA
HIDRÓGENO
AZUL
HIDRÓGENO
AMARILLO
HIDRÓGENO
GRIS
HIDRÓGENO
NEGRO/MARRÓN
EMISIONES ASOCIADAS DE CO
2
Fuente: Sitio web del hidrógeno. https://energia.gob.es/hidrogeno/Paginas/Index.aspx
Figura 1. Colores del hidrógeno
13
electricidad podría asegurarse durante un año,
mediante la implantación de un sistema basado en
«garantías de origen renovables», lo que a su vez
también facilitaría la operación de electrolizadores
a su tasa de utilización óptima (Pototschnig,
2021). Este requisito es importante para garantizar
que la producción de H2V sirva directamente al
objetivo de descarbonización, en lugar de solo
agregar ineciencias al sistema de ER, lo que
indirectamente conduce a un aumento de los
combustibles fósiles en la combinación energética.
Sin embargo, en la práctica es difícil denir y medir
la adicionalidad dentro de un sistema energético
integrado (Jensterle et al., 2019).
2.1.2 Cadena de valor del H2V:
La cadena de valor se reere al conjunto de etapas
que comprenden la producción, distribución y uso
del H2 obtenido a partir de fuentes renovables
de energía, como se muestra en la Figura 2. Las
principales etapas de la cadena de valor del H2V
(Masip Macía et al., 2021) incluyen:
- Generación de ER: comprende las fuentes
de energía limpia que se utilizan para producir
electricidad.
- Electrólisis: utiliza la electricidad
producida para realizar la electrólisis del
agua, obteniéndose H2 puro y oxígeno puro,
que se capturan y almacenan.
- Compresión y almacenamiento: el
H2 se comprime y almacena en tanques
especiales, que permiten su transporte y
distribución.
- Transporte: el H2 se puede transportar
En resumen, la cadena de valor del H2V incluye
la generación de energía renovable, la electrólisis
del agua para producir H2, el almacenamiento y
transporte, su uso como combustible o materia
prima, y el reciclaje del agua como subproducto.
a través de tuberías, camiones cisterna, o
barcos, entre otros medios.
- Uso: se puede utilizar como combustible
para alimentar celdas de combustible (FC),
que generan electricidad para alimentar
motores eléctricos. También puede utilizarse
como materia prima en la producción de
diversos productos químicos y materiales
(amoníaco, metanol, metano, etc.).
- Reciclado: el agua obtenida como
subproducto se puede reciclar para volver a
la primera etapa del proceso, generando así
un ciclo cerrado y sostenible.
Los combustibles sintéticos se reeren a una
gama de combustibles a base de H2V producidos
mediante procesos químicos con una fuente
de carbono (CO y CO2 capturados de ujos de
emisiones, fuentes biogénicas o directamente del
aire). Incluyen metanol, combustibles para aviones,
metano y otros hidrocarburos.
Basado en el documento IRENA (2020), Green Hydrogen: A guide to policy making, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
Figura 2. Cadena de Valor del Hidrógeno verde
PRODUCCIÓN
Energías
renovables
CCU/CCUS
TRANSFORMACIÓN
SIN TRANSFORMACIÓN
Marítimo
Camiones
Ductos
Almacenamiento
CON TRANSFORMACIÓN
Combustibles
sintéticos
Amoníaco
verde
+
TRANSPORTE USO FINAL
Acero
Química
Refinerías
USOS ACTUALES
USOS NUEVOS
H
2
C0
2
+
H
2
N
2
H
2
H
2
NH
3
Calefacción
Generación
de energía
INDUSTRIA
H
2
NH
3
TRANSPORTE
H
2
Marítimo
Aviación
Autos
Trenes
Camiones
Buses
H
2
H
2
14
2.1.3 Certicados verdes y Garantías de origen.
Con el objetivo de reducir la huella de carbono, una
organización puede recurrir a tres métodos para
operar con un porcentaje de ER (Carbon Neutral
+, 2022):
a) Instalar sistemas de ER en su
infraestructura.
b) Adquirir PPAs (Purchase Power
Agreements): son contratos entre dos
partes, una que genera la electricidad (el
vendedor) y otra interesada en comprar la
electricidad (el comprador).
c) Adquirir Certicados de ER (REC:
Renewable Energy Certicates): son
instrumentos de mercado que determinan
los derechos de propiedad de atributos
ambientales y sociales de la generación de
1 [MWh] de energía eléctrica renovable.
Los RECs no representan la venta de energía
eléctrica física, sino los benecios sociales y
ambientales de la ER para que una organización
pueda reducir sus emisiones provenientes de
energía eléctrica, y promover el crecimiento de la
industria de generación de ER.
