2014

Iván López Ávila 08475

15/05/2014

DIMENSIONAMIENTO ENERGÉTICO EN TRANVÍAS

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ACUMULACIÓN EMBARCADA 2

Introducción .............................................................................................................................. 2

Tranvías sin catenaria: Tecnología y estudios recientes. .......................................................... 2

Tecnología ................................................................................................................................. 3

Transferencia inductiva. ........................................................................................................ 4

Tercer rail .............................................................................................................................. 4

Desarrollos recientes ................................................................................................................. 5

SISTEMAS DE ACUMULACIÓN DE ENERGÍA ................................................................ 6

Introducción .............................................................................................................................. 6

Tecnología Punta ....................................................................................................................... 6

Volantes de inercia .................................................................................................................... 7

Supercondensadores ................................................................................................................. 8

Supercondensadores de grafeno. ....................................................................................... 10

Baterías.................................................................................................................................... 11

TIPOS DE BATERÍAS ................................................................................................................. 12

Comparativa entre los diferentes sistemas de acumulación .................................................. 16

Otras líneas de investigación................................................................................................... 17

APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE ....................................................................... 21

ACUMULACIÓN EMBARCADOS ............................................................................... 21

Vehículos eléctricos ................................................................................................................. 22

Vehículos Diesel-Eléctricos híbridos ........................................................................................ 22

Combinación de sistemas de acumulación ............................................................................. 22

PROYECTOS DESARROLLADOS CON ......................................................................... 24

SISTEMAS DE ACUMULACIÓN ................................................................................. 24

ABASTECIMIENTO DE ENERGÍA ............................................................................... 34

SUBESTACIONES ...................................................................................................................... 34

Equipamiento .......................................................................................................................... 34

Rotativo ............................................................................................................................... 34

Estático ................................................................................................................................ 34

FRENADA REGENRATIVA EN TRENES ...................................................................................... 35

Introducción ............................................................................................................................ 35

Regenerative Brakes ............................................................................................................ 36

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Descriptiva frenos electromagnéticos................................................................................. 37

ACUMULACIÓN EMBARCADA

Introducción La acumulación embarcada, también conocida como on board, es una de las formas de

abastecimiento de energía que usan los vehículos ferroviarios. Se diferencia de las

otras formas de abastecimiento por no ser necesario el uso de catenaria.

Tranvías sin catenaria: Tecnología y estudios recientes.

Los tranvías se han venido abastecido mediante cables de catenaria históricamente, sin embargo, durante la última década, los tranvías sin catenaria están ganando protagonismo. La idea de tranvía sin catenaria se refiere a la eliminación del cableado superior así como los pantógrafos del sistema tranvía, como conjunto. Estos sistemas, sin embargo se abastecen mediante sistemas embarcados en el propio tranvía, que recogen la energía de sistemas instalados bajo tierra o mediante disposistivos de carga-descarga.

Los sistemas sin catenaria, ofrecen varios beneficios comparados con los sistemas convenvionales. Algunos de estos beneficios incluyen:

Bajo impacto visual: En los barrios de oficinas o zonas de importancia histórica y turística, los sistemas sin catenaria ofrecenmejor visibilidad y una estética mejorada. Por ejemplo, en Florencia (Italia), los sistemas sin catenaria han sido desplegados en la zona de oficinas. Cuenca (Ecuador) que es considerado patrimonio cultural por la UNESCO, están instalando también estos sitemas, para preservar la herencia arquitectónica. Muchas ciudades como Zaragoza, donde hay zonas en las que se han instalado sistemas libres de catenaria, como en el centro histórico, pero también cuenta con zonas con suministro por catenaria.

Coste de infraestructura reducido: Las tecnologías sin catenaria reducen el coste de construcción, así como el coste por mantenimiento, o el debido al diseño y la homologación del sistema. Actualmente los costes de instalación de los sistemas sin catenaria son altos, ya que estas tecnologías son todavía muy novedosas pero se espera que una atmosfera competitiva reduzca los precios en un futuro

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Design flexibility: Catenary-free operations allow more flexibility in rolling stock design because many conditions (such as specified headroom and tram height) are relaxed.

Flexibilidad de diseño: Las operaciones en catenaria libre permiten más flexibilidad en el diseño de los vehículos ya que muchas de las condiciones, como la altura y el margen de altura del tranvía no son estrictas.

Consumo de energía reducido: Algunos de los sistemas usados en tranvías sin

catenaria, como los supercondensadores, permiten recuperar hasta un 20% de

la energía, mediante frenada regenerativa. A largo plazo estos ahorros se

traducen en costes de operación notablemente reducidos para los operadores.

Mejor comportamiento en climas adversos: Los sistemas sin catenaria son menos vulnerables a climas severos como nieve, ventiscas, tormentas que pueden dañar los sistemas elevados.

Tecnología

La tecnología aplicada a tranvías sin catenaria se puede clasificar en términos generales en dos grandes categorías.

Sistemas basados en dispositivos de almacenamiento de energía embarcados Sistemas basados en abastecimiento continúo de energía a través de los raíles

(Sistemas APS). Estos incluyen el tercer rail y el equipo necesario para permitir la transferencia de energía por inducción a los sistemas de almacenamiento de energía embarcados.

Todas estas tecnologías son relativamente nuevas y están actualmente en diferentes etapas de desarrollo. Otras tecnologías como los volantes de inercia y las células de hidrógeno se encuentran en una fase incipiente.

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Transferencia inductiva.

Esta tecnología habilita la trasferencia de energía desde la infraestructura enterrada en la calla hasta los motores eléctricos en un vehículo o los dispositivos de almacenamiento de energía como las baterías o los supercondensadores.

El Sistema de Bombardier basado en la transferencia inductiva es conocido como Promove. La energía es transmitida si un contacto físico directo, a través del flujo electromagnético producido por las bobinas de inducción integradas en los soportes de vías y bobinas bajo el bastidor del tranvía. Las bobinas integradas en los soportes de vía son activadas solo cuando el tranvía está pasando sobre ellas, de forma que se evita una emisión electromagnética innecesaria.

El Sistema Primove fué probado de forma satisfactoria en Augsburgo (Alemania) en Junio del 2012. En Abril del 2013, La empresa China Nanjing Puzhen Rolling Stock Company Limited estableció un contrato para abastecer a la ciudad de Nanjing de una servicio de 15 tranvías de planta baja que incorporaban el sistema Primove. Está previsto que entren en servicio en 2014, y ser el primero en unas el sistema Primove de Bombardier.

SISTEMA (APS)-Tercer rail

Podría ser dividido en elecrónicamente o mecánicamente

Tercer rail Electrónicamente seccionado

Es la primera y más común tecnología sin catenaria del mundo. Conlleva el abastecimiento de energía de tracción del tranvía a través de un rail localizado entre las vías- El tren posee una calza que recoge energía mediante contacto directo con el trcer rail. Éste es alimentado con 750 V de corriente continua de los cuadros de alimentación, integrados en la vía.

En 2003, Alstom desarrolló la alimentación a través del suelo(APS), sistema basado en distribuir la corriente eléctrica mediante un tercer carril. Implica un sistema de energía enterrado que se activa en segmentos según el vehículo pasa sobre ellos. Este sistema no funciona sin carga; es caso de que dependan de baterías o supercondensadores. Sin embargo, la eficiencia energética es menor comparada con baterías o supercondensadores. Las secciones cargadas son de 11 metros de largo y estás ubicadas tales que cada una es totalmente cubierta por el tranvía, y los pasajeros no puedan entrar en contacto con el raíl activado.

Burdeos en Francia se convirtió en la primera ciudad en extender tecnología sin catenaria cuando eligió APS para 14 km de sus 44 km de red de ferrocarril. Actualmente 74 tranvías equipados con APS están operativos en la ciudad. A lo largo

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de los últimos 10 años, al menos 8 ciudades han optado por esta tecnología. Incluyendo Burdeos, Angers, Reims, Orleans, Toues, Cuenca, Dubai y Río de Janeiro.

