Energía para trenes de pasajeros: cómo el hidrógeno puede revolucionar las operaciones ferroviarias en Europa

Tren con motor de hidrógeno Alstom
Copyright Alstom/Rene Frampe

Las células de combustible de hidrógeno son reconocidas como una de las claves de un futuro neutral en cuanto al carbono, y ese futuro es ahora.

Alimentar un tren de pasajeros con hidrógeno. Suena como algo sacado de una novela de ciencia ficción, pero en Europa, esto es ahora una realidad.

Los clientes de Cummins pueden depender de una variedad de tecnologías, desde diésel y gas natural hasta soluciones totalmente eléctricas y de hidrógeno. A medida que aumenta la demanda de transporte de cero emisiones, las tecnologías alternativas continúan siendo la solución adecuada para los clientes de todo el mundo. Las células de combustible de hidrógeno son reconocidas como una de las soluciones innovadoras necesarias para un futuro neutro en carbono, lo que genera energía suficiente para alimentar los trenes de pasajeros.

El fabricante de ferrocarriles franceses Alstom muestra cómo podría ser el desarrollo exitoso de un tren de hidrógeno como este. Alstom es uno de los primeros fabricantes de ferrocarriles del mundo en desarrollar un tren de pasajeros con base en dicha tecnología, con los primeros trenes en servicio regular en la ciudad de Bremervörde, en el norte de Alemania, y ahora Austria . El negocio de las células de combustible y las tecnologías del hidrógeno de Cummins, anteriormente conocido como Hydrogenics , suministró las pilas de combustible necesarias.

El comienzo del viaje

En 2015, Alstom seleccionó a Hydrogenics, ahora parte de Cummins, como un socio clave para desarrollar e implementar sistemas de células de combustible de hidrógeno para iLint, el primer tren de pila de combustible de hidrógeno del mundo. El tren fue visto por primera vez en la exposición InnoTrans en Berlín en 2016, con el primer Test Drive que tuvo lugar en Alemania al año siguiente. Con un rango de hasta 1000 kilómetros por cada tanque de hidrógeno abasteciéndose de combustible, el tren de la célula de gasolina coincide con las millas por el desempeño de abastecimiento de los trenes regionales convencionales, con menor impacto ambiental y niveles de ruido más bajos, a la vez que tiene una velocidad máxima de 140 kilómetros por hora.

Tren con motor de hidrógeno Alstom
Copyright Alstom/Rene Frampe

En lugar de usar el cableado de arriba, la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno es un enfoque alternativo para electrificar trenes de pasajeros utilizando la infraestructura ferroviaria existente. En este caso, los módulos de energía de pila de combustible de hidrógeno en la parte superior del vagón de tren están en el centro del sistema y proporcionan suficiente energía al combinar hidrógeno y oxígeno. Las células de combustible funcionan al extraer oxígeno del aire ambiente, mientras que los tanques de almacenamiento suministran la demanda de hidrógeno. Las pilas de combustible y los tanques de hidrógeno están montados en el techo del tren. Cuando está en movimiento, el tren de pasajeros alimentado por pilas de combustible solo emite vapor de agua, que es el único subproducto de la reacción de hidrógeno y oxígeno en la célula de combustible, una conversión de energía realmente limpia.

Desde el 2018 de septiembre, dos trenes con célula de combustible de hidrógeno han sido utilizados con éxito en el servicio comercial en el norte de Alemania, cada uno de los cuales está equipado con aproximadamente 150 asientos. Desde el próspero lanzamiento de los trenes de la célula de combustible de hidrógeno, cada vez más operadores ferroviarios han expresado interés en la alternativa libre de emisiones. Como resultado, Alstom anunció un ensayo en los países bajos, el cual probará más trenes impulsados por hidrógeno en la primavera de 2020. La primera producción en serie de 14 iLints, el tren con motor de hidrógeno de Alstom, comenzará a funcionar en 2021 en Baja Sajonia. Además, Alstom suministrará 27 trenes de hidrógeno hasta el final de 2022 para operaciones en la región del Rin-Meno. Hay interés de otros Estados federales alemanes y en otros países europeos de usar el tren para pistas no electrificadas. Con este tipo de movilidad, el fabricante francés es pionero a nivel mundial en la movilidad de las células de combustible en trenes de pasajeros y promotor activo de la movilidad sostenible.

El futuro es ahora

"Al brindar soluciones de células de combustible de hidrógeno para alimentar trenes de pasajeros en Europa, hemos probado nuestras capacidades en este campo y hemos probado nuestra capacidad de impulsar el éxito de nuestros clientes. Para cumplir con los cambiantes estándares regulatorios y los futuros objetivos ambientales y energéticos, entendemos que para nosotros y nuestros clientes tener éxito a largo plazo debemos tener una amplia cartera de productos impulsada por múltiples fuentes de energía. Proporcionar soluciones para células de combustible de hidrógeno nos está dando un paso más allá para satisfacer las necesidades cambiantes de nuestros clientes ", dijo Amy Adams, Vicepresidenta de tecnologías de combustible e hidrógeno.

