ANEXO 5. ANÁLISIS DE SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA

Transcripción

1

2

3 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN ANÁLISIS PRELIMINAR SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN COMPARACIÓN DE SISTEMAS SOLUCIONES ANALIZADAS Sistema ACR (CAF) Sistema APS (ALSTOM) Análisis multicriterio y conclusiones NUEVA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA Situación actual Necesidad de una nueva subestación Ubicación de una nueva subestación Índice. 1

4

5 1. INTRODUCCIÓN La línea 1 actualmente en servicio en el Tranvía de Murcia cuenta con un sistema de alimentación mediante catenaria convencional aérea a 750 V, con una altura de captación que puede oscilar entre 4,50 y 6,00 m, estableciéndose una altura nominal del pantógrafo a 5,75 m sobre cota de carril. Este método es el más extendido tanto para sistemas tranviarios como ferroviarios, el que presenta mayor grado de fiabilidad y el más económico. Sin embargo, supone un grado de afección visual y un posible obstáculo a ciertos elementos de altura (paso de procesiones, por ejemplo). corriente por el suelo). Estos sistemas exigirán la adaptación del material móvil, para que pueda seguir empleándose el mismo que circula actualmente. Cabrían otras posibles alternativas, como podrían ser las subestaciones regenerativas o equipos de acumulación de energía en tierra. Dado que se trata de la prolongación de una línea en servicio, se tratará de aprovechar en lo posible la infraestructura existente, descartando estos otros sistemas que exigirían modificaciones en la misma. En el caso de que no se encontrase una solución adecuada con los sistemas analizados inicialmente, se recurriría al análisis de estos otros sistemas alternativos. Esto hace que en el paso por los centros históricos de las ciudades se hayan analizado diferentes sistemas para permitir el paso de tranvías sin que sea precisa la instalación de los cables de la catenaria aérea convencional. En el caso concreto de la prolongación del Tranvía de Murcia, en el propio Pliego del contrato se indica la necesidad de analizar posibles soluciones de alimentación sin catenaria, en concreto entre la Plaza Circular y la Plaza González Conde, con una distancia entre ellas de alrededor de m. Este trayecto discurre en parte del centro histórico de la ciudad, que es atravesado por numerosas procesiones y desfiles a lo largo del año y atravesando calles más estrechas que las que se encuentran en los nuevos desarrollos por los cuales discurre actualmente la Línea 1 del tranvía. Por otro lado aparece otro condicionante en el tramo de análisis, que puede llegar a influir en la solución finalmente elegida. Durante diferentes obras realizadas en el entorno (la propia Gran Vía, o el aparcamiento de San Esteban) se han encontrado numerosos restos arqueológicos, entre los que cabe citar casas árabes, palacios, una pequeña mezquita y baños árabes. Esto hace que, ante la posibilidad de la afección a estos restos arqueológicos, deberá tenerse en consideración la cota de fondo de las excavaciones necesarias. Estos hechos han llevado a la necesidad de realizar un análisis de posibles sistemas alternativos de alimentación, que puedan llegar a evitar la necesidad de implantar los cables aéreos de la catenaria convencional. Todos los sistemas analizados se basan en equipos de acumulación de energía embarcados (baterías, volantes de inercia o supercapacidades) o sistemas de suministro de corriente continuos como alternativas a la catenaria (captación de Pág. 1

6 2. ANÁLISIS PRELIMINAR En cualquiera de los sistemas que se disponga hay que tener en cuenta que, para satisfacer los requerimientos de una operación comercial debe contemplar distintos escenarios diferentes al modo nominal habitual de operación tranviaria. Dado que la premisa fundamental de los modos de transporte es la seguridad tanto para el pasajero como para su entorno es vital tener en cuenta que pueden darse modos degradados de transporte, dado que el tranvía es un modo en superficie, habitualmente no segregado, y que debe convivir tanto con peatones como con otros modos de transporte (autobuses, coches, motos,..) y al compartir el viario la operación habitual se ve a diario afectada por problemas como: Cruces con carreteras, donde puede hacerse necesario efectuar una parada por regulación de tráfico o por tráfico cruzado retenido bloqueando la plataforma tranviaria. Dado que el tranvía es un sistema guiado, le resulta imposible continuar el servicio ante bloqueos de este tipo. Disminución de la velocidad comercial por la proximidad de peatones. Dado que la plataforma tranviaria se convierte en una extensión natural de las aceras y pese a estar delimitado de forma clara, la proximidad o el cruce de peatones, el rumbo errático de bicicletas, patines, puede hacer necesario disminuir la velocidad comercial del tranvía o incluso efectuar paradas preventivas intempestivas. Por todo esto se hace necesario definir diferentes escenarios, que se darán habitualmente con mayor o menor frecuencia y ante los cuales el tranvía debe poder responder en la operación sin catenaria de la misma manera en que lo hace en los tramos con catenaria. Estos escenarios son: Modo nominal: trayecto entre estaciones a la velocidad comercial prevista sin paradas entre estaciones. Tráfico intenso: El modo de autonomía elegido debe ser capaz de efectuar el trayecto entre estaciones en el doble del tiempo establecido nominalmente por posibles problemas de tráfico intenso así como efectuar paradas no previstas entre estaciones, de diferente duración en función de la causa de la parada -cruce de peatones, obstáculos en las vías y, sin prescindir de la climatización, ser capaz de alcanzar por sus medios la zona en la que vuelva a poder alimentarse normalmente sin evacuar el pasaje. Socorro: Es necesario prever que un tranvía pueda quedar inutilizado en una zona sin catenaria, haciéndose necesario que otro tranvía plenamente cargado, pueda acoplarse al averiado y arrastrarlo a un depósito para su reparación. Esta operación incluye unos tiempos de acople y desacople que el tranvía funcionando en autonomía debe ser capaz de acometer. En el análisis realizado será preciso contemplar, por tanto, diferentes aspectos, que en su conjunto ofrecerán la que se considere como solución más adecuada a adoptar en la prolongación de la red tranviaria actual. Entre estos aspectos a analizar cabe citar los siguientes: Coste de inversión de cada uno de los sistemas Posibilidad de adaptación del material móvil actual a los nuevos sistemas Autonomía de cada uno de los sistemas analizados Necesidad de excavación bajo rasante Velocidad y potencia de los vehículos funcionando con el sistema alternativo Fiabilidad y durabilidad de los sistemas Existen actualmente en el mundo tres filosofías básicas para acometer la operación sin catenaria: Sistemas de captación continua, que tienen el mismo principio básico de la catenaria y mediante los cuales la energía de alimentación está siempre disponible y sin restricciones para su uso por el material rodante, que la captaría desde el suelo. Como ejemplo fundamental de este tipo de sistemas se encuentra el tranvía de Burdeos, equipado con un sistema de Alimentación Por Suelo desde el año Sistemas de acumulación de energía a bordo, cuyo principio es el acopio de la energía necesaria para la operación del tranvía por medio de acumuladores de energía de diversas tecnologías (baterías, capacidades, volantes de inercia, ) que se instalan a bordo del tranvía. Estos sistemas una serie de desventajas, que se concentran en los siguientes aspectos: Pág. 2