En 2013 la ciudad de Rio de Janeiro encargó un pedido a Alstom de Tranvías Citadis diseñados para funcionar con APS y supercondensadores simultáneamente.

Tercer rail mecánicamente seccionado.

Este tipo de tercer rail utiliza electroimanes en el tranvía para elevar un cable electrificado en el tubo enterrado para hacer contacto con la superficie inferior del tercer rail, el tranvía hace contacto con la parte superior del tercer rail a través de una calza, activando la sección del rail.

La empresa Italiana Ansaldo STS ha desarrollado el sistemaTramWave basado en esta tecnología. El sistema proporciona 750 V de corriente continua a través de módulos integrados en el rail entre vías.

Desarrollos recientes

Los tranvías sin catenaria están expandiéndose y cada vez más compañías están entrando en el mercado.

En Marzo del 2014, la empresa Škoda Transportation reveló aun tranvía operado mediante batería sin catenaria, denominado Catfree. La tecnología está siendo probada en el 100% de las 28 líneas de tranvía

En diciembre de 2013, Alstom celebró el 10o anniversario del lanzamiento de sus Sistema APS.

En Noviembre de 2013, Ansaldo STS recivió el primer TramWave contratado por la empresa China CNR Dalian Locomotive and Rolling Stock Company para implantarla tecnología TramWave en Zhuhai. Esto perseguía un acuerdo estratégico firmado en Julio del 2012 entre Ansaldo STS y la asociación empresarial entre CNR y General Resources Company en el que el primero acordó la condesión de su TramWave al segundo. .

Aunque las actuals tecnologías sin catenaria disponibles tienen un limitado recorrido de vía, en un futuro, se espera una espanción del mercado, y el colste de estos sistemas también se epera que reduzcan. Una vez estabilizados, la demanda de sistemas sin catenaria espera ser mayor que la de los sistemas con catenaria, por las multiples ventajas que suponen.

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SISTEMAS DE ACUMULACIÓN DE ENERGÍA

Introducción

Una de las metas que actualmente se pretenden alcanzar en los vehículos ferroviarios es fundamentalmente un aprovechamiento energético optimizado. Para ello, se incide sobre todo en el sistema de tracción donde se consume la mayor parte de la energía y por tanto donde se podría conseguir un menor gasto optimizando los sistemas que lo componen. Una de las soluciones conseguidas hasta la fecha es la reversibilidad, es decir, devolver parte de la energía a la red mediantes sistemas de frenada regenerativa. La problemática de esta solución es la naturaleza de la catenaria. En caso de catenaria de corriente alterna la energía puede devolverse a la red sin problemas pero en caso de catenaria de corriente continua, la reutilización solo puede darse en caso de que otro tranvía demande exactamente la misma energía en la misma sección que la del tranvía que está frenando. A continuación se exponen diferentes soluciones, dependientes de diferentes parámetros como clase de red, orografía, ingeniería civil necesaria etc... Así como una descripción de los componentes principales de almacenamiento de energía.

Tecnología Punta

Los sistemas de acumulación en tranvía están constantemente actualizándose, añadiéndose mejoras en los sistemas para optimizar los recursos energéticos.

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Independientemente de ello se puede establecer una clasificación, teniendo por un lado sistemas fijos y embarcados (Formando parte de la infraestructura e incluidos en los sistemas que componen el tranvía en sí, respectivamente) Actualmente podemos encontrar diferentes sistemas de acumulación de energía: volantes de inercia, supercondensadores, baterías, almacenamiento de aire comprimido, sistemas de bombeo hidráulico, etc… Sin embargo no todas ellas son aplicables directamente a los tranvías debido a sus características inherentes. Los sistemas más usados actualmente en sistemas embarcados son las baterías y los supercondensadores, integradas en sistemas híbridos o como solución puramente eléctrica.

Volantes de inercia

Los sistemas volantes de inercia están formados por una masa cilíndrica rotativa, por una llanta acoplada a un eje, que es soportada en un estator mediante cojinetes en levitación magnética lo que elimina la abrasión de los cojinetes que lo soportan alargando la vida del equipo. Un volante de inercia funciona en una atmósfera de vacío que permite reducir la resistencia debida a la fricción con el aire, lo que aumenta la eficiencia. El volante de inercia se conecta a un motor-generador montado sobre el estator que, a través de la electrónica de potencia, interacciona con la red eléctrica. La alta densidad de energía, el bajo mantenimiento, la larga vida (cuantificada en varios miles de ciclos) y que usan materiales de bajo impacto para el medio ambiente En cuanto a inconvenientes, tenemos su y la elevada rapidez de autodescarga y la limitación de la potencia de pico por la energía almacenada en cada instante en el volante. Además, el sistema de control que es intrincado y precisa de otros auxiliares (convertidores AC/DC, refrigeración líquida, bomba de vacío, etc.), lo que eleva el peso de los componentes y,por tanto, hace que la densidad de energía real se vea reducida. Dependiendo de las especificaciones del sistema como el coste, el peso y el tamaño, se suelen utilizar dos tipos de llantas, por un lado llantas de acero, para valores de velocidad punta de entre 200 y 375 m/s o de composite, aligeradas respecto a las de acero, con velocidades punta de 600 a 1000 m/s. El almacenamiento de energía en lo volantes de inercia viene dado por la siguiente expresión:

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ω es la velocidad angular (rad/s) de la masa cilíndrica.

I es su momento de inercia rotativa.

m es su masa. A continuación se muestra una imagen de un volante de inercia indicando sus componentes principales.

Desde el punto de vista de acumulación embarcada, los volantes de inercia no son aconsejables debido a su gran tamaño y a aspectos de seguridad, por lo que su utilización en modernos sistemas de acumulación es prácticamente inexistente. Principales fabricantes: Beacon Power, Active Power Inc., AFS Trinity Power, Piller Gmb, Elytt Energy, Urenco Power Technologies Limited.

Supercondensadores

Los súper condensadores, o condensadores electroquímicos de doble capa (EDLC, Electrochemical Double Layer Capacitor), son condensadores de doble capa que almacenan energía electrostática cuando existe un potencial entre dos electrodos sumergidos en un electrolito. Aunque sea un elemento electroquímico, es importante destacar que la reacción química no tiene lugar en el almacenamiento de energía. Su funcionamiento es 100% reversible lo que hace que soporte cientos de miles de ciclos. La capacidad y densidad de energía de estos dispositivos es de miles de veces mayor que las de los condensadores electrolíticos.

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Los electrodos están compuestos normalmente a partir de materiales basados en carbono poroso. El electrolito, posee un papel fundamental ya que en función de sus propiedades las características del supercondensador pueden variar bastante. Tipos de electrolitos:

Acuosos

Orgánicos. Los acuosos tienen menor tensión, lo que hace que su densidad energética sea menor. Sin embargo, funcionan en un rango de temperatura mayor y son más baratos. Otra clasificación de supercondesadores atiende a si los electrodos usados son iguales o de naturaleza diferente.

Asimétricos

Simétricos Por otro lado, los supercondensadores asimétricas tienen una densidad de energía mayor que las debido a usar un metal en uno de los electrodos y además una menor corriente de fugas.

La capacidad de un supercondesador mejora con un aumento del área de almacenamiento de cargas y la disminución de la distancia entre las cargas. ecuación:

ε0 es la permeabilidad del espacio libre (8.85 10-12 F/m).

εr la permeabilidad relativa del electrolito.

A el área de superficie de las placas.

d la distancia de separación de las placas. Una de las mayores ventajas del uso de los supercondensadoreses que puede proporcionar la energía demandada por el sistema en el que esté incorporado de forma segura, sencilla y de forma duradera, incluso en caso de picos de demanda. Para

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conseguir esto se suele recurrir a una solución en la que la energía recogida de la fuente principal se almacene en un sistema secundario de forma que los picos de potencia se cubran mediante este sistema, mientras que el valor de potencia media demandada se cubra mediante un sistema de almacenamiento primario.

Supercondensadores de grafeno.

Actualmente se está investigando en el desarrollo de supercondensadores de grafeno, que poseen muchas ventajas respecto a los supercondensadores electroquímicos actuales. Entre ellas destacan:

Densisdad de energía de valores cercanos a las baterías.