Así, la organización puede probar que:
- La electricidad consumida proviene de
fuentes renovables.
- Está reduciendo sus emisiones de GEI
relacionadas con su consumo eléctrico.
- Está contribuyendo a potenciar la industria
de ER.
Los electrones inyectados en la red eléctrica son
indistinguibles de la fuente; no obstante, aquellos
producidos en una central termoeléctrica emiten
GEI, al contrario de los producidos en una planta de
ER. Esa «no emisión» de GEI es lo que otorga a este
tipo de energía atributos ambientales y sociales.
Esos atributos de 1 [MWh] se engloban dentro del
término Certicado de Energía Renovable.
La International REC Standard (I-RECS) es la entidad
que facilita la implementación de un sistema de
seguimiento reconocido internacionalmente para
la asignación de los atributos ambientales de la
energía. La emisión local de REC que cumple con
el estándar I-REC es administrada por una entidad
local avalada por las autoridades gubernamentales
y grupos de interés. En Argentina, el Instituto
Argentino de Normalización y Certicación (IRAM)
es la asociación que controla y verica a las plantas
de ER que deciden vender la energía física, por
un lado, y la renovabilidad de la energía –el REC–
por otro. Actualmente tiene registradas plantas
de generación renovable que comercializan
certicados de atributos de renovabilidad.
Existe un mercado internacional de REC con
designaciones particulares:
- Europa: se comercializan los Guarantees
of Origin (GOs). La norma europea
EN16235:2013+A1:2015 dene las GOs
como certicados emitidos bajo un esquema
nacional con el propósito de divulgar y
respaldar el etiquetado (BSI, 2015). Los GOs
son mecanismos de trazabilidad , mientras
que los certicados verdes son documentos
que se utilizan como prueba de elegibilidad
para los esquemas de apoyo (Sailer et al.,
2022; Velazquez Abad & Dodds, 2020).
- América del Norte: los certicados son
llamados RECs o Green-e.
- Países asiáticos, africanos, del Medio
Oriente y de América Latina (Argentina,
Chile, Colombia, México, Brasil): se
comercializan principalmente I-RECs (I-REC
Standard - The International REC Standard
Foundation, n.d.)
- Otros países como Japón, Taiwán y
Australia tienen sus propios programas.
Los REC pueden usarse para varios nes. Algunos
de ellos incluyen: buscar que el distribuidor de
energía indique el porcentaje de su energía que
proviene de fuentes renovables, lograr benecios
impositivos o adecuarse a programas voluntarios
de reducción de emisiones de GEI. A la hora de
analizar cómo pueden establecerse los contratos
entre partes de H2V, conviene observar el análogo
convencional del gas natural (GN).
15
2.1.4 Características de los contratos de gas natural.
2.1.4.1 Cláusula «Take or Pay».
2.1.4.2 Cláusula «Carry Forward».
Los contratos de GN se han convertido en una
herramienta clave en la industria energética para
asegurar el suministro a largo plazo de esta fuente
de energía. Poseen características similares a
contratos de otra naturaleza, como por ejemplo
cláusulas de fuerza mayor. Sin embargo, existen
cláusulas propias que denen claramente la
transacción del activo energético. Algunas de
las cláusulas típicas (Laub Benavides, 2011), (de
Almeida Matos Moraes, 2007) de los contratos de
GN son:
Es una disposición común en los contratos
de GN que establece que el comprador debe
tomar una cantidad mínima de GN o pagar
una multa por no hacerlo. Esto signica que
el comprador se compromete a comprar una
cantidad mínima de GN, independientemente
de si la necesita o no. Si no lo hace, debe pagar
una multa por no tomar la cantidad mínima
acordada, que suele equivaler a completar el
pago por la cantidad acordada. Esta cláusula
protege al vendedor, ya que garantiza que el
GN producido será comprado, y al comprador,
ya que asegura el suministro continuo de gas
natural.
Es otra disposición común en los contratos de
GN que permite a las partes reprogramar el
suministro de GN en caso de que se produzca
un exceso o una deciencia en el suministro.
Si se produce un exceso, el comprador puede
solicitar que el exceso se “lleve adelante” y se
entregue en un período posterior. Si hay una
deciencia en el suministro, el comprador puede
solicitar que se lleve adelante una cantidad igual
de GN en un período posterior. Esta cláusula
ayuda a garantizar un suministro continuo de
GN y a mitigar los riesgos para ambas partes
en caso de uctuaciones en la producción o la
demanda. Esta cláusula relaja la cláusula «Take
or Pay» y permite en algunos casos viabilizar
contrataciones de mayores cantidades; en
general favorece al comprador.
