Tren de hidrógeno

En el ámbito del transporte, el término genérico original (2003) "hidrail" incluye trenes de hidrógeno , unidades múltiples de emisión cero o ZEMU , términos genéricos que describen vehículos ferroviarios , grandes o pequeños, que utilizan combustible de hidrógeno a bordo como fuente de energía para alimentar los motores de tracción , o los auxiliares , o ambos. Los vehículos Hydrail utilizan la energía química del hidrógeno para la propulsión, ya sea quemando hidrógeno en un motor de combustión interna de hidrógeno o haciendo reaccionar el hidrógeno con oxígeno en una celda de combustible para hacer funcionar motores eléctricos , como el tren de celda de combustible de hidrógeno . El uso generalizado del hidrógeno para alimentar el transporte ferroviario es un elemento básico de la economía del hidrógeno propuesta . El término ha sido utilizado por investigadores y técnicos de todo el mundo. ^{[1] [2] [3] [4] [5] [6]}

Los vehículos Hydrail suelen ser vehículos híbridos con almacenamiento de energía renovable , como baterías o supercondensadores , para el frenado regenerativo , lo que mejora la eficiencia y reduce la cantidad de almacenamiento de hidrógeno necesaria. Las posibles aplicaciones de Hydrail incluyen todo tipo de transporte ferroviario : trenes de cercanías , trenes de pasajeros , trenes de carga , trenes ligeros , trenes de tránsito rápido , ferrocarriles mineros , sistemas ferroviarios industriales , tranvías y recorridos especiales en tren en parques y museos.

Se cree que el término hydrail se remonta al 22 de agosto de 2003, a partir de una presentación invitada en el Centro de Sistemas de Transporte Volpe del Departamento de Transporte de los EE. UU. en Cambridge, MA. ^[7] Allí, Stan Thompson, un ex futurista y planificador estratégico de la empresa de telecomunicaciones estadounidense AT&T, realizó una presentación titulada Mooresville Hydrail Initiative. ^[8] Sin embargo, según los autores Stan Thompson y Jim Bowman, el término apareció impreso por primera vez el 17 de febrero de 2004 en el International Journal of Hydrogen Energy como una palabra de destino de motor de búsqueda para permitir que los académicos y técnicos de todo el mundo que trabajan en el área del ferrocarril de hidrógeno publiquen y localicen más fácilmente todo el trabajo producido dentro de la disciplina. ^[9]

Desde 2005 se han celebrado anualmente las Conferencias Internacionales sobre Hydrail. Organizadas por la Appalachian State University y la Cámara de Comercio de Mooresville South Iredell, junto con universidades y otras entidades, las Conferencias tienen como objetivo reunir a científicos, ingenieros, líderes empresariales, expertos industriales y operadores que trabajan o utilizan la tecnología en todo el mundo con el fin de acelerar el despliegue de la tecnología por razones medioambientales, climáticas, de seguridad energética y de desarrollo económico. Entre los presentadores de estas conferencias se han incluido agencias nacionales y estatales/provinciales de los EE. UU., Austria, Canadá, China, Dinamarca, la UE, Alemania, Francia, Italia, Japón, Corea, Rusia, Turquía, el Reino Unido y las Naciones Unidas (ONUDI-ICHET). ^{[ cita requerida ]} En sus primeros años, estas conferencias estaban dominadas en gran medida por los campos académicos; sin embargo, en 2013, se informó de que un número cada vez mayor de empresas y figuras industriales habían asistido. ^[10]

Durante la década de 2010, varios operadores de transporte de varios países, como China, Alemania, Japón, Taiwán, el Reino Unido y los Estados Unidos, han adoptado tanto las pilas de combustible como los equipos de generación de hidrógeno. Muchas de las mismas tecnologías que se pueden aplicar a los vehículos hidráulicos también se pueden aplicar a otras formas de transporte, como los vehículos de carretera. ^{[10] [8]}

