estudio del aprovechamiento de la energía regenerada por los

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERÍA EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
PROYECTO FIN DE CARRERA
ESTUDIO DEL APROVECHAMIENTO DE
LA ENERGÍA REGENERADA POR LOS
TRENES
Autor: DIEGO LÓPEZ DURÁN
MADRID, Junio de 2010
Autorizada la entrega del proyecto:
Estudio del aprovechamiento de la Energía
Regenerada por los Trenes
Realizado por:
Diego López Durán
Vº Bº del Director del Proyecto:
Firmado: Alberto García Álvarez
Fecha: ……/…………/……
Vº Bº de la Coordinadora de Proyectos:
Firmado: Susana Ortiz Marcos
Fecha: ……/…………/……
AGRADECIMIENTOS
A mis padres, por todo su apoyo y su cariño incondicional, porque sin
ellos no habría sido posible ni este proyecto ni ningún otro.
A Dani y Merche, por haber compartido conmigo estos años. Hemos
crecido juntos y no podría imaginar unos hermanos mejores.
A Charo, por su comprensión y su paciencia en etapas difíciles, por sus
ánimos, sus detalles y todos esos momentos mágicos que hemos pasado
juntos.
A mis abuelos, por su eterna ilusión y confianza.
A Jaime, Lorenzo, Fran, Alberto, Pablo y Víctor, mis amigos del BC de
toda la vida, que siempre han estado y estarán ahí.
A Elena, Cris, Lucía, Bea, Mery, Pablo, Queipo, Pinedo y Chema por los
ratos que pasamos en Teleco y por los de después.
A Garnacho, Madri, Jaramas, Javi, Water y el resto de compañeros y
amigos del ICAI, por esas risas que nos hemos echado mañana, tarde y noche
en la Uni.
A Alberto García Álvarez, mi director de proyecto, por haberme
brindado la oportunidad de realizar este proyecto tan apasionante y por toda
la ayuda y confianza que me ha prestado.
A los profesores del ICAI por su esfuerzo y dedicación.
Al personal de Ineco-Tifsa y al de la Fundación de Los Ferrocarriles
Españoles por las facilidades y el buen trato que me han dado y por
permitirme usar su simulador de trenes para la elaboración del caso práctico.
A los que he perdido en el camino y a aquellos que seguro que me
olvido.
Muchas gracias a todos.
ESTUDIO DEL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA REGENERADA POR
LOS TRENES
Autor: López Durán, Diego.
Directores: García Álvarez, Alberto
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
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.
Una vez que se genera, esta energía puede emplearse para alimentar los
servicios auxiliares del propio tren, abastecer a otros elementos del sistema
ferroviario como trenes, balizas, semáforos o talleres. También podría ser
acumulada de manera puntual e incluso ser devuelta a la red pública.
El proyecto está dividido en dos grandes bloques. En la primera parte se
presenta el estado del arte, que engloba el estudio del proceso de recuperación
de energía durante el frenado, los diferentes modos de aprovechamiento de esa
energía resultante, qué elementos intervienen en el proceso y de qué manera,
cuál es el nivel de implantación en España y en otros países y qué cambios hay
que efectuar en la infraestructura para optimizar el aprovechamiento de la
energía regenerada.
La segunda parte del proyecto consiste en un caso práctico en el que se han
simulado diferentes escenarios posteriormente se han analizado los resultados
poder extraer conclusiones a cerca de los parámetros que influyen en el
potencial de recuperación de energía de una línea de ferrocarril.
Este caso práctico se divide a su vez en dos partes. En la primera se analizan
seis modelos con diferentes inclinaciones y número de paradas para comprobar
de qué manera afectan estas características al comportamiento y capacidad
regenerativa de los trenes y en la segunda se estudia en detalle qué sucede en
una línea de ferrocarril real durante de un año, en la que se tienen trenes
circulando con distintos horarios y realizando diferentes paradas, con el objetivo
de determinar de qué manera afecta el nivel de explotación al porcentaje de
energía recuperable y qué tipo de sistemas son más indicados para incorporar la
tecnología por presentar un mayor potencial de mejora de eficiencia.
STUDY ABOUT USES OF TRAIN REGENERATED ENERGY
Author: López Durán, Diego.
Supervisor: García Álvarez, Alberto
Participating Institution: ICAI - Universidad Pontificia Comillas.
ABSTRACT
Electric traction units can behave as generators during brake, transforming part
of the kinetic and potential energy into electrical energy. 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 may also be
accumulated during a short period of time or even be returned to the public
main.
The project is divided into two blocks. The first part represents a general
description which includes: the study of the energy recovering while braking,
several ways of make use of this energy produced, which elements are part of
the process and how they act and what is the situation in Spain and abroad.
Changes in the infrastructure to optimize the use of the regenerated energy will
be object of this part too.
The second part of the project consists of a study case with different scenarios.
After being simulated they were analyzed to obtain conclusions about the type
of parameters that affects to the railway line energy recovery potential.
This research is divided into two parts. In the first one six models with different
values of slope angle and quantity of train stops are analyzed to find out how
these features have an effect on train deportment and its regenerative
capacity. The second one has been carried on to know what happens in a real
high speed railway in the course of a year, taking into account two different
traffic scenarios, in order to determine if the operating level have an influence
over the percentage of recuperated energy and what type of systems are more
suitable for incorporating this improving efficiency technology.
Pág.
Capítulo I
Memoria……………………
13
Capítulo II
Caso Práctico……………
74
Capítulo III
Conclusiones……………
112
Capítulo IV
Bibliografía………………
116
Capítulo V
Anexos………………………
120
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ÍNDICE GENERAL
Página
Capítulo 1. MEMORIA........................................................... 13
1
OBJETO DEL PROYECTO .............................................................. 14
1.1 Descripción general y objetivos............................................... 14
1.2 Metodología de trabajo......................................................... 15
1.3 Planificación temporal de actividades ....................................... 16
2
ESTADO DEL ARTE..................................................................... 19
2.1 Situación en España............................................................. 19
2.1.1 Cuantificación ............................................................. 22
2.1.2 Disposiciones legales ..................................................... 22
2.2 Situación en el resto del Mundo .............................................. 23
3
LOS SISTEMAS DE TRACCIÓN FERROVIARIA ........................................ 25
3.1 La electrificación................................................................ 25
3.1.1 Sistemas de alimentación ............................................... 27
3.2 Subestaciones de tracción ..................................................... 29
3.2.1 Subestaciones de corriente continua .................................. 30
3.2.2 Subestaciones de corriente alterna .................................... 32
3.3 Catenaria ......................................................................... 33
3.4 Motores de tracción............................................................. 38
3.4.1 Motores de corriente continua.......................................... 39
3.4.2 Motores de corriente alterna ........................................... 40
ÍNDICE
2
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3.5 Sistemas de frenado ............................................................ 41
3.5.1 El freno eléctrico ......................................................... 42
3.5.1.1 Utilización del freno eléctrico ............................... 43
3.5.1.2 Ventajas del freno eléctrico.................................. 43
3.5.1.3 Freno eléctrico con electrónica de potencia............... 45
3.5.2 El freno neumático ....................................................... 45
4
EL PROCESO DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA ..................................... 47
4.1.1 Frenado regenerativo .................................................... 47
4.1.2 Electrónica de potencia.................................................. 49
4.1.3 Inversores .................................................................. 49
5
ALTERNATIVAS AL USO DE LA ENERGÍA REGENERADA ........................... 52
5.1 Introducción...................................................................... 52
5.2 Estados o situaciones posibles................................................. 52
5.2.1 El motor del tren actúa como receptor ............................... 52
5.2.2 El motor del tren actúa como generador ............................. 53
5.2.2.1 Se destina a los Servicios auxiliares ......................... 55
5.2.2.2 Es absorbida por otros elementos del sistema. ............ 55
5.2.2.3 Se devuelve a la Red de alimentación de la
Compañía. ....................................................... 55
5.2.2.4 Se acumula ...................................................... 56
5.2.2.5 Se acumula y se devuelve a la Red. ......................... 56
ÍNDICE
3
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5.3 Acumuladores .................................................................... 57
5.3.1 Acumuladores embarcados .............................................. 58
5.3.1.1 Supercondensadores ........................................... 60
5.3.1.2 Baterías .......................................................... 63
5.3.2 Acumuladores en tierra .................................................. 64
5.3.2.1 Volantes de inercia............................................. 66
5.4 Devolución a la red ............................................................. 69
5.4.1 Subestaciones de corriente alterna .................................... 70
5.4.2 Subestaciones de corriente continua .................................. 70
Capítulo 2. CASO PRÁCTICO .................................................. 72
1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS........................................................ 73
1.1 Ecuación del movimiento del tren............................................ 74
2
MODELOS TEÓRICOS .................................................................. 77
2.1 Modelo 1 .......................................................................... 77
2.2 Modelo 2 .......................................................................... 79
2.3 Modelo 3 .......................................................................... 81
2.4 Modelo 4 .......................................................................... 83
2.5 Modelo 5 .......................................................................... 85
2.6 Modelo 6 .......................................................................... 87
3
SIMULACIÓN DE UN SISTEMA REAL .................................................. 89
3.1 Descripción del escenario ...................................................... 89
ÍNDICE
4
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3.1.1 Perfil geométrico ......................................................... 89
3.1.1.1 Pendientes, y curvas ........................................... 89
3.1.1.2 Estaciones........................................................ 90
3.1.1.3 Configuración de paradas ..................................... 91
3.1.2 Perfil eléctrico ............................................................ 91
3.1.2.1 Catenaria ........................................................ 92
3.1.2.2 Subestaciones y Centros de Autotransformación ......... 92
3.1.3 Material móvil ............................................................. 93
3.1.4 Matriz de impedancias ................................................... 97
3.2 Escenarios simulados ......................................................... 100
3.2.1 Escenario 1............................................................... 100
3.2.1.1 Descripción del escenario ................................... 100
3.2.1.2 Resultados obtenidos ........................................ 100
3.2.2 Escenario 2............................................................... 103
3.2.2.1 Descripción del escenario ................................... 103
3.2.2.2 Resultados obtenidos ........................................ 103
3.3 Aprovechamiento en función de la tecnología disponible. ............. 106
3.3.1 El material móvil no incorpora freno regenerativo................ 106
3.3.2 Existe freno regenerativo, pero no subestaciones reversibles... 107
3.3.3 Existe freno regenerativo y es posible la devolución de
energía a la red ......................................................... 107
3.3.4 El sistema cuenta con dispositivos de acumulación, frenado
regenerativo y permite la devolución de energía a la red. ...... 107
ÍNDICE
5
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Capítulo 3. CONCLUSIONES ..................................................109
1
CONCLUSIONES ...................................................................... 110
1.1 Conclusiones en relación a la Memoria Descriptiva...................... 110
1.2 Conclusiones en relación al Caso Práctico ................................ 111
Capítulo 4. BIBLIOGRAFÍA ....................................................113
Capítulo 5. ANEXOS ...........................................................117
1
DATOS EMPLEADOS EN EL CASO PRÁCTICO...................................... 118
1.1 Datos geométricos ............................................................ 118
1.1.1 Perfil
118
1.1.2 Planta 122
ÍNDICE
6
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ÍNDICE DE TABLAS
Página
Tabla 1: Flujos de Energía por tipos de Ferrocarril.
Fuente [GARC08] ............................................................... 21
Tabla 2: Tensiones Nominales de alimentación.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 33
Tabla 3: Resumen de fuerzas longitudinales que actúan sobre el tren.
Fuente [GARC10] ............................................................... 76
Tabla 4: Situación de las estaciones.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 91
Tabla 5: Conductores de la Línea Aérea de Contacto.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 92
Tabla 6: Situación de las Subestaciones.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 93
Tabla 7: Matriz de impedancias reducida.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 99
Tabla 8: Equivalente de Thevenin.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 99
Tabla 9: Escenario 1. Balance energético global.
Fuente: Elaboración Propia................................................. 101
Tabla 10: Escenario 1. Consumos individuales de cada tren.
Fuente: Elaboración Propia................................................. 102
Tabla 11: Escenario 2. Balance energético global.
Fuente: Elaboración Propia................................................. 104
ÍNDICE
7
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Tabla 12: Escenario 2. Consumos individuales de cada tren.
Fuente: Elaboración Propia................................................. 105
ÍNDICE
8
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ÍNDICE DE FIGURAS
Página
Figura 1: Flujos de energía en el ferrocarril español en un año tipo.
Fuente [GARC08] ............................................................... 20
Figura 2: Red de Ferrocarriles en España.
Fuente [PEIT05] ................................................................ 22
Figura 3: Esquema básico de electrificación ferroviaria.
Fuente [CONR03] ............................................................... 25
Figura 4: Esquema básico de electrificación ferroviaria.
Fuente [CONR03] ............................................................... 27
Figura 5: Subestación de tracción ...................................................... 29
Figura 6: Esquema de Subestación de Corriente Continua.
Fuente [CENT08] ............................................................... 31
Figura 7: Esquema eléctrico de rectificador de tracción.
Fuente [FRAI03] ................................................................ 32
Figura 8: Catenaria convencional ...................................................... 34
Figura 9: Elementos de la catenaria ................................................... 36
Figura 10: Pantógrafo .................................................................... 38
Figura 11: Motor de corriente continua.
Fuente: [HERN10] .............................................................. 39
Figura 12: Motor asíncrono de una locomotora RENFE serie 252.
Fuente: Renfe................................................................... 40
Figura 14: Curva Par-Velocidad.
Fuente [HERN10] ............................................................... 41
ÍNDICE
9
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Figura 15: Tipos de Freno.
Fuente [MELI04] ................................................................ 46
Figura 16: Esquema eléctrico de una locomotora alimentada en Corriente
Continua.
Fuente: [ESTR06] ............................................................... 50
Figura 17: Esquema eléctrico de una locomotora alimentada en Corriente
Alterna.
Fuente: [ESTR06] ............................................................... 51
Figura 18: Diagrama de Flujo del proceso de Frenado Regenerativo.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 54
Figura 19: Proceso de acumulación de energía embarcada.
Fuente: CAF ..................................................................... 59
Figura 20: Ultracondensador de explotación industrial.
Fuente: Alstom ................................................................. 61
Figura 21: Esquema básico de ultracondensadores en un tren.
Fuente: [LAFO10] .............................................................. 62
Figura 22: Esquema eléctrico de conexión de ultracondensadores.
Fuente: [LAFO10] .............................................................. 62
Figura 23: Ultracondensador embarcado en tren.
Fuente: Alstom ................................................................. 62
Figura 24: Baterías y aparamenta.
Fuente: Alstom ................................................................. 63
Figura 25: Representación de acumulador embarcado.
Fuente: CAF ..................................................................... 64
Figura 26: Esquema eléctrico de acumulación en tierra.
Fuente [LAFO10] ............................................................... 65
ÍNDICE
10
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Figura 27: Componentes del volante de inercia.
Fuente [LAFO10] ............................................................... 67
Figura 28: Localización del volante de inercia en la Subestación.
Fuente [LAFO10] ............................................................... 68
Figura 29: Proceso de devolución de energía a la red.
Fuente: CAF ..................................................................... 69
Figura 30: Esquema Subestación de Corriente Continua con Inversor.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 71
Figura 31: Modelo 1. Esquema de Perfil.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 77
Figura 32: Modelo 1. Diagrama de Potencias.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 78
Figura 33: Modelo 2. Esquema de perfil.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 79
Figura 34: Modelo 2. Diagrama de Potencias.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 80
Figura 35: Modelo 3. Esquema de Perfil.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 81
Figura 36: Modelo 3. Diagrama de Potencias.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 82
Figura 37: Modelo 4. Esquema de Perfil.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 83
Figura 38: Modelo 4. Diagrama de Potencias.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 84
Figura 39: Modelo 5. Esquema de Perfil.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 85
ÍNDICE
11
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Figura 40: Modelo 5. Diagrama de Potencias.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 86
Figura 41: Modelo 6. Esquema de Perfil.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 87
Figura 42: Modelo 6. Diagrama de Potencias.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 88
Figura 43: Perfil geométrico.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 90
Figura 44: Estaciones.
Fuente: Elaboración Propia................................................... 90
Figura 45: Diagrama Esfuerzo- Velocidad.
Fuente: Talgo ................................................................... 95
Figura 46: Diagrama Corriente- Velocidad.
Fuente: Talgo ................................................................... 95
Figura 47: Diagrama Aceleración- Velocidad.
Fuente: Talgo ................................................................... 96
ÍNDICE
12
CAPÍTULO 1. MEMORIA
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1
OBJETO DEL PROYECTO
El presente proyecto se desarrolla en el marco de los entornos ferroviarios, y
tiene como objetivo principal estudiar y analizar el proceso de recuperación de
energía durante el frenado así como los diferentes modos de aprovechamiento
de
esa
energía
resultante,
valorando
distintas
posibilidades
como
su
acumulación temporal o la posibilidad de que sea devuelta a la red eléctrica.
