Jun 2021
HIDRÓGENO EN EL ÁMBITO FERROVIARIO
INDICE • • • • •
1 ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES 2 EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 3 HOJA DE RUTA DEL HIDROGENO EN CAF 4 EL PROYECTO FCH2RAIL 5 CONCLUSIONES
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ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES
Unión Europea
Dic 2019
May 2020
Jun 2020
Dic 2020
European Green Deal 90% reducción emisiones GEI en el transporte a 2050
Next Generation EU Alineación en la financiación y foco en sostenibilidad
Estrategia Hidrógeno UE Desarrollo de una industria del Hidrógeno limpia y competitive a nivel global, a lo largo de toda la cadean de valor
Estrategia de Movilidad Sostenible e Inteligente 82 iniciativas para lograr la transformación verde y digital y ser más resiliente
2020
Estados miembros
2021
Abril 2020
Jun 2020
Sept 2020
Oct 2020
Nov 2020
Q1 2021
Estrategia del Hidrógeno en los Países Bajos
Estrategia del Hidrógeno en Alemania 9 B€ by 2030
Estrategia del Hidrógeno en Francia 7,2 B€ by 2030
Estrategia del Hidrógeno en España 9 B€ by 2030
Estrategia del Hidrógeno en Italia 10 B€ by 2030
Estrategia del Hidrógeno en Polonia
Existe un claro impulso político en la UE y en España para que el Hidrógeno sea una herramienta clave de la transición energética Fuente: elaboración propia
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1
ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES
La “Hoja de Ruta del Hidrógeno: una apuesta por el hidrógeno renovable” en España persigue el despliegue de 2 líneas comerciales de trenes de Hidrógeno y 200 autobuses FCEV
Objetivos Hoja de Ruta
Resumen de oportunidades de la “Hoja de Ruta del Hidrógeno: una apuesta por el H2 renovable”
• Identificar los retos y oportunidades para el pleno desarrollo del hidrógeno renovable en España, • Proporcionar medidas destinadas a impulsar la acción inversora, en el contexto de la recuperación verde. • Impulsar la cadena de valor del hidrógeno mediante la creación de clústers tecnológicos y proyectos piloto a escala regional, así como la innovación industrial
4 GW de potencia instalada de electrolizadores
25% del consumo de hidrógeno en la industria
150-200 autobuses FCEV
2 líneas comerciales trenes propulsados con H2
8.900 M€ en inversiones para proyectos de producción de H2 renovable
100-150 hidrogeneras de acceso público
5.000-7.500 vehículos ligeros y pesados para transporte de mercancías FCEV
4,6 Mton de CO2eq reducidas
La apuesta de la hoja de ruta por los autobuses y trenes de hidrógeno es limitada Fuente: elaboración propia; MITERD
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ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES
Estimaciones de la Estrategia de Movilidad Sostenible e Inteligente
FERROCARRIL En 2050, el material rodante eléctrico representará alrededor del 94% al 95% para el ferrocarril de pasajeros y del 88% al 89% para el ferrocarril de carga. La infraestructura ferroviaria necesitará estar electrificada en gran medida para 2050 para soportar estos cambios tan significativos. Los sistemas de propulsión de hidrógeno contribuirán además con alrededor del 1% del material rodante utilizado para el ferrocarril de pasajeros y alrededor del 2% para el ferrocarril de mercancías. Esta es una opción viable para las secciones de ferrocarril que son difíciles de electrificar.
TRANSPORTE POR CARRETERA Para 2050, la electricidad representará del 30 al 42% del uso de energía en el transporte por carretera, mientras que el hidrógeno proporcionará de un 31 a 40% adicional. Se prevé que los biocombustibles y el biometano contribuyan con una participación menor (del 6 al 15%), mientras que los e-combustibles representarán del 10 al 17% de la combinación energética.
Autobuses Urbanos
Autobuses Largo Recorrido
Para 2050, del 92 al 98% de la flota será eléctrica.
El resultado es similar al de los vehículos pesados, aunque las pilas de combustible obtienen cuotas de mercado más importantes.
Vehículos pesados Para el 2050, 23 al 27% de los vehículos pesados tendrán equipos de tracción de hidrógeno.
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INDICE • • • • •
1 ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES 2 EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 3 HOJA DE RUTA DEL HIDROGENO EN CAF 4 EL PROYECTO FCH2RAIL 5 CONCLUSIONES
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EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 2019-11-25
El ferrocarril es ya el modo de transporte más sostenible.
Es eficiente
• El contacto rueda carril reduce la resistencia al avance por lo que la energía necesaria para mover un tren es siempre menor que la de un vehículo con neumáticos. • La cadena de tracción tiene un rendimiento muy alto lo que hace reduce las pérdidas
Está en gran medida electrificado
• Permite un alto rendimiento y la regeneración de la energía de frenada. • Permite la alimentación mediante energía renovable de forma que la emisión de CO2 es nula.