7 - Energía limitada: La energía que se acumula a bordo es limitada, por lo que, en determinadas situaciones se hace insuficiente para la operación como alternativa a la catenaria. - Autodescarga: Sea cual sea el modo en que la energía se almacene (en forma de transformaciones químicas como son las baterías, en forma de energía cinética como en los volantes de inercia o mediante diferencia de potencial, como en las supercapacidades) hay una tendencia en estos elementos a la autodescarga, esto es, la cantidad de energía almacenada disminuye con el tiempo. Los sistemas más avanzados desarrollados por los diferentes fabricantes están planteando cada vez mayores mejoras en este aspecto. - Sobrepeso: La energía específica almacenada por los diferentes sistemas es muy variable: muy alto en las baterías, lo que permite acumular gran cantidad de energía con equipos razonablemente livianos, algo menos en los volantes de inercia y ciertamente baja en las supercapacidades. El sobrepeso tiene otros efectos adversos, que son: o Equipos muy voluminosos (ofrecen menor espacio útil) o Mayor nivel de ruidos o Mayor nivel de vibraciones o Menor capacidad de frenado con los mismos equipos de freno o Desgaste prematuro de las infraestructuras Sistemas de producción de energía a bordo, donde el material rodante transporta el carburante (hidrógeno, combustible) que permitirá producir a bordo la energía necesaria para la propulsión. Estos sistemas se encuentran por el momento en fases experimentales, no conociéndose ningún tranvía en servicio comercial que funcione mediante combustibles a bordo. Se ha descartado, por tanto, avanzar en el análisis de este tipo de tranvías. Cada uno del resto de los sistemas plantea ventajas y limitaciones a su uso, por lo que es el análisis detallado técnico y económico de la solución lo que permitirá decidir la tecnología a aplicar en cada caso concreto. Las filosofías indicadas anteriormente se traducen en los diferentes sistemas que se analizan en el presente documento, que son los siguientes: Catenaria aérea convencional Sistema APS (captación por suelo) Volante de inercia Baterías (carga lenta) Acumuladores de carga rápida en paradas En los siguientes apartados se realiza un análisis detallado de cada uno de estos sistemas. - Sostenibilidad: Son sistemas que (salvo el volante de inercia, donde es una masa rotatoria) tienen componentes que requieren un tratamiento especial al final de su vida útil. Como ventaja fundamental presentan el que no precisan de la instalación de elementos ni equipos fijos en la plataforma tranviaria. Existen diferentes ejemplos de tranvías en servicio comercial que empleen tecnologías de almacenamiento de energía embarcada, entre los que cabe citar el tranvía de Niza, que desde 2007 emplea baterías de níquel metalohidruro, y el tranvía de Rotterdam, equipado con el sistema de volante de inercia. Pág. 3

8 3. SISTEMAS DE ALIMENTACIÓN Catenaria aérea convencional La línea 1 actual de tranvía de Murcia está electrificada mediante catenaria aérea convencional, con una tensión de 750 V c.c. En la siguiente imagen, tomada del propio tranvía de Murcia, se observa un detalle de esta electrificación. Figura 1. Detalle electrificación tranvía Murcia Está electrificada con un hilo de contacto de cobre con sección de 150 mm 2. Al tratarse de una línea de tranvía, el sistema está constituido por un único cable, y no la composición habitual sustentador+hilo de contacto habitual en las líneas ferroviarias. El tranvía capta la corriente del hilo de contacto mediante un pantógrafo. La altura nominal del hilo de contacto es de 5,75 m, pudiendo oscilar entre una altura mínima de 4,50 m y una máxima de 6,00 m. De modo excepcional, podría subirse la catenaria hasta una altura de 6,15 m en la parte central del arco y hasta 6,50m en la parte lateral. Esta solución se ha adoptado en el tranvía de Sevilla, con el objeto también de permitir el paso de las procesiones. En los tramos donde no exista problema de interferencia del tranvía con procesiones u otros eventos, se podría disponer un sistema de catenaria aérea convencional similar al existente. En los tramos donde sí que exista esta interferencia, además de cualquiera de los otros sistemas que se analiza a continuación, se propone incluir también en el análisis el mantener el sistema de catenaria convencional, elevándolo a la altura máxima de 6,00 m o incluso los 6,10-6,50 m y estudiando la compatibilidad con el resto de condicionantes del entorno. Con el fin de minimizar el impacto visual de la catenaria, se propone anclar la catenaria a los postes de alumbrado público, sustituyendo los existentes si fuera necesario para permitir este anclaje. Sistema APS El Sistema de «APS», (de alimentación por suelo) consiste en alimentación integrada en la plataforma tranviaria. Se encuentra implantado en el tranvía de Burdeos (Francia) desde 2003, y permite que el tranvía CITADIS recorra cualquier distancia sin catenaria aérea (autonomía total) y se integre óptimamente dentro del entorno urbano. Este sistema está desarrollado por Alstom, al igual que el material móvil CITADIS que está circulando actualmente en Murcia. Desde el año 2012 se encuentra también en servicio una nueva línea del tranvía de Orleans, en Francia, en el cual se han dispuesto más de 2 km en el centro de la ciudad con el sistema APS. Después, otras cuatro ciudades han elegido este sistema que se instalará en una parte de las líneas del tranvía de Reims y Angers, actualmente en construcción en Francia, y en una parte de la futura línea de Brasilia y Dubai. La energía eléctrica en el sistema APS de Alstom es captada por dos dispositivos de fricción situados en la sección media del vehículo. Para garantizar una completa seguridad a los peatones, la alimentación a los segmentos conductores sólo se produce cuando el segmento conductor ha sido totalmente cubierto por el tranvía. Ofrece idénticos resultados que los tranvías convencionales en términos de velocidad. Cabe citar los desarrollos que estén realizando otras firmas comerciales con una filosofía similar, captando la energía de modo continuo. Entre estos desarrollos se encuentran los de Bombardier, que está desarrollando un sistema que denomina Primove, similar en filosofía al de Alstom, pero cuya captación de energía no se lleva a cabo físicamente sino mediante inducción; está actualmente construyendo un tramo experimental en la ciudad alemana de Augsburgo. La italiana Ansaldo también ha comenzado a dar pasos en este sentido con el sistema Tramwave y la filosofía es la misma, la diferencia radica en que la captación es física y la superficie energizada se pone en contacto con el tranvía por medio de magnetismo. Dado que el único sistema en servicio actualmente es el de Alstom, es éste el que se describe en detalle a continuación. Pág. 4

