Hidrógeno en hielo, ¡eso es bueno!
El uso de hidrógeno en el motor Tier-3 NextFuel™ destaca a Wabtec como líder en combustibles alternativos
«Primer incendio» con hidrógeno
Recuerda esta fecha: 15 de mayo de 2024.
Ese miércoles por la tarde, en una instalación de pruebas del campus principal del Southwest Research Institute (SwRI) en San Antonio (Texas), los ingenieros de investigación de Wabtec lograron «el primer fuego» (es decir, la combustión) en un motor de combustible dual de hidrógeno y diésel.
Introdujeron hidrógeno en un motor Wabtec Evolution Series Tier 3 a gran escala de 4.500 caballos de fuerza, que es un elemento básico de las flotas de locomotoras ferroviarias de todo el mundo (actualmente están en servicio varios miles de locomotoras con motores de la serie Evolution), y funcionó... dentro de los parámetros esperados.
Que quede claro: todavía faltan años para un motor de combustión interna de hidrógeno (H₂ ICE). Sin embargo, ser el primero en actuar es un paso inicial importante en ese camino y, llegar a este punto, pone de manifiesto el espíritu innovador de Wabtec (y su enfoque empresarial práctico), ya que es líder en un sector ferroviario que ya consume poco combustible y apunta a un futuro sin emisiones netas.
Un enfoque «diverso»: motores de combustible dual
El hidrógeno como fuente de combustible (no fósil) ha cautivado la imaginación de los ferrocarriles de carga y de las empresas en general, porque se quema sin carbono. Si bien el elemento en sí mismo abunda ampliamente en el universo, los grandes suministros de hidrógeno «ecológico» y competitivo en cuanto a costos y la infraestructura necesaria para distribuirlo no lo son. También es el elemento más ligero y extremadamente inflamable, lo que plantea desafíos de diseño únicos para los diseñadores de locomotoras.
Sin embargo, a pesar de todas las características únicas del hidrógeno, Wabtec cree que la respuesta para convertirlo en un combustible productivo y sin emisiones de carbono para las flotas de locomotoras de carga existentes radica en sus puntos en común con otras fuentes de energía. Dicho de otro modo, el H₂ es un gas y Wabtec sabe cómo quemar gas en un motor de combustión interna de alto rendimiento. Mejor aún, Wabtec sabe cómo quemar gas natural en un motor de combustible dual que puede volver a usar diésel sin problemas según sea necesario, algo que ya está haciendo en un entorno comercial con su locomotora NextFuel™ para el ferrocarril de la costa este de Florida.
Esta distinción es importante porque, una vez más, Wabtec está innovando de manera eficiente, demostrando a la industria que no tiene que reinventar la rueda para adaptarse a una fuente de combustible alternativa emergente. Por el contrario, Wabtec busca hacer que ese combustible alternativo, en este caso el hidrógeno, funcione de manera eficaz dentro de una plataforma de motores existente diseñada específicamente para ofrecer flexibilidad (combustible), permitiendo a los clientes beneficiarse de los nuevos combustibles a medida que sean viables.
«La tentación de tratar el hidrógeno y el desarrollo de un motor de combustión interna de hidrógeno como un desafío que requiere un enfoque radicalmente nuevo es poderosa, pero nos hemos resistido con éxito mediante una buena planificación e incluso una mejor ejecución», afirma Jim Gamble, vicepresidente de Soluciones de Motor y Energía de Wabtec. «Con nuestros motores NextFuel™ de combustible dual, Wabtec ha modificado nuestros populares motores diésel existentes para que a) se adapten a combustibles alternativos y b) vuelvan a funcionar con diésel de forma automática y sin problemas según sea necesario».
Este enfoque innovador garantiza que las necesidades de los clientes ferroviarios se integren en las tecnologías de reducción de emisiones, especialmente en lo que respecta a la infraestructura y la disponibilidad de combustibles alternativos. Por ejemplo, los éxitos de Wabtec en el uso de combustibles alternativos en los motores existentes con sus kits NextFuel, ya sean GNL, biodiésel o diésel renovable, permiten a los transportistas cambiar de tipo de combustible según lo exija la situación sobre el terreno. Esto significa que cuando un combustible alternativo no está disponible en un territorio determinado, o la infraestructura para entregarlo no está lista en un momento dado, el diésel puede funcionar, y seguirá haciéndolo, de forma automática y con un motor de alto rendimiento.
