Wabtec: el hidrógeno es el combustible para locomotoras del futuro

Los ferrocarriles pueden convertir motores diésel para quemar directamente hidrógeno y luego adoptar tecnología de pila de combustible de cero emisiones, afirma un fabricante de locomotoras

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Mientras la industria ferroviaria busca formas de reducir y, en última instancia, eliminar sus emisiones de gases de efecto invernadero, Wabtec ve el hidrógeno como el combustible para locomotoras del futuro, ya sea quemado en motores de combustión interna o utilizado para alimentar pilas de combustible.

“Creemos que esta será una tecnología impactante. No vemos esto como algo marginal. Esto será lo que reemplace a los diésel en el futuro”, afirma Philip Moslener, vicepresidente corporativo de tecnologías avanzadas de Wabtec.

El hidrógeno no produce emisiones de gases de efecto invernadero cuando se quema como combustible. "Hoy en día no es económicamente viable", afirma Moslener, señalando que el hidrógeno cuesta actualmente mucho más que el combustible diésel.

Pero se espera que la producción de hidrógeno aumente, lo que debería reducir el costo del combustible diésel rival ya en 2030. En EE.UU., la Ley Bipartidista de Infraestructura incluye 7 mil millones de dólares en financiación para desarrollar de seis a 10 centros de producción y almacenamiento de hidrógeno, mientras que hay esfuerzos similares en marcha en Canadá. Mientras tanto, las empresas energéticas están invirtiendo en instalaciones de producción de hidrógeno.

Por ello, Wabtec pretende adaptar sus esfuerzos de investigación y desarrollo de locomotoras de hidrógeno al ritmo previsto de producción de hidrógeno en América del Norte. Wabtec espera presentar su primer prototipo de hidrógeno en 2027.

Moslener afirma que las pilas de combustible alimentadas por hidrógeno, combinadas con baterías para almacenar electricidad, serían una solución de cero emisiones para sustituir la locomotora diésel-eléctrica.

Pero las pilas de combustible aún no tienen la densidad energética necesaria para una locomotora de transporte. Una locomotora de carretera necesitaría 3.300 kilovatios de potencia, es decir, 10 veces la energía disponible en las pilas de combustible que caben en una locomotora actual, afirma Moslener.

Sin embargo, se espera que continúe el desarrollo de pilas de combustible cada vez más potentes, de forma muy parecida a como las baterías han ganado más capacidad de almacenamiento y ampliado la autonomía de los vehículos eléctricos en los últimos años.

“Lo lograremos”, afirma Moslener.

Si una locomotora de pila de combustible necesita finalmente más capacidad de batería, los ferrocarriles siempre podrían añadir al tren una de las locomotoras eléctricas de batería FLXdrive de Wabtec, afirma.

Debido a sus menores requisitos de potencia, las locomotoras de conmutación de pila de combustible pueden volverse viables antes que las locomotoras de carretera.

Las locomotoras y los conmutadores de carretera requerirán diferentes sistemas de gestión de energía debido a las diferentes demandas de cada tipo de servicio. Las pilas de combustible prefieren producir una cantidad constante de energía, afirma Moslener, por lo que los conmutadores necesitarían extraer electricidad de las baterías en lugar de aprovechar la pila de combustible. Por el contrario, las locomotoras de carretera suelen funcionar con demandas de energía relativamente constantes y podrían utilizar una combinación de pilas de combustible y baterías para alimentar sus motores de tracción.

El otro camino es quemar hidrógeno en motores de combustión interna. "También lo vemos como una solución viable, especialmente cuando se trata de una tecnología de transición", afirma Moslener. “Lo bueno de los motores de combustión interna son sus motores. Conocemos los motores. Los clientes se sienten cómodos con los motores. Saben cómo mantenerlos. Saben cómo operarlos”.

Otra ventaja: las locomotoras de la serie Evolution de Wabtec pueden funcionar con hidrógeno sin apenas modificaciones. "Lo bueno de nuestra familia de motores EVO es que tienen la capacidad, la genética, de poder modificarse a hidrógeno", dice Moslener.