9 El esquema general de funcionamiento del sistema APS sería el siguiente: - Instalación de sistemas de monitorización y control en la cabina del conductor - Instalación de patines para captación en carril APS - Instalación de equipo APS embarcado (batería APS en techo) El ciclo de vida del sistema es superior a 30 años, similar a la duración estándar de un tranvía. Precisa de la instalación del sistema de alimentación en la plataforma bajo rasante. Esto puede suponer un inconveniente en el caso de Murcia, dadas las restricciones en cuanto a las sobreexcavaciones debido a la protección arqueológica del entorno. Figura 2. Esquema general de funcionamiento del sistema APS Como características principales del sistema cabe citar: Al disponer de captación continua y contar, por tanto, con energía siempre disponible, no presenta limitaciones para salvar grandes distancias sin catenaria. Este sistema, instalado en Burdeos desde el año 2003, ocasionó diferentes problemas de mantenimiento y fiabilidad durante los primeros años de puesta en servicio. Actualmente, de acuerdo a los datos del fabricante, los parámetros de fiabilidad (tiempo medio entre averías) y disponibilidad (tiempo en que el sistema no está disponible por averías) son equiparables a la catenaria convencional. En los siguientes esquemas se muestra la dinámica funcional del sistema APS, marcando la alternancia de sectores aislados o energizados al paso de los tranvías: No presenta tampoco limitaciones en cuanto al tránsito por pendientes pronunciadas, donde es necesaria mayor potencia, ni limita tampoco la velocidad del tranvía (hasta velocidades máximas de 70 km/h, como sería el caso del tranvía de Murcia). Del mismo modo, no ofrece problemas si fuera necesario realizar paradas imprevistas, manteniendo en todo momento los sistemas de confort del tranvía (iluminación, climatización, información a bordo ). La adaptación del material móvil para captar a través del sistema implantado en el suelo es sencilla, precisando unos equipos pequeños y ligeros que no ocasionan en el espacio útil ni recargan el material con un exceso de peso. Al tratarse, tanto el material móvil, como el sistema APS, de tecnología de Alstom, resulta más sencilla esta adaptación del material. La adaptación del material implicaría las siguientes actuaciones: Figura 3. Dinámica funcional del sistema APS. Fuente: ALSTOM Pág. 5

10 Dado que va implantado con la vía, dispone de puntos singulares que incrementan el coste del sistema significativamente. Estos puntos singulares son fundamentalmente aparatos de vía (desvíos y bretelles). Se presenta en las siguientes imágenes detalles del sistema APS durante la fase de construcción y la imagen final del mismo. Volante de inercia El sistema de volante de inercia es empleado actualmente en el tranvía de Rotterdam, en servicio desde el año De modo general, el funcionamiento de este sistema consiste en el aprovechamiento de la energía de frenado de los tranvías, que queda acumulada en el volante de inercia. Así, la energía de frenado que no es utilizada por otros tranvías en su propulsión (frenado regenerativo) puede ser acumulada en estos elementos hasta su capacidad máxima. El remanente de energía de frenado se quema en reóstatos convencionales. Esta característica permite observar mejoras variables en los consumos energéticos de los tranvías. Figura 4. Detalle montaje sistema APS. Fuente: ALSTOM No obstante, hay que tener en cuenta que la energía susceptible de ser recuperada es aquella que de otro modo se quemaría en los reóstatos de frenado. Dado que esta energía recuperable depende de muchos parámetros (número y frecuencia de tranvías, orografía de la línea, línea segregada o no, ) es necesario hacer un estudio detallado para poder estimar de qué energía se habla en cada caso. A modo de ejemplo, cabe indicar que un estudio acometido en la red tranviaria barcelonesa del Besòs determinó que la energía que se quemaba en los reóstatos de los tranvías estaba en torno al 3% de la energía total, lo cual es una cantidad nimia. Entre las características fundamentales del sistema del volante de inercia cabe citar las siguientes: Muy buen equilibrio entre potencia y energía para centros de ciudades sin LAC Permite recuperación de energía Vida útil similar a la del tranvía (30 años) Adecuado para distancias de hasta m Sistema de recarga ultra-rápido (40 ) Validado en Rotterdam desde Figura 5. Imagen final sistema APS en Burdeos. Fuente: ALSTOM El núcleo del sistema es una masa giratoria situada en el techo del tranvía que funciona según el sistema de la rueca de hilar. La energía cinética almacenada por esa masa durante el frenado es devuelta por un generador eléctrico al sistema de propulsión cuando el tranvía vuelve a acelerar. Pág. 6

