La pila de hidrógeno en el ferrocarril, a fondo

Publicado el 1 de diciembre de 2020
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Durante los últimos meses el tren con pila de hidrógeno se ha convertido en tendencia en Europa. Bajo la promesa de ser la mejor manera de descarbonizar el transporte sin tener que asumir los elevados costes de electrificar líneas, que sólo compensan si hay bastante tráfico, múltiples proyectos para crear trenes de hidrógeno han salido a la luz.

A través de este reportaje vas a conocer de una manera sencilla, didáctica y profunda en qué consiste la pila de hidrógeno, cómo funciona, cómo se produce este elemento (en especial el denominado «hidrógeno verde») y qué proyectos están en marcha en la actualidad.

Y por supuesto también descubrirás el lado oscuro de la pila hidrógeno. Y es que, por desgracia, no es oro todo lo que brilla y la implementación en masa de esta tecnología podría conllevar, entre otras cosas, la explotación de personas en África.

¿Qué es la pila de hidrógeno?

Aunque asociemos el término pila a almacenamiento de electricidad, las pilas de combustible no cumplen esta función y reciben el nombre por otro motivo que verás más abajo.

El cometido de una pila de combustible es generar electricidad mediante el proceso de oxidación y reducción de un elemento. Que por lo general es el hidrógeno debido a sus innumerables ventajas.

Para entender cómo funciona la pila de hidrógeno toca dar una pequeña clase de química.

Por su naturaleza, el hidrógeno se presenta solo como molécula diatómica. Es decir, cada molécula tiene 2 átomos, como le sucede al oxígeno. Por eso siempre se representan como H2 y O2.

Cada átomo de hidrógeno posee 1 protón (H+) y un electrón (e). Por lo que una molécula contendrá 2 protones y 2 electrones.

Teniendo en cuenta que la electricidad es una corriente de electrones, lo que interesa es separar al protón del electrón y que este último vaya por un circuito eléctrico que sirva para alimentar los motores y otros equipos.

Debido a su versatilidad, el tipo de pila de combustible más utilizada es la llamada PEM (Membrana de Intercambio Protónico) por sus siglas en inglés.

Esquema del funcionamiento de una celda de una pila de combustible del tipo PEM. Realizado por Amalia1983.

Su funcionamiento es:

  1. En el ánodo se rompe la molécula de hidrógeno (H2), de tal forma que a partir de la molécula se separen los protones (H+) de los electrones (e). Para ello se emplea el platino como catalizador.
  2. Mientras los protones atraviesan la membrana para llegar al cátodo, los electrones circulan por el circuito eléctrico.
  3. En el cátodo, gracias a la acción de un agente oxidante (el oxígeno), los electrones se reintegran en una molécula, que en este caso es agua (H2O).

En resumen, la pila de hidrógeno no almacena energía. La genera a través de celdas PEM apiladas (de ahí el nombre) gracias a la reacción rédox (reducción-oxidación) de las moléculas de hidrógeno con las moléculas de oxígeno.

Es un generador de electricidad que funciona con hidrógeno y oxígeno que tan solo emite agua. Ningún gas de efecto invernadero.

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¿Cómo funcionan los vehículos con pila de hidrógeno?

Como seguramente hayas deducido, los sistemas que usan pila de hidrógeno son eléctricos. Pero no obtienen la electricidad desde ningún sistema de acumulación ni de un sistema de suministro directo. La generan en el momento y según las necesidades reales.

De tal manera que eliminan dos de los problemas que tienen los vehículos eléctricos:

  • La electrificación. Con la pila de hidrógeno no hay que instalar costosos sistemas para llevar la electricidad a donde se encuentre el vehículo.
  • Las baterías. Que, aparte de contaminar durante su producción, tienen una autonomía limitada y requieren un largo tiempo de recarga.

La autonomía de un vehículo de hidrógeno depende de la capacidad de almacenamiento que tenga y de la eficiencia de la pila. En el caso ferroviario, con las eficiencias actuales, los trenes que ya circulan y aquellos que se están desarrollando tienen autonomías de entre 800 y 1.000 kilómetros.

Además, las pilas PEM permiten que se genere la potencia eléctrica necesaria en cada momento, lo cual la hace ideal para automóviles, autobuses, camiones y trenes.