Coste de fabricación asequible.

Materiales biodegradables, lo que disminuye el impacto medioambiental.

Geometría versátil y y materiales flexibles. Los supercondendadores de grafeno se componen de dos planchas de grafeno flexibles, obtenidas a partir de soluciones de grafito tratadas, separadas por una lámina de electrolito. Estos electrolitos pueden ser de textura de gel o bien líquidos empapados en un tejido permeable. A continuación se muestra un esquema de un supercondensador de grafeno:

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El campo de los supercondensadores de grafeno y su capacidad de carga y descarga a velocidades altas, supone una perfecta alternativa a las baterías convencionales, debido a capacidad de recuperar más energía de sistemas de frenadas regenerativas. Además supone una ventaja en cuanto a distribución de pesos en el sistema aplicado debido a no tener casí limitaciones en cuestiones de geometría, lo que puede mejorar la dinámica de sistemas de transporte como es el caso de los tranvías.

Baterías

Las baterías son dispositivos que mediante reacciones químicas de oxidación-reducción que se puede revertir, es decir, de forma que los compuestos que realizan la reacción no se consumen en el proceso y además pueden retornar al estado inicial si se dan las condiciones necesarias:

Carga: Mediante la aplicación de una corriente externa.

Descarga: Mediante el cierre del circuito eléctrico. Los electrones circulan partiendo del cátodo hasta el ánodo.

Las baterías almacenan energía eléctrica y son capaces de devolverla con un rendimiento muy alto. El proceso puede ser repetido un número finito de veces. Para poder funcionar, las baterías necesitan un suministro inicial de energía, mediante un proceso de carga. Esto se conoce como generador secundario. Componentes básicos:

Ánodo: terminal negativo, se oxida durante la descarga.

Cátodo: terminal positivo, se reduce mediante la descarga.

Electrolito: Es el elemento que permite el movimiento de los electrones de un terminal al otro.

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TIPOS DE BATERÍAS Actualmente encontramos varios tipos de baterías aplicables a los tranvías. A continuación se exponen los principales tipos de baterías.

Ácido Plomo

Las primeras baterías que de las que se tiene constancia son las baterías Ácido Plomo. Los electrodos que reaccionan en este caso son:

Dióxido de plomo (PbO2), como electrodo positivo.

Plomo esponjoso como electrodo negativo.

Disolución de ácido sulfúrico (H2SO4) en agua como electrolito. Dependiendo de la configuración de la batería, teniendo presente los compuestos anteriormente mencionados, tenemos diferentes tipos de baterías: baterías ventiladas, selladas o VRL, con electrolito-gel o con matriz de absorción o AGM. Las ventajas del uso de estas baterías son:

Elevada potencia.

Robustez.

Fiabilidad.

Bajo coste. Desventajas • Alta toxicidad del plomo.

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• Energía específica baja. • Vida útil corta (unos 500 ciclos completos de carga y descarga). • Rango de temperaturas reducido. •Necesitan sistemas de refrigeración. • Posible sulfatación de los terminales trabajando a baja carga. Por tanto, debido a estas características no es de gran aplicación para sistemas tranviarios, ni siquiera ferroviarios, de forma genérica. Para hacernos una idea de los valores en torno a los que se dimensionan este tipo de baterías se exponen las características de una batería AGM para uso industrial. Tensión nominal celda 2V Corriente máxima de descarga 20C Corriente máxima de carga 1C / (3 horas) Densidad de energía 40Wh/kg Densidad volumétrica de energía 800(Wh/l) Densidad de potencia 180 W/kg Rango de Temperatura (Carga) -40ºC a 60ºC Rango de Temperatura (Descarga) -40ºC a 60ºC Vida Útil 300-500 ciclos

NiMH

Las bateias NiMH son las sucesoras de las de NiCd, que fueron prohibidas en 2008. Además poseen una mayor densidad energética que sus predecesoras, además de comportarse mejor en cuanto al efecto memoria, que consiste en la pérdida de capacidad de carga completa. Además no requieren de compuestos tóxicos. Los elementos que las componen son:

Nikel-Oxi-Hidróxido (NiOOH) como electrodo positivo.

Una aleación metálica que permite la absorción de hidrogeno como electrodo negativo. Dependiente del diseño del fabricante.

solución de hidróxido de potasio como electrolito. Las ventajas del uso de estas baterías son:

Elevada densidad de energía.

Gran número de ciclos de carga y descarga, en torno a 1000.

Alta velocidad de carga (hasta 15 minutos si se usan las condiciones adecuadas.

Desventajas

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• Voltaje de diseño reducido: en torno a 1,2 V, siendo de en torno a 2 V baterías de Plomo e incluso 3V en baterías basadas en litio. •Propensas a autodescargarse. • Sistemas de información de carga completa muy complejos (unos 500 ciclos completos de carga y descarga). Estas baterías se han aplicado satisfactoriamente en sistemas ferroviaios, así como en vehículos híbridos y eléctricos. Para hacernos una idea de los valores en torno a los que se dimensionan este tipo de baterías se exponen las características de una batería AGM para uso industrial Parámetro Valor Tensión nominal celda 1.2V Corriente máxima de descarga 20C Corriente máxima de carga 1C / (1 horas) Densidad de energía 80Wh/kg Densidad volumétrica de energía 300(Wh/l) Densidad de potencia 1800 W/kg Rango de Temperatura (Carga) -20ºC a 60ºC Rango de Temperatura (Descarga) -20ºC a 60ºC Vida Útil 600-1000 ciclos

Los fabricantes más importantes de NiMH son:Saft, Cobasys, Panasonic, EV Energy. 13/43

Litio-ion

Ventajas :

Gran densidad de energía.

Buena eficiencia.

Buen comportamiento ante la temperatura.

Baja autodescarga.

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Buena vida útil. Las baterías de litio podrían alcanzar en un futuro el nivel de densidad de energía de las supercondensadores. Desventajas:

Inestabilidad ante situaciones de sobrecarga.

Problemas de seguridad debido a su inflamabilidad.

Insuficiente capacidad de ciclado.

Su coste en la actualidad es elevado.

Algunos de estos problemas pueden acotarse mediante la utilización de un sistema electrónico de Gestión de la Batería o BMS (Battery Management System). Este sistema es el encargado de verificar en todo momento que la operación de la batería tanto en sus ciclos de carga como de descarga se realiza dentro la ventana de operación que el fabricante ha definido para ella. En general las baterías de litio están compuestas por los siguientes elementos:

Cátodo o Electrodo Positivo: Generalmente está formado de un compuesto no metálico a base de litio. El más utilizado es el LiCoO2 pero actualmente se están explorando otras alternativas.

Ánodo o Electrodo Negativo: Los compuestos a base de carbono tales como el grafito o el Coke han sido predominantes, pero actualmente se están experimentando nuevos titanatos de litio cuyos resultados hasta el momento están siendo positivos.

Electrolito: El funcionamiento de las baterías de litio se basa en el transporte de los iones de litio (de ahí el nombre de Litio-ion) entre el cátodo y el ánodo. En este sentido el electrolito sirve a modo de medio de transporte. A día de hoy existen dos tipos fundamentales de electrolitos, las sales carbonadas y los electrolitos poliméricos (éstos últimos son los que dan nombre a las llamadas baterías Litio-Polímero).