11 El sistema se recarga en cada frenado o mediante un sistema de recarga complementario de alta velocidad utilizado cada vez que el tranvía efectúa una parada en una estación. El tranvía puede alternar las dos diferentes modalidades de alimentación eléctrica con sólo elevar o bajar el pantógrafo dependiendo de si el tramo está equipado o no con catenaria. La tecnología de volante de inercia es compatible con cualquier red equipada con catenaria y el uso de la energía almacenada por el volante de inercia permite reducir considerablemente el consumo eléctrico y las variaciones de voltaje inoportunas. Además de reducir el impacto visual en su recorrido, como el APS y las baterías que se analizarán posteriormente, el sistema de volante de inercia, en las pruebas realizadas está evidenciando buenas prestaciones, con recorridos de hasta unos dos kilómetros a 50 km/h (aunque en tranvías en servicio, como el caso de Rotterdam, sólo se alcanzan 500 m de autonomía y 30 km/h de velocidad máxima) y ventajas ecológicas al no necesitar del reciclaje de productos químicos. Asimismo, la instalación en el techo facilita el mantenimiento de los equipos que tiene un ciclo de vida equivalente al del propio vehículo. Como inconvenientes, cabe citar la limitación de la potencia de pico por la energía almacenada en cada instante en el volante y la rápida velocidad de autodescarga. Además, precisa de un sistema de control complejo y de muchos auxiliares (convertidores AC/DC, refrigeración líquida, bomba de vacío, etc.), lo que aumenta el peso de los equipos y, en consecuencia, hace que la densidad de energía real no sea tan alta. El hecho de que no se haya extendido su empleo, a partir de la experiencia del tranvía de Rotterdam, lleva a pensar que los inconvenientes del sistema superan las indudables ventajas que presenta. Baterías Se llama Batería (electroquímica) a un dispositivo que almacena energía eléctrica por procedimientos electroquímicos y que, en función de la tecnología empleada, la devuelve posteriormente casi en su totalidad. Este ciclo puede repetirse un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario, es decir, de un generador que no puede funcionar a no ser que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. El funcionamiento de una batería está basado esencialmente en un proceso químico reversible, es decir, un proceso en que idealmente sus componentes no resultan consumidos ni se pierden, sino que meramente se transforman químicamente en otros, que a su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de las baterías, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante el de carga. Existen varios tipos de baterías en el mercado, las cuales tienen diferentes propiedades y campos de aplicación: baterías de Ácido Plomo, NiCd, NiMH, Litio-ion, Zebra, etc. Las baterías son, de los sistemas aquí mencionados, los que tienen una mayor densidad de energía. Sin embargo, su densidad de potencia, en comparación con la de las ultracapacidades, que se analizan en el siguiente apartado, resulta bastante baja. Otro de los inconvenientes generales de las baterías es que el número de ciclos de carga y descarga que puede soportar es menor que el de las ultracapacidades. Además, su vida útil depende mucho de la profundidad de descarga de los ciclos (energía consumida en cada ciclo), por lo que un aumento de ésta provoca una reducción en la vida de la batería. Este sistema ha demostrado que, para aplicaciones concretas, es un sistema totalmente válido como alternativa a la catenaria. En la actualidad, entre otras ciudades, se encuentra en servicio comercial en aplicación tranviaria en la ciudad de Niza (Francia) desde El principio de funcionamiento se basa en unas baterías embarcadas en el techo de los tranvías que permiten almacenar energía suficiente como para acometer de forma satisfactoria distancias en autonomía de hasta 500 metros. Las principales ventajas que este sistema presenta son: Se hace innecesaria la instalación de equipos en suelo a lo largo de la traza del tranvía. Tecnología banalizada: las baterías de Ni-Mh son fabricadas por distintos proveedores que se hacen cargo de las mismas al final de su vida útil. Pero presenta también los siguientes inconvenientes: Pág. 7

12 Velocidad de carga lenta: para maximizar la vida de las baterías de un máximo de 5 años- se hace necesario que la recarga de las mismas se haga de forma lenta. Esto es un primer factor limitante, dado que para disponer de tiempo suficiente de recarga entre dos pasos en autonomía, el tramo sin catenaria debe estar centrado en la línea, no pudiendo plantearse tramos consecutivos que excedan en su totalidad de una longitud de medio kilómetro. Vida útil de las baterías: en un régimen de uso correcto (con una carga lenta y empleando de forma habitual sólo un 15% de la energía disponible) la vida útil máxima de estos elementos es de unos 5 años, al cabo de los cuales se hace necesaria su sustitución por otras nuevas. Condiciones climáticas: al instalarse en tranvías de piso bajo integral, donde los equipos deben ir en techo, se ve sometido a las inclemencias meteorológicas, particularmente el calor, lo que mina aún más su vida útil. La ciudad de Niza, que cuenta con tranvías de Alstom movidos por baterías de Ni- Mh para cruzar dos plazas de en torno a 450 metros de longitud cada una, dispone de baterías en techo refrigeradas por agua glicolada paliando así el efecto del calor. Potencia: Las baterías permiten almacenar gran cantidad de energía (13 kwh), pero suministran una potencia limitada (200 kw) por lo que la velocidad comercial cuando se circula propulsado por su energía no puede exceder de los 30 km/h. Asimismo, las dimensiones y peso del sistema de baterías, que excede de una tonelada, tiene un impacto tanto en consumo energético como en nivel acústico así como en el desgaste de la vía férrea. En el caso del tranvía de Niza, como se ha indicado, se han previsto dos tramos sin catenaria en los cuales se circula mediante baterías de NiMH, de modo que se preservan las plazas de Massena y Garibaldi en el centro histórico de la ciudad. El primer tramo sin catenaria, entre Massena y Opera, tiene una longitud de 435 m y el segundo, entre Catedral y Garibaldi, de 485 m. Entre ambos existe un tramo de 332 m que sí dispone de línea aérea de contacto. alimentación en distancias inferiores al kilómetro y a una velocidad máxima de treinta kilómetros por hora. La alimentación sin catenaria de los vehículos la proporciona el denominado Sistema de Autonomía de Tracción (SAT) que interactúa con los subsistemas de energía, conducción y tracción, apertura de puertas, localización, confort, seguridad y mantenimiento. El Sistema asegura el almacenamiento de la energía, la carga de la batería, el control y la gestión de la descarga, la conmutación entre ambos sistemas de alimentación, la gestión en atascos y reducciones de potencia, las alarmas de operación y mantenimiento, la ayuda a la conducción y la automatización de las operaciones de mantenimiento periódicas. El Sistema de Autonomía de Tracción, aparte del cofre de baterías se compone de un cargador, un disyuntor y el aparellaje de conmutación, los elementos de aislamiento de seguridad y mando, el sistema informático y la consola del maquinista. El paso de alimentación por catenaria a batería o viceversa se inicia al pulsar el conductor un botón que da la orden de conmutación. Para el paso a batería, el pantógrafo desciende y la tensión la empieza a suministrar una batería situada también en la sección central de la unidad, sobre el techo. Una vez atravesada la zona sin tendido eléctrico, el conductor vuelve a pulsar el botón, se produce la conmutación y el pantógrafo vuelve a subir para recibir la alimentación de la línea aérea de contacto para la tracción y para recargar la batería. Para facilitar los cambios de alimentación y evitar los errores del conductor al activar la conmutación, el vehículo emite alarmas sonoras y visuales cada vez que el tramo a recorrer por el tranvía exige un cambio de alimentación. Se presenta a continuación una imagen del tranvía de Niza al paso por una de las plazas en las que circula sin catenaria, mediante baterías. La batería es un sistema embarcado que permite que el tranvía funcione de forma autónoma en zonas urbanas (plazas, explanadas, puentes...) sin sistemas de Pág. 8

