El frenado regenerativo ferroviario

En el área de sistemas ferroviarios (ASF) del ICAI, se han diseñado marchas eficientes para los Metros de Barcelona, Bilbao y Madrid, con un ahorro energético del 13%.

Al sistema regenerativo en inglés se llama KERS (Kinetic energy recovery system): es un dispositivo que permite reducir la velocidad transformando parte de su energía cinética en eléctrica. Esta energía es almacenada para un uso futuro. Es un freno dinámico. Se basa en el principio de que un motor eléctrico puede utilizarse como generador eléctrico. El motor eléctrico de tracción se reconecta como generador durante el frenado, y los terminales de alimentación se convierten en suministradores de energía. El primer freno dinámico se aplicó en 1967 al vehículo Amitron, de American Motors Corporation. El vehículo era accionado por baterías, que se recargaban por frenado regenerativo, con incremento del rendimiento energético del automóvil Amitron.

KERS entró en vigor en 2009, en la escudería BMW, en la competición Fórmula 1, en el circuito de Montmeló y en el Gran Premio de Australia. Unido al volante de inercia, rendía una potencia extra de 60 kW, durante 6,67 segundos en la fase de aceleración tras la frenada. Permitía aumentar el número de adelantamientos. En el coche de calle no aplicamos el freno regenerativo.

En el tren durante el frenado se modifican las conexiones del motor de tracción mediante un dispositivo electrónico, para que funcione como generador eléctrico. Durante el frenado las ruedas hacen girar las armaduras del motor, el cual actúa como generador.

El reostático transforma la energía mecánica en eléctrica, y ésta es disipada en forma de calor en las resistencias. El movimiento es decelerado, y el flujo de corriente a través de las armaduras del motor es contrario al que se utiliza para accionar el motor. El esfuerzo de frenado es proporcional al producto de la intensidad magnética de las líneas de campo multiplicado por la velocidad angular de la armadura. Es el frenado tradicional, que se sigue usando junto con el regenerativo.

Una de las conclusiones del Proyecto Elecrail fue la importante reducción del consumo energético de las líneas de ferrocarril asociadas a la devolución de energía a la red durante el frenado regenerativo de los trenes. No obstante hay varios problemas para la reutilización de esa energía del frenado, en sistemas alimentados por corriente continua (CC).

La mayoría de los vagones ferroviarios permite durante el proceso de frenado convertir la energía cinética almacenada en los mismos en energía eléctrica. Es decir, poseen el freno eléctrico. Ese freno puede enviar la energía de frenado a resistencias, que el tren incorpora para tal efecto, lo que se conoce como freno reostático. El freno eléctrico cuenta con la interconexión de otros vehículos en la red, que se encuentren en fase de tracción, consumiendo energía. Esos vehículos pueden emplear la energía devuelta durante los frenados, pudiendo obtenerse reducciones de consumo del 13%.

La figura 2 muestra el potencial regenerativo del frenado para la reducción del consumo en el tren. En ella se muestra el perfil de velocidad de un tren entre dos estaciones, separadas 1,4 km sin ningún desnivel y empleando el mínimo de tiempo posible, marcha tendida. Hay 3 fases de marcha en el tren. En la 1ª, la energía consumida se emplea en acelerar, en la 2ª el consumo mantiene la velocidad estable, y en la 3ª el tren frena y devuelve a la red eléctrica una fracción de su energía cinética en forma de energía eléctrica.

Los consumos son durante las 3 fases: 23,7, 4 y -1O kWh. La energía devuelta en la fase de frenado representa el 42,19% de la energía consumida al acelerar, y el 36,1% de la energía empleada en las 2 fases primeras. Si otro tren de las cercanías viarias coincide con el frenado regenerativo de nuestro tren, puede aprovechar esa energía devuelta y acelerar sin recibir energía de la subestación eléctrica.