1.1
Descripción general y objetivos
Actualmente, se están empleando gran cantidad de recursos
para evaluar y
mejorar la eficiencia de los medios de transporte, puesto que esto se traduce en
una reducción de consumo energético y por ende de emisiones.
Una de las posibles medidas para mejorar esta eficiencia es la utilización del
frenado regenerativo, esto es, un sistema capaz de producir energía eléctrica
durante los procesos de frenado, a partir de la energía cinética que el tren ha
adquirido previamente. Para ello es necesario que el sistema incorpore la
tecnología necesaria que permita reciclar esa energía de frenado que de otro
modo podría desaprovecharse.
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 en todo
momento a una catenaria y por ende a la Red Eléctrica permite diversas
soluciones a la hora de abordar éste problema, ya que la energía generada
puede ser almacenada para un uso futuro, 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, la implantación de equipos de recuperación y
MEMORIA
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aprovechamiento podría traducirse en un menor consumo de energía y en la
reducción de la potencia instalada en las subestaciones de tracción.
Se trata de un proyecto innovador, ya que a día de hoy la devolución a la red
pública de la energía eléctrica regenerada por los trenes en el frenado solo se
realiza en una pequeña parte del total de líneas ferroviarias existentes, debido
a que la tecnología necesaria se esta desarrollando en la actualidad y a que es
conveniente analizar también para cada caso los costes derivados que supondría
su instalación, gestión y mantenimiento.
El proyecto se centrará por tanto en el estudio de todos los elementos del
entorno ferroviario que pueden verse afectados por la tecnología de
recuperación, centrándose fundamentalmente en aquellos que se van a
incorporar y que tendrán unas características concretas dependiendo del tipo de
línea en el que se vayan a instalar.
Además, se incluye también un caso práctico, en el que se han simulado
escenarios con diferentes perfiles, número de paradas y niveles de explotación,
que pretende arrojar algo de luz acerca del tipo sistemas más propicios para la
implantación de ésta tecnología.
1.2
Metodología de trabajo
La realización del proyecto comenzó con un amplio y profundo estudio del
estado del arte, en documentos y revistas científicas específicas de tecnología
ferroviaria, así como las disposiciones legales existentes, fundamentalmente Ley
del Sector Ferroviario 39/2003 de 17 de noviembre [FOME03], con objeto de
conocer los litigios concretos que afecten al proyecto, como pueden ser los
detalles de comercialización de la energía regenerada.
MEMORIA
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Para conseguir determinar qué tipos de ferrocarril y potencias instaladas son
más rentables económicamente y por tanto más propicias para la implantación
del sistema de frenado regenerativo, se utilizarán tablas y gráficos de Excel.
La familiarización con el funcionamiento del frenado regenerativo, dispositivos
de acumulación de energía, elementos inversores, precios de venta de la
energía, potencias y consumos ferroviarios y otros conocimientos necesarios
para la comprensión en profundidad de la materia y posterior desarrollo del
proyecto se obtendrá mediante la búsqueda de información en Internet, en
bibliografía y en apuntes de la asignatura de Economía del Transporte.
Para la búsqueda de información sobre características de equipos reales tales
como acumuladores de energía, conversores y otros elementos necesarios para
el aprovechamiento de la energía generada por los distintos tipos de ferrocarril
(corriente alterna y continua a diferentes tensiones) se recurrirá a Internet, a
bibliografía y, también será necesario contactar con fabricantes y distribuidores.
Para conocer la potencia demandada por los trenes, así como su velocidad y
tensión en catenaria al recorrer un perfil de tracción terminado, se utilizarán los
resultados de la salida de un programa de simulación de escenarios ferroviarios
de reconocida eficacia.
1.3
Planificación temporal de actividades
Las tareas a realizar y los plazos estimados serán los siguientes:
1. Búsqueda de información. Se procederá a la recopilación de cualquier
tipo de información relevante para el proyecto. Archivando fuentes para
facilitar la labor de redacción de la memoria y bibliografía.
2. Definición de objetivos. Deberán definirse claramente los objetivos del
proyecto y los medios y metodología necesaria para conseguir alcanzar
esos objetivos.
MEMORIA
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3. Análisis de la situación actual. Se estudiará el estado de la implantación
de la tecnología a nivel nacional y mundial. En qué países se está
investigando acerca del objeto del presente proyecto y qué avances se
han conseguido.
4. Análisis de la normativa existente. Será necesaria una recopilación y
posterior análisis de los aspectos legislativos que atañen al proyecto,
como la viabilidad legal, requerimientos, normativa a aplicar, etc.
5. Definición de la infraestructura necesaria. Debe quedar perfectamente
definido en el proyecto qué dispositivos y elementos será necesario
instalar en material fijo y móvil del sistema ferroviario para el
aprovechamiento de la energía, así como posibles consecuencias que
pueda ocasionar su instalación y uso en dicho sistema.
6. Estudio del frenado regenerativo. Una de las principales actividades
consistirá en investigar, analizar y definir técnicamente en qué consiste
el frenado regenerativo, cómo funciona y cuales son los principales
parámetros a tener en cuenta a la hora de dimensionar la aparamenta y
equipos.
7. Estudio de la devolución de la energía a la Red. Se analizarán los medios
necesarios para la devolución de la energía regenerada a la Red y los
efectos que pueda tener ésta acción sobre el sistema de abastecimiento
de energía; cómo se podría gestionar.
8. Análisis del uso de acumuladores. La energía generada también podría
ser acumulada. Se investigará sobre posibles dispositivos de acumulación
como pueden ser supercondensadores o baterías.
9. Caso práctico. Análisis de distintos escenarios, para concluir qué tipo de
sistemas son más adecuados para la implantación de sistemas de
recuperación de energía.
MEMORIA
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10. Redacción del proyecto. Se procederá a la recopilación del trabajo
realizado y los resultados obtenidos en un documento formal.
MEMORIA
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2
ESTADO DEL ARTE
En este apartado se describe la situación actual de la recuperación de energía
eléctrica en el ferrocarril a nivel nacional y a nivel mundial.
2.1
Situación en España
En un año medio, el conjunto del ferrocarril español recibe de la red eléctrica
3067 GWh que, tras las pérdidas se convierten en los pantógrafos en 2888 GWh,
el cien por cier de la energía importada por el ferrocarril.
A esa cantidad se suman los 577 GWh que si se pueden recuperar por los trenes
en circulación procedente del freno regenerativo de otros trenes próximos. Así,
un total de 3465 GWh son los efectivamente consumidos para la tracción y
equipos auxiliares de los trenes. De ellos, 1283, nada menos que el 44,4 por
ciento de la energía importada de la red por el ferrocarril están destinados a
disiparse por el freno eléctrico. En los trenes sin freno regenerativo se pierden
ya 147 GWh y de los otros 1135 disponibles en los trenes que sí disponen de ese
sistema de freno, sólo 577 pueden, tras las pérdidas ohmicas, ser utilizados por
trenes que estén traccionando en ese momento en la misma sección.
Otros 529 GWh están a disposición de ser aprovechados y sólo 76 de ellos se
devuelven a la red pública de corriente alterna, sin programar y sin
compensación económica, simplemente se contabilizan como un menor
consumo. [4]
En resumen, el ferrocarril español está en disposición de ofrecer 600 GWh al año
como productor de energía renovable.
En la figura que aparece a continuación se pueden apreciar gráficamente los
flujos de energía anteriormente descritos y el enorme potencial de ahorro
MEMORIA
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energético que supondría el aprovechamiento de la energía regenerable por el
ferrocarril en España a lo largo de un año.
En la siguiente figura se pueden apreciar los flujos de energía en el ferrocarril
comentados anteriormente.
FLUJOS DE ENERGÍA DE TRACCIÓN EN EL FERROCARRIL ESPAÑOL AÑO TIPO
USOS DISTINTOS DE TRACCIÓN
Energia a la salida
centrales
Energia a la salida
centrales
3.203
705
Pérdidas en transporte y
distribución
110,9
Pérdidas en
transporte
Energía en punto de
suministro
136
666
4,7
RED TRACCIÓN FERROVIARIA
Energia a la
entrada
subestaciones
Devuelta a la red
pública (sin
programar)
3.067
76
453
106,2
2,6
15,7
En pantógrafo
procedente
subestación
Aprovechada por
otros trenes
2.888
577
100,0
19,98
Sí
¿Las subestaciones son
reversibles?
No
Pérdida en
reostático por falta
de consumidores
Pérdidas en catenaria
179
6,2
No
Sí
¿Hay otros trenes
demandando?
Pérdias óhmicas
energia devuelta
otros trenes
Energia importada en
pantografo
3.465
29
119,98
1,00
Trenes. Tracción y
auxiliares
Res.avance,
rendim., auxil.
Energía disipada
freno electrico
2.182
1.283
75,6
44,4
¿Hay freno
regenerativo?
Sí
Concepto
No
Perdida en
reostático por falta
freno regenerat.
Energía regenerable
GWh / año
147
1.135
% sobre panto.p.sub.
5,1
39,3
Leyenda
Figura 1: Flujos de energía en el ferrocarril español en un año tipo. Fuente [GARC08]
Este flujo de energía representa el sumatorio de los flujos individuales de cada
tren.
MEMORIA
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En la Tabla 1 se muestra en detalle la energía absorbida por cada tipo de tren,
distinguiendo
entre
alta
velocidad,
ferrocarril
convencional,
cercanías,
mercancías, y otros.
Los ferrocarriles de cercanías y metro son los que más energía importan y
también los que más energía generan como consecuencia de la frenada. En el
metro se aprovecha una parte importante de esa energía para la tracción de
otros trenes, debido a la cercanía entre estaciones que facilita la posibilidad de
que haya trenes acelerando a la vez que otros frenan. Sin embargo, sólo en
algunas líneas de alta velocidad se devuelve parte de la energía recuperada a la
red pública.
FLUJOS DE ENERGIA POR TIPOS DE FERROCARRIL (VALORES ABSOLUTOS EN GWh AL AÑO)
Importada
Perdida en
en
Reostatico Perdida por
pantografo
Aprovechad
Entrada sub. proced Generada en a en otros Devuelta a la por falta
falta freno
subes.
freno
Sin minorar
trenes
red publica consumos regenerativo
Ferrocarriles de alta velocidad (25 kV)
555,8
562,4
88,9
12,8
76,1
0,0
Ferrocarriles conven. larga y media distancia
228,8
151,6
11,0
2,3
0,0
8,8
6,5
Ferrocarriles cercanias 3 kV
746,2
724,4
386,4
180,6
0,0
205,7
58,0
Ferrocarriles mercancias
581,7
557,2
55,7
0,3
0,0
55,5
52,9
Ferrocarriles autonomicos y v. metrica (<1,5 kV)
174,5
166,2
67,8
24,5
0,0
43,3
3,9
Metros
734,1
683,1
488,0
338,4
0,0
149,6
4,6
Tranvias
46,2
43,0
37,6
18,4
0,0
19,2
5,0
3.067,4
2.888,0
1.135,3
577,1
76,1
482,1
147,4
TOTAL
16,6
FLUJOS DE ENERGIA POR TIPOS DE FERROCARRIL (VALORES RELATIVOS)
Ferrocarriles de alta velocidad
98,8
100,0
15,8
2,3
13,5
0,0
2,9
Ferrocarriles convencionales de larga y media distancia150,9
100,0
7,3
1,5
0,0
5,8
4,3
Ferrocarriles cercanias 3 kV
103,0
100,0
53,3
24,9
0,0
28,4
8,0
Ferrocarriles mercancias
104,4
100,0
10,0
0,0
0,0
10,0
9,5
Ferrocarriles autonomicos y via metrica
105,0
100,0
40,8
14,7
0,0
26,1
2,3
Metros
107,5
100,0
71,4
49,5
0,0
21,9
0,7
Tranvias
107,5
100,0
87,4
42,8
0,0
44,7
11,6
TOTAL
106,2
100,0
39,3
20,0
2,6
16,7
5,1
Tabla 1: Flujos de Energía por tipos de Ferrocarril. Fuente [GARC08]
En la Figura 2 aparecen representadas las principales líneas de ferrocarril
existentes en España.
MEMORIA
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Figura 2: Red de Ferrocarriles en España. Fuente [PEIT05]
2.1.1 Cuantificación
En nuestro país, la devolución a la red de la electricidad que ahora se disipa en
forma de calor, permitiría recuperar 600 GWh al año, resultado de la suma de
los 147 que se pierden en los reostatos de los trenes que carecen de freno
regenerativo y de los 453 que podrían aprovecharse si existieran subestaciones
reversibles que permitieran devolverlos a la red. Ver Figura 2.
2.1.2 Disposiciones legales
Los sistemas capaces de verter energía a la red pública, podrían ser
considerados dentro del grupo de generación de Régimen Especial, y aunque de
momento no lo son, es conveniente prestar atención al RD 661 por si se
incluyera en un futuro.
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En cambio, como en España ya es posible devolver energía a la red (un ejemplo
de ello es la Línea de AVE que une Madrid y Barcelona), ha sido necesario un
cambio legislativo que regule los requisitos de la instalación y las condiciones de
comercialización, en concreto se ha modificado la Diposición Final Primera del
Real Decreto 1011/2009, de 19 de junio, por el que se regula la Oficina de
Cambios de Suministrador [REDE09], se modifica de Real Decreto 1955/2000, 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.
Se añade una nueva disposición adicional al Real Decreto 1955/2000, 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, con la siguiente redacción:
Disposición adicional duodécima. Vertidos a la red de energía eléctrica para
consumidores que implanten sistemas de ahorro y eficiencia.
“Los consumidores de energía eléctrica conectados en alta tensión que debido a
la implantación de un sistema de ahorro y eficiencia energética dispongan en
determinados momentos de energía eléctrica que no pueda ser consumida en su
propia instalación podrán ser autorizados excepcionalmente por la Dirección
General de Política Energética y Minas del Ministerio de Industria, Turismo y
Comercio, a verter dicha energía a la red” siempre que cumplan una serie de
requisitos. Para más información consultar la referencia [REDE00]
2.2
Situación en el resto del Mundo
En Alemania, el ICE (Inter-City-Express), y en Japón, el Shinkansen, utilizan
actualmente solo el freno por recuperación, y por el contrario en Francia, el
TGV utiliza solo el freno reostático. El atractivo de eliminar el reóstato de
MEMORIA
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frenado hace previsible que en el futuro la tendencia se incline a favor del freno
solo por recuperación, en lugar del mixto.
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3
LOS SISTEMAS DE TRACCIÓN FERROVIARIA
Para llegar a comprender en profundidad el proceso de regeneración de energía,
las alternativas de aprovechamiento de ésta, y las implicaciones de cada una de
esas alternativas, ha sido necesario estudiar y conocer los sistemas de tracción
ferroviaria así como los distintos dispositivos de los que depende.
3.1
La electrificación
Se entiende por electrificación el sistema de alimentación de tracción por el
cual la energía eléctrica procedente de una línea exterior de alta tensión pasa
por la subestación, circula por el elemento conductor instalado a lo largo de la
línea, penetra en la locomotora a través del captador de corriente, alimenta los
motores y retorna cerrando el circuito por los carriles y feeders negativos, si los
hubiera, y accidentalmente por tierra.
Figura 3: Esquema básico de electrificación ferroviaria. Fuente [CONR03]
MEMORIA
25
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Hay tres tipos principales de electrificación de la tracción eléctrica:
-
Corriente continua: Fue la primera en utilizarse. La tensión en la
línea y en los motores era la misma, 700-3.000 V., una tensión muy
baja, por lo que para conseguir la potencia necesaria, la intensidad
que circula por las líneas debe ser muy alta, y esto tiene como
consecuencia una elevada sección de catenaria y que se deban
instalar subestaciones muy próximas para evitar las grandes caídas
de tensión. Actualmente la mayoría de los ferrocarriles se alimentan
en
corriente
continua,
condicionados
por
la
infraestructura
existente, pero se emplean motores de tracción de corriente
alterna, debido entre otras cosas a su robustez, por lo que se han de
incorporar inversores de onda en los trenes para lograr alimentar a
dichos motores.
-
Corriente alterna monofásica: la frecuencia habitual empleada en
Europa para 25 kV es de 50 Hz, en Estados Unidos y parte de Japón
la más extendida es la de 60 Hz y en algunos países escandinavos y
centroeuropeos se emplea 16 2/3 Hz para 15 kV. El objetivo es
crear instalaciones ligeras e integrando, en este ultimo caso, el
ferrocarril en la red industrial.