De cara al futuro, el hidrógeno sigue siendo una tecnología prometedora, lo que permite una movilidad limpia para un porvenir más sostenible.
 

Edificio de oficinas de Cummins

Cummins Inc.

Cummins es un líder mundial en energía que diseña, fabrica, vende y ofrece servicios de diésel y motores de combustible alternativo de 2,8 a 95 litros, diésel y grupos electrógenos eléctricos con combustibles alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, además de componentes y tecnología relacionados. Cummins atiende a sus clientes a través de su red de 600 instalaciones de distribuidores independientes y propiedad de la compañía y más de 7, 200 centros de distribuidores en más de 190 países y territorios.

Mire ahora: cómo los vehículos eléctricos de pila de combustible están pavimentando el camino a cero

Cummins ofrece soluciones de movilidad que permiten a los clientes llegar del punto a al punto B. Pero a medida que la crisis climática continúa y las compañías globales giran para adoptar prácticas más sostenibles, ¿cómo ayudamos a los clientes a mover a las personas y las cosas con un mínimo de cero contaminantes o emisiones de gases de efecto invernadero (GHG)?

Una solución son los vehículos eléctricos de pila de combustible.

Los vehículos eléctricos con pilas de combustible (FCEVs) usan electricidad para suministrar energía a un motor eléctrico, de manera similar a todos los vehículos eléctricos (EVs). La diferencia en FCEVs es que la electricidad utilizada para alimentar el motor se produce utilizando pilas de combustible alimentadas por hidrógeno. Y a diferencia de los vehículos de motor de combustión interna convencionales (ICE), los FCEVs no producen emisiones perjudiciales de tubos de escape.

La clave para el éxito de FCEV es el hidrógeno. Cuando el hidrógeno se genera utilizando recursos renovables, como el solar y el viento, se convierte en una fuente de energía ecológica que puede usarse sin las emisiones directas de contaminantes atmosféricos.

Mire a continuación para obtener más información sobre cómo los vehículos eléctricos de celdas de combustible de Cummins ofrecen transporte limpio de emisiones cero, de pozo a volante.

El hidrógeno desempeña un papel importante en la misión de Cummins de descarbonizar la economía global. Continuamos invirtiendo en el avance de las tecnologías e infraestructura de hidrógeno y células de combustible para garantizar que la producción de hidrógeno sea más asequible y esté disponible en todo el mundo.

Con FCEVs con motor Cummins ya en camino, estamos en camino hacia Destination Zero .

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La presidenta de New Power de Cummins hace énfasis en la necesidad actual de descarbonizar en el Climate Hub de The New York Times

La presidenta de New Power de Cummins hace énfasis en la necesidad actual de descarbonizar en el Climate Hub de The New York Times

Amy Davis, Vicepresidenta y Presidenta de New Power, pintó una imagen de un sector de transporte descarbonizado con la ayuda de baterías eléctricas y de hidrógeno en el centro climático del New York Times en Glasgow, Escocia, a principios de este mes. Y aunque el debate entre varias soluciones de bajo y cero emisiones de carbono continúa en todo el mundo, instó a los gobiernos y las corporaciones a comenzar a hacer algo ahora, porque el carbono que sacó hoy, mañana y la próxima semana no se puede volver a tomar.

Cummins tiene más de 100 años de antigüedad y hemos estado impulsando todo tipo de aplicaciones comerciales. Una de las cosas que sabemos es que [transporte] es muy diversa, y creemos que no va a tomar una sola solución [para descarbonizarlo] "-Amy Davis, Presidenta de New Power

Paralelamente a la 2021 Conferencia de las Naciones Unidas sobre el cambio climático, COP26, el Climate Hub acogió su programa el foro. Durante más de nueve días, personas de todo el mundo sintonizaron 45 discusiones en vivo, debates y talleres que abordaron la creciente amenaza del cambio climático y qué medidas se pueden tomar para detenerlo.

La presencia de Davis en el foro fue solo uno de los numerosos compromisos e iniciativas que ocurrieron en Glasgow esa semana. El Presidente y CEO de Cummins, Tom Linebarger, también asistió a COP26, reuniéndose con gobiernos, líderes de la industria y medios de comunicación para abogar por el cambio de los combustibles fósiles a soluciones bajas y sin emisiones de carbono y demostrando cómo Cummins será parte de la transición energética.

Durante los días que condujeron a COP26 y al foro, Cummins fue aceptada en dos grupos influyentes que abogaban por la de acción climática.

