Rail Baltica es el gran proyecto del noreste de Europa, una línea ferroviaria de altas prestaciones que se extenderá a lo largo de 870 kilómetros en las tres repúblicas, gracias a una inversión de 5.800 millones de euros y la creación de cerca de 36.000 puestos de trabajo. El proyecto incluye cinco países de la Unión Europea: Polonia, Lituania, Letonia, Estonia e, indirectamente, también Finlandia. Conectará Helsinki, Tallin, Pärnu, Riga, Panevéžys, Kaunas, Vilna y Varsovia. Calificada por los ministros de Transporte de las Repúblicas Bálticas como el gran proyecto de recuperación económica, lo cierto es que la ejecución de Rail Baltica implica a gran parte del sector de la ingeniería y construcción ferroviaria europea, incluyendo a Ineco, que participa hasta la fecha en cuatro proyectos encaminados, de acuerdo con las indicaciones de la UE, a lograr la compatibilidad técnica de la infraestructura, el material rodante, los sistemas de señalización y otros sistemas y procedimientos para su total integración en la red ferroviaria europea.

UN CORREDOR SOSTENIBLE. La nueva línea ferroviaria generará, además de beneficios económicos, importantes mejoras ambientales y sociales.

El anillo de Riga, el tramo urbano más complejo

El diseño técnico del tramo de alta velocidad de 56 kilómetros que atraviesa la ciudad de Riga, capital de Letonia, es el más complejo de la línea al atravesar varios municipios densamente poblados y desarrollarse en paralelo al corredor ferroviario de los ferrocarriles letones. Ineco e Idom ganaron este contrato en julio de 2019.

El trazado está dividido en tres subsecciones (Design Priority Sections, DPS): Upeslejas-Riga Central (DPS 2); Tornakalns-Imanta (DPS 1) y aeropuerto internacional de Riga-Misa (DPS 3). Cada una de ellas posee su propia identidad y características totalmente diferenciadoras. La sección DPS 1 se caracteriza por ser la más urbana de las tres, ya que atraviesa el municipio de Riga en su totalidad, además de zonas de gran valor patrimonial. Es en esta DPS 1 en la que se encuentra el único túnel del trazado. La sección DPS 2 atraviesa Riga y Stopini, no resultando ya tan urbana como la anterior. En esta DPS se generan un viaducto ferroviario de gran entidad que se deberá construir sobre el trazado de los ferrocarriles letones. Finalmente, la sección DPS 3, la menos urbana de todas, se caracteriza por entrecruzarse con diversas autopistas generando varias estructuras en estos cruces.

El proyecto incluye varias mejoras, entre ellas la alineación de las vías para lograr la máxima velocidad posible en los diferentes tramos, así como una mejora de la permeabilidad y seguridad de la ciudad de Riga al generar más de una docena de cruces peatonales (en forma de pasarelas o de pasos inferiores) habilitados para peatones, ciclistas y personas discapacitadas. También se mejorará la circulación viaria de la ciudad, ya que se proyectan nuevos puentes y nudos viarios de mayor capacidad que las estructuras actuales. Cuenta con un plazo de ejecución de 24 meses y colinda al norte con el trabajo recientemente adjudicado a Ineco de Letonia Norte.

Con más de 600.000 habitantes, Riga es la ciudad más poblada de los países bálticos y su situación geográfica la convierte en un enclave estratégico para el transporte de personas y mercancías. Ubicada en la desembocadura del gran río Daugava, a pocos metros sobre el nivel del mar, la ciudad es uno de los centros económicos y financieros más importantes de la región báltica. Esta circunstancia, más el hecho de que sea Patrimonio de la Humanidad por la Unesco, hacen de esta ciudad y sus alrededores un foco de atracción de población en el que la mejora de su red ferroviaria es vital para el desarrollo económico y social.

Letonia Norte,  el gran trazado entre bosques y humedales

Ineco liderará, en consorcio con Ardanuy, el diseño y la supervisión del diseño durante la ejecución de las obras de un tramo de 94 kilómetros de ancho europeo, que une la ciudad de Vangaži, al noroeste de Riga, con la frontera entre Letonia y Estonia, en un contrato que suma un importe total de casi 14 millones de euros.

El contrato de Letonia Norte, firmado recientemente, es uno de los grandes proyectos ferroviarios de Rail Baltica y el cuarto que desarrolla Ineco para esta nueva y ambiciosa infraestructura del noreste de Europa que integrará los Estados Bálticos en la Red Transeuropea de Transportes (TEN-t).

