El hidrógeno y las baterías en el ferrocarril

El cambio climático y las iniciativas europeas para la descarbonización han impulsado el desarrollo de estas tecnologías en el ferrocarril.


(Última actualización: 19/01/2022)

Iniciativas para la descarbonización

El Acuerdo de París, adoptado en 2015 por las partes de la Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climático, y ratificado por España en 2017 establece como límite del calentamiento global: “mantener el aumento de la temperatura media mundial por debajo de los 2°C con respecto a los niveles preindustriales, y proseguir los esfuerzos para limitar ese aumento de la temperatura a 1,5°C con respecto a los niveles preindustriales”.
Para dar cumplimiento a estos y otros compromisos en el seno de la Unión, la Comisión Europea propuso a finales de 2016 el paquete de medidas “Energía Limpia para Todos los Europeos”.

Desde 2021 la normativa europea prevé lograr la neutralidad climática (huella cero de carbono) en la Unión en 2050 con una reducción del 90% de las emisiones del transporte de aquí a 2050. La iniciativa española Estrategia de descarbonización a largo plazo 2050 y el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima (PNIEC 2021-2030) prevén alcanzar una cuota del 28% de energía renovable en el transporte-movilidad en 2030 así como una reducción de las emisiones de más de un 30% en esa misma década. En la Estrategia Nacional de Largo Plazo (España 2050) se recomienda utilizar trenes «híbridos (duales)» con hidrógeno renovable para los tramos no electrificados, y prohibir los vuelos en aquellos trayectos que puedan realizarse en tren en menos de 2,5 horas.
El sector del transporte-movilidad aportó el 26% de las emisiones en España en 2017. Con la reducción de 27 Mt CO2 equivalente (entre 2020 y 2030), se conseguiría una reducción del 33%.

Escenario tendencial
Escenario objetivo

El diésel tiene los días contados, y los grandes operadores ferroviarios (DB, Renfe, SNCF y Trenitalia), apoyados por sus respectivos gobiernos, ya han pactado la eliminación del gasóleo de sus flotas en 2035 (Inglaterra y Gales en 2040).
La estrategia de descarbonización de Network Rail para 2040 (en Escocia será 5 años antes) fue aprobada en 06/2019 y consiste en electrificar 13.000 km de vía (no de línea), trenes de hidrógeno en 1.300 km, y con batería en 800 km. Quedan 300 km sin opción clara.

Electrificar un km de vía única supone una inversión de unos 600.000 € en España, y su mantenimiento cuesta aproximadamente 3.000 € al año por km, que se compensa con un determinado tráfico. En 2019 se anunció un plan para electrificar 1.300 km de línea por 900 M €, que incluye Salamanca-Fuentes de Oñoro, Redondela-Arcade, Monforte de Lemos-Lugo, Sagunto-Zaragoza, Bobadilla-Algeciras, Mérida-Puertollano, Ferrol-Coruña, Granada-Almería, Alicante-San Isidro, El Reguerón-Cartagena y Valencia-Buñol-Utiel. Excepto esta última (por ser continuación de una línea de Cercanías) el resto se alimentará a 25 kV CA.

Tecnologías alternativas

Actualmente, y dentro de los vehículos ferroviarios con alimentación alternativa (XMU), se encuentran los que tienen pila de combustible de hidrógeno (H2), y los que emplean baterías. Estos últimos tienen una potencia más limitada -por el peso de las baterías- y se emplean para recorrer tramos cortos no electrificados, mientras que los de hidrógeno están sustituyendo a los trenes diésel actuales. También existen locomotoras y trenes eléctricos con «batería para última milla» que, en el primer caso sirve para entrar en puertos y derivaciones no electrificadas, y en el segundo para acceder al taller (como los 26 EMU adjudicados a CAF para RAM). Otro posible uso de las baterías es evitar la contaminación (sonora y de micropartículas) de los trenes diésel en el tránsito urbano, e incluso permitir llegar a la siguiente estación (o salir de un túnel) cuando hay falta de tensión, como ocurre en los Shinkansen N700S.
Hitachi dice que los trenes de baterías son más baratos que los de hidrógeno.