2.1.4.3 Cláusula «Price Reopener».
2.1.4.4 Cláusula de «Entrega en Punto de
Entrada».
2.1.4.5 Cláusula de «Garantía de Capacidad».
Es una disposición que permite a las partes
renegociar el precio del GN en ciertas
circunstancias, como cambios signicativos en
el mercado o en el costo de producción. Esta
cláusula se incluye a menudo en contratos de
GN de larga duración para permitir a las partes
ajustar el precio del GN para que siga siendo
competitivo y justo a lo largo del tiempo.
Se reere al lugar donde se entrega el GN,
lo que incluye la especicación del punto de
entrega, las especicaciones de calidad del gas
y las condiciones de presión y temperatura en el
punto de entrega. Esta cláusula es importante
para garantizar que el GN entregado cumpla
con los estándares requeridos.
Establece que el vendedor garantiza la
capacidad del gasoducto para transportar el
GN y entregarlo al comprador. Esta cláusula es
importante para asegurar que el GN se entregue
de manera efectiva y que no se produzcan
demoras en la entrega debido a problemas de
capacidad en el gasoducto.
En resumen, la elaboración de contratos de
GN tiene sus especicidades. A medida que la
industria energética evolucione hacia el H2V, es
importante considerar cómo estas cláusulas se
pueden aplicar y ajustar para los contratos de
este nuevo activo energético.
16
2.2.1 Fundamentos de blockchain.
La tecnología blockchain puede verse como una
base de datos que se actualiza a través de un
protocolo de consenso entre pares o nodos de
una red, donde cada uno posee una copia de la
base de datos. Esta base está caracterizada por
propiedades de inmutabilidad, transparencia,
neutralidad, descentralización y disponibilidad, que
marcan una diferencia respecto a las bases de datos
tradicionales y con un control centralizado. Por
otro lado, existen dos tipos de redes de blockchain
para su clasicación: i) blockchain pública, donde
cualquier entidad puede participar del consenso,
lectura y escritura de la base de datos, y ii)
blockchain privada, donde existen restricciones en
estas acciones. Una de las implicancias principales
de los protocolos blockchain es que no es
necesario un tercero o intermediario de «conanza»
para que funcionen, como lo puede ser un banco
al momento de realizar transacciones de dinero
entre dos clientes. En este trabajo nos enfocamos
en redes públicas.
La base de datos de una blockchain está dada
por una lista ordenada de bloques que contienen
transacciones. Cada bloque está identicado con
un «hash», que puede considerarse como un
identicador o «huella digital» del bloque. El hash
permite mapear un conjunto de datos de entrada
de tamaño arbitrario a un dato único de tamaño
jo. Además, cada bloque contiene el hash del
bloque predecesor o padre, el cual es utilizado para
obtener el hash del nuevo bloque. La secuencia
de hashes vinculando a cada bloque con su
predecesor crea una cadena de bloques, llegando
hasta el denominado «bloque génesis», el primero
de la cadena. Esto implica que si algún bloque
se modica, cambia su hash y luego el de todos
los bloques subsiguientes, lo cual es fácilmente
vericable por la red de pares. También se utilizan
reglas de consenso que especican qué es una
transacción válida dentro de la cadena de bloques
y un algoritmo de consenso que descentraliza el
control de la blockchain. Cada bloque aceptado
En esta sección se introduce la tecnología
blockchain y diferentes protocolos que se utilizan
en este trabajo, como Ethereum, Polygon y
2.2 Blockchain
Algorand, así como nociones de trazabilidad y
tokenización que son relevantes para la aplicación
realizada.
por la red se agrega a la base de datos de cada
nodo.
En blockchain, una transacción se caracteriza por
realizar cambios a un estado global que contiene
todos los estados de las cuentas. Existe el concepto
de cuentas, que están identicadas públicamente
por una dirección. Cada transacción puede tener
un costo asociado («fee») para ser asentada en la
blockchain, con la nalidad de incentivar a nodos
para que validen bloques de transacciones y
también para evitar una utilización indiscriminada
de la red. En ese caso, para poder proponer una
transacción desde una cuenta, ésta debe tener
un balance mayor o igual al costo de la misma, y
en caso de ser aceptada por la red, se reduce su
balance.