El hidrógeno es un elemento común y fácil de encontrar , dado que cada molécula de agua tiene dos átomos de hidrógeno por cada átomo de oxígeno presente. ^[10] El hidrógeno se puede separar del agua a través de varios medios, incluido el reformado con vapor (que normalmente implica el uso de combustibles fósiles ) y la electrólisis (que requiere grandes cantidades de electricidad y se usa con menos frecuencia). Una vez aislado, el hidrógeno puede servir como una forma de combustible. ^[10] Se ha propuesto que el hidrógeno para alimentar vehículos hidráulicos se puede producir en depósitos de mantenimiento individuales, lo que requiere solo un suministro constante de electricidad y agua; luego se puede bombear a tanques presurizados en el vehículo. ^[10]

El desarrollo de pilas de combustible más ligeras y con mayor capacidad ha aumentado la viabilidad de los vehículos propulsados ​​por hidrógeno. Según la empresa canadiense Hydrogenics, en 2001, su pila de combustible de 25 kW pesaba 290 kg y tenía una eficiencia que oscilaba entre el 38 y el 45 por ciento; sin embargo, en 2017, estaban produciendo pilas de combustible más potentes y compactas que pesaban 72 kg y tenían una eficiencia de entre el 48 y el 55 por ciento, un aumento de aproximadamente cinco veces en la densidad de potencia. ^[10] Según Rail Engineer, el uso de propulsión de hidrógeno en ciertos tipos de trenes, como locomotoras de carga o trenes de alta velocidad, es menos atractivo y más desafiante que en aplicaciones de menor potencia, como locomotoras de maniobras y unidades múltiples. ^[10] La publicación también observa que es probable que la presión para reducir las emisiones dentro de la industria ferroviaria desempeñe un papel en estimular la demanda de la adopción de hydrail. ^[10]

Una tecnología clave de un sistema típico de propulsión de hidrógeno es la pila de combustible . Este dispositivo convierte la energía química contenida en el hidrógeno para generar electricidad, así como agua y calor. ^[10] Como tal, una pila de combustible funcionaría de una manera que es esencialmente inversa al proceso de electrólisis utilizado para crear el combustible; consumiendo hidrógeno puro para producir electricidad en lugar de consumir energía eléctrica para producir hidrógeno, aunque incurriendo en cierto nivel de pérdidas de energía en el intercambio. ^[10] Según se informa, la eficiencia de convertir electricidad en hidrógeno y viceversa es de poco menos del 30 por ciento, aproximadamente similar a los motores diésel contemporáneos pero menor que la tracción eléctrica convencional que utiliza cables catenarios aéreos . La electricidad producida por la pila de combustible a bordo se alimentaría a un motor para propulsar el tren. ^[10] Los costos de electrificación de cables aéreos son de alrededor de 2 millones de euros / km, por lo que la electrificación no es una solución rentable para rutas con poco tráfico, y las soluciones de baterías e hidrorail pueden ser alternativas. ^[11]

La publicación industrial ferroviaria Railway Engineer ha teorizado que la creciente prevalencia de la energía eólica ha llevado a algunos países a tener excedentes de energía eléctrica durante las horas nocturnas, y que esta tendencia podría ofrecer un medio de energía de bajo costo y altamente disponible con el que el hidrógeno podría producirse convenientemente a través de electrólisis. ^[10] Por lo tanto, se cree que la producción de hidrógeno utilizando electricidad fuera de las horas pico disponible en las redes eléctricas de los países será una de las prácticas más económicas disponibles. A partir de enero de 2017, el hidrógeno producido a través de electrólisis comúnmente cuesta aproximadamente lo mismo que el gas natural y cuesta casi el doble del precio del combustible diésel; sin embargo, a diferencia de cualquiera de estos combustibles fósiles, la propulsión de hidrógeno produce cero emisiones de vehículos. ^[10] Un informe de la Comisión Europea de 2018 afirma que si el hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor , las emisiones de los trenes hidráulicos son un 45% más bajas que las de los trenes diésel. ^[11]

