Union Pacific descarta los trenes a hidrógeno y apuesta por locomotoras eléctricas a batería

Uno de los mayores operadores ferroviarios de Estados Unidos, Union Pacific, anunció recientemente que ha encargado la mayor flota de locomotoras eléctricas de mercancías -en propiedad- del mundo. Dos empresas suministrarán las locomotoras, Progress Rail (de Caterpillar) y Wabtec Corporation, 10 cada una. Las locomotoras se empezarán a entregar entre 2023 y 2024, con una inversión de 100 millones de dólares -récord de la industria ferroviaria en Norteamérica- para 20 locomotoras e infraestructuras necesarias.

Cuando pensamos en trenes eléctricos, además de en maquetas a escala, pensamos en trenes que toman la corriente de la vía electrificada en los raíles o de cables suspendidos en el aire (catenaria). Cuando no hay ni una cosa ni la otra, vías sin electrificar, para que un tren pueda ser eléctrico necesita baterías, muchas baterías, al menos entre parada y parada. Si no, necesitarían un motor térmico -por eso hay locomotoras diésel-eléctricas-.

Los trenes de mercancías son hasta cuatro veces más eficientes que los camiones de gran tonelaje

Las locomotoras eléctricas que ha encargado Union Pacific son para vías sin electrificar, por lo que el propio tren debe acumular suficente energía a bordo entre el punto A y el punto B. De hecho, prácticamente más de la mitad de las locomotoras son baterías. Estas pueden recargarse de dos formas, bien aprovechando las paradas, o con la frenada regenerativa. Las placas solares de momento no sirven para este tipo de aplicación, para otras muy concretas tienen sentido.

Las locomotoras se van a emplear en climas cálidos (Estado de California) y en climas fríos (Estado de Nebraska). Union Pacific considera que las 10 locomotoras eléctricas pueden ahorrar la emisión de 4.000 toneladas de dióxido de carbono al año (cada una), como la supresión de 800 turismos –US sizing– de las autopistas. La reducción potencial de emisiones alcanza el 75% respecto a las locomotoras diésel, pero formando parte de una composición con otras dos locomotoras diésel-eléctricas la reducción de emisiones es del 10%.

Veamos las características de las locomotoras FLXdrive de Wabtec. Con una potencia de 4.400 CV repartidos entre cuatro ejes tractores de un total de seis, y con una velocidad máxima de 120 km/h, tienen un peso máximo de 195 toneladas. Cuentan con 20 paquetes de baterías climatizadas, totalizando unas 20.000 celdas, que acumulan 2.400 kWh de electricidad. ¿Cuánto pesan? Las baterías suman 22,5 toneladas.

La duración de las baterías es de 30-40 minutos a máxima potencia, pero son más que suficientes para realizar una ruta como Barstow-Stockton (dentro de California), que supera los 560 kilómetros y a velocidad máxima teórica -sin aceleraciones- no baja de más de 4 horas y media. No hay que perder de vista una importante ventaja, cerca de zonas pobladas la sonoridad de la locomotora baja en un 70%.

Los trenes no funcionan igual que los automóviles de carretera

Hay que tener en cuenta algunas particularidades de la física asociada a los trenes. La resistencia a la rodadura del ferrocarril es menor de la que podríamos creer, de hecho, parte de la habilidad de los trenes de traccionar se debe a su enorme peso, no a su adherencia «natural». Si no llevan neumáticos, es por algo -en los camiones, el 25% del combustible se lo «beben» los neumáticos-. En este punto se entiende por qué las pendientes que afrontan los trenes son taaaan suaves y por qué pesan lo que pesan.

El mayor consumo energético se produce al acelerar y vencer el rozamiento estático, no al mantener la marcha y vencer el rozamiento dinámico, acumulan muchísima inercia. En cuanto a la resistencia aerodinámica, es un problema relativo salvo en trenes de alta velocidad. Por ejemplo, dos trenes pegados (composición doble) no consumen el doble de energía que dos composiciones simples separadas, la composición de cola se beneficia «del rebufo» de la composición de cabeza. Es más, las locomotoras de mercancías tienen una aerodinámica propia de un ladrillo.

Por eso podemos ver un tren de mercancías y sus vagones en movimiento durante minutos, mejor un tren de varios kilómetros con una o dos locomotoras, que varias locomotoras tirando de trenes más cortos (siempre que la logística lo permita). Cuantas menores composiciones haya en la vía, más eficiencia y menor gestión del tráfico.

Otra cosa es el frenado. La energía cinética que acumula el tren -asociada a su masa y velocidad- es inmensa y hay que disiparla para poder detenerlo. La alternativa más eficiente a los frenos convencionales de servicio por fricción son los motores eléctricos. La energía se puede disipar con consumo «inútil» -freno reostático- o produciendo electricidad para su aprovechamiento.

En un tren con catenaria la electricidad se puede devolver a la red, bien para aprovecharla con otros trenes -de hecho, se intentan sincronizar precisamente por eso, porque la energía de la deceleración supera a la necesaria para que otro tren acelere- o el sistema de balizamiento, o para reinyectarla a la red eléctrica con subestaciones reversibles (de ahí las «ferrolineras»), o almacenándola en las baterías de la locomotora, como en este caso.

Dicho todo esto, ¿cuánta energía se puede recuperar? Por ejemplo, la locomotora FLXdrive de Wabtec puede recargar sus baterías por completo en el trayecto que hay desde el Paso Tehachapi hasta el Valle de San Joaquín, con un desnivel de 1.241 metros a lo largo de más de 500 kilómetros, ¡solo con la frenada regenerativa! En otras palabras, cada parada es una oportunidad para recuperar una nada despreciable cantidad de energía.

¿Y por qué descartar el hidrógeno?

Union Pacific dice haber evaluado combustibles alternativos durante más de 50 años, y eso incluye el uso de hidrógeno. Hasta la fecha, las mejores sustitutas para las locomotoras diésel son las eléctricas, pero para eso las pruebas tienen que acabar satisfactoriamente. Ya se han descartado tecnologías como las locomotoras de gasóleo/gas natural licuado por falta de operatividad. Las eléctricas son mucho más caras de adquirir, pero el coste de recargarlas es muy inferior en comparación con las térmicas.

Tampoco hay dicha operatividad con hidrógeno, y para descarbonizar la actividad de estas locomotoras hay que tener un suministro de hidrógeno en todas las paradas donde haya que llenarlas. Además, tendría que ser hidrógeno renovable/verde -comercialmente apenas hay-, de lo contrario Union Pacific estaría haciendo trampas al solitario. La empresa aspira a la neutralidad climática en 2050, y en 2030 haber reducido sus emisiones de carbono de fase 1 y 2 en un 26%.

En EEUU un total de 23.000 locomotoras -la mitad están en California- consumen cada año 3.500 millones de galones de combustible, es decir, más de 15.900 millones de litros

Mientras tanto, en Europa y Japón se evalúa el uso de pilas de combustible de hidrógeno no para hacer rutas tan largas en mercancías, más bien pensando en trenes de cercanías y regionales donde no se pueden aprovechar las vías electrificadas. Obviamente, estos trenes necesitan acceso a suministro de hidrógeno y sus pilas de combustible no necesitan tanta potencia, empezando por la obviedad de que los trenes de pasajeros no son tan pesados como los de mercancías, ni tan largos.