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

Transcripción

1 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL PROYECTO FIN DE CARRERA DETERMINACIÓN DE LAS CONDICIONES ÓPTIMAS DE CONDUCCIÓN COMO FORMA DE REDUCIR EL CONSUMO ENERGÉTICO DE LOS TRENES Autor: Eduardo Aragón Gurría Madrid, a 23 de Julio de 2005

2 2 Determinación de las condiciones óptimas de conducción como forma de Proyecto fin de carrera de Eduardo Aragón Gurría Dirigido por Alberto García Álvarez

3 3 ÍNDICE ÍNDICE OBJETIVO Y METODOLOGÍA OBJETIVO METODOLOGÍA ESTADO DEL ARTE Dinámica del tren Ecuación del movimiento del tren Resistencia al avance Resistencia mecánica Resistencia por entrada de aire en el tren Resistencia aerodinámica Resistencia debida a la curva Ecuación simplificada de la resistencia al avance Resistencia gravitatoria en pendientes Pendiente de equilibrio Consideraciones generales Consumo en el conjunto del recorrido. Flujos energéticos del tren Energía que sale del tren Energía acumulada Energía consumida por los rendimientos El consumo de energía en el tren Destinos de los consumos Tracción. Tipos de tracción Los servicios auxiliares de los trenes Vectores energéticos Electricidad Gasóleo...43

4 Relación entre los consumos de energía y los vectores eléctricos La energía en los costes de los trenes Ejemplo del consumo de tren de alta velocidad Recomendaciones para reducir el consumo energético Diseño de la infraestructura Diseño de los trenes Operación de los trenes Freno reostático y freno regenerativo CONDUCCIÓN ECONÓMICA Definición. Ideas generales Formas de conducción Pasos a seguir ANÁLISIS DE ESCENARIOS Trayecto horizontal Freno reostático (horizontal) Freno regenerativo (horizontal) Tramo de subida (+10mm/m) Freno reostático (+10 mm/m) Freno regenerativo (+10 mm/m) Tramo de bajada (-10mm/m) Freno reostático (-10 mm/m) Freno regenerativo (-10 mm/m) Tramo de bajada (-20mm/m) Freno reostático (-20 mm/m) Freno regenerativo (-20 mm/m) CONCLUSIÓN Freno reostático Freno regenerativo...76

5 RESUMEN DE CONCLUSIONES DESARROLLOS FUTUROS BIBLIOGRAFÍA... 82

6 6 0. OBJETIVO Y METODOLOGÍA Como punto de partida mostraremos la importancia que tiene el ferrocarril con respecto al consumo de energía y las grandes repercusiones, tanto económicas como de ahorro energético que puede tener la aplicación de una conducción económica adecuada en la actualidad. Acto seguido y para facilitar el seguimiento del lector, explicaremos de manera resumida cada uno de los pasos que daremos a lo largo del proyecto para la obtención de las conclusiones mencionadas con anterioridad OBJETIVO 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 terajulios. El caso del ferrocarril es un caso muy particular, ya que la energía supone en la actualidad el 8% de los gastos y el 10,5% de los ingresos (dado que los ingresos son menores que los gastos, el

7 consumo de energía consumo de energía ). Esto se ha conseguido gracias a Ingresos Gastos constantes estudios y mejoras, ya que hacia 1957 representaba el 28% de los gastos totales. 7 Nuestro estudio estará enfocado hacia los trenes de tracción eléctrica que suponen actualmente en España el 80% de las toneladas kilómetro totales. Como veremos más adelante 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. 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 buscará 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 realizaremos simulaciones en escenarios sencillos que nos permitan conocer las posibilidades que ofrece cada modelo de conducción económica y sentar unas bases para futuros desarrollos.

8 0.2. METODOLOGÍA 8 La metodología que seguiremos para la elaboración de este proyecto fin de carrera es la siguiente: En un primer apartado introduciremos al lector en el mundo del ferrocarril. Resumiremos cuál es el estado del arte en la actualidad en lo que al tren se refiere. Hablaremos de las fuerzas que actúan sobre él y de su relación con el consumo de energía, de los destinos de los consumos, de los tipos de energía que utilizan los ferrocarriles y de las clases de frenos de los mismos. Seguidamente dedicaremos otro apartado a la conducción económica y a las posibilidades que ofrece para el ahorro energético. Diferenciaremos las distintas formas de conducción económica y seleccionaremos aquellas que resulten más apropiadas para conseguir un consumo energético lo más pequeño posible. A continuación analizaremos los modelos de conducción económica seleccionados en cuatro escenarios diferentes. Veremos en cada uno de los cuatro y para los tipos de freno de los trenes cuál de los métodos de conducción resulta el más propicio. Finalmente, y con ayuda de los datos obtenidos del apartado anterior sacaremos una serie de conclusiones generales acerca de la conducción económica y de la forma de conducción más apropiada en función del tipo de freno y de las características del trayecto.

9 9 1. ESTADO DEL ARTE En este primer apartado hablaremos del estado del arte del ferrocarril en la actualidad. Dividiremos el punto en 3 partes fundamentales. En la primera parte trataremos de presentar de una manera sencilla, pero completa y actual, el estado del arte en lo que se refiere a la dinámica longitudinal de los trenes; esto es, al estudio de las fuerzas que provocan su desplazamiento sobre la vía, y el propio movimiento. También se aportan ideas que son fruto de desarrollos propios, especialmente en el dominio de la alta velocidad. Esta materia es clave en diversos campos de la explotación ferroviaria, singularmente en lo que se refiere al cálculo de los horarios y de los tiempos de viaje, así como del consumo energético. En el caso concreto de la dinámica ferroviaria en alta velocidad, merece destacarse que se toman en consideración los fenómenos aerodinámicos en la medida que inciden de forma importante sobre el movimiento de los trenes, así como la incidencia de otros factores no abordados en los tratados clásicos de explotación y ligados al incremento de la velocidad, tales como el aire acondicionado de los trenes, o la resistencia al avance en los túneles. También se ha hecho un esfuerzo importante por poner en relación cada una de las fuerzas que actúan sobre el tren con las variables de las que