13 Así como la fuente de energía de las baterías convencionales proviene de reacciones químicas, las supercapacidades almacenan la energía a la manera de los condensadores, mediante una diferencia de potencial entre las placas. Para obtener los niveles de energía precisos para su aplicación tranviaria las capacidades se disponen en ramas en paralelo, compuestas por multitud de elementos (supercapacidades) conectados en serie. Las principales características que aportan esta tecnología son: Figura 6. Imagen tranvía Niza funcionando con baterías. Fuente: ALSTOM En la siguiente imagen se muestra el tranvía de Niza en otro de los tramos en los que funciona mediante catenaria aérea convencional. Recuperación de la energía de frenado. Las supercapacidades tienen la característica de captar la energía de forma muy rápida. Así la energía de frenado de los tranvías que no es utilizada en su propulsión (frenado regenerativo) puede ser acumulada en estos elementos hasta su capacidad máxima. El remanente de energía de frenado se quema en reóstatos convencionales. Esta característica permite observar mejoras variables en los consumos energéticos de los tranvías. No obstante, hay que tener en cuenta que la energía susceptible de ser recuperada en supercapacidades es aquella que de otro modo se quemaría en los reóstatos de frenado. Dado que esta energía recuperable depende de muchos parámetros (número y frecuencia de tranvías, orografía de la línea, línea segregada o no, ) es necesario hacer un estudio detallado para poder estimar de qué energía se habla en cada caso. Un estudio similar acometido en la red tranviaria barcelonesa del Besòs determinó que la energía que se quemaba en los reóstatos de los tranvías estaba en torno al 3% de la energía total, lo cual es una cantidad nimia. Figura 7. Imagen tranvía Niza en un tramo con catenaria aérea convencional. Fuente: ALSTOM Acumuladores de carga rápida La tecnología de almacenamiento de energía a bordo por medio de supercapacidades es una tecnología libre (desarrollada por suministradores como Maxwell y Batscap), y ha experimentado un reciente desarrollo de la mano del sector de la automoción. Ha sido adoptada también por el sector ferroviario para la recuperación de energía de frenado y posterior apoyo a la propulsión, minorando la demanda de energía de la red a través del pantógrafo. Autonomía. El consumo medio de un tranvía de 30 m de longitud con climatización adecuada para las condiciones climáticas medias españolas (climatización de 72 kw) tiene un consumo medio anual que ronda los 4,5 kwh/km. Esta cifra promedia el consumo más acentuado de los periodos veraniegos e invernales con los más moderados de primavera y otoño y los viajes en vacío que a lo largo del año el tranvía efectúa y las diferentes condiciones de carga a que se somete a lo largo del día. De esta manera, para acometer con éxito el circular en autonomía en una interestación tipo (de en torno a 500 m) exige niveles de energía que oscilan entre los 2 y los 5 kwh. Dado que hay que considerar asimismo los modos Pág. 9

14 degradados de conducción (paradas intempestivas, velocidad inusualmente lenta debido al tráfico circundante, ) se hace necesario disponer de un remanente de energía para minimizar los socorros. Es por ello que es habitual considerar embarcar equipos que permitan almacenar hasta más de 8 kwh de energía. El sistema tranviario de Sevilla MetroCentro embarca supercapacidades que acumulan estas cantidades de energía, por ejemplo. Seguridad. El embarcar altas cantidades de energía supone un problema desde el punto de vista de la seguridad. Se hace necesario dotar a estos sistemas de dispositivos de descarga rápida de energía, para poder vaciar los equipos en caso de que se hiciera necesario acceder a los equipos en techo. Mayor tiempo de parada. Las supercapacidades se caracterizan por un corto tiempo de recarga, de en torno a 20, lo que supone una notable ventaja para la aplicación tranviaria. Así, en el periodo de carga y descarga de viajeros en paradas, podrá recargarse el sistema y acometer el siguiente tramo en autonomía. Esta filosofía de trabajo obliga a parar forzosamente en todas las paradas durante un tiempo aproximado de 40 (considerando el tiempo de subida y bajada del pantógrafo). En viajes en vacío de los tranvías, cuando se desplazan de cocheras a cabecera de línea, o cuando deben desplazarse al taller para mantenimiento, sigue siendo necesario parar el tiempo preceptivo en todas las paradas. Lo mismo ocurre en servicio comercial cuando no se solicita parada y no hay gente esperando en las paradas, en el que el tranvía podría desarrollar una mayor velocidad media. Ciclo de vida no probado. El tiempo que esta tecnología lleva estando disponible para su aplicación tranviaria no permite avanzar la vida útil (número de ciclos de carga y descarga) que estos elementos permiten, si bien las estimaciones que los proveedores de supercapacidades avanzan rondan los 6-8 años de vida, a partir de los cuales se hace necesario el reemplazo de los equipos por otros nuevos. Este ciclo de vida se condiciona al uso que de ellos se haga. Mayor peso. Tal y como se ha mencionado anteriormente, el precisar embarcar 8kWh de equipos supone un peso adicional importante en techo, que puede alcanzar las 7-8 toneladas adicionales en el techo, en función de la tecnología y el fabricante considerado. Este sobrepeso del material rodante tiene impacto en diferentes parámetros: - Mayor dimensionamiento de la infraestructura. Esta carga adicional supone un mayor peso por eje de más de una tonelada, por lo que la infraestructura, que se dimensiona habitualmente para un peso por eje que no exceda las 12 toneladas debe ser reforzada para soportar este mayor peso. Esto puede suponer un problema, que será preciso analizar, en el caso de que los tranvías equipados con estos dispositivos deban transitar por la línea actual del tranvía, que no estaba pensada inicialmente para esta sobrecarga por eje. - Mayor nivel de vibraciones. El mayor peso en tara tiene un impacto directo en las vibraciones emitidas al paso del material rodante. - Mayor nivel de ruido. El ruido es también proporcional al peso del tranvía por lo que un tranvía más pesado implica un mayor ruido en la operación, particularmente notorio en puntos singulares como curvas de radio pequeño o al paso de equipos de vía. - Mayor desgaste de la infraestructura. El mayor peso del material rodante también tiene una influencia directa en el desgaste de ruedas y carril, lo que afecta a largo plazo al confort de marcha y el ruido y obliga a amolar la vía con mayor frecuencia. Superestructura parcial. El hecho de tener que recargar el sistema por el medio tradicional de catenaria obliga a que, al menos en estaciones, haya secciones de catenaria montada para la captación, por lo que no puede decirse que el sistema así concebido permita eliminar la superestructura, salvo que se combine esta tecnología con una de tercer carril que permita la captación desde el suelo en paradas. Tiempo de recarga en función de la tensión de alimentación. La normativa tranviaria plantea que los sistemas tranviarios se alimentan a una tensión nominal de 750 V de corriente continua con una horquilla que va desde los 900 Vcc hasta los 500 Vcc. La tensión de alimentación hace variar de forma ostensible el tiempo de recarga de las supercapacidades. Así unas supercapacidades que se cargan plenamente en 20 segundos a una tensión de alimentación de 750 Vcc, pasan a cargarse en 35 segundos cuando la tensión a Pág. 10

