Inovador sistema de tracción para trenes más ligeros y eficientes

Esta solución es un convertidor diseñado a partir de semiconductores de carburo de silicio (SiC). Se trata de un material emergente en el sector que mejora las prestaciones que ofrecen los componentes convencionales, como una velocidad de conmutación superior y una mayor conductividad térmica, factores primordiales para conseguir un mayor rendimiento en este tipo de dispositivos. Los convertidores son elementos clave para el funcionamiento de un sistema ferroviario, ya que se encargan de transformar la energía eléctrica en la fuerza que tracciona los motores de un tren.

“Este proyecto representa un punto de partida para la aplicación de la tecnología SiC en los convertidores de los vehículos ferroviarios, que derivará en un aumento de las capacidades de nuestros trenes y en el ahorro de energía”, afirma Txomin Nieva, director de desarrollo de producto de CAF Power & Automation. Nieva añade que gracias a esta colaboración la empresa guipuzcoana cumple con el objetivo de ofrecer las mejores soluciones a sus clientes. “Este tipo de proyectos nos ayudan a reafirmarnos como referentes en el diseño y fabricación de sistemas para el sector ferroviario y a mantenernos en la vanguardia tecnológica”.

El desarrollo se ha llevado a cabo en el marco del proyecto europeo Roll2Rail, que arrancó en 2015 y concluye este próximo mes de octubre. La asociación público-privada Shift2Rail, dedicada a coordinar las grandes iniciativas de modernización de la industria europea del ferrocarril, ha impulsado esta iniciativa enmarcada en el programa Horizon 2020 de la Unión Europea.

Roll2Rail ha contado con una financiación de 16 millones de euros y, además de CAF Power & Automation e IK4-Ikerlan, han participado una treintena de empresas, centros tecnológicos y universidades de referencia en el sector del ferrocarril a nivel europeo.

El potencial que ofrece la tecnología SiC ha sido probado gracias a un prototipo a escala real desarrollado en colaboración por ambas entidades y que da repuesta a las nuevas necesidades del transporte ferroviario, como la reducción de peso y la eficiencia energética de los trenes.

“Hemos trabajado codo con codo con CAF Power & Automation hasta dar con una solución para la empresa mucho más eficaz que la actual”, afirma Alejandro Rujas, responsable del equipo de especialización de Convertidores de Potencia de IK4-Ikerlan.

El uso de carburo de silicio en los equipos de tracción ha permitido reducir el volumen y el peso del núcleo de potencia, así como el de los elementos magnéticos. Además, permite mejorar la eficiencia energética de los sistemas de conversión convencionales reduciendo las pérdidas eléctricas en la conversió”. “El carburo de silicio presenta características muy singulares, por lo que requiere de una atención especial en el diseño y desarrollo de los convertidores”, ha explicado Rujas.

IK4-Ikerlan trabaja desde hace años en convertidores de nueva generación basados en semiconductores de carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) dirigidos a varias aplicaciones. Se trata, por tanto, de un proyecto que puede abrir nuevas vías más allá del sector ferroviario. “Esta tecnología no solo es aplicable en los sistemas de tracción de los trenes, sino en todos aquellos convertidores en los que la eficiencia y el volumen del sistema juegan un papel crucial, como pueden ser las nuevas generaciones de vehículos eléctricos, el sector industrial o el de las energías renovables”, explica Rujas.

Un poco más sobre la tecnología...

La solución desarrollada consiste en un convertidor de potencia diseñado en base a semiconductores de carburo de silicio (SiC). Se trata de unos componentes emergentes en el sector ferroviario que mejoran las prestaciones de los dispositivos convencionales, y que permiten una velocidad de conmutación superior y una mayor conductividad térmica, factores primordiales para conseguir unos convertidores de tracción más compactos y eficientes.

En cuanto a sus ventajas, desde Ikerlan apuntan principalmente “a la reducción de peso y volumen de los convertidores, así como una mejora en el rendimiento energético. Esto permite aumentar la densidad de potencia de los sistemas de tracción liberando espacio en los trenes para albergar otro tipo de equipamiento”.

Por otro lado, este proyecto está ligado también a la necesidad de reducir pesos gracias a que se emplean materiales ligeros (“como ya se está haciendo en otros sectores como automoción”) y a un menor volumen, lo que supone una ventaja industrial “al permitir contar con más equipos en el mismo espacio disponible del tren”.

Nueva generación de convertidores

Por otra parte, comentan también que “esta tecnología permite desarrollar una nueva generación de convertidores de potencia con unas características técnicas muy superiores a los actuales. En el material rodante ferroviario (tranvías, metros, trenes, etc.), estos convertidores son aplicables en diversas funciones como son los inversores que alimentan los motores de tracción, los convertidores que toman la energía de la catenaria de tensión alterna, o en la alimentación de los sistemas de acumulación de energía en aplicaciones más específicas como los tranvías sin catenaria”.

Siguiente paso tras el prototipo

Tras este primer prototipo la intención del centro tecnológico es seguir avanzando hacia un convertidor destinado a una aplicación de metro, que se pueda validar no sólo en laboratorio sino también con pruebas en vía sobre un vehículo real. “Se trata de rediseñar el equipo de tracción en su conjunto, para aprovechar al máximo las ventajas de este tipo de convertidores”, resumen.

Otras aplicaciones

Esta tecnología es aplicable a todos los sectores dónde los convertidores de potencia tienen un papel relevante. Los sectores de mayor potencial son aquellos dónde una reducción de peso y volumen o una mejora de la eficiencia resultan aspectos clave. “Por ejemplo —apuntan— en aplicaciones de transporte (trenes, aviones, coches y autobuses eléctricos, etc.) una reducción del peso y volumen es fundamental para reducir el consumo de energía. Por otro lado, en aplicaciones de generación de energía renovable (generación fotovoltaica o eólica por ejemplo), la mejora del rendimiento en los convertidores permite aprovechar al máximo los recursos naturales y generar más energía.

Proyectos con otras empresas y sectores

Finalmente, señalar que en IK4-Ikerlan están profundizando en el conocimiento de esta tecnología y, además del proyecto Roll2Rail destinado al sector ferroviario, tienen en marcha también otras iniciativas que les permiten analizar la aplicación a otros sectores. Y como ejemplos apuntan “un proyecto en colaboración con Orona, para con el apoyo del programa Retos Colaboración valorar la aplicación de este tipo de convertidores al mundo de la elevación”.

Por otro lado, IK4-Ikerlan lidera dentro del programa Elkartek del Gobierno Vasco el proyecto Ganics en el que junto a otros centros tecnológicos, universidades y unidades de I+D de la RVCTI se pretende profundizar en la aplicación de estos nuevos convertidores en las aplicaciones de transporte y energías renovables.