-
Corriente alterna trifásica: Aunque en un principio se dejó de lado
este tipo de tracción, ya que pese a facilitar el uso de motores
trifásicos, que son robustos y baratos, tenía el inconveniente de que
se necesitaba instalar doble catenaria, con la vía como tercera fase,
y, además, la regulación de la velocidad presentaba gran dificultad,
al depender aquella directamente de la frecuencia (n=60·f/p). Más
adelante se ha retomado esta opción, debido al gran desarrollo
tecnológico que se experimentó en el campo de la electrónica de
potencia y de los semiconductores. Gracias a esta tracción se ha
conseguido el récord de velocidad de 515,3 km/h.
MEMORIA
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Figura 4: Esquema básico de electrificación ferroviaria. Fuente [CONR03]
Todos los avances en la posibilidad del uso de voltajes cada vez mayores, se
deben principalmente a dos causas:
-
Los logros tecnológicos conseguidos en los componentes de la
electrónica de potencia, que ha permitido usar motores de tracción
con una concepción más simple y por lo tanto más fiables.
-
El desarrollo de los trenes para velocidades impensables hace
apenas 50 años, en los que además de utilizar los motores
anteriormente mencionados, admiten el suministro tanto de
corriente continua como de alterna, es decir son trenes bitensión.
3.1.1 Sistemas de alimentación
Para que por una red ferroviaria puedan circular los trenes con tracción
eléctrica es preciso implantar, en los trayectos y en las estaciones, un sistema
de alimentación capaz de suministrar al tren, durante todo su recorrido y de
forma continuada y adecuada, la energía eléctrica procedente de la red general,
convenientemente transformada y/o rectificada en las subestaciones.
MEMORIA
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Se puede definir el sistema de alimentación como la estructura precisa para
situar una superficie conductora accesible al tren, de manera que éste pueda
captar la energía necesaria para su movimiento. Los dos más comunes son el
tercer carril y la línea aérea de contacto.
-
El tercer carril es el sistema en el que la alimentación se realiza
mediante un conductor activo situado en las inmediaciones de la vía
férrea y paralelo a los carriles por los que circulan los trenes. Sus
principales ventajas son su gran rigidez y lo económico que resulta
su instalación. Por contra, supone un gran estorbo en las estaciones;
hay que interrumpir su instalación en aparatos de vía y en pasos a
nivel; no se puede utilizar con corriente alterna y, sobre todo,
presenta el importante inconveniente en materia de seguridad que
supone situar elementos en tensión sin protección en zonas de
tránsito de personas, animales, o vehículos y, por lo tanto, su
utilización ha sido relegada a recintos cerrados, como es el caso de
transportes metropolitanos bajo túneles.
-
El otro sistema, la línea aérea de contacto (LAC), denominada
globalmente Catenaria, está formado por una serie de conductores
eléctricos, situados a una altura determinada sobre el tren que
permite que todo el convoy circule por debajo de él, llevando la
locomotora un elemento extensible de captación de corriente por
frotación, llamado pantógrafo. Es el sistema más utilizado ya que,
aunque supone un importante impacto visual, sitúa las zonas de
tensión eléctrica fuera de un alcance accidental de personas o
animales.
MEMORIA
28
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-
3.2
Subestaciones de tracción
La subestación de tracción es una instalación en la que se acondiciona la energía
eléctrica procedente de la red general para que pueda ser utilizada en la
tracción de los trenes. Existen dos tipos de subestaciones, según sea el tipo de
línea que se va a alimentar, para corriente continua (con tensiones de salida de
1.500 y 3.000 V.) y para corriente alterna (tensión de salida 1x25 kV ó 2x25 kV y
50 Hz).
Figura 5: Subestación de tracción
En la subestación se realizan las siguientes funciones:
-
Trasformación de la energía, que procede de la red general en alta
tensión, a la tensión a la que se va a alimentar la catenaria.
MEMORIA
29
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-
Rectificación de la corriente alterna a corriente continua en el caso
de que la catenaria funcione con este tipo de corriente (líneas
convencionales).
-
Alimentación a la catenaria. Esta función se hace a través de los
feeders o cables de alimentación, que son los encargados de
trasportar la energía eléctrica necesaria para la catenaria, desde la
subestación hasta los distintos puntos de alimentación previstos en
los trayectos.
-
Suministrar energía tanto para los servicios auxiliares de la propia
subestación como para los necesarios dentro del trayecto en el que
está instalada.
Por tanto, tomando como criterio el tipo de corriente de la catenaria, se pueden
clasificar las subestaciones de tracción en dos grupos principales: las
subestaciones de corriente continua y las de corriente alterna.
3.2.1 Subestaciones de corriente continua
Una subestación de tracción de corriente continua se compone de las siguientes
instalaciones:
• Instalaciones de alterna: En edificio (si la tensión de alimentación es
menor o igual a 20 kV) o bien parque de intemperie (Tensión de entrada >
20 kV). La instalación alberga la aparamenta necesaria para la protección
y medidas en alta tensión.
• Transformadores de potencia: Normalmente, un transformador de
3.300 kVA, con tensión de salida 1.700 V, aunque en las ciudades donde
hay servicio de cercanías, con gran demanda puntual de energía, se
instalan de 6.600 kVA.
MEMORIA
30
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• Transformadores
de
servicios
auxiliares:
Suele
tratarse
de
un
transformador de 160 kVA y 220 V de tensión de salida, para los circuitos
auxiliares de la subestación (alumbrado, tensión para señalización y
control) y suministro de energía al transformador de la línea de señales y
enclavamientos.
• En la figura que aparece a continuación se pueden apreciar los
componentes principales de una subestación de corriente continua.
Figura 6: Esquema de Subestación de Corriente Continua. Fuente [CENT08]
• Rectificador de potencia: Es el elemento principal de las subestaciones
de continua. Los rectificadores son convertidores estáticos de energía,
cuya misión consiste en realizar la conversión de la corriente alterna que
sale del transformador en corriente continua, mediante diodos de silicio.
Estos diodos además de ser de considerable potencia están refrigerados
por radiadores de calor de aluminio. La rectificación se consigue con
diodos de silicio, a través de dos puentes trifásicos en serie. Normalmente
hay dos grupos de rectificadores por razones de fiabilidad.
MEMORIA
31
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Figura 7: Esquema eléctrico de rectificador de tracción. Fuente [FRAI03]
Otros elementos a destacar en éste tipo de subestaciones son los filtros de
corriente y de armónicos y los disyuntores extrarrápidos (interruptores de gran
capacidad de ruptura y elevada rapidez de respuesta).
3.2.2 Subestaciones de corriente alterna
Cada subestación dispone de dos transformadores y cada transformador dos
grupos de relés de protección, denominados principal y de reserva.
Existe un armario de servicios auxiliares que tiene centralizados todos los
magnetotérmicos de la instalación, tanto de corriente alterna como de corriente
continua para los servicios auxiliares, este armario alimenta mediante una
batería para garantizar la continuidad.
La diferencia fundamental entre estas subestaciones y las de continua radica en
el equipo de rectificación, que en alterna obviamente no es necesario, lo que
supone una importante ventaja, ya que la ausencia de los rectificadores facilita
en gran medida la reversibilidad. La mayoría de las subestaciones de corriente
alterna no presentan ningún impedimento para devolver energía a la red.
MEMORIA
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3.3
Catenaria
En ferrocarriles se denomina catenaria a la línea aérea de alimentación con
suspensión
catenaria,
sistema
que
transmite potencia
eléctrica a
las locomotoras u otro material motor. Las tensiones de alimentación más
comunes van desde 600 V a 3 kV en corriente continua, o entre 15 y 25 kV
en corriente alterna. La mayor parte de las instalaciones funcionan con
corriente
(continua
o
alterna)
monofásica,
aunque
existen
algunas
instalaciones trifásicas.
Tensión nominal
de alimentación
Áreas de aplicación
600-750 Vc.c.
Metro y tranvías
1.200-1500 Vc.c.
Suburbanos y Metros
3000 Vc.c.
Líneas convencionales
25.000 Va.c.
50Hz
Líneas de Alta Velocidad (1)
Tabla 2: Tensiones Nominales de alimentación. Fuente: Elaboración Propia
En las líneas aéreas, el polo positivo de la instalación es normalmente la
catenaria y el negativo son los carriles sobre los que circula el tren.
MEMORIA
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Figura 8: Catenaria convencional
Las corrientes provenientes de la subestación (transformadora o rectificadora de
la tensión de la red general) llegan al tren por la catenaria a través
del pantógrafo y vuelven a la subestación a través de los carriles de la vía
férrea…
Los elementos fundamentales que componen la catenaria son:
• Sustentador
Es el cable superior de la catenaria y tiene como misión soportar el peso del
sistema formado por los hilos de contacto y las péndolas, así como mantener
todo el sistema con una determinada tensión mecánica, cooperando en el
dimensionamiento eléctrico de la línea. Según la posición del sustentador
respecto de la ménsula debajo/encima denominaremos a la catenaria
suspendida o apoyada.
El cable sustentador suele estar formado por varios hilos, arrollados sobre sí
mismos, utilizándose como materiales para su elaboración, principalmente, el
cobre para las líneas electrificadas con corriente continua y el acero recubierto
de cobre para las de alta velocidad con corriente alterna. En vías secundarias y
MEMORIA
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donde no se precisan grandes consumos se emplea cable de acero, que tiene
como mayor inconveniente su mayor resistencia eléctrica.
Las secciones empleadas varían con el tipo de electrificación, la tensión y la
longitud del vano de cobre y su sección depende de la longitud del vano. De él
cuelgan las péndolas que sostienen a los hilos de contacto.
• Hilo de contacto
Es el elemento fundamental de todo el conjunto de materiales empleados en la
LAC. Suele ser un conductor de cobre electrolítico, aunque actualmente se
utilicen
aleaciones
de
plata,
cadmio
y
magnesio,
para
aumentar
la
conductividad, las tensiones mecánicas de trabajo, disminuir su coeficiente de
dilatación, etc. Su sección transversal es, como en el caso del sustentador,
función del tipo de corriente que se utilice en el trayecto, de la velocidad a que
se circule e incluso de las temperaturas de la zona. Las habituales son las
circulares de 107, 120 y 150 mm2.
Se coloca a una altura constante sobre el plano del carril de 5,30 m. Cuando por
la presencia de un obstáculo, como pueda ser un paso superior o un túnel, no se
pueda mantener paralelo al plano de rodadura, se variará la altura del hilo con
una pendiente que será, como máximo, del 2/1000 en las transiciones y del
1/1000 al comienzo y final. Además, y para evitar el desgaste puntual del
pantógrafo, se monta con un desplazamiento alternativo horizontal respecto del
eje de la vía, que se conoce como descentramiento.
Se suelen emplear dos hilos en vías generales principales, mientras que se
emplea uno sólo en vías secundarias y en las electrificaciones en alterna ya que
el consumo es menor en estos casos que cuando se trabaja con corriente
continua.
MEMORIA
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• Péndolas
Son los elementos de la catenaria que unen los hilos de contacto con el cable
sustentador, manteniéndolos a una determinada distancia del plano de
rodamiento. Hasta hace poco estaban formadas por varillas rígidas de cobre,
pero en la actualidad se elaboran con cable de cobre para mejorar la
conductividad y flexibilidad del sistema. Se conectan al hilo de contacto
mediante una pieza llamada grifa.
Figura 9: Elementos de la catenaria
1.- poste, 2.- ménsula, 3.- suspensión, 4.-atirantado, 5.- hilos de contacto, 6.- cable
sustentador, 7.- péndolas de un vano, 8.- cable de toma de tierra 9.- feeder.
• Feeder
Es el cable que partiendo de la subestación, discurre tendido conjuntamente
con la LAC como refuerzo de sección de ésta y sin ninguna función mecánica.
Generalmente son de cobre y, excepcionalmente de aluminio con alma de
acero. Se conectan a la catenaria cada cierta distancia (120-300 m).
MEMORIA
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Su empleo viene determinado por la necesidad de aumentar la sección de los
conductores, en los tramos donde los consumos de corriente son elevados,
evitando el sobrecalentamiento de los cables y reduciendo las pérdidas por
caída de tensión, sin que la catenaria pierda sus características de ligereza y
flexibilidad. Esto ocurre habitualmente en las catenarias para velocidades altas
y en las redes de cercanías, en las que la intensidad nominal puede llegar a los
2.000 A., no debiendo superar la densidad de corriente en este tipo de
2
instalaciones los 5 A/mm .
En otros tramos, para reforzar la sección del circuito de retorno, integrada por
los carriles de la propia vía, y con el fin de reducir la caída de tensión, se tiende
sobre los postes un cable de cobre, que se conecta en paralelo con los carriles,
o feeder negativo.
Además, dos magnitudes caracterizan la catenaria. Una de ellas es su altura, es
decir, la distancia entre el sustentador y el hilo de contacto en el punto de
apoyo del sustentador. Las normalizadas son 1,40 m., en las líneas
convencionales y de velocidad alta, y 1,80 m. en las líneas de alta velocidad. La
otra es el vano, su distancia entre dos apoyos consecutivos. En recta las
longitudes mas usuales de vano son de 60 m.
• Pantógrafo
Este elemento, aunque no forma parte de la línea de alimentación es muy
importante por ser el encargado de captar la energía eléctrica de la catenaria y
trasmitirla a la máquina del tren. Ubicado en el techo de la locomotora y aislado
de ésta mediante aisladores de porcelana, consiste en una mesilla con una o
varias placas conductoras que cuenta con regulación y amortiguación vertical,
mediante muelles o a través de un sistema neumático, que le permiten
mantener el contacto con el hilo durante el desplazamiento del convoy.
MEMORIA
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Figura 10: Pantógrafo
Consta de las siguientes partes:
-
Bastidor: es el armazón que soporta el sistema articulado, los
muelles y el pistón de aire comprimido del mecanismo de elevación
del pantógrafo.
-
Sistema articulado: está constituido por una estructura tubular
articulada de forma romboidal o semirromboidal.
-
Mesillas: son los elementos de captación directa de la corriente;
constan de: zapata, frotadores y trocadores.
-
Mecanismo de elevación: formado por cilindro, muelles, resortes y
válvulas que hacen ascender o descender las mesillas.
3.4
Motores de tracción
Los motores de tracción ferroviaria se diferencian en dos grandes grupos en
función del tipo de corriente con el que se alimentan: los de corriente continua
y los de corriente alterna.
MEMORIA
38
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Para entornos metropolitanos y suburbanos habitualmente se emplean motores
de menor tamaño y más distribuidos a lo largo del tren, para facilitar los rápidos
y frecuentes procesos de aceleración y parada a los que están expuestos éste
tipo de trenes, a través de un esfuerzo más equilibrado y repartido.
En alta velocidad históricamente se han empleado motores de mayor tamaño,
aunque las nuevas líneas de desarrollo tienen hacia una mayor distribución.
3.4.1 Motores de corriente continua
Los motores de corriente continua presentan un par de arranque elevado y su
velocidad puede modificarse variando la tensión aplicada, para una corriente de
inducido determinada.
Figura 11: Motor de corriente continua. Fuente: [HERN10]
La regulación de velocidad es fácil de conseguir en este tipo de motores, ya que
la tensión en bornes se puede modificar simplemente introduciendo resistencias
en serie con el motor. Esta característica es la que históricamente ha
determinado que los motores de tracción por excelencia hayan sido de corriente
MEMORIA
39
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continua, pues la regulación de tensión ha sido fácil de conseguir. Sin embargo,
presentan mayor complejidad en su fabricación y un mantenimiento complejo y
costoso, razón por la cual los sistemas de tracción han ido migrado desde los
años 80 hacia motores de corriente alterna.
3.4.2 Motores de corriente alterna
Los motores de corriente alterna se pueden clasificar en dos tipos, en función
del número de fases que los alimenten, en caso de que sea una sola fase se
denominan monofásicos y si son tres trifásicos.
Los motores trifásicos de tracción son más robustos y tienen un coste de
mantenimiento menor, además para la misma potencia y revoluciones que un
motor monofásico, sus cables de alimentación son más pequeños y su tamaño es
menor y por tanto resulta más barato. A pesar de estas ventajas, el hecho de
que las locomotoras se alimenten solamente con una fase ha favorecido el uso
de los motores monofásicos en el ferrocarril.
Figura 12: Motor asíncrono de una locomotora RENFE serie 252. Fuente: Renfe
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Para una determinada frecuencia, el par motor alcanza su máximo a una
determinada velocidad por lo que, si queremos conseguir más velocidad, a
igualdad de par, no queda más remedio que variar la frecuencia. Por este
motivo, los variadores de velocidad más extendidos en los motores de corriente
alterna trifásica basan su funcionamiento en la variación de la frecuencia.
La figura que aparece a continuación muestra la curva par-velocidad de tres
motores distintos y es el fundamento de la regulación de tracción en motores
asíncronos trifásicos.
Figura 13: Curva Par-Velocidad. Fuente [HERN10]
El eje vertical representa el par y el horizontal la velocidad del rotor o parte
móvil del motor trifásico.
