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Articulo de referencia

electrificación ferroviaria

El ferrocarril Mantes-la-Jolie–Cherbourg, en Francia, conecta el Gran París con Normandía y está electrificado mediante catenarias de 25 kV CA 50 Hz . La línea principal del sur...

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El ferrocarril Mantes-la-Jolie–Cherbourg, en Francia, conecta el Gran París con Normandía y está electrificado mediante catenarias de 25 kV CA 50 Hz .
La línea principal del sureste de Inglaterra conecta el área metropolitana de Londres con el estrecho de Dover y está electrificada mediante un tercer carril a 750 V CC .

La electrificación ferroviaria consiste en el uso de energía eléctrica para la propulsión del transporte ferroviario . Los ferrocarriles eléctricos utilizan locomotoras eléctricas (que transportan pasajeros o mercancías en vagones separados), unidades múltiples eléctricas (vagones de pasajeros o de mercancías con sus propios motores) o ambas. La electricidad se genera normalmente en centrales generadoras grandes y relativamente eficientes , se transmite a la red ferroviaria y se distribuye a los trenes. Algunos ferrocarriles eléctricos tienen sus propias centrales generadoras y líneas de transmisión , pero la mayoría compra la energía a una compañía eléctrica . El ferrocarril suele proporcionar sus propias líneas de distribución, interruptores y transformadores .

La energía eléctrica se suministra a los trenes en movimiento mediante un conductor (casi) continuo que discurre a lo largo de la vía y que suele adoptar una de dos formas: una línea aérea , suspendida de postes o torres a lo largo de la vía o de los techos de estructuras o túneles, y conectada mediante un pantógrafo ; o un tercer carril montado a nivel de la vía y conectado mediante una zapata de captación deslizante . Tanto los sistemas de catenaria como los de tercer carril suelen utilizar los carriles de rodadura como conductor de retorno, pero algunos sistemas utilizan un cuarto carril independiente para este fin.

En comparación con la principal alternativa, el motor diésel , los ferrocarriles eléctricos ofrecen una eficiencia energética sustancialmente mejor , menores emisiones y menores costos operativos. Las locomotoras eléctricas también suelen ser más silenciosas, más potentes, más reactivas y más fiables que las diésel. No generan emisiones locales, una ventaja importante en túneles y zonas urbanas. Algunos sistemas de tracción eléctrica proporcionan frenado regenerativo que convierte la energía cinética del tren en electricidad y la devuelve al sistema de suministro para que la utilicen otros trenes o la red eléctrica general. Mientras que las locomotoras diésel queman derivados del petróleo, la electricidad puede generarse a partir de diversas fuentes, incluidas las energías renovables . [ 1 ] Históricamente, la preocupación por la independencia de los recursos ha influido en la decisión de electrificar las líneas ferroviarias. La confederación suiza , sin salida al mar y prácticamente sin yacimientos de petróleo o carbón, pero con abundante energía hidroeléctrica , electrificó su red en parte como respuesta a los problemas de suministro durante las dos Guerras Mundiales. [ 2 ] [ 3 ]

Las desventajas de la tracción eléctrica incluyen altos costos de capital que pueden resultar antieconómicos en rutas con poco tráfico, una relativa falta de flexibilidad (ya que los trenes eléctricos necesitan tercer riel o catenaria) y una vulnerabilidad a las interrupciones del suministro eléctrico. [ 1 ] Las locomotoras electrodiésel y las unidades múltiples electrodiésel mitigan estos problemas en cierta medida, ya que pueden funcionar con diésel durante un apagón o en rutas no electrificadas.

Las distintas regiones pueden utilizar diferentes voltajes y frecuencias de suministro, lo que complica el servicio y requiere una mayor complejidad en la potencia de las locomotoras. Históricamente, existía una preocupación por el transporte ferroviario de doble apilamiento en relación con las distancias de seguridad con las catenarias [ 1 ] , pero esto ya no es una preocupación generalizada a partir de 2022., con Indian Railways [ 4 ] y China Railway [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] operando regularmente trenes de carga eléctricos de doble apilamiento bajo líneas aéreas.

La electrificación ferroviaria ha aumentado constantemente en las últimas décadas y, a partir de 2022, las vías electrificadas representan casi un tercio del total de vías a nivel mundial. [ 8 ] [ 9 ]

Historia

La electrificación ferroviaria consiste en el desarrollo de la propulsión de trenes y locomotoras mediante electricidad en lugar de diésel o vapor . La historia de la electrificación ferroviaria se remonta a finales del siglo XIX, cuando se introdujeron los primeros tranvías eléctricos en ciudades como Berlín, Londres y Nueva York.

En 1881, la primera electrificación permanente de un ferrocarril en el mundo fue el tranvía Gross-Lichterfelde en Berlín , Alemania. [ 10 ] La electrificación de líneas aéreas fue aplicada con éxito por primera vez por Frank Sprague en Richmond, Virginia , en 1887-1888, y condujo a la electrificación de cientos de sistemas ferroviarios de calles adicionales a principios de la década de 1890. [ 11 ] [ 12 ] La primera electrificación de un ferrocarril de línea principal fue la Baltimore Belt Line del ferrocarril Baltimore and Ohio en los Estados Unidos en 1895-96.

La electrificación inicial de los ferrocarriles utilizaba sistemas de corriente continua (CC), que tenían limitaciones en cuanto a la distancia de transmisión de energía. Sin embargo, a principios del siglo XX se desarrollaron sistemas de corriente alterna (CA), que permitieron una transmisión de energía más eficiente a distancias mayores.