Debido a que en la construcción de la batería existen diversas posibilidades, sobre todo a nivel de ánodo y cátodo, estas baterías presentan diferentes características de funcionamiento (tensión nominal, capacidad, etc.). A continuación se muestra, a nivel orientativo, una tabla con las características de una batería de Litio-ion: Parámetro Valor Tensión nominal 3.6/3.7 V Energía específica 150-250 Wh/kg

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Potencia específica 300-1500 W/kg Densidad volumétrica de energía 250-530 Wh/l Rango de temperatura (Carga) 0-45ºC Rango de temperatura (Descarga) -20-60ºC Vida útil 400-1200 ciclos

Na-NiCl-2 Zebra

A diferencia del resto de baterías esta tecnología está caracterizada por las altas temperaturas a las que la batería necesita estar sometida para su correcto funcionamiento. El hecho de necesitar operar a temperaturas entre los 270ºC y los 350ºC dificulta de gran manera la utilización de esta tecnología para el almacenamiento de energía, debido a la necesidad de alojar las baterías en un contenedor adecuado que provea al conjunto de un mecanismo de calentamiento y del aislamiento térmico correspondiente. Asimismo, al requerir altas temperaturas de funcionamiento, necesita de largos periodos de calentamiento antes de su puesta en marcha. Por ello, estas baterías sólo son adecuadas para su utilización en sistemas en los que deban estar constantemente en funcionamiento tales como en aplicaciones de soporte (UPS, etc.) o en sistemas en los que mientras el vehículo no está en utilización, sus baterías se encuentran en proceso de carga. Hoy en día, las baterías más utilizadas en los sistemas de acumulación de los equipos de tracción ferroviarios son las de tecnología NiMH. A pesar de que las propiedades de las baterías de Litio-ion son mejores y de que en un futuro se pretenda que éstas sean las más utilizadas, todavía son muy caras y tienen problemas de seguridad que es necesario solventar.

Comparativa entre los diferentes sistemas de

acumulación

Es evidente que cada sistema de almacenamiento de energía tiene su aplicación bien definida en cuanto a densidades de energía, densidades de potencia, ciclado y vida del componente. El coste, la seguridad y el tamaño son también factores a tener en cuenta en cada aplicación.

Característica Baterías Supercondensadores

Tiempo de vida esperado 20,000 ciclos 100,000 ciclos

Regeneración de energía No Sí

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Coste relativo 20 % del coste del vehículo + cambio al final de la vida útil.

20 % del coste del vehículo + cambio al final de la vida útil.

Tiempo de carga Alto Bajo

Tiempo operacional de entre cargas

Alto Bajo

Para beneficiarse de ambos sistemas, los fabricantes estan adoptando soluciones híbridas instalando ambas opciones en un mismo equipo. De esta forma se provee a la instalación de una mayor flexibilidad de suministro de enrgía, como ya se ha comentado.

Otras líneas de investigación

A continuación se presentan las soluciones que se están estudiando actualmente, entre los que se encuentran los resortes radiodales y los nanotubos de carbono.

Resorte radioidal

El sistema está formado por unas láminas capaces de enrollarse sobre sí mismas en forma de espiral aplicando un par torsor variable, absorbiendo la energía mecánica que devolverán al sistema posteriormente en forma de par constante. Es necesario que la curvatura de las láminas sea creciente o decreciente a lo largo de la espiral para que éstas sean capaces de absorber o aportar el par. El espesor de la lámina también debe variar a lo largo de la espiral. Los materiales que se consideran más ideales para éste sistema son aquellos composites formados por una mezcla de resinas y fibras, colocados en capas con el objetivo de obtener la mayor elasticidad posible. Pueden conectarse varias láminas en serie o en paralelo. Se conectan en serie cuando se quiere absorber una potencia de pico, ya que el par de carga y descarga será la suma del par de todas las láminas. Sin embargo, si se trata de absorber una mayor cantidad de energía, se conectan en paralelo. Sumándose la energía de cada lámina.

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Ventajas:

Acumular una gran cantidad de energía en un espacio reducido.

Actuar como regulador energético, puesto que esa capaz de acumular energía en momentos en los que haya exceso de ésta y aportarla en momentos de escasez. Inconvenientes:

Necesidad de reaccionar el gran par torsor generado en el proceso tanto de carga como de descarga. Es factible que se emplee como sistema de acumulación fijo en la propia infraestructura ferroviaria.

Aplicaciones:

Producción de energías renovables.

Transporte

Suministro de energía ininterrumpidos.

Nanotubos de Carbono

Descubiertos en 1991 por el ingeniero japonés Sumio Iijima. Están constituidos por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal cilíndrica, de tal forma que su estructura es la misma que si se enrollara sobre sí misma una lámina de grafito. Pueden estar tanto cerrados en los extremos por media esfera de fulereno como abiertos, y pueden ser de dos tipos: de pared simple (SWCNT-Single Wall Carbon Nanotubes), si están constituidos por una sola lámina enrollada; o de pared múltiple (MWCNT-Multiple Wall Carbon Nanotubes), si están formados por varias láminas concéntricas enrolladas con diferentes diámetros.

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19/43 Su principal característica es que tiene una elevada relación longitud/diámetro, puesto que, mientras la longitud puede variar desde unas micras hasta milímetros e incluso algunos centímetros, el diámetro es del orden de los nanómetros. Esto da lugar a interesantes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas. Los CNT pueden aportar mejoras en el campo del almacenamiento de energía:

Poseen una elevada superficie específica-puede garantizar sistemas de almacenamiento ligeros.

Sus propiedades mecánicas los hacenmás resistentes.

Aplicaciones en el área del almacenamiento de energía.

Almacenamiento de Hidrógeno

Ésta, está despertando mucho interés debido a que es una fuente de energía que podría sustituir a la basada en combustible fósil. El uso de los nanotubos de carbono se aplicaría a la fisisorción (almacenamiento en el que sólo intervienen las fuerzas de Van Der Waals).

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Gracias a su curvatura y hueco interior de los nanotubos de carbono, los campos generados por las paredes se solapan para dar una mayor interacción con las moléculas del gas que la que se tendría en el caso de una superficie de carbono plana. Sin embargo, si comparamos los nanotubos de carbono con materiales metalorgánicos, debido a su mayor área específica por unidad de volumen, éstos últimos resultan ser más apropiados. Por lo que esta tecnología no es definitiva. Supercondensadores.

La utilización de CNT en esta aplicación permite cambiar el material poroso e irregular del carbón activo por una estructura de nanotubos alineados de pocos nanómetros de diámetro cada uno, con lo que se aumenta la capacidad de carga al tener mayor superficie específica. Pilas de combustible

Tienen un funcionamiento electroquímico similar a una pila pero con la diferencia de que los reactivos se reabastecen en todo momento de manera que tiene vida ilimitada. Uno de los elementos esenciales para el buen funcionamiento de la pila es el electrocatalizador, normalmente un material precioso como el platino o el rutenio y, por tanto, caro. Éste debe estar en el electrodo, el cual debe ser un material poroso, de elevada superficie específica, inerte y buen conductor, características cumplidas por los CNT y que los hacen candidatos a ser utilizados.

Baterías de Litio-ion El litio es el elemento conocido que tiene un mayor potencial electroquímico, lo que, teóricamente, hace de él el mejor candidato para almacenar energía. En las baterías de Litio-ion, el ánodo se puede construir únicamente con CNT pero lo habitual es usar los CNT como aditivos en grafito. Se han realizado estudios con diferentes valores de porcentaje en peso de CNT y se obtiene una correlación entre el aumento del porcentaje y la mejora de la eficiencia de la batería en función del número de ciclos de carga. En estudios recientes se muestra una eficiencia del total de la batería tras 50 ciclos de carga con un porcentaje en peso de nanotubos del 10%. Se considera que las mejoras que introducen los nanotubos en esta aplicación son debidas a la mayor superficie de contacto que ofrecen los nanotubos con el electrolito y al aumento de la conductividad que ofrece la presencia de los nanotubos en el ánodo.

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Existen además otras ventajas como una mayor vida de la pila y unos electrodos mecánicamente más robustos.

APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE

ACUMULACIÓN EMBARCADOS

Vehículos eléctricos

Algunas aplicaciones se pueden resolver en las propias subestaciones. Sin embargo, en función del tipo de red, explotación o vehículo, puede ser más recomendable instalar el sistema de acumulación embarcado obteniendo los siguientes beneficios: • Regeneración de energía: Se puede regenerar hasta el 40% de la energía consumida.

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• Vehículo sin catenaria: Bajo impacto ambiental e infraestructura más económica. Es una aplicación orientada a tranvías. • Reducción de picos de potencia hasta un 50%. • Estabilización del voltaje y menores pérdidas de conducción: Menos subestaciones, más vehículos por subestación, más prestaciones si la subestación es la limitante.