3.5
Sistemas de frenado
Los sistemas de frenado juegan un papel muy importante a la hora de la
recuperar la energía que previamente se le ha suministrado al material móvil
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para su tracción., ya que el tipo de freno empleado en cada ocasión, condiciona
las posibilidades de recuperación de esa energía.
En función del método empleado para realizar la frenada, los frenos ferroviarios
se pueden clasificar en dos grupos fundamentales: el freno eléctrico y el freno
mecánico o neumático.
3.5.1 El freno eléctrico
El fundamento del freno eléctrico reside en el importante fenómeno consistente
en que los motores eléctricos de colector o trifásicos (síncronos o asíncronos)
tienen un funcionamiento reversible, es decir, pueden funcionar como motores
durante su tracción, absorbiendo corriente eléctrica de la catenaria y
produciendo esfuerzo tractor o como generadores durante el proceso de
frenado, produciendo corriente eléctrica y absorbiendo la energía mecánica del
tren.
Existen tres posibilidades de freno eléctrico, en función del consumidor de la
energía eléctrica generada por los motores:
• Reostático. La energía se disipa en forma de calor en conjuntos de
resistencias montados sobre el propio vehículo. En el caso de tracción
eléctrica es deseable que pueda funcionar incluso sin tensión de
catenaria. Se utiliza también en tracción diesel-eléctrica (freno hidráulico
con tracción diesel –hidráulica).
• Regenerativo. La energía recuperada no se disipa en resistencias, sino
que es aprovechada por otros elementos del sistema o incluso podría ser
devuelta a la red pública. La existencia y utilidad de este tipo de freno es
uno de los pilares del presente proyecto.
• Mixto. El desarrollo de la electrónica de potencia ha posibilitado la
utilización de este sistema, que consiste en la utilización del freno
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reostático y regenerativo de manera yuxtapuesta y automática en función
de las necesidades. El atractivo de eliminar el reóstato de frenado hace
previsible que en el futuro la tendencia se incline a favor del freno solo
por recuperación, en lugar del mixto.
3.5.1.1 Utilización del freno eléctrico
Existen dos clases de limitaciones para la utilización del freno eléctrico
[AREN06]:
-
Limitación mecánica: El coeficiente de adherencia rueda/carril
utilizable en frenado, que es muy inferior al de tracción,
aproximadamente la mitad.
-
Limitación eléctrica: La potencia de los motores actuando como
generadores es limitada y también los son el equipo eléctrico de
tracción y la potencia que el reostato es capaz de disipar. Otra
variable que puede limitar la actuación del freno eléctrico es la
tensión de los motores de tracción, que se eleva al actuar éstos
como freno ya que se invierte la dirección del flujo de corriente.
3.5.1.2 Ventajas del freno eléctrico
La utilización del freno eléctrico frente al neumático presenta las siguientes
ventajas [AREN06]:
• Protección de las ruedas
La aplicación de las zapatas sobre las ruedas a velocidades elevadas y durante
tiempo prolongado en el descenso de largas pendientes, puede provocar la
degradación térmica de las ruedas, e incluso su rotura, comprometiendo la
seguridad de la circulación.
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Razonamiento similar es también válido para los discos de freno, aunque en
menor proporción, porque los discos están diseñados para soportar temperaturas
notablemente más elevadas.
Se consigue una mayor duración de las ruedas, al evitar el desgaste producido
por las zapatas. Las ruedas son elementos de gran valor económico, que influyen
mucho en el coste y periodos del mantenimiento del material motor.
Además se obtiene un ahorro de zapatas de freno y mano de obra para
sustituirlas. Y lo mismo para discos y guarniciones de freno.
• Conducción más fácil del tren.
Ésta se hace especialmente más sencilla en el descenso de largas pendientes.
• Comodidad para los viajeros.
Con el freno eléctrico se evitan ruidos, chirridos y vibraciones al aplicarse las
zapatas.
• Ahorro de energía.
El freno eléctrico permite recuperar parte de la energía que se le había cedido
al tren para su tracción, lo que permite ahorrar energía y mejorar la eficiencia
global de las líneas de ferrocarril.
En Alta Velocidad el freno eléctrico ha pasado a ser el sistema de freno principal
del tren, utilizándose casi con exclusividad durante las frenadas de servicio, y
aplicándose el freno neumático con discos de freno solo como apoyo al freno
eléctrico en caso de deceleraciones fuertes, frenados de emergencia o
estacionamientos.
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3.5.1.3 Freno eléctrico con electrónica de potencia
La introducción de la electrónica de potencia en el ferrocarril supuso una
revolución en la concepción del freno eléctrico, porque permitió utilizar
fácilmente el frenado regenerativo.
Las causas que dieron lugar a esta revolución son [AREN06]:
-
La electrónica de potencia permite al motor trabajar a una fuerza
electromotriz inferior a la tensión de catenaria, actuando como un
“transformador de corriente continua” elevador de tensión.
-
El
sistema
electrónico
de
regulación
permite
dominar
instantáneamente las variaciones bruscas de tensión en catenaria.
-
La forma de las curvas características Par-Velocidad ya no son
relevantes, pues ahora en lugar de curvas hay realmente un área de
infinitas curvas.
3.5.2 El freno neumático
Se considera el freno más fiable y motivo por el cual el frenado de emergencia
se realiza exclusivamente con el freno neumático.
Todo el sistema de freno neumático termina en los bogues, que son el último
eslabón de la cadena de freno de un tren.
El sistema mecánico de freno puede ser de dos tipos:
• Mediante frenos de disco. El frenado se produce a través de unas
zapatas, que presionan al disco al ser accionadas por un cilindro
neumático, hidráulico o con resorte interno de muelle para casos de
emergencia o freno de estacionamiento.
MEMORIA
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• Patín sobre el carril. El esfuerzo de freno se produce por acción
electromagnética.
La acción neumática es promovida por el pistón de un cilindro que se amplifica
mediante un juego de palancas y timonería. La mayoría de los frenos se basan
en sistemas de aire comprimido con presiones de funcionamiento que oscilan
entre 0 y 6 atmósferas.
En la Figura a continuación se muestra un esquema con los distintos tipos de
frenado que se pueden realizar en la conducción.
Figura 14: Tipos de Freno. Fuente [MELI04]
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4
EL PROCESO DE RECUPERACIÓN DE ENERGÍA
En este apartado se describen los distintos elementos que intervienen
directamente en el proceso de recuperación. Cuáles son, en qué consisten y
cómo actúan.
4.1.1 Frenado regenerativo
• Qué es un freno regenerativo
Un freno regenerativo es un dispositivo que permite reducir la velocidad de
un vehículo transformando parte de su energía cinética en energía eléctrica.
Para que exista el frenado regenerativo, el motor del tren debe ser capaz de
funcionar como receptor y como generador. Cuando funciona como generador, a
partir del par aplicado por los ejes de las ruedas genera energía eléctrica y a la
vez se consigue el efecto de frenado.
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
regenerativo ya que aunque el frenado regenerativo 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 conectado a la red suministradora de energía no la consume o si las
baterías o condensadores están cargados completamente. Por esta razón,
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actualmente es necesario contar con un freno reostático que absorba el exceso
de energía en dichas situaciones.
Los frenos reostáticos, a diferencia de los regenerativos, disipan la energía
eléctrica en forma de calor al hacer circular la corriente generada durante el
frenado, a través de enormes bancos de resistores variables o reostatos. Por
tanto, presentan dos inconvenientes principales en comparación con el freno
regenerativo:
1.- No se aprovecha la energía cinética que el tren posee, para otros usos como
servicios auxiliares o el abastecimiento a otros trenes, lo que reduce el
rendimiento del sistema.
2.- El calor generado por los resistores puede servir para calentar el interior del
vehículo, pero lo habitual es que ese calor tenga que ser disipado al exterior, lo
que se traduce en un gasto energético adicional.
• Cómo funciona el freno regenerativo
Los frenos regenerativos se basan en el principio de que un motor eléctrico
puede ser utilizado como generador. El motor eléctrico de tracción es
reconectado como generador durante el frenado y 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.
Durante el frenado, las conexiones del motor de tracción son modificadas,
mediante un dispositivo electrónico, para que funcione como un generador
eléctrico. Por ejemplo, los motores de corriente continua brushless (del inglés,
sin escobillas), cuentan normalmente con sensores de efecto Hall para
determinar la posición del rotor del motor, lo que permite tener información del
vehículo y calcular cómo se ha de frenar de la manera más adecuada.
Los campos del motor se conectan al motor principal de tracción y las
armaduras del motor se conectan a la carga. El motor de tracción proporciona la
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excitación de los campos magnéticos, las ruedas del vehículo al girar, mueven
las armaduras, y el motor actúa como generador.
Si el movimiento del vehículo es decelerado, el flujo de corriente a través de la
armadura del motor durante ese frenado debe de ser contrario al que se utiliza
para accionar al motor.
El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la fuerza magnética de las
líneas de campo multiplicado por la velocidad angular de la armadura.
4.1.2 Electrónica de potencia
Para que el motor pueda adaptarse a las diferentes situaciones, pasando de
receptor a generador y de generador a receptor, es necesario que los equipos de
electrónica asociados al motor permitan y gestionen éstos cambios.
Uno de los dispositivos electrónicos que va a tener relevancia en éste proceso es
el inversor. Sobre todo cuando la alimentación por catenaria sea en corriente
continua.
4.1.3 Inversores
Después del sistema de captación, y tras las correspondientes protecciones, se
suelen instalar en la actualidad inversores de corriente que, con esquemas como
el de la Figura 16, se destinan a alimentar, partiendo de la corriente de
alimentación en continua, a los motores de sistemas auxiliares (compresores,
ventiladores, etc.) y al alumbrado interior de los vehículos.
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Figura 15: Esquema eléctrico de una locomotora alimentada en Corriente Continua.
Fuente: [ESTR06]
Estos convertidores estáticos adoptan diferentes configuraciones según cada
constructor, la potencia de diseño y el sistema de refrigeración utilizado
(convección natural, ventilación forzada o refrigeración por agua o líquido
frigorigénicos).
En el caso de alimentación en corriente alterna (Figura 17), los equipos
convertidores de corriente continua a corriente alterna son igualmente
necesarios para la alimentación de los motores y los servicios auxiliares de
corriente alterna. En este caso, además, se hace necesario un rectificador de
corriente alterna a corriente continua entre los equipos anteriores y la
captación de la línea.
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Figura 16: Esquema eléctrico de una locomotora alimentada en Corriente Alterna.
Fuente: [ESTR06]
Como puede apreciarse, ambos motores se alimentan en corriente alterna. El
motivo de que a las unidades móviles les llegue la energía eléctrica en corriente
continua es principalmente el hecho de que las infraestructuras de cierta
antigüedad se diseñaron para este tipo de corriente y resultaría mucho más
costoso modificarlas que instalar inversores en los trenes.
En el apartado 5.4 del presente proyecto se describe cómo afecta la
alimentación en corriente continua a la hora de devolver la energía regenerada
a la Red pública.
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5
ALTERNATIVAS AL USO DE LA ENERGÍA REGENERADA
5.1
Introducción
En este quinto apartado se describen los diferentes estados en los que puede
encontrarse un tren capaz de recuperar energía mientras recorre un trazado, así
como los elementos que deben incorporarse al material móvil y las
subestaciones (distinguiendo entre las de corriente continua y las de alterna)
para que la recuperación se realice de la manera más eficiente posible.
5.2
Estados o situaciones posibles
A continuación se detallan las distintas posibilidades o casos que se pueden
presentar mientras el tren se desplaza por la vía, en función de las
circunstancias concretas y los dispositivos de gestión y almacenamiento de
energía disponibles.
5.2.1 El motor del tren actúa como receptor
En situaciones en las que el tren circula con pendiente equivalente positiva
(cuesta arriba) o con una pendiente que no sea lo suficientemente negativa
como para vencer las fuerzas de resistencia al avance, el tren actúa únicamente
como receptor y por tanto sólo consume energía eléctrica.
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5.2.2 El motor del tren actúa como generador
Para que el motor del tren actúe como generador, es necesario que se dé al
menos una de las siguientes condiciones:
• Que la fuerza resultante de la pendiente equivalente negativa supere al
vector total de resistencia al avance y el tren haya superado su velocidad
objetivo.
• Que el tren necesite frenar porque se aproxima a una estación o a un
punto del trazado con velocidad limitada.
Cuando el tren se encuentra en una de éstas situaciones, el sistema electrónico
de control se encarga de realizar el conexionado eléctrico necesario para que el
motor eléctrico de tracción pase a actuar como generador.
Una vez que el tren comienza a generar energía lo siguiente que hay que
plantearse es: ¿Qué se puede hacer con esa energía? ¿Qué opciones existen
actualmente y qué otras podrían aparecer en el futuro?
El siguiente diagrama de flujo que aparece a continuación puede apreciarse de
manera gráfica la lógica que seguiría un sistema ferroviario cuyos trenes
dispongan de frenado regenerativo e incorpore dispositivos para acumular la
energía regenerada.
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Figura 17: Diagrama de Flujo del proceso de Frenado Regenerativo. Fuente:
Elaboración Propia
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Como se puede apreciar en el diagrama, la energía generada puede tener las
siguientes aplicaciones:
5.2.2.1 Se destina a los Servicios auxiliares
En los casos en que la energía recuperada sea igual o inferior a la demandada
por los servicios auxiliares, ésta se destinara a cubrir esa demanda.
Se entienden por servicios auxiliares a todos aquellos consumos del tren que no
están relacionados con la tracción, como puede ser la climatización,
iluminación, dispositivos de protección contra incendios, alimentación de
equipos electrónicos, etc.
5.2.2.2 Es absorbida por otros elementos del sistema.
Si la cantidad de energía que se está regenerando es superior a la demandada
por los servicios auxiliares, antes de acumularla o devolverla a la red, para
evitar pérdidas es preferible que ésta sea absorbida por otros elementos del
sistema externos al tren, como pueden ser otros trenes u otros dispositivos de la
infraestructura
(mantenimiento,
señalización
de
vías,
equipos
de
comunicaciones…)
5.2.2.3 Se devuelve a la Red de alimentación de la Compañía.
Si la energía recuperada supera a la demandada por los servicios auxiliares y
otros elementos de la infraestructura, y el sistema no dispone de dispositivos de
acumulación, existen dos posibilidades. La energía excedente se disipa en unas
resistencias o es devuelta a la Red Eléctrica de abastecimiento. Obviamente la
segunda opción es la más adecuada en términos de eficiencia energética,
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aunque
para
ello
es
necesario
que
las
subestaciones
presenten
las
características que se describen en el apartado 5.4 del presente proyecto.
5.2.2.4 Se acumula
Como se verá en el apartado 5.3, en algunas situaciones puede resultar más útil
acumular parte de la energía regenerada para un uso posterior. En función del
lugar en que se encuentren los acumuladores, podemos hablar de:
• Dispositivos de almacenamiento embarcados en el tren.
• Dispositivos de almacenamiento situados en tierra.
5.2.2.5 Se acumula y se devuelve a la Red.
En caso de que sea posible tanto la acumulación y como la devolución a la red,
se optará por una u otra alternativa en función de las necesidades concretas en
cada momento y del precio de venta de la energía en ese período horario.
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5.3
Acumuladores
Como se ha comentado anteriormente, el hecho de que los trenes incorporen un
freno regenerativo y sean capaces de devolver energía a la red supone una
importante mejora en la eficiencia y sostenibilidad de los sistemas ferroviarios y
de los medios de transporte en general.
El inconveniente es que a la vez presenta algunas complicaciones técnicas
derivadas de la regeneración, como puede ser la gestión y control de esa
energía que se está generando.
Cuando un tren pasa de consumir a regenerar electricidad, el nivel de tensión de
la red se incrementa, al igual que si se tratara de una “minicentral” de
generación. Además los trenes no circulan solos, sino que podemos encontrarnos
varios trenes circulando por un tramo de electrificación común y además en
ambos sentidos. Ésta situación provoca que en ocasiones sea complejo llegar a
poder predecir los instantes exactos en los que una subestación está
abasteciendo o está recibiendo energía del sistema.
Además puede darse el caso de que aparezcan “picos” de generación en los que
la red eléctrica es incapaz de absorber toda la energía que se está regenerando.
Para
solucionar
los
problemas
anteriormente
citados,
puede
resultar
conveniente incorporar dispositivos de acumulación de energía que ayuden a
mejorar la estabilidad y robustez del sistema.
Fundamentalmente
existen
dos
emplazamientos
posibles
para
estos
acumuladores; pueden ir alojados en el tren, o situados en tierra, en las
subestaciones.