Según Rail Engineer y Alstom, un parque eólico de 10 MW es capaz de producir cómodamente 2,5 toneladas de hidrógeno al día, suficiente para alimentar una flota de 14 trenes iLint a lo largo de una distancia de 600 km al día. ^[10] Según se informa, a partir de enero de 2017, la producción de hidrógeno en todo el mundo ha aumentado en cantidad y disponibilidad, lo que ha aumentado su atractivo como combustible. Es probable que la necesidad de construir una red de distribución capaz de suministrar hidrógeno, que a su vez requiere inversiones sustanciales, desempeñe un papel en la restricción del crecimiento del hidrógeno al menos en el corto plazo. ^[10]

Railway Technology observó que la industria ferroviaria ha sido históricamente lenta en adoptar nuevas tecnologías y relativamente conservadora en sus perspectivas; sin embargo, una implementación exitosa a gran escala de esta tecnología por parte de un adoptante temprano puede ser decisivo para superar las actitudes de renuencia y tradicionalismo. ^[8] Además, podría haber beneficios significativos en la transición de la propulsión diésel a la hidráulica. Según los resultados de un estudio realizado por un consorcio de Hitachi Rail Europe , la Universidad de Birmingham y Fuel Cell Systems Ltd, los vehículos hidráulicos en forma de unidades múltiples diésel repotenciadas podrían ser capaces de generar reducciones significativas en el consumo de energía; según se informa, su modelo indicó un ahorro de hasta el 52 por ciento en la línea Norwich a Sheringham en comparación con la tracción convencional. ^[10] Un paso intermedio que utiliza tecnología familiar para el ferrocarril es quemar una mezcla de diésel e hidrógeno en motores convencionales, aunque esto no es de emisión cero, el objetivo final. ^[12]

Un hidrocarril es un término que designa a un tranvía o tranvía impulsado por tecnología hidráulica. El término (para tranvía de hidrógeno ) fue acuñado en la Cuarta Conferencia Internacional de Hidrail, Valencia, España, en 2008, como una palabra clave para simplificar la investigación en los motores de búsqueda. La energía derivada del hidrógeno a bordo elimina la necesidad de brazos elevados de tranvía y la electrificación de las vías, lo que reduce en gran medida el costo de construcción, reduce la contaminación visual y elimina el gasto de mantenimiento de la electrificación de las vías. El término "hidrocarril" se prefiere a "tren ligero hidráulico" u otras combinaciones que podrían connotar electrificación externa. ^{[ cita requerida ]}

El hidrógeno es combustible en una amplia gama (4%–74%) de mezclas con aire, y explosivo en 18–59%. ^[13]