Cuando la blockchain está desplegada en una
red pública, se utiliza un sistema de incentivos
para mantenerla segura. Una idea muy utilizada es
que, por cada bloque con transacciones válidas,
se incentive al nodo que lo propuso, aumentando
su balance. La nalidad de un mecanismo de
incentivos es que a un actor le convenga aportar a
la red de forma honesta para obtener una ganancia,
en lugar de querer perjudicar a otros usuarios por
benecio propio. Además, al sumarse nuevos
nodos que aportan a la red, ésta se vuelve más
descentralizada y segura.
A continuación, se describen brevemente tres
blockchain representativas de la actualidad, que
permiten desplegar contratos inteligentes para
trazabilidad.
17
2.2.2 Ethereum.
Ethereum es un protocolo especí co de blockchain
que tiene la nalidad de crear aplicaciones
descentralizadas, transparentes y altamente
disponibles. Este protocolo se puede considerar
como una máquina de estados determinista, que
consiste en un estado del que solamente puede
existir una instancia única globalmente accesible
(denominada «world state») y una máquina
virtual que aplica cambios al mismo a través de
transacciones, bajo la tecnología blockchain. Esta
máquina virtual toma el nombre de Ethereum Virtual
Machine (EVM). Las aplicaciones descentralizadas
se especi can a través de un lenguaje de
programación, por ejemplo, Solidity que permite
escribir contratos inteligentes (Wood, 2014). Un
contrato inteligente puede verse como un objeto
autónomo que de ne una «caja» criptográ ca, y
solo se puede interactuar con estas cajas si ciertas
condiciones se cumplen y al de nirlas se pueden
especi car reglas propias para realizar operaciones.
Otro elemento es la noción de cuenta. Una cuenta
tiene un balance intrínseco, y está identi cada
por una dirección única. En Ethereum se pueden
distinguir dos tipos de cuentas:
- Controladas por una entidad externa: no
tienen asociado un código para la EVM. A
través de este tipo de cuenta, una persona o
entidad puede interactuar con la blockchain
a través de transacciones. Tiene asociada
una llave privada (similar a una contraseña)
que sirve para probar la propiedad de la
cuenta.
- Objetos autónomos: tienen asociado
un código para la EVM que constituye el
contrato inteligente. Pueden interactuar
con otros objetos autónomos a través de
mensajes (Ethereum Whitepaper | Ethereum.
Org, n.d.). Además, una cuenta controlada
por una entidad externa puede interactuar
con el código a través de transacciones.
- Cada transacción, para ser ejecutada en
la blockchain, tiene un costo computacional
asociado. En Ethereum este costo se mide
en una unidad denominada Gas y cada
operación tiene un costo jo asociado. Por
ejemplo, enviar una transacción tiene un
costo de 21,000 Gas, y la suma de dos
números tiene un costo de 3 Gas. Esta unidad
es un concepto esencial ya que el fee de una
transacción depende de la cantidad de Gas
necesaria para ejecutarla. El fee se paga en
la divisa nativa de la red, denominada Ether
(ETH) y está dado por:
Base Fee se ajusta automáticamente dependiendo
de la congestión de la red y Priority Fee es establecida
por el usuario; es decir, es una comisión entregada
al validador (EIP-1559: Fee Market Change for ETH
1.0 Chain, n.d.). Ethereum utiliza un mecanismo de
consenso entre nodos denominado Proof of Stake
(PoS). Un nodo, para participar como validador,
necesita depositar al menos 32 ETH, donde puede
proponer y chequear la validez de nuevos bloques
y en caso de actuar de forma e ciente y honesta
recibirá ETH como recompensa. La propuesta de
un bloque se origina en un nodo validador elegido
aleatoriamente; y se elige otro grupo de validadores,
también aleatoriamente, para avalar que el bloque
en cuestión es válido. Si un validador no participa
como designado no obtendrá ganancias, y si
actúa de forma deshonesta el colateral depositado
puede ser destruido. PoS es una metodología
energéticamente más e ciente que el método Proof
of Work (PoW), que es el algoritmo de consenso
utilizado por Bitcoin y anteriormente por el mismo
Ethereum, en el que se necesita un elevado costo
computacional (y por ende energético) para validar
los bloques mediante minado. Por esta razón,
Ethereum suele caracterizarse hoy como una
blockchain verde (Ethereum Energy Consumption
| ethereum.org. (n.d.)).