Parece lógico pensar que el lugar idóneo para instalar los elementos de
acumulación de energía es el tren, quizá porque es en el material móvil donde
generalmente se encuentran estos dispositivos en otros medios de transporte
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como por ejemplo en los coches híbridos, pero los acumuladores embarcados
tienen algunas limitaciones, principalmente su peso y volumen, ya que no se
puede lastrar un tren más de unas pocas toneladas sin afectar a su rendimiento
y consumo eléctrico. Ya que los trenes están conectados a un circuito de
alimentación por catenaria, se puede aprovechar ésta ventaja y solucionar ésta
limitación mediante el empleo de acumuladores instalados en las subestaciones.
Aun así, los dispositivos de almacenamiento de energía integrados en el tren
presentan la ventaja de facilitar la continuidad de suministro eléctrico de
algunos servicios incluso en caso de fallo en el sistema de alimentación externo,
por tanto, lo más adecuado para alcanzar un compromiso entre fiabilidad de
suministro y capacidad de almacenamiento parece ser el empleo de sistemas
mixtos, es decir, acumuladores embarcados y en tierra.
5.3.1 Acumuladores embarcados
Se entiende por acumuladores embarcados a cualquier sistema de acumulación
de energía que vaya instalado en el tren.
Su objetivo, al igual que los acumuladores situados en tierra es el de almacenar
la energía que se genera durante el proceso de frenado para su posterior
utilización.
En la siguiente figura se puede apreciar el proceso de acumulación. Las flechas
azules indican el sentido de la energía, desde los motores de tracción (que en
éste caso se comportan como generadores) hasta el sistema de acumulación
embarcado.
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Figura 18: Proceso de acumulación de energía embarcada. Fuente: CAF
A día de hoy existen dos tipos fundamentales de acumuladores embarcados, en
función de la tecnología que emplean, los ultracondensadores y las baterías, ya
que ambos reúnen las características necesarias para instalación a bordo del
tren:
-
Elevada capacidad de almacenamiento de energía con relación a su
masa.
-
Tiempos de respuesta a la demanda de energía casi instantáneos.
-
Estabilidad. Ambos sistemas son estables mecánicamente. Ésta es el
principal motivo que impide que los volantes de inercia se puedan
embarcar con el material móvil.
Las principales ventajas que ofrencen los acumuladores embarcados son:
-
La posibilidad de traccionar sin catenaria: Puede ser útil en los
casos en que se atraviesen zonas poco apropiadas para la instalación
de catenarias, como recintos urbanos, túneles, etc.
-
Garantizar la continuidad del suministro eléctrico de los servicios
auxiliares (luz, climatización…) tanto en condiciones normales como
en situaciones de fallo del sistema de alimentación por catenaria.
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El principal inconveniente que presentan consiste en el volumen y masa de
acumuladores que se pueden embarcar en un tren está muy limitado, si no se
quiere afectar a otros aspectos como:
-
La dinámica del tren. Aunque en ocasiones es necesario lastrar con
peso algunos trenes para mejorar su respuesta dinámica, el hecho
de incorporar grandes acumuladores puede suponer un exceso de
lastre podría afectar a su rendimiento. El peso máximo que se le
puede añadir a un tren tipo es de unas 2,3 toneladas.
-
La capacidad de carga de mercancía o de viajeros a transportar. El
incluir equipos voluminosos o pesados podrían reducir la capacidad
de transporte del tren (viajeros·km ó kg·km).
Debido a éste motivo, la capacidad de los acumuladores embarcados está muy
limitada y su principal aplicación es la de cubrir “pequeñas demandas”, como
pudieran ser los servicios auxiliares.
5.3.1.1 Supercondensadores
Un condensador es un elemento pasivo de circuito eléctrico con dos terminales
formado por dos placas conductoras separadas por un aislante, donde se
almacena energía eléctrica debido al paso de las corrientes de una placa a otra
a través del aislante.
Los supercondensadores (también conocidos como ultracondensadores o
condensadores electroquímicos de doble capa, EDLCs por sus siglas en inglés)
tienen una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los
condensadores comunes, pudiendo alcanzar órdenes de miles de Faradios.
Se considera supercondensador a los dispositivos pasivos de almacenamiento de
energía con una capacitancia mayor a un faradio.
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Figura 19: Ultracondensador de explotación industrial. Fuente: Alstom
• Principales características:
-
Emplean tecnología de almacenamiento electrostático.
-
Permiten una potencia alta y un tiempo de reacción rápido, pero la
energía disponible está limitada y por tanto el tiempo de uso.
-
La densidad de energía almacenada en un supercondensador es unas
6 veces menor al de un volante de inercia.
-
El número de cargas y descargas está limitado.
Éstas características hacen que los supercondensadores sean unos de los
dispositivos de almacenamiento más indicados para ser instalados a bordo del
tren.
En las dos figuras que aparecen a continuación se indica de manera gráfica y
simplificada el conexionado y esquema eléctrico de éstos equipos.
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Figura 20: Esquema básico de ultracondensadores en un tren. Fuente: [LAFO10]
Figura 21: Esquema eléctrico de conexión de ultracondensadores. Fuente: [LAFO10]
La siguiente fotografía muestra un EDLC embarcado en una unidad de tracción.
Figura 22: Ultracondensador embarcado en tren. Fuente: Alstom
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5.3.1.2 Baterías
Emplean tecnología de almacenamiento químico, por ello ocupan mucho menos
espacio (mayor densidad de energía) pero tienen un inconveniente, el fuerte
impacto ecológico dada la toxicidad de los materiales empleados y de los
residuos que generan.
En las figuras que se muestran a continuación, se muestra el lugar de instalación
de las baterías dentro de las unidades de tracción, así como otros elementos
necesarios para su utilización (disyuntor, cargador, sistema de refrigeración…)
Figura 23: Baterías y aparamenta. Fuente: Alstom
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Figura 24: Representación de acumulador embarcado. Fuente: CAF
5.3.2 Acumuladores en tierra
Otra opción que se baraja es la de instalar los acumuladores en tierra firme.
Evitando así el problema/ limitación del lastrado excesivo del tren.
En este caso parece ser que la tecnología más idónea y que mejor se adapta a
las necesidades son los volantes de inercia, aunque también se podrían emplear
baterías o ultracondensadores.
Los flujos de energía entre los dispositivos de acumulación de energía situados
en tierra, la línea de distribución y los trenes aparecen reflejados de manera
esquemática en la figura a continuación:
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Figura 25: Esquema eléctrico de acumulación en tierra. Fuente [LAFO10]
Problemas que se podrían solucionar:
-
Reducir picos de consumo
-
Compensar caídas de tensión y sobretensiones en catenaria.
-
Reducir la potencia nominal de las subestaciones, así como el
número de las mismas.
-
Equilibrar el consumo de las fases en la red.
-
Mejorar la seguridad y estabilidad de la red.
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Tecnología disponible actualmente:
-
Sistema de almacenamiento cinético (volante de inercia) del orden
de 350 KW / 200MJ, por unidad, adaptado para aplicación
ferroviaria.
-
Convertidor electrónico de potencia para conexión a catenaria de
3000Vdc
Para el almacenamiento de energía hay que desarrollar un sistema basado en
electrónica de potencia, que permita el intercambio de potencia necesario en
cada momento de la red al acumulador cinético y viceversa. Se trata de un
sistema de elevada potencia que ha de ser de gran fiabilidad en pos de evitar
fallos en el suministro de energía en ambas direcciones.
5.3.2.1 Volantes de inercia
Esta tecnología se basa en la acumulación de energía cinética en un disco al que
se le hace girar en unas condiciones de rozamiento casi nulo.
La energía almacenada en un volante de inercia no se ve afectada por los
cambios de temperatura, no sufren de efectos de memoria, pueden ser cargados
y descargados indefinidamente, tienen vida “infinita” y una gran fiabilidad.
Son elementos que no dañan el medio ambiente, al ser fabricados con
materiales inertes o benignos. La energía almacenada es conocida en todo
momento mediante una simple medición de la velocidad. Necesitan de una
protección para el caso de rotura.
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Figura 26: Componentes del volante de inercia. Fuente [LAFO10]
• Diseño y construcción del volante
La cantidad de energía almacenada en un volante de inercia depende de la
inercia del volante y de la velocidad de giro del mismo. La inercia del volante
depende de su forma geométrica y las propiedades del material en el que está
construido. La máxima velocidad de giro de un volante de inercia, y por lo
tanto, la máxima energía que puede ser almacenada está limitada, debido a las
tensiones que se producen en el interior del volante de inercia y provocadas por
la fuerza centrífuga.
• Sistema de levitación y guiado magnético
El volante de inercia se sustenta magnéticamente por medio de cojinetes con el
objetivo de mejorar la fiabilidad del sistema y reducir las perdidas producidas
en el sistema. Típicamente constan de dos cojientes magnéticos radiales y un
cojinete activo-pasivo axial. Los cojinetes radiales mantienen el eje en una
posición fija, mientras que el axial sustentará el flywheel (disco) a la vez que lo
mantiene fijo en una posición axial.
MEMORIA
67
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Los materiales utilizados en la construcción del volante varían la capacidad de
energía almacenada por unidad de volumen y peso. La fibra de carbono, gracias
a sus elevadas características mecánicas permite aumentar la densidad de
energía. Sin embargo existe una dificultad importante en la construcción de
volantes por medio de este tipo de materiales compuestos.
En la figura que aparece a continuación se puede apreciar la posible posición
que ocuparían éstos dispositivos en la subestación de tracción.
Figura 27: Localización del volante de inercia en la Subestación. Fuente [LAFO10]
MEMORIA
68
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5.4
Devolución a la red
Indudablemente, desde el punto de vista de la eficiencia energética es más
apropiado devolver a la Red la energía regenerada que almacenarla, ya que el
rendimiento asociado a los distintos procesos que se derivan de la acumulación
de energía obviamente difiere de la unidad.
Figura 28: Proceso de devolución de energía a la red. Fuente: CAF
A la hora de devolver la energía regenerada a la Red se presentan diversos
problemas, que son el principal motivo de que se haya retrasado el desarrollo y
aplicación de ésta innovación:
1.- La tecnología existente debe permitir la devolución a la Red, y si no lo
permite, será necesario instalar equipos específicos destinados a ese fin. En los
apartados 5.4.1 y 5.4.2 se detallan los dispositivos necesarios en cada caso, en
función del tipo de corriente que circula por la catenaria (corriente continua o
corriente alterna).
2.- Además de que sea técnicamente posible devolver esa energía, deben existir
sistemas de medida que la contabilicen y gestionen, así como elementos que
puedan proporcionar una alternativa en caso de que la Red no pueda asimilar
esa energía
como los mencionados en apartados anteriores (acumuladores,
reostatos u otros elementos del sistema ferroviario)
MEMORIA
69
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A la hora de devolver la energía regenerada a la Red pública es necesario
distinguir entre dos tipos de subestaciones existentes.
5.4.1 Subestaciones de corriente alterna
En principio 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 el caso de la Línea de Alta
Velocidad de Madrid – Barcelona, actualmente ya se está devolviendo a la red.
Los beneficios de la regeneración se traducen en un menor consumo, es decir, si
gasto 100 y regenero 5, la compañía permite que sólo se le paguen 95.
Se baraja órdenes de magnitud de ahorro anual entre un 5 y un 20 % en éste tipo
de líneas (normalmente se trata de Alta Velocidad)
El principal problema es que la mayoría de las líneas no se alimentan en
corriente alterna.
5.4.2 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 reductor. Se encarga de realizar el cambio de corriente alterna
proveniente de la red a corriente continua con la que se alimenta la catenaria.
Además de ser de considerable potencia están refrigerados por radiadores de
calor de aluminio. Éste dispositivo sólo admite la circulación de corriente en un
solo 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
volumen de energía que esté previsto recuperar.
MEMORIA
70
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En la figura a continuación 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.
Figura 29: Esquema Subestación de Corriente Continua con Inversor. Fuente:
Elaboración Propia
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. En caso de que no resulte interesante o
posible la devolución a la red, sería conveniente disponer de un sistema de
acumulación que dote al sistema de cierto margen de maniobra.
MEMORIA
71
CAPÍTULO 2. CASO PRÁCTICO
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1
INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
El caso práctico se ha dividido en dos partes.
En la primera se analizan 6 modelos con diferentes inclinaciones y número de
paradas para comprobar cómo afectan estas características de la línea al
porcentaje de energía que se puede regenerar.
En la segunda se estudia en detalle un escenario real en el que se han
incorporado los elementos que posibilitan la recuperación de energía.
Por tanto, el objetivo del Caso es determinar qué tipo de sistemas son más
favorables a la regeneración y presentan un mayor potencial de mejora de
eficiencia.
Para lograr éste objetivo existen dos opciones:
1.- Instalar los equipos y dispositivos necesarios en función de cada sistema
ferroviario concreto y tras la puesta en servicio realizar las medidas pertinentes
para registrar el balance energético, flujos de energía, niveles de tensión,
corrientes, esfuerzos, perturbaciones, etc.
2.- Realizar simulaciones. Presentan un cierto margen de error, pero es la única
manera de poder realizar una valoración, teniendo una idea aproximada de
cómo van a afectar los cambios antes de llevar a cabo la inversión en
infraestructura.
Tras estudiar los diferentes simuladores existentes y analizar el estado del arte,
se ha optado por emplear un software desarrollado para una empresa privada,
aplicado en diferentes proyectos nacionales e internacionales con reconocido
éxito.
CASO PRÁCTICO
73
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1.1
Ecuación del movimiento del tren
Cuando aparece una fuerza neta longitudinal F (resultante de la resistencia al
avance, de la fuerza gravitatoria y de las fuerzas de tracción y frenado) sobre un
tren (cuya masa es M) el tren cambia su velocidad, y lo hace de acuerdo con la
segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica:
F = M ×a
Si F se expresa de daN, M en toneladas y a en m s 2 , al despejar la aceleración
se obtiene:
a=
F
× 10 2
M
Si la fuerza neta sobre el tren es positiva, entonces el tren aumenta su
velocidad, pues la aceleración resulta mayor que 0; mientras que si la fuerza
neta es negativa (porque la tracción es menor que la resistencia al avance o
porque la fuerza del freno es mayor que la fuerza de la gravedad en la bajada)
entonces la aceleración es negativa y el tren disminuye su velocidad.
Si además tenemos en cuenta los esfuerzos de tracción o de freno, la resistencia
al avance, las fuerzas gravitatorias y el efecto de las masas giratorias, la
ecuación final que define la aceleración del tren como consecuencia de la
acción de las diferentes fuerzas que intervienen mientras avanza por el trazado
propuesto sería:
CASO PRÁCTICO
74
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Donde:
-
La fuerza de tracción (Ft) es incompatible con la fuerza del freno
(Ff), y la fuerza de la pendiente de valor p es incompatible con la
fuerza de la rampa de valor r.
-
M es la masa del tren, expresada en toneladas (t)
-
V es la velocidad del tren, expresada normalmente en kilómetros
por hora (km/h).
-
A, B y C son coeficientes que dependen de las características físicas
del material rodante, que se miden, respectivamente, en [daN],
[daN/(km/h)] y [daN/(km/h)2].
-
M gi es la masa del conjunto giratorio, en t
-
ri es el radio de inercia polar del conjunto, en m
-
Ri es el radio de las ruedas motrices, en m.
A partir de la aceleración se puede obtener el trabajo (W) o esfuerzo realizado
por el tren, teniendo en cuenta que:
Integrando a cada segundo la fuerza por el desplazamiento en ese periodo de
tiempo, el trabajo resultante será:
CASO PRÁCTICO
75
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Para obtener los kWh consumidos o regenerados, a partir del trabajo (Julios)
sólo hay que emplear la siguiente relación:
En la figura que aparece a continuación se describen en detalle las fuerzas
longitudinales que actúan sobre el tren clasificadas entre las que tienden a
favorecer el movimiento del tren y las que tienden a retenerlo.
Tabla 3: Resumen de fuerzas longitudinales que actúan sobre el tren. Fuente
[GARC10]
CASO PRÁCTICO
76
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2
MODELOS TEÓRICOS
El propósito de la simulación y análisis de los seis escenarios que aparecen a
continuación es el de reconocer qué variables afectan a la cantidad de energía
que puede regenerar un sistema; como pueden ser el número de paradas y su
localización, la pendiente equivalente, los cambios de nivel, etc.
Para ello se han utilizado 6 modelos con un perfil geométrico simplificado para
facilitar los cálculos y poder comparar unos con otros de una manera más
sencilla. No obstante, en el apartado 3 de este Caso Práctico sí se ha abordado
un sistema real con un perfil geométrico complejo.
2.1
Modelo 1
La longitud total del recorrido en los seis modelos es de 200 km.
En este caso se han dispuesto 5 estaciones, en las que todos los trenes realizan
una parada de medio minuto.
La separación entre estaciones es de 50 km.
El tramo es completamente recto, es decir, no existen ni curvas ni desniveles.