El consenso a través de las conversaciones fue que es esencial avanzar hacia un mundo libre de carbono, pero ¿es más fácil decirlo que hacerlo? ¿Cómo hacemos que ocurra la descarbonización? ¿A qué se parece la descarbonización?

Durante el panel de transporte y movilidad tiempo y espacio: moviendo personas y bienes en un mundo libre de emisiones de carbono , Davis participó junto a Avinoash Rugoobur, Presidente de llegada; Laura Lane, Directora de asuntos corporativos de UPS; y Peter Vanacker, Presidente y CEO de Neste, todas las compañías de transporte y tecnología que mueven la industria hacia un futuro más limpio y más ecológico.

Vea la discusión completa a continuación como el reportero de clima de New York Times y moderador de panel, Brad Plumer, abre el piso a Davis para discutir por qué Cummins está alcanzando la descarbonización más allá de la mera electrificación, cómo los desafíos de infraestructura han influido en el hidrógeno en la movilidad y cómo los períodos transitorios conducen a la innovación en las soluciones del mercado de repuestos.

Mire el panel completo:

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Cummins es un líder mundial en energía que diseña, fabrica, vende y ofrece servicios de diésel y motores de combustible alternativo de 2,8 a 95 litros, diésel y grupos electrógenos eléctricos con combustibles alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, además de componentes y tecnología relacionados. Cummins atiende a sus clientes a través de su red de 600 instalaciones de distribuidores independientes y propiedad de la compañía y más de 7, 200 centros de distribuidores en más de 190 países y territorios.

¿Qué es una pila de combustible?

Las células de combustible son una tecnología clave para liberar nuestro futuro neutral en carbono

Las pilas de combustible no son nuevas. De hecho, la primera referencia a las células de combustible de hidrógeno aparece en 1838 en el número de diciembre de la revista filosófica de Londres y Edimburgo y Journal of Science . Casi 200 años después, el mundo está reconociendo las células de combustible como una tecnología clave para liberar un futuro neutral en cuanto al carbono.

Esto es lo que son, cómo funcionan y dos tipos de células de combustible en las que Cummins está invirtiendo.

¿Qué es una pila de combustible en términos simples?

Al igual que las baterías, las pilas de combustible son convertidores de energía, usan una reacción electroquímica para tomar la energía química almacenada en una fuente de combustible y convertirla en electricidad. A diferencia de las baterías, que contienen un suministro fijo de energía, las pilas de combustible no requieren recarga. Siempre que se suministre combustible continuamente a la célula de combustible, se producirá electricidad, agua y calor.

¿Cómo funciona una célula de combustible?

Una pila de combustible se compone de dos electrodos y una membrana electroelectrolítica. Los electrodos se denominan cátodo y un ánodo, y emparedan la membrana electrolito entre ellos. Dentro de ese sistema, se producen una serie de reacciones químicas para separar los electrones de las moléculas de combustible para crear energía.

El combustible, típicamente hidrógeno, se alimenta en el ánodo de un lado mientras que el oxígeno se alimenta al cátodo por el otro. En el ánodo, las moléculas de combustible de hidrógeno se separan en protones y electrones que viajarán por diferentes caminos hacia el cátodo. Los electrones atraviesan el circuito eléctrico, lo que crea el flujo de electricidad. Los protones viajan a través del electrolito al cátodo. Una vez en el cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones y con los protones para crear moléculas de agua.

Una pila de combustible es una fuente de energía limpia con los únicos subproductos que son la electricidad (energía), el calor y el agua. Una sola célula de combustible solo produce unos pocos vatios de energía; por lo tanto, varias pilas de combustible se pueden apilar juntas para crear una pila de pilas de combustible. Cuando se combina en pilas, la salida de las células de combustible puede variar considerablemente, desde unos pocos kilovatios de potencia hasta instalaciones de múltiples megavatios.

¿Qué combustibles se pueden usar en las pilas de combustible?

Las pilas de combustible ofrecen flexibilidad en el tipo de combustible que se puede utilizar. Si bien el hidrógeno es la fuente de combustible más común para las células de combustible (de ahí el nombre común, las células de combustible de hidrógeno), los combustibles ricos en hidrógeno, como el gas natural y el amoníaco, también son fuentes de combustible viables.

hidrógeno: Cuando se fabrica con electricidad renovable, como el solar, el viento y la hidroenergía, el hidrógeno es completamente descarbonizado y produce cero emisiones. Las células de combustible de hidrógeno (es decir, las células de combustible que son alimentadas por hidrógeno) producen energía, calor y agua y liberan dióxido de carbono u otros contaminantes en el aire.

gas natural: A medida que la producción generalizada de hidrógeno verde sigue en curso, el gas natural es actualmente el combustible más usado para alimentar las células de combustible. En este caso, las pilas de combustible no son completamente libres de emisiones, pero sí ofrecen emisiones significativamente más bajas que otros combustibles, como el petróleo y el carbón.

amoníaco: El amoníaco se usa más en la agricultura como fertilizante. Sin embargo, en los últimos años, varias compañías han estado trabajando para desarrollar de amoníaco ecológico. El amoníaco verde está hecho con hidrógeno que proviene de electrólisis de agua alimentada por energía alternativa, lo que lo convierte en otra opción para un combustible con bajo contenido de carbono.

