Estudio del aprovechamiento de la energía regenerada por los trenes

Estudio del aprovechamiento de la energía regenerada por los
trenes
Study about uses of train regenerated energy
Diego López Durán*
Organización Industrial, ICAI, Universidad Pontificia de Comillas, Madrid, 28015, España
Resumen
Abstract
Los trenes de tracción eléctrica son capaces de comportarse
como generadores durante el proceso de frenado,
transformando parte de la energía cinética y potencial que
poseen en energía eléctrica.
Electric train traction units can behave as generators
during brake, transforming part of the kinetic and potential
energy into electrical energy.
Una vez que se genera, esta energía puede emplearse para
alimentar los servicios auxiliares del propio tren, así como
para abastecer a elementos del sistema ferroviario como
otros trenes, balizas, semáforos o talleres. También podría
ser acumulada de manera puntual e incluso ser devuelta a
la red pública.
Ahora bien, desde el punto de vista económico, sería de gran
utilidad determinar el ahorro energético que supondría la
inclusión de ésta tecnología, para poder establecer una
comparativa e identificar en cada caso concreto si resulta
conveniente realizar las inversiones necesarias.
Palabras clave: Frenado regenerativo, aprovechamiento energético.
Once generated, this energy could be used for auxiliary
services supplying or other elements of the rail system such
as trains, beacons, traffic lights or repair shops. It could be
also accumulated during a short period of time or even be
returned to the public main.
Furthermore, from the economical point of view, it would
be useful to determine the energy savings that would supose
the inclusion of this technology, in order to establish a
comparation and identify in each case whether it is
advisable to make the necessary investments.
Keywords:Regenerative breaking, energy efficiency.
1. Objeto
El presente artículo tiene como objetivo estudiar y analizar el proceso de recuperación de energía durante
del frenado de los trenes, así como sus posibles usos en el instante en el que se obtiene, valorando la influencia
de los principales factores que afectan a la optimización del flujo energético de los sistemas ferroviarios.
2. Antecedentes
Actualmente, se están empleando gran cantidad de recursos para evaluar y mejorar la eficiencia de los medios
de transporte, puesto que dicha actividad se traduce en una reducción de consumo energético y de emisiones.
*Email autor de contacto: dlopez@ineco.es
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A día de hoy, una de las prácticas que está obteniendo muy buenos resultados es la de incorporar en el
vehículo un sistema capaz de recuperar parte de la energía que se desaprovecha durante los procesos de frenado,
a través de un motor eléctrico que transforme la energía eléctrica en mecánica y viceversa.
Ahora bien, ¿Qué hacemos con esa energía una vez que se ha generado?
En el caso de los trenes eléctricos, el hecho de que estén conectados mediante el pantógrafo a una catenaria
y por ende a una red de energía eléctrica, permite diversas soluciones a la hora de abordar éste problema, ya
que parte de la energía generada puede ser almacenada a bordo del tren, en un banco de supercondensadores o
baterías, también puede emplearse para alimentar a otros elementos del sistema ferroviario (otros trenes, balizas,
semáforos, etc.) e incluso podría ser devuelta a la red de abastecimiento para ser aprovechada por otros
consumidores. En cualquier caso, en términos de eficiencia energética, la implantación de equipos de
recuperación y aprovechamiento se traduce en una menor consumo amén de otros efectos positivos como una
posible reducción de la potencia instalada en las subestaciones de tracción y aumentos puntuales de los niveles
de tensión en catenaria.
3. El frenado regenerativo y sus posibilidades
3.1. Funcionamiento
Los frenos regenerativos se basan en el
principio de que un motor eléctrico puede ser
utilizado como generador. Si el motor eléctrico
de tracción es reconectado como generador
durante el frenado, los terminales de
alimentación se convierten en suministradores
de energía, la cual se conduce hacia una carga
eléctrica, y es esta carga la que produce el
efecto de frenado.