Vehículos Diesel-Eléctricos híbridos

En otro tipo de vehículos se pueden lograr: • Reducciones de consumo entre un 25 y un 40%. • Reducción de ruido en estaciones: Se puede apagar el vehículo de forma temporal. • Reducción de emisiones en túneles. • Utilización para arranque de motores.

Combinación de sistemas de acumulación

Las posibilidades que puede dar la tecnología basada en el hidrógeno, así como las tecnologías híbridas unidos a algún tipo de sistema de acumulación, con el doble objetivo de mejorar las prestaciones del vehículo y optimizar el rendimiento energético del sistema, deben tenerse presentes. De esta manera, la fuente primaria de energía puede aportar el valor medio de la potencia mediante un sistema de alta densidad de energía y la fuente secundaria aportaría los picos y se encargaría de acumular la energía. Existe otra posibilidad en la que podría analizarse la viabilidad de combinar dos sistemas de acumulación, utilizando de la mejor manera posible las ventajas de cada una de las tecnologías buscando el mejor rendimiento energético, máxima densidad de energía compatible con la aplicación y mínimo coste del ciclo de vida del producto.

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Este tipo de combinaciones puede tener potencial en los vehículos ligeros (tranvías y metros ligeros) en los que pueden plantearse trayectos más o menos largos sin catenaria con el objeto de limitar al máximo el impacto visual. Como posibles opciones estarían las siguientes: • Baterías y supercondensadores: Las baterías serían la fuente primaria de energía por su alta densidad de energía y los supercondensadores darían la dinámica al sistema garantizando la regeneración de energía con altos niveles de potencia. Una ventaja adicional de esta combinación es que solventa los imprevistos por paradas de emergencia que harían aumentar en exceso el tamaño del sistema de acumulación de menor densidad de energía específica. Se dispone de este modo de una reserva de seguridad utilizable con una potencia media o baja en casos de emergencia o puntuales (zona de mucho gradiente). • Baterías y volante de inercia: Este caso es similar al anterior y podría tener su aplicación en vehículos algo más pesados, en los que las frenadas son más largas al tener el volante de inercia mayor densidad de energía que las supercondensadores. • Volante de inercia y supercondensadores: En este caso el volante de inercia haría la función de fuente primaria de energía (potencia media de tracción más auxiliar) mientras que las supercondensadores se encargarían de aportar la dinámica propia del equipo de tracción garantizando la acumulación de energía.

PROYECTOS DESARROLLADOS

CONSISTEMAS DE ACUMULACIÓN

Los sistemas de acumulación que se han mencionado en el apartado anterior no se emplean de manera independiente y dispersa en los vehículos ferroviarios, sino que se agrupan en módulos de forma compacta. Un módulo de acumulación está formado por un conjunto de celdas interconectadas entre sí, tanto en serie como en paralelo. El número de celdas y el tipo de conexión dependen del funcionamiento posterior y de las especificaciones que deba cumplir el conjunto. Es necesario definir una estrategia de gestión adecuada para que el módulo cumpla con las especificaciones funcionales. Una estrategia tiene las siguientes funciones: • Medir la energía almacenada en cualquier momento • Estimar el deterioro de las celdas (disminución de la capacidad de almacenamiento y aumento de la impedancia interna de la celda)

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• Equilibrado de celdas: Para compensar las diferencias internas y evitar que unas se deterioren más que otras. • Gestión térmica de forma que todas las celdas estén dentro de la ventana de temperatura deseada. • Gestión de carga y descarga: Asegurar que la carga / descarga se hace respetando los niveles de tensión y corriente definidos. • Protección: Los sistemas electroquímicos de almacenamiento no deben funcionar fuera de las condiciones preestablecidas de voltaje, corriente, temperatura, etc. El funcionar en condiciones inapropiadas puede derivar en problemas como avalanchas térmicas, por ejemplo. Por ello, cada celda está dotada de mecanismos para evitar situaciones peligrosas, como válvulas de seguridad. • Almacenamiento de datos. Los sistemas de acumulación que existen en la actualidad en su contexto de aplicación, así como algunos proyectos Europeos orientados al ahorro y a la eficiencia energética.

Autotram El instituto de transporte e infraestructuras Fraunhofer (IVI) de Alemania ha desarrollado un vehículo híbrido que es traccionado mediante una “fuel cell” y un sistema de apoyo desarrollado con un volante de inercia. Se trata de dos coches propulsados por 80 kW de pila de combustible (fuente de energía principal) y tres motores eléctricos. El hidrógeno se almacena con una presión de 200 bares en los tanques de 10 kg montados en el techo del vehículo. Como sistema de apoyo para proporcionar energía en los picos de potencia durante la tracción, el vehículo utiliza un volante de inercia de 325 kW de CCM con una capacidad energética de 4 kWh, la cual se puede recargar en las frenadas, mediante la pila de combustible o en las estaciones.

Sitras ® SES (Siemens Transportation) El Sitras SES (Stationary Energy Storage System) es un sistema de almacenamiento de energía basado en supercondensadores e instalado en tierra que almacena la energía de las frenadas de los vehículos que se alimentan de la catenaria conectada al Sitras y aporta los picos de potencia cuando lo requiere cualquier vehículo.

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Esto supone una combinación económica y ecológica, ya que reduce el consumo de la energía de la catenaria hasta un 30% y reduce las emisiones de CO2. Por otro lado, estabiliza la catenaria y minimiza su coste de mantenimiento.Se trata de un banco de supercondensadores con las siguientes características:

Número de supercondensadores: 1152.

Capacidad total: 94 F.

Energía utilizable: 2.5 kWh.

Ahorro energético por hora: 80 kWh/h.

Máxima potencia: 0.7 MW.

Rango operable de tensión: 600-750 V.

Dimensiones (anchura x profundidad x altura): 2 cubos de 1.4x0.7x2.6 m3 +

2 cubos de 1.3x1x2.6 m3.

Peso: 4.3 Tn

Temperatura de funcionamiento: -20 a 40ºC Este sistema se está aplicando en varias ciudades Europeas como Colonia y Madrid, y en EEUU como por ejemplo en Portland y Oregon.

Sitras ® MES (Siemens Transpotation)

El Sitras MES (Mobil Energy Storage system) es un sistema de almacenamiento de energía basado en el uso de supercondensadores. El banco de supercondensadores está instalado a bordo del vehículo, en el techo de éste, por lo que se clasifica dentro de los sistemas embarcados, y ayuda a la recuperación de parte de la energía generadas en las frenadas. El ahorro energético obtenido es similar al caso en el que el sistema estuviera instalado en tierra (como sucede en el Sitras SES), con la diferencia de que se dan menores pérdidas energéticas ya que la energía recorre una menor distancia. De esta manera, tiene valores de reducción del consumo en catenaria de hasta un 30% y una reducción en las emisiones de CO2 de hasta 80 Toneladas por año. Además, este sistema ayuda a la estabilización de la tensión de la catenaria, lo cual, aumenta la disponibilidad de circulación de vehículos ferroviarios. El banco de supercondensadores se conecta eléctricamente al punto de alimentación mediante un chopper, el cual, permite tanto integrarlo en vehículos nuevos (Integrated Concept) como instalarlo en vehículos ya existentes (Independent Concept). Ambos sistemas están aprobados por “BOStrab” (German Construction and Operating Code for Tramways).

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A continuación se muestran los datos técnicos de las supercondensadores empleadas en este sistema:

Energía utilizable: 0.85 kWh.

Máxima potencia: 2x144 kW.

Rango operable de tensión: 190-480 V.

Refrigeración: forzada.

Dimensiones (anchura x profundidad x altura): 2000x1520x630 mm3.

Peso: 820 kg.

Sitras ® HES (Siemens Transportation)

Sitras HES (Hybrid Energy Storage system) es un sistema híbrido que combina dos unidades de almacenamiento: el banco de supercondensadores del Sitras MES 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 2500m. Al igual que el Sitras MES, el Sitras HES obtiene una reducción en la demanda de energía de hasta un 30%, emite 80 Tn menos de CO2 al año y estabiliza la tensión de la línea. Asimismo, este sistema puede integrarse en vehículos nuevos o en sistemas ya existentes. Características del banco de supercondensadores:

Energía utilizable: 0.85 kWh.