No obstante, en el caso de los vehículos ferroviarios la pila de hidrógeno recibe ayuda de baterías durante los arranques debido a la potencia que requiere el tren, que es excesiva para la capacidad de las pilas de combustible actuales.

Estas baterías se recargan sobre la marcha con la energía excedente de la pila de hidrógeno y mediante el uso del freno regenerativo.

¿De dónde se saca el hidrógeno?

A pesar de que es el elemento con mayor presencia en la naturaleza, no se encuentra por sí solo. Siempre forma parte de un compuesto como el agua, ácidos o el gas natural.

Por lo tanto, para poder obtener hidrógeno que sirva para la pila de combustible es necesario separarlo de dichos compuestos empleando diversos procesos químicos.

El más usado en la actualidad por su bajo coste es el conocido como reformado de gas natural. Una molécula de CH4 (metano/gas natural) y una molécula de agua (H2O) vaporizada reaccionan generando una molécula de CO (monóxido de carbono) y 3 moléculas de H2 (hidrógeno) mediante la siguiente fórmula:

CH4 + H2O → CO + 3H2

Sin embargo, si lo que se busca con el empleo de la pila de hidrógeno es reducir la emisión de gases de efecto invernadero, generar CO para su producción no resuelve ningún problema. Además de lo que pueda contaminar la extracción del gas natural y la vaporización del agua necesaria para su reformado.

El hidrógeno verde

Para evitar este problema, el método de producción del hidrógeno que se está potenciando es el de la electrólisis del compuesto que más existe en la naturaleza: el agua.

Aplicando una cantidad de energía eléctrica en el agua se logra separar las moléculas de oxígeno de las de hidrógeno.

De tal manera que el proceso completo sea:

  • Se separa el hidrógeno del agua aplicando una energía eléctrica.
  • El hidrógeno se vuelve a transformar en agua mediante su reacción con el oxígeno. Reacción que genera una energía eléctrica que es usada para propulsar los vehículos.

Sin embargo, se aprecia un problema importante: hace falta energía para separar el hidrógeno del oxígeno. Y quemar combustibles fósiles para obtener esa energía no soluciona el problema de la emisión de gases contaminantes.

Por lo que para que el hidrógeno se considere verde y usarlo en la pila de combustible sea un proceso que no genere emisiones contaminantes, la energía usada para la electrólisis debe ser de origen renovable. Ya sea fotovoltaica, eólica, hidroeléctrica, etc.

El lado oscuro del hidrógeno

Hasta ahora todo pinta bastante bonito. Poder generar hidrógeno con energías renovables que luego permite generar electricidad en vehículos estén donde estén emitiendo solo agua es una suerte de quimera que se está haciendo realidad.

Sin embargo, también tiene puntos débiles que deben ser resueltos para que sea una alternativa eficaz frente a los motores diésel y a la electrificación.

Eficiencia baja

A pesar de los avances, las pilas de combustible del tipo PEM tienen una eficiencia energética de entre el 50% y el 60%.

Es decir, sólo se aprovecha la mitad o poco más de la mitad de la energía liberada en el proceso. De un elemento que ha tenido que ser producido, comprimido y transportado.

Mientras que en las tecnologías que usan baterías, se emplea la electricidad generada mediante fuentes renovables de una manera más directa, con menos transformaciones.

En este reportaje de la web motor.es profundizan en las ventajas y desventajas de ambos sistemas. Destacando que la eficiencia final de un vehículo de hidrógeno es de entre el 19% y el 23% frente al 69% de eficiencia de los que usan baterías.

Y es que al final para que la pila de hidrógeno funcione hay que generar electricidad para producir hidrógeno que después de ser comprimido y transportado se usa para generar… electricidad.

No obstante, está a la altura o es ligeramente superior a la eficiencia energética final de los motores térmicos (teniendo en cuenta la producción y transporte del combustible además del rendimiento del motor), que es del 20%.

Por lo que en términos de eficiencia, los trenes con pila de hidrógeno son un buen sustituto para los diésel. Pero dado que es inviable producir baterías con autonomía para tantos kilómetros, siempre será más eficiente optar por la electrificación de las vías.