El mayor obstáculo técnico es cómo llevar el combustible de hidrógeno a la cámara de combustión. Al igual que el gas natural licuado, el hidrógeno necesita una chispa para encenderse. Las locomotoras Wabtec propulsadas por GNL que se utilizan en Florida East Coast Railway dependen de la inyección en puerto con combustible diésel utilizado como piloto. Moslener afirma que esa tecnología debe adaptarse al uso del hidrógeno.

El hidrógeno hace que el metal se vuelva quebradizo con el tiempo, lo que puede provocar fallas mecánicas. Para resolver este problema, Wabtec está trabajando con los laboratorios nacionales Oak Ridge y Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. En un proyecto financiado con una subvención del Departamento de Energía, Argonne está realizando un trabajo de simulación por computadora, mientras que Oak Ridge está probando un motor monocilíndrico alimentado con hidrógeno que utiliza inyección en puerto.

Una vez que se determinen las características de combustión y la mezcla ideal de combustible utilizando el motor monocilíndrico, las pruebas pasarán a un motor multicilíndrico. La siguiente etapa de investigación y desarrollo sería desarrollar un prototipo de locomotora propulsada por hidrógeno.

Con inyección directa en puerto de baja presión, una locomotora podría quemar una mezcla 50/50 de hidrógeno y diésel. Se necesitaría más investigación y desarrollo para llevar la mezcla de combustible al 70% de hidrógeno utilizando un sistema de inyección de baja presión.

"Obviamente queremos impulsarlo hacia el 100% de hidrógeno", dice Moslener. Eso requeriría un salto a la inyección directa de alta presión, que podría permitir una mezcla 90/10 de hidrógeno y diésel.

Se necesita algo de diésel para encender el hidrógeno, por lo que un motor de combustión interna siempre produciría al menos algo de dióxido de carbono. "Si queremos llegar a cero emisiones, tenemos que recurrir a la pila de combustible", afirma Moslener.

Una desventaja de quemar hidrógeno en un motor de combustión interna tradicional es que las emisiones de óxido nitroso no se reducen porque se crean durante el evento de combustión, dice Moslener. Las emisiones de partículas, sin embargo, disminuirían en consonancia con la reducción de diésel en la mezcla de combustibles.

La modificación de las locomotoras permitiría a los ferrocarriles comenzar a reducir su huella de carbono de inmediato mezclando hidrógeno y diésel, afirma Moslener.

Las locomotoras propulsadas por hidrógeno tendrían que combinarse con ténderes de combustible para tener una autonomía comparable a la de las diésel-eléctricas actuales. Al igual que las locomotoras de GNL de FEC, un grupo de hidrógeno tendría dos locomotoras intercaladas en un ténder. Wabtec denomina a estas locomotoras auxiliares “trillizos”.

Incluso cuando la producción de hidrógeno aumente, no estará disponible de inmediato en las 140.000 millas de la red ferroviaria. Y eso creará inicialmente problemas de interoperabilidad dentro de los ferrocarriles, así como con los servicios de intercambio.

El uso de motores de combustión interna que puedan funcionar con hidrógeno o diésel es una forma de atacar el problema de la interoperabilidad. Un ES44AC o ET44AC con un sistema de inyección en puerto de hidrógeno podría funcionar con combustible 100% diésel. Aunque es menos eficiente, Moslener afirma que esta flexibilidad del combustible ayudaría a facilitar la transición del diésel al hidrógeno.

La otra solución de transición es crear corredores de hidrógeno entre terminales que tengan sistemas de almacenamiento y abastecimiento de hidrógeno. "Los clientes odian pensar en corredores exclusivos, pero creo que vamos a tener que hacerlo", dice Moslener.

Otro cambio de mentalidad: pensar en la interacción entre tripletes, tonelaje de arrastre y topografía en lugar de solo en la potencia locomotora.

"Tenemos que empezar a cambiar esa mentalidad y hablar de trenes", explica Moslener, señalando que un triplete de hidrógeno y una locomotora eléctrica de batería, combinados con la energía que las locomotoras pueden capturar del tren durante el frenado dinámico a lo largo de rutas particulares, tendrán que ser factorizado en la ecuación.

