Estudio de la tracción ferroviaria de base hidrógeno para las prestaciones de la red convencional española

Abstract

En la actualidad, el estilo de vida de la sociedad está muy condicionado por un transporte efectivo, ya que actividades como desplazarse a los lugares de trabajo, viajar, o realizar envíos de objetos alrededor del mundo, son habituales para muchos de nosotros. Los ferrocarriles constituyen una parte integral del sistema de transporte, permitiendo un movimiento eficiente de mercancías, así como de viajeros.

A nivel mundial, dos tercios de la energía requerida para la tracción ferroviaria proviene del diésel, correspondiendo el tercio restante a la electricidad. La incertidumbre sobre el futuro suministro del diésel, y las preocupaciones ambientales y de salud pública relacionadas con los gases de escape, han promovido la investigación y el desarrollo de alternativas. La electrificación es un método tradicional para evitar problemas de suministro de combustible y emisiones locales, pero la alta inversión de capital que lleva asociado este método, es, a menudo, poco rentable o inaccesible económicamente para las compañías ferroviarias privadas o públicas (El 40% de la red ferroviaria española no está electrificada, unos 6.000 km, electrificarla completamente valdría aproximadamente 3.000 millones de euros). Por lo tanto, la tracción que no depende de la infraestructura ferroviaria para el suministro de energía, la autónoma, sigue siendo la única opción en muchos casos.

Hay tres alternativas de tracción eléctrica autónoma que se podrían clasificar como competidores directos del diésel: los trenes de batería, los mixtos de batería y alimentación mediante la línea aérea de contacto, y los de hidrógeno. A continuación, se adjunta una tabla resumen de las características de estas tres modalidades eléctricas, con el fin de explicar por qué el hidrógeno es la mejor alternativa sostenible a la tracción diésel.

Se comprueba, de este modo, a través de esta tabla, que en la actualidad solamente la tecnología de tracción basada en hidrógeno tiene unas características comparables con la tracción diésel. Consecuentemente, este proyecto estará centrado en esta modalidad de tracción.

El hidrógeno no se suele presentar como un elemento por sí solo, generalmente lo hace como parte de otra sustancia y, por lo tanto, debe separarse de la misma a través del aporte de energía. Por consiguiente, es una energía secundaria, como la electricidad, y puede producirse a partir de muchas fuentes como los combustibles fósiles (gas natural o carbón), o mediante energías renovables (energía eólica o solar). Por otro lado, no es un gas de efecto invernadero y, en caso de que ocurriera una gran fuga de hidrógeno, su contribución secundaria al efecto invernadero se estima insignificante. De este modo, es posible una reducción o eliminación total de las emisiones de gases de efecto invernadero.

Las ventajas del hidrógeno como combustible, como las reducidas o nulas emisiones en el punto de uso, la no dependencia del petróleo, o la gran densidad de energía en masa, han impulsado el desarrollo de vehículos propulsados por esta tecnología. En relación a los ferrocarriles, el hidrógeno ofrece el potencial de combinar las ventajas de la tracción diésel y eléctrica; proporcionando una operación autónoma y silenciosa sin emisiones locales, permitiendo la utilización de una combinación de recursos energéticos primarios, lo que puede conducir a una reducción de las emisiones globales.

El más reciente y avanzado demostrador de tracción ferroviaria de base hidrógeno es el Coradia iLint, siendo el primer tren de pasajeros del mundo propulsado por hidrógeno. Este tren fue homologado y certificado por las autoridades alemanas en 2018, y desde ese momento, ha circulado por vías sin electrificar cumpliendo todos los objetivos. Otro argumento de peso a favor de esta tecnología ha sido el interés mostrado por los operadores ferroviarios en el Coradia iLint, recibiendo el fabricante de la unidad (Alstom) decenas de pedidos de este modelo.

Por tanto, se ha demostrado que los vehículos ferroviarios impulsados por hidrógeno son una opción viable desde una perspectiva ambiental, económica y de operabilidad. A continuación, se desarrollará una unidad ferroviaria propulsada por hidrógeno basada en el modelo Media Distancia CAF S-599; y se diseñará y detallará su conversión íntegra, finalizando con las conclusiones que se obtienen del proyecto.

Se establecieron unos requisitos y condiciones para seleccionar la unidad diésel convertible a hidrógeno: destinado a vías sin electrificar (diésel), avanzado y moderno, prestaciones y fiabilidad excelentes, unidad que opere para RENFE, producción local y apto para PMR.

El modelo CAF S-599 ofrece unas ventajas competitivas muy importantes. Por un lado, cumple con la totalidad de condiciones impuestas, siendo el candidato perfecto para el proyecto. Por otro lado, cuenta con una unidad gemela eléctrica, el modelo Media Distancia S-449, esta es una característica especial que nos permitirá realizar una conversión a tracción eléctrica mucho más perfeccionada y a un coste ínfimo; ya que se podrán emplear gran parte de sus componentes del sistema de tracción para implantarlos en la unidad S-599 modificada. Debido a que son unidades “gemelas”, comparten la mayoría de dimensiones básicas, siendo compatible entre ellas la mayoría de sus componentes. Además, el S-599 posee resistencia estructural y espacios adecuados para incorporar los equipos relacionados con el sistema de generación de energía de hidrógeno.