Almacenaje y transporte

Para almacenar el hidrógeno en estado gaseoso hay que meterlo en tanques a una presión de entre 350 bar y 700 bar, por lo que hay que gastar una energía en comprimirlo. Y hay que usar tanques especiales que sean aptos para almacenar este gas y que además sean ligeros para evitar aumentar el peso de los vehículos.

El hidrógeno tiene una gran desventaja frente a otros gases para su transporte y almacenamiento. Es muy permeable, por lo que atraviesa materiales sólidos con gran facilidad. Algo que se traduce en pérdidas durante su almacenamiento que reducen la eficiencia de todo el sistema.

Un problema que ha sido una de las mayores barreras de implementación del hidrógeno como sustituto de los combustibles fósiles.

Por último, está el reto de cómo transportarlo en largas distancias sin grandes pérdidas. Si bien existen redes de gasoductos para el transporte de gas natural, no son del todo compatibles con el hidrógeno; algo para lo que se está buscando solución.

La pila utiliza platino

Para dividir la molécula de hidrógeno en protones y electrones se usa el platino como catalizador, un metal que es excesivamente caro debido a su baja disponibilidad.

Esto hace que las pilas de hidrógeno sean caras y no compense a nivel económico su uso de forma masiva. Sin embargo, se están estudiando maneras de reducir el uso del platino, con investigaciones prometedoras como esta divulgada por el MIT.

Explotación de África

Las malas lenguas dicen que el impulso que ha recibido el uso de la pila de hidrógeno en el segundo semestre de 2020 está relacionado con un polémico proyecto impulsado por el gobierno alemán y varias empresas privadas.

Se trata de la construcción de la central hidroeléctrica más grande del mundo, con capacidad mara generar 44GW (el doble que la potencia generada por la central de las Tres Gargantas en China) que se emplearían para producir hidrógeno verde.

Hasta ahí todo bien.

Sin embargo, esta central se construirá en la República Democrática del Congo. Pero no para consumo local sino para exportar su producción a Europa a un coste muy bajo. Con lo que el hidrógeno verde que se consuma se sumaría a la larga lista de productos procedentes de una planta de producción que cuenta con unas condiciones laborables más que dudosas.

Y debido a las pérdidas que se producen en el almacenamiento, teniendo en cuenta que el hidrógeno tendría que llegar a Europa en barco, hay quien calcula que sólo llegaría la mitad de lo producido.

¿Podemos hablar de hidrógeno verde si está generado por personas explotadas, hace falta que viaje miles de kilómetros en barco y se pierde la mitad por el camino?

¿Qué capacidad habría de hacer una producción local para la gran demanda que habría de este gas si alcanza el éxito que se busca?

Proyectos de trenes de hidrógeno

Entendido cómo funciona la pila de hidrógeno y cómo su uso puede respetar la naturaleza más que las alternativas actuales, es momento de ver algunos de los proyectos de trenes de hidrógeno que se están desarrollando.

Cabe destacar que España se ha convertido en el único país europeo que trabaja en dos proyectos de manera simultánea, gracias a la implicación de Talgo y CAF con esta tecnología. Además, a ambos habría que añadir un antiguo tercer proyecto, que además fue de los primeros a nivel mundial.

Coradia iLint

Alstom ha sido la empresa que más ha apostado hasta ahora por la pila de hidrógeno para uso ferroviario mediante el desarrollo de una versión de su tren de corto y medio recorrido Coradia LINT.

Después de años de desarrollo, en 2017 comenzaron las pruebas de los primeros dos prototipos en Alemania, demostrando un buen funcionamiento. El 16 de septiembre de 2018 las pruebas comenzaron a hacerse con viajeros en la línea Buxtehude – Bremervörde – Bremerhaven – Cuxhaven. Convirtiéndose así en el primer tren de hidrógeno del mundo en servicio comercial.

Con una velocidad máxima de 140 kilómetros por hora, el tren tiene una autonomía de 1.000 kilómetros.

Las pruebas han sido tan satisfactorias que el operador EVB ha encargado las primeras 14 unidades en serie, que serán entregadas a partir de 2021.

Además, en mayo de 2019 la operadora RMV, de la zona Frankfurt Rhine-Main, encargó la fabricación de otras 27 unidades.

El Coradia iLint también ha hecho pruebas con viajeros en Austria y su tecnología va a ser utilizada en los 6 Coradia Stream que Alstom ha vendido a la italiana FNM.