10 realmente depende, al efecto de permitir un ajuste más preciso, cuando sea necesario, de los tiempos de viaje y de los consumos energéticos. 10 En la segunda parte nos centraremos en el análisis del consumo de energía en un tren. Esta parte es muy importante para nuestro análisis posterior, ya que distinguiremos los diferentes destinos de los consumos de energía en el ferrocarril, es decir, cada uno de los elementos del tren que requieren del consumo de energía. A continuación conoceremos los dos principales vectores energéticos utilizados en el ferrocarril, electricidad y gasóleo, y su relación con los consumos. Por último observaremos como afecta la energía a los costes totales del tren, que nos permitirá hacernos una idea aproximada de las posibilidades que puede ofrecer una conducción económica en la reducción de los costes totales de los trenes. En la tercera y última parte de este apartado veremos la diferencia que existe entre los 2 tipos principales de freno del tren, reostático y regenerativo. Explicaremos cuál es el funcionamiento básico de cada uno para a partir de ello conocer en qué medida una conducción adecuada puede disminuir el consumo energético según el tipo de freno.

11 1.1. Dinámica del tren 11 Sobre un tren, en un momento determinado, pueden actuar como es obvio, muchas y muy diferentes fuerzas: unas son independientes de la acción del propio tren (fuerza de gravedad, acción del aire), y otras provocadas por una acción en el tren (como las fuerzas de tracción y de frenado). El tren se apoya sobre las ruedas y éstas sobre la vía, por lo que referiremos las fuerzas a un sistema de coordenadas relativo a la vía, en concreto, un eje longitudinal (L) coincidente con el eje de ésta, un eje transversal (H), perpendicular al anterior y normal a la vía, y un eje vertical (V) perpendicular al plano que forman los carriles en su superficie superior. Consideramos como sentido positivo del eje longitudinal L el que coincide con el sentido de la marcha del tren, y del eje vertical V, hacia abajo, que coincide con el sentido de la fuerza de gravedad que actúa sobre el tren. V H Traviesa Carril L H Sentido de la marcha del tren Ejes de coordenadas para los estudios de la dinámica ferroviaria

12 12 La dinámica longitudinal se refiere a las componentes de las fuerzas sobre el eje L longitudinal de la vía. Las componentes de las fuerzas sobre los otros dos ejes (H y V) se estudian en el dominio de la infraestructura, ya que condicionan la resistencia de ésta. Nuestro estudio se centrará en las fuerzas longitudinales. tipos: Las fuerzas que actúan longitudinalmente sobre el tren son de dos Fuerzas pasivas: que son aquellas que soporta el tren sin que él mismo realice ninguna acción especial. Son fuerzas pasivas la resistencia al avance (en recta y en curva) y la fuerza gravitatoria. Fuerzas activas son aquellas que se derivan de acciones del propio tren, en concreto, son las fuerzas de tracción y frenado. Se denomina resistencia al avance a la resultante de las fuerzas que se oponen al movimiento del tren en la dirección longitudinal de la vía, diferentes de las gravitatorias y de las fuerzas de tracción y frenado. La resistencia al avance es siempre una fuerza de valor negativo (se opone al movimiento del tren), de acuerdo con las coordenadas definidas. En realidad, la resistencia total al avance es la proyección sobre la dirección longitudinal de la vía de diversas fuerzas pasivas que actúan sobre el tren y que son de distinta naturaleza, entre las que se cabe distinguir las siguientes: Rozamiento entre las ruedas y los carriles.

13 13 Rozamientos internos de las partes móviles y giratorias del tren. Fuerza necesaria para acelerar el aire que entra en el tren (para la refrigeración de los motores y para la renovación del aire interior). Resistencia aerodinámica, que a su vez se compone de resistencia de presión y de fricción, y que resulta especialmente importante en alta velocidad. Rozamiento de las pestañas sobre el carril en las curvas. La resistencia al avance de un tren varía casi constantemente, pues el tren pasa sucesivamente por alineaciones rectas y por curvas de diversos radios. Pero también debe tenerse en cuenta que la resistencia al avance en recta es dependiente de la velocidad del tren, por lo que cualquier variación de la velocidad real conduce a una variación de la resistencia al avance en recta y, por ello, de la resistencia al avance total. Además de la resistencia al avance, es preciso tener en cuenta el efecto de la fuerza de la gravedad, que actúa sobre el tren en las pendientes (a favor del movimiento) y en las rampas (en el sentido de oponerse al movimiento). También actúan sobre el tren en sentido longitudinal las fuerzas activas de tracción (a favor del movimiento) y de freno (oponiéndose al movimiento), que se realizan desde el propio tren. Si las proyecciones de todas estas fuerzas sobre el eje longitudinal están en equilibrio (tienen resultante nula), el tren mantiene su velocidad

14 14 constante. Por el contrario, si la resultante es una fuerza neta positiva, el tren se acelerará de acuerdo con la segunda ley de Newton, y si es una fuerza negativa, el tren reducirá su velocidad, de acuerdo con la misma ley Ecuación del movimiento del tren una fuerza: Para acelerar el tren con una aceleración de a m/s es preciso hacer 2 r Fac = 1000 m a + m g a 2 R Donde: m g es la masa del conjunto giratorio, en t r es el radio de inercia polar del conjunto, en m R es el radio de las ruedas motrices, en m. Efecto de la inercia de las masas giratorias Cuando el tren aumenta (o disminuye) su velocidad, no sólo es preciso aumentar su velocidad de traslación en el sentido longitudinal de la vía, sino que además es necesario aumentar la velocidad de rotación de diversas masas que giran, y que lo hacen más deprisa cuando el tren circula a mayor velocidad. Entre estas masas giratorias están, por ejemplo, las ruedas, los ejes y los discos de freno.