15 que son alimentados baja a 650 Vcc. Por debajo de esta tensión los tiempos se dilatan consecuentemente. Dado que estas variaciones tienen un impacto directo en la operación se hace necesario garantizar la alimentación de forma más regular, reforzando el sistema de alimentación para evitar estas oscilaciones lo que tiene un sobrecoste importante. Merma de las prestaciones desde el primer día. Las supercapacidades sufren una degradación de prestaciones con el uso. Llegado a un punto en que esta degradación supone en torno a un 15% de los valores originales se consideran los equipos agotados y son sustituidos por nuevos. Pero en este periodo que los fabricantes de supercapacidades estiman entre los 6 y 8 años se produce una merma de prestaciones que se acentúa según nos aproximamos al fin de vida útil de estos equipos, que es necesario considerar para una adecuada operación. Existen numerosos ejemplos de tranvías en diferentes ciudades que emplean las supercapacidades como sistemas de alimentación tranviaria, únicos o en compañía de otros sistemas. Entre estos cabe citar los siguientes: Trayecto Almada Seixal, en Portugal. Emplea el sistema Sitras HES, (Hybrid Energy Storage System, desarrollado por Siemens). Es un sistema híbrido que combina dos unidades de almacenamiento: el banco de ultracapacidades del Sitras HES y un sistema de tracción formado por baterías de NiMH. El sistema, instalado en el techo del tren y conectado al punto de alimentación mediante un chopper, se carga en los tramos provistos de catenaria, en las paradas o con la energía que se regenera durante la frenada. Esta reserva de energía proporciona al vehículo autonomía suficiente para recorrer tramos de hasta 2.500m. El sistema Sitras HES obtiene una reducción en la demanda de energía de hasta un 30%, emite 80 Tn menos de CO 2 al año y estabiliza la tensión de la línea. Asimismo, este sistema puede integrarse en vehículos nuevos o en sistemas ya existentes. Prototipo MITRAC Energy Saver, en funcionamiento desde septiembre de 2003 en Mannheim (Alemania). El concepto de MITRAC Energy Saver (desarrollado por Bombardier) es almacenar la energía recuperada en la frenada en un banco de ultracapacidades para su posterior uso durante la aceleración. La ventaja de almacenar la energía en un sistema móvil, en lugar de en subestaciones fijas, es que se evitan las pérdidas que se producirían al llevar la energía al sistema a través de la catenaria. Además de durante la aceleración, la energía almacenada puede utilizarse en momentos en los que hay una demanda extra de energía, o cuando se producen caídas de tensión en la red. También permite recorrer tramos cortos sin catenaria de manera que, en caso de fallo en ésta, el tranvía pueda llegar a la siguiente estación (500m). Tranvía de París. El sistema de almacenamiento de energía del tranvía de París, en servicio comercial desde Septiembre de 2009, está basado en el cofre de ultracapacidades STEEM, desarrollado por Alstom. Mediante el empleo del freno regenerativo la energía de frenado es acumulada en las ultracapacidades y empleada en la fase de propulsión. La mejora en el consumo obtenida por un tranvía con cofre STEEM al compararlo con el consumo de un tranvía clásico es de alrededor del 20%-24%. Una de las principales ventajas de este sistema es la alta velocidad de carga y descarga. Sin embargo, una de las limitaciones importantes es que no es adecuado para trayectos sin catenaria, ya que no tiene reserva de energía para modos degradados Además, el sobrepeso tiene un efecto importante en el consumo energético (variaciones de hasta 2.5 kwh en el consumo energético entre tranvía vacío y tranvía a plena carga). Tranvía de Zaragoza. Emplea material móvil de CAF, que emplean el sistema ACR (Acumulador de Carga Rápida) como sistema de alimentación. Este sistema está basado en ultracondensadores que son capaces de cargarse en las paradas - con detenciones de alrededor de medio minuto- y emplear la energía almacenada en los recorridos entre ellas, sin necesidad de alimentación suplementaria, además de recuperar y almacenar también la energía producida durante el frenado. La autonomía sin catenaria del sistema, es decir entre puntos de recarga consecutivos, se sitúa en el entorno de los metros, en función de las características del trazado, las prestaciones exigidas y la capacidad instalada. Pág. 11