Las estimaciones preliminares de este tramo incluyen, además de tres estaciones, relevantes y complejas nuevas infraestructuras como 36 viaductos de carretera, 3 ecoductos y 16 puentes ferroviarios, entre ellos destaca el viaducto sobre el río Gauja, el mayor de toda línea con aproximadamente 1,5 kilómetros de longitud total y más de 150 metros de vano, para cuya elaboración el consorcio contará con la participación de la firma Carlos Fernández-Casado SL como colaborador especialista en estructuras, reconocida por el diseño y supervisión de grandes puentes, algunos de ellos entre los de mayor luz del mundo.

Todos los trabajos que Ineco está llevando a cabo para Rail Baltica están desarrollados con tecnología BIM

El alcance de los trabajos se divide en dos fases, la de diseño, con una duración prevista de 30 meses, y la de su supervisión de los trabajos diseñados durante la construcción con una duración estimada de cinco años. Ineco liderará el proyecto con el desarrollo de toda la parte ferroviaria, además del diseño completo de las carreteras y los trabajos de geotecnia. El proyecto será desarrollado íntegramente en BIM, desde las fases iniciales de estudio de soluciones y optimización de la traza hasta las fases de diseño de detalle que permita la ejecución de la obra civil.

Óptimas soluciones de electrificación

Las subestaciones previstas se asemejan a esta situada en Tábara (Zamora), España. FOTO_INECO

El estudio del subsistema de energía de toda la línea ha sido el primer contrato de Ineco para Rail Baltica. Ganado en consorcio con Ardanuy, se trata de un exhaustivo análisis en el que se han evaluado las mejores tecnologías disponibles y un diseño encaminado a reducir los costes del ciclo de vida.

El estudio ha tenido como fin elegir las soluciones tecnológicas óptimas para las distintas disciplinas del subsistema de energía (subestaciones de tracción, catenaria y telemando de energía), definir el modo de licitar su diseño y construcción, y concretar la estrategia de implementación. Gracias a este trabajo, Rail Baltica ha adquirido un conocimiento base que le facilitará abordar las próximas licitaciones del diseño y asistencias técnicas.

La energía paso a paso:

• Estudios de demanda energética.
• Análisis y estimación de potencia de las Eléctricas y redes de distribución.
• Subestaciones de tracción, línea aérea de contacto y sistemas de control de energía.
• Implementación y plan de adquisiciones.

Esta medida mejora la eficiencia energética de la instalación de suministro eléctrico a la tracción de la red convencional y reduce sus emisiones a la atmósfera. El primer trabajo realizado por la compañía fue la redacción del proyecto constructivo para la instalación de un equipo recuperador de energía de frenado regenerativo en la subestación de tracción de La Comba, en la provincia Málaga, que se puso en servicio en el año 2014. Se trata de la única instalación en servicio de este tipo en la red convencional (ver ITRANSPORTE 44). El recuperador ha permitido devolver a la red eléctrica algo más de 1 GWh/año, lo que representa un ahorro superior al 12,50 % del consumo energético anual de la línea Málaga -Fuengirola, reduciendo las emisiones de CO₂ en unas 230 toneladas/año (considerando un factor de conversión de 0,23127 Kg de CO₂ por kWh). La inversión realizada prevé recuperarse en un plazo inferior a los 10 años.

El éxito de este primer recuperador de energía motivó a Adif a instalar nuevos equipos recuperadores en otras subestaciones. Desde 2015, se han estado realizando simulaciones de líneas convencionales para identificar las subestaciones con mayor capacidad de recuperación de energía. Se han modelizado las instalaciones ferroviarias considerando datos relativos al material móvil, mallas de circulación, perfil geométrico de la plataforma ferroviaria, características de la instalación de electrificación, modos de conducción, etc.

La recuperación de energía de frenado regenerativo en la red convencional es una de las medidas recogidas en los Planes Directores de Ahorro y Eficiencia Energética de Adif y Adif AV. Es también una de las actuaciones de eficiencia energética incluidas en el Programa de ayudas para actuaciones de eficiencia energética en el sector del ferrocarril (Resolución de 30 de noviembre de 2015, BOE-A-2015-13117) del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía, IDAE. La ayuda económica aportada por este organismo al aprovechamiento de la energía de frenado es del 30% de la inversión. Adif tiene previsto tener en servicio 12 nuevos recuperadores de energía entre 2019 y 2020, y está estudiando extender la instalación de estos equipos en su red, principalmente en las líneas de cercanías.