15 15 Estas masas tienen que girar más deprisa cuando el tren se traslada más deprisa (y viceversa), por lo que es preciso dedicar parte de la fuerza neta disponible a acelerar (o frenar) angularmente estas masas giratorias. Como la relación entre la aceleración de traslación a, y la de rotación α de las masas rotatorias es: α = a R Considerando que el par motor (M) que se precisa para acelerar angularmente la masa giratoria, siendo R (m) el radio exterior de las ruedas motoras es: M F R = I α, Y como el momento de inercia polar de un eje es: t g p I 1000 mg 2 = r, g p Se tiene que: Donde: m r a g r F = = 1000 m a tg g 2 R g R R Ip es el momento de inercia polar del conjunto giratorio, en kg.m 2 m g es la masa del conjunto giratorio, en t r es el radio de inercia polar del conjunto, en m

16 16 R es el radio de las ruedas motrices, en m. Por tanto, teniendo en cuenta el efecto de la inercia de las masas giratorias, cuando se aplica sobre el tren una determinada fuerza neta en sentido longitudinal (resultante de los esfuerzos de tracción o de freno, de la resistencia al avance y de las fuerzas gravitatorias), se produce una aceleración que se deduce de la fórmula siguiente: F 2 g ri = m a + ( m ) i 2 R i a Que es la misma expresión que la inicial Resistencia al avance La resistencia al avance del tren se puede expresar: Donde: a 1 es el coeficiente de resistencia mecánica al avance por unidad de masa (dan/t), con valores típicos de 0,65. m es la masa del tren (en toneladas). a 2 es el coeficiente de la resistencia mecánica al avance por número de ejes (dan/eje), con valores típicos de 13.

17 17 N es el número de ejes del tren Q es el flujo del aire que entra en el tren para la refrigeración de los motores y el aire acondicionado (en m 3 /s). ρ es la densidad del aire (típicamente 1,29 kg/m 3 ). V es la velocidad del tren (en km/h). c p es el coeficiente de presión del término aerodinámico aerodinámico de la resistencia al avance A f es el área frontal del tren c f es el coeficiente de fricción del término aerodinámico de la resistencia al avance P es el perímetro del tren L es la longitud del tren T f es el factor de túnel, adimensional, que depende de la sección del tren y del túnel y de la velocidad (valores típicos de 1,2 a 2). V w es la velocidad absoluta del viento (en km/h). α es el ángulo que forma el rumbo del viento con el rumbo del tren. R es el radio de la curva, en metros.

18 Resistencia mecánica El término de la resistencia al avance independiente de la velocidad se denomina resistencia mecánica, (la designaremos como R m ) y se deriva, en el caso más general (García Lomas, 1956), de la resistencia de rozamiento entre cojinetes y manguetas, de la rodadura entre las ruedas y carriles, de las irregularidades en la vía, así como de las pérdidas de energía en los aparatos de tracción y choque y en la suspensión de los vehículos a causa de los movimientos oscilatorios o parásitos que adquiere la masa suspendida. En el ferrocarril moderno (con el carril soldado) no es significativa la resistencia debida a las irregularidades de la vía (entre las cuales la más relevante es la producida por las juntas de dilatación, cuyo valor en una vía con estas discontinuidades se puede evaluar aproximadamente en 1,5 dan/t). Tampoco son relevantes los efectos de las pérdidas de energía en aparatos de tracción y de choque o en las suspensiones. Así, la expresión de la energía mecánica es: R mec = ( a1 m) + ( a2 N) Donde: a 1 es el coeficiente de resistencia mecánica al avance por unidad de masa (dan/t), con valores típicos de 0,65. m es la masa del tren (en toneladas).

19 a 2 es el coeficiente de la resistencia mecánica al avance por número de ejes (dan/eje), con valores típicos de N es el número de ejes del tren Resistencia por entrada de aire en el tren El término dependiente de la velocidad corresponde, en su mayor parte, a la resistencia al avance del tren que produce la entrada de aire en el tren. Tiene su causa en el hecho de que, en los trenes en marcha, entra y sale de forma permanente una notable cantidad del aire: la necesaria para refrigeración de los motores y la que precisa para la renovación de aire de los viajeros. Para la renovación de aire de los viajeros, los caudales típicos suelen ser de 10 a 20 m 3 por persona y hora, dependiendo de la temperatura exterior. La cantidad de aire total que entra en los trenes es importante. Por ejemplo, el tren Talgo 350 (serie Renfe 102) necesita 32,4 m 3 /s para la refrigeración de los motores de las cabezas tractoras y 44,9 m 3 /s para la renovación de aire; es decir, un tren de alta velocidad de 320 plazas puede precisar más de 77,3 m 3 /s (el ICE 3, de 400 plazas, requiere casi 150 m 3 /s). Al entrar este aire en el tren debe ser acelerado casi instantáneamente, por lo que el tren hace sobre esta masa de aire una fuerza hacia adelante y por lo tanto el tren experimenta una fuerza de reacción hacia atrás de valor: R ea = ( Q ρ ) V

20 20 Donde: Q es el flujo del aire que entra en el tren para la refrigeración de los motores y el aire acondicionado (en m 3 /s). ρ es la densidad del aire (típicamente 1,29 kg/m 3 ). V es la velocidad del tren (en m/s) Resistencia aerodinámica Denominamos resistencia aerodinámica al avance a la fuerza longitudinal que se opone al movimiento del tren como consecuencia de la interacción entre el tren y el aire circundante con el que choca y que lo envuelve. En ausencia del viento exterior, la resistencia aerodinámica al avance es proporcional al cuadrado de la velocidad del tren, y tiene, por ello, como expresión general: R aerod = C V 2 Se produce por presión en el exterior del tren y por la fricción aerodinámica en toda el área mojada. El campo fluido alrededor del tren crea un campo de presiones no simétrico que tiene como resultante una fuerza en sentido contrario al avance del tren que representa la resistencia de presión (Alcol, 2002).