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EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 2019-11-25
CAF tiene una posición diferencial en las soluciones clave de H2 para descarbonizar el transporte: Trenes y Autobuses Línea de Producto
Trenes cercanías y regionales
Potencial H2
Consideraciones
Soluciones clave H2 de CAF
• A día de hoy, el Hidrógeno es la única solución potencialmente cero emisiones que proporciona autonomías mayores a 100 km sin alimentación eléctrica • En la actualidad más de un tercio de la red española está sin electrificar, y la sustitución de trenes diésel, normalmente prestando servicios regionales solo puede venir de la mano del Hidrógeno
• Las soluciones de autobús eléctrico con baterías satisfacen la mayor parte de necesidades urbanas
Autobús
Tranvía
• La tecnología del H2 se justifica para autonomías superiores a los 250-300 km y restricciones para la instalación de punto de carga eléctrica (espacio, potencia, etc.)
• Sistema de transporte electrificado en origen, si se opta por eliminar la catenaria en ciertos tramos (por espacio, impacto visual, etc.) CAF tiene producto viable basado en baterías/ultracapacidades • Capacidades para ciudades que apuesten por el hidrógeno en autobuses y opten por operar los tranvías en nuevos tramos sin catenaria
• Sistema de transporte electrificado en origen
Metro
• Esporádicamente se requieren soluciones para mover las unidades cuando falla el suministro eléctrico pero en estos casos se opta por soluciones basadas en baterías
Fuente: elaboración propia
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2
EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF
Descarbonización del ferrocarril
Existe potencial para descarbonizar el transporte ferroviario en España, pero la falta de electrificación de líneas ferroviarias es una barrera por su elevado coste La vida útil de un tren es de 30 años, un tren que se compre hoy estará operando hasta el 2055.
Modelos de trenes diésel y unidades en España (# trenes)
12
211
17
12
• Consumo: 79 kTn gasóleo
68
• Emisiones: 223 kTnCO2
Mapa esquemático de las líneas electrificadas y no electrificadas en España
8
• Suponen un 13% del total de vehículos
23 21
50
~5.600 km de línea sin electrificar. 37% del total
S599
R598
R594
R592
UTDE- UTDE- UTDE- UTDE2400 2600 2700 2900
Total
Unidades de tren por tipo de propulsión y país en países representativos UE en 2018 (%)
73%
27%
71%
29%
71%
30%
66%
34%
55%
45%
27%
22%
21%
73%
78%
80%
13%
12% Diésel
87%
88% Eléctrico
55%
45%
Electrificada No electrificada Fuente: elaboración propia; MITMA; RENFE
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2
EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF Se considera únicamente el uso de pilas de combustible. No se han considerado:
El hidrógeno vs. Otras alternativas de descarbonización
•
Uso directo de hidrógeno en los motores de combustión.
•
Uso de combustibles sintéticos.
2019-11-25
El hidrógeno viene a sustituir a los trenes diésel, pero no es la única solución y en muchos casos no es la mejor
Coste (€/kmtren)
Autonomía Eficiencia Coste
Autonomías (km)
Eficiencia vehículo (%)
Autonomía Eficiencia Coste
Autonomía Eficiencia Coste
900-1300
-
100
600-800
30-35
85 (77)*
77 (72)*
43 (24)*
* Eficiencia desde la energía
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EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF
Estrategia y posicionamiento Vehículos H2
2019-11-25
El uso de la pila de combustible. Hibridación Las pilas responden de una forma lenta los transitorios rápidos. Los tiempos de subida y bajada de potencia no son lo suficientemente cortos para responder de una forma aceptable a las variaciones de la demanda. La pilas deben proporcionar la potencia media de la operación. Desde un punto de vista económico la solución de minimiza el Capex y el Opex es una combinación de baterías y pilas de combustible
Hibridación
hibridación SoC Bateria (%)
Speed (km/h)
Stations
Power Demand (kW)
Power FC - Train (kW)
Power Battery - Train(kW)
140,0
1500,00
1000,00 100,0 500,00
80,0 60,0
0,00
Power (kW)
Battery SoC (%)/Speed (km/h)
120,0
40,0 -500,00 20,0 0,0
-1000,00 0
50
100
150
200
250
300
km
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EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF
Estrategia y posicionamiento Vehículos H2
Posicionamiento de CAF en la movilidad de H2
2019-11-25
El uso de la pila de combustible. Hibridación Sistema de suministro de energía
Baterías
Pilas de combustible
Capacidad: Baterías de 53 kWh por rama. En este caso 212 kWh por tren. Capacidad útil menor por reducción de vida y profundidad de descarga.