En las décadas de 1920 y 1930, muchos países del mundo comenzaron a electrificar sus ferrocarriles. En Europa, Suiza, Suecia, Francia, Alemania e Italia fueron algunos de los primeros países en adoptar la electrificación ferroviaria. En Estados Unidos, el ferrocarril New York, New Haven and Hartford fue uno de los primeros grandes ferrocarriles en electrificarse.

La electrificación ferroviaria continuó expandiéndose a lo largo del siglo XX, con mejoras tecnológicas y el desarrollo de trenes de alta velocidad y trenes de cercanías . Hoy en día, muchos países cuentan con extensas redes ferroviarias electrificadas.Existen 375 000  km de líneas ferroviarias estándar en el mundo, incluyendo China, India, Japón, Francia, Alemania y el Reino Unido. La electrificación se considera una alternativa más sostenible y respetuosa con el medio ambiente que la energía diésel o de vapor, y constituye una parte importante de la infraestructura de transporte de muchos países.

Clasificación

Sistemas de electrificación en Europa:
  No electrificado
  750  V CC
  1,5  kV CC
  3  kV CC
Las líneas de alta velocidad en Francia, España, Italia, Reino Unido, Países Bajos, Bélgica y Turquía operan a menos de 25  kV, al igual que las líneas de alta tensión en la antigua Unión Soviética.

Los sistemas de electrificación se clasifican según tres parámetros principales:

La selección de un sistema de electrificación se basa en la economía del suministro de energía, el mantenimiento y el costo de capital, en comparación con los ingresos obtenidos por el transporte de mercancías y pasajeros. Se utilizan diferentes sistemas para áreas urbanas e interurbanas; algunas locomotoras eléctricas pueden cambiar a diferentes voltajes de alimentación para mayor flexibilidad operativa.

Voltajes estandarizados

Se han seleccionado seis de los voltajes más utilizados para su estandarización europea e internacional. Algunos de ellos son independientes del sistema de contacto empleado, de modo que, por ejemplo, se pueden utilizar 750  V  CC tanto con tercer carril como con catenaria.

En todo el mundo se utilizan muchos otros sistemas de voltaje para la electrificación de ferrocarriles, y la lista de sistemas de electrificación ferroviaria abarca tanto sistemas de voltaje estándar como sistemas de voltaje no estándar.

El rango de voltajes permitido para los voltajes estandarizados es el establecido en las normas BS  EN  50163 [ 13 ] e IEC  60850. [ 14 ] Estas tienen en cuenta la cantidad de trenes que consumen corriente y su distancia de la subestación.

Corriente continua

Líneas aéreas

La línea LGV Sud-Est en Francia está electrificada mediante líneas aéreas de 25 kV y 50 Hz .
El tranvía de Angers, en Angers, Francia, utiliza catenarias de 750  V  CC , al igual que muchos otros sistemas de tranvía modernos.

 Se utiliza 1500 V CC en Japón, Indonesia, Hong Kong (partes), Irlanda, Australia (partes), Francia (también se utiliza25  kV  50  Hz  CA ), Países Bajos, Nueva Zelanda (Wellington), Singapur (en lalínea North East MRT), Estados Unidos (áreade ChicagointerurbanaMetra Electric DistrictySouth Shore Line , ytren ligero LinkenSeattle, Washington). En Eslovaquia, hay dos líneas de vía estrecha en los Altos Tatras (una de ellas unferrocarril de cremallera). En los Países Bajos se utiliza en el sistema principal, junto con 25kV enHSL-ZuidyBetuwelijn, y 3000V al sur deMaastricht. En Portugal, se utiliza en lalínea Cascaisy en Dinamarca en el sistema suburbanoS-train(1650V CC).   

En el Reino Unido, en 1954 se utilizó corriente continua de 1500  V para la línea Woodhead trans-Pennine (actualmente cerrada); el sistema empleaba frenado regenerativo , lo que permitía la transferencia de energía entre los trenes que subían y bajaban en las pronunciadas aproximaciones al túnel. El sistema también se utilizó para la electrificación suburbana en el este de Londres y Manchester , ahora convertido a corriente alterna de 25 kV . Actualmente solo se utiliza para el metro de Tyne and Wear . En India, la corriente continua de 1500 V fue el primer sistema de electrificación lanzado en 1925 en el área de Bombay. Entre 2012 y 2016, la electrificación se convirtió a 25 kV 50 Hz, que es el sistema nacional.      

La corriente continua de 3  kV se utiliza en Bélgica, Italia, España, Polonia, Eslovaquia, Eslovenia, Sudáfrica, Chile, el norte de la República Checa (donde se está eliminando gradualmente), las antiguas repúblicas de la Unión Soviética y en los Países Bajos en un tramo de pocos kilómetros entre Maastricht y Bélgica. Anteriormente, la utilizaba la compañía Milwaukee Road desde Harlowton, Montana , hasta Seattle, cruzando la Divisoria Continental e incluyendo extensas líneas secundarias y circulares en Montana, y la compañía Delaware, Lackawanna and Western Railroad (ahora New Jersey Transit , convertida a corriente alterna de 25  kV  ) en los Estados Unidos, y el ferrocarril suburbano de Calcuta (línea principal de Bardhaman) en la India, antes de que se convirtiera a 25  kV 50  Hz.

La mayoría de las redes de tranvías y trolebuses , así como algunos sistemas de metro , utilizan voltajes de CC de entre 600  V y 750 V , ya que los motores de tracción aceptan este voltaje sin necesidad de un transformador a bordo. 