21 21 En función de la naturaleza de la fuerza, esta resistencia está integrada con dos componentes: resistencia de fricción y resistencia de presión. Sobre esta resistencia, de carácter complejo, pueden formularse las siguientes consideraciones: La resistencia aerodinámica de presión es la proyección en la dirección del movimiento de la resultante de las fuerzas de presión que actúan sobre la superficie del cuerpo. Depende fundamentalmente de la sección transversal del tren (en cabeza y cola), y de la forma de la cabeza y cola del tren. También depende de los aparatos situados en el techo del vehículo (por ejemplo, pantógrafos, línea de techo, etc.) y de los bogies. La resistencia aerodinámica de fricción es debida a la viscosidad del aire, y depende fundamentalmente de la superficie mojada del cuerpo (entendiendo por tal la superficie con la que fricciona el aire (es decir el perímetro del tren por su longitud) y de su continuidad y rugosidad superficial. En el interior de los túneles, la resistencia aerodinámica al avance aumenta como consecuencia de la mayor fricción del aire contra la pared exterior del tren. El efecto práctico es que en la resistencia al avance aerodinámica debe incluirse un coeficiente de obstrucción (o factor túnel, T f ), adimensional, que multiplica el término relacionado con el cuadrado de la velocidad.

22 22 Además de lo mencionado anteriormente, debemos tener en cuenta la V velocidad del viento exterior. En la práctica sólo se puede conocer con cierta aproximación la fuerza y dirección del viento dominante y el ángulo que forma la vía con las coordenadas Tren geográficas, que no suele tener variaciones bruscas. Si la dirección del viento coincide con la dirección longitudinal de la vía, la fuerza del viento tiende a disminuir la resistencia al avance Viento Vw α si éste sopla por la cola del tren, o a aumentarla si sopla por la cabeza. Movimiento relativo del viento respecto al tren En una primera aproximación, puede sumarse la componente longitudinal del viento con la velocidad del tren, pero sólo afectaría en la fórmula de la resistencia al avance al término proporcional al cuadrado de la velocidad, ya que el término dependiente de la velocidad sólo tiene en consideración la entrada y salida de aire en el tren y otros factores no aerodinámicos. Se aprecia que si el viento sopla por la cola del tren y en su misma dirección (entonces α =0º y cosα =1), la velocidad del viento se resta a la del tren (el viento empuja el tren), mientras que si sopla de frente al tren (α =180º y cosα = -1), hay que sumar la velocidad del viento a la del tren (el viento frena el tren).

23 Teniendo en cuenta todos estos factores, la fórmula de la resistencia aerodinámica será: 23 R aerod [( c A ) + ( c P L) ] Tf ( V V cosα ) 2 = p f f w Donde: c p es el coeficiente de presión del término aerodinámico aerodinámico de la resistencia al avance A f es el área frontal del tren c f es el coeficiente de fricción del término aerodinámico de la resistencia al avance P es el perímetro del tren L es la longitud del tren T f es el factor de túnel, adimensional, que depende de la sección del tren y del túnel y de la velocidad (valores típicos de 1,2 a 2). V w es la velocidad absoluta del viento (en m/s). α es el ángulo que forma el rumbo del viento con el rumbo del tren.

24 Resistencia debida a la curva Al circular el tren por una curva, existe una fuerza longitudinal retardadora que actúa sobre el tren, por efecto del rozamiento de las pestañas sobre el carril, y por el rozamiento de la rueda externa sobre el carril (rozamiento debido a que giran las dos ruedas del mismo eje con la misma velocidad angular mientras la rueda externa recorre una mayor longitud). La resistencia al avance en las curvas (se ha comprobado empíricamente) responde, aproximadamente, para vía de ancho mm, a la fórmula: 800 R ac = m R, Y en vía de ancho mm la fórmula es: Donde: 600 R ac = m R R a c es la resistencia al avance debida a la curva en dan. R es el radio de la curva, en m. m es la masa del tren, en t.

25 Ecuación simplificada de la resistencia al avance La expresión más habitual de la resistencia al avance se expresa, de forma simplificada, de la siguiente manera: 2 ( A + B V + C V ) R a = Donde: R r es la resistencia al avance en recta, que se expresa normalmente en dan. Será siempre de valor negativo, pues se opone al movimiento del tren y tiene sentido contrario a la velocidad V. V es la velocidad del tren, expresada normalmente en kilómetros por hora (km/h). A, B y C son coeficientes que dependen de las características del material rodante que se miden, respectivamente, en dan, dan/(km/h) y dan/(km/h) 2.

26 Para diversos tipos de trenes, seguidamente se figuran los 26 coeficientes absolutos A, B y C así como la masa y los coeficientes específicos a, b y c. Coeficientes absolutos y específicos de las fórmulas de resistencia al avance en diversos trenes convencionales y de alta velocidad Tren Masa Coeficientes absolutos Coeficientes específicos A B C a b c Unidad t dan dan/km/h dan/(km/h) 2 dan/t dan/[t.(km/h)] dan/[t.(km/h) 2 ] Trenes convencionales Locomotora tipo BB ,8 0,0300 1,25 0, ,75x10-4 Locomotora tipo CC ,2 0,0300 1,20 0, ,5x Loc+6 coches ,90 0,0906 1,15 0, ,875x10-4 Clásico viajeros Variable 1,5 a 2 0 2,222x10-4 Mercancías bogies Variable 1,5 a 2 0 2,500x10-4 Clásico mercancías Variable 1,5 a 2 0 6,250x10-4 Trenes autopropulsados de viajeros TRD ,26 0,035 1,59 0, ,57x10-4 Alaris ,19 6,63 2,50 0,9 3,75x10-4 Trenes de alta velocidad TGV Sud Est ,09 0,0535 0,562 0, ,280x10-4 TGV Réseau ,30 0,0510 0,649 0, ,226x10-4 TGV Atlantique ,90 0,0565 0,776 0, ,153x10-4 TGV Dúplex ,20 0,0535 0,637 0, ,262x10-4 ICE 3 Regional (4c) 231, ,51 0,0341 0,735 0, ,474x10-4 AVE ,84 0,0498 0,702 0, ,198x10-4 Talgo 350 (s 102) ,22 0,0529 0,790 0, ,482x10-4 ICE 3 (S 103) ,24 0,0521 0,733 0, ,223x10-4

