Trens a célula de combustível de hidrogênio avançam à toda a velocidade

Poland Train Debut
O Coradia iLint da Alstom está chegando à estação como o primeiro trem de passageiros de célula de combustível a hidrogênio da Polônia

A mais recente parada: Polônia

A economia verde está sempre evoluindo, e mudar a forma como abordamos o transporte de passageiros é parte dessa evolução. Temos visto os ônibus da cidade elétrica e veículos de passageiros híbridos ganham popularidade crescente, mas e as ferrovias?

Os fabricantes de trem de passageiros buscam células de combustível de hidrogênio e a Cummins para fornecer energia para emissões zero para ferrovias em todo o mundo. A fabricante ferroviária francesa Alstom é líder mundial em mobilidade verde e inteligente e está entre as primeiras a desenvolver trens de passageiros movidos a combustível de hidrogênio. Ele introduziu o primeiro hidail de passageiros do mundo *, o Coradia iLint, que está fazendo sua parada mais recente na Polônia.

O Coradia iLint é movido por módulos de célula de combustível da Cummins que funcionam com hidrogênio. Esses módulos são projetados para transformar a infraestrutura existente não eletrificada em linhas ferroviárias de emissões zero. Após uma demonstração de teste inicial na Alemanha em 2017 que cobriu mais de 180, 000 km, o Coradia iLint tem executado demonstrações em toda a Áustria, Países Baixos e França . Tem sido em serviço comercial de sucesso desde 2018. Em 2021, o Coradia iLint na Alemanha ganhou o European Railway Award como o primeiro trem de passageiros de hidrogênio na operação da linha principal.

Mais recentemente, o hydrail fez sua estréia na pista de testes do Railway Research Institute em Żmigród, perto de Wrocław, na Polônia. As equipes da Alstom apresentaram o hydrail a uma variedade de partes interessadas locais, incluindo operadores regionais, autoridades de transporte, tomadores de decisão governamentais e líderes de mídia. A Alstom destacou o potencial do Coradia iLint como um sistema de transporte sustentável e viável na Polônia. A vitrine seguiu o anúncio do plano de recuperação nacional da Polônia, que inclui provisões para a introdução de 30 trens de baixa emissão para os operadores regionais poloneses por 2026.

Com a Cummins como parceira fundamental no desenvolvimento e implementação de sistemas de células a combustível de hidrogênio para a Coradia iLint da Alstom, estamos demonstrando nossa capacidade de oferecer aos clientes as soluções certas no momento certo.

*Hydrail: o termo genérico usado para descrever qualquer veículo ferroviário, independentemente do tamanho, movido a tecnologia de hidrogênio

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A Cummins é líder mundial em energia que projeta, fabrica, vende e comercializa motores diesel e de combustível alternativo de 2,8 a 95 litros, grupos geradores elétricos movidos a diesel e alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, bem como componentes e tecnologia relacionados. A Cummins atende a seus clientes por meio de sua rede de 600 instalações de distribuidores independentes e de propriedade da empresa e mais de 7, 200 locais de revendedores em mais de 190 países e territórios.

O que é uma célula de combustível?

Fuel cells are a key technology to unlocking our carbon-neutral future

As células de combustível não são novas. De fato, a primeira referência a células de combustível de hidrogênio aparece em 1838 na edição de dezembro da a revista filosófica London and Edinburgh e Journal of Science . Quase 200 anos depois, o mundo está reconhecendo as células de combustível como uma tecnologia chave para desbloquear um futuro neutro em carbono.

Veja o que eles são, como funcionam e dois tipos de célula de combustível em que a Cummins está investindo.

O que é uma célula de combustível em termos simples?

Assim como as baterias, as células de combustível são conversores de energia-eles usam uma reação eletroquímica para tomar a energia química armazenada em uma fonte de combustível e convertê-la em eletricidade. Ao contrário das baterias, que contêm um suprimento fixo de energia, as células de combustível não exigem recarga. Desde que o combustível seja continuamente fornecido à célula de combustível, a eletricidade, a água e o calor serão produzidos.

Como funciona uma célula de combustível?

Uma célula de combustível é composta de dois eletrodos e uma membrana de eletrólitos. Os eletrodos são chamados de cátodo e anodo, e fazem o sanduíche da membrana de eletrólitos entre eles. Dentro desse sistema, uma série de reações químicas ocorre para separar os elétrons das moléculas de combustível para criar energia.