Muchos nombres nuevos, y muy confusos

Hasta hace poco, y dentro de la categoría de material autopropulsado, solo estaban los DMU (Diesel Multiple Unit), los EMU (eléctricos) y, desde 2005, los bimodales o duales (motor eléctrico para circular bajo catenaria, y otro diésel para líneas no electrificadas). Estos últimos se denominan BMU (Bi-mode Multiple Unit) e incluso EDMU (Electro-Diesel Multiple Unit), aunque muchas veces se emplea el término “híbrido”, pero para ello debería combinar un motor de combustión interna y otro eléctrico, mientras que en los BMU dichos motores se emplean de forma separada.
Los trenes alimentados por H2 o baterías son conocidos como Unidades Múltiples Alimentadas Alternativamente (XMU), los de hidrógeno se conocen como HMU o Hydrail, y los de baterías como BEMU (Battery Electric Multiple Unit). También son llamados trenes duales, aunque se presta a equívoco porque así se denominan los que pueden usar o tracción eléctrica o bien un motor de combustión interna (BMU). Las locomotoras duales suelen tener este último sistema, aunque comienzan a fabricarse con pilas de hidrógeno o baterías de apoyo, sobre todo para maniobras. Por el contrario, las locomotoras diésel-eléctricas tienen motores diésel y transmisión eléctrica (en lugar de mecánica o hidráulica), lo que también genera confusión.

Tipos de hidrógeno

La energía producida por hidrógeno (verde en su punto de consumo) se puede denominar, en función de su origen: hidrógeno negro (por quemar carbón), gris (gas natural con reformado por vapor), azul (gas con captura de carbono) o verde (energías renovables), dependiendo de la energía primaria empleada para cargar el depósito. Puesto que el rendimiento es muy inferior al de la energía primaria (aunque similar al de un motor diésel), sus detractores prefieren no almacenar dicha capacidad eléctrica sino emplearla directamente.

Eficiencia del ciclo del hidrógeno

Pero el propósito es utilizar energía verde allí donde no se puede obtener directamente; por ejemplo: en un tren que circula por una línea no electrificada.
Además, se puede producir como hace el electrolizador de hidrógeno de Fuckushima, que produce H2 verde porque utiliza energía renovable excedente (en periodos de bajo consumo) de las plantas de energía solar y eólica para impulsar un proceso llamado electrólisis cloroalcalino.
El uso de hidrógeno producido a partir de gas natural para propulsar vehículos ferroviarios, en lugar de diésel, reduce las emisiones de CO2 en aproximadamente un 40% y genera costos de combustible muy similares. En 2017 el hidrógeno verde costaba casi el doble del diésel, pero ofrece cero emisiones, lo que permite que un solo tren Coradia iLint ahorre 700 t de emisiones de CO2 al año.
También se puede obtener H2 (sobre todo para uso industrial) mediante reformado de vapor, y de otros combustibles que lo tengan en su molécula, tales como el metano, metanol, etanol, gasolina o diésel. Estos procesos son mucho menos costosos económicamente.

Estaciones de reabastecimiento y electrolizadores

En 2017 LNVG (Transporte Público de Baja Sajonia), Alstom y Linde Group firmaron la entrega de 14 iLint, con 30 años de mantenimiento y abastecimiento de hidrógeno. Alstom mantendrá estos trenes en el depósito de Bremervörde que, a principios de 2022, contará con la primera instalación de reabastecimiento de trenes de hidrógeno del mundo, que será construida y operada por Linde Group por 10 M €, con una subvención del gobierno federal de 8,4. En una etapa posterior, el hidrógeno verde se producirá mediante electrólisis in situ, impulsada por la producción eléctrica de aerogeneradores.
En 12/2021 DB y la francesa Lhyfe firmaron un acuerdo para construir y operar un electrolizador en Tübingen para respaldar las pruebas de Siemens (con un Mireo Plus H, ver más abajo) en 2024 gracias al proyecto H2goesRail. El electrolizador Green Hydrogen Systems tendrá una capacidad de producción anual de alrededor de 30 toneladas, estará alimentado exclusivamente por electricidad procedente de energías renovables eólica, solar e hidroeléctrica (lo que no sé es si usará el excedente de producción, tal y como hacen otras), y lo suministrará sin transporte por carretera.