27 1.1.3 Resistencia gravitatoria en pendientes 27 Para tener en cuenta el efecto de la gravedad sobre el movimiento del tren, que disminuye o aumenta la resistencia al avance, hay que agregar la resistencia al avance debida a la rampa cuyo valor es el siguiente: R ag = - (m x g x i) Donde: R a g es la resistencia al avance debida a la fuerza de la gravedad en Newtons (N). Puede ser positiva o negativa en función del signo de i. g es la aceleración de la gravedad (9,81 m/s 2 ) m es la masa del tren. i es al pendiente local en milésimas o milímetros por metro (mm/m). Puede tener valor positivo si es una subida (rampa) o negativo si se trata de una bajada (pendiente). En la figura que se muestra a continuación vemos el efecto que tiene la pendiente sobre un tren en movimiento:

28 28 Rag Rag = Fg i senα Fg i h h i = l F g l α Resistencia longitudinal debida a la gravedad Como se puede observar, la incidencia de la fuerza de la gravedad sobre el tren es independiente de la velocidad, y debe sumarse (con su signo) a la resistencia al avance, por lo que en la práctica, para cada tren, la resistencia al avance en horizontal (caracterizada gráficamente en una representación Ra, V como una parábola creciente con la velocidad, se convierte en una familia de curvas paralelas, cada una representativa de la resistencia total en una pendiente o rampa caracterizada por su inclinación i. Como es natural, existen casos en que los que la fuerza total es positiva (tiende a acelerar el tren, incluso en ausencia de tracción) lo que ocurre con pendientes fuertes y normalmente a velocidades bajas.

29 29 La representación gráfica de la resistencia total en diversas rampas y pendientes (para un tipo de concreto de tren y cambiada de signo) está recogida en la figura: Resistencia total (dan) "-25 mm/m" "-12,5 mm/m" Horizontal "+12,5 mm/m" "+25 mm/m" Velocidad del tren (km/h) 375 Resistencia total al movimiento del Talgo 350 en diversos perfiles La resistencia al avance crece con el cuadrado de la velocidad y la fuerza de la gravedad es independiente de la velocidad. Cuando la pendiente supera determinado valor, la resistencia al avance es positiva, es decir, el tren tiende a acelerarse en ausencia de tracción o freno.

30 Pendiente de equilibrio De esta manera, teniendo en cuenta la resistencia debida a la gravedad, en el análisis de la dinámica del tren en las pendientes (bajadas) diremos que actúan sobre el tren las siguientes fuerzas: A favor del movimiento del tren: Fuerza de gravedad Fuerza de tracción (regulable) En contra del movimiento del tren: Resistencia al avance Fuerza del freno (regulable, e incompatible con la fuerza de tracción). Suponiendo, en principio, que no se hace uso de la tracción en la pendiente y que el tren circula a la velocidad máxima al entrar en ella, pueden presentarse tres casos: La fuerza gravitatoria (positiva) es de valor absoluto menor que la resistencia la avance (negativa). Entonces el tren tiende a frenarse y es preciso aplicar tracción para mantener la velocidad. La fuerza gravitatoria (positiva) es de valor mayor que la resistencia al avance (negativa). Entonces el tren tiende acelerarse y es preciso aplicar el freno para que evitar que el tren rebase la velocidad máxima.

31 La fuerza gravitatoria es de valor absoluto igual a la resistencia al 31 avance. Entonces, sin aplicar ni la tracción ni el freno, el tren mantiene la velocidad máxima en la bajada. Fuerza + E t máximo - La fuerza de la gravedad en la pendiente de equilibrio p e = Resistencia al avance a la velocidad máxima p Ra Fg p e R av en 0 mm/m R av en p e mm/m R av en p mm/m Velocidad - - V eqp en p mm/m Velocidad máxima del tren Pendiente de equilibrio y velocidad de equilibrio en una bajada Para la velocidad máxima del tren existe una pendiente de equilibrio p e en la que la fuerza de la gravedad se iguala (en valor absoluto) a la fuerza resistente y el tren está en equilibrio. Del mismo modo, para cada rampa de valor r mm/m, existe una velocidad de equilibro del tren.

32 32 Si denominamos la pendiente de equilibrio p e aquella en la que, para la velocidad máxima V m a x se igualan los valores absolutos de la resistencia al avance y la fuerza de gravedad, tendremos: 2 e = A + B Vmax + C T f V max m p, de donde, despejando p e, y sustituyendo los coeficientes absolutos por específicos, se tiene: p 2 e = a + b Vmax + c T f V max Y la velocidad de equilibrio en pendiente (V e p q ) en una pendiente de valor p mm/m, es la que cumple que: p = a + b V + c T V eqp f 2 eqp Consideraciones generales La naturaleza de las dos fuerzas analizadas anteriormente es diferente, ya que mientras la resistencia debida a una rampa obliga a un consumo de energía que queda almacenada en el tren en forma de energía potencial (y por tanto no se pierde), la empleada en vencer la resistencia la avance en curva es una energía que se pierde definitivamente, y esta diferencia tiene gran importancia en el análisis del consumo energético de los trenes.

