Desarrollando un mejor sector ferroviario

Para los ingenieros, la complejidad del sector ferroviario global, así como la amplia variedad de tecnologías que lo respaldan, implica que habrá oportunidades para innovar y, en consecuencia, aumentar la eficiencia y disminuir las emisiones en las próximas décadas.

¿Por qué es tan importante descarbonizar los ferrocarriles? Según, la Office of Rail and Road de Reino Unido, en el periodo 2019 – 2020, sus trenes de pasajeros consumieron 4.186 millones de kWh de electricidad, un 5,3% más que en 2018 – 2019, y 476 millones de litros de diésel, con un incremento del 1,5% con respecto a 2018 – 2019. Esta tendencia alcista estuvo acompañada por un aumento en el número de pasajeros, por lo que la tasa de emisiones por pasajero y kilómetro se redujo a 35,1 g, es decir, a un 4,9% menos que en 2018 – 2019. Las emisiones CO₂e totales para los trenes de pasajeros eléctricos y diésel alcanzaron los 2.400 kilotones, un 2,7% menos que en 2018 – 2019.

Lo llamativo de estos números es el impacto que tendría una mejora del 1% en la eficiencia con la que se convierte la energía en pasajero y kilómetro: sería posible ahorrar casi 4,2 millones de kWh de electricidad, cerca de 5 millones de litros de diésel y 2,4 kilotones de emisiones de CO₂e.

Una de las principales formas para poder lograr este aumento de la eficiencia, al menos a gran escala, es a través de la electrificación de los ferrocarriles. En un plan de 2020 para descarbonizar la tracción de los trenes en el Reino Unido, Network Rail, empresa que gestiona la infraestructura ferroviaria de Inglaterra, Escocia y Gales, ‘afirmaba’ que de los 15.400 km de ferrocarril que aún no están electrificados en Reino Unido, 11.700 km deberían estarlo. De este balance, 900 km deberían tener en servicio trenes impulsados por hidrógeno y 400 km contar con trenes alimentados por batería. La tecnología adecuada para los 2.400 kilómetros restantes de la red aún no se ha definido, pero el informe sugería otros 1.340 km de electrificación, 400 km de trenes impulsados por hidrógeno y 400 km de trenes alimentados por batería. Tampoco se ha hecho la elección de tecnología para los 260 km restantes.

Si este plan se pone en marcha, hasta el 96% del índice pasajero y kilómetro tendría un servicio con tracción eléctrica y el 4% con unidades de hidrógeno y batería. Para el transporte de mercancías, alrededor del 90% de los kilómetros de carga se impulsará mediante tracción eléctrica y el resto utilizará diésel u otras formas de tracción.

La electrificación completa de la red ferroviaria del Reino Unido puede tardar décadas, durante las cuales los operadores tendrán que trabajar con redes parcialmente electrificadas. Una forma de hacerlo será utilizar trenes alimentados por baterías o mejorados con baterías, una idea que ya ha atraído tanto a empresas emergentes como a los fabricantes de trenes ‘experimentados’.

Así, Vivarail, una start-up con sede en Southam (Warwickshire - Inglaterra), ha desarrollado un tren alimentado por batería para uso en servicios de metro, cercanías y trayectos regionales. Cuenta con el respaldo de un conjunto de tecnologías con las que Vivarail dice que puede construir nuevos trenes alimentados con baterías, convertir los trenes diésel existentes o incorporar baterías a los trenes eléctricos para ampliar su alcance. Vivarail posee trenes de batería e híbridos en servicio y una de las versiones consigue una autonomía de unos 96,5 kilómetros funcionando sólo con las baterías. Esta empresa emergente también integra un sistema de carga, compuesto por un gran banco de baterías con carga de goteo mediante la red o electricidad verde y un sistema de conexión de zapatas y vías debajo del tren. Afirma que esta solución puede recargar las baterías de un tren en diez minutos.

Hitachi Rail está desarrollando trenes eléctricos que pueden ‘captar’ energía de la catenaria tanto para la tracción como para la carga de la batería y luego poder cambiar a la operación de ‘sólo batería’ en áreas donde no es posible o rentable instalar la infraestructura de cables aéreos de alimentación. La compañía también propone usar baterías para reemplazar algunas de las unidades de motor diésel en sus trenes interurbanos actuales o futuros, reduciendo así los costes de combustible hasta un 30% y permitiendo que los trenes entren en estaciones no electrificadas en modo batería. El resultado sería una experiencia más silenciosa y sostenible para el pasajero.

Hitachi ABB Power Grids ofrece soporte a la iniciativa de Hitachi Rail al proporcionar subestaciones de carga modulares en contenedores que se pueden distribuir a lo largo del recorrido y suministrar una recarga regular. Ya está usando un enfoque similar en autobuses eléctricos como, por ejemplo, en la ruta entre el aeropuerto de Ginebra y el metro de la ciudad suiza. Aquí, la compañía ha instalado estaciones de carga ultrarrápida en trece de las cincuenta paradas del trayecto. Cuando el autobús eléctrico llega a una de estas paradas, se conecta a un ‘pórtico’ para poder recargar las baterías durante 20 segundos con una inyección de 600 kW de potencia. CAF Power & Automation ha desarrollado e instalado un sistema similar en Sevilla (España), donde los tranvías se cargan rápidamente a través de un pantógrafo elevado que se conecta con un sistema de carga mientras están parados en la terminal.