16 El peso del acumulador necesario para el tranvía, que se situaría en el techo de la unidad, se encontraría en el entorno de 1 tonelada. En este sistema, un sistema de control electrónico controla la aplicación de corriente a los motores de tracción según las indicaciones del conductor. Durante la marcha del tranvía los motores consumen la corriente del acumulador. Al frenar, se utiliza un freno dinámico regenerativo. De esta manera los motores de tracción pasan de consumir corriente a generarla, corriente que se dedica a recargar el acumulador. Una vez completamente detenido en una parada el tranvía se conecta a la red eléctrica, generalmente a través de un pantógrafo sobre un hilo aéreo de contacto instalado exclusivamente en la parada, para completar la carga de la batería necesaria para llegar hasta la siguiente parada. acondicionado y otros elementos auxiliares durante el funcionamiento sin catenaria. Las baterías tienen un peso de kg y están refrigeradas por aire. Se incluye a continuación una imagen del tranvía de Zaragoza en un tramo sin catenaria: Figura 8. Imagen tranvía Zaragoza en un tramo sin catenaria. Fuente: CAF Este mismo sistema se ha adoptado también recientemente en el tranvía de Sevilla, empleando en ambas ciudades el tranvía modelo URBOS III. Tranvía de Sapporo (Japón). El sistema de autonomía de este tranvía se compone de una única batería Gigacell (desarrollada por Kawasaki) capaz de aportar al vehículo una autonomía de hasta 10 km. La batería, de tecnología NiMH, se recarga en las paradas y mediante el freno regenerativo. Además es capaz de suministrar la potencia requerida por el aire Pág. 12

17 "Estudio de viabilidad de la conexión tranviaria de la actual Línea 1 desde la Plaza Circular hasta la Estación del Carmen" 4. COMPARACIÓN DE SISTEMAS Condicionantes existentes Se ha incluido en primer lugar el trazado de la Cabalgata de los Reyes Magos, que como se observa coincide prácticamente en su totalidad con el trazado previsto para el tranvía. Como se ha indicado, la prolongación de la Línea 1 de tranvía de Murcia desde la Plaza Circular hasta la estación del Carmen atraviesa parte del centro histórico de la ciudad, lo que ocasiona que, por un lado, se trate de calles en algún caso estrechas y en las cuales se busca minimizar el impacto visual de la nueva infraestructura y, por otro lado, el trazado del tranvía interfiere con el recorrido de diferentes procesiones, cabalgatas y desfiles, así como otros festejos que podrían sufrir interferencias con los hilos de la catenaria. Por estos motivos, se analizan en el presente documento posibles alternativas al sistema de catenaria aérea convencional que se ha dispuesto en la Línea 1 actualmente en servicio, que podría disponer también en los tramos de la prolongación que no presenten condicionantes especiales. El primer paso será conocer la distancia en la que no se colocaría catenaria aérea y que por tanto el tranvía circularía mediante otro sistema alternativo. El tramo inicialmente marcado en el Pliego se encontraría entre la Plaza Circular y la Plaza González Conde, con una distancia entre ellas de alrededor de m. Figura 10. Trayecto entierro de la sardina. Como se observa en la anterior imagen, también el entierro de la sardina coincide en buena parte de su recorrido con el trazado del tranvía por la Gran Vía. El mismo Analizando la información disponible, se observa que hay diferentes cabalgatas y trayecto que el anterior a lo largo de la Gran Vía tiene también el desfile del Bando de procesiones que coinciden con el trazado previsto para el tranvía en parte de su la Huerta, que no se incluye en el documento. recorrido, principalmente a lo largo del tramo de la Gran Vía del Escultor Salzillo. Se incluyen a continuación una serie de esquemas con el recorrido de algunos de El mismo recorrido en la Gran Vía tiene el desfile de la entrada de Moros y Cristianos en Murcia que se incluye a continuación. estos recorridos coincidentes con el tranvía. Figura 9. Trayecto cabalgata Reyes Magos. Figura 11. Trayecto desfile entrada Moros y Cristianos en Murcia. Pág. 13

18 Finalmente, se incluye a continuación el recorrido de la procesión de Miércoles Santo, que coincide también parcialmente con el del trazado del tranvía. También otras procesiones del Viernes Santo y Sábado Santo coinciden con el trazado del tranvía, o bien cruzan la Gran Vía, con lo que pueden sufrir afecciones con los cables de la catenaria aérea. Este primer análisis hace descartar de antemano el empleo de material móvil con baterías, similar al de Niza, ya que este sistema tiene una autonomía máxima de alrededor de 500 m, y al ser de carga lenta no sería suficiente con implantar la catenaria únicamente en las estaciones. Como opción alternativa, a la vista del recorrido que presenta la procesión, podría estar el reducir al máximo el tramo en el que el tranvía ha de circular sin catenaria. En este caso habría que tener en cuenta los siguientes aspectos: Si se propusiera una configuración con las dos vías en los laterales de la calle, la parte central de las calles quedaría siempre libre y sin restricciones debido a la catenaria. Previsiblemente será en las procesiones donde aparezcan los elementos de mayor altura, que pueden presentar problemas de interferencia con el hilo de la catenaria a 6,00 m de altura. Figura 12. Trayecto procesión Miércoles Santo. De acuerdo a los esquemas anteriores y a otros que se pueden localizar en el Anexo 10, el trayecto que presenta una mayor coincidencia con el del tranvía es el de la Cabalgata de los Reyes Magos. Discurre por la Gran Vía desde la Plaza Circular hasta la Plaza de González Conde. Desde ahí continúa por el Paseo de Marqués de Corvera hasta encontrarse con la estación ferroviaria de El Carmen. Todo este trayecto del Paseo Marqués de Corvera es empleado por algunas de las alternativas contempladas en la prolongación del tranvía. Por tanto, si se quisiera liberar completamente el recorrido de la Cabalgata, debería contemplarse una longitud total de trayecto sin catenaria aérea de 475 m adicionales a los que hay entre la Plaza Circular y la de González Conde. De este modo, los sistemas alternativos analizados deben asegurar una autonomía mínima sin catenaria entre y m. Aparecerán problemas en los puntos donde la procesión cruce transversalmente una calle por la que circule el tranvía. La catenaria aérea podría entorpecer las labores de extinción de los bomberos en caso de incendio, especialmente si éste se produce en alguno de los edificios de gran altura ubicados en la Gran Vía. Atendiendo a estos criterios, si se pretende dejar libre de catenaria únicamente el tramo que aparece en la figura anterior, desde el primero de los cruces que aparecen hasta la Plaza González Conde, el tramo libre de catenaria estaría en ese caso en el entorno de los m, con lo que se estaría dentro del rango de validez de los sistemas de baterías. En cualquier caso, la premisa de la Comisión Técnica Municipal es la de evitar la disposición de catenaria aérea en, al menos, el tramo comprendido entre la Plaza Circular y la Plaza González Conde. Cabría también la opción en este caso de disponer sistemas de acumulación de carga rápida en paradas (similar a los tranvías de Zaragoza, Sevilla o el trayecto Almada- Seixal), con lo que podría salvarse la distancia requerida pero no se evitaría de modo completo la existencia de catenaria aérea. Pág. 14