Un electrolizador requiere una fuente de alimentación de 15 MW para producir los 280 kg de hidrógeno verde por hora necesarios para 300 autobuses o 30 trenes.

En enero de 2017 había 274 estaciones de reabastecimiento en todo el mundo: 106 en Europa, 101 en Asia y 64 en Norteamérica. Solo Linde Group había instalado (hasta 06/2020) más de 180 estaciones de servicio de hidrógeno (Hydrogen Refueling Station, HRS) y 80 plantas de electrólisis en todo el mundo.

Funcionamiento de la pila de combustible

El proceso comienza con la obtención de hidrógeno (H2), generalmente suministrando electricidad a un electrolizador para conseguir la electrólisis del agua en un medio alcalino (una solución acuosa de NaOH o de KOH), formándose hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo; sus residuos son oxígeno (O2) y calor.
El hidrógeno obtenido (un gas combustible, altamente inflamable, no tóxico, incoloro, inodoro e insípido) se comprime y se almacena en un depósito o se transporta mediante tuberías hasta su punto de consumo.
En el tren se encuentra la pila de combustible (también llamada celda de combustible o fuel cell en inglés), donde se invierte el proceso. Se trata de un dispositivo electroquímico en el cual un flujo continuo de reductor-combustible (en este caso hidrógeno) en el ánodo, y oxidante (oxígeno del aire) en el cátodo sufren una reacción química controlada (reducción-oxidación) que suministra corriente eléctrica a un circuito externo. No tiene piezas en movimiento, por lo que es muy silenciosa. Se alimenta del hidrógeno del depósito y del aire ambiental, y sus únicos residuos son vapor de agua y calor.

Lo primero es la electrólisis del agua para conseguir hidrógeno. Entra electricidad y agua, y sale hidrógeno (por el cátodo) y oxígeno:

Electrólisis del agua

Y, en la pila de combustible, entra hidrógeno (hacia el ánodo) y aire, y sale electricidad y vapor de agua:

Reducción-oxidación en la pila de combustible
Vídeo de Talgo con el proceso del H2

Los trenes de H2 se complementan con unas baterías que se cargan mediante la celda de combustible y, durante la frenada, gracias al freno regenerativo. Sirven para almacenar la energía no utilizada y para aumentar la potencia según la velocidad y la aceleración.

Historia reciente

En 2006 East Japan Railway Company presentó el primer tren híbrido de hidrógeno del mundo, propulsado por dos pilas de combustible (95 kW en total) y un motor diésel de 330 kW.
La primera locomotora híbrida impulsada por hidrógeno (2010) fue una diésel de maniobras desarrollada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EEUU, la empresa de transporte ferroviario BNSF y Vehicle Projects Inc, que utilizaba una celda de combustible de 240 kW proporcionada por Ballard (Canadá).
Otro vehículo pionero de hydrail ligero fue un Fabiolo (H2-3400), propulsado por dos pilas de combustible (24 kW en total) y baterías de ión-litio (95 kW), y presentado por FEVE en 2011 para realizar pruebas en Asturias a un máximo de 20 km/h y con una autonomía de 100 km gracias a las 12 botellas de H2 con 105,6 m3 de gas.

Fabiolo, fotografía Omar Álvarez

Los primeros tranvías propulsados ​​por hidrógeno (200 kW) comenzaron a operar en Qingdao (China), en 2015.
CRRC Datong Electric Locomotive tiene en servicio una locomotora híbrida de H2 con nada menos que 700 kW, que puede llevar (a 80 km/h) un tren de 5.000 t durante 24,5 horas, aunque no sabemos qué porcentaje proviene del hidrógeno y cuánto de los motores diésel.
El prototipo de tractor de maniobras de Pesa Bydgoszcz (Polonia) está preparado para circular bajo catenaria (720 kW), con batería (167 kW) y con pilas de hidrógeno (170 kW), y estará en servicio en 2025 o 2026.