Fig. 1. Diagrama de Flujos del proceso de Frenado Regenerativo. Fuente:
Elaboración propia
En función del destino de la energía
generada podemos clasificar éste tipo de freno
como regenerativo (la energía se aprovecha) o
reostático (la energía eléctrica generada en la
frenada es disipada en forma de calor).El
frenado tradicional, basado en la fricción, se
sigue empleando junto con el freno eléctrico,
ya que aunque este último reduce de manera
efectiva la velocidad a niveles bajos, la
cantidad de energía a disipar queda limitada
por la capacidad de absorción de ésta por parte
del sistema, o por el estado de carga de los
acumuladores. Un efecto no regenerativo
puede ocurrir si otro vehículo o receptor
conectado a la red suministradora de energía
no la consume o si las baterías o
condensadores están cargados completamente.
Por esta razón, actualmente es necesario contar
con un freno reostático que absorba el exceso
de energía en dichas situaciones. Hay que tener
en cuenta el inconveniente adicional de que el
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calor generado por los resistores generalmente ha de ser expulsado al exterior, lo que se traduce en un gasto
energético añadido. Por tanto, la utilización del frenado reostático ha reducirse al mínimo indispensable. En el
flujograma que aparece a la izquierda se indican los condicionantes lógicos que se tienen en cuenta a la hora
de distribuir la energía durante el proceso de frenado.
Generalmente es más apropiado devolver a catenaria la energía regenerada que almacenarla, ya que el
rendimiento asociado a los distintos procesos que se derivan de la acumulación de energía suele ser inferior a
las pérdidas en catenaria.
3.2. Devolución de la energía a la Red. Subestaciones reversibles
A la hora de devolver la energía regenerada a la Red de alimentación a la que están conectadas las
subestaciones, es necesario contar con la infraestructura adecuada:
1.- Para registrar y cuantificar la energía devuelta a la red, es necesario incorporar sistemas de medida
específicos.
2.- Es recomendable disponer también de elementos que puedan proporcionar una alternativa en caso de la
compañía eléctrica suministradora no pueda asumir la recepción de esa energía, tales como acumuladores,
baterías o reostatos.
Fig.2. Representación del flujo de la energía al ser devuelta a catenaria. Fuente: CAF
3.- Para que sea técnicamente posible devolver la energía a la Red, en algunos casos será necesario instalar
equipos específicos destinados a ese fin.
En función del sistema de electrificación, hemos de distinguir entre:
Subestaciones de corriente continua
Una de las diferencias fundamentales con
respecto a las subestaciones de corriente alterna
es el puente de diodos rectificador situado tras
el transformador de potencia. Se encarga de
realizar el paso de corriente alterna proveniente
de la red a corriente continua con la que se
alimenta a la catenaria. Éste dispositivo sólo
admite la circulación de corriente en sentido
aguas abajo. Por consiguiente, para que las
subestaciones de corriente continua sean
reversibles es necesario instalar equipos de
inversores de cuatro cuadrantes, cuyo
dimensionamiento estará relacionado con el
Fig. 3. Esquema Subestación de Corriente Continua con Inversor. Fuente: volumen de energía que esté previsto recuperar.
Elaboración propia
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En la figura aparece representado en color negro el esquema eléctrico de una subestación de corriente continua
no reversible, y en color verde la instalación de equipos necesaria para que la subestación pueda devolver parte
de la energía regenerada a la Red de abastecimiento.
El inversor de cuatro cuadrantes se encarga de “inyectar” corriente alterna en el lado de baja del transformador
de potencia, a partir de la energía en corriente continua procedente del tren. Como comentábamos anteriormente,
en caso de que no resulte interesante o posible la devolución de la energía regenerada a la red, sería conveniente
disponer, además, de un sistema de acumulación para dotar al sistema de cierto margen de maniobra.
Subestaciones de corriente alterna
No existe ningún impedimento para que se produzca la devolución a la red a través de subestaciones de
corriente alterna. Se podría decir que este tipo de subestaciones son de por sí reversibles. En la mayoría de
líneas de Alta Velocidad españolas, actualmente ya se está devolviendo energía a la red.
El ahorro energético anual para los sistemas de electrificación en corriente alterna se encuentra entre un 5 y
un 20 % en función de las características de la línea.
4. Estudio comparativo. Método de cálculo y simulaciones realizadas
4.1. Introducción
El único método para poder comparar consumos energéticos de los sistemas ferroviarios, aparte de la
medición empírica en campo, es la realización de simulaciones. Para ello, se emplea un programa informático
en el que se modela la línea y que resuelve el circuito eléctrico, aportando los datos de la potencia consumida
y demandada por los trenes a cada instante.