Corriente continua de media tensión

La creciente disponibilidad de semiconductores de alto voltaje puede permitir el uso de voltajes CC más altos y eficientes que hasta ahora solo han sido prácticos con CA. [ 15 ]

El uso de la electrificación de CC de media tensión (MVDC) resolvería algunos de los problemas asociados con los sistemas de electrificación de CA de frecuencia estándar, especialmente el posible desequilibrio de carga de la red de suministro y la separación de fases entre las secciones electrificadas alimentadas por diferentes fases, mientras que la alta tensión haría la transmisión más eficiente. [ 16 ] : 6–7 La UIC realizó un estudio de caso para la conversión de la línea ferroviaria Bordeaux-Hendaye (Francia), actualmente electrificada a 1,5  kV CC, a 9  kV CC y encontró que la conversión permitiría usar cables aéreos menos voluminosos (ahorrando 20 millones de euros por cada 100  km de ruta) y reducir las pérdidas (ahorrando 2  GWh por año por cada 100  km de ruta; equivalente a unos 150 000 euros anuales). La línea elegida es una de las líneas, con un total de 6000  km, que necesitan renovación. [ 17 ]

En la década de 1960, los soviéticos experimentaron con el aumento de la tensión de la catenaria de 3 a 6  kV. El material rodante de CC se equipó con convertidores basados ​​en ignitrones  para reducir la tensión de alimentación a 3 kV. Los convertidores resultaron poco fiables y el experimento se interrumpió. En 1970, el Instituto Electromecánico de Ingenieros Ferroviarios de los Urales realizó cálculos para la electrificación ferroviaria a 12 kV CC , demostrando que los niveles de pérdidas equivalentes a los de un sistema de 25 kV CA podían alcanzarse con una tensión CC de entre 11 y 16  kV. En las décadas de 1980 y 1990, se realizaron pruebas con 12 kV CC en el Ferrocarril de Octubre, cerca de Leningrado (actualmente San Petersburgo ). Los experimentos finalizaron en 1995 debido a la falta de financiación. [ 18 ]

Tercer riel

Sistema de electrificación de tercer carril con contacto inferior en el metro de Bucarest , Rumania.

La mayoría de los sistemas de electrificación utilizan cables aéreos, pero el tercer carril es una opción hasta 1500  V. Los sistemas de tercer carril utilizan casi exclusivamente distribución de CC. El uso de CA generalmente no es factible debido a que las dimensiones de un tercer carril son físicamente muy grandes en comparación con la profundidad de penetración de la CA de 0,3 milímetros o 0,012 pulgadas en un carril de acero. Este efecto hace que la resistencia por unidad de longitud sea inaceptablemente alta en comparación con el uso de CC. [ 19 ]

Cuarto riel

El metro de Londres utiliza un tercer y un cuarto raíl junto a los raíles principales y entre ellos para la electrificación.

En los sistemas de cuatro rieles, el riel adicional transporta el retorno eléctrico que, en las redes de tercer riel y catenaria, es proporcionado por los rieles de rodadura. En el metro de Londres , un tercer riel de contacto superior está al lado de la vía, energizado en+420  V CC , y un cuarto carril de contacto superior está ubicado en el centro entre los carriles de rodadura en−210  V CC , que se combinan para proporcionar un voltaje de tracción de630  V CC . El mismo sistema se utilizó parala primera línea de metro de Milán , la línea 1 del metro de Milán , cuyas líneas más recientes utilizan una catenaria aérea o un tercer riel.

La principal ventaja del sistema de cuatro rieles es que ninguno de los rieles de rodadura transporta corriente. Este sistema se introdujo debido a los problemas de corrientes de retorno, que debían ser conducidas por el riel de rodadura conectado a tierra , pero que en cambio fluían a través del revestimiento de hierro del túnel. Esto puede causar daños electrolíticos e incluso arcos eléctricos si los segmentos del túnel no están conectados eléctricamente entre sí. El problema se agravaba porque la corriente de retorno también tendía a fluir a través de las tuberías de hierro cercanas que formaban las redes principales de agua y gas. Algunas de estas, en particular las redes principales victorianas anteriores al metro de Londres, no fueron construidas para transportar corriente y carecían de una conexión eléctrica adecuada entre los segmentos de tubería. El sistema de cuatro rieles resuelve el problema. Si bien la alimentación cuenta con un punto de tierra artificial, esta conexión se obtiene mediante resistencias, lo que garantiza que las corrientes parásitas a tierra se mantengan en niveles manejables. Los rieles de alimentación pueden montarse sobre soportes cerámicos altamente aislantes para minimizar las fugas de corriente, pero esto no es posible para los rieles de rodadura, que deben asentarse sobre soportes metálicos más resistentes para soportar el peso de los trenes. Sin embargo, las almohadillas de caucho elastomérico colocadas entre los rieles y las sillas pueden solucionar parte del problema al aislar los rieles de la corriente de retorno en caso de que se produzca una fuga a través de ellos.

Las líneas Expo y Millennium del SkyTrain de Vancouver utilizan sistemas de cuarto riel de contacto lateral para suAlimentación de 650  V CC . Ambos se ubican a un lado del tren, ya que el espacio entre los rieles está ocupado por una placa de aluminio, que forma parte del estator del sistema de propulsión por inducción lineal utilizado en el sistema Innovia ART . Si bien forma parte de la red SkyTrain, la Canada Line no utiliza este sistema y, en su lugar, emplea motores más tradicionales acoplados a las ruedas y electrificación mediante tercer riel.