Para los ferrocarriles, un sistema similar tomará la energía de la red nacional, la convertirá a 25 kV y la entregará a una sección corta de la catenaria, a través de la cual el tren puede obtener una carga rápida de alta potencia durante unos segundos.

Como sucede con un gran número de soluciones de electromovilidad (e-Mobility), la eficiencia de la conversión de la energía en los trenes eléctricos será fundamental para disminuir su efecto en el planeta. Si se tiene en cuenta que la energía de un tren eléctrico se puede distribuir desde la estación eléctrica a 400 kV y que los pasajeros esperan poder cargar sus teléfonos móviles en un puerto USB de 5 V, existe el riesgo de pérdidas en las muchas etapas de conversión entre los dos niveles de tensión.

Esta preocupación no es exclusiva de los trenes eléctricos. Los fabricantes de convertidores DC-DC y las compañías de semiconductores que proporcionan dispositivos de conmutación están desarrollando constantemente sus circuitos y arquitecturas de dispositivos para lograr una mayor eficiencia de conversión. Lo que hace que esto sea más difícil para las empresas que prestan servicios en el sector ferroviario son los entornos desafiantes en los que trabajan y la necesidad de una vida útil operativa muy larga.

La electrónica para las aplicaciones ferroviarias debe funcionar en entornos expuestos a la contaminación y la niebla salida, los cambios bruscos de temperatura (en el rango de -40 a +85 °C) y la humedad, así como a los choques y las vibraciones extremas. También se espera que resista al fuego y al humo, y soporte las interrupciones y las variaciones en la tensión de alimentación.

Muchos de estos requisitos quedan establecidos en unos estándares estrictos, que sólo se pueden cumplir a través de la combinación entre una buena ingeniería y unas pruebas eléctricos y ambientales exhaustivos.

Las aplicaciones para los convertidores DC-DC en el sector ferroviario tienden a dividirse en usos en la vía y en el tren. Los usos junto a las vías incluyen sistemas de control de señalización ferroviaria e infraestructura de comunicación, mientras que las aplicaciones a bordo de los trenes abarcan soluciones de control de tracción, frenado y lubricación, sistemas de seguridad, como apertura de puertas, control de incendio, señalización y CCTV, y elementos de ‘comodidad’ para el pasajero, como iluminación, entretenimiento, calefacción y ventilación.

Los módulos convertidores DC-DC de baja tensión para montaje a bordo de los vagones suelen estar encapsulados, con el objetivo de protegerlos ante la entrada de polvo y humedad, y también pueden incorporar un disipador de calor para conducir el ‘exceso’ de energía térmica lejos de la circuitería del convertidor y respaldar un enfriamiento efectivo. Se suministran en formatos estándares ampliamente utilizados en el sector ferroviario, como los denominados half-brick, quarter-brick o eight-brick.

Muchos de los módulos de control de tracción de alta tensión confían en IGBTs, diodos y MOSFET de silicio. Pero como un uso eficiente de la energía se convierte en un aspecto cada vez más importante, algunos fabricantes están empleando la alternativa del carburo de silicio (SiC). Los dispositivos SiC conmutan más rápidamente que los modelos de silicio, lo que significa que los componentes resonantes de los circuitos de conversión de potencia, como las bobinas, pueden ser más inteligentes. También pueden trabajar con temperaturas que podrían destruir los dispositivos de silicio, pudiendo así gestionar más potencia o necesitar menos refrigeración.

CAF Power & Automation, con sede en el País Vasco (España), está desarrollando un sistema de tracción eléctrica con dispositivos SiC que, según la compañía, podría proporcionar un ahorro de energía de hasta el 15%, en comparación con los enfoques convencionales. El fabricante de trenes colabora con el centro tecnológico Ikerlan y Euskotren, un operador de transporte público local, en el desarrollo y el ensayo de la tecnología.

CAF cree que empleando SiC reducirá las pérdidas en el convertidor de tracción un 70% y podrá alcanzar velocidades de conmutación superiores para aumentar la eficiencia. También soportará un rango de temperatura más amplio que el silicio y disipará el calor de manera más rápida, ya que su conductividad térmica es el triple que la del silicio. Esto ayuda a simplificar el régimen de refrigeración y contribuye a disminuir el volumen y la masa de todo el sistema de tracción un 25%. Todo esto, a su vez, hace que los trenes sean más silenciosos, aumentando la comodidad de los pasajeros.

El trabajo de este desarrollo se encuentra en marcha desde 2016 como parte del proyecto de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea. La versión anterior del sistema de tracción empleaba un inversor IGBT de Si y diodos SiC, demostrando que es posible adoptar las nuevas tecnologías de forma incremental y ayudar significativamente a la industria ferroviaria.

La innovación en los ferrocarriles estará llena de este tipo de oportunidades de optimización sistémica, donde un avance en un aspecto limitado del diseño de un tren aportará ventajas en otros aspectos. El gran desafío para los ingenieros, mientras trabajan para reducir la huella de carbono de los viajes, será explorar sus opciones de diseño para lograr este tipo de ventajas sistémicas.

En la web de Avnet non-automotive transportation se puede obtener más información acerca de los componentes y las soluciones para la electrificación de los ferrocarriles de los fabricantes presentes en su nuestro catálogo. Para diseños específicos, el equipo de ingenieros – FAE pueden ofrecer una solución.