DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES ÓPTIMAS DE CONDUCCIÓN COMO FORMA DE REDUCIR EL CONSUMO ENERGÉTICO DE LOS TRENES

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1 DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES ÓPTIMAS DE CONDUCCIÓN COMO FORMA DE REDUCIR EL CONSUMO ENERGÉTICO DE LOS TRENES Autor: Aragón Gurría, Eduardo. Director: Alberto García Álvarez. Entidad colaboradora: ICAI -Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO El consumo energético supone en el sector del transporte un papel muy importante. Dicho consumo representa un 32,5% del consumo total de energía en Europa y un 41,3% en España. Además, dicho consumo está creciendo. En España, el consumo de energía en el transporte pasó del 31,7% del consumo total en 1995 al 41,3% en Y las previsiones esperan que aumente hasta un 55% en torno al Aunque el consumo del ferrocarril sólo representa el 0,78% sobre el sector de transporte, la energía consumida es muy elevada, ascendiendo en 2003 a un total de TJ. Nuestro estudio estará enfocado hacia los trenes de tracción eléctrica que suponen actualmente en España el 80% de las toneladas kilómetro totales. Hay trenes que utilizan otras fuentes de energía, fundamente diesel, pero la mayor parte del transporte en ferrocarril se realiza con tracción eléctrica. El objetivo de este proyecto es, para un trayecto dado y en función del tiempo del que se dispone para recorrerlo, encontrar la forma de conducción del ferrocarril más adecuada para que el consumo energético sea mínimo. La conducción económica tiene tal importancia que, por cada punto porcentual que se consiguiera reducir el consumo de energía en los trenes, el ahorro económico que supondría sería de más de 2 millones y medio de euros.

2 Debido a las múltiples formas de conducción económica posibles y a la enorme diversidad de trayectos con perfiles diferentes, el estudio de este tema se puede abordar de muchas maneras diferentes. En este proyecto no se busca desarrollar una ecuación matemática exacta que determine el método de conducción óptimo para los infinitos trayectos posibles (entre otras cosas porque es prácticamente imposible). Para el estudio se han realizado simulaciones en escenarios sencillos que nos han permitido conocer las posibilidades que ofrece cada modelo de conducción económica y sentar unas bases para futuros desarrollos. Las conclusiones obtenidas son las siguientes: - La conducción económica, efectivamente, ofrece grandes posibilidades para el ahorro energético. Disponiendo de un margen de alrededor del 8,6% sobre el tiempo mínimo, dicho ahorro puede oscilar, en tramos horizontales, entre un 14% y un 18% con respecto a una conducción no económica. - A medida que la pendiente del trayecto disminuye, las posibilidades de ahorrar energía se incrementan. En el caso de pendientes menores a la pendiente de equilibrio (pendiente a la que el tren se mantiene a velocidad constante), y con trenes de freno regenerativo, se puede llegar incluso a generar más energía que la consumida. - La conducción económica ofrece más posibilidades de ahorro energético en trenes con freno reostático (donde la energía empleada en frenar se disipa) que en los de freno regenerativo (energía empleada en el freno se reutiliza). - En trenes con freno reostático, cuando el margen de tiempo extra disponible es pequeño, la forma de conducción más adecuada es la deriva, que consiste en dejar marchar el tren por inercia. Cuando el margen de tiempo es grande la marcha en velocidad limitada es la más propicia. - En trenes con freno regenerativo la deriva ya no resulta tan buena. En este caso es la velocidad limitada la que resulta más económica, tanto para márgenes de tiempo pequeños como grandes.

3 - La deriva sueca, que consiste en traccionar y derivar el tren sucesivamente cuando se circula entre la velocidad máxima y una velocidad determinada, no parece ser de mucha aplicación. Aunque para márgenes de tiempo pequeños se comporta de forma similar a la velocidad limitada, para tiempos altos se vuelve poco económica. A pesar de los buenos resultados obtenidos todavía queda camino por recorrer. Análisis de escenarios más complejos y el uso mixto de varias formas de conducción económica pueden ofrecer mejoras sustanciales en el ahorro energético en un futuro próximo. Las posibilidades que ofrece la conducción económica parecen ser todavía mayores y su estudio no ha hecho más que comenzar. ABSTRACT Energy consumption plays a very important role in the transport sector. This accounts for 32.5% of the total consumption of energy in Europe and 41.3% in Spain. In addition, energy consumption is currently growing. In Spain, consumption in transport was increased from 31.7% of the total consumption in 1995 to 41.3% in And forecasts hope that it will reach 55% around Although railway consumption only accounts for 0.78% of the transport sector, the amount of energy used is really high, ascending in 2003 to a total of TJ. Our study will be focused on electric traction trains, which are used in Spain to transport 80% of total tons kilometers. There are trains that use other energy sources, essentially diesel traction locomotives. But most of them consume electric energy. The aim of this project is to determine an economical running pattern for a railway through an optimal compromise between trip time and energy consumption. Economical run is such important that, for each percentage point

4 reduced in energy consumption in trains, more than 2.5 million euros would be saved. As there are many ways of combining driving models and real railway tracks are very complex, we will not try to develop the exact mathematical equation that determines the optimal driving method for every possible case (because it is almost impossible). For the analysis we have simulated simple scenes in order to find general running patterns that will be helpful for future studies in the field of economical run. The conclusions obtained are the following ones: - Economical run, as it was thought, offers great possibilities for power saving. Having a trip time margin of 8.6% over the minimum one, electric power savings can oscillate, in horizontal tracks, between 14% and 18% more than with a wrong driving method. - The lower the gradient of the track, the more the possibilities for saving energy. In case of regenerative braking trains running through tracks with a lower gradient than the balanced gradient (where the train stays at constant speed), it is also possible to generate more energy than the consumed one. - Economical run possibilities for power saving are higher in rheostatic braking trains (where the energy used for braking is lost) than in regenerative braking trains (energy used for braking is reused). - In trains with rheostatic brake, when the trip time margin is small, the best driving model is coasting (running without traction or braking). When the trip time margin is increased the best driving mode is running at limited speed - In trains with regenerative brake, coasting is no longer useful. In this case the best driving model is running at limited speed for any trip time margin. - Swedish coasting does not seem to be useful. It consists of accelerating and coasting successively not allowing the train speed below a fixed speed limit (called Swedish Coasting speed). Although for small trip time margins this

5 driving model is similar to the run at limited speed, for bigger margins becomes economic little. In spite of the good results obtained there is still a lot of work to do. Analysis of more complex scenes and mixed use of economical driving models can offer substantial improvements for power savings in the future.