El perfil del modelo 1 queda representado en la siguiente figura:
Figura 30: Modelo 1. Esquema de Perfil. Fuente: Elaboración Propia
CASO PRÁCTICO
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En el diagrama a continuación aparecen representadas la velocidad (km/h) y la
energía (kWh) generada o consumida en función del punto kilométrico que en el
que se encuentra el tren.
MODELO 1 - DIAGRAMA DE POTENCIAS
km/h, kWh
12000
PK
0
0
50
100
150
200
-12000
Velocidad (km/h)
Energía Generada (kWh)
Energía consumida (kWh)
Figura 31: Modelo 1. Diagrama de Potencias. Fuente: Elaboración Propia
Como se puede observar, los intervalos de mayor energía consumida de manera
constante se encuentran después de cada estación, ya que al ser un trazado
completamente recto, en cuanto el tren alcanza su velocidad objetivo,
prácticamente sólo consume la energía demandada por los servicios auxiliares.
Del mismo modo, los intervalos en los que se genera mayor cantidad de energía
se localizan pocos kilómetros antes de cada estación, zona en la cual el tren
recurre al frenado regenerativo para disminuir su velocidad.
Se consume una energía total de 2785 kWh y se generan 1194 kWh.
CASO PRÁCTICO
78
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Estos resultados se han obtenido a partir del “esfuerzo en llanta” y por tanto es
necesario aplicar factor de rendimiento tanto en el consumo como en la energía
regenerada para conocer la energía en catenaria, que es donde resulta
interesante para poder calcular el Porcentaje Energía Regenerada, en éste caso
un 32,15%
2.2
Modelo 2
En este caso se han dispuesto 9 estaciones, en las que todos los trenes realizan
una parada de medio minuto.
La separación entre estaciones es de 25 km.
El tramo es completamente recto, es decir, no existen ni curvas ni desniveles.
El perfil del modelo 2 queda representado en la siguiente figura:
Figura 32: Modelo 2. Esquema de perfil. Fuente: Elaboración Propia
En el diagrama a continuación aparecen representadas la velocidad (km/h) y la
energía (kWh) generada o consumida en función del punto kilométrico que en el
que se encuentra el tren.
CASO PRÁCTICO
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MODELO 2 - DIAGRAMA DE POTENCIAS
km/h, kWh
12000
PK
0
0
50
100
150
200
-12000
Velocidad (km/h)
Energía Generada (kWh)
Energía consumida (kWh)
Figura 33: Modelo 2. Diagrama de Potencias. Fuente: Elaboración Propia
Como puede observarse, el hecho de reducir la distancia entre paradas a la
mitad ha influido de una manera determinante en el porcentaje de energía
regenerada con respeto a la consumida.
Se han consumido un total de 4942 kWh y se han generado 2381 kWh. Tras
aplicar el factor de rendimiento tanto en el consumo como en la energía
regenerada para conocer su valor en catenaria, el Porcentaje Energía
Regenerada con respecto a la consumida es, en este caso del 36,14%
CASO PRÁCTICO
80
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2.3
Modelo 3
En este caso se han dispuesto 5 estaciones, en las que todos los trenes realizan
una parada de medio minuto.
La separación entre estaciones es de 50 km.
El tramo se divide en dos zonas claramente diferenciadas. Los 100 primeros
kilómetros presentan una pendiente positiva (subida) constante de 5 milésimas y
los 100 siguientes una pendiente negativa constante de 5 milésimas,
comenzando y terminando en la misma cota.
El perfil del modelo 3 queda representado en la siguiente figura:
Figura 34: Modelo 3. Esquema de Perfil. Fuente: Elaboración Propia
En el diagrama a continuación aparecen representadas la velocidad (km/h) y la
energía (kWh) generada o consumida en función del punto kilométrico que en el
que se encuentra el tren.
CASO PRÁCTICO
81
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MODELO 3 - DIAGRAMA DE POTENCIAS
km/h, kWh
12000
PK
0
0
50
100
150
200
-12000
Velocidad (km/h)
Energía Generada (kWh)
Energía consumida (kWh)
Figura 35: Modelo 3. Diagrama de Potencias. Fuente: Elaboración Propia
Se han consumido un total de 3210 kWh y se han generado 1364 kWh. Tras
aplicar el factor de rendimiento tanto en el consumo como en la energía
regenerada para conocer su valor en catenaria, el Porcentaje Energía
Regenerada con respecto a la consumida es, en este caso del 31,86%
Si lo comparamos con el modelo 1, se ha producido un aumento en la energía
regenerada, pero también en el consumo necesario para superar la pendiente en
el primer tramo del recorrido, por lo que el balance final es similar.
CASO PRÁCTICO
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2.4
Modelo 4
En este caso se han dispuesto 5 estaciones, en las que todos los trenes realizan
una parada de medio minuto.
La separación entre estaciones es de 50 km.
El tramo se divide en dos zonas claramente diferenciadas. Los 100 primeros
kilómetros presentan una pendiente positiva (subida) constante de 10 milésimas
y los 100 siguientes una pendiente negativa constante de 10 milésimas,
comenzando y terminando en la misma cota.
El perfil del modelo 4 queda representado en la siguiente figura:
Figura 36: Modelo 4. Esquema de Perfil. Fuente: Elaboración Propia
En el diagrama a continuación aparecen representadas la velocidad (km/h) y la
energía (kWh) generada o consumida en función del punto kilométrico que en el
que se encuentra el tren.
CASO PRÁCTICO
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MODELO 4 - DIAGRAMA DE POTENCIAS
km/h, kWh
12000
PK
0
0
50
100
150
200
-12000
Velocidad (km/h)
Energía Generada (kWh)
Energía consumida (kWh)
Figura 37: Modelo 4. Diagrama de Potencias. Fuente: Elaboración Propia
Se han consumido un total de 3667 kWh y se han generado 1429 kWh. Tras
aplicar el factor de rendimiento tanto en el consumo como en la energía
regenerada para conocer su valor en catenaria, el Porcentaje Energía
Regenerada con respecto a la consumida es, en este caso del 29,22%
En este caso puede resultar útil la comparación con los modelos 1 y 3, ya que el
número de paradas es el mismo y sólo ha variado la pendiente. Como es lógico
al aumentar la pendiente aumenta también la energía consumida y recuperada,
pero el porcentaje de energía regenerada con respecto a la consumida se reduce
a medida que aumenta la pendiente. Esto sucede porque en ninguno de los
escenarios se ha alcanzado la pendiente de equilibrio (del orden del 13% para
éste tipo de tren), a partir de la cual, el sumatorio de fuerzas acelerantes
supera al de fuerzas de frenado y es necesario que el tren realice un esfuerzo de
CASO PRÁCTICO
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frenado de manera constante. Resulta razonable pensar que a medida que se
supere esa pendiente de equilibrio el porcentaje de energía recuperada vaya en
aumento.
2.5
Modelo 5
En este caso se han dispuesto 5 estaciones, en las que todos los trenes realizan
una parada de medio minuto.
La separación entre estaciones es de 50 km.
El perfil se divide en cuatro zonas claramente diferenciadas. Los 50 primeros
kilómetros presentan una pendiente positiva (subida) constante de 5 milésimas y
los 50 siguientes una pendiente negativa constante de 5 milésimas, se repite el
mismo esquema para en los 100 km siguientes, por tanto, el escenario comienza
y termina en la misma cota.
El perfil del modelo 5 queda representado en la siguiente figura:
Figura 38: Modelo 5. Esquema de Perfil. Fuente: Elaboración Propia
En el diagrama a continuación aparecen representadas la velocidad (km/h) y la
energía (kWh) generada o consumida en función del punto kilométrico que en el
que se encuentra el tren.
CASO PRÁCTICO
85
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MODELO 5 - DIAGRAMA DE POTENCIAS
km/h, kWh
12000
PK
0
0
50
100
150
200
-12000
Velocidad (km/h)
Energía Generada (kWh)
Energía consumida (kWh)
Figura 39: Modelo 5. Diagrama de Potencias. Fuente: Elaboración Propia
Se han consumido un total de 3211 kWh y se han generado 1367 kWh. Tras
aplicar el factor de rendimiento tanto en el consumo como en la energía
regenerada para conocer su valor en catenaria, el Porcentaje Energía
Regenerada con respecto a la consumida es, en este caso del 31,93%
Puede resultar interesante comparar este modelo con el modelo 3, ya que
ambos presentan la misma pendiente durante la misma distancia, aunque en
este caso existan más cambios de nivel. Como puede observarse, el porcentaje
de energía regenerada ha aumentado un 0,07%, por lo que no se puede
considerar que el cambio sea muy significativo.
CASO PRÁCTICO
86
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2.6
Modelo 6
En este caso se han dispuesto 5 estaciones, en las que todos los trenes realizan
una parada de medio minuto.
La separación entre estaciones es de 50 km.
El perfil se divide en cuatro zonas claramente diferenciadas. Los 50 primeros
kilómetros presentan una pendiente positiva (subida) constante de 10 milésimas
y los 50 siguientes una pendiente negativa constante de 10 milésimas, se repite
el mismo esquema para en los 100 km siguientes, por tanto, el escenario
comienza y termina en la misma cota.
El perfil del modelo 6 queda representado en la siguiente figura:
Figura 40: Modelo 6. Esquema de Perfil. Fuente: Elaboración Propia
En el diagrama a continuación aparecen representadas la velocidad (km/h) y la
energía (kWh) generada o consumida en función del punto kilométrico que en el
que se encuentra el tren.
CASO PRÁCTICO
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MODELO 6 - DIAGRAMA DE POTENCIAS
km/h, kWh
12000
PK
0
0
50
100
150
200
-12000
Velocidad (km/h)
Energía Generada (kWh)
Energía consumida (kWh)
Figura 41: Modelo 6. Diagrama de Potencias. Fuente: Elaboración Propia
Porcentaje Energía Regenerada: 34,82 %
Se han consumido un total de 3632 kWh y se han generado 1686 kWh. Tras
aplicar el factor de rendimiento tanto en el consumo como en la energía
regenerada para conocer su valor en catenaria, el Porcentaje Energía
Regenerada con respecto a la consumida es, en este caso del 34,82%
Resulta lógico comparar este modelo con el modelo 4, ya que ambos presentan
la misma pendiente durante la misma distancia, aunque en este caso el perfil
cuenta con el doble de cambios de nivel. Como puede observarse, el porcentaje
de energía regenerada es superior en un 5,6% en este modelo.
La conclusión que puede extraerse es la siguiente: El aumento en el número de
cambios de nivel unido a una pendiente más pronunciada sí suponen una mejora
en el potencial o capacidad de regenerar energía de la línea.
CASO PRÁCTICO
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3
SIMULACIÓN DE UN SISTEMA REAL
En este apartado se estudia en detalle qué sucede en una línea de ferrocarril
real durante de un año, en la que se tienen trenes circulando con distintos
horarios y realizando diferentes paradas, con el objetivo de determinar de qué
manera afecta el nivel de explotación al porcentaje de energía recuperable y
qué tipo de sistemas son más indicados para incorporar la tecnología por
presentar un mayor potencial de mejora de eficiencia.
3.1
Descripción del escenario
A continuación se definen los parámetros de la línea ferroviaria con la que se va
a trabajar, de manera que el escenario quede perfectamente definido.
3.1.1 Perfil geométrico
El trazado tiene una longitud total de 450 km.
3.1.1.1 Pendientes, y curvas
Para conocer en detalle los desniveles y curvas que recorrerán los trenes al
circular por el recorrido, ver Anexo 1.
CASO PRÁCTICO
89
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Figura 42: Perfil geométrico. Fuente: Elaboración Propia
3.1.1.2 Estaciones
El escenario está compuesto por 5 estaciones:
Figura 43: Estaciones. Fuente: Elaboración Propia
La situación exacta de cada una de ellas se puede apreciar en la siguiente tabla:
CASO PRÁCTICO
90
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Denominación:
A
B
C
D
E
Punto Kilométrico
00+000
80+000
120+000
190+000
450+000
Tabla 4: Situación de las estaciones. Fuente: Elaboración Propia
3.1.1.3 Configuración de paradas
Se han contemplado 5 configuraciones de paradas posibles, ya que no tienen por
qué parar todos los trenes en todas las paradas.
• Tren Tipo 1: Con parada en las estaciones A-B-C-D-E
• Tren Tipo 2: Con parada en las estaciones A-B-D-E
• Tren Tipo 3: Con parada en las estaciones A-B-D
• Tren Tipo 4: Con parada en las estaciones A-B-C
• Tren Tipo 5: Con parada en las estaciones A-B
3.1.2 Perfil eléctrico
El sistema de tracción eléctrica elegido ha sido el de 2x25 kV, AC, 60 Hz
Tensiones en el sistema:
•
Tensión nominal: es la tensión declarada para el sistema, en el caso del
estudio el valor es de 25.000 V.
• Tensión permanente máxima, Umax1: es el valor máximo de la tensión
susceptible de estar presente indefinidamente, para el sistema en estudio
el valor es 27.500 V.
CASO PRÁCTICO
91
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• Tensión no permanente máxima, Umax2: es el valor máximo de la
tensión susceptible de estar presente durante cinco minutos como
máximo, en la red estudiada es de 29.000 V.
• Tensión permanente mínima, Umin1: es el valor mínimo de la tensión
susceptible de estar presente indefinidamente. El valor para la línea es de
19.000V.
3.1.2.1 Catenaria
Las características de la línea aérea de contacto son:
CONDUCTOR SECCIÓN
Hilo de contacto 150
Hilo sustentador 95
Cable de retorno 110
Feeder negativo 280
Sin feeder positivo
Carril UIC 60
MATERIAL
OBSERVACIONES
Cobre-Magnesio
Cobre
Aluminio-acero LA110
Aluminio-acero LA280
Tabla 5: Conductores de la Línea Aérea de Contacto. Fuente: Elaboración Propia
3.1.2.2 Subestaciones y Centros de Autotransformación
Para que los trenes reciban la energía eléctrica necesaria a través de catenaria,
se han de instalar puntos de inyección de energía a lo largo de la línea de
ferrocarril.
La localización de las seis subestaciones ha quedado de la siguiente manera:
CASO PRÁCTICO
92
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Denominación:
SE_1
SE_2
SE_3
SE_4
SE_5
SE_6
Punto Kilométrico
30+000
90+000
180+000
250+000
340+000
420+000
Tabla 6: Situación de las Subestaciones. Fuente: Elaboración Propia
Como el sistema de alimentación propuesto es el 2x25 kV, además de las
subestaciones se colocarán centros de autotransformación cada 10 km para
mantener el nivel de tensión de catenaria dentro de los límites citados al
comienzo de éste apartado.
3.1.3 Material móvil
El material rodante queda definido a partir de los siguientes parámetros:
• Peso de la composición.
• Longitud de la composición.
• Coeficiente de masas.
• Velocidad y aceleración máximas.
• Jerk máximo.
• Potencia de servicios auxiliares.
• Tensiones mínima, máxima y nominal de funcionamiento: 19, 29 y 27,5
kV respectivamente.
• Aceleración mínima en tracción.
• Modelo de conducción: Se ha escogido el modelo de conducción rápida.
En éste el tren intenta ir a la máxima velocidad posible, únicamente
limitada por las características de la vía y el material.
CASO PRÁCTICO
93
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• Modelo de esfuerzo resistente. La fuerza resistente es del tipo
Fr=a+bv+cv2 donde v es la velocidad del tren y a, b y c son coeficientes
facilitados por el fabricante del material rodante.
• Modelo de tracción eléctrica. Para cada velocidad se introducen las
curvas de esfuerzo tractor – velocidad e intensidad – velocidad, a tensión
nominal y para cada régimen de funcionamiento de las locomotoras. En
cada caso se tiene en cuenta el tipo de control existente. Cuando el tren
está en régimen de tracción, el programa escoge la curva de esfuerzo e
intensidad o el régimen de potencia más adecuada al tipo de marcha de
forma que los movimientos de los trenes y sus consumos son los más
cercanos a la realidad.
Debido a las características del trazado propuesto, se ha escogido un modelo de
tren de Alta Velocidad.
• Peso de cada unidad:
-
Tren vacío en orden de marcha:
319 t.
-
Tren cargado:
357 t.