33 33 Energía relacionada con la aceleración y deceleración del tren La energía para acelerar el tren puede proceder: del motor de tracción de la pérdida de energía potencial (al bajar una pendiente). Cuando se reduce la energía cinética (se decelera el tren) la energía puede emplearse: en vencer la resistencia al avance; en subir una rampa; disiparse en el freno (esta es la que verdaderamente se pierde). Posibilidades teóricas de almacenamiento de energía en el tren Si el tren pudiera almacenar energía sin restricciones, el consumo de energía sería sólo el necesario para vencer la resistencia al avance, porque: Toda la energía consumida para acelerar el tren se almacenaría al reducir la velocidad y el consumo de energía sería 0. La totalidad de la Epot recibida en las subidas se podría recuperar en las bajadas: no habría consumo neto de energía exterior por este concepto. Si no se pudiese almacenar, ni aprovechar nada de la Ecin ni de la Epot, el consumo de energía de un tren sería:

34 Energía para vencer la Ra, + energía para acelerarlo todas las veces en que deba aumentar su V + energía para subir todas las rampas del recorrido. 34 Posibilidades prácticas de almacenamiento de energía en el tren porque: En la realidad no se presenta ninguno de estos casos extremos Cuando el tren reduce velocidad o baja, parte de la energía cinética o potencial se emplea para vencer la resistencia al avance. Si el tren sube y pierde velocidad, o si baja y gana velocidad, se convierte la energía cinética en potencial y al revés. Si tiene freno de recuperación, parte de la energía que el tren cede al reducir velocidad o bajar se emplea para alimentar los auxiliares y otra parte se devuelve a la red. Enfoques del análisis del consumo El análisis del consumo de energía en los trenes en su movimiento puede realizar de dos formas: Analizado el consumo y balance energético en cada movimiento elemental (velocidad uniforme en horizontal, subida, bajada, reducción y aumento de velocidad, etc.). Analizado el balance energético del tren en el conjunto de un recorrido.

35 1.1.5 Consumo en el conjunto del recorrido. Flujos energéticos del tren 35 Se conoce (indirectamente) la energía que ha entrado en el tren por el principio de la conservación de la energía: Energía que ha entrado = Energía que ha salido Energía que se ha acumulado Energía que se ha perdido por los rendimientos Energía que sale del tren La energía que sale del tren es la suma de: La empleada para vencer la resistencia al avance en el recorrido (Era): Era = L + C T 2 2 [( a m) + [( Q ρ ) V ] + [ C T [( V V cosα ) + ( V ) ] f l t V 2 t N l R c f w µ

36 36 La disipada o regenerada en el freno (Efr). El uso del freno puede ser: Para decelerar el tren Cuando el tren frena para reducir su velocidad, la energía (Efre) perdida en el frenado es: Ra Efre = Ecin dl pronunciada Para no rebasar la velocidad máxima en una pendiente muy Cuando baja una pendiente mayor que la p equ, la energía (Efre) perdida en el frenado es: Efre = F fr l = m ( p p ) l e Energía acumulada La almacenada corresponde a los incrementos de potencial y cinética. Se acumula energía: Epot (al subir), Ecin (al aumentar velocidad) Energía consumida por los rendimientos La consumida es: la entrada la salida la almacenada

37 Analizando el siguiente esquema observamos la energía que se pierde debido a los rendimientos: 37 Así, como se observa en el esquema de arriba, se aprovecha el 79% de la energía que llega de la subestación destinada a la tracción del tren, y el 80% de la energía cuando va destinada a servicios auxiliares El consumo de energía en el tren Destinos de los consumos Los destinos de los consumos, en el caso más general, son los siguientes: Movimiento de los trenes (tracción). Servicios auxiliares de los trenes Servicios auxiliares de la infraestructura. Otros consumos

38 En el siguiente diagrama de sector podemos ver los diferentes consumos de la línea Madrid-Sevilla en 1994: 38 Como se puede observar, los consumos de los trenes (tracción y auxiliares) son los más importantes del total (85-90 %) Tracción. Tipos de tracción tracción: En el ferrocarril se emplean, o han empleado, cuatro tipos básicos de Tracción vapor Tracción diesel

39 39 Tracción eléctrica Turbina de gas Tracción vapor La tracción vapor clásica se encuentra en desuso Combustibles: Carbón, fuelóleo, gasóleo, madera, etc. Rendimiento energético bajo (4% en 1908, al 10% en 1950) Inconvenientes: Dependencia del agua, dificultades de manejo del combustible Ventajas: Economía de construcción Tecnología disponible Forma de entrega de la potencia Nuevas perspectivas: Mayor rendimiento, menos contaminación, posibilidad de combustible biomasa. Rendimientos de hasta el 15-21%. Maniobras locales o servicios de baja velocidad Entornos sin acceso al petróleo.

40 Tracción diesel La tracción diesel predomina en el Reino Unido y Norteamérica. Resto del mundo, en líneas de bajo tráfico. Combustible empelado: gasóleo. Rendimiento motor medio-bajo (30-35%) Inconvenientes: Emisiones, dependencia del petróleo, ruido, no sirve para alta velocidad, ni para cercanías. Ventajas: Versatilidad Tecnología madura Nuevas perspectivas con nuevos motores y tecnologías de la automoción. Volantes de inercia Tracción eléctrica La tracción eléctrica es imprescindible en alta velocidad, cercanías y servicios de tráfico denso. El suministro puede ser en continua (hasta 3 kv) o en alterna (25 kv). Rendimiento energético alto en la máquina (<87%) El rendimiento global depende de las fuentes de producción del país

41 41 Inconvenientes: instalaciones. Inversión inicial hundida, mantenimiento y riesgo de averías en Ventajas: Economía de operación Puede independizarse del petróleo Los servicios auxiliares de los trenes Los servicios auxiliares de los trenes comprenden: Consumos técnicos: Motores al ralentí, carga de baterías, compresor, equipos de control, etc. (Ej.:399 kw Talgo s/102) Consumos para el confort de los viajeros: Calefacción, Aire acondicionado (288 kw Talgo S/102) Iluminación, cafeterías, video, megafonía, apertura de puertas, secadores de manos, aseos de descarga automática, etc. (111 kw Talgo s/102). Se puede estimar en una potencia de 0,5 a 1,24 kw/plaza y un consumo de 0,33 a 0,8 kwh/(h plaza).