¿En qué tipos de celdas de combustible invierte Cummins?

Hay seis tipos de células de combustible que están en desarrollo, cada una clasificada principalmente por el tipo de electrolito que emplean. Cada tipo de célula de combustible tiene sus propias ventajas, limitaciones y posibles aplicaciones. De los seis, Cummins ha reconocido el potencial en dos tipos de células de combustible: células de combustible de membrana de intercambio de protones y células de combustible de óxido sólido , y ha invertido en el avance de sus tecnologías y su aplicación.

células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM): También conocido como células de combustible de membrana electroelectrolítica de polímero, este tipo de pila de combustible utiliza un electrolito de polímero y funciona a temperaturas más bajas de alrededor de 80 grados centígrados. Las células de combustible PEM son más adecuadas para aplicaciones de energía móvil y de respaldo debido a su densidad de alta potencia y sus capacidades de arranque rápido.

células de combustible de óxido sólido (SOFCs): Los SOFCs usan un compuesto cerámico duro y no poroso como su electrolito y operan a altas temperaturas, hasta 1, 000 grados Celsius. Este tipo de célula de combustible es la más adecuada para aplicaciones estacionarias porque es altamente eficiente y flexible en cuanto a combustible. Además, el calor residual puede ser aprovechado y reutilizado para aumentar la eficiencia general del sistema.

¿Por qué invertir en pilas de combustible?

Ya son líderes en electrolitos PEM que producen hidrógeno verde a través de la electrólisis, estamos trabajando para hacer que el hidrógeno verde esté más disponible para su uso futuro en pilas de combustible. Cummins recibió una subvención del Departamento de energía de los EE. UU. para el avance de SOFCs y ha visto que nuestras células de combustible respaldan con éxito el funcionamiento de los vehículos eléctricos de la batería.

Las células de combustible pueden antepdar el comienzo de Cummins, pero no perdemos tiempo en descubrir cómo hacer avanzar su tecnología para crear un futuro con cero emisiones.

Edificio de oficinas de Cummins

Cummins Inc.

Cummins es un líder mundial en energía que diseña, fabrica, vende y ofrece servicios de diésel y motores de combustible alternativo de 2,8 a 95 litros, diésel y grupos electrógenos eléctricos con combustibles alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, además de componentes y tecnología relacionados. Cummins atiende a sus clientes a través de su red de 600 instalaciones de distribuidores independientes y propiedad de la compañía y más de 7, 200 centros de distribuidores en más de 190 países y territorios.

Video de estudio de caso: Electrolizador HyLYZER® PEM de Cummins en Bécancour, Quebec

El HyLYZER de Cummins en Bécancour, Quebec, Canadá, es el electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) más grande en funcionamiento en el mundo. Un nuevo estudio de caso en video resalta las innovadoras capacidades de producción de hidrógeno ecológico de la instalación, lo que lo convierte en un faro para un futuro con cero emisiones de carbono.

Mire a continuación:

Este sistema de electrolitos de 20 MW, encargado en enero e instalado en el centro de producción de hidrógeno de Air Liquide en Quebec, cuenta con tecnología líder en la industria, incluidos cuatro patines de electrolisis compactos y presurizados que se instalan dentro del edificio existente. Los sistemas son modulares y escalables, perfectos para aplicaciones de servicios públicos a gran escala.

A través de una rampa progresiva, el sistema HyLYZER de Cummins ahora está en pleno funcionamiento y puede producir hasta 8,2 toneladas de hidrógeno con bajo contenido de carbono al día, o casi 3, 000 toneladas de hidrógeno al año. Está alimentado por la red eléctrica de la región, que es abastecida en gran parte por energía hidroeléctrica renovable. Esto significa que el hidrógeno producido en la planta es "verde" y casi totalmente libre de carbono.

A través de esta producción de hidrógeno ecológico, la instalación está previniendo aproximadamente 27, 000 toneladas de emisiones de CO2 por año. Esto equivale a tomar 10, 000 autos alimentados por combustibles fósiles fuera de la carretera.

Desde su puesta en marcha, el sistema en Bécancour ha incrementado la capacidad de producción de hidrógeno de Air Liquide en un 50%, lo que les permite responder a la creciente demanda de combustible con bajo contenido de carbono en el mercado norteamericano para fines industriales y de movilidad.

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