Puesta en servicio de 12 equipos recuperadores

Las primeras simulaciones realizadas por Adif durante los años 2015 y 2016 para varias líneas convencionales, identificaron las subestaciones de Alcorcón, Getafe, Guarnizo, Olabeaga, Martorell y Arenys de Mar como las de mayor capacidad para recuperar energía, por tanto, las óptimas para la instalación de equipos recuperadores. Para estas seis instalaciones, Ineco elaboró la documentación para la solicitud de ayudas al IDAE, valorada favorablemente por este organismo en enero de 2017, redactó los proyectos constructivos para la instalación de los equipos recuperadores y está llevando a cabo la dirección y asistencia técnica de las obras.

En 2017, Adif realizó un segundo grupo de simulaciones, seleccionandose las subestaciones de Tres Cantos, Alcalá de Henares, Pinto, Leganés, Granollers y Castellbisbal. Igualmente, Ineco elaboró la documentación de solicitud de ayudas al IDAE, que se resolvió favorablemente en febrero de 2018, ha redactado el proyecto constructivo y cuenta con realizar también la dirección y asistencia técnica de las obras. Se prevé que el primer grupo de subestaciones entre en servicio a mediados de 2019, y el segundo lo haga en 2020.

Mediante la puesta en servicio de estos 12 recuperadores, se espera un ahorro energético de unos 18,5 GWh/año, lo que significa una reducción de emisiones de CO₂ próxima a 4.300 t/año y un ahorro económico de algo más de 1,3 MÄ/año. Considerando la ayuda del IDAE del 30 % de la inversión, se prevé que la recuperación de la misma, algo más de 8 MÄ, se consiga en unos 6 años. Se seguirán realizando nuevas simulaciones para extender la instalación de equipos recuperadores en la red ferroviaria convencional, tal y como se ha adelantado.

Fundamentos teóricos

Cuando las unidades utilizan el freno eléctrico, que puede ser reostático o regenerativo, transforman la energía cinética del tren en eléctrica. Sus motores actúan como generadores, frenando las ruedas haciendo la conversión energética. Esta energía se emplea en el suministro a los servicios auxiliares del propio tren, y el resto, si el freno es regenerativo, es transferido a la catenaria, elevando la tensión en la misma.

La instalación del primer equipo recuperador de energía de frenado regenerativo en la subestación de tracción de La Comba ha permitido devolver a la red eléctrica algo más de 1 GWh/año.

Parte de la energía vertida a la catenaria es aprovechada por otros trenes que la demandan en el mismo instante en que es regenerada, y el excedente es, o bien vertido a la red eléctrica si las subestaciones de tracción son reversibles (permiten un trasiego de energía bidireccional: desde la red hacia la catenaria y viceversa) o bien es disipada en forma de calor en las resistencias de frenado instaladas a bordo de los trenes si las subestaciones no son reversibles.

Las subestaciones de tracción de líneas de alta velocidad son reversibles, pues son de corriente alterna (c.a.). Sin embargo, las subestaciones de sistemas electrificados en corriente continua (c.c.), tales como metros, tranvías, líneas ferroviarias convencionales, etc., no son reversibles, pues para el cambio a c.c. se utilizan rectificadores que solo permiten el flujo de energía en un sentido, desde la red eléctrica a la catenaria.

El gráfico muestra el esquema general de la instalación de recuperación de energía en la subestación de La Comba.

Para convertir en reversibles las subestaciones convencionales es necesaria la instalación de un equipo inversor de corriente (convertidor c.c./c.a.) y unos elementos de interfaz con la subestación tales como cabinas de c.c. y c.a., cableado, cuadros eléctricos, instalaciones de control y telemando, etc. El conjunto de estos elementos constituye el recuperador de energía de frenado.

El recuperador de energía detectará cuándo existe excedente de energía de frenado en la catenaria, habilitando el funcionamiento del inversor para que convierta esta energía eléctrica en forma de c.c. presente en la catenaria en c.a. y se pueda inyectar en la red eléctrica.

El ciclo de carga del inversor a instalar

Ineco ha colaborado con Adif en la selección del ciclo de carga del inversor a instalar en su red convencional. Del mismo modo que otros equipos instalados en las subestaciones de tracción, tales como rectificadores y transformadores, el inversor ha de ser un equipo estándar, instalable en diferentes subestaciones de la red convencional, no particularizado para instalaciones concretas.