42 1.2.2 Vectores energéticos 42 El ferrocarril emplea fundamentalmente dos vectores energéticos: Electricidad Gasóleo energía solar. Además utiliza de forma menos intensiva gas natural, fuelóleo y Electricidad La electricidad se emplea: Para el movimiento de los trenes de tracción eléctrica. Servicios auxiliares de trenes de tracción eléctrica Servicios auxiliares de la infraestructura y otros usos. La electricidad se recibe: En subestaciones de líneas convencionales: 20 a 66 kv 3 kv c.c. En subestaciones de alta velocidad: 120 a 400 kv 25 kv c.a. En otros puntos de suministro.

43 Gasóleo El gasóleo se emplea para: Movimiento de trenes de tracción diesel. Servicios auxiliares de los trenes de tracción diesel y de algunos de tracción eléctrica. Servicios auxiliares de la infraestructura y otros usos. Bajo estas líneas se muestra un esquema de los vectores energéticos y sus respectivos destinos de consumo:

44 1.2.3 Relación entre los consumos de energía y los vectores eléctricos 44 Como ya dijimos antes, y como se refleja en el gráfico, los consumos de los trenes (tracción y auxiliares) son los más importantes del total (85-90 %). Por lo tanto la inmensa mayoría de la energía se utilizará para alimentar estos dos consumos. Podemos observar también que el ferrocarril utiliza preferentemente energía eléctrica. En este gráfico, que representa el consumo energético de los trenes en España en el año 1996, se observa como la electricidad representa el 65,7 por ciento del total de la energía.

45 La energía en los costes de los trenes Los gastos en energía suponen en la actualidad alrededor de un 8 % de los costes totales de un tren. El caso de los ferrocarriles es un caso excepcional, ya que los ingresos son inferiores a los gastos (alrededor del 76% de los mismos), por lo que el resultado de explotación es negativo. En las siguientes tablas mostramos el análisis de los costes de los trenes españoles entre los años 1993 y Las cifras están en millones de las antiguas pesetas. AÑO GASTOS (millones de ptas.) Personal Energía Material Otros TOTAL INGRESO TOTAL RESULT. EXPLOT. %ENERGÍA /GASTOS %ENERGÍA / INGRESO %INGRESO /GASTOS , , , , , , , , , , , , , , , , , , Vemos ahora los costes del ferrocarril y su comparación con respecto a los ingresos en Los datos los hemos obtenido de la fila naranja de la tabla superior. Diagrama de costes en tren (1998) Ingresos respecto del coste total del tren (1998) Personal Energía Material Otros Ingresos

46 1.2.5 Ejemplo del consumo de tren de alta velocidad 46 Se puede observar en el cuadro superior: La energía necesaria para vencer la resistencia al avance es la más importante (80%). Los efectos de las curvas y del viento no son significativos, y el de los túneles, levemente (4%) Se aprovecha mucha la energía potencial (84 %), pero poca la cinética (16 %), por no haber conducción económica. El consumo de auxiliares es del 11% del total.

47 Las pérdidas son del 14% si hay freno de recuperación, pero del 28% si no hay Recomendaciones para reducir el consumo energético Diseño de la infraestructura En el diseño de la infraestructura se debería de tener en cuenta: No superar en alzado el valor de la pendiente de equilibrio para el tren previsible. Armonizar el alzado y planta. Subir la cota de las estaciones con parada fija. Electrificar en corriente alterna y a 2x25 kv Prever la posibilidad del freno regenerativo Reducir las limitaciones extravagantes de velocidad Disponer una sección adecuada de los túneles (especialmente en los de vía única). Gálibo generoso que permita trenes más eficientes Diseño de los trenes En el diseño de los trenes:

48 Optimizar la forma aerodinámica, especialmente importante en alta velocidad. 48 Equipar freno regenerativo. Reducir la superficie mojada para una capacidad (normalmente más perímetro y menos longitud). Reducir la masa por plaza Operación de los trenes En la operación de los trenes: Disponer de márgenes de tiempo que permitan la conducción económica Implantar un sistema de conducción económica Reducir la composición de los trenes cuando sea posible No hacer funcionar los servicios auxiliares cuando no sea necesario. Reducir la entrada de aire al tren hasta los valores imprescindibles Estacionar los trenes en lugares en los que no reciban el sol directamente. Dentro de las diferentes maneras de reducir el consumo energético, la más importante y laque más cantidad de ahorro ofrece es la conducción económica. Es por esto por lo que ahora nos dedicaremos a su análisis en este proyecto.

49 1.3. Freno reostático y freno regenerativo 49 Para empezar, debemos saber distinguir entre los trenes con freno reostático y regenerativo. Todos los trenes tienen freno dinámico. En la tracción eléctrica se llama freno eléctrico, y puede ser: Reostático En este tipo de trenes, al pisar el freno, la energía se disipa en el propio tren a través de unas resistencias, que suelen estar situadas sobre el techo de algunos vagones. Regenerativo Con este tipo de frenos, la energía no se disipa, sino que pasa a ser aprovechada por: Primero, los servicios auxiliares del propio tren. Si no, si hay otro tren que la pueda usar, la usa. Si no hay otro tren: En continua, se disipa en el propio tren (freno reostático) En alterna, puede ser devuelta a la red pública.

50 50 Como se puede apreciar, en trenes con freno regenerativo la manera de conducción tiene mucha menor importancia, ya que al accionar el freno (cuando realmente se pierde energía), la energía no se disipa sino que pasa a ser utilizada por otros consumos.

51 51 Como se pude observar en la figura sobre estas líneas, la energía aprovechado con el freno regenerativo dependerá de por quién sea reutilizada: En caso de ser consumida por los servicios auxiliares del propio tren se aprovecha el 76% de la energía de frenado. Si es devuelta a la red pública, el rendimiento es del 74%, pues habría que añadir las pérdidas en la catenaria. En caso de que sea consumida por otro tren (añadiríamos pérdidas en la catenaria y en el segundo tren), se aprovecha el 64%. Por tanto nuestro estudio probablemente tendrá mayor importancia en los trenes con freno regenerativo, en los que la energía utilizada para frenar el tren se pierde en su totalidad, ya que con freno regenerativo la influencia de un uso mejor del freno es mucho menor.