HydroFLEX

En junio de 2019 fue presentado el primer tren de hidrógeno británico desarrollado por la Universidad de Birmingham y Porterbrook. Conocido como HydroFLEX, a diferencia del Coradia iLint se trata de la adaptación de un tren eléctrico ya existente de la serie 319, fabricado en 1987. Aparte de usar la pila de hidrógeno también puede recibir electricidad tanto por el pantógrafo (a 25 kV) como por el tercer carril (a 750 V).

Después de varios meses de pruebas en depósito, en septiembre de 2020 comenzó a circular por las vías de Network Rail.

Talgo Vittal One

En septiembre de 2020 Talgo sorprendió presentando su propuesta de creación de una tecnología de pila de hidrógeno para uso ferroviario. Actualmente en desarrollo, el objetivo es que en 2021 se pruebe en la locomotora Trav-ca, que será el primer vehículo ferroviario con pila de hidrógeno en circular por la RFIG.

La hoja de ruta establecida por la propia empresa prevé que en 2023 comience a circular en pruebas el Talgo Vittal One, el primer automotor fabricado por la empresa y que además funcionará con esta tecnología.

Como el HydroFLEX, también será dual. Pudiendo circular por vías electrificadas usando su pantógrafo, tendrá una velocidad máxima de 220 km/h en modo eléctrico y de 140 km/h en modo hidrógeno. La autonomía usando la pila será de 800 kilómetros.

Civia de hidrógeno de CAF

La Comisión Europea ha elegido a un consorcio liderado por CAF para desarrollar una tecnología de pila de hidrógeno para uso ferroviario. La empresa, que ya fabrica autobuses con esta tecnología a través de su filial Solaris, contará con las más modernas y eficientes pilas de hidrógeno del momento, fabricadas por Toyota.

Para probar la tecnología adaptarán el Civia 463-099, el único de toda la familia de trenes que cuenta con tracción propia de la empresa española.

El tren de hidrógeno de Siemens

La última en sumarse a esta tecnología ha sido Siemens, que junto a la DB está desarrollando el Mireo Plus H. Una versión de su tren eléctrico Mireo Plus que podrá circular con hidrógeno por vías sin electrificar y con electricidad captada por pantógrafo en aquellas que sí cuenten con catenaria.

Imagen a ordenador del Siemens Mireo Plus H
Imagen a ordenador del Siemens Mireo Plus H

El proyecto de JR East, Toyota y Hitachi

En Japón, país que ha apostado por la pila de hidrógeno para automóviles, la aplicación de esta tecnología en el ferrocarril va más retrasada que en Europa.

En octubre de 2020 JR East, Hitachi y Toyota anunciaron un proyecto para crear un tren de pruebas en el que adaptar la tecnología empleada en el Toyota Mirai.

Sin embargo, tendrá peores prestaciones que los trenes desarrollados en Europa. Su velocidad máxima será solo de 100 km/h y tendrá una autonomía de 140 km.

In memoriam, el Fabiolo de Feve

Mucho antes que todos estos, en el año 2010, se empezó a desarrollar en España el primer tren de hidrógeno de Europa. Lo hizo la antigua Feve, de la mano de Biogás Fuel Cell y del Instituto Nacional del Carbón.

Tras una inversión de 1,6 millones de euros lograron transformar una unidad de la serie 3400 conocidos como «Fabiolos» en un vehículo propulsado por pila de hidrógeno.

Si bien el proyecto funcionó y el vehículo pudo circular en varias ocasiones a una velocidad máxima de 20 km/h, nunca se llegó a poner en servicio como estaba anunciado y en 2012 quedó apartado de forma indefinida.

En este artículo de interempresas puedes ver más sobre este proyecto.

Conclusiones finales

Dado el laborioso proceso de generación de hidrógeno, en el que hace falta una gran cantidad de energía, queda claro que siempre compensará la electrificación de líneas que tengan un tráfico suficiente como para compensar la inversión.

Sin embargo, la pila de hidrógeno puede tener un rol fundamental para descarbonizar el transporte por ferrocarril en aquellas líneas que debido a su bajo tráfico no merezca la pena electrificar. O bien servir como paso intermedio entre el fin de la tracción diésel y la electrificación, como parece que va a suceder en la línea de Canfranc.

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