O combustível, tipicamente hidrogênio, é alimentado no ânodo de um lado, enquanto o oxigênio é alimentado no cátodo do outro. No anode, as moléculas de combustível de hidrogênio são separadas em prótons e elétrons que viajarão por caminhos diferentes em direção ao cátodo. Os elétrons atravessam o circuito elétrico, criando o fluxo de eletricidade. Os prótons viajam através do eletrólito para o cáodo. Uma vez no cátodo, as moléculas de oxigênio reagem com os elétrons e com os prótons para criar moléculas de água.

Uma célula de combustível é uma fonte de energia limpa, com os únicos subprodutos sendo eletricidade (potência), calor e água. Só uma única célula de combustível produz alguns watts de potência; Portanto, várias células de combustível podem ser empilhadas juntas para criar uma pilha de célula de combustível. Quando combinadas em pilhas, a saída de células de combustível pode variar muito, a partir de apenas alguns quilowatts de potência para instalações de vários megawatt.

Quais combustíveis podem ser usados em células de combustível?

As células de combustível oferecem flexibilidade no tipo de combustível que pode ser usado. Embora o hidrogênio seja a fonte de combustível mais comum para as células de combustível (daí o nome comum, as células a combustível de hidrogênio), os combustíveis ricos em hidrogênio, como o gás natural e a amônia, também são fontes de combustível viáveis.

hidrogênio: Quando produzido usando eletricidade renovável – como solar, eólica e hidroelétrica – o hidrogênio é completamente descarbonizado e produz emissões zero. As células de combustível de hidrogênio (ou seja, células de combustível alimentadas por hidrogênio) produzem energia, calor e água e não liberam dióxido de carbono ou outros poluentes no ar.

gás natural: À medida que a produção generalizada de hidrogênio verde ainda está em andamento, o gás natural é atualmente o combustível mais usado para células de combustível de alimentação elétrica. Nesse caso, as células de combustível não são totalmente livres de emissões, mas oferecem emissões significativamente mais baixas que outros combustíveis, como petróleo e carvão.

amônia: A amônia é mais usada na agricultura como fertilizante. No entanto, nos últimos anos, várias empresas têm trabalhado para desenvolver de amônia verde. A amônia verde é feita com hidrogênio que vem da eletrólise da água com energia alternativa, tornando-se outra opção para um combustível com baixo teor de carbono.

Quais tipos de células de combustível a Cummins está investindo?

Existem seis tipos de células de combustível que estão em desenvolvimento, cada uma classificada principalmente pelo tipo de eletrólitos que empregam. Cada tipo de célula de combustível tem suas próprias vantagens, limitações e aplicações potenciais. Dos seis, a Cummins reconheceu o potencial em dois tipos de células de combustível-células de combustível de membrana de troca de prótons e células de combustível de óxido sólido -e investiu no avanço de suas tecnologias e em sua aplicação.

células de combustível Proton Exchange (PEM): Também chamada de células de combustível de eletrólitos de polímero, este tipo de célula de combustível usa um eletrólito de polímero e opera a temperaturas mais baixas em torno de 80 graus Celsius. As células de combustível PEM são mais adequadas para aplicações de energia móvel e de back-up devido à sua alta densidade de potência e aos seus recursos de partida rápida.

células de combustível de óxido sólido (SOFCs): Os SOFCs usam um composto cerâmico rígido e não poroso como seu eletrólito e operam a altas temperaturas, tão altas quanto 1, 000 graus Celsius. Este tipo de célula de combustível é mais adequado para aplicações estacionárias porque é altamente eficiente e flexível em termos de combustível. Além disso, o calor do desperdício pode ser aproveitado e reutilizado para aumentar a eficiência geral do sistema.

Por que investir em células de combustível?

Já líderes em eletrízers PEM que produzem hidrogênio verde por meio de eletrólise, estamos trabalhando para tornar o hidrogênio verde mais prontamente disponível para uso futuro em células de combustível. A Cummins foi premiada com um subsídio do departamento de energia dos EUA para o avanço da SOFCs e viu nossas células de combustível apoiarem com sucesso a operação de veículos elétricos de bateria.

As células de combustível podem preceir o início da Cummins, mas não estamos perdendo tempo descobrindo como avançar sua tecnologia para criar um futuro com emissões zero.

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Estudo de caso em vídeo: Cummins HyLYZER® PEM electrolyzer em Bécancour, Quebec

O Cummins HyLYZER em Bécancour, Quebec, Canadá, é o maior eletryzer membrana de troca de prótons (PEM) em operação no mundo. Um novo estudo de caso de vídeo destaca os recursos inovadores de produção de hidrogênio verde da instalação, tornando-o um farol para um futuro com zero carbono.