Sistemas con neumáticos de caucho

Bogie de un vehículo MP 89 del metro de París . El patín de contacto lateral se encuentra entre los neumáticos de goma.

Algunas líneas del metro de París, en Francia, funcionan con un sistema de alimentación de cuatro raíles. Los trenes se desplazan sobre neumáticos de caucho que ruedan sobre un par de estrechas vías de rodadura de acero y, en algunos tramos, de hormigón . Dado que los neumáticos no conducen la corriente de retorno, las dos barras guía situadas fuera de las vías de rodadura se convierten, en cierto modo, en un tercer y cuarto raíl que suministran 750 V CC cada uno ; por lo tanto, al menos eléctricamente, se trata de un sistema de cuatro raíles. Cada juego de ruedas de un bogie motorizado lleva un motor de tracción . Una zapata de contacto lateral (de rodadura lateral) recoge la corriente de la cara vertical de cada barra guía. El retorno de cada motor de tracción, así como de cada vagón , se efectúa mediante una zapata de contacto que se desliza sobre cada uno de los raíles de rodadura . Este y todos los demás metros con neumáticos de caucho que tienen una vía de ancho estándar de 1435 mm  ( 4 pies  8 pulgadas y media )   entre las vías de rodadura funcionan de la misma manera . [ 20 ] [ 21 ]

Corriente alterna

Los ferrocarriles y las compañías eléctricas utilizan corriente alterna (CA) en lugar de corriente continua (CC) por la misma razón: [ 22 ] para usar transformadores , que requieren CA, para producir voltajes más altos. [ 23 ] Cuanto mayor sea el voltaje, menor será la corriente para la misma potencia (porque la potencia es corriente multiplicada por voltaje), y la pérdida de potencia es proporcional al cuadrado de la corriente. La menor corriente reduce las pérdidas en la línea, lo que permite suministrar mayor potencia. [ 24 ]

Dado que la corriente alterna se utiliza con altos voltajes, dentro de la locomotora un transformador reduce la tensión para que la utilicen los motores de tracción y las cargas auxiliares.

Una ventaja inicial de la CA es que las resistencias de pérdida de potencia utilizadas en las locomotoras de CC para el control de velocidad no eran necesarias en una locomotora de CA: las múltiples tomas del transformador pueden suministrar un rango de voltajes. [ 25 ] Los devanados de bajo voltaje separados del transformador alimentan la iluminación y los motores que impulsan la maquinaria auxiliar. Más recientemente, el desarrollo de semiconductores de muy alta potencia ha hecho que el clásico motor de CC sea reemplazado en gran medida por el motor de inducción trifásico alimentado por un variador de frecuencia , un inversor especial que varía tanto la frecuencia como el voltaje para controlar la velocidad del motor. Estos variadores pueden funcionar igualmente bien con CC o CA de cualquier frecuencia, y muchas locomotoras eléctricas modernas están diseñadas para manejar diferentes voltajes y frecuencias de suministro para simplificar la operación transfronteriza.

Corriente alterna de baja frecuencia

Un tren de ÖBB  que utiliza líneas aéreas de corriente alterna de 15 kV y 16,7  Hz en Austria.

Cinco países europeos —Alemania , Austria, Suiza, Noruega y Suecia— estandarizaron la corriente alterna monofásica de 15  kV y 16 + 2/3 Hz (la frecuencia de la red de 50 Hz dividida por tres). El 16 de octubre de 1995, Alemania, Austria y Suiza cambiaron de 16 + 2/3 Hz a 16,7 Hz , que ya no es exactamente un tercio de la frecuencia de la red. Esto solucionó los problemas de sobrecalentamiento de los convertidores rotativos utilizados para generar parte de esta energía a partir del suministro de la red . [ 26 ]    

En Estados Unidos , las compañías ferroviarias New York, New Haven and Hartford Railroad , Pennsylvania Railroad y Philadelphia and Reading Railway adoptaron la corriente alterna monofásica de 11  kV y 25 Hz. Partes de la red electrificada original aún operan a 25 Hz, con un voltaje elevado a 12 kV, mientras que otras se convirtieron a 12,5 o 25 kV y 60 Hz.     

En el Reino Unido, el ferrocarril London, Brighton and South Coast Railway fue pionero en la electrificación aérea de sus líneas suburbanas en Londres. El tramo de London Bridge a Victoria se inauguró el 1  de diciembre de 1909. El tramo de Victoria a Crystal Palace , pasando por Balham y West Norwood, se inauguró en mayo de 1911. El tramo de Peckham Rye a West Norwood se inauguró en junio de 1912. No se realizaron más extensiones debido a la Primera Guerra Mundial. Dos líneas se inauguraron en 1925 bajo la administración de Southern Railway, dando servicio a las estaciones de tren de Coulsdon North y Sutton . Las líneas se electrificaron a 6,7  ​​kV y 25  Hz. En 1926 se anunció que todas las líneas se convertirían a tercer carril de corriente continua, y el último servicio eléctrico con catenaria circuló en septiembre de 1929.