En la práctica una reducción tan elevada de consumo no es alcanzable, debido a varios factores: las pérdidas por efecto Joule en los conductores de la red y el rendimiento de las conversiones. Debido a que la regeneración de potencia conlleva una elevación de la tensión en el pantógrafo, es necesario que los trenes con frenado regenerativo incorporen reóstatos, para disipar el exceso de energía regenerada, y evitar así eventos de sobretensión. No se aprovecha todo el potencial del frenado regenerativo.

Se puede definir el concepto de receptividad como la capacidad de un sistema ferroviario, para aceptar la energía devuelta por trenes durante el frenado. Hay sistemas ferroviarios de CA (corriente alterna) y de CC (corriente continua). En el sistema de CA la tensión es de 25 kV, y en los de CC la tensión es solamente de 3 kV. Al devolver energía las pérdidas de transmisión serán mucho mayores en los sistemas de CC.

Los excedentes de energía (de frenado) necesariamente hay que enviarlos a los reóstatos, y por tanto son desaprovechados. En cambio en los sistemas de CA no hay problema: el exceso de energía será enviado a la red externa sin incidentes. En horas punta, con trenes muy próximos entre sí, las situaciones en que la regeneración supera el consumo son poco frecuentes Los sistemas ferroviarios de CC son muy numerosos, especialmente en el ámbito metropolitano y de cercanías. Podemos mejorar su eficiencia energética. La energía consumida por un tren es la suma de la consumida en tracción y la empleada en servicios auxiliares (calefacción, iluminación, aire acondicionado).

La figura 3 representa un sistema ferroviario de CC. La energía se obtiene de la catenaria, salvo una fracción de servicios auxiliares, que se obtiene de la energía de frenado, sin salir del propio tren. En el gráfico las pérdidas están representadas con los colores amarillo y rojo. En los conductores las pérdidas dependen de la sección del cable y del cuadrado de la corriente.

Abajo, a la izquierda en el gráfico leemos: pérdidas reostáticas, que disminuyen el potencial de ahorro del frenado regenerativo. Este ahorro representa teóricamente el 30% de la energía consumida sin freno eléctrico.

Hacen falta subestaciones reversibles, que permitan devolver a la red la energía obtenida con el frenado y remunerar la energía devuelta a la red. La subestación reversible no tiene límite de carga, pues la entrega a la red eléctrica. La línea 1 del Metro de Bilbao dispone de varias subestaciones reversibles. Aumentar los almacenadores de energía, fijos o embarcados, para acumular temporalmente la energía obtenida en el frenado. El Metro de Madrid incorpora almacenadores fijos, volantes de inercia y baterías. La tecnología ion-litio presenta las mejores características de densidad energética. También son muy útiles las baterías de níquel.-hidruro metálico.

El frenado regenerativo forma parte del Sistema de Conducción Automática (ATO) incorporado a muchas Líneas de Metro en España. El primer ATO se incorporó a la Línea 3 del Metro de Madrid, con un ahorro medido del 12%. Las Líneas 9 y 10 del Metro de Barcelona, parcialmente construidas, disponen de ATO sin conductor. Cuando el Sistema de Regulación Centralizado decide que un tren debe ser retenido, le obliga a una marcha más lenta que lo normal, porque el pasajero percibe como más confortable una marcha lenta, que una detención larga en una estación.

Las conducciones lentas (circulación por inercia con tracción nula) son más económicas, pues consumen menos energía/km. Pero el horario hay que cumplirlo sin retrasos significativos.

Referencias

• García, A. Planteamientos energéticos en el transporte. ICAI 2009.
• Domínguez, M. Conducción eficiente de trenes metropolitanos con ATO. Tesis doctoral ICAI, 2009.
• Gunsellmann, K. Technologies for increased energy efficiency in railway systems. European Conference IEEE 2005.
• Talagi, R. Energy saving techniques for Electric Railways. IEE Transactions, 2010.
• Ibaiondo, H. Kinetic energy recovery on railways systems WCRR, Lille, May 2011.
• López, A.J. Analysis of energy saving in railpower. WCRR Lille, 2011.