Cuando se habla de tracción por hidrógeno, la atención suele centrarse en el propio tren. Sin embargo, para los operadores ferroviarios, la estación de repostaje, su arquitectura técnica y su funcionamiento diario son igual de importantes. Para comprender mejor lo que implican las operaciones con hidrógeno, no solo en lo que respecta al material rodante, sino también a la infraestructura de apoyo, hemos hablado con expertos del Výzkumný ústav železniční, a.s. (VUZ). Más allá de los ensayos y la certificación, el VUZ se especializa en la asesoramiento técnico y la evaluación de tecnologías ferroviarias emergentes.
Desde un punto de vista técnico, un tren de hidrógeno no es más que un tren eléctrico convencional equipado con una batería de tracción más pequeña; la única diferencia radica en su fuente de energía. En lugar de obtener electricidad de la catenaria aérea a través de un pantógrafo, almacena hidrógeno en depósitos a bordo presurizados y lo convierte en electricidad mediante una pila de combustible a bordo, generando únicamente calor y vapor de agua como subproductos. Todo lo que se encuentra a continuación de la pila de combustible se basa en principios de ingeniería eléctrica convencionales que se llevan utilizando desde hace décadas. La variable principal sigue siendo el subsistema de hidrógeno, que afecta al tren, a la infraestructura de repostaje y a las instalaciones de mantenimiento.
La función de la estación de repostaje
El hidrógeno se transporta normalmente hasta la instalación en remolques cisterna o depósitos de almacenamiento a presiones de hasta 400 bar (40 MPa), mientras que los depósitos de almacenamiento a bordo de un tren suelen funcionar a una presión nominal de 350 bar (35 MPa).
El método de repostaje más rudimentario consiste en conectar los dos sistemas y dejar que la física haga su trabajo: el gas fluye espontáneamente desde la zona de mayor presión hacia la de menor presión. Sin embargo, este método solo es eficaz al principio. A medida que la presión entre el recipiente de transporte y el depósito de a bordo se iguala, el caudal desciende bruscamente y el repostaje se detiene. El proceso solo puede acelerarse conectando en cascada otro recipiente más lleno a una presión más alta.
Este método pasivo es muy ineficaz, ya que, tras la igualación de la presión, queda un volumen considerable de hidrógeno atrapado en el recipiente de transporte; en casos extremos, hasta la mitad del volumen suministrado.
Esta ineficiencia es precisamente la razón por la que se necesita una estación de repostaje activa. Combina la compensación básica de presión con la compresión mecánica activa durante el proceso de repostaje. Esto garantiza que el reabastecimiento siga siendo rápido y que el buque de suministro se vacíe casi por completo. Esta función crucial, que se lleva a cabo entre bastidores, determina directamente los parámetros que más importan a los operadores:
- Tiempo de inactividad: el tiempo que el tren debe permanecer parado durante el repostaje.
- Utilización: ¿Qué porcentaje de cada suministro de hidrógeno se utiliza realmente?
Por qué el repostaje de hidrógeno no se parece al abastecimiento de gasóleo
Las comparaciones con el repostaje tradicional de gasóleo son, en gran medida, inexactas. Al repostar gasóleo, basta con tomar las precauciones industriales habituales, y el principal riesgo medioambiental es un derrame localizado que provoque la contaminación del suelo.
El hidrógeno, por el contrario, no es tóxico, pero es muy volátil. Forma una mezcla inflamable con el aire en un rango excepcionalmente amplio de concentraciones, que va aproximadamente del 4 % al 75 % en volumen. Este amplio límite de inflamabilidad determina tanto el riguroso diseño técnico de la estación como los procedimientos operativos precisos que se requieren durante el repostaje.
El uso industrial del hidrógeno no es algo totalmente inédito. El hidrógeno se ha utilizado como gas industrial comprimido durante casi un siglo en aplicaciones que van desde la metalurgia hasta el sector químico, lo que significa que sus propiedades físicas, los riesgos de su manipulación y sus características están ampliamente documentadas.
Lo que supone una novedad absoluta es su implantación en un entorno ferroviario de alto rendimiento, la magnitud de su consumo y los requisitos de almacenamiento local in situ. En consecuencia, la normativa de seguridad y las normas técnicas para el repostaje de hidrógeno están en constante evolución, en paralelo al creciente papel que desempeña en el sector del transporte.
Ahorro real de emisiones de carbono gracias a la tracción por hidrógeno
La principal premisa de comercialización de la tracción por hidrógeno es que el tren no emite nada más que agua en el punto de uso. Sin embargo, los datos que respaldan esta afirmación merecen un análisis más detallado, ya que el balance global no es tan sencillo como parece a primera vista.
Consideremos un escenario de referencia en el que se da un tren con un depósito a bordo de 24 m³ de capacidad a una presión nominal de 350 bar. A una temperatura de 15 °C, este depósito contiene aproximadamente 576 kg de hidrógeno. Teniendo en cuenta un poder calorífico inferior (PCI) de 33,3 kWh por kilogramo, un depósito completamente lleno transporta aproximadamente 19,2 MWh de energía.