19 Otro aspecto a tener en cuenta en el análisis previo es la protección arqueológica existente en parte del área de estudio. En la siguiente imagen se incluye la zona que cuenta con esta protección arqueológica. Análisis comparativo y conclusiones Por tanto, una vez analizados los diferentes sistemas en funcionamiento en diferentes partes del mundo, y teniendo en cuenta también los condicionantes que aparecen en el área de estudio, pueden extraerse las siguientes conclusiones: De modo general, se observa que la distancia a salvar sin catenaria ( m) es excesiva para la práctica totalidad de los sistemas con batería actualmente en servicio, en los que los tramos sin catenaria están en el entorno de los 500 m como máximo. Únicamente el tranvía de Sapporo en Japón cuenta con baterías capaces de dotar de una autonomía superior a los m sin catenaria. Pero son baterías con un peso muy elevado (4.500 kg), a los que habría que añadir el sistema de refrigeración necesario, que en un clima cálido como el de Murcia es un aspecto fundamental (en Sapporo el clima es mucho más frío, con grandes nevadas en invierno, lo que ayuda a mantener la temperatura adecuada en las baterías). En el caso de que sea posible disminuir el tramo en el que se ha de circular sin catenaria, hasta el entorno de los 650 m (con lo que sería posible evitar la coincidencia con el recorrido de las procesiones de Semana Santa), sí que sería posible el empleo de un sistema de baterías, similar al que se está empleando en Niza, y que cuenta con tecnología de Alstom. Figura 13. Área con protección arqueológica. La existencia de esta zona hará que no sea posible realizar excavaciones muy profundas bajo la cota de rasante actual, con el fin de no afectar a posibles restos arqueológicos de la zona. Esto afectará principalmente a los sistemas de captación continua, que precisan de la colocación de los sistemas de transporte de energía y transmisión a los vehículos bajo la rasante. Será preciso analizar en detalle las dimensiones exactas de este sistema, que pueden llegar a hacer que quede invalidado el mismo como solución apta para disponer en el tranvía de Murcia. Asimismo, será condicionante también para aquellos sistemas que deban disponer puntos de recarga rápida con sistemas de captación en el suelo. El sistema APS debe ser analizado en detalle, ante la posibilidad de que la necesidad de realizar una excavación excesiva pueda afectar al patrimonio arqueológico existente. En cualquier caso, es preciso indicar que la implantación de este sistema, si el resto de inconvenientes indicados no lo hiciesen inviable, sería el único que permitiría la eliminación total de la catenaria en el tramo que fuera preciso. Este sistema cuenta con la ventaja de que está desarrollado por Alstom, que es la misma empresa fabricante del material móvil existente en la actualidad en Murcia, por lo que la adaptación de este material al sistema APS sería viable y podría llevarse a cabo de modo satisfactorio en las propias instalaciones de los talleres del tranvía en la ciudad. Pág. 15

20 No se descarta de antemano por motivos técnicos el sistema de catenaria aérea convencional. El sistema de catenaria aérea convencional es el más económico y fiable, y el que presenta menos problemas de mantenimiento, además de dar continuidad a la alimentación de la Línea 1 ya existente. De modo general, se admite una altura máxima del hilo de contacto de la catenaria aérea situado a 6,00 m de altura sobre cota de carril (pudiendo subir la altura del hilo hasta 6,10-6,50 m, como es el caso del tranvía de Sevilla). Si esta altura fuera compatible con los diferentes elementos que han de transitar bajo la catenaria en los diferentes desfiles, procesiones y cabalgatas sería viable disponer este sistema en la prolongación de la Línea 1. Según la información facilitada por la Comisión Técnica Municipal no se contempla la posibilidad de implantar catenaria aérea entre la Plaza Circular y la Plaza González Conde puesto que entraría en conflictos con los eventos culturales que se celebran en ese tramo. De acuerdo a las conversaciones mantenidas con CAF, este sistema en principio podría adaptarse a cualquier tipo de material móvil de otro fabricante, pero tras el análisis del caso particular de Murcia se han detectado enormes dificultades para conseguir información acerca de los tranvías existentes, por lo que se ha descartado la posibilidad de adaptar al sistema ACR las unidades existentes en Línea 1 del modelo CITADIS de ALSTOM. Del análisis de posibles sistemas alternativos de alimentación que puedan llegar a evitar la necesidad de implantar los cables aéreos de la catenaria convencional se ha concluido que el sistema más adecuado en el presente caso es el llamado sistema APS (Alimentación por el Suelo), debido a que satisface todas las exigencias de la prolongación del tranvía de Murcia. En todo caso, de disponerse la catenaria aérea seguirían manteniéndose otros problemas inherentes a este sistema de electrificación, como una mayor afección visual, posibles interferencias con actuaciones de los bomberos, etc. Los sistemas de acumulación de carga rápida con supercapacidades, con sus diferentes variantes, podrían adaptarse adecuadamente a las particularidades de la prolongación del tranvía de Murcia, aunque no permiten la eliminación completa de la catenaria, ya que sería necesario mantenerla al menos en las estaciones para que pudieran cargarse las supercapacidades. Estos sistemas pueden presentar el problema del peso con el que se sobrecarga la unidad, en función de la tecnología por la se opte. Además, aparece el condicionante de los requisitos de espacio para los equipos de alimentación de las paradas., especialmente si se trata de un sistema de captación en suelo. A modo de ejemplo, en el tranvía de Zaragoza se han dispuesto cuartos técnicos subterráneos de unos 65 m 2. De acuerdo al análisis de los diferentes tranvías en servicio con este sistema de alimentación, el más extendido en España es el ACR desarrollado por CAF, implantado en los tranvías de Zaragoza y Sevilla, estando también prevista su implantación en el futuro tranvía de Granada. Pág. 16