Coradia iLint de Alstom

Los länder de Baja Sajonia, Renania del Norte-Westfalia, Hesse y Baden-Wurtemberg firmaron contratos con Alstom para un total de 50 unidades de hydrail en 2014, lo que dio lugar a la producción del Coradia iLint.

Coradia iLint de Alstom

El Coradia iLint de Alstom es el primer tren de H2 que presta servicio comercial. Tiene 6 celdas de combustible con una potencia total de 221 kW más otros 225 de las baterías. Los 178 kg de H2 a 350 bares se cargan en 15 minutos y se almacenan en unos tanques de polímeros; el consumo es de 0,3 kg por km: casi 600 km de autonomía. Pesa 107 toneladas (7 más que su equivalente diésel), para un total de 150 viajeros y 18 bicicletas, y su velocidad máxima es de 140 km/h.
Desde 2001 a 2017 las pilas de combustible son mucho más compactas debido a que su densidad energética se ha quintuplicado (de 86 a 458 W/kg). En 2001 la pila de combustible de Hydrogenics para 25 kW pesaba 290 kg, y tenía una eficiencia de entre el 38 y el 45%; sin embargo, en 2017 pesaba 72 kg y su eficiencia estaba entre el 48 y el 55%.

Infografía del Coradia iLint

El Coradia iLint fue presentado en InnoTrans 2016 y comenzó las pruebas en 03/2017.
Entre el 17/09/2018 y febrero de 2020 Alstom probó dos unidades en Elbe-Weser (Baja Sajonia), con horarios regulares y viajeros.
En marzo de 2020 realizó las pruebas en la provincia de Groninga (Países Bajos) cumpliendo los mismos tiempos que los trenes diésel existentes.
El 11/09/2020 fue homologado para el servicio comercial en Austria.
En 08/2021 comenzó las pruebas en Suecia.
El 06/09/2021 inició sus primeras pruebas en Francia, en el Centro de pruebas ferroviarias de Valenciennes.

Contratos

En 2017 Elbe-Weser, EVB (Baja Sajonia) compró 14 iLint, con mantenimiento y combustible durante 30 años, a 5,79 M € cada uno, para finales de 2022.
En 2019 Baden-Württemberg compró 18 Coradia iLint, a 4,44 M € cada uno.
En 2019 Fahma, RMV (Frankfurt Rin-Meno), encargó 27 trenes iLint con mantenimiento y combustible durante 25 años, a 18,52 M € cada uno, a partir de 2022.
En 2020 FNM (Ferrovie Nord Milano) compró 6 Coradia Stream (y otros 8 más), a 26,67 M € cada uno, para 2024.
En 04/2021 SNCF Voyageurs, en nombre de 4 regiones, realizó el primer pedido francés, consistente en 12 Coradia iLint, a 15,83 M € cada uno, con opción para 2 más.
En 05/2021 Brandeburgo anunció que comprará 6 trenes (seguramente Mireo Plus H de Siemens, con una autonomía de 800 km) para 01/2024 que, junto con la planta de producción de hidrógeno y una estación de servicio, supondrá una inversión de 100 M €.
En 12/2021 el ROSCO Eversholt Rail ha comprado 10 trenes para alquilar en Inglaterra y Escocia.

Siemens Mireo Plus H

Hay un total de 101 trenes -al menos- vendidos en Europa hasta el 13/12/2021.

Futuros trenes de hidrógeno en España

El 11/06/2020 se realizaron pruebas en el túnel de ensayos que la Fundación Barredo, dependiente del Principado, tiene en Anes (Siero), sobre el uso de hidrógeno como combustible de trenes, simulando fugas dentro de un espacio confinado como es el túnel.