• Velocidad máxima:
-
320 km/h
Resistencia al avance:
r(daN/t)=2,837+0.0476V+.0005V2
• Potencia:
-
Unidad simple:
8.800 kW
-
Unidad doble:
17.600 kW
• Factor de Potencia > 0,95
• Curvas características del tren:
CASO PRÁCTICO
94
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250
200
Traction 100%
150
Traction 75%
Traction 50%
100
Regen. Brake 100%
Regen. Brake 75%
Effort [kN]
50
Regen. Brake 50%
Rheost. Brake 100%
2
y = 0.0005x + 0.0476x + 2.8369
Rheost. Brake 50%
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
‐35 ‰
Speed [KPH]
‐50
+0 ‰
+10 ‰
+20 ‰
‐100
+25 ‰
+35 ‰
‐150
Polinómica (+0 ‰)
‐200
‐250
Figura 44: Diagrama Esfuerzo- Velocidad. Fuente: Talgo
450
400
350
Current [A]
300
250
I [A] 100% trac, 25 kV
I [A] 100% trac, 22,5 kV
200
I [A] 100% trac, 29,5 kV
150
100
50
Speed [KPH]
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
Figura 45: Diagrama Corriente- Velocidad. Fuente: Talgo
CASO PRÁCTICO
95
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0.6
0.55
0.5
0.45
2
Acceleration [m/s ]
0.4
0.35
a ‐ trac 100%
0.3
a ‐ trac 75%
a ‐ trac 50%
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
Speed [KPH]
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
300
Figura 46: Diagrama Aceleración- Velocidad. Fuente: Talgo
CASO PRÁCTICO
96
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3.1.4 Matriz de impedancias
Para la realización de los cálculos eléctricos es necesario obtener la matriz de
impedancias del sistema, la obtención de ésta se ha realizado considerando las
siguientes expresiones:
Impedancia propia por unidad de longitud:
Z hh = Z A + Z Ehh
Donde:
Z A = R + 2 j ⋅10 −4 ⋅ ω ⋅
µr
4
-
ZA: Impedancia interna:
-
R: resistencia en corriente continua
-
ω: pulsación ( 2 ⋅ π ⋅ f )
-
µr: permeabilidad relativa
-
ZEhh: impedancia externa
-
Que se puede determinar bien por la fórmula de Carson:
Z Ehh = 2 ⋅ j ⋅ ω ⋅10 −4 ⋅ ln
2
+ 2(∆Rhh + j ⋅ ∆X hh )
rh
-
donde:
-
∆Rhh y ∆Xhh son factores de corrección.
O bien por las ecuaciones de Carson – Clem:
CASO PRÁCTICO
97
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Z Ehh = 0,99 ⋅10 −3 ⋅ f + 2 j ⋅ ω ⋅10 −4 ⋅ ln
De
r
donde:
-
De: distancia equivalente del retorno por tierra
-
r: radio del conductor
Impedancia mutua por unidad de longitud:
Se calculará por la fórmula de Carson – Clem para el caso de distancias entre
conductores pequeña:
Z hk = 0,99 ⋅10 −3 ⋅ f + 2 j ⋅ ω ⋅10 −4 ⋅ ln
De
d hk
donde:
-
dhk: distancia entre los conductores h y k
O, para casos de distancias mayores, por la fórmula de exacta de Carson – Clem:
Z Ehk = 2 j ⋅ ω ⋅10 − 4 ⋅ ln
Dhk
+ 2(∆Rhk + ∆X hk )
d hk
Mediante la aplicación de las fórmulas anteriormente expuestas, obtenemos la
siguiente matriz de impedancias:
CASO PRÁCTICO
98
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R
Positivo vía 1
Positivo vía 2
Negativo vía 1
Negativo vía 2
Retorno
0,129
0,051
0,052
0,047
0,048
I
0,391
0,220
0,242
0,197
0,213
R
I
0,051
0,129
0,047
0,052
0,048
0,220
0,391
0,197
0,242
0,213
R
0,052
0,047
0,178
0,045
0,044
I
0,242
0,197
0,584
0,182
0,206
R
0,047
0,052
0,045
0,178
0,044
Retorno
Negativo vía 2
Negativo vía 1
Positivo vía 2
Positivo vía 1
Matriz impedancias reducida (Ω/km)
I
R
I
0,197
0,242
0,182
0,584
0,206
0,048
0,048
0,044
0,044
0,067
0,213
0,213
0,206
0,206
0,278
0,208
0,664
0,070
-2,209
0,898
-0,758
-0,758
-0,304
-0,304
2,484
1,945
1,945
0,898
0,898
-7,665
Matriz de admitancias reducida (S/km)
Positivo vía 1
Positivo vía 2
Negativo vía 1
Negativo vía 2
Retorno
1,848
-0,466
-0,393
-0,030
-0,758
-4,156
0,760
0,664
0,208
1,945
-0,466
1,848
-0,030
-0,393
-0,758
0,760
-4,156
0,208
0,664
1,945
-0,393
-0,030
0,804
0,008
-0,304
0,664
0,208
-2,209
0,070
0,898
-0,030
-0,393
0,008
0,804
-0,304
Tabla 7: Matriz de impedancias reducida. Fuente: Elaboración Propia
Y el equivalente de Thevenin resultante es:
Equivalente Thevenin
Calculada
R
I
Zeq Positivo 1
0,0893 0,2009
Zeq Positivo 2
0,0893 0,2009
Zeq Negativo 1
0,1454 0,3997
Zeq Negativo 2
0,1454 0,3997
Zeq retorno
0,0383 0,1181
Tabla 8: Equivalente de Thevenin. Fuente: Elaboración Propia
CASO PRÁCTICO
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3.2
Escenarios simulados
Se han simulado tres escenarios con distintos niveles de explotación para un
mismo trazado, con objeto de conocer cómo afectan las variaciones en los
regímenes de explotación a la capacidad de regenerar energía del sistema.
3.2.1 Escenario 1
3.2.1.1 Descripción del escenario
En este escenario se han lanzado trenes cada 5 minutos entre las estaciones A y
B, la mitad de ellos en composición¹ simple y la mitad en composición doble.
Entre las estaciones B y D, se han lanzado trenes cada 15 minutos, la mitad de
ellos en composición simple y la mitad en composición doble.
Entre las estaciones D y E, se han lanzado trenes cada 20 minutos, todos ellos en
composición simple.
¹Composición: El número de unidades de vehículo que componen un tren. La
simple está compuesta por un solo vehículo y la doble por dos vehículos unidos.
3.2.1.2 Resultados obtenidos
En la tabla que aparece a continuación se detalla la energía importada y
exportada por cada tipo de tren y por el resto de servicios de la infraestructura
(estaciones, talleres, servicios auxiliares…)
CASO PRÁCTICO
100
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ESCENARIO 1
Demanda para el movimiento y auxiliares de los trenes
Tren Tipo 1: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 2: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 3: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 4: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 5: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
TOTAL movimiento de trenes
Energía Exportada
Energía Importada =
= 0,5 * energía
Energía pantografo - 0,5 *
regenerada
energía regen + energia
(kWh)
SSAA * 1,03 (kWh)
estaciones A-B-C-D-E
87.731.937
0
2.931.304
0
88.114.971
0
2.895.749
0
70.035.332
7.007.714
2.338.357
251.223
18.936.481
0
719.966
0
864.748
63.457.241
336.148.424
30.300
2.371.039
11.537.939
estaciones A-B-D-E
estaciones A-B-D
estaciones A-B-C
estaciones A-B
Demanda de consumos auxiliares de la infraestructura
Energía Importada
Energía Exportada
(kWh)
(kWh)
28.318.632
Demanda total Estaciones
38.000.000
Demanda total Talleres
9.395.000
Demanda total Puestos de mando y oficinas
50.000
TOTAL demandas del resto de servicios.
75.763.632
TOTAL (kWh/año)
411.912.056
11.537.939
TOTAL sin freno regenerativo
434.987.934
0
Porcentaje de energía regen. respecto a la demandada total
5,60%
Porcentaje de energía regen. respecto a la demandada para el mov. de los trenes
6,86%
Tabla 9: Escenario 1. Balance energético global. Fuente: Elaboración Propia
Se ha supuesto que la mitad de la energía recuperada se devuelve a la Red
pública y la otra mitad es consumida por el sistema (tracción de otros trenes,
servicios de la infraestructura, etc.)
CASO PRÁCTICO
101
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Como puede verse, se requieren un total de 435 GWh al año que se reducen a
412 GWh al año si se dispone de dispositivos de recuperación.
A continuación se muestra el detalle de los consumos individuales de cada tren,
que han servido como base para obtener los resultados anteriormente
comentados.
Consumo por
cada tren
(kWh/trenOD)
Consumo Total
Nº de trenes al
(Consumo por
año (en ambos
tren x Nº trenes
sentidos)
año)
Energia
Energía elec.
auxliares en regenerada por
parado
cada tren
(kWh)
(kWh/trenOD)
Energía elec.
regenerada
total
(kWh)
Tren Tipo 1:
Comp. Doble
Comp. Simple
7.102
13.338
12.410
0
88.132.345
0
2.457.180
0
472
955
5.862.608
0
Tren Tipo 2:
Comp. Doble
Comp. Simple
7.130
13.384
12.410
0
88.479.825
0
2.457.180
0
467
943
5.791.499
0
Tren Tipo 3:
Comp. Doble
Comp. Simple
2.867
5.393
23.569
1.251
67.567.112
6.748.508
4.666.579
495.562
198
402
4.676.713
502.445
Tren Tipo 4:
Comp. Doble
Comp. Simple
1.380
2.609
12.410
0
17.125.552
0
2.457.180
0
116
235
1.439.932
0
Tren Tipo 5:
Comp. Doble
Comp. Simple
1.226
2.313
626
24.194
767.439
55.959.918
123.893
9.580.935
97
196
60.601
4.742.079
324.780.699 22.238.509
23.075.878
Tabla 10: Escenario 1. Consumos individuales de cada tren. Fuente: Elaboración
Propia
CASO PRÁCTICO
102
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3.2.2 Escenario 2
3.2.2.1 Descripción del escenario
En este escenario se han mantenido las frecuencias de lanzamiento de trenes
desde las estaciones, pero ahora el 75% de las unidades circulan en composición
doble en todos los tramos.
3.2.2.2 Resultados obtenidos
En la tabla que aparece a continuación se detalla la energía importada y
exportada por cada tipo de tren y por el resto de servicios de la infraestructura
(estaciones, talleres, servicios auxiliares…) para éste segundo escenario en el
que el se ha previsto un mayor nivel de explotación de la línea.
CASO PRÁCTICO
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ESCENARIO 2
Demanda para el movimiento y auxiliares de los trenes
Tren Tipo 1: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 2: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 3: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 4: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
Tren Tipo 5: Con parada en las
Composición simple
Composición doble
TOTAL movimiento de trenes
Energía Importada =
Energía Exportada
Energía pantografo - 0,5 *
= 0,5 * energía
energía regen + energia
regenerada
SSAA * 1,03 (kWh)
(kWh)
estaciones A-B-C-D-E
0
164.655.384
0
5.926.023
0
165.301.324
0
5.854.045
35.017.636
72.997.555
1.169.177
2.616.921
18.936.481
0
719.966
0
0
65.098.392
522.006.773
0
2.432.360
18.718.493
estaciones A-B-D-E
estaciones A-B-D
estaciones A-B-C
estaciones A-B
Demanda de consumos auxiliares de la infraestructura
Energía Importada
Energía Exportada
(kWh)
(kWh)
28.318.632
Demanda total Estaciones
41.800.000
Demanda total Talleres
12.683.250
Demanda total Puestos de mando y oficinas
50.000
TOTAL demandas del resto de servicios.
82.851.882
TOTAL (kWh/año)
604.858.655
18.718.493
TOTAL sin freno regenerativo
642.295.640
0
Porcentaje de energía regen. respecto a la demandada total
6,19%
Porcentaje de energía regen. respecto a la demandada para el mov. de los trenes
7,17%
Tabla 11: Escenario 2. Balance energético global. Fuente: Elaboración Propia
Al igual que en el escenario1, se ha supuesto que la mitad de la energía
recuperada se devuelve a la Red pública y la otra mitad es consumida por el
sistema.
CASO PRÁCTICO
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Se requieren un total de 642 GWh al año que se reducen a 604 GWh al año si se
dispone de dispositivos de recuperación.
A continuación se muestra el detalle de los consumos individuales de cada tren,
que han servido como base para obtener los resultados anteriormente
comentados.
Consumo por
cada tren
(kWh/trenOD)
Consumo Total
Nº de trenes al
(Consumo por
año (en ambos
tren x Nº trenes
sentidos)
año)
Energia
Energía elec.
auxliares en regenerada por
parado
cada tren
(kWh)
(kWh/trenOD)
Energía elec.
regenerada
total
(kWh)
Tren Tipo 1:
Comp. Doble
Comp. Simple
7.102
13.338
0
12.410
0
165.519.616
0
4.914.360
472
955
0
11.852.046
Tren Tipo 2:
Comp. Doble
Comp. Simple
7.130
13.384
0
12.410
0
166.093.579
0
4.914.360
467
943
0
11.708.090
Tren Tipo 3:
Comp. Doble
Comp. Simple
2.867
5.393
11.784
13.036
33.783.527
70.297.467
2.333.287
5.162.145
198
402
2.338.355
5.233.842
Tren Tipo 4:
Comp. Doble
Comp. Simple
1.380
2.609
12.410
0
17.125.552
0
2.457.180
0
116
235
1.439.932
0
Tren Tipo 5:
Comp. Doble
Comp. Simple
1.226
2.313
0
24.820
0
57.407.171
0
9.828.720
97
196
0
4.864.720
510.226.911 29.610.053
37.436.985
Tabla 12: Escenario 2. Consumos individuales de cada tren. Fuente: Elaboración
Propia
Como se ha podido comprobar, en el escenario 2 la proporción de energía
regenerada respecto a la consumida es superior a la del escenario 1, debido
principalmente a que el nivel de explotación del primer escenario es menor ya
que al haber menor tráfico de trenes disminuye la posibilidad de acelerar unos
trenes en el momento en que otros están frenando.
CASO PRÁCTICO
105
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INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
3.3
Aprovechamiento en función de la tecnología disponible.
Tanto la potencia instalada como la energía demandada por el sistema, se verán
afectadas en función de los dispositivos de recuperación de energía con los que
cuente el sistema.
La casuística del problema se puede dividir en cuatro situaciones principales, en
función de las posibilidades de aprovechamiento de energía disponibles.
3.3.1 El material móvil no incorpora freno regenerativo
El hecho de que los trenes no cuenten con freno regenerativo supondría que
toda la energía de frenado se disipe y no se recupere. En el caso del Escenario1,
sin este tipo de freno el sistema tendría que demandar de la Red Pública un
5,6% más de energía al año, lo que supone un total de 23076 MWh es decir, más
de 5000 toneladas de CO2 de emisión como resultado de la generación de esa
energía que se está desperdiciando. En el escenario2 el ahorro energético es aún
mayor.
Si el empleo de esta técnica reduce o suaviza la magnitud de los picos de
demanda, la potencia instalada en las subestaciones podría ser inferior. Por
tanto, además del ahorro en el consumo energético, también es conveniente
evaluar un posible ahorro en gastos de instalación que tampoco estaríamos
aprovechando.
CASO PRÁCTICO
106
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INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
3.3.2 Existe freno regenerativo, pero no subestaciones reversibles
La incorporación del freno regenerativo, como era de esperar, supone una
reducción directa en el consumo energético de los ambos escenarios, ya que en
las mismas condiciones de servicio se necesita demandar menos energía.
Al demandar menos cantidad de energía de la red pública, la potencia instalada
en las subestaciones encargadas de alimentar la línea de ferrocarril también
podría reducirse.
3.3.3 Existe freno regenerativo y es posible la devolución de energía
a la red
Si además existe la posibilidad de devolver energía a la red (a través de
subestaciones reversibles), la energía total demandada se vería reducida aún
más que en el caso anterior, ya que esa devolución se traduce en un menor
consumo. Tomando como ejemplo el Escenario 2, la energía total consumida sin
freno regenerativo serían 642,3 GWh/año, si se recuperan 37,44 GWh/año de los
cuales el sistema es capaz de absorber la mitad y la otra mitad es devuelta a la
red, el ahorro en energía consumida es del 6,19%.
La potencia instalada en este caso sería la misma que para el apartado 3.3.2.
3.3.4 El sistema cuenta con dispositivos de acumulación, frenado
regenerativo y permite la devolución de energía a la red.
Uno de los objetivos de la incorportación de acumuladores es el de suavizar los
picos de consumo, empleando la energía acumulada para cubrir parte de la
potencia demandada en ese tipo de situaciones.
CASO PRÁCTICO
107
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La energía total demandada quizá aumente ligeramente con respecto al caso
anterior, debido principalmente a las pérdidas que puedan aparecer durante el
acumulativo reduciendo el rendimiento global del sistema.
Es conveniente señalar que el hecho de poder escoger el momento en el que se
emplea la energía recuperada, dentro sus limitaciones claro está, ofrece cierta
capacidad de maniobra a la hora de su venta, ya que el precio del MWh varía en
función del instante y el día en el que se realice la venta. Por consiguiente, a
pesar de que el rendimiento sea inferior, quizá el coste global asociado al
consumo energético también lo sea.
CASO PRÁCTICO
108
CAPÍTULO 3. CONCLUSIONES
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1
CONCLUSIONES
En este apartado se exponen las principales conclusiones, ideas y propuestas
obtenidas como resultado de la realización del presente proyecto.