Máxima potencia: 2x144 kW.

Rango operable de tensión: 190-480 V.

Refrigeración: forzada.

Dimensiones (anchura x profundidad x altura): 2000x1520x630 mm3.

Peso: 820 kg.

Características del sistema de baterías (normalmente, 44 bloques de celdas de

NPH10-340 conectadas en serie):

Energía utilizable: 18 kWh.

Máxima potencia: 105 kW.

Tensión nominal: 528 V.

Refrigeración: agua.

Dimensiones (anchura x profundidad x altura): 1670x1025x517 mm3.

Peso: 826 kg.

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El primer tren con el sistema Sitras HES lleva ya más de un año en servicio en el sur de Portugal, realizando con éxito trayectos entre Almada y Seixal.

MITRAC Energy Saver (Bombardier Transportation) El concepto de MITRAC Energy Saver es el mismo que el del Sitras MES, es decir, almacena la energía recuperada en la frenada en un banco de supercondensadores 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. Con este sistema se reducen el consumo de la catenaria en un 30% y los picos de potencia hasta un 50%. Al reducir la potencia de pico, se reduce la demanda de corriente, por lo que son necesarias menos subestaciones que estarán más alejadas entre sí. De esta manera, disminuye el coste de la infraestructura. En el caso de vehículos DMU (Diesel Multiple Units), el sistema MITRAC reduce el consumo energético en un 35%. 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). Las características del banco de supercondensadores son:

Aplicación: Light Rail Vehicle

Energía instalada: 1 kWh.

Máxima potencia de salida: 300 kW.

Refrigeración: Aire forzado.

Peso: 428 kg.

Dimensiones: 1700x680x450 mm3.

Aplicación típica: 2 cajas/30m, 2kWh, 600kW.

Aplicación: DMU

Energía instalada: 1.17 kWh.

Máxima potencia de salida: 100 kW.

Refrigeración: convección natural.

Peso: 466 kg.

Dimensiones: 1800x1500x250 mm3.

Aplicación típica: 6 cajas/4 coches, 7kWh, 600kW. El banco de supercondensadores se conecta con el bus DC mediante un convertidor Buck-boost bidireccional, cuyos componentes se acoplan al sistema de almacenamiento.

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El prototipo MITRAC Energy Saver está en funcionamiento desde Septiembre de 2003 en Mannheim, Alemania, donde completó un período de prueba de 4 años con un ahorro energético del 30%. Otro beneficio del sistema de almacenamiento de energía basado en supercondensadores realizado por Bombardier, es la reducción del tamaño de los motores diesel. En los casos en que no exista ningún sistema de almacenamiento, el motor diesel debe ser dimensionado para proporcionar los picos de potencia. Si esos picos pueden ser proporcionados por las supercondensadores, el tamaño del motor diesel se reduce considerablemente, ya que sólo deberá dar la energía media. Por otro lado, se reduce el coste energético y las emisiones de CO2 entre un 25 y 30% y se da la posibilidad de apagar los motores en las estaciones y túneles.

PRIMOVE (Bombardier Transportation)

Este sistema se caracteriza porque la transferencia de energía no se realiza entre pantógrafo y catenaria, sino que ésta se da por inducción. Los componentes del suministro eléctrico están escondidos bajo el suelo a lo largo del recorrido y no hay contacto físico entre ellos y el vehículo. Los cables extendidos bajo el suelo están conectados al suministro eléctrico, y son energizados únicamente cuando el vehículo los cubre completamente, lo cual, garantiza una operación segura. Bobinas colectoras situadas bajo el vehículo convierten el campo magnético creado por los cables en la corriente que alimenta al sistema eléctrico del vehículo. El sistema PRIMOVE está conectado al MITRAC, el cual almacena la energía eléctrica recuperada durante la frenada y está continuamente cargado durante el servicio, tomando la energía del sistema subterráneo.

Tranvía de Niza (CITADIS de ALSTOM)

La característica principal del tranvía de Niza, en servicio desde el año 2007, es su Sistema de Autonomía de Tracción embarcada (SAT). El SAT está compuesto por un cargador de baterías, disyuntor y aparelaje de conmutación, un sistema de refrigeración, elementos de aislamiento de seguridad y mando y un cofre de baterías de tecnología NiMH. Este sistema permite al tranvía operar sin cables distancias menores de 1km a velocidad máxima de 30km/hora. Para ello, el conductor inicia el modo de autonomía bajando el pantógrafo, por lo que el tranvía circulará apoyado en la energía que obtiene de las baterías. Al llegar de nuevo a la zona con catenaria, se finaliza el modo de autonomía levantando el pantógrafo, con lo que el vehículo funciona nuevamente con energía procedente de la catenaria. Las baterías se recargan durante la operación con cable. Para evitar errores, el tranvía dispone de un sistema de alarmas sonoras y

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visuales que indica al conductor el momento en el que el tramo a recorrer exige un cambio de alimentación. Las características de las baterías son las siguientes:

Citadis 302:

Fabricante: SAFT.

Tecnología: NiMH.

Tipo: NHP10-340.

Tensión nominal: 12V.

Cantidad: 68.

Capacidad: 34 Ah.

Potencia Máxima: 200kW.

Refrigerante: Agua glicolada.

Temperatura de funcionamiento: 25ºC.

Citadis 402:

Fabricante: SAFT.

Tecnología: NiMH.

Tipo: NHP5-680.

Tensión nominal: 6V.

Número: 68+32.

Capacidad: 68 Ah.

Potencia Máxima: 280kW.

Refrigerante: Agua glicolada.

Temperatura de funcionamiento: 25ºC.

Entre todas las ventajas de este sistema destaca la alta densidad de energía, 13.6 kWh. Además, dispone de reserva de energía para modos degradados y las baterías son reciclables por el proveedor. Algunos de los inconvenientes son que la profundidad de descarga y la potencia son limitadas. La velocidad de recarga es lenta y la vida útil es corta (5-7 años). Además, es susceptible a las inclemencias ambientales.

Tranvía de París (ALSTOM) El sistema de almacenamiento de energía del tranvía de París, en servicio comercial desde Septiembre de 2009, está basado en el cofre de supercondensadores STEEM. Éste está formado por 48 módulos (1 módulo contiene 20 celdas conectadas en serie) distribuidos en 6 ramas en paralelo, cada una de ellas con 8 módulos en serie, como se muestra en la siguiente figura: A continuación se indican algunas características del cofre:

Energía utilizable: 1.62 kWh.

Máxima potencia: 500 kW.

Tensión: 400 V.

Velocidad de carga: 15 segundos.

Dimensiones (anchura x profundidad x altura): 2300x1600x590 mm3.

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Peso: 1340 kg.

Mediante el empleo del freno regenerativo la energía de frenado es acumulada en las supercondensadores 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).

Sistema ACR (Trainelec) TRANVIA DE ZARAGOZA Un Acumulador de Carga Rápida (ACR) es un sistema de almacenamiento de energía embarcado que permite tanto la circulación de los tranvías sin necesidad de catenaria, como el ahorro energético por la recuperación de la energía generada durante el frenado. Una de sus características más destacables es que es un sistema modular, donde cada módulo o rama está formado por un determinado número de supercondensadores en serie. Esta modularidad permite configurar el ACR en base a las necesidades de potencia y energía requeridas para cada aplicación, colocando más o menos módulos en paralelo. Además, al estar compuesto por supercondensadores, el sistema tendrá alta densidad de potencia pero baja densidad energética. En caso necesario, es posible colocar una rama de baterías para aumentar la cantidad de energía acumulada. Además de los módulos de supercondensadores y baterías, el ACR contiene un convertidor DC/DC que controla el nivel de tensión y, en algunos casos, actúa como cuello de botella para la potencia. En el funcionamiento del sistema con ACR, el tren inicia la marcha desde la parada con el acumulador completamente cargado. Durante la marcha, el ACR aporta la energía necesaria al tren para su funcionamiento y utiliza el freno regenerativo para frenar. Al llegar a la inter-estación se completa la carga del acumulador, generalmente tomando la energía de la red mediante un sistema de captación en parada. La carga completa de un ACR en la parada dura aproximadamente 20 segundos. La función del ACR en caso de instalaciones con parte de recorrido sin catenaria y parte con catenaria será, por tanto, ahorrar energía en los tramos que hay catenaria y aportar al tren toda la energía necesaria para su funcionamiento en los tramos en los que no la haya. Un tranvía con el sistema ACR instalado presenta las siguientes ventajas:

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Ahorro medio del 30% en el consumo de energía y reducción del 30% de las emisiones de CO2 comparado con el funcionamiento sin acumulador.