Renfe

En abril de 2021 Renfe paralizó las licitaciones para los 43 MD y 29 Cercanías (55 de ellos bimodales, 26 para MD y los 29 para Cercanías) para que incluyeran hidrógeno en lugar de diésel. El 26/07/2021 se volvieron a licitar, pero únicamente los EMU solo bitensión (aunque muchos más que en la primera), y dejando para otra licitación los bitensión (3 kV CC y 25 kV CA, así que podrán circular por todas las líneas, inicialmente en ancho ibérico) con alimentación alternativa (XMU), seguramente a la espera de tecnología española. En los medios se comentó que la licitación de los (inicialmente) 26 (+20) trenes de MD y 29 (+9) de Cercanías sería en septiembre de 2021.

CAF

Fuel Cell and Hydrogen (FCH JU, la agencia de la Comisión Europea dedicada a impulsar el desarrollo del hidrógeno), seleccionó en 11/2020 al consorcio FCH2RAIL (Fuel Cell Hybrid Power Pack for Rail Applications) liderado por CAF, y en el que también participan Adif, CNH2 (Centro Nacional de Hidrógeno), DLR (el Centro Aeroespacial Alemán), Infraestructuras de Portugal, Renfe, Stemmann Technik y Toyota Motor Europe (fabricante de las 6 pilas de combustible), para crear un tren propulsado por pila de hidrógeno y con baterías LTO (titanato de litio). Tendrá un plazo de 4 años para hacer la investigación, el desarrollo y la creación de un prototipo. Para ello está transformando el Civia CAF Investigación en Zaragoza (desde 11/2021) para comenzar las pruebas en la línea de Canfranc en 07/2022.

Civia CAF Investigación

Por otra parte, en 2021 CAF compró la plataforma Bombardier Talent 3, que podría incluir su versión a baterías (ver el último bloque).

Talgo

En 2022 va a formar el tren TPH2 con la TRAV-CA, el remolque de pruebas con la pila de hidrógeno, y 5 remolques. Las pruebas serán en Extremadura y Portugal dentro del Proyecto SOI H2 (Sur Oeste Ibérico, Eurorregión AlEx: Alentejo y Extremadura) con el apoyo directo de Lloabre, Adral y Fundecyt-PCTEX (Junta de Extremadura). Repsol se encargará de crear la red de suministro necesaria para abastecer una estación hidrogenera (Hydrogen Refueling Station, HRS) de recarga.

Tren TPH2

El VitTal One (One, por ser el número del hidrógeno en la tabla periódica) llegará en 2023 después de finalizadas las pruebas, tendrá una velocidad máxima de 220 km/h en modo eléctrico y de 140 km/h en modo hidrógeno.

VitTal One

En cuanto a la distribución del hidrógeno, en 2022 Petronor y Nortegas construirán el primer hidroducto en España (a solo 32 bares). Tendrá 1.860 m entre un electrolizador (en colaboración con la empresa de ingeniería Sener, y que estará alimentado por aerogeneradores) y el Parque Tecnológico de Abanto, sede del Energy Intelligence Center (EIC). Nortegas aprovechará para realizar pruebas para transportar hidrógeno mediante tuberías de gas natural.
Talgo también forma parte de SHYNE (Spanish Hydrogen Network), junto con Repsol y otras muchas empresas, que pretende alcanzar una capacidad instalada de 500 MW en 2025 y de 2 GW en 2030, lo que supone la mitad del objetivo marcado en la Hoja de Ruta del Hidrógeno publicada por el Gobierno de España.

Trenes a baterías

Aparte de con hidrógeno, los trenes también pueden alimentarse exclusivamente con baterías (BEMU), cargadas en los tramos electrificados o durante el frenado del tren mediante freno regenerativo; aunque su peso y su baja energía específica limiten su autonomía y potencia.
Hitachi, que desde 2016 tiene la serie BEC819 (DENCHA, Dual ENergy CHArge train) circulando en Japón con una autonomía de 50 km, dice que los trenes de baterías son más baratos que los de hidrógeno.