Veja abaixo:

Encomendado em Janeiro e instalado nas instalações de produção de hidrogênio da Air Liquide em Quebec, este sistema de eletryzer de 20 MW apresenta tecnologia líder do setor, incluindo quatro patins de eletryzer compactos e pressurizados equipados dentro do edifício existente. Os sistemas são modulares e escaláveis, perfeitos para aplicações de serviços públicos de grande escala.

Por meio de uma rampa em fases, o sistema HyLYZER da Cummins está agora em plena operação e pode produzir até 8,2 toneladas de hidrogênio com baixo teor de carbono por dia – ou quase 3, 000 toneladas de hidrogênio por ano. É alimentado pela rede elétrica da região, que é amplamente fornecida por energia hidrelétrica renovável. Isso significa que o hidrogênio produzido na fábrica é "verde" e quase totalmente livre de carbono.

Por meio desta produção de hidrogênio verde, a instalação está impedindo aproximadamente 27, 000 toneladas de emissões CO2 por ano. Isso equivale a levar 10, 000 carros movidos a fósseis para fora da estrada.

Desde o seu comissionamento, o sistema em Bécancour aumentou a capacidade de produção de hidrogênio da Air Liquide em 50%, permitindo que eles respondessem à demanda crescente por combustível de baixo carbono no mercado norte-americano para fins industriais e de mobilidade.

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Um quarteirão da cidade construído com energia renovável abre em Esslingen, Alemanha

Cummins electrolyzers power climate-neutral urban district

Em todo o mundo estão renomados bairros urbanos-cidades dentro de cidades que capturam os corações dos viajantes com sua rica história e arquitetura. Nova Orleans tem o histórico French Quarter, Cuba tem nova Havana e agora a Esslingen, na Alemanha, tem o primeiro bairro urbano em grande parte neutro em termos climáticos com motor da Cummins eletryzers.

Este bairro urbano é considerado um projeto de "Farol", um projeto de pequena escala, mas de grande imagem que servirá como modelo-ou farol-para projetos similares no futuro. Desenvolvido por cientistas em Esslingen e Stuttgart e financiado pelo Ministério Federal da economia e da tecnologia da Alemanha e pelo Ministério Federal de educação e pesquisa, este projeto Lighthouse combina a tecnologia de hidrogênio e a energia fotovoltaica para criar um centro de energia que conecta totalmente todos os aspectos da infraestrutura com a vida cotidiana urbana.

Chamado Neue Weststadt (que se traduz em New West Town), o trimestre recém-inaugurado abrange 100, 000 metros quadrados com mais de 450 apartamentos, edifícios de escritórios e espaço comercial. Um bairro da cidade deste calibre nunca foi tentado antes e é um marco histórico para uma vida neutra em termos climáticos. Foram três anos na tomada de transformação de um antigo estaleiro de frete no futuro projeto para centros urbanos de emissões quase zero.

Para tornar possível a nova Weststadt e a neutralidade do clima, o trimestre precisava integrar a tecnologia de hidrogênio solar para uso no desenvolvimento urbano para alcançar um suprimento de energia que deve causar zero emissões que prejudicam o clima e reduzir o consumo de energia sem reduzir o conforto de vida.

Lifting the Cummins HySTAT® 100-10 into the underground energy center
Levantamento do Cummins HySTAT® 100-10 no centro de energia subterrânea | © Hidrogênio verde Esslingen GmbH

Energizando o coração de Esslingen

A energia fotovoltaica (PV) é a raiz do suprimento de energia renovável do trimestre. Os sistemas PV são compostos de um ou mais painéis solares combinados com um inversor e um hardware elétrico e mecânico adicional para aproveitar a energia do sol para gerar eletricidade. Esses painéis estão posicionados nos telhados dos edifícios em Nova Weststadt e funcionarão em conjunto com o coração do centro de energia do trimestre-os eletrízers da Cummins.

Encomendado em maio, essa instalação de nossos eletrízers foi única desde o início. O HySTAT® 100-10 é tipicamente usado para projetos de eletryzer indoor, mas para New Weststadt, nós instalamos os dois sistemas de eletryzer no porão inferior do centro de energia. Isso exigiu elementos de projeto exclusivos para zoneamento de hidrogênio, acesso ao porão e instalação da linha de respiro fora do porão para atender aos padrões de segurança. A Cummins se adaptou a esses desafios e foi capaz de instalar os sistemas de eletryzer no porão antes do fechamento do telhado do porão.