18
2.2.3 Polygon.
Polygon (Polygon Wiki, n.d.) (Polygon MATIC
Whitepapers - Whitepaper.Io, n.d.) es una
blockchain que funciona a partir de un consenso
del tipo PoS, tiene su propia criptomoneda
denominada MATIC, es compatible con la EVM,
y también permite desplegar contratos escritos
en Solidity. Se origina como una solución a
problemas de escalabilidad que tiene la red de
Ethereum, logrando transacciones de forma más
rápida (pudiendo llegar a 10,000 transacciones
por segundo, comparado a 30 por segundo que
soporta Ethereum) y económica. Es una solución
de tipo sidechain (Back et al., 2014), ya que es una
blockchain alternativa a una blockchain padre (en
este caso, ésta es Ethereum), que funciona a la par
de ella. Además, estas dos blockchains pueden
interactuar entre sí a través de contratos inteligentes,
permitiendo la transferencia de activos entre ellas
a través de una solución denominada bridge
(Introduction to Blockchain Bridges | Ethereum.Org,
n.d.). Un punto desaante para Polygon, al mejorar
la escalabilidad de las transacciones, son aquellos
relacionados con seguridad, en comparación
con dichos aspectos en Ethereum. Esta situación
se conoce en la comunidad como el trilema de
blockchain (Had et al., 2020).
2.2.4 Algorand.
Algorand (Chen & Micali, 2017) es una blockchain
que funciona a través de su propia máquina virtual,
denominada Algorand Virtual Machine (AVM),
tiene su propio lenguaje de código denominado
TEAL y su propia criptomoneda denominada
ALGO. Se caracteriza por su bajo costo en las
transacciones, por poder proveer un alto valor de
6,000 transacciones por segundo, y por abordar
el trilema de blockchain mediante una blockchain
altamente segura, escalable y descentralizada, a
través del algoritmo de consenso Pure Proof of
Stake (PPoS). Algorand también cumple con ser
una blockchain carbono-negativa (Sustainable
Blockchain: Estimating the Carbon Footprint of
Algorand’s Pure Proof-of-Stake | Algorand, n.d.). Su
propia máquina virtual (AVM) no es compatible con
la EVM. Sin embargo, existe un nuevo protocolo
para Algorand que permite desplegar contratos
especicados en Solidity, dado por la Fundación
Milkomeda (Milkomeda | Algorand Bridge, n.d.),
permitiendo al ecosistema de desarrolladores de
Solidity poder realizar despliegues en Algorand con
mayor facilidad (y manteniendo un único lenguaje).
2.2.5 Trazabilidad de cadenas de suministro con blockchain.
La representación de activos mediante documentos
equivalentes que puedan dar fe de un activo y de
las operaciones (o cambios de estado) realizadas
sobre el mismo, se puede implementar mediante
la emisión de certicados o títulos que contengan
características de seguridad para su portador (por
ejemplo, el tipo de papel, la tinta, sellos especiales,
marca de agua y una entidad emisora con buena
reputación que los emita, entre otros). Con el
advenimiento de las tecnologías informáticas, es
posible contar con una representación digital del
activo del que se desea dar fe, y registrar su historial
en una base de datos. No obstante, uno de los
desafíos de este enfoque digital es que se sigue
dependiendo de una entidad central que actúe
como intermediario entre las partes. Este escenario
es entonces atractivo para una implementación
basada en blockchain, a n de conferir al proceso
de trazabilidad las propiedades mencionadas
en las secciones anteriores, y particularmente
descentralización e inmutabilidad.
Para tratar los activos sobre los cuales se desea
realizar trazabilidad, es necesario contar con una
representación conceptual de los mismos, y de sus
atributos y relaciones. Un modelo de representación
para esto es la noción de Traceable Resource Unit
(TRU) (Product identication and traceability, 2018).
Por ejemplo, un lote de H2V en estado gaseoso
puede verse como un TRU particular generado por
un productor determinado, y cuando este lote se
mueve en la cadena de valor, y se transforma a un
estado líquido, puede modelarse un nuevo TRU
y vincularlo con el anterior mediante operaciones
de cambio de estado. La estrategia básica
para implementar trazabilidad sobre blockchain
19
consiste en denir los TRUs adecuados para el
problema, y resguardar sus estados y transiciones
mediante una blockchain. Las transacciones
válidas a implementar sobre los TRUs (por ejemplo,
su creación y evolución en el tiempo) se deben
codicar mediante contratos inteligentes. De esta
manera, se elimina la necesidad de contar con un
ente centralizado, y se incrementa la transparencia
y auditoria de las etapas de generación,
almacenamiento y transporte del H2V, entre otras.
Un aspecto novedoso de utilizar una blockchain
basada en TRUs de H2V es la posibilidad
convertirlos en tokens, y ampliar así las operatorias
y aplicaciones.