1.1
Conclusiones en relación a la Memoria Descriptiva
Dentro del sector del transporte, cada vez tienen más peso las líneas de
actuación que apuntan en la dirección de la sostenibilidad, es decir, medidas a
favor de la mejora de la eficiencia de los procesos que redunden a su vez en una
reducción de la contaminación y las emisiones.
En nuestro país, el potencial de energía regenerable asciende a 600 GWh al año.
En el caso del ferrocarril, la incorporación de sistemas de recuperación de
energía parece ser una medida factible de optimizar el consumo.
Por supuesto, existen ciertas complicaciones técnicas derivadas de la
regeneración, como puede ser la gestión y control de esa energía que se está
generando y la inversión necesaria para adaptar los diferentes sistemas de
tracción ferroviaria.
Además puede darse el caso de que aparezcan “picos” de generación en los que
la red eléctrica es incapaz de absorber toda la energía que se está regenerando.
Para
solucionar
los
problemas
anteriormente
citados,
puede
resultar
conveniente incorporar dispositivos de acumulación de energía que ayuden a
mejorar la estabilidad y robustez del sistema. Existen dos emplazamientos
posibles para estos acumuladores; pueden ir alojados en el tren, o situados en
tierra, en las subestaciones.
Indudablemente, desde el punto de vista de la eficiencia energética es más
apropiado devolver a la Red la energía regenerada que almacenarla, ya que el
CONCLUSIONES
110
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rendimiento asociado a los distintos procesos que se derivan de la acumulación
de energía obviamente difiere de la unidad.
Para poder devolver energía eléctrica a la red pública un requisito indispensable
es que las subestaciones de alimentación sean reversibles. En el caso de las
subestaciones de corriente alterna no existen impedimentos importantes para su
reversibilidad, pero en la de corriente continua, el puente de diodos rectificador
que incorporan implica que sea necesario añadir a la instalación un equipo
inversor de una potencia determinada, que conecte la catenaria con el
secundario del transformador, en paralelo con el rectificador.
1.2
Conclusiones en relación al Caso Práctico
Tras realizar las simulaciones y analizar los resultados obtenidos en los dos
apartados de este caso práctico, se desprenden las siguientes conclusiones:
Uno de los principales factores que determinan el potencial de recuperación de
energía de un escenario ferroviario es el número de paradas. Cuanto menor sea
la distancia media entre estaciones, el nivel de aprovechamiento será mayor.
Los cambios de nivel y las pendientes negativas pronunciadas también afectan
de manera positiva a la cantidad de energía recuperable en un trayecto.
Si en algún tramo del recorrido se supera la pendiente equivalente (a partir de
la cual, el sumatorio de fuerzas acelerantes supera al de fuerzas de frenado)
esto supondría que el tren debe realizar un esfuerzo de frenado constante para
evitar que el tren supere el límite de velocidad establecido, por lo tanto, a
medida que, en un determinado trazado, el número de kilómetros con éstas
características aumente, el porcentaje de energía recuperada con respecto a la
consumida también irá en aumento y la incorporación de dispositivos de
recuperación de energía en la línea tendrá cada vez más sentido.
CONCLUSIONES
111
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
Cuanto mayor sea el nivel de explotación, o lo que es lo mismo, a medida que el
tráfico de trenes circulantes en un mismo sentido vaya en aumento, más se
favorecerá la recuperación de energía.
En líneas ferroviarias con un comportamiento similar al de los Cercanías puede
resultar muy aconsejable adaptar la infraestructura para devolver energía a la
red pública, ya que se trata de sistemas ferroviarios cuyas estaciones están
próximas, pero no lo suficiente como para garantizar que la mayor parte de la
energía que se está regenerando sea consumida en ese mismo instante por otros
trenes durante su tracción.
CONCLUSIONES
112
CAPÍTULO 4. BIBLIOGRAFÍA
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS
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BIBLIOGRAFÍA
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UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
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Real Decreto 1011/2009, de 19 de junio, por el que se regula la
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BIBLIOGRAFÍA
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BIBLIOGRAFÍA
116
CAPÍTULO 5. ANEXOS
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
1
DATOS EMPLEADOS EN EL CASO PRÁCTICO
1.1
Datos geométricos
1.1.1 Perfil
VIA
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
PK Inicio
1.04
6.37
8.14
16.04
19.29
28.04
33.95
39.09
52.58
59.43
62.08
67.88
70.58
75.96
76.71
77.27
78.36
80.40
81.14
81.69
83.09
85.61
86.54
87.26
87.81
88.21
89.81
90.54
90.96
91.53
92.36
PK Fin
6.37
8.14
16.04
19.29
28.04
33.95
39.09
52.58
59.43
62.08
67.88
70.58
75.96
76.71
77.27
78.36
80.40
81.14
81.69
83.09
85.61
86.54
87.26
87.81
88.21
89.81
90.54
90.96
91.53
92.36
92.91
Distancia
5.33
1.77
7.90
3.25
8.75
5.92
5.14
13.50
6.85
2.65
5.80
2.70
5.38
0.75
0.56
1.09
2.04
0.74
0.56
1.40
2.53
0.93
0.72
0.55
0.39
1.61
0.72
0.42
0.57
0.83
0.55
ANEXOS
Pendiente
(0/00)
0.00
4.63
-14.31
17.29
-10.88
6.83
-13.77
10.13
-9.33
-4.86
-7.53
-12.12
-5.10
10.00
-7.82
-25.61
0.00
3.38
1.21
-1.09
2.06
6.95
-10.09
-3.13
8.09
-5.37
0.24
-0.77
4.24
1.51
-2.02
Altitud
276.26
276.26
284.46
171.41
227.60
132.40
172.80
102.09
238.80
174.89
162.01
118.33
85.61
58.17
65.67
61.29
33.38
33.38
35.87
36.54
35.02
40.22
46.69
39.42
37.70
40.90
32.28
32.45
32.12
34.54
35.79
118
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
VIA
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
PK Inicio
92.91
93.41
94.28
94.80
95.31
96.11
96.51
97.41
97.82
98.46
99.04
99.69
100.40
100.81
102.02
102.85
103.29
103.86
104.34
104.76
105.72
106.64
107.20
108.31
109.19
109.59
112.24
113.41
115.76
116.79
117.54
118.53
123.84
132.99
135.09
137.22
141.78
144.35
151.58
162.26
165.46
167.36
PK Fin
93.41
94.28
94.80
95.31
96.11
96.51
97.41
97.82
98.46
99.04
99.69
100.40
100.81
102.02
102.85
103.29
103.86
104.34
104.76
105.72
106.64
107.20
108.31
109.19
109.59
112.24
113.41
115.76
116.79
117.54
118.53
123.84
132.99
135.09
137.22
141.78
144.35
151.58
162.26
165.46
167.36
169.26
Distancia
0.50
0.87
0.52
0.51
0.80
0.40
0.90
0.41
0.64
0.58
0.65
0.71
0.41
1.22
0.83
0.44
0.58
0.47
0.42
0.96
0.92
0.55
1.12
0.88
0.40
2.65
1.18
2.35
1.03
0.75
1.00
5.30
9.15
2.10
2.13
4.56
2.57
7.22
10.68
3.20
1.90
1.90
ANEXOS
Pendiente
(0/00)
1.03
-1.01
1.60
-6.50
-7.68
19.77
3.00
-23.74
2.16
-1.01
0.93
-1.47
1.65
-2.01
-3.59
-6.20
-3.70
1.13
-3.57
1.81
-1.79
1.84
-3.61
-4.39
24.79
-3.36
11.16
3.76
-13.70
-3.00
-7.62
3.00
-0.09
1.35
-3.79
0.71
-2.85
0.12
0.55
-2.02
5.48
-6.14
Altitud
34.68
35.20
34.32
35.15
31.84
25.70
33.61
36.31
26.58
27.96
27.38
27.98
26.94
27.61
25.17
22.21
19.48
17.36
17.89
16.37
18.11
16.45
17.48
13.45
9.61
19.53
10.62
23.73
32.57
18.50
16.26
8.67
24.59
23.77
26.60
18.53
21.77
14.43
15.29
21.17
14.70
25.12
119
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
VIA
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
PK Inicio
169.26
176.92
181.64
184.84
196.74
200.14
205.24
208.11
214.84
220.24
225.99
228.24
233.79
238.84
246.55
258.85
261.16
265.84
268.75
270.25
274.05
277.15
281.05
286.05
291.44
296.50
299.99
302.69
306.78
319.59
324.72
332.74
338.09
340.61
344.34
347.74
350.24
355.18
357.17
358.64
361.04
365.74
PK Fin
176.92
181.64
184.84
196.74
200.14
205.24
208.11
214.84
220.24
225.99
228.24
233.79
238.84
246.55
258.85
261.16
265.84
268.75
270.25
274.05
277.15
281.05
286.05
291.44
296.50
299.99
302.69
306.78
319.59
324.72
332.74
338.09
340.61
344.34
347.74
350.24
355.18
357.17
358.64
361.04
365.74
367.84
Distancia
7.66
4.72
3.20
11.90
3.40
5.10
2.88
6.73
5.40
5.75
2.25
5.55
5.05
7.71
12.30
2.32
4.68
2.91
1.50
3.80
3.10
3.90
5.00
5.39
5.07
3.49
2.70
4.09
12.81
5.13
8.02
5.35
2.52
3.73
3.40
2.50
4.94
1.99
1.47
2.40
4.70
2.10
ANEXOS
Pendiente
(0/00)
0.48
0.93
-0.55
0.12
-1.02
2.19
3.01
-3.01
7.69
3.23
-9.59
3.26
29.88
3.92
5.15
12.94
5.57
2.87
19.32
8.54
4.50
11.52
8.78
9.12
5.36
33.95
2.03
12.95
1.81
-9.04
10.12
16.55
-5.97
2.73
-8.89
-2.76
3.19
10.61
-3.38
-12.44
-5.73
8.59
Altitud
13.45
17.13
21.52
19.76
21.18
17.72
28.89
37.54
17.30
58.82
77.40
55.82
73.91
224.81
255.03
318.37
348.33
374.37
382.72
411.70
444.15
458.10
503.03
546.93
596.09
623.24
741.55
747.04
799.94
823.13
776.75
857.92
946.46
931.42
941.60
911.37
904.47
920.25
941.31
936.34
906.48
879.55
120
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
VIA
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
PK Inicio
367.84
373.64
376.04
378.64
381.14
390.21
394.04
396.84
404.82
406.91
409.74
411.54
413.69
417.76
419.89
427.24
430.31
431.84
434.14
436.74
437.84
439.51
442.71
444.81
445.61
446.36
448.60
PK Fin
373.64
376.04
378.64
381.14
390.21
394.04
396.84
404.82
406.91
409.74
411.54
413.69
417.76
419.89
427.24
430.31
431.84
434.14
436.74
437.84
439.51
442.71
444.81
445.61
446.36
448.60
450.25
Distancia
5.80
2.40
2.60
2.50
9.07
3.83
2.80
7.98
2.10
2.82
1.80
2.15
4.07
2.13
7.35
3.07
1.53
2.30
2.60
1.10
1.67
3.20
2.10
0.80
0.75
2.24
1.65
ANEXOS
Pendiente
(0/00)
0.19
6.84
-14.12
1.93
-4.47
-9.75
-2.57
-6.32
-2.38
-3.83
2.86
-0.51
-7.97
-3.57
-0.80
5.75
-9.59
5.15
-1.69
14.68
2.15
-5.00
-1.63
-6.27
12.07
-20.00
0.00
Altitud
897.59
898.69
915.11
878.40
883.22
842.68
805.34
798.14
747.71
742.72
731.90
737.05
735.95
703.51
695.91
690.03
707.68
693.01
704.86
700.46
716.61
720.20
704.20
700.78
695.76
704.81
660.01
121
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
1.1.2 Planta
VIA
1
1
1
PK Inicio
0.00
3.14
3.75
PK Fin
3.14
3.75
7.21
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
7.21
9.43
14.31
17.30
22.19
31.49
39.62
46.98
47.09
63.25
67.19
71.38
75.05
76.50
76.86
77.67
80.10
80.68
80.87
81.41
83.72
84.85
87.53
88.91
94.46
96.38
99.11
101.11
108.87
109.89
109.96
111.09
111.67
113.91
115.00
9.43
14.31
17.30
22.19
31.49
39.62
46.98
47.09
63.25
67.19
71.38
75.05
76.50
76.86
77.67
80.10
80.68
80.87
81.41
83.72
84.85
87.53
88.91
94.46
96.38
99.11
101.11
108.87
109.89
109.96
111.09
111.67
113.91
115.00
119.35
Distancia
Radio
3.14
∞
0.61
-1 000.00
3.46
∞
-12
000.00
2.23
4.88
∞
2.99
10 000.00
4.90
∞
9.30
6 700.00
8.13
∞
7.36
7 200.00
0.12
∞
16.16
-6 250.00
3.94
∞
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∞
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∞
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∞
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∞
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∞
1.13
8 000.00
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∞
1.38
-7 000.00
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∞
1.92
5 000.00
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∞
2.00
-5 000.00
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∞
1.02
-2 500.00
0.06
∞
1.13
2 500.00
0.58
∞
2.25
-5 500.00
1.09
∞
4.34
4 250.00
ANEXOS
122
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
VIA
1
1
1
1
1
1
1
PK Inicio
119.35
120.51
124.69
128.13
130.10
131.67
133.64
PK Fin
120.51
124.69
128.13
130.10
131.67
133.64
137.87
1
1
1
1
1
1
1
1
137.87
139.76
144.90
147.34
161.74
165.01
172.82
174.95
139.76
144.90
147.34
161.74
165.01
172.82
174.95
178.32
1
1
178.32
185.72
185.72
186.91
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
186.91
188.42
193.07
199.56
211.28
214.56
215.94
224.47
228.88
232.86
234.46
239.99
188.42
193.07
199.56
211.28
214.56
215.94
224.47
228.88
232.86
234.46
239.99
242.28
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
242.28
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271.32
273.48
286.55
292.81
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301.34
304.71
244.11
248.25
254.50
271.32
273.48
286.55
292.81
297.57
301.34
304.71
312.01
Distancia
Radio
1.17
∞
4.18
-8 000.00
3.43
∞
1.97
8 000.00
1.57
∞
1.98
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∞
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1.89
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∞
2.44
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∞
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∞
2.13
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3.37
∞
-10
7.40
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1.19
∞
-10
1.51
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4.66
∞
6.49
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11.72
∞
3.27
-8 000.00
1.39
∞
8.53
7 500.00
4.41
∞
3.97
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1.61
∞
5.53
-7 500.00
2.29
∞
-10
1.83
000.00
4.14
∞
6.26
8 000.00
16.82
∞
2.16
30 000.00
13.06
∞
6.27
-7 500.00
4.76
∞
3.77
8 000.00
3.37
∞
7.31
-7 500.00
ANEXOS
123
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
VIA
1
1
1
1
1
1
1
PK Inicio
312.01
318.16
324.14
325.84
330.32
332.08
335.28
PK Fin
318.16
324.14
325.84
330.32
332.08
335.28
338.63
1
1
338.63
340.19
340.19
346.47
1
1
346.47
348.99
348.99
367.16
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
367.16
372.33
377.46
380.03
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402.96
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409.39
412.62
418.31
422.73
426.92
372.33
377.46
380.03
381.59
385.81
386.12
389.28
390.80
393.23
397.40
402.96
403.83
409.39
412.62
418.31
422.73
426.92
429.35
1
1
1
1
429.35
431.29
432.49
434.66
431.29
432.49
434.66
434.78
1
1
1
1
434.78
436.60
438.43
440.69
436.60
438.43
440.69
443.26
1
443.26
446.62
Distancia
Radio
6.15
∞
5.98
8 000.00
1.70
∞
4.48
-7 500.00
1.76
∞
3.20
8 000.00
3.35
∞
-20
1.57
000.00
6.28
∞
-10
2.52
000.00
18.16
∞
-10
5.17
000.00
5.13
∞
2.57
-7 500.00
1.56
∞
4.22
7 000.00
0.31
∞
3.17
-7 000.00
1.52
∞
2.43
10 000.00
4.17
∞
5.56
-8 000.00
0.88
∞
5.55
7 500.00
3.24
∞
5.69
11 000.00
4.42
∞
4.19
10 000.00
2.43
∞
-10
000.00
1.94
1.20
∞
2.17
2 500.00
0.12
∞
-10
000.00
1.83
1.83
∞
2.25
-3 000.00
2.57
∞
-20
3.36
000.00
ANEXOS
124
UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO EN ORGANIZACIÓN INDUSTRIAL
VIA
1
1
1
1
PK Inicio
446.62
447.27
448.19
448.59
PK Fin
447.27
448.19
448.59
450.25
Distancia
Radio
0.65
-7 500.00
0.92
∞
0.41
550.00
1.66
∞
ANEXOS
125