El principal objetivo del proceso de conversión a hidrógeno es que las unidades convertidas puedan operar los mismos servicios que las unidades diésel originales. Para ello, es necesario establecer unos criterios de diseño que permitan evaluar el proceso y llevarlo a cabo de forma óptima; estos son los siguientes: utilizar una plataforma fiable como base, conservar las mismas dimensiones del vehículo sin cambios significativos de masa o posición del centro de gravedad, reutilizar la estructura y los componentes principales (ej: bogie), mantener un excelente rendimiento (consumo, fiabilidad, aceleración, autonomía, etc.), evitar agregar equipos tecnológicos en las áreas de pasajeros (sin impacto adverso en la experiencia y comodidad del pasajero), alta eficiencia energética, escalabilidad (la tecnología permite actualizar flotas existentes de todo tipo) e interoperabilidad (flota mixta).

La conversión a hidrógeno de un tren de unidades múltiples diésel consiste esquemáticamente en dos pasos. Primero, se retira del vehículo ferroviario el sistema de propulsión y de auxiliares diésel, el cual está compuesto fundamentalmente por los motores de tracción, la turbotransmisión, la unidad de refrigeración, el motor-alternador y los tanques de diésel.

En segundo lugar, se integra el sistema de propulsión eléctrico y el sistema de generación de energía de base hidrógeno en la unidad ferroviaria. El primero de ellos está compuesto, principalmente, por los motores y los convertidores de tracción; y el segundo por las celdas de combustible, los tanques de hidrógeno y el distribuidor. Además, deben añadirse convertidores auxiliares y una gran batería para acumular y distribuir energía.

De esta forma, el tren diésel regional S-599 producido por CAF se ha convertido a hidrógeno en su totalidad. Se ha sustituido la tracción diésel por eléctrica, todo el suministro de energía primaria se realiza mediante pilas de combustible, se integra un almacenamiento intermedio de energía mediante baterías de ion-litio (para aumentar la potencia en fases de aceleración o recuperar la energía cinética durante el frenado) y todo el suministro auxiliar es eléctrico. El resultado es un sistema moderno de suministro y almacenamiento de energía, combinado con la gestión inteligente de la misma.

El equipo de hidrógeno puede acomodarse en el espacio disponible y, aunque es inevitable un aumento de la masa del vehículo (de 171,5 t a 176,5 t), no es prohibitivo para su operación; ya que, aunque la masa total aumente, la carga máxima por eje disminuye, gracias a una distribución simétrica y homogénea de las masas. Además, el CAF S-599 Hydrogen mejora el rendimiento de la versión original (del 36% al 46%), reduciendo notablemente el consumo de energía y las emisiones totales, manteniendo la autonomía y eliminando totalmente las emisiones locales. Asimismo, las reducciones de energía sugieren que se podría lograr un ahorro de costes operativos, si el hidrógeno estuviera disponible a precios competitivos.

Las celdas de combustible, en las cuales el hidrógeno y el oxígeno se combinan para crear electricidad y calor (formando vapor de agua), son una forma efectiva y sostenible de generación de energía, con eficiencias de, aproximadamente, el 60%.

Una propiedad polémica del hidrógeno es su densidad volumétrica y volatilidad que, en el lado negativo, requiere métodos avanzados de almacenamiento, como una alta compresión de típicamente 350 bar en el sector ferroviario; pero en el lado positivo, asegura una rápida disipación en caso de fugas, lo que mejora considerablemente la seguridad. Por otro lado, los requisitos de volumen de almacenamiento se ven contrarrestados por la mayor eficiencia de las celdas de combustible, en comparación con los motores de combustión, lo que permite una autonomía similar a la de los vehículos actuales que se propulsan con diésel.

A continuación, se expondrán las principales ventajas del proyecto CAF S-599 Hydrogen: pretende igualar/mejorar las prestaciones de la unidad actual, minimizando el impacto medioambiental y acústico de operación. Los componentes retirados son reutilizables y los integrados son compatibles con CAF. Existen 50 unidades CAF S-599 Diésel disponibles para convertir, permitiendo una transición progresiva en el tiempo. Es un proyecto que permite entrar directamente al mercado del hidrógeno y conseguir experiencia en la tecnología, dando credibilidad al hidrógeno y apostando por el futuro. Hay dos proyectos similares en Europa exitosos, el Coradia iLint alemán y el Breeze inglés. Posible financiación del Estado como programa de innovación, Alemania financió 8 M€ del iLint e Inglaterra financió 27 M€ del Breeze. España cuenta con una potencia instalada de energía renovable de 52.000 MW; con un total de 14 aerogeneradores y un electrolizador de 35 MW sería posible abastecer a toda la flota de CAF S-599 Hydrogen (50 unidades) con hidrógeno 100% renovable. Por tanto, una red ferroviaria sin emisiones directas e indirectas es posible, eliminando la dependencia de los combustibles fósiles en el sector.

En conclusión, la investigación proporciona evidencia de que la tracción ferroviaria de base hidrógeno es técnicamente viable, reduce el consumo de energía, disminuye las emisiones globales de gases de efecto invernadero, y no depende del petróleo. Por tanto, la hipótesis del proyecto (el hidrógeno es un portador de energía adecuado para la tracción ferroviaria autónoma) ha quedado demostrada.