Una vez realizadas las simulaciones eléctricas que condujeron a la selección de las subestaciones de Alcorcón, Guarnizo y Olabeaga, se dispuso de información para caracterizar la potencia recuperable.

El perfil de potencia recuperable responde a la gráfica del tipo mostrado a continuación. Se trata de pulsos, debidos a las frenadas de los trenes, cuya amplitud es variable, al igual que su duración y separación en el tiempo.

Los parámetros que caracterizan los pulsos son: amplitud, duración de los pulsos y tiempo entre frenadas.

Para determinar el ciclo de carga del inversor, definido tal y como se indica posteriormente, el perfil de potencias vertibles se aproximó a una secuencia de pulsos de amplitud constante, de valor la media cuadrática de los valores instantáneos de potencia, calculada para el tiempo de duración del pulso.

El ciclo de carga del inversor se define a través de los parámetros: potencia máxima (P_MAX), duración del pulso de potencia máxima (T₁) y tiempo de enfriamiento (T₂).

Un inversor con el ciclo de carga indicado debe ser capaz de transferir permanentemente cada T₁+T₂ segundos un pulso de potencia de valor P_MAX y duración T₁ segundos. Para recuperar el 100% de la energía vertida por los trenes en el entorno de la subestación, la envolvente del ciclo de carga del inversor debería contener todos los perfiles de potencia vertibles. Sin embargo, la optimización de la relación coste de inversión-energía recuperada, es decir, la máxima energía recuperada para una dimensión de los inversores económicamente razonable, determinó que el ciclo de carga del inversor seleccionado quedará determinado por los siguientes valores: P_MAX= 2,5 MW, T₁= 40 s y T₂= 120 s.

El inversor con esta característica de potencia era capaz de recuperar los siguientes porcentajes de energía vertible para las tres simulaciones contempladas en el estudio de determinación del ciclo de carga: subestación de Alcorcón > 73,15%, subestación de Olabeaga > 92,11% y subestación de Guarnizo > 99,97%.

Un inversor mayor hubiera posibilitado la recuperación de la totalidad de la energía disponible, no obstante, su coste no hubiera hecho viable la inversión.

Otro paso en la estandarización de la instalación del recuperador de energía fue identificar los equipos que pueden especificarse con precisión, independientemente del diseño concreto del inversor realizado por la empresa tecnológica, para así reducir el alcance del suministro de esta empresa. Con esto, se consigue que las instalaciones de recuperación de energía de distintas subestaciones solo se diferencien en el inversor y en los equipos directamente ligados a su diseño, principalmente accionamientos y filtros de c.c. y c.a. y transformadores a la salida del inversor.

Diseño de las instalaciones de recuperación de energía en subestaciones convencionales

Teniendo en cuenta la carencia de espacio libre en el interior de los edificios de control de las subestaciones, la instalación del recuperador de energía es externa a dichos edificios, concretamente se realiza en dos casetas designadas como caseta de maniobras y caseta del inversor. En la caseta de maniobras se instala el equipamiento de interfaz con la subestación y en la del inversor el propio inversor.

La caseta de maniobras.

La caseta del inversor.

Esquemas generales de las instalaciones de recuperación de energía

El esquema general del equipo recuperador de energía a instalar en las subestaciones de Alcorcón, Getafe, Guarnizo, Olabeaga, Martorell y Arenys de Mar (en la imagen) difiere del implantado en la subestación de La Comba en que el inversor puede conectarse en paralelo con cualquiera de los dos rectificadores de la subestación. Así, siempre se recuperará energía independientemente de cuál sea el modo de explotación de la subestación. Con objeto de reducir la interfaz entre el equipo recuperador y la subestación, se ha modificado el esquema de conexión del equipo recuperador con dicha subestación. La nueva solución consiste en conectar el recuperador entre el embarrado de c.c. de la subestación, barra ómnibus, y el embarrado general de c.a., aguas abajo del equipamiento de medida fiscal, para permitir la lectura de la energía devuelta a la red. Para esta conexión se requiere la instalación de un transformador elevador en serie con el inversor que adapte la tensión de salida de este equipo a la de la acometida de la subestación.

En la imagen, el esquema previsto para las subestaciones de Tres Cantos, Alcalá de Henares, Pinto, Leganés, Granollers y Castellbisbal y, si no existen nuevas modificaciones, el que se adoptará en futuras instalaciones de recuperación de energía en subestaciones de la red convencional.