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 (PMAX), 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 PMAX 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: PMAX= 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.