Una ventaja de quemar hidrógeno directamente en motores de combustión interna como puente hacia las pilas de combustible es que dará a los ferrocarriles experiencia en reabastecimiento de combustible, seguridad, capacitación e infraestructura de producción, almacenamiento y distribución de hidrógeno, dice Moslener.

El cambio a la energía del hidrógeno será complicado. Es un poco como intentar armar un rompecabezas sin saber completamente cómo son las piezas porque es necesario resolver múltiples problemas a lo largo del camino.

En primer lugar, existen cinco posibles formas de combustible de hidrógeno. Incluyen comprimir el gas a una de tres presiones diferentes; criocompresión; e hidrógeno líquido. Cada forma requiere un tipo diferente de tanque de almacenamiento.

Wabtec cree que el hidrógeno líquido es la opción más lógica para los ferrocarriles porque tiene el doble de densidad energética que el hidrógeno comprimido, afirma Moslener.

Los tiempos de repostaje también dan una ventaja al hidrógeno líquido. Hoy en día se necesitarían cinco o seis horas para llenar una licitación de hidrógeno líquido, dice Moslener, en comparación con hasta 30 horas para el hidrógeno comprimido. La NASA tiene velocidades de flujo significativamente más rápidas, dice, y una mayor investigación y desarrollo probablemente podría hacer que el abastecimiento de hidrógeno líquido sea tan rápido como el repostaje de un diésel.

"Creemos que la industria necesita volverse líquida a largo plazo, así que ahí es donde estamos poniendo nuestros esfuerzos de I+D", dice Moslener.

Pero Wabtec no puede hacerlo solo y será necesaria la inversión de los ferrocarriles y los gobiernos.

“Hay muchas cosas que debemos resolver. Wabtec no puede hacerlo por sí solo”, afirma Moslener. "Si la industria cree que el hidrógeno es el combustible del futuro, entonces debemos invertir en él para resolver una multitud de problemas antes de que pueda convertirse en un combustible seguro y utilizable".

ProgressRail, Chevron y BNSF Railway anunciaron en diciembre de 2021 que son socios en un proyecto de locomotora de hidrógeno. ProgressRail construirá una locomotora de pila de combustible de alta potencia, Chevron desarrollará la infraestructura de abastecimiento de combustible y BNSF operará la locomotora como parte de un programa de prueba.

La infraestructura de soporte se instalará el próximo año y la entrega de la unidad está prevista para 2025, afirma BNSF. ProgressRail y Chevron no respondieron a los correos electrónicos en busca de detalles adicionales.

Wabtec sigue de cerca el proyecto de locomotora de pila de combustible de hidrógeno de Canadian Pacific Kansas City. La comunidad del hidrógeno es pequeña, especialmente en el sector ferroviario, y todos sus actores se animan y apoyan mutuamente, afirma Moslener.

Los ferrocarriles también tendrán que seguir la evolución y cooperar con otras industrias. "El ferrocarril es una industria pequeña", afirma Moslener. “No vamos a liderar el rumbo del hidrógeno. Otras industrias impulsarán las grandes inversiones”.

La industria del transporte por carretera ya cuenta con algunas plataformas de pilas de combustible de hidrógeno en servicio de ingresos. JB Hunt, por ejemplo, anunció en julio la compra de 13 camiones Clase 8 sin emisiones de Nikola, tres de los cuales funcionan con pilas de combustible de hidrógeno. La filial de hidrógeno de Nikola, HYLA, proporciona la infraestructura de hidrógeno y abastecimiento de combustible. Los camiones de pila de combustible tienen un alcance de 500 millas.

El hidrógeno también tendrá que superar la reputación de que no es seguro. Las imágenes del desastre del dirigible Hindenburg de 1937 todavía están grabadas en la conciencia pública. Pero hoy en día el hidrógeno se utiliza de forma segura en procesos industriales en toda América del Norte, señala Moslener, y se transporta por carretera todos los días sin incidentes.