2.2.6 Tokenización.
La tokenización es el proceso de reemplazar datos
condenciales con símbolos de identicación
únicos, llamados tokens, que retienen toda
la información esencial sobre los datos sin
comprometer su seguridad. Esto permite
aprovechar la transparencia y seguridad de una
blockchain para dar valor agregado a un activo
físico, a partir de la obtención de representación
digital de éste. En esta metodología se crean
tokens a partir de contratos inteligentes y el activo
sico existe como colateral de ellos.
Se puede tomar como ejemplo la tokenización de
bonos de carbono (Tokenization of Carbon Credits
| A Deep Dive, n.d.). Varios estudios han examinado
su potencial impacto en el mercado. Un ejemplo
de aplicación es Agrotoken, (Agrotoken | La Cripto
Revolución Del Campo, n.d.), que se encarga de la
tokenización de granos para agregar conabilidad
y transparencia a commodities agrarios.
En el caso de blockchains compatibles con la
EVM, se utiliza el standard ERC-20, que sirve para
denir un standard común para denir tokens
indistinguibles entre sí (también denominados
tokens fungibles). La implementación debe
contener un conjunto de funciones que realicen
determinadas acciones como de lectura de
información, el número total de tokens creados, el
balance de una cuenta, y operaciones relacionadas
a transacciones de tokens entre cuentas.
En esta sección introducimos una implementación
prototipo de un contrato inteligente, que abarca
los conceptos de trazabilidad y tokenización de
H2V, y que pretende mostrar las potencialidades
del enfoque, enfatizando las propiedades de
inmutabilidad, descentralización y transparencia
que provee la tecnología. Concretamente, se
realizó una implementación en Solidity, que fue
desplegada en las redes Polygon y Algorand.
También se hizo un análisis de los costos de las
diversas transacciones involucradas en estas
blockchains y en Ethereum mainnet.
3. APLICACIÓN
El desarrollo está especicado en un contrato
inteligente en Solidity, donde el código es de acceso
abierto y está disponible en Github (HidrogenoVerde
· GitHub, n.d.).
Este enfoque sobre blockchain es utilizado en la
actualidad, y provee soluciones a escenarios en
cadenas de suministro. Un ejemplo para aplicación
en cadenas de suministro está dado por Amazon
Web Services (Blockchain for Supply Chain: Track
and Trace, n.d.).
3.1 Especicación del contrato inteligente para trazabilidad de H2V
Para detallar los atributos y respectivos cambios
de un lote de hidrógeno se denió una estructura
de TRUs para tres posibles roles de una cadena de
valor de H2V. Cada vez que el productor elabora
un lote del activo, debe crear una instancia de esta
estructura utilizando el contrato inteligente provisto.
Cada TRU se almacena en una lista denominada
«allTRU» que es de carácter público y funciona
en una modalidad denominada append-only
(sólo pueden agregarse datos, pero no pueden
modicarse ni borrarse).
20
Los datos básicos que contiene un TRU son los
siguientes:
- id: identicador de un lote de hidrógeno;
es único.
- owner: lista append-only que contiene los
sucesivos propietarios del activo.
- holder: lista append-only que guarda los
sucesivos portadores del activo.
- hydrogenType: color del H2 producido,
que puede ser de los tipos verde, amarillo o
rosa.
- assetState: especica si el lote contiene
Hidrógeno (H2) o Amoníaco (NH3).
- quantity: masa total de H2 que contiene el
lote.
Para un primer diseño, se identicaron los
siguientes actores de la cadena:
- Productor: encargado de generar los
lotes de H2.
- Transportista: encargado de transportar
el activo hacia donde se ubica el consumidor.
- Consumidor: último eslabón de la
cadena, que recibe el producto de parte del
transportista, luego de haber comprado el
activo, y puede utilizarlo.
Cada uno de estos actores puede interactuar con
el contrato inteligente a través de una address
que le es asignada al momento del despliegue
del contrato en una blockchain. Para realizar una
interacción, un actor debe invocar una función
del contrato inteligente con la nalidad de leer o
escribir datos en la blockchain. Las funciones que
posee el contrato inteligente son las siguientes:
- createTRU: utilizable por el productor.
Se crea un nuevo TRU y se añade a la lista
«allTRU». El H2 debe ser de un tipo válido.
Puede estar en estado puro (H2) o como
Amoníaco (NH3).
- soldTRU: utilizable por el productor. Se
ejecuta al realizar una venta del lote con
índice «lid» en la lista «allTRU» al consumidor.
Se asienta que el propietario del lote es el
consumidor.
- sendTRUtransporter: utilizable por el
productor. Se asienta que el lote de H2 que
tiene el índice «id» en la lista «allTRU» se
entrega al transportista. Para que la función
se ejecute, se debe haber realizado la venta
del lote de H2 «id» a un consumidor y éste
debe estar en manos del productor.