Corriente alterna de frecuencia estándar

Esquema de una fuente de alimentación de 2 × 25  kV: 1. Transformador de alimentación (salida con toma central) 2. Fuente de alimentación 3. Línea aérea 4. Carril de rodadura 5. Línea de alimentación 6. Pantógrafo 7. Transformador de locomotora 8. Línea aérea 9. Autotransformador 10. Carril de rodadura

La energía de CA se utiliza a 60  Hz en Norteamérica (excluyendo la  red de 25 Hz mencionada anteriormente), Arabia Saudita, [ 27 ] [ 28 ] el oeste de Japón, Corea del Sur y Taiwán; y a 50  Hz en varios países europeos, India, el este de Japón, Rusia y Europa del Este, en líneas de alta velocidad en gran parte de Europa Occidental y Central (incluidos países que todavía operan ferrocarriles convencionales con CC pero no en países que usan 16,7  Hz, ver más arriba). La mayoría de los sistemas de este tipo operan a 25  kV, aunque  existen secciones de 12,5 kV en los Estados Unidos, y  se utilizan 20 kV en algunas líneas de Japón. En las líneas de alta velocidad del "sistema francés", la línea aérea y una línea de alimentación "traviesa" transportan cada una 25  kV en relación con los rieles, pero en fase opuesta, por lo que están a 50  kV entre sí; los autotransformadores igualan la tensión a intervalos regulares.

Corriente alterna trifásica

El ferrocarril de Jungfrau , el más alto de Europa, utiliza energía eléctrica trifásica entre dos líneas aéreas y las vías.

Diversos sistemas de electrificación ferroviaria de finales del siglo XIX y del siglo XX utilizaban alimentación eléctrica trifásica en lugar de monofásica, debido a la facilidad de diseño tanto de la fuente de alimentación como de las locomotoras. Estos sistemas podían emplear la frecuencia estándar de la red y tres cables de alimentación, o una frecuencia reducida, lo que permitía que la línea de retorno fuera el tercer carril, en lugar de un cable aéreo adicional.

Comparaciones

Corriente alterna frente a corriente continua para líneas principales

La mayoría de los sistemas de electrificación modernos toman energía de corriente alterna (CA) de la red eléctrica, la cual se suministra a la locomotora. Dentro de la locomotora, esta se transforma y rectifica a una tensión continua (CC) menor para su uso por los motores de tracción. Estos motores pueden ser de CC, que utilizan directamente la corriente continua, o trifásicos de CA, que requieren una conversión adicional de la CC a CA trifásica de frecuencia variable (mediante electrónica de potencia). Por lo tanto, ambos sistemas se enfrentan a la misma tarea: convertir y transportar la CA de alta tensión de la red eléctrica a CC de baja tensión en la locomotora. La diferencia entre los sistemas de electrificación de CA y CC radica en dónde se realiza la conversión de CA a CC: en la subestación o en el tren. La eficiencia energética y los costos de infraestructura determinan cuál de estos sistemas se utiliza en una red, aunque esto suele estar predeterminado debido a los sistemas de electrificación preexistentes.

Tanto la transmisión como la conversión de energía eléctrica implican pérdidas: pérdidas óhmicas en cables y electrónica de potencia, pérdidas de campo magnético en transformadores y reactores de suavizado (inductores). [ 29 ] La conversión de potencia para un sistema de CC se lleva a cabo principalmente en una subestación ferroviaria donde se puede utilizar hardware grande, pesado y más eficiente en comparación con un sistema de CA donde la conversión se lleva a cabo a bordo de la locomotora donde el espacio es limitado y las pérdidas son significativamente mayores. [ 30 ] Sin embargo, los voltajes más altos utilizados en muchos sistemas de electrificación de CA reducen las pérdidas de transmisión en distancias más largas, lo que permite utilizar menos subestaciones o locomotoras más potentes. Además, se debe tener en cuenta la energía utilizada para soplar aire para enfriar transformadores, electrónica de potencia (incluidos rectificadores) y otros hardware de conversión.

Los sistemas de electrificación de CA estándar utilizan voltajes mucho más altos que los sistemas de CC estándar. Una de las ventajas de aumentar el voltaje es que, para transmitir cierto nivel de potencia, se requiere una corriente menor ( P = V × I ). La disminución de la corriente reduce las pérdidas óhmicas y permite el uso de equipos de líneas aéreas menos voluminosos y más ligeros, así como una mayor separación entre subestaciones de tracción, manteniendo la capacidad de potencia del sistema. Por otro lado, el voltaje más alto requiere mayores distancias de aislamiento, lo que implica que algunos elementos de la infraestructura sean de mayor tamaño. El sistema de CA de frecuencia estándar puede generar desequilibrios en la red de suministro, lo que exige una planificación y un diseño cuidadosos (ya que en cada subestación la energía se extrae de dos de las tres fases). El sistema de CA de baja frecuencia puede alimentarse mediante una red de generación y distribución separada o una red de subestaciones convertidoras, lo que incrementa el costo; además, los transformadores de baja frecuencia, utilizados tanto en las subestaciones como en el material rodante, son particularmente voluminosos y pesados. El sistema de CC, además de estar limitado en cuanto a la potencia máxima que puede transmitir, también puede provocar corrosión electroquímica debido a corrientes parásitas de CC. [ 16 ] : 3

Eléctrico versus diésel

La central eléctrica de Lots Road en un cartel de 1910. Esta central eléctrica privada, utilizada por el metro de Londres , proporcionaba a los trenes y tranvías londinenses un suministro eléctrico independiente de la red eléctrica principal.

eficiencia energética

Los trenes eléctricos no necesitan soportar el peso de los motores principales , la transmisión ni el combustible. Esto se compensa parcialmente con el peso del equipo eléctrico. El frenado regenerativo devuelve energía al sistema de electrificación para que pueda utilizarse en otros lugares, por otros trenes del mismo sistema o reintegrarse a la red eléctrica general. Esto resulta especialmente útil en zonas montañosas donde los trenes con mucha carga deben descender pendientes pronunciadas. [ 31 ]