Cummins electrolyzer stack
Pilha de eletrizer da Cummins | © Maximilian Kamps, agência Blumberg GmbH

O Energy Center está localizado no meio da nova Weststadt e foi construído como uma estrutura subterrânea para atender aos requisitos de planejamento urbano. Os dois eletrízers HySTAT® 100-10 têm utilidades em patins separados (ar de instrumento, osmose reversa). Eles são integrados com o gerenciamento de calor para recuperar o excesso de calor do processo de eletrólise e com o gerenciamento elétrico para regular a produção do H2 da energia fotovoltaica.

Tomando o excedente de energia renovável dos sistemas PV e da geração supra regional, os eletrízers criarão hidrogênio verde por meio de eletrólise. O excesso de calor gerado pelo processo de eletrólise é capturado e recolocado no fornecimento de energia, enquanto o verde H2 é armazenado para uso posterior de acordo com as demandas de energia do trimestre.

Conexão de energia, calor, resfriamento e mobilidade

A conexão do trimestre com o setor de eletricidade, aquecimento, resfriamento e mobilidade é toda combinada em nível local. A infraestrutura cruzada cobre a demanda de aquecimento e água quente nos edifícios e fornece energia de resfriamento no verão por meio de sistemas de resfriamento de absorção.

A energia armazenada do processo de eletrólise pode ser convertida de forma rápida e fácil na eletricidade em usinas de calor e energia combinadas. O hidrogênio produzido também será alimentado na rede de gás natural do trimestre para contribuir para a descarbonização do setor de gás. Há também planos futuros para construir uma estação de enchimento H2 e uma estação de alimentação elétrica no local.

O fornecimento de energia vinculado é importante para o desenvolvimento urbano sustentável e de longo prazo. Este distrito climático está projetado para produzir 85 toneladas de hidrogênio por ano. Uma parte desse hidrogênio será armazenada para uso como potência para o trimestre, enquanto o restante será carregado em reboques de hidrogênio e transportado para clientes no setor de transporte industrial ou público na Alemanha.

Todos os aspectos deste bairro urbano praticamente neutro em termos de clima foram projetados para funcionar como um sistema holístico através do Energy Center e monitorado usando uma rede de informações digitais e um sistema de gestão de energia (EMS). O EMS destina-se a aumentar a autosprovisão de energias renováveis localizadas, ao mesmo tempo em que interage com a rede elétrica do trimestre de forma energeticamente eficiente e minimiza as emissões de CO2.

Um projeto para o futuro da vida neutra em termos climáticos

O primeiro dos edifícios de apartamentos foi concluído dois anos antes da inauguração oficial de Neue Weststadt, e os moradores já começaram a viver em suas novas casas, com clima neutro.

O transporte público local está sendo redesenhado para substituir os ônibus diesel existentes por ônibus híbridos elétricos, uma ampla gama de estações de carregamento públicas e semipúblicas para veículos elétricos está sendo instalada e estão sendo feitos preparativos para uma segunda expansão para construir uma estação de enchimento H2.

An aerial view shows the photovoltaics installed on the rooftops of Neue Weststadt buildings | Nw_Luftbild_Innenhof-Bela
Uma visão aérea mostra a energia fotovoltaica instalada nos telhados dos edifícios Neue Weststadt | © Maximilian Kamps, agência Blumberg GmbH

O projeto Klimaquartier Neue Weststadt desenvolveu-se em um bairro urbano verdadeiramente único e agora é um farol e um modelo para futuros bairros urbanos neutros em termos climáticos. A abertura oficial em 22 de junho foi apenas o início, e estamos empolgados para ver como uma comunidade construída com base em energias renováveis influenciará, sem dúvida, o futuro da vida neutra em termos climáticos.

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Katherine de guia

Especialista em comunicações-nova potência

5 principais motivos para o hidrogênio ter um lugar no futuro das ferrovias

Foto é cortesia de Alstrom

A Cummins Inc. é a única empresa no mundo a alimentar os trens a hidrogênio em operação comercial. Em 2016, a Cummins fez uma parceria com o cliente Alstom, um fabricante francês de equipamentos ferroviários, para projetar, fornecer e integrar a solução de célula de combustível de hidrogênio em seus trens Coradia iLint. Os trens entraram em serviço comercial em 2018 e podem transportar até 150 passageiros sentados e 150 passageiros permanentes. Eles começarão a operar ainda este ano através de 2022 na Baixa Saxónia, e há interesse de outros Estados federais alemães e outros países europeus para usar os trens para faixas não eletrificadas.