Esto es particularmente importante en la evolución de los motores que utilizan hidrógeno, donde la construcción de una infraestructura para este combustible se encuentra en una fase tan temprana como el desarrollo del propio H₂ ICE.
«La experiencia nos ha enseñado que no es una buena idea innovar demasiado en comparación con lo que nuestros clientes ferroviarios pueden utilizar en la práctica», añade Gamble. «Al avanzar en el uso del hidrógeno como combustible en nuestra plataforma NextFuel, que ya funciona, nos aseguramos de que los avances que logramos se produzcan dentro de un modelo de entrega que el sector ya ha adoptado y que puede adaptarse fácilmente».
Acercar el hidrógeno al cliente
Desde que anunció acuerdos de investigación a gran escala con los laboratorios nacionales de Oak Ridge y Argonne del Departamento de Energía, Wabtec ha estado marcando tendencia en el campo de los trenes propulsados por hidrógeno. Este trabajo se ha centrado en probar una variedad de combustibles alternativos, incluido el hidrógeno, en una instalación de locomotoras monocilíndricas y bicombustible de Wabtec en el laboratorio de Oak Ridge.
Paralelamente a la creación de este importante banco de pruebas, la alta dirección de Wabtec desafió a su equipo de soluciones de motores y energía a acercar la investigación sobre el hidrógeno «al cliente» y a su experiencia diaria, haciendo que fuera menos teórica y algo que pudieran tocar y sentir.
El resultado fue una nueva asociación con SWRI y un régimen de hidrógeno llevado a cabo con un motor NextFuel Evolution Series Tier 3 similar al que se utiliza en el ferrocarril de la costa este de Florida, con modificaciones para el uso del combustible de hidrógeno. Este motor de combustible dual resultó «natural» para las pruebas iniciales de hidrógeno, porque también quemaba gas, es decir, gas natural, junto con diésel.
Sin embargo, dejando de lado los puntos en común, el hidrógeno no es gas natural. Para empezar, el hidrógeno es mucho más ligero. De hecho, al ser el elemento más ligero de la tabla periódica, quiere subir tres pisos por segundo. Habría que ver cómo afectaría eso al diseño del sistema de suministro de combustible del motor. Además, la energía de ignición del hidrógeno es muy baja (mucho menor que la del gas natural) y su rango de inflamabilidad es extremadamente amplio.
La combustión es importante
Dicho esto, Wabtec ha iniciado estas pruebas desde una posición de fuerza. Ya había modificado su motor de nivel 3 de la serie Evolution para que consumiera gas natural, realizando cambios tanto en el motor como en el hardware de la locomotora.
El objetivo de Wabtec es aprovechar estos avances y, en algunos casos, superarlos, haciendo los ajustes y cambios más importantes necesarios para acorralar y luego optimizar el hidrógeno como fuente de combustible sostenible. Por ejemplo, ¿la arquitectura actual de tuberías y motores es suficiente para alimentar hidrógeno, que es 6 veces más ligero que el gas natural, desde la planta hasta la cámara de combustión? ¿Sería mejor inyectar hidrógeno directamente en la cámara de combustión (inyección directa) que en el colector de admisión (inyección por orificio)?
Estas y otras cientos de preguntas y variables han sido, y seguirán siendo, objeto de exhaustivas pruebas tanto en la instalación monocilíndrica del Laboratorio Nacional de Oak Ridge como en el motor Tier 3 NextFuel del SwRI.
«Una ventaja increíble»
«Nos encontramos en un emocionante punto de inflexión en nuestras ideas sobre el hidrógeno, en el que podemos pasar de lo teórico a poner a prueba nuestras hipótesis con motores reales de alto rendimiento que nuestros clientes conocen bien y en los que confían», concluye Gamble. «Al escuchar a nuestros clientes y centrarse en las formas de ofrecer tecnologías que ahorren emisiones de forma rápida, gradual y lo más fluida posible, Wabtec ha permitido a la industria ferroviaria de carga tener un impacto significativo en sus objetivos actuales de reducción de carbono».