- sendTRUconsumer: utilizable por el
transportista. Se ejecuta al entregar el lote al
consumidor nal, y asienta que el lote ‘id’ está
en manos de éste. En caso de ser H2V, se
crea una cantidad de tokens proporcional a
la masa total de H2 en el lote y se transeren
al consumidor.
- utilizeHydrogen: utilizable por el
consumidor. Se asienta que el lote de H2
«id» ha sido consumido.
Todos los tokens asociados al lote de H2 «id»
se eliminan, ya que el respaldo asociado deja de
existir.
- getTRUowner: indica quién es el
propietario del lote de H2 con índice «id».
- getTRUholder: indica quién posee
físicamente el lote de H2 «id».
- getTRUquantity: indica la cantidad de
TRU creados.
Para la implementación de tokens fungibles se
utilizaron las especicaciones del standard ERC-20
dadas por OpenZeppelin (GitHub - OpenZeppelin/
Openzeppelin-Contracts: OpenZeppelin
Contracts Is a Library for Secure Smart Contract
Development., n.d.).
21
Para realizar el despliegue del contrato inteligente es
necesario denir una blockchain. Para este trabajo,
se realizó una comparación de tres blockchains
que funcionan con EVM y soportan el despliegue
de contratos en Solidity. En particular, se eligieron
las redes Ethereum, Polygon y Algorand.
Como se mencionó anteriormente, al momento
de realizar las transacciones en una blockchain,
se debe tener en cuenta el costo computacional
(gas) necesario para cada operación, ya que éste
es proporcional a lo que se pagará por asentar la
transacción en la cadena de bloques. Por lo tanto,
3.2 Despliegue en blockchain
En este caso de estudio, se realizaron despliegues
en una red de prueba de Ethereum, Goerli (Goerli
Testnet, n.d.) Polygon (Contract Address 0x19f-
5b63aadf503d7d0641d9c1b3fbb5fdca19567
| PolygonScan, n.d.) Haga clic o pulse aquí para
escribir texto. y Algorand (Contract 0x1a005Ff-
18D210E788d1C960142d2f2f8B435e80a - A1
Explorer, n.d.). No se realizó un despliegue en la
red de producción de Ethereum (mainnet) debido al
alto costo de despliegue del contrato, comparado
con Polygon y Algorand.
de Algorand, también utilizamos la plataforma
Chainlist (Chainlist, n.d.) para agregar la red de
Milkomeda a Metamask.
Dado que el precio de las criptomonedas puede ser
de alta volatilidad, el costo de realizar transacciones
puede ser variable a lo largo del tiempo. Este es un
aspecto importante para considerar a la hora de
implementar un sistema de trazabilidad para H2V
que involucre más roles, y mayor cantidad de TRUs
y transacciones.
Para el despliegue del contrato inteligente utilizamos
las herramientas Remix (Remix - Ethereum IDE,
n.d.) y Metamask (The Crypto Wallet for De, Web3
Dapps and NFTs | MetaMask, n.d.). Para Para el
despliegue del contrato inteligente utilizamos las
herramientas Remix (Remix - Ethereum IDE, n.d.)
y Metamask (The Crypto Wallet for De, Web3
Dapps and NFTs | MetaMask, n.d.). Para el caso
es una buena práctica estimar gastos de manera
anticipada, y desplegar en redes de prueba para
simular las diferentes transacciones sin costos
asociados. En este trabajo, se desplegaron y
calcularon los gastos de despliegue del contrato
inteligente y demás transacciones relacionadas con
la escritura en la base de datos, que corresponden
al mes de marzo del año 2023 y se obtuvieron
utilizando la expresión (1). Se tuvo en cuenta que
el costo de despliegue es de 3,553,000 gas y el de
las demás transacciones es de entre 20,000 gas
y 200,000 gas. Los resultados se resumen en la
Tabla 1.
Blockchain
Ethereum
1,561.98 USD
0.195415 Ether
(305.23 USD)
0.00275 - 0.011
Ether (17.18 - 4.29 USD)
Polygon
Algorand
Precio de la
criptomoneda
Costo del despliegue
Costo de demás
transacciones
Costo por unidad
de gas
55x10 Ether
-9
1.14 USD
0.21 USD
0.41467 MATIC
($0.47 USD)
0.21318 ALGO
(0.045 USD)
0.0012 - 0.012
ALGO (0.00025 - 0.0025 USD)
0.00275 - 0.011
Ether (17.18 - 4.29 USD)
116.71x10 MATIC
-9
60x10
ALGO
-9
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 1. Costo de transacciones en diferentes blockchain en marzo de 2023.