4.2. Resumen de resultados
Para poder comparar el consumo energético de un sistema sin recuperación de energía frente a otro con
recuperación, se han realizado diversas simulaciones.
A continuación se describen los resultados obtenidos para los 7 escenarios simulados:
Tabla. 1. Resultados
Escenarios simulados
Esc.1
Esc.2
Esc.3
Esc.4
Esc.5
Esc. 6
Esc. 7
Energía consumida* (kWh)
2785
4942
3210
3667
3211
3632
47022
Energía regenerada* (kWh)
1194
2381
1364
1429
1367
1686
3226
Porcentaje respecto a energía
consumida (%)
32,15
36,14
31,86
29,22
31,93
34,82
6,86
*Medida en pantógrafo
Las principales características de cada uno de los escenarios se describen en el apéndice A.
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5. Conclusiones
Se hace necesario continuar trabajando en esta línea, realizando más simulaciones con el objetivo de
identificar cuáles son los principales factores que afectan a la capacidad de regeneración de una línea de
ferrocarril y de qué manera influyen. Esto nos permitiría, por ejemplo, establecer un criterio de Pareto con el
que podamos, sin necesidad de hacer ningún cálculo, tener una idea aproximada de las posibilidades o capacidad
de recuperación energética que ofrece cada línea concreta de ferrocarril.
Referencias
[1] García Álvarez, A. (2008) “Inventario de consumos de energía del ferrocarril en España” 1 versión,
octubre de 2008 en “Notas Técnicas ElecRail”, nº4. Ed.: FFE. Revista Vía Libre. Nº 532.
[2] García Álvarez, A. (2010) Dinámica de los trenes en alta velocidad. 6º Edición. ISBN: 978-84-8964962-0. Depósito legal: M-3214-2010. http://www.ffe.es/dep/PDF/dinamica_trenes_AV.pdf
[3] LEY 39/2003, (2005) de 17 de noviembre, del Sector Ferroviario. BOE núm. 276.
http://www.fomento.es/MFOM/LANG_CASTELLANO/DIRECCIONES_GENERALES/FERROCARRILES/
_INFORMACION/NORMATIVA/
[4] Ministerio de Fomento (2005). Plan Estratégico de Infraestructuras y Transporte (PEIT).
http://peit.cedex.es/
[5] Real Decreto 1955/2000 (2000) de 1 de diciembre, por el que se regulan las actividades de transporte,
distribución, comercialización, suministro y procedimientos de autorización de instalaciones de energía
eléctrica. http://noticias.juridicas.com/base_datos/Admin/rd1955-2000.html
[6] Real Decreto 1011/2009, (2009) de 19 de junio, por el que se regula la Oficina de Cambios de
Suministrador. http://noticias.juridicas.com/base_datos/Admin/rd1011-2009.html
[7] Arenillas Melendo, J. (2006) “Apuntes del Máster en sistemas ferroviarios. Módulo de material rodante.
El Freno Eléctrico”. Instituto de Postgrado y Formación Continua. Universidad Pontificia Comillas de Madrid.
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Apéndice A. Principales características de los escenarios simulados
A.1. Escenario 1
Número de paradas: 5, equidistantes.
Longitud del tramo: 200 km
Perfil geométrico:
A.2. Escenario 2
Número de paradas: 10, equidistantes.
Longitud del tramo: 200 km
Perfil geométrico:
A.3. Escenario 3
Número de paradas: 5, equidistantes.
Longitud del tramo: 200 km
Perfil geométrico:
A.4. Escenario 4
Número de paradas: 5, equidistantes.
Longitud del tramo: 200 km
Perfil geométrico:
A.5. Escenario 5
Número de paradas: 5, equidistantes.
Longitud del tramo: 200 km
Perfil geométrico:
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A.6. Escenario 6
Número de paradas: 5, equidistantes.
Longitud del tramo: 200 km
Perfil geométrico:
A.7. Escenario 7
Número de paradas: 5, situadas según se indica en el
esquema a continuación.
Longitud del tramo: 450 km
Perfil geométrico:
En esta última simulación, tanto el nivel de tráfico como la potencia de las unidades móviles es superior al
del resto.