La electricidad de la estación central a menudo se puede generar con mayor eficiencia que un motor/generador móvil. Si bien la eficiencia de la generación de la central eléctrica y la generación de la locomotora diésel son aproximadamente iguales en el régimen nominal, [ 32 ] los motores diésel disminuyen su eficiencia en regímenes no nominales a baja potencia [ 33 ] mientras que si una central eléctrica necesita generar menos energía apagará sus generadores menos eficientes, aumentando así la eficiencia. El tren eléctrico puede ahorrar energía (en comparación con el diésel) mediante el frenado regenerativo y al no necesitar consumir energía al ralentí como lo hacen las locomotoras diésel cuando están detenidas o en inercia. Sin embargo, el material rodante eléctrico puede hacer funcionar los ventiladores de refrigeración cuando está detenido o en inercia, consumiendo así energía.

Las grandes centrales eléctricas de combustibles fósiles operan con alta eficiencia y pueden utilizarse para calefacción urbana o para producir refrigeración urbana , lo que resulta en una mayor eficiencia total. [ 34 ] [ 35 ] La electricidad para los sistemas ferroviarios eléctricos también puede provenir de energías renovables , energía nuclear u otras fuentes bajas en carbono, que no emiten contaminación ni emisiones.

Potencia de salida

Las locomotoras eléctricas pueden construirse fácilmente con mayor potencia que la mayoría de las locomotoras diésel. Para el transporte de pasajeros, es posible proporcionar suficiente potencia con motores diésel (véase, por ejemplo, ' ICE TD '), pero a velocidades elevadas, esto resulta costoso e impráctico. Por lo tanto, casi todos los trenes de alta velocidad son eléctricos. La alta potencia de las locomotoras eléctricas también les permite arrastrar mercancías a mayor velocidad en pendientes; en condiciones de tráfico mixto, esto aumenta la capacidad al reducirse el tiempo entre trenes. La mayor potencia de las locomotoras eléctricas y la electrificación también pueden ser una alternativa más económica a una nueva línea férrea con menor pendiente si se desea aumentar el peso de los trenes en un sistema.

Por otro lado, la electrificación puede no ser adecuada para líneas con baja frecuencia de tráfico, ya que el menor costo operativo de los trenes puede verse contrarrestado por el alto costo de la infraestructura de electrificación. Por lo tanto, la mayoría de las líneas de larga distancia en países en desarrollo o con baja densidad de población no están electrificadas debido a la relativamente baja frecuencia de trenes.

Efecto de red

Los efectos de red son un factor importante en la electrificación. Al convertir líneas a eléctricas, deben considerarse las conexiones con otras líneas. Algunas electrificaciones se han eliminado posteriormente debido al tráfico de paso hacia líneas no electrificadas. Para que el tráfico de paso tenga algún beneficio, deben realizarse cambios de locomotora que consumen mucho tiempo para hacer dichas conexiones o deben utilizarse costosas locomotoras de modo dual . Esto es un problema principalmente para viajes de larga distancia, pero muchas líneas terminan estando dominadas por el tráfico de paso de trenes de carga de larga distancia (generalmente transportando carbón, mineral o contenedores hacia o desde los puertos). En teoría, estos trenes podrían obtener ahorros considerables con la electrificación, pero puede ser demasiado costoso extender la electrificación a áreas aisladas, y a menos que se electrifique toda la red, las empresas a menudo descubren que necesitan seguir utilizando trenes diésel incluso si se electrifican algunos tramos. La creciente demanda de tráfico de contenedores, que es más eficiente cuando se utilizan vagones de doble apilamiento , también presenta problemas de efecto de red con las electrificaciones existentes debido a la insuficiente altura libre de las líneas eléctricas aéreas para estos trenes, pero la electrificación se puede construir o modificar para tener la altura libre suficiente, con un costo adicional.

Un problema específico de las líneas electrificadas son las interrupciones en la electrificación. Los vehículos eléctricos, especialmente las locomotoras, pierden potencia al atravesar interrupciones en el suministro, como las de cambio de fase en los sistemas aéreos y las desviaciones en los sistemas de tercer carril. Esto se convierte en un inconveniente si la locomotora se detiene con su colector en una interrupción, ya que no hay potencia para reiniciar. Este problema es menor en trenes compuestos por dos o más unidades múltiples acopladas , puesto que si el tren se detiene con un colector en una interrupción, otra unidad múltiple puede empujar o tirar de la unidad desconectada hasta que pueda volver a recibir energía. Lo mismo se aplica a los trenes de tracción-empuje, que tienen una locomotora en cada extremo. Las interrupciones de potencia pueden superarse en trenes con un solo colector mediante baterías a bordo o sistemas de motor-volante-generador. En 2014, se estaba avanzando en el uso de grandes condensadores para alimentar vehículos eléctricos entre estaciones, evitando así la necesidad de catenarias entre ellas. [ 36 ]

Costes de mantenimiento

Los costos de mantenimiento de las líneas pueden aumentar con la electrificación, pero muchos sistemas afirman costos más bajos debido al menor desgaste de la vía por el material rodante más ligero. [ 37 ] Hay algunos costos de mantenimiento adicionales asociados con el equipo eléctrico alrededor de la vía, como las subestaciones eléctricas y el propio cable de catenaria, pero, si hay suficiente tráfico, la vía reducida y especialmente los menores costos de mantenimiento y operación de los motores superan significativamente los costos de este mantenimiento.