Embora muitos conceitos de propulsão alternativa ainda estejam no estágio de desenvolvimento e pesquisa, o hidrogênio para aplicação ferroviária já está aqui. Por que o hidrogênio está à frente da curva? Em homenagem a 2021 sendo nomeado o ano europeu do trilho, aqui estão cinco grandes razões pelas quais o hidrogênio tem um lugar no futuro da indústria ferroviária.

  1. Os trens movidos a hidrogênio têm emissões zero no ponto de uso. A potência requerida para os sistemas do trem é fornecida por meio de uma célula de combustível, que gera energia ao combinar o hidrogênio armazenado no teto do trem com oxigênio no ar. Não há emissões de dióxido de carbono nesse processo. Eles também são eficientes: as células de combustível são até três vezes mais eficientes que os motores de combustão interna.
  2. Trens de hidrogênio podem ser implantados em qualquer lugar e adaptados para trens e linhas existentes. A maioria das linhas em toda a Europa e os EUA, particularmente linhas e linhas rurais com pouca demanda do consumidor, ainda estão para ser convertidas para transportar trens elétricos. Os trens a hidrogênio representam uma alternativa econômica que não sacrifica eficiência ou emissões. Eles podem simplesmente funcionar com infraestrutura ferroviária existente sem o alto custo de adicionar eletrificação. As soluções de célula de combustível da Cummins são flexíveis e escalonáveis em sua configuração e podem ser personalizadas para atender às necessidades dos clientes de maneira ideal.
  3. Os trens de célula de combustível de hidrogênio têm um alcance excepcionalmente longo de até 1000 quilômetros a uma velocidade máxima de 140km/h entre reabastecimento-dez vezes mais distante do que os trens elétricos movidos a bateria. E o reabastecimento é rápido: os trens movidos a hidrogênio podem funcionar por 18 horas ou mais após menos de 20 minutos de reabastecimento.
  4. As células de combustível são rentáveis e de baixa manutenção. O custo total de propriedade da vida útil já é comparável para trens em linha com motores a diesel ou eletrificados, de acordo com um relatório da empresa de consultoria Roland Berger. Há uma vida útil longa em comparação com a eletrificação, e as reparações são frequentemente tão simples quanto trocar um componente plug-in por outro.
  5. Os trens movidos a hidrogênio são silenciosos e confortáveis. O hidrogênio fornece uma experiência de condução suave e emite baixos níveis de ruído devido ao escape ser apenas vapor e água condensada. Isso é especialmente importante nas áreas urbanas, onde a poluição sonora é um problema.

Para apoiar a contínua expansão dos sistemas de combustível de hidrogênio, a Cummins anunciou recentemente o desbravamento de uma nova instalação em Herten Germany para apoiar a produção de sistemas de células de combustível para centenas de trens a hidrogênio estarem em serviço nos próximos anos na Europa com a Alstom. Atualmente, a instalação está priorizando a montagem de sistemas de célula de combustível, enquanto trabalha ativamente em planos de expansão para oferecer suporte à renovação da pilha de combustível.

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Catherine Morgenstern - Cummins Inc.

Catherine Morgenstern

Catherine Morgenstern é uma jornalista de marca da Cummins, abrangendo temas como propulsão alternativa, digitalização, inovação de fabricação, autonomia, sustentabilidade e tendências de local de trabalho. Ela tem mais de 20 anos de experiência em comunicações corporativas, ocupando posições de liderança mais recentemente no setor de bens de capital industrial.

Catherine começou sua carreira como escritora de marketing para uma empresa de biotecnologia, onde aprendeu a levar informações complicadas e altamente técnicas e torná-las acessíveis a todos. Ela acredita que o conceito de "Storytelling" é mais do que um chavão da moda e gosta de encontrar maneiras para seus leitores fazerem conexões pessoais com seus súditos. Catherine tem uma paixão por tecnologia e inovação e como sua interseção pode fazer um impacto em todas as nossas vidas.

Catherine voltou recentemente para sua cidade natal no vale do Hudson, Nova York, depois de várias décadas em Los Angeles e Chicago. Ela é um graduado da UCLA e gosta de jardinagem e passar o tempo com seu marido e três filhos.

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