Sin embargo, la industria ferroviaria tendrá que desarrollar estándares sobre la producción, el almacenamiento y el abastecimiento de hidrógeno, así como sobre cómo detectar y manejar las fugas. En caso de fuga, observa Moslener, el hidrógeno sube y se disipa rápidamente.

Gracias a una subvención federal, Wabtec está trabajando con el Laboratorio Nacional Sandia en el desarrollo de posibles estándares y regulaciones sobre hidrógeno para la industria ferroviaria.

La Administración Federal de Ferrocarriles ha emitido un desafío de cero emisiones netas de gases de efecto invernadero para 2050 para la industria ferroviaria. Aunque la agencia no respalda oficialmente ninguna tecnología específica para alcanzar cero emisiones, la FRA participa directamente en algunos esfuerzos de la industria del hidrógeno.

FRA es miembro del Grupo Asesor Técnico de Licitaciones de Combustibles Alternativos de la Asociación de Ferrocarriles Americanos y participó en la investigación del Laboratorio Nacional Sandia sobre requisitos de seguridad y diseño para una licitación de hidrógeno.

La agencia también participa en los esfuerzos de la Asociación Estadounidense de Transporte Público para desarrollar un libro blanco sobre sistemas de almacenamiento de energía de baterías e hidrógeno. Ese documento puede conducir a una norma y al desarrollo de regulaciones de la FRA a largo plazo.

El hidrógeno es el elemento más común en el universo, pero rara vez se encuentra como gas en la Tierra. Entonces se produce a partir de compuestos que contienen hidrógeno. La mayor parte del hidrógeno se produce mediante el reformado de metano con vapor, que elimina el hidrógeno del gas natural. También se produce mediante electrólisis, que divide las moléculas de agua en dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno.

El hidrógeno verde se produce mediante electrólisis utilizando energía procedente de fuentes renovables como la hidráulica, la eólica y la solar. Un derivado es el hidrógeno rosa, que se produce mediante energía nuclear.

Casi todo el hidrógeno que se produce hoy en América del Norte es lo que se conoce como hidrógeno gris, que proviene del reformado de metano con vapor o de la gasificación del carbón. Este hidrógeno se considera "sucio" porque se produce a partir de combustibles fósiles y al mismo tiempo utiliza combustibles fósiles como fuente de energía en el proceso de producción.

Una variación es el hidrógeno azul, que captura y almacena el carbono producido mediante el reformado de metano con vapor o la gasificación del carbón.

¿Por qué todo esto importa? Porque la verdadera huella de carbono de cualquier combustible debe medirse desde el pozo hasta la rueda; en otras palabras, todo el ciclo de producción desde su origen, refinación y distribución hasta su uso como combustible en una locomotora.

"Nuestra mentalidad es que no necesitamos esperar a que llegue el hidrógeno verde", afirma Moslener. "Podemos empezar ahora y beneficiarnos de la ecologización natural del hidrógeno a medida que pasa el tiempo".

Esta progresión, afirma, sería muy parecida a lo que ha sucedido con los vehículos eléctricos de batería en los últimos años. A medida que la red eléctrica se ha vuelto más ecológica, la generación a carbón ha disminuido y la energía eólica y solar ha aumentado, la huella ambiental general de los automóviles eléctricos con batería ha mejorado.

Moslener dice que si se quiere descarbonizar el ferrocarril, hay que reducir y, en última instancia, eliminar las emisiones de las locomotoras. Si realmente desea descarbonizar el transporte, traslade los camiones al ferrocarril. “La verdadera jugada de la descarbonización después de los combustibles alternativos es el cambio modal”, afirma. "Así es como vamos a descarbonizar América del Norte".

Es probable que la transición del diésel al eléctrico cueste cientos de millones de dólares si se incluye la infraestructura necesaria. "Va a ser muy caro", afirma Moslener.

“Ahora tenemos una crisis global entre manos. Para mí no se trata de costos”, dice Moslener, señalando que la primera generación que siente el impacto del cambio climático es la última generación que puede hacer algo al respecto.

“Tenemos la obligación moral de invertir en este espacio ahora. Mañana será demasiado tarde. Sí, será costoso, pero tenemos que hacer de tripas corazón y hacerlo ahora”, afirma Moslener.