Autonomía de hasta 1200 metros.

Datos de un módulo de supercondensadores:

Energía almacenable: 0.775kWh.

Máxima Potencia: 100kW.

Peso: aprox. 370kg.

Dimensiones: 345x1780x750mm3.

Datos de un módulo de baterías:

Energía almacenable: 15kWh.

Máxima Potencia: 48kW.

Peso: 410kg.

Dimensiones: 345x1780x750mm3.

Datos del acumulador:

Rango de tensión en: 500V-900V a la salida del convertidor.

Refrigeración: forzada de aire (aunque compatible con otros sistemas de refrigeración).

Tipo/tecnología del sistema de acumulación: Supercondensadores EDLC, baterías NiMH.

Tensión nominal de trabajo: 750V.

Número de módulos: hasta 5 por equipo.

Temperatura de funcionamiento nominal: -25÷50ºC.

Proyectos Europeos LIFE

El programa de la comisión europea LIFE (Financial Instrument For the Environment) comenzó en 1992 y ha co-financiado hasta 130 proyectos relacionados con la energía. Actualmente varios proyectos relacionados con el transporte urbano están siendo cofinanciados: LNG tanker, PVTrain, Traffic legislation, EPCOS y ECOBUS. El proyecto está enfocado a combustibles alternativos y nuevas tecnologías para vehículos, información al consumidor y cambio de comportamiento, transporte público, control del tráfico y sistemas inteligentes. Dentro del proyecto EPCOS (Braking-energy storage in public Light-rail systems) se realizó el estudio y desarrollo de un sistema de almacenamiento de energía mediante volante de inercia en un autobús, con el objetivo de ahorrar hasta el 30% de la energía consumida. Este proyecto fue desarrollado entre 1997 y 2000. Sin embargo, la tecnología de almacenamiento seleccionada no estaba suficiente madura en aquellos momentos para su aplicación en la tracción y los resultados no fueron satisfactorios. El fracaso fue debido básicamente a la falta de seguridad de la colocación de un volante de inercia en una zona cercana a los pasajeros, el coste y el mantenimiento.

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Sin embargo este proyecto dio pie a utilizar el mismo concepto para desarrollarlo con supercondensadores, obteniendo unos resultados económicos y medioambientales mucho mejores que con el volante de inercia.

Proyecto Europeo EVENT El proyecto EVENT (Evaluation of Energy Efficiency Tecnologies for Rolling Stock and Train Operation of Railways) finalizado en Marzo 2003, trata de dar una idea global del estado del arte sobre las tecnologías eficientes de energía y las experiencias y proyectos relevantes desarrollados hasta el momento. Se centra básicamente en el consumo energético de los sistemas de tracción ferroviaria. En dicho análisis, se remarcan dos tendencias principales para la mejora del uso energético en la tracción ferroviaria:

Estrategias de conducción energéticamente eficientes.

Frenado regenerativo. Con respecto a la última tendencia, se remarcan las tecnologías actuales y los conceptos innovadores para el futuro.

Proyecto europeo CUTE Durante los años 2004 y 2005 se pusieron en servicio 27 autobuses CITARO alimentados por pila de combustible de hidrógeno en 7 ciudades europeas. Esta experiencia, desarrollada en Hamburgo, Luxemburgo, Londres, Reykiavik, Ámsterdam, Barcelona y Madrid, ha permitido acumular cerca de un millón de km en diferentes líneas de autobuses con gran variedad de condiciones climáticas, de orografía, velocidad de tráfico y tipo de servicio. Aunque la fiabilidad de estos sistemas no es aún la deseable para este tipo de explotación y menos para el transporte ferroviario los resultados obtenidos han sido bastante satisfactorios.

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ABASTECIMIENTO DE ENERGÍA

SUBESTACIONES

Una subestación de tracción es una subestación eléctrica que transforma energía eléctrica en la forma obtenida de la industria de energía eléctrica de uso público a un voltaje, tipo de corriente y frecuencia apropiados, para abastecer los ferrocarriles tranvías y trolebuses de tracción eléctrica.

Conversiones

Estos sistemas pueden utilizarse para transformar la corriente alterna trifásica de 50 o 60 hercios de frecuencia a una corriente monofásica de frecuencia inferior, como la usada en muchos sistemas obsoletos, o para aquellos sistemas que usan corriente continua como energía de tracción, por ejemplo los sistemas de transporte público primarios.

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Equipamiento

Rotativo

Originalmente, el equipo para la conversión normalmente consistía en uno o más sets de motores generadores compuestos por motores trifásicos de corriente alterna y generadores monofásicos de corriente continua, mecánicamente emparejados a un eje común. Los convertidores rotativos fueron también usados, especialmente donde se demandaba una salida de corriente continua derivada de una corriente de entrada alterna.

Estático

En los años 20, la corriente continua se obtenía usando válvulas electrónicas, con rectificadores de arco de mercurio. En sistemas modernos, las estaciones de de alto voltaje adosadas son utilizadas en lugar de equipamiento mecánico para convertir energía en un rango de diferentes frecuencias y fases de corriente alterna y los sistemas rectificadores de tiristores son los encargados de transformar la corriente continua a alterna para uso en tracción eléctrica.

Ubicación

Las plantas de transformación de corriente de tracción o bien descentralizadas o centralizadas:

Descentralizadas: donde una planta abastece directamente las catenarias o el sistema de tercer rail sin alimentar una red de distribución eléctrica

Centralizadas: Se da el abastecimiento de la red eléctrica además de abastecer la catenaria o el tercer rail.

FRENADA REGENRATIVA EN TRENES

Introducción

La forma más común de frenada regenerativa implica el uso de un motor eléctrico como generador. En trenes eléctricos la electricidad generada es devuelta al sistema de abastecimiento, mientras que en vehículos híbridos o eléctricos alimentados por baterías, la energía en almacenada químicamente en la batería, eléctricamente en la célula de supercondensadores, o mecánicamente en un volante de inercia.

Los vehículos híbridos e hidráulicos usan motores hidráulicos y almacenan energía a través de aire comprimido.

Limitaciones

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Los frenos de fricción tradicionales son usados conjuntamente a frenos regenerativos por las siguientes razones.

El efecto de frenada regenerativa se reduce a velocidades bajas, por ello los frenos de fricción siguen siendo necesarios para proporcionar al vehículo una detención completa. El freno de mano es también requerido para evitar que los vehículos rueden cuesta abajo.

Los frenos de fricción son necesarios además en caso de fallo de los frenos regenerativos.

La mayoría de los vehículos con sistemas de frenada regenerativa no poseen tracción a las cuatro ruedas y la energía recuperada de los frenos solo interesa a las ruedas tractoras porque son las únicas ruedas unidas al motor, así que para poder garantizar un control de frenada en condiciones adversas, como carreteras mojadas, los frenos de fricción son necesarios en el resto de ruedas.

El conjunto de energía eléctrica captada de la disipación es limitada por la capacidad de los sistemas de almacenamiento de absorberla y por el estado de carga de las baterías y los condensadores. Si las baterías están totalmente cargadas podría haber un exceso de energía, por lo que se incorporan los frenos de fricción para absorberla.