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• En 2002, se realizó una demostración de la primera locomotora minera de 3,6 toneladas y 17 kW impulsada por hidrógeno, impulsada por celdas de combustible Nuvera para Placer Dome en Val-d'Or , Quebec . ^[14]
• En abril de 2006 se desarrolló el primer vagón hidráulico del mundo, desarrollado por East Japan Railway Company . ^{[15] [10]}
• En octubre de 2006, el Instituto de Investigación Técnica Ferroviaria de Japón realizó pruebas en un tren hidráulico de pila de combustible, un tren interurbano de 70 toneladas propulsado por pilas de combustible Nuvera. ^[16]
• En abril de 2007, el minihidráulico de la alianza entre el Museo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán y la Asociación de Pilas de Combustible de Taiwán realizó su primer recorrido educativo. ^[17]
• En 2007, el Instituto de Investigación Técnica Ferroviaria de Japón construyó dos vagones de pasajeros de 62 toneladas, cada uno con una pila de combustible PEM de 450 kW y una batería de 150 kW. ^[18]
• En 2008, la East Japan Railway Company de Japón probó su tren híbrido experimental " NE Train ", equipado con dos celdas de combustible PEM de 65 kW y baterías de iones de litio de 19 kWh, durante un breve período en el área de Nagano. ^{[ cita requerida ]}
• En 2009, BNSF Railway presentó su Vehicle Projects HH20B , una locomotora de maniobras impulsada por celdas de combustible de hidrógeno y desarrollada en conjunto con el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. y Vehicle Projects Inc. ^[19] Según se informa, realizó su primer recorrido durante 2010. ^[10]
• En 2010, se propuso una línea hidráulica de alta velocidad de 357 kilómetros (222 millas) en Indonesia. ^[20] El enlace ferroviario, actualmente en estudio de factibilidad, conectaría varias ciudades de Java con un sistema de levitación magnética impulsado por hidrógeno. ^{[21] [22]}
• En 2011, FEVE y la Universidad de Valladolid (CIDAUT) pusieron en marcha el FC Tram H
  ₂Proyecto en Asturias utilizando un FABIOLOS serie 3400 reconvertido de SNCV . ^{[23] [10]} Puede transportar hasta 30 pasajeros con una velocidad máxima de 20 km/h.
• Durante 2012, el Proyecto del Tren de Hidrógeno en Dinamarca comenzó sus esfuerzos para desarrollar y construir el primer tren propulsado por hidrógeno de Europa utilizando hidrógeno en un motor de combustión interna . ^{[24] [25]}
• En 2012, el mini-hidráulico Hydrogen Pioneer Train de la Universidad de Birmingham , un tren motriz a escala para pruebas de configuración. ^{[26] [27]}
• Entre 2012 y 2014, se realizaron pruebas del concepto de hydrail en China . ^[28] En noviembre de 2010, la Universidad Jiaotong del Suroeste demostró su primer prototipo de hydrail. ^[29]
• Durante 2012, Anglo American Platinum (Amplats) en Sudáfrica y Vehicle Projects Inc. lanzaron cinco locomotoras PEMFC Trident de nueva generación en la mina Dishaba con almacenamiento reversible de hidruro metálico para realizar pruebas. ^{[30] [31]}
• En 2014, los estados alemanes de Baja Sajonia , Renania del Norte-Westfalia , Baden-Württemberg y las autoridades de transporte público de Hesse firmaron una carta de intenciones con Alstom Transport para realizar pruebas con dos trenes Alstom Coradia de pila de combustible hasta 2018. ^[32]
• Durante 2015, la Universidad de Warwick comenzó a trabajar en una locomotora impulsada por hidrógeno. ^{[ cita requerida ]} Ese mismo año, entró en servicio el tranvía Downtown Oranjestad en Aruba ; el Downtown Dubai Trolley Project está destinado a entrar en servicio alrededor de Burj Khalifa y el Dubai Mall en Dubai . ^[33] En 2015, CSR Sifang Co Ltd. mostró su primer tranvía de 380 pasajeros en Qingdao , China. ^[34]
• En septiembre de 2016, Alstom presentó su nuevo tren iLint, producido en su fábrica de Salzgitter . En noviembre de 2017, la autoridad de transporte local del estado de Baja Sajonia encargó una flota inicial de 14 iLint. Las pruebas y la aprobación por parte de la Autoridad Federal de Ferrocarriles de Alemania, Eisenbahn-Bundesamt, comenzaron a fines de 2016. ^[35]
• 2016 – CRRC TRC (Tangshan) desarrolló el primer tranvía híbrido de celda de combustible comercial del mundo y completó su primera prueba en la operación de demostración de turismo industrial de Nanhu en 2017.