52 52 2. CONDUCCIÓN ECONÓMICA En este segundo punto, y una vez conocidos los destinos de consumo energético en los trenes, explicaremos con más detalle en qué consiste una conducción económica y estableceremos el esquema que seguiremos durante el desarrollo de este trabajo Definición. Ideas generales Se denomina genéricamente conducción económica a cualquier forma de conducción orientada a reducir el consumo energético del tren. Una conducción no económica es la conducción en tiempo mínimo, que hace circular al tren a la velocidad máxima y haciendo siempre uso del freno del servicio, no circulando nunca en deriva. Es la forma de conducción con consumo máximo y tiempo mínimo. Se usa como referencia. La conducción energéticamente óptima para un tiempo de viaje (superior al mínimo) sería la que consiguiese el menor consumo de energía sin rebasar el tiempo concedido. Para ello se utilizan distintas formas de conducción, que consisten básicamente en circular a velocidades menores a la máxima (con el consiguiente ahorro energético) y en la marcha en deriva (levantar el pie del acelerador a altas velocidades dejando al tren moverse por inercia).

53 2.2. Formas de conducción 53 Podemos definir cinco modelos básicos de conducción: Conducción en tiempo mínimo: consiste en hacer circular al tren siempre a la máxima velocidad posible, acelerando a tope y usando siempre el freno de servicio. La utilizaremos como referencia pues es la que más se aproxima a la forma de conducción de un maquinista sin formación acerca de la conducción económica (quiere llegar cuanto antes sin reparar en la energía consumida). Marcha sin acelerar al máximo: consiste en traccionar el tren progresivamente, sin pisar el acelerador al máximo. De este modo ahorrar parte de energía al tener que vencer una resistencia al avance menor. Sin embargo estudios previos acerca de este modelo demuestran que este ahorro de energía es muy pequeño, mientras que el tiempo que se pierde sí es notable. Por tanto lo descartamos. Deceleración en deriva total: se trata de dejar de traccionar el tren a una distancia suficiente para que la resistencia al avance lo detenga por completo en el punto de destino. Este modelo se descarta automáticamente ya que a velocidades bajas la resistencia al avance es muy pequeña, y se pierde mucho tiempo en recorrer pequeñas distancias ahorrando además poca energía. Deceleración en deriva parcial: consiste en dejar que el tren decelere en deriva a alta velocidad hasta un cierto punto en donde utilizamos el freno de servicio.

54 54 Marcha en velocidad limitada: se basa en traccionar el tren solamente hasta una velocidad determinada, sin llegar a la velocidad máxima. Esto se debe a que a altas velocidades se necesita más energía para acelerar el tren. A continuación mostramos un gráfico con las estimaciones de consumo energético de los cinco modelos básicos de conducción: Así pues, de los cinco modelos básicos de conducción, únicamente dos son adecuados para una conducción económica. Además de esos dos modelos añadiremos un tercero, denominado conducción en deriva sueca. Este modelo fue propuesto por un profesor sueco llamado P. Luckaszewicz, del Royal Institute of Technolgy de Estocolmo. Fue concebido como una manera especial de marcha en deriva, por lo que lo incluiremos en nuestros análisis. Consiste en lo siguiente: una

55 55 vez alcanzada la velocidad máxima se levanta el pie del acelerador, dejando el tren en deriva hasta una velocidad determinada (V DS ). Cuando se llega a V DS se vuelve a traccionar otra vez hasta la velocidad máxima y se repite el ciclo hasta el final del trayecto. La gráfica siguiente muestra de una manera más clara el modelo: Vderiva sueca Velocidad (km/h) Vreal Vmax Vds Distancia (m)

56 2.3. Pasos a seguir 56 Para la realización de este trabajo analizaremos y compararemos los tres modelos de conducción económica que hemos seleccionado en el punto anterior para determinar en qué situaciones es más adecuado uno y en cuáles otro. El análisis lo haremos tanto para trenes con freno reostático como regenerativo. En primer lugar analizaremos los tres modelos de conducción en el trayecto más sencillo: un trayecto horizontal de 100 km, en línea recta y sin limitaciones de velocidad. A continuación estudiaremos cómo afectan las pendientes al modelo de conducción económico óptimo. Para ello elaboraremos tres casos. Uno similar al trayecto básico pero con una subida constante de 10mm/m, otro con una bajada de 10 mm/m, y uno con una pendiente de -20mm/m, más inclinada que la de equilibrio.

57 57 3. ANÁLISIS DE ESCENARIOS Para simular cada uno de los 3 modelos de conducción económica que queremos estudiar hemos realizado un programa con Excell. Dicho programa calcula, para unas condiciones determinadas del trayecto que podremos elegir (longitud, pendiente, limitaciones de velocidad ), el tiempo total de trayecto y la energía consumida tanto con freno reostático como con freno regenerativo. El programa permite igualmente variaciones en las características del tren (potencia, masa coeficientes de resistencia al avance ) para realizar estudios sobre diversos tipos de tren. Para nuestro análisis hemos seleccionado los datos característicos del Talgo 350. En el modelo de velocidad limitada utilizaremos como parámetro V limit, la velocidad máxima a la que dejaremos de traccionar. Según varíe dicho parámetro obtendremos diferentes valores de tiempo y de energía consumida. El tipo de gráfico espacio-velocidad que se obtiene con este modelo es:

58 58 Vlimitada velocidad (km/h) espacio (m) Vreal Vmax Vlimit Para el modelo de marcha en deriva, el parámetro que modificaremos será E o, la distancia con respecto al final del trayecto a la que comenzaremos la deriva. El tipo de gráfico espacio-velocidad que se obtiene con este modelo es: Vderiva velocidad (km/h) espacio (m) Vreal Vmax En el modelo de deriva sueca actuaremos sobre la velocidad de deriva sueca (V DS ) a la que volvemos a traccionar tras la deriva. El tipo de gráfico espacio-velocidad que se obtiene con este modelo es: