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: 05/12/2022)

Iniciativas para la descarbonización del transporte

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”.
En 2019 fue aprobado el denominado Pacto Verde Europeo (Green Deal) con el objetivo de alcanzar la neutralidad climática (huella cero de carbono) en 2050 y al menos un 55 % de reducción de las emisiones netas para 2030. La Sustainable and Smart Mobility Strategy pretende duplicar el tráfico en alta velocidad y que el transporte colectivo para distancias inferiores a 500 km sea neutro en carbono en 2030. Desde 2021 la normativa europea prevé una reducción del 90% de las emisiones del transporte de aquí a 2050. En 07/2020 se publicó la Estrategia Europea del Hidrógeno con el objetivo de dibujar una hoja de ruta para su despliegue.
En 07/2022 la UE aprobó un proyecto de 5.400 M € financiado conjuntamente por Alemania, Francia, España y otros 12 países de la UE, para impulsar la competitividad y la economía del bloque. Denominado IPCEI Hy2Tech, el proyecto espera captar otros 8.800 M € en inversiones privadas de 35 empresas, y abarcará todas las fases del Hidrógeno.

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 del 33% (27 Mt de CO2) en ese mismo año (-23% sobre 1990), algo muy importante puesto que el sector del transporte-movilidad aportó el 26% de las emisiones en España en 2017. 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.

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.
La estrategia para quitar los trenes únicamente diésel 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 (Alpha Project), y con batería en 800 km. Quedan 300 km sin opción clara.
La estadounidense Amtrak anunció en 09/2022 su Estrategia de Cero Emisiones para 2045 consumiendo electricidad 100% libre de emisiones en 2030.

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 mínimo de 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.

La Hoja de ruta del hidrógeno (07/2020) anuncia dos líneas de trenes comerciales propulsadas con hidrógeno renovable en 2030.

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 o fallos en el suministro (como los 32 EMU adjudicados a CAF para RAM y los 211 para Cercanías). 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, alimentados mediante catenaria o tercer carril: no confundir con ancho mixto, tres hilos o tres carriles) y, desde 2005, los bimodales o duales (motor eléctrico para circular bajo catenaria, y otro diésel para líneas no electrificadas). Estos últimos también se denominan BMU (Bi-mode Multiple Unit) e incluso EDMU (Electro-Diesel Multiple Unit), aunque muchas veces (sobre todo inicialmente) se empleaba el término “híbrido”, que se presta a equívoco porque los BMU emplean los distintos motores (los eléctricos y los diésel) de forma alternativa: o unos u otros.
Los auténticos híbridos tienen motores (generalmente diésel, pero también pueden ser eléctricos alimentados por catenaria) y baterías (normalmente de iones de litio) para acumular la energía generada por el freno regenerativo (o KERS, en lugar del freno reostático, que convierte la energía en calor a través de las resistencias de frenado) y así reducir el consumo en torno al 20%. Si las baterías no solo sirven para ahorrar (híbridos), sino que son utilizadas frecuentemente (no solo para «última milla» en el caso de eléctricos, o paso por ciudad para los diésel) entiendo que hablamos de bimodales. En el caso de que -además de las baterías- tengan motores diésel y motores eléctricos alimentados por catenaria, son conocidos como trimodales. Estos últimos suelen ser trenes bimodales (o duales: motor eléctrico para circular bajo catenaria, y otro diésel para líneas no electrificadas) en los que se sustituyen algunos motores diésel por baterías para pasar por las ciudades.
Los trenes alimentados solo por baterías o por hidrógeno son conocidos como Unidades Múltiples Alimentadas Alternativamente (XMU); los de baterías se conocen como BEMU (Battery Electric Multiple Unit), y los de H2 como HEMU, HMU o Hydrail. A veces son llamados trenes duales, aunque se presta a equívoco porque así se denominan los BMU anteriormente mencionados que usan alternativamente tracción eléctrica o un motor de combustión interna. Las locomotoras duales suelen tener este último sistema (BMU), 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, son conocidos como DEMU desde los años cincuenta), aunque su nombre también genera confusión porque no tienen nada que ver con las híbridas ni con las duales.

En función de si incorporan o no fuentes de energía primaria (motores diésel o pilas de combustible de H2), elementos de almacenamiento de energía (baterías o supercondensadores), y elementos de tracción (motores eléctricos) se denominan así:

EMU (Electric Multiple Unit): catenaria
DMU (Diesel Multiple Unit): motores diésel
Diésel-eléctrico: motores diésel con transmisión eléctrica (lo usual en diésel)
Bimodal, Dual, BMU (Bi-mode Multiple Unit) o EDMU (Electro-Diesel MU): catenaria y diésel
Híbrido: catenaria y baterías para última milla, o diésel y baterías para paso por ciudad
Trimodal: Bimodal (catenaria y diésel) y baterías para el paso por ciudad
XMU (alternatively powered Multiple Units): solo baterías, o pilas de hidrógeno
BEMU (Battery Electric Multiple Unit): solo baterías, o catenaria y baterías (Dual)
HEMU, HMU o Hydrail: pilas de hidrógeno (también se conocen como celdas de combustible) y baterías de apoyo

Tipos de hidrógeno

La energía producida por hidrógeno (verde en su punto de consumo) se puede denominar, en función de su origen: hidrógeno negro (o marrón, por gasificación del carbón), gris (reformación de metano por vapor a partir de gas natural, es el más barato y el de mayor producción), azul (igual, pero con captura de carbono o CCUS) o verde (energías renovables), dependiendo de la energía primaria empleada para cargar el depósito. Este último ya era más barato que el gas natural (GNL) en 8 grandes países europeos en 07/2022. 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 Fukushima, 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, reduce las emisiones de CO2 en aproximadamente un 40% comparado con el diésel, 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.

Electrolizadores y estaciones de reabastecimiento

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 mantiene estos trenes en el depósito de Bremervörde que, desde 2022, cuenta con la primera instalación de reabastecimiento de trenes de hidrógeno (Hydrogen Refueling Station, HRS) del mundo. Ésta ha sido construida y operada por Linde Group por 10 M €, con una subvención del gobierno federal de 8,4 M. Empezó utilizando H2 gris suministrado por la industria química, pero en 2024 el hidrógeno será verde ya que 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 Tubinga (Baden-Wurtemberg) gracias al proyecto H2goesRail (financiado por el ministerio con 13,74 M € en 11/2020). El electrolizador Green Hydrogen Systems tendrá una capacidad de producción anual de alrededor de 30 toneladas, y 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).
En 12/2024 los länder de Berlín y Brandemburgo tendrán en funcionamiento una planta de producción de hidrógeno verde (electrolizador) y una estación de servicio (HRS), lo que supondrá una inversión de 100 M €.
Los trenes del Centro de Pruebas y Validación de Siemens en Wegberg-Wildenrath (Renania del Norte-Westfalia) se recargan utilizando una estación móvil de repostaje de hidrógeno.

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, 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 caso de fuga, se evapora y tiende a subir, lo que evita el riesgo de que se derrame en el suelo y se incendie.
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, de HandigeHarry
Recorrido del hidrógeno
Alstom Coradia iLint, pilas de H2

Los trenes de H2 se complementan con unas baterías que se cargan mediante la celda de combustible (pila de hidrógeno) 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, ya que las celdas de combustible tienden a ser lentas en su respuesta a los cambios en la potencia demandada por lo que se necesitan más baterías en recorridos montañosos.

Historia reciente

Aunque en 2006 East Japan Railway Company anunció el primer tren de hidrógeno del mundo (el NE Train, propulsado por dos pilas de combustible con 65 kW en total y una autonomía de entre 50 y 100 km), no fue hasta 2022 cuando se presentó el primer tren de hidrógeno japonés (el Hybari, de JR East, Toyota Motor e Hitachi), que prestará servicio comercial en 2030.
La primera locomotora dual 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 Power Systems (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.
El tractor de maniobras de hidrógeno de Pesa Bydgoszcz (Polonia, con pila de H2 de Ballard) tiene 720 kW para 15 horas (175 kilos de H2) antes de tener que repostar, y baterías de tecnología LTO con 167 kW; estará en servicio en 2025 o 2026.
Desde 10/2022 Deutsche Bahn (DB) está colaborando con el grupo energético australiano Fortescue Future Industries (FFI) para conseguir que los motores diésel de locomotoras funcionen con amoníaco e hidrógeno.
En Namibia, Hyphen Technical, CMB.TECH, TransNamib, la Universidad de Namibia y Traxtion (HyRail Namibia) desarrollarán (con financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, BMBF) la primera locomotora dual diésel e hidrógeno de África, con un vagón de almacenamiento de hidrógeno entre dos locomotoras diésel.
Escocia ha transformado un clase 314 en clase 614 solo hidrógeno para ayudar a la descarbonización en 2035. Se desarrolla en la Scottish Rail Preservation Society (SRPS), en Bo’ness, donde el hidrógeno verde se produce a partir del electrolizador in situ con el apoyo financiero de Angel Trains.
Alstom se ha aliado con Engie para desarrollar un vagón con pila de hidrógeno que alimente a locomotoras eléctricas en líneas sin catenaria. A partir de 2025, Nestlé Waters desplegará la nueva tecnología para alimentar los trenes de mercancías que transporten agua mineral desde su planta de embotellado de Vittel.

Coradia iLint de Alstom

Los länder de Baja Sajonia, Renania del Norte-Westfalia, Hesse y Baden-Wurtemberg (bwegt) 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 pilas de hidrógeno fabricadas por Cummins 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 con entre 600 y 1.000 km de autonomía (aunque durante las pruebas ha llegado a los 1.175 km sin repostar). 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 comerciales 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.
El 25/08/2021 comenzó las pruebas en Suecia.
El 06/09/2021 inició sus primeras pruebas en Francia, en el Centro de pruebas ferroviarias de Valenciennes.
El 17/05/2022 fue mostrado en la República Checa, cuyo gobierno está interesado en reemplazar sus trenes diésel. Según Alstom: «el precio empieza a ser similar al del gasóleo y en muchos casos ya es casi igual«.

Contratos

En 2017 LNVG (Baja Sajonia) compró 14 iLint, con mantenimiento y combustible durante 30 años por 6,07 M € cada uno. Elbe-Weser (EVB) apartó los DMU y los utiliza en servicio comercial entre Cuxhaven y Buxtehude desde el 24/08/2022 gracias a la HRS de Bremervörde.
En 2019 Fahma, Rosco de RMV (Rhein-Main-Verkehrsverbund, Fráncfort del Meno), encargó 27 trenes iLint 54 (160 plazas y 2 puertas por coche) con mantenimiento y combustible durante 25 años, a 18,52 M € cada uno. Están en pruebas desde 08/2022 y los primeros entrarán en servicio en 12/2022 en 4 rutas operadas por DB Start Germany en el länder de Hesse. Serán abastecidos en una hidrogenera construida por Infraserv Höchst en el Parque Industrial Höchst, donde se produce el hidrógeno.
En 2019 Baden-Wurtemberg compró 18 Coradia iLint.

Coradia iLint Cuxhaven-Buxtehude

En 2020 FNM (Ferrovie Nord Milano) compró 6 Coradia Stream (y después otros 8 más), a 26,67 M € cada uno, para 2024.

Alstom Coradia Stream

En 04/2021 SNCF Voyageurs, en nombre de 4 regiones, realizó el primer pedido francés, consistente en 12 Coradia Polyvalent duales fabricados por CAF (tras la compra de activos, excepto la pila de hidrógeno, de Alstom-Cummins), a 15,83 M € cada uno, con opción para 2 más. Tienen 218 plazas y circularán a 160 km/h con una autonomía de 600 km.

 CAF / Alstom Coradia Polyvalent

El 22/07/2020 el Rosco Eversholt Rail y Alstom firmaron un acuerdo para crear Breeze, la nueva clase 600. En 12/2021 Eversholt Rail ha comprado 10 trenes Alstom Aventra para alquilar en Inglaterra y Escocia.

Alstom Aventra

El proyecto de Siemens y DB se llama H2goesRail y supone la segunda generación de trenes de hidrógeno. El Mireo Plus H de Siemens tiene pilas de hidrógeno fabricadas por Ballard Power Systems (Canadá) con una autonomía de 800 km, 1,7 MW de potencia, velocidad máxima de 160 km/h, una aceleración de hasta 1,1 m/s2 y permitirá repostar tan rápido como uno diésel: en 15 minutos. En 05/2021 Siemens y DB presentaron el nuevo tren que desde 05/2022 se encuentra en pruebas en el circuito de Wegberg-Wildenrath.
En 06/2022 Niederbarnimer Eisenbahn (NEB) encargó 7 Mireo Plus H (con mantenimiento y repuestos hasta 2034) para la red Heidekrautbahn (RB27), en la región metropolitana de Berlín-Brandemburgo en 12/2024 gracias a una planta de producción de hidrógeno verde (electrolizador) y a su estación de servicio (HRS).
Las pruebas en la línea Pforzheim-Tubinga-Horb am Neckar (Baden-Wurtemberg) comenzarán en 2023 (gracias al electrolizador de Tubinga) para prestar servicio en 01/2024 (pese a que el nuevo ministro Verde ha presentado un informe que dice que los de batería son más baratos).
El länder de Baviera y Transdev anunciaron el inicio de pruebas de un tren alquilado por Bayerische Regiobahn (BRB) en la línea Augsburgo-Füssen a mediados de 2023 para prestar servicio en 01/2024.

Siemens Mireo Plus H

El Ministerio de Transporte rumano anunció en 07/2022 la adquisición de 12 trenes con 160 asientos cada uno. El coste total de 973 M € también incluye 30 años de mantenimiento de los trenes y la realización de las instalaciones de abastecimiento de hidrógeno.

Arriva

Arriva Netherlands (opera en las provincias de Groningen y Friesland) lanzó en 12/2022 una licitación para 4 (+2) trenes de hidrógeno tras el éxito de las pruebas con un Alstom Coradia iLint en los Países Bajos en 2020.

Hay un total de 114 trenes de hidrógeno -al menos- vendidos en Europa hasta 11/2022.

Stadler presentó su Flirt H2 para la Autoridad de Transporte del Condado de San Bernardino (California) en InnoTrans 2022; en 2024 será el primero en EEUU. El tren (con opción para 4 más) tiene dos coches y un tercero técnico, con las pilas de combustible y los tanques de hidrógeno. Tiene 108 asientos, 800 km de autonomía y una velocidad máxima de 130 km/h.
La Agencia de Transporte del Estado de California (CalSTA) y el Departamento de Transporte de California (Caltrans) firmaron el 20/09/2022 un acuerdo para el diseño y suministro de 4 trenes Flirt de hidrógeno (+25 en opción) de cuatro coches en 2027 para California. Los llama ZEMU: Zero Emission Multiple Units.
La Autoridad Ferroviaria Regional Tri-Valley-San Joaquin Valley instalará un electrolizador de hidrógeno verde en Tracy (California) como parte del proyecto Valley Link Rail.

Stadler Flirt H2 San Bernardino

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 (STT) 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). El hidrógeno será suministrado por Iberdrola desde su hidrogenera (la primera en España) de Barcelona, que desde 01/2022 suministra a los autobuses urbanos. Tendrá un plazo de 4 años (hasta el 31/12/2024) para hacer la investigación, el desarrollo y la creación de un prototipo, que cuenta con una financiación de 10 de los 14 M € a cargo del Clean Hydrogen Partnership (exFCH JU). Para ello desde 09/2021 transformó en Zaragoza el Civia CAF Investigación (cuyo coche central es técnico), inició las pruebas estáticas el 31/05/2022, comenzó las pruebas dinámicas en la línea de Canfranc el 28/07/2022 y circula con hidrógeno verde desde el 02/11/2022. Podrá circular también bajo pantógrafo, por lo que será uno de los primeros trenes duales (pantógrafo y pila de combustible) del mundo (junto al VitTal One de Talgo) tras los Coradia Polyvalent duales, también fabricados por CAF (al comprar la plataforma y la fábrica de Reichshoffen, donde se realiza el diseño y montaje), excepto la pila de hidrógeno y la cadena de tracción, que realiza Alstom en Tarbes.

Civia CAF Investigación Civia Hydrogen

Talgo

El 31/05/2022 inició las pruebas dinámicas el tren TPH2 con la TRAV-CA, el remolque técnico con la pila de hidrógeno (de Ballard), y 4 remolques más. Se realizarán en Extremadura y Portugal dentro del Proyecto SOI H2 (Sur Oeste Ibérico, Eurorregión AlEx: Alentejo y Extremadura) con el apoyo directo de ADRAL (Alentejo), y de Carex, Lloabre y Fundecyt-PCTEX (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 160 km/h en modo hidrógeno, con una autonomía de 800 km.

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.

Híbridos y trimodales

Los trenes híbridos además de su motorización principal (generalmente diésel, pero también pueden ser eléctricos alimentados por catenaria) tienen baterías (normalmente de iones de litio) para acumular la energía generada por el freno regenerativo y así reducir el consumo en torno al 20%. Si las baterías no solo sirven para ahorrar (híbridos), sino que son utilizadas frecuentemente (no solo para «última milla» en el caso de eléctricos o paso por ciudad en el de trenes diésel) entiendo que hablamos de bimodales catenaria-batería.

Los trenes trimodales tienen -además de las baterías- motores diésel y motores eléctricos alimentados por catenaria. Suelen ser trenes bimodales (o duales: motores eléctricos para circular bajo catenaria, y otros diésel para líneas no electrificadas) a los que se sustituyen algunos motores diésel por baterías para pasar por las ciudades.
Rail Operations UK (ROUK) ha pedido 10 locomotoras (hasta 30) a Stadler de la clase 93 que ofrecen 4 MW bajo 25 kV, el motor diésel C32 de Caterpillar tiene una potencia de 900 kW que se complementa con 400 kW cuando funciona junto con dos baterías de óxido de titanato de litio (LTO) de ABB, que pueden funcionar por sí solas. Tres modos, con 4, 1,3 y 0,4 MW de potencia según la línea y el tramo.

Otro posible uso de las baterías es evitar la contaminación (sonora y de micropartículas) en el tránsito urbano para trenes diésel, como por ejemplo un 802 class (Hitachi) de TransPenine Express (2019), 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.
En 2006 JR East presentaba el KiHa E200, que entró en servicio el 31/07/2007 con un motor diésel de 340 kW más 95 kW de las baterías de iones de litio.
En 2018 SNCF Voyageurs y Alstom iniciaron el proceso de transformación de la flota de 230 Régiolis bimodales (BMU, en servicio desde 2016) en trimodales, cuyo prototipo (16,8 M €) fue presentado en 02/2022 para entrar en servicio comercial en el segundo semestre de 2023. Las baterías de iones de litio, que sustituyen a 2 de los 4 motores diésel, reducen el consumo hasta un 20% y aportan una autonomía de 20 km.
En 02/2022 Chiltern Railways ha puesto en servicio su primer HybridFLEX, un Clase 170 Turbostar DMU (2000) con dos motores diésel, uno eléctrico y un sistema de baterías Rolls-Royce MTU EnergyPack. Mejora la aceleración y reduce el consumo hasta un 25%, un 70% el NOx, y un 75% el ruido al apagar los motores diésel 300 m antes de las estaciones; también hay una reducción significativa del polvo desprendido de los frenos y del reemplazo de las pastillas de freno.
Vlexx (operador en Sarre y Renania-Palatinado) convertirá 6 EMU Bombardier Talent 3 en híbridos mediante una inversión de 17 M €.
El Rosco Eversholt Rail y el fabricante Vivarail probarán la tracción por baterías en los EMU de la clase 321 (1988/1989) actualmente alquilados a Greater Anglia. Esperan añadir 32/48 km de autonomía y que su sistema sirva para otras series, evaluando -con el Departamento de Transporte- los posibles destinos para trenes híbridos. Vivarail ya transformó la D78 Stock del Metro de Londres (diésel) en la clase 230 híbrida al añadir baterías.
La región de Provenza-Alpes-Costa Azul (Francia), licitó 8 diésel híbridos de ancho métrico en 08/2022. Sustituyen a DMU más antiguos que los que compraron a Servicios Ferroviarios de Mallorca (SFM).
RTB Cargo ha alquilado durante 10 años 4 locomotoras eléctricas duales con baterías Vossloh (CRRC Zhuzhou Locomotives) DM20-EBB para operar en el puerto de Róterdam, y hasta Alemania a través de la línea de carga Betuwe Route. Tienen 2.500 kW bajo 25 kV CA, 1.500 bajo 1,5 kV CC y 500 kW con baterías LTO en líneas no electrificadas.
CRRC Zhuzhou Locomotive ha suministrado dos locomotoras eléctricas duales con baterías a Rail Cargo Hungaria (RCH). La potencia es de 850 kW bajo catenaria y 350 kW en modo batería.
Wabtec ha presentado en California su prototipo de locomotora diésel híbrida Battery-Electric Locomotive (BEL), con 2,4 MW de potencia con baterías.

Contratos de trenes nuevos en Europa

EAV (Ente Autonomo Volturno, operador regional de Campania, Italia) compró a Stadler 5 trenes diésel con baterías (FLIRT DMU ibrido) en 05/2019 por 35 M €. Tienen 168 plazas, un coche técnico, 140 km/h, un 20% más de aceleración que los DMU y rebajarán su consumo en un 30%. Los dos primeros entraron en servicio en la línea Nápoles-Piedimonte Matese el 24/11/2022.
En 11/2021 FNM (Ferrovie Nord Milano) compró 30 (+20) trenes diésel con baterías iguales, a 6,40 M € cada uno con mantenimiento durante 8 años.

Stadler FLIRT hibridos para EAV

Arriva encargó a Stadler 18 Wink híbridos con motores diésel de 748 kW, que funcionan con aceite vegetal tratado con hidrógeno (HVO), y baterías auxiliares de 2 x 30 kWh; entraron en servicio el 12/04/2021. La idea inicial era montar posteriormente el pantógrafo y el resto de equipos eléctricos (1.000 kW como EMU), pero finalmente se instalaron de serie para la futura electrificación parcial.
Transport for Wales pidió (en 2019) 24 trenes trimodales Flirt (de un total de 35 Class 756) equipados para funcionamiento eléctrico (25 kV), batería o diésel.
El 24/02/2022 comenzaron las pruebas de un Stadler Wink trimodal en Países Bajos.

Stadler Wink trimodal

En 10/2019 Nahverkehrsverbund (NAH.SH), la autoridad de transporte del estado alemán de Schleswig-Holstein, compró a Stadler 55 trenes Flirt Akku con pantógrafo y baterías (bimodales), a 10,91 M € cada uno, con mantenimiento y baterías durante 30 años. Tienen dos coches y 198 plazas (124 asientos), con una autonomía de 150 km y una aceleración mejor que los diésel. En 06/2022 comenzaron las pruebas de homologación tras haber realizado pruebas en Dinamarca.
Renania-Palatinado, Sarre, y Baden-Wurtemberg compraron otros 44 en 2021. Tienen 325 plazas (172 asientos) en dos coches extralargos.

Stadler Flirt Akku BEMU bimodal

Trenitalia ha comprado 135 trenes trimodales por valor de 958 M € (a 7,10 M cada uno) del Blues Train de Hitachi Rail para empezar en 12/2022. Los de 4 cajas tienen 1.910 kW bajo 3 kV CC (160 km/h) y 1.330 con motor diésel más baterías LTO (140 km/h).

Hitachi Masaccio Blues Train

Wales & Borders rail, operada por Keolis Amey Wales, ha comprado 24 Stadler FLIRT trimodales. Tienen 2.600 kW bajo 25 kV, 1.040 con dos motores diésel Deutz AG en el coche técnico PowerPack, y 1.300 kW con baterías.
Merseytravel (Liverpool) ha comprado 7 unidades de transporte de pasajeros con tracción autónoma (IPEMU) que se alimentan mediante tercer carril (0,75 kV) y baterías en el tramo sin electrificar.

Stadler FLIRT trimodal

En 2023 DB comenzará a operar con una electrificación parcial (Akkunet, algunas vías en estaciones y tramos de pocos km), lo que permitirá que los trenes eléctricos bimodales con baterías sustituyan a los diésel en todas las rutas del länder de Schleswig-Holstein; también se hará en Renania-Palatinado y Rin-Ruhr.

Hay un total de 342 trenes híbridos y trimodales nuevos -al menos- vendidos en Europa hasta 11/2022.

Trenes a baterías

Los trenes también pueden alimentarse exclusivamente con baterías (BEMU), cargadas en los tramos electrificados, estaciones de carga rápida o durante el frenado del tren mediante freno regenerativo; aunque su peso y su baja energía específica limiten su autonomía y potencia. La duración normal son unos 20.000 ciclos de recarga, lo que significa sustituirlas al cabo de ocho o diez años (algunas duran 12 años).
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.
Las baterías LTO (óxido de titanato de litio, menos inflamable que con electrodo de grafito y con recarga más rápida que las de plomo) son mejores para los trenes regionales en Alemania porque ofrecen una relación potencia/energía relativamente alta. Pero en Francia, donde los trenes regionales recorren distancias más largas y con menos paradas, las baterías NMC (níquel, manganeso y cobalto) o LFP (fosfato de hierro y litio) con mayor densidad energética, podrían ser más adecuadas.

Desde marzo de 2014 los trenes de batería para viajeros han estado en servicio 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) 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 185 + 140 AGC BMU y 163 diésel) cambiando los motores diésel por baterías (BEMU) con una autonomía de 80 km. Nueva Aquitania comenzó la transformación de 62 BMU en 2022.
El 07/09/2021 Alstom presentó «su» prototipo (en realidad es el Bombardier Talent 3, plataforma comprada por CAF, aunque el BEMU seguirá siendo fabricado por Alstom) en Chemnitz (Alemania), desarrollado desde 2016 en la factoría de Hennigsdorf (exBombardier, ahora Alstom) por DB-Regio y la Universidad Técnica de Berlín, y que comenzó las pruebas el 24/01/2022 en Baden-Württemberg y el servicio comercial en Baviera (el 05/02/2022).

Prototipo Alstom (exBombardier Talent 3)

Contratos en Europa

DB Regio Nordost, nueva adjudicataria del contrato Warnow II (o Red H, de híbrido) del länder de Mecklemburgo-Pomerania Occidental, adjudicó a Stadler 14 Flirt Akku de 2 coches, con una autonomía de unos 100 km, aunque han conseguido 224 km en pruebas.

Stadler Flirt Akku BEMU

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. Tienen una velocidad máxima de 160 km/h y una autonomía de 120 km.

Alstom Coradia Continental

En 2021 Baden-Wurtemberg adjudicó 20 trenes Siemens Mireo Plus B para 2023, y Brandeburgo otros 31 (Niederbarnimer Eisenbahn, NEB) para 12/2024 alquilados por Alpha Trains y financiados por el BEI. Tienen pantógrafo (híbridos, aunque también usarán instalaciones de carga rápida), una velocidad máxima de 160 km/h, una aceleración de 1,1 m/s2 y una autonomía de 90/120 km; además, no presentan problemas con las variaciones de temperatura en los Alpes.
En 03/2022 el operador danés Midtjyske Jernbaner (MJBA) ha comprado 7 Siemens Mireo Plus B.

Siemens Mireo Plus B

En 12/2021 Irish Rail compró 13 Alstom X’Trapolis BEMU de 5 coches con 840 kW de baterías para DART (Dublin Area Rapid Transit), con una autonomía de 80 km para poder extender el servicio de cercanías hasta Drogheda, y otros 18 de 5 coches en 11/2022 por 179 M € (a 9,94 cada uno con reemplazo de baterías en 9 años, o antes, si alguna cae por debajo del 80% de la capacidad inicial).

Alstom X’trapolis

En 04/2022 Renania del Norte-Westfalia (NWL) y Rin-Ruhr (VRR) compraron 63 CAF Civity BEMU (15 de 45 m de largo con 120 asientos y 48 de 55 m con 160). Unos tendrán una autonomía de 90 km y otros de 220 km con opción de recarga durante 10 minutos a partir de los 110 km. Se amplió en otros 10 en 06/2022. La velocidad máxima de todos es de 140 km/h.

CAF Civity BEMU

Hay un total de 177 trenes solo a batería -al menos- vendidos en Europa hasta 11/2022.

Southeastern ha invitado a presentar propuestas para trenes duales con baterías para operar hasta alrededor de 35 km fuera de la red de tercer carril de 750 V CC. Necesita entre 350 y 570 coches nuevos (más de 100 trenes), con opciones de hasta 70 coches más.

Infinity Train

El innovador proyecto Infinity Train tiene como objetivo reemplazar algunas o todas las locomotoras diésel de la compañía minera Fortescue (Australia), con otras eléctricas de batería (BEMU) que se cargan completamente a sí mismas a través del frenado regenerativo.
Se trata de una línea solo para mercancías donde los trenes cargados descienden desde la mina hasta el puerto. Al no primar la velocidad, pueden utilizar el freno regenerativo para regular su velocidad y cargar completamente las baterías. De este modo, está calculado que no precisará una carga eléctrica adicional para realizar el viaje de ascenso, eliminando el requisito de infraestructura de carga y generación de energía renovable.

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1 comentario en «El hidrógeno y las baterías en el ferrocarril»

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