En caso de emergencia de frenada es deseable que la fuerza de frenado ejercida sea la máxima permitida por la fricción entre las ruedas y la superficie sin deslizamiento, a lo largo de todo el rango de velocidades del vehículo. La máxima fuerza disponible para la aceleración es normalmente mucho menor que la de frenado excepto en caso de vehículos de competición, en el caso de frenada de emergencia, la energía a disipar será por tanto varia veces la solicitada por la aceleración. El sistema debe estar preparado para asumir estos picos de energía a disipar.

Por estas razones existe normalmente la necesidad de control de la frenada regenerativa y establecer la relación entre fricción y la energía de frenada regenerativa que se desea extraer. El GM EV-1 fue el primer vehículo comercial en realizar este tipo de control.

Lo ingenieros Abraham Farag y Loren Majersik desarrollaron dos patentes de esta tecnología.

Por otro lado, este tipo de tecnologías emergentes presentan un plus de riesgo, en términos de seguridad. En los primeros vehículos eléctricos con frenada regenerativa, los mismos controladores se encargaban de proporcionar energía o de accionar la frenada regenerativa, con las distintas funciones intercambiadas con interruptores separados. Esto conllevó un número importante de accidentes donde los conductores aceleraban los trenes accidentalmente cuando pretendían frenar, como el descarrilamiento de Wändenswil en suiza en 1948, en el que fallecieron 21 personas.

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Regenerative Brakes

La frenada regenerativa tiene una ecuación similar a la usada en los volantes de inercia. Es un proceso de dos etapas en las que intervienen el motor/generador y la batería. La energía cinética inicial es transformada en energía eléctrica por el generador y a continuación es transformada energía química en la batería. Este proceso es menos eficiente que el producido en el volante de inercia. El rendimiento viene expresado por la siguiente expresión:

Donde:

es el trabajo recibido por el generador.

es el trabajo que produce el generador.

El único trabajo producido en el generador es el debido a la energía cinética inicial del tren y el único trabajo producido por el generador es la energía eléctrica. Reordenando la ecuación para despejar la potencia generada por el generador se obtiene:

Donde:

es el tiempo de frenada. es la masa del tren. es la velocidad inicial antes de empezar a frenar.

El rendimiento de la batería viene dado por:

Donde:

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El trabajo externo de la batería representa la cantidad de energía producida en al frenada regenerativa.

Descriptiva frenos electromagnéticos

Los frenos electromagnéticos, disminuyen el movimiento a través de fuerzas electromagnéticas que transmiten resistencia mecánica. Desde que se popularizaron durante la primera mitad del siglo XXm especialmente en trenes y tranvías, la variedad de sistemas y aplicaciones de estos frenos se ha incrementado drásticamente. Pero el funcionamiento básico ha sido el mismo.

Aplicaciones

En locomotoras, una unión mecánica transmite el par a un componente electromagnético del freno

Los tranvías y trenes usan frenos de vía electromagnéticos donde el elemento de frenado es presionado por fuerzas magnéticas contra los raíles.

Motores eléctricos en aplicaciones industriales y elctrónicas también emplean frenos electromagnéticos.

Innovaciones recientes en los diseños han dado lugar a aplicaciones en el campo de la aeronáutica. En esta aplicación, una combinación motor generador es usada primero como motor para girar los neumáticos antes del aterrizaje, reduciendo el desgaste de los mismos, y luego como generador recuperando energía de la frenada.

Tipos

Freno de una cara

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Un freno de placa de fricción usa un único superficie de fricción del plato para engranar con los elementos de entrada y salida del embrague.. Estos frenos suponen el 80% de todas las aplicaciones de frenada regenerativa.

Frenos desconectados

Set de freno electromagnético desconectado.

Los frenos no conectados paran o mantienen la carga cuando la potencia eléctrica es o accidentalmente perdida o intencionalmente desconectada. En el pasado, algunas compañías se han referido a ellos como frenos de fallo seguro. Estos frenos son normalmente usados en un motor eléctrico cercano. Las aplicaciones más comunes incluyen robots en servomotores. Los frenos están disponibles en varios voltajes y pueden tener o no holguras. Se pueden usar varios discos para incrementar el par de frenado sin incrementar el diámetro del freno. Hay dos principales tipos de frenos de contención. El primero es el freno por muelles. El segundo es el freno de imanes permanentes.

Tipo Muelle. Cuando no hay electricidad aplicada al freno, el muelle empuja contra el plato de presión, comprimiendo el disco de fricción entre el plato de presión interno y el plato externo de cubierta. Esta fuerza pinzada es transmitida al núcleo, que está acoplado al eje.

Tipo imane permanente – Un freno de imán permanente parece muy similar a un freno electromagnético. En vez de comprimir un disco de fricción, por unión, los imanes permanentes generan líneas de flujo, que pueden a su vez atraer la armadura hacia la cámara de freno. Para desconectar el freno, se aplica energía a un bobina que genera un campo magnético opuesto al campo magnético de los imanes permanentes.

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Ambos sistemas de frenos sin conexión se mantienen accionados cuando no se les está aplicando energía. Son normalmente usados para amarrar o parar en caso de pérdida de potencia o cuando la energía no está disponible en el sistema. Los frenos de imanes permanentes generan un par de frenado muy grande para su tamaño, pero también requieren una corriente permanente para revertir el campo magnético. Los frenos de muelles no requieren corriente continua, pueden simplemente usar rectificadores, pero tienen un diámetro mayor o necesitan más discos de fricción.

Freno de partículas magnéticas

Los frenos de partículas magnéticas son únicos en diseño con respecto a otros frenos electromecánicos debido al estrecho rango de par disponible. Como freno electromagnético, la relación par voltaje es lineal, sin embargo en un freno de partículas magnéticas, el par puede ser controlado de forma muy precisa. Esto hace a estos dispositivos ideales para aplicaciones de tensión controlada. Debido a su rápida respuesta, pueden ser utilizados como lectores magnéticos, clasificadoras etc…

Las partículas magnéticas, muy similares a limaduras de hierro, se ubican en la cavidad de polvo. Cuando se aplica electricidad a la bobina, el flujo magnético resultante intenta mantener las partículas unidas, casi como un granizado de partículas magnéticas. Según se incrementa la corriente, la unión de las partículas se hace más fuerte. El rotor del freno atraviesa a través de estas partículas atadas. La zona externa de la carcasa es rígidamente unida a una parte de la máquina. Según las partículas se unen, se genera una fuerza en el rotor, ralentizando y algunas veces frenando la salida del eje.

Cuando la electricidad se retira del freno, la entrada es libre de girar según el eje. Al encontrarse las partículas magnéticas en la en una cavidad, se le suele asociar cierta resistencia aerodinámica a ellas.

Frenos por histéresis

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Los frenos por histéresis tienen un amplio rango de par. Al poderse controlar de forma

remota, son ideales para ensayar aplicaciones en las que una variación del par sea

necesaria. Al ser la resistencia aerodinámica mínima, estas unidades poseen el mayor

rango de par de cualquier producto que funcione por histéresis.

Cuando se aplica electricidad al campo, se genera un flujo magnético interno. Este flujo es transferido al disco de histéresis atravesando el campo. El disco de histéresis está unido al eje del freno. Una resistencia magnética en el disco de histéresis permite una resistencia constante o una parada eventual a la salida del eje.

Cuando se retira la electricidad del freno, el disco de histéresis es libre de girar, y no se transmite fuerza relativa entre ningún componente. Así, el único par dado entre la entrada y la salida es el debido a los cojinetes.

Freno de discos múltiples

Los frenos de múltiples discos son usados para desarrollar un alto par en un menor espacio. Estos frenos pueden ser usados tanto en seco como en mojado, lo que los

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hace muy buenos para funcionar en aplicaciones con cajas de cambios, aplicaciones con herramientas o en todoterrenos.

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REFERENCIAS

elbitsystems.com

en.wikipedia.org

www.globalmasstransit.net

www.parrypeoplemovers.com

www.compositesworld.com

www.railwaygazette.com

whatis.techtarget.com

www.nrel.gov

railgallery.wongm.com/

www.theweeklyreviewbayside.com.au

www.medcom.com.pl

ec.europa.eu/environment/