22
Con respecto a las tecnologías analizadas en
este trabajo, Ethereum es una blockchain que ha
logrado reducir sustancialmente la energía utilizada
para su funcionamiento. En el año 2022 migró del
sistema de consenso PoW a PoS (en un evento
llamado “The Merge”), lo cual ha sido fundamental
para logrr que la huella de carbono de la red se
reduzca aproximadamente un 99,992% . Esto
se debe a que se utiliza ETH en lugar de energía
para proteger la red. Por ejemplo, si se compara el
consumo en TWh/año con Bitcoin, este último es
50,000 veces mayor.
Por el lado de Polygon, la red fue beneciada por
el “Merge” de Ethereum, ya que debido a esto ha
dejado de emitir 60,000 toneladas de carbono
anualmente (The Merge to Erase 60,000 Tonnes
of Polygon’s Carbon Footprint, n.d.), es decir, un
99.91% del total.
En cuanto a Algorand, se considera una blockchain
3.3 Sustentabilidad de las blockchains utilizadas
eciente energéticamente debido a su sistema de
consenso PPoS y carbono negativo (Algorand
Pledges to Be the Greenest Blockchain With a
Carbon-Negative Network Now and in the Future,
n.d.). En cuanto a resultados cuantitativos, un
estudio reciente ha estimado emisiones de
8⋅10^(-6) kWh por cada transacción (Sustainable
Blockchain: Estimating the Carbon Footprint of
Algorand’s Pure Proof-of-Stake, n.d.).
Existe un estudio comparativo del consumo de
las blockchain mencionadas, dado por CCRI
(Crypto Carbon Ratings Institute) (CCRI Indices,
n.d.), y realizado por un grupo de investigación
independiente centrado en la auditoría de carbono
de proyectos blockchain. Los datos del estudio se
resumen en la Tabla 2, donde se puede apreciar
que Polygon y Algorand se ubican dentro de las
blockchains más ecológicas de la actualidad,
por lo cual son elecciones acertadas al utilizar la
tecnología blockchain.
En el presente trabajo se abordaron escenarios
relacionados a la cadena de valor del H2V, y en
particular, cómo dar soporte a su trazabilidad
a lo largo de la cadena mediante tecnologías
blockchain. Por un lado, dado que blockchain se
ha aplicado para la trazabilidad de cadenas de
suministro, es factible de aplicar en el dominio
de H2V. Más allá de las propiedades asociadas a
los diseños basados en blockchain, su uso para
H2V abre nuevas posibilidades de aplicaciones,
típicamente en relación a tokenización.
A n de materializar nuestra visión, desarrollamos
una implementación prototipo de un contrato
inteligente con tres roles de una cadena
simplicada de H2V. Para esto, modelamos ciertos
activos digitales y sus operaciones bajo la forma de
TRUs. Adicionalmente, exploramos un esquema
de tokenización. Desplegamos este contrato en
Polygon y Algorand, y se realizaron estimaciones
de costos y posteriores pagos de gas para dichos
sistemas.
4. CONCLUSIONES
Blockchain
Ethereum
Polygon
Algorand
7,237,177 kWh
N/A
441,371 kWh
2,508 t
45 t
202 t
Consumo eléctrico
anualizado
Emisiones de
CO2 anualizadas
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2. Costo energético y emisiones de las blockchain utilizadas
23
Asimismo, durante el trabajo identicamos ciertas
particularidades de la cadena de H2V, como son
cuestiones relacionadas con garantía de origen,
certicados verdes, y contratos nancieros,
que plantean desafíos a la hora de modelarlos e
incorporarlos en un sistema de blockchain.
A futuro, se espera escalar el modelo y prototipo
actuales con sus análisis correspondientes,
contemplando mayor información y realizando
extensiones al contrato inteligente. Se planica
también evaluar un despliegue a mayor escala, y
una comparativa contra Ethereum, para contar con
datos más realistas de los escenarios, que puedan
apoyar la toma de decisiones sobre blockchain e
H2V en el contexto de Argentina.
Agradecemos a Daniel Barraco, Hugo Durantini Luca, y Carlos Alberto Peña Montenegro, por discusiones
durante este trabajo. Este proyecto ha sido parcialmente nanciado por CONICET (Argentina) y Amazon
Web Services a través del programa Innova CONICET–AWS: Investigación impulsada por la nube y el
programa “AWS Cloud Credit for Research”.
5. AGRADECIMIENTOS
24
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