Efecto de chispas

Las líneas recién electrificadas suelen mostrar un «efecto chispa», por el cual la electrificación en los sistemas ferroviarios de pasajeros genera aumentos significativos en el número de pasajeros y los ingresos. [ 38 ] Las razones pueden incluir la percepción de que los trenes eléctricos son más modernos y atractivos para viajar, [ 39 ] [ 40 ] un servicio más rápido, silencioso y fluido, [ 38 ] y el hecho de que la electrificación suele ir acompañada de una renovación o sustitución general de la infraestructura y el material rodante, lo que conduce a una mejor calidad del servicio (de una manera que, teóricamente, también podría lograrse realizando mejoras similares pero sin electrificación). Sean cuales sean las causas del efecto chispa, está bien establecido para numerosas rutas que se han electrificado a lo largo de décadas. [ 38 ] [ 39 ] Esto también se aplica cuando las rutas de autobús con autobuses diésel se sustituyen por trolebuses. Los cables aéreos hacen que el servicio sea «visible» incluso cuando no hay ningún autobús en circulación y la existencia de la infraestructura genera ciertas expectativas a largo plazo sobre la operatividad de la línea.

Transporte ferroviario de doble apilamiento

Debido a la limitación de altura impuesta por los cables aéreos, tradicionalmente ha sido difícil y poco frecuente que los trenes de contenedores de doble apilamiento operen en líneas electrificadas. Sin embargo, esta limitación está siendo superada por los ferrocarriles de India, China y países africanos mediante la instalación de nuevas vías con catenarias de mayor altura.

Estas instalaciones se encuentran en el Corredor de Carga Dedicado Occidental de la India, donde la altura del cable es de 7,45 m (24 pies 5 pulgadas) para dar cabida a trenes de contenedores de doble apilamiento sin necesidad de vagones plataforma .   

Ventajas

Existen varias ventajas, entre ellas la ausencia de exposición de los pasajeros a los gases de escape de la locomotora y un menor coste de construcción, operación y mantenimiento de locomotoras y unidades múltiples . Los trenes eléctricos tienen una mayor relación potencia-peso (sin depósitos de combustible a bordo), lo que se traduce en menos locomotoras, mayor aceleración, mayor límite práctico de potencia, mayor límite de velocidad y menor contaminación acústica (funcionamiento más silencioso). La mayor aceleración permite despejar las vías con mayor rapidez para que circulen más trenes en las vías en el transporte ferroviario urbano. [ 41 ]

  • Menor pérdida de potencia a mayor altitud (para información sobre la pérdida de potencia, consulte Motor diésel ).
  • Independencia de los costes operativos respecto a las fluctuaciones de los precios del combustible.
  • Servicio a estaciones subterráneas donde los trenes diésel no pueden operar por razones de seguridad.
  • Reducción de la contaminación ambiental, especialmente en zonas urbanas densamente pobladas, incluso si la electricidad se produce a partir de combustibles fósiles.
  • Permite recuperar fácilmente la energía cinética de frenado mediante supercondensadores.
  • Viaje más cómodo en trenes de varias unidades, ya que no tienen motores diésel bajo el piso.
  • Eficiencia energética algo mayor [ 42 ] en parte debido al frenado regenerativo y a una menor pérdida de potencia en ralentí.
  • Fuente de energía primaria más flexible: puede utilizar carbón, gas natural, energía nuclear o energías renovables (hidroeléctrica, solar, eólica) como fuente de energía primaria en lugar de combustible diésel.
  • Si se electrifica toda la red, la infraestructura diésel, como las estaciones de servicio, los talleres de mantenimiento e incluso la flota de locomotoras diésel, puede retirarse o destinarse a otros usos. Este suele ser el argumento económico a favor de electrificar las últimas líneas de una red, donde de otro modo los costes serían demasiado elevados. Disponer de un solo tipo de fuerza motriz también permite una mayor homogeneidad de la flota, lo que puede reducir los costes.