• 2018 – Un par de prototipos de trenes Ilint entrarán en servicio regular en la región Buxtehude–Bremervörde–Bremerhaven–Cuxhaven. Schleswig-Holstein pretende electrificar la totalidad de su red de 1.100 km utilizando una flota de 60 vehículos iLint hydrail para 2025. ^[8] A partir de enero de 2018, está previsto que todos los vehículos se mantengan en un depósito en Bremervorde, que será el primer depósito de reabastecimiento de trenes de hidrógeno del mundo; el hidrógeno se generará en el lugar utilizando turbinas eólicas locales. ^[10]
• En septiembre de 2017, Alstom propuso una prueba de un tren propulsado por pilas de combustible de hidrógeno en la nueva línea de Liverpool a Chester en Inglaterra , cuya inauguración está prevista para diciembre de 2018. Alstom tiene una nueva instalación en Halebank , en el límite de Liverpool, adyacente a la línea, con hidrógeno disponible de la cercana refinería de Stanlow . ^[36]
• En marzo de 2018, el gobierno del estado de Sarawak en Malasia propuso que el sistema de tren ligero de Kuching funcionara con pilas de combustible de hidrógeno y se espera que esté terminado en 2024. ^[37] Sin embargo, en septiembre de 2018, el Ministro Principal de Sarawak anunció que el proyecto había sido suspendido, alegando que se necesitaban los fondos en otra parte. ^[38]
• En junio de 2019, East Japan Railway Company anunció que está invirtiendo en el desarrollo de un tren de dos vagones utilizando tecnología de celdas de combustible de hidrógeno de Toyota , con la esperanza de comenzar las pruebas en 2021 y tener una tecnología comercialmente viable lista para 2024. Toyota ha estado utilizando tecnología de celdas de combustible en los vagones Mirai . ^[39]
• En noviembre de 2019, el primer tren de pila de combustible de hidrógeno en los Estados Unidos fue encargado al fabricante suizo Stadler Rail para el servicio en el servicio ferroviario de cercanías Arrow , que pronto se inaugurará entre Redlands, California , y San Bernardino, California . ^[40]
• El 17 de marzo de 2021, la Compañía de Ferrocarriles Franceses anunció que 15 unidades de la línea Caen - Alençon - Le Mans - Tours (noroeste de Francia ) circularán en los próximos 5 años. La línea se operará exclusivamente con trenes diésel (X 72500 y XGC ). ^[41]
• En abril de 2021, la compañía ferroviaria francesa Alstom encargó 14 Hydrail (2 de ellos opcionales) por un importe de 200 millones de euros. Los trenes estarán en funcionamiento en 2025 en 4 regiones ( Auvernia-Ródano-Alpes , Borgoña-Franco Condado , Gran Este y Occitania ). ^[42] Estos trenes tienen una autonomía de 600 km sin emisiones directas _de CO2 . ^[43]
• En septiembre de 2022, Caltrans y CalSTA hicieron un pedido de 29 trenes de pila de combustible de hidrógeno (4 de ellos en el pedido oficial y 25 serán opcionales) de Stadler. Estos trenes se utilizarán en los servicios de Amtrak en California. ^[44]
• Locomotoras de hidrógeno : BNSF , Caterpillar , Progress Rail y Chevron se asociaron en 2021 para desarrollar un prototipo de locomotora con pila de combustible de hidrógeno . ^{[45] [46]} CSX y Canadian Pacific se asociaron en 2023 para desarrollar kits de conversión de hidrógeno para adaptar las locomotoras diésel al hidrógeno. ^[47]
• El servicio ferroviario de cercanías Valley Link propuesto en el norte de California planea utilizar trenes de hidrógeno de cero emisiones para sus operaciones. ^{[48] [49]}

En septiembre de 2018, entró en servicio en Baja Sajonia ( Alemania) el primer tren de pasajeros comercial del mundo propulsado por hidrógeno . El tren, desarrollado por Alstom, utiliza una pila de combustible de hidrógeno que no emite dióxido de carbono . ^[50] En agosto de 2022, se inauguró en Bremervörde (Baja Sajonia) la primera línea ferroviaria totalmente operada por trenes propulsados ​​por hidrógeno, donde los 15 trenes diésel de la ruta están siendo reemplazados gradualmente. ^[51]

En octubre de 2022, el estado alemán de Baden-Württemberg anunció que no consideraría seguir utilizando trenes de hidrógeno, ya que un estudio que encargó determinó que eran hasta un 80% más caros que los trenes eléctricos alimentados por baterías o cables aéreos. ^[52]

• Locomotora ferroviaria propulsada por ciclo combinado
• Vehículo de hidrógeno
• Planta de energía de pila de combustible de hidrógeno
• Lista de vehículos de pila de combustible
• Cronología de las tecnologías del hidrógeno

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Hydrail .

• Proyecto HyRail del Sexto Programa Marco de la UE Archivado el 31 de enero de 2009 en Wayback Machine.
• Hydrail.org Universidad Estatal de los Apalaches