Pilas de combustible de entre 70 kW y 100 kW. En este caso 6 de 70 kW. Las pilas se hacer trabajar a un régimen menor al máximo .
Potencia: Descargas de hasta 7C (371 kW por rama), en esta aplicación se está considerando una descarga máxima de 4C (848 kW por tren)
Tecnología PEM
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EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF
Estrategia y posicionamiento Vehículos H2
2019-11-25
El uso de la pila de combustible. Rendimiento y vida útil Rendimiento
Vida útil
El rendimiento de la pila de hidrógeno tiene un máximo del 55% pero muy alejado de su potencia máxima (donde es aproximadamente 45%). Entre el 50% y el 70 % de carga el rendimiento es aceptable. Es muy importante hacer un diseño adecuado a la aplicación donde la potencia instalada de Pilas de Combustible y Baterías sea la óptima.
70 Rendimiento (%)
65 60
55 50 45 40 35 30
Intensidad (A)
A día de hoy se especifican unas 35000 horas pero es un parámetro que depende de muchos factores que todavía no se conocen bien. Los fabricantes de pilas conocen los ciclos habituales en automoción pero todavía está por ver, con los ciclos de carga ferroviarios, qué vida se puede garantizar. Según van incrementándose las horas de funcionamiento la membrana se va degradando y se va perdiendo eficiencia. El final de la vida no lo marca el que la pila deje de funcionar sino que funciona con peor rendimiento. Con esa perspectiva el final de vida lo pone cada aplicación en función de cuánta degradación o pérdida de eficiencia somos capaces de aceptar. Los parámetros de operación que influyen en la vida de la batería son: - Régimen de carga - Transitorios - Ciclos de encendido y apagado En todo caso esas 35000 horas obligan a un cambio de pila en la vida del autobús y 3 cambios en la vida de un tren.
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2
EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF
Estrategia y posicionamiento Vehículos H2 El uso de la pila de combustible. El hidrógeno y su almacenamiento Diésel
Hidrogeno
• 150-200 kg
•
1600-2400 litros
• 6300-8400 litros a 350 bar. En tanques de 150 litros.
•
Depósitos situados bajo bastidor
ALMACENAMIEN TO
Presión de trabajo
• Depósitos en cubierta. Tipo 4. • 600-800 km • 20-30 minutos de repostaje • 0
AUTONOMIA
•
900-1300 km
REPOSTAJE
•
20 minutos de repostaje
EMISIONES CO2
•
3,9 tnCO2/día. Tecnología actual. Las emisiones del parque existente son más elevadas.
Requisitos de los componentes • • • •
Presión nominal 350 bar Presiones de trabajo 20-438 bar Materiales resistentes a la fragilización Certificación “2009-79-CE- Relativo a la homologación de los vehículos de motor impulsados por hidrógeno” 2009
Almacenar hidrógeno a 700 bar implica: • Tener un sistema de almacenamiento con una resistencia mecánica más elevada y válvulas asociadas más complejas y con requerimientos de seguridad más estrictos. • Dificultad el control de la temperatura en el repostaje. • Por otro lado, comprimir y dispensar el hidrógeno hasta 700 bar implica un mayor costo energético que se traduce en un mayor costo económico. Todo esto impacta significativamente en el costo del sistema y el volumen no se reduce a la mitad.
Depósitos
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1 ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES 2 EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 3 HOJA DE RUTA DEL HIDROGENO EN CAF 4 EL PROYECTO FCH2RAIL 5 CONCLUSIONES
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HOJA DE RUTA DEL HIDROGENO EN CAF 2019-11-25
CAF tiene una Hoja de Ruta para consolidar su liderazgo en movilidad de Hidrógeno en Europa
2015 Autobús de CAF de Hidrógeno
2 buses en servicio desde 2015 en Hamburgo
…
2018
10 Trolebuses en servicio en Riga
2019 Lanzamiento plataforma Urbino Hydrogen
2020
Contratos de Autobús de H2: Bolzano (ITA): 12 (06/2019) Weppertal y Colonia (ALE): 25 (04/2020) Provincia Zuid-Holland (HOL): 20 (04/2020) Holanda y Austria: 50 (10/02/2021)
Ensayos pila de Hidrógeno 100 kW
Pila de Hidrógeno
Plataforma de Tracción de CAF basada en H2
2021
Study on the use of fuel cells & Hydrogen in the railway environment
2022
2023
…
2026
AUTOBUS 14-15 M urbano AUTOBUS 18 M Interurbano
Ensayos pila de Hidrógeno 70 kW nueva generación
Ensayos pila de Hidrógeno 70 kW nueva generación
Tren demostrador en vía
Tren prototipo para cliente y operación en línea con Hidrógeno
•
Sustitución / transformación de trenes de una flota
Fuente: elaboración propia
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1 ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES 2 EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 3 HOJA DE RUTA DEL HIDROGENO EN CAF 4 EL PROYECTO FCH2RAIL 5 CONCLUSIONES
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EL PROYECTO FCH2RAIL EUROPA ELIGE AL CONSORCIO LIDERADO POR CAF FCH2RAIL PARA EL DESARROLLO DE UN PROTOTIPO DE TREN DE HIDROGENO
Alcance del proyecto 1.
Diseño y fabricación de un prototipo innovador (trenes regionales de pasajeros) propulsado mediante FCHPP
2.
Demostrar el funcionamiento de FCHPP en una operación bimodo (catenaria eléctrico, sin catenaria FCH)
4. Demostrar la competitividad de la tracción FCHPP frente a la diésel.
3. Marco normativo para la introducción de trenes con propulsión FCHPP:
Identificar las carencias regulatorio actual (TSI y EN)
Proponer modificaciones de las normas y las ETI pertinentes para permitir la obtención de autorización para operar trenes bimodo FCH, siendo presentados a CEN, CENELEC y la Agencia de Ferrocarriles de la Unión Europea.
del
marco
5. Identificar soluciones innovadoras para incrementar la eficiencia de FCH
18
4
EL PROYECTO FCH2RAIL
2019-11-25
Miembros del consorcio
•
•
Fabricante Ferroviario:
Presupuesto •
Presupuesto total del proyecto: 14,5 M€
•
Financiación: 10 M€
Presupuesto
Operador Ferroviario:
•
Gestor de Infraestructuras:
•
Fabricante de Pilas de Hidrógeno:
•
Otros fabricantes:
•
Centro Tecnológicos:
Presupuesto
Plazos
•
Inicio del Proyecto: Enero 2021
•
Finalización del proyecto: 2024
•
Prototipo en vía: Julio 2022
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INDICE • • • • •
1 ESTRATEGIAS EUROPEAS Y NACIONALES 2 EL HIDROGENO EN LOS PRODUCTOS DE CAF 3 HOJA DE RUTA DEL HIDROGENO EN CAF 4 EL PROYECTO FCH2RAIL 5 CONCLUSIONES
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5
CONCLUSIONES A favor…
Potencialmente cero emisiones (Hidrógeno Verde).
Reduce la dependencia hacia los combustibles fósiles.
Autonomía
Recarga rápida
En contra… ꭓ
CAPEX: En ferroviario, el coste de un vehículo de hidrógeno es un 60% más elevado que el de una unidad diesel.. Los costes de la infraestructura de repostaje del Hidrógeno son también muy elevados.
ꭓ
OPEX: Tanto el consumo como los costes de mantenimiento son superiores a los de un vehículo diesel. El coste del Hidrógeno a día de hoy es elevado. El bajo rendimiento de los electrolizadores y de las pilas de hidrógeno (en torno al 50%) hace que el consumo eléctrico equivalente de un vehículo H2 sea aproximadamente tres veces superior al de tren eléctrico. Los costes de mantenimiento son más elevados principalmente por la vida útil limitada de las pilas de hidrógeno.
ꭓ
La logística del hidrógeno es compleja debido a los riesgos que entraña (producto inflamable a muy alta presión).
ꭓ
El almacenamiento del hidrógeno para dotar a los vehículos de la autonomía necesaria es un reto debido a su escasa densidad energética.
21
5
CONCLUSIONES •
• • •
El hidrógeno es una alternativa de descarbonización en autobuses y trenes lastrada como hemos visto por: - La falta de madurez de las tecnologías - El elevado coste (Capex y Opex) - Falta de infraestructura Pero es a día de hoy la única alternativa junto a las electrificación para descarbonizar estos vehículos cuando se requieren: grandes autonomías y/o recargas rápidas Las mejoras en estos aspectos está siendo rápida y la expansión del uso de la tecnología reducirá en los próximos años el coste por kg de hidrógeno y aumentará su rendimiento. ¿Tenemos que esperar a que el hidrógeno sea rentable para empezar a hacer algo? No entonces ya será tarde. Por eso CAF lleva ya trabando esta tecnología desde hace años y es parte de nuestro catálogo de productos.
A día de hoy la movilidad basada en el Hidrógeno sólo se sustenta si existe un apoyo institucional que lo fomente y sufrague el sobrecoste importante que acarrea. La mejora en la tecnología y el coste, que vendrán de su uso extendido, lo convertirán en una altenativa seria frente a la electrificación. Pero todavía no estamos en ese punto. 22
ESKERRIKASKO
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