Desde marzo de 2014 los trenes de batería para viajeros han estado en funcionamiento en Japón en varias líneas.
En 2015 un Clase 379 Electrostar de Bombardier comenzó las pruebas en la línea Mayflower en Essex (cerca de Londres), después de que se instalaron baterías eléctricas de litio. Tiene 97 km de autonomía.
En 2018 la austriaca ÖBB y Siemens presentaron el prototipo del Desiro ML Cityjet eco, que tiene una velocidad máxima de 120 km/h y una aceleración de 0,77 m/s2 con 528 kWh.
En 2018 Bombardier (ahora Alstom y CAF) presentó su prototipo del Talent 3 en Alemania.
En 2021 Bombardier (ahora Alstom) acordó con SNCF Voyageurs y 5 regiones francesas reformar 5 trenes AGC duales (hay 326 BMU) cambiando los motores diésel por baterías (BEMU) con una autonomía de 80 km.
El 07/09/2021 Alstom presentó «su» prototipo (en realidad es el Bombardier Talent 3, plataforma comprada por CAF) en Chemnitz (Alemania), desarrollado desde 2016 en la factoría de Hennigsdorf (exBombardier, ahora Alstom) por DB-Regio y la Universidad Técnica de Berlín, y anunció que entraría en pruebas el 24/01/2022 en Baden-Württemberg y en servicio comercial en Baviera (el 05/02/2022).

Prototipo Alstom (exBombardier Talent 3)

Contratos en Europa

Schleswig-Holstein (Alemania), adjudicó en 07/2019 a Stadler el suministro de 55 trenes Flirt Akku de dos coches y su mantenimiento durante 30 años, por 10,91 M € cada uno; en 2021 Renania-Palatinado, Sarre, y Baden-Wurtemberg compraron otros 44. Los primeros tienen 198 plazas y una autonomía de 150 km, mientras que los segundos solo tienen 80 km de autonomía, pero también tienen pantógrafo, así que son los más grandes hasta ahora: 325 plazas en 55 metros. Estos trenes, que aceleran mejor que los diésel, ya han realizado pruebas en Dinamarca.

Stadler Flirt Akku

En 2020 VMS y ZVNL (Leipzig-Chemnitz) contrataron 11 Alstom Coradia Continental por 9,09 M € cada uno con 10 años de mantenimiento, para 2023. El contrato para un total de 29 trenes se firmó en 2014. Tienen una velocidad máxima de 160 km/h y una autonomía de 120 km.

Alstom Coradia Continental

En 2021 Baden-Wurtemberg adjudicó 23 trenes Siemens Mireo Plus B para 2023, y Brandeburgo otros 31 para 12/2024 alquilados por Alpha Trains y financiados por el BEI. Tienen una velocidad máxima de 160 km/h, una aceleración de 1,1 ms2 y una autonomía de 90 km; además, no presentan problemas con las variaciones de temperatura en los Alpes.

Siemens Mireo Plus B

En 12/2021 Irish Rail compró 13 Alstom X’Trapolis BEMU de 5 coches para DART (Dublin Area Rapid Transit), con una autonomía de 80 km para poder extender el servicio de cercanías hasta Drogheda.

Alstom X’trapolis

Hay un total de 177 trenes -al menos- vendidos en Europa hasta el 13/12/2021.

Otro posible uso de las baterías es evitar la contaminación (sonora y de micropartículas) en el tránsito urbano, como por ejemplo un 802 class (Hitachi) de TransPenine Express, que ha sustituido uno de los tres motores diésel (700 kW) por baterías. Esperan un ahorro del 20% aunque hablan de una autonomía de solo unos 5 km, ya que -suponiendo una densidad energética de 140 Wh/kg- la sustitución de un motor diésel de 2.014 kg por baterías supondría 282 kWh que, con un consumo de 25 kWh/km, daría una autonomía teórica máxima de 11 km.

También permite a un muy pesado tren de alta velocidad (715 t) llegar a la siguiente estación (o salir de un túnel) cuando hay falta de tensión, como en los Shinkansen N700S.

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