La variable clave es la eficiencia de conversión: una pila de combustible típica convierte solo alrededor de la mitad de esta energía almacenada en electricidad, lo que deja aproximadamente 9,6 MWh disponibles para la propulsión del vehículo. Desde el punto de vista del vehículo, esto equivale a los 9,6 MWh que un tren eléctrico comparable obtendría directamente de las líneas aéreas. Se pretende que la principal ventaja de la tracción por hidrógeno sea la eliminación total de las emisiones operativas de dióxido de carbono (CO₂).
Para cuantificar con precisión el ahorro neto de CO₂ que supone la propulsión por hidrógeno en comparación con el material rodante diésel al que está destinado a sustituir, es necesario evaluar cargas útiles idénticas que circulen por rutas idénticas. Dado que puede resultar difícil obtener datos de campo en condiciones idénticas, el siguiente modelo teórico ilustra dicha relación.
Si analizamos un tren de hidrógeno con una demanda de potencia continua de 1.000 kW y lo comparamos con un equivalente diésel, podemos calcular el consumo de diésel análogo basándonos en una eficiencia de tracción diésel estándar del 20 % y un poder calorífico del diésel de 12 kWh/kg:
(9600 kWh / 20 % / 12 kWh) = 4000 kg.
Dado que la combustión de 1 kg de gasóleo genera 2,64 kg de CO₂, el ahorro operativo bruto que supone la tracción por hidrógeno con estos parámetros asciende a 2,64 × 4.000 kg = 10,56 toneladas de CO₂.
El origen del hidrógeno es importante
Aunque la afirmación de que un vehículo de hidrógeno solo emite agua es cierta durante su funcionamiento, no tiene en cuenta el ciclo de vida del propio combustible. Que todo el sistema pueda considerarse de bajas emisiones depende estrictamente del proceso de producción del hidrógeno.
En la actualidad, la gran mayoría del hidrógeno producido a nivel mundial no es limpio. La inmensa mayoría se obtiene a partir de combustibles fósiles mediante procesos como:
- Reformado con vapor de metano (SMR) del gas natural
- Oxidación parcial de los fueloles pesados
- Gasificación del carbón
Actualmente, la electrólisis del agua representa solo una pequeña fracción del suministro mundial. El hidrógeno obtenido a partir de estos procesos no renovables y con un alto consumo de combustibles fósiles se clasifica como «hidrógeno gris».
La producción nacional de hidrógeno en la República Checa refleja este paradigma mundial. Está profundamente integrada en los procesos existentes de la industria química —principalmente la síntesis de amoníaco y la petroquímica— y supera las 100 000 toneladas métricas anuales, de las cuales prácticamente la totalidad es hidrógeno «gris».
Solo el hidrógeno verde, producido mediante la electrólisis del agua alimentada con el excedente de energía renovable, permite que un tren de hidrógeno sea verdaderamente de bajas emisiones. Este recurso resultará, naturalmente, más rentable en regiones caracterizadas por excedentes estructurales de energía, como los países costeros que aprovechan la energía solar diurna combinada con la energía eólica nocturna.
Europa Central se enfrenta a un panorama energético más complejo; aquí no se puede dar por sentado un suministro continuo y fiable de electricidad renovable barata y excedentaria. La electricidad renovable no se puede dar por sentada aquí.
Una evaluación exhaustiva
Los argumentos fundamentales a favor del hidrógeno siguen siendo válidos. No es tóxico, es excepcionalmente ligero y puede producirse de forma sostenible a partir del excedente de electricidad. Y lo que es más importante, permite introducir la propulsión eléctrica en líneas ferroviarias que carecen de electrificación aérea y en las que la instalación completa de una catenaria resulta económicamente inviable.
La realización de este tipo de análisis del ciclo de vida y de evaluación económica fue uno de los objetivos fundamentales del Instituto de Investigación Ferroviaria (VUZ, a.s.) durante su participación en iniciativas regionales relacionadas con el ferrocarril de hidrógeno, en las que colaboró en la identificación de líneas checas aptas para la explotación con hidrógeno.
Este tipo de evaluación va más allá de las especificaciones técnicas del material rodante. Forma parte integrante del marco de consultoría más amplio de VUZ, que incluye evaluaciones ESG (medioambientales, sociales y de gobernanza) y auditorías de sostenibilidad operativa. En el caso de las tecnologías clasificadas como de bajas emisiones, el balance del ciclo de vida total es la medida definitiva de viabilidad. Este balance debe abarcar:
- El origen de la producción de hidrógeno
- Logística del transporte y métodos de almacenamiento
- Eficiencia de la infraestructura de repostaje
- Protocolos de seguridad y gestión de riesgos operativos
En definitiva, la propulsión por hidrógeno no supone un sustituto universal del diésel, sino más bien un complemento específico para aquellas rutas en las que la electrificación convencional no es viable. Su verdadero rendimiento medioambiental y económico dependerá siempre del propio vehículo, de la disponibilidad local de hidrógeno verde y de la eficiencia de toda la cadena de suministro energético previa.