Desventajas

El puente Royal Border en Inglaterra , un monumento protegido . Añadir catenaria eléctrica a estructuras antiguas puede suponer un coste elevado en los proyectos de electrificación.
Muchos sistemas de electrificación que utilizan líneas aéreas no permiten suficiente espacio libre para un vagón de doble apilamiento . Cada contenedor puede tener 9 pies 6 pulgadas y media (2,908 m) de altura y el fondo del hueco está a 1 pie 2 pulgadas (0,36 m) por encima del riel , lo que hace que la altura total sea de 20 pies 3 pulgadas (6,17 m) incluyendo el vagón hueco. [ 43 ]         
  • Costo de la electrificación: la electrificación requiere la construcción de una infraestructura completamente nueva alrededor de las vías existentes, lo que supone un costo considerable. Los costos son especialmente elevados cuando es necesario modificar túneles, puentes y otras obstrucciones para facilitar el paso . Otro factor que puede incrementar el costo de la electrificación son las modificaciones o mejoras en la señalización ferroviaria necesarias para adaptarse a las nuevas características del tráfico y para proteger los circuitos de señalización y de vía de las interferencias de la corriente de tracción. La electrificación suele requerir el cierre de líneas mientras se instala el nuevo equipo.
  • Aspecto: las estructuras y el cableado de las líneas aéreas pueden tener un impacto paisajístico significativo en comparación con una línea no electrificada o electrificada mediante tercer carril, que solo cuenta con equipos de señalización ocasionales sobre el nivel del suelo.
  • Fragilidad y vulnerabilidad: los sistemas de electrificación aérea pueden sufrir graves interrupciones debido a fallas mecánicas menores o a los efectos de fuertes vientos que provocan que el pantógrafo de un tren en movimiento se enrede con la catenaria , arrancando los cables de sus soportes. El daño a menudo no se limita al suministro de una vía, sino que se extiende también a las vías adyacentes, lo que provoca el bloqueo de toda la ruta durante un tiempo considerable. Los sistemas de tercer carril pueden sufrir interrupciones en clima frío debido a la formación de hielo en el carril conductor. [ 44 ]
  • Robo: el alto valor de la chatarra de cobre y las instalaciones remotas y sin vigilancia hacen que los cables aéreos sean un objetivo atractivo para los ladrones de chatarra. [ 45 ] Los intentos de robo de  cables de 25 kV con corriente pueden terminar con la muerte del ladrón por electrocución. [ 46 ] En el Reino Unido, se afirma que el robo de cables es una de las mayores causas de retrasos e interrupciones en los servicios ferroviarios, aunque esto normalmente se relaciona con el cable de señalización, que es igualmente problemático para las líneas diésel. [ 47 ]
  • Incompatibilidad: Los trenes diésel pueden circular por cualquier vía, con o sin electricidad ( tercer carril o catenaria , corriente continua o alterna, y a cualquier voltaje o frecuencia). No ocurre lo mismo con los trenes eléctricos, que nunca pueden circular por vías no electrificadas y que, incluso en vías electrificadas, solo pueden funcionar con el único o los pocos sistemas eléctricos para los que están equipados. Incluso en redes totalmente electrificadas, suele ser recomendable mantener algunas locomotoras diésel para trenes de mantenimiento y reparación, por ejemplo, para reparar catenarias rotas o robadas, o para tender nuevas vías. Sin embargo, debido a problemas de ventilación, es posible que se prohíba el paso de trenes diésel por ciertos túneles y estaciones de metro, lo que reduce en cierta medida su ventaja.
  • Las aves pueden posarse en partes con diferentes cargas, y los animales también pueden tocar el sistema de electrificación. Los animales muertos atraen a zorros u otros carroñeros, [ 48 ] lo que conlleva el riesgo de colisión con los trenes.
  • En la mayoría de las redes ferroviarias del mundo, la altura libre de las líneas eléctricas aéreas no es suficiente para un vagón portacontenedores de doble apilamiento u otras cargas inusualmente altas. Para adaptar las líneas electrificadas a la altura libre correcta ( 6,60 m o 21 pies 8 pulgadas ) para soportar trenes de contenedores de doble apilamiento, además de renovar los puentes que las cruzan, normalmente se necesitarían pantógrafos especiales que incumplen la normativa y requieren vehículos hechos a medida .   

Electrificación ferroviaria en todo el mundo

En 2012, las vías electrificadas representaban casi un tercio del total de vías a nivel mundial. [ 9 ] En 2018, había 72 110 km (44 810 mi) de vías férreas electrificadas a 25 kV, ya sea a 50 o 60 Hz; 68 890 km (42 810 mi) electrificadas a 3 kV CC ; 32 940 km (20 470 mi) electrificadas a 15 kV 16,7 o 16 + 2/3 Hz y 20 440 km (12 700 mi ) electrificadas a 1,5 kV CC . [ 16 ] : 2            

En 2023, la red ferroviaria suiza era la red totalmente electrificada más grande del mundo y una de las once únicas en alcanzar este logro, según la lista de países por tamaño de red de transporte ferroviario . El porcentaje disminuye progresivamente en orden descendente, con Laos, Montenegro, Bélgica, Georgia, Corea del Sur, Países Bajos y Japón, mientras que el resto presentaba una electrificación inferior al 75 %. [ 49 ] [ 50 ]

En general, China ocupa el primer lugar, con alrededor de 100 000 km (62 000 millas) de vías férreas electrificadas, seguida de India con más de 62 253 km (38 682 millas) de vías férreas electrificadas, y Rusia con más de 54 000 km (34 000 millas) de vías férreas electrificadas. Varios países carecen de vías férreas electrificadas y, en su lugar, dependen de unidades múltiples diésel, servicios de tracción por locomotora y muchas formas alternativas de transporte. La Unión Europea posee la mayor extensión de vías férreas electrificadas (en longitud), con más de 114 000 km (71 000 millas) de vías férreas electrificadas, aunque esto representa solo alrededor del 55 % de la longitud total de las vías férreas.        

Varios países han anunciado planes para electrificar la totalidad o la mayor parte de su red ferroviaria, incluidos los Ferrocarriles Indios y los Ferrocarriles de Israel . [ 51 ] El Ferrocarril Transiberiano, principalmente en Rusia, está completamente electrificado, lo que lo convierte en uno de los tramos de ferrocarril electrificado más largos del mundo. [ 52 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Metro de Doha (76 km) + Tranvía de Lusail (16,5 km)
  2. ↑ Transporte rápido ligero de Macao
  3. ↑ El MRT ( 242,5 km [ 61 ] ), el LRT ( 28,8 km [ 61 ] ), el Skytrain del aeropuerto de Changi ( 6,4 km [ 62 ] ) y el Sentosa Express ( 2,1 km [ 63 ] ) están electrificados; la parte de la línea de la costa oeste de KTM en Singapur (aproximadamente 1 km ) no lo está.

Referencias

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  • Logotipo de Wikimedia CommonsContenido multimedia relacionado con el transporte ferroviario eléctrico en Wikimedia Commons.