Mundo Ferroviario

Tracción Eléctrica Ferroviaria y Sostenibilidad

Mundo Ferroviario

 Por Javier Cáceres

Trabajar en transporte ferroviario, en Latinoamérica y en el siglo XXI, implica asumir un reto. Uno muy importante. 

América Latina es una región del mundo que, pese a sus distintos problemas,  continúa en franco crecimiento de capacidades económicas, industriales, culturales, comerciales y turísticas; con clara tendencia a continuar. Para hacerlo requiere de varias cosas, pero particularmente una: energía. Bien gestionada, es un factor fundamental para transformar crecimiento en desarrollo. 9 de los 17 Objetivos de la Agenda 2030 para el Desarrollo Sostenible de la ONU, se refieren directa o indirectamente a la interrelación responsable entre el medio ambiente y el uso de los recursos, por lo que es menester analizar el papel (actual y futuro) que juega el transporte en una región con abundantes ecosistemas por proteger. 

 

Transporte e impacto

Los combustibles líquidos derivados del petróleo proliferan en la industria, principalmente por su capacidad térmica y facilidad de almacenamiento a bordo de los vehículos durante el desplazamiento. Pero hablar de transporte también es hablar de emisiones de COlas cuales conllevan grandes efectos negativos directos e indirectos. Los daños en la salud de las personas, la afectación en la calidad del aire, el agotamiento de los recursos, la contribución al efecto invernadero y al calentamiento global; todas estas consecuencias son asumidas por todos, sin discriminar dónde se llevaron a cabo las emisiones ni en beneficio de quién. Queda claro que hablar de transporte es hablar de CO2, pero ¿en qué medida? 

Fuente: International Energy Association. IEA e IPCC (2014)

La imagen es muy explícita. Del total de emisiones globales, el 22% corresponde al transporte; mientras que, de ese total del sector, solamente 1 de cada 25 partes corresponde al transporte ferroviario. Si además de ver el presente, consideramos que la OPEP proyecta un incremento el consumo de petróleo en Latinoamérica superior al 24% para el año 2045 [1] , es innegable que existen oportunidades inmejorables para la expansión de las soluciones de transporte por ferrocarril en la región. 

Entre las características y escenarios en los que el ferrocarril tiene ventajas competitivas, vengo a referirme a una en específico: la tracción eléctrica. 

 

 

Tracción eléctrica ferroviaria

Las ventajas del uso de tracción eléctrica frente a la tracción diesel son muy claras, tanto desde el punto de vista operativo, energético como medioambiental: 

Operación: Los trenes eléctricos ofrecen mejores velocidades de operación, lo cual los hace más atractivos para los viajeros. La barrera de los 250 km/h ha sido superada gracias a la tracción eléctrica y no existe en el mundo operación ferroviaria que la supere de otro modo. El cálculo de costos operativos es más estable por no depender directamente de la volatilidad del precio del petróleo, lo que permite mayor rentabilidad y aprovechamiento de los recursos. También, cabe mencionar que un sistema de tracción eléctrica permite mejores índices de mantenibilidad, al contar con un diseño más simple y de menos partes. 

 

Energía: La eficiencia total del sistema es mayor; es decir, la energía se aprovecha mucho mejor. Desde que se produce, la energía sufre pérdidas “aguas arriba” o “well to tank” en los procesos de generación, transmisión y distribución, pero el total va a depender mucho de la tensión de suministro. Normalmente suelen ser ligeramente mayores a las de la cadena de suministro diesel, pero es a bordo del vehículo donde la cosa cambia mucho. La eficiencia “tank to wheel” de la tracción eléctrica ronda el 90% en casi toda la banda de RPMs, mientras que la de un motor diesel apenas alcanza el 35% en condiciones ideales. 

 

Además, existe la posibilidad de uso del freno regenerativo para aprovechar parte de la energía del frenado y así alimentar los sistemas auxiliares del tren, disminuir el frenado reostático y devolver energía a la catenaria para ser aprovechada por otras unidades, si las condiciones así lo permiten [2] . Existen alternativas para el mejor aprovechamiento de esa energía, las que explicaré con mayor detalle más adelante en este artículo.

Medioambiente: Desde el punto de vista ambiental, la tracción eléctrica presenta alguna ventaja en la disminución en los niveles de contaminación sonora y otras, aunque leves. Su principal ventaja radica en su baja huella de carbono, lo cual también tiene condicionantes. 

 

La generación eléctrica se produce a través de distintos modos y cada país tiene su propio mix, el cual podría incluir métodos de alta emisión de CO2. Es decir, la energía eléctrica no es igual de “limpia” en todos lados. Veamos algunos ejemplos de mixes de generación eléctrica en algunos países de América Latina:

Como es de esperarse, la región muestra alta variabilidad en sus mixes de generación eléctrica, ya que es una función de los recursos y condiciones geográficas que cada una posee. Es importante decir que -en promedio- América Latina está por encima de los valores estándares del resto del mundo en 2020: 29% de renovables, 10% nuclear, 58% de energías no renovables  [3] . Sin duda, este escenario presenta oportunidades para el desarrollo de soluciones de transporte ferroviario sostenible, donde sea inteligente llevarlas a cabo y enfrentando los retos que aún quedan por superar.

 

Retos y oportunidades 

Electrificación de líneas

Electrificar una línea existente significa incurrir en costos más que significativos. La inversión inicial implica la instalación de catenaria, agujas eléctricas, subestaciones, protecciones de línea, redundancia en acometidas, etc. Para operaciones a cargo de la infraestructura y también del material rodante, existen algunas ventajas en la reducción de los costos de explotación y mantenimiento; es entonces que el criterio para la decisión de electrificar una línea radica en la evaluación del tráfico actual y futuro de la misma.

 

En Europa se estima que el costo medio por kilómetro ronda el medio millón de euros para vía doble, haciendo economías de escala y en condiciones muy favorables  [4] . Es vital tener en cuenta que los costos son altamente dependientes de la orografía del lugar, la tensión de suministro, el acceso a transmisión eléctrica, la necesidad de modificar gálibos en túneles y/o puentes, entre otros. La Association of American Railroads (AAR) estima que el costo alcanzaría los 4,8 millones de dólares por milla, manifestando que no es una prioridad para la industria de Estados Unidos y que seguirán evaluando el uso de biocombustibles, hidrógeno, celdas de combustible u otras alternativas. Varios especialistas discrepan con la AAR en este asunto, argumentando que la estimación de costo está basada en data desactualizada, con la finalidad de mostrar el peor escenario y así desincentivar la discusión al respecto. Jim Blaze, economista ferroviario y autor del portal FreightWaves, considera que la discusión está lejos de terminar y propone que se evalúe para determinados escenarios [5] . La noción de “todo o nada” propone un análisis muy simplista y evita la formulación de preguntas complejas y análisis profundos; la historia nos muestra que las soluciones más inteligentes han sido siempre hijas de estos procesos. 

Una buena muestra de ello es la reciente decisión de electrificar 690 km del trazado del Tren Maya (un 43% del total) en función de las necesidades operativas y ambientales del proyecto; clara evidencia también que existe un costo temporal asociado a la decisión, no es lo mismo diseñar una línea electrificada que electrificar una construida.  

Se puede hablar largo y tendido sobre cómo reducir los costos, cuándo incurrir en ellos, cuáles asumir, de qué manera, a qué riesgo, etc. Pero tal vez la pregunta más importante no es ninguna de las anteriores, sino: ¿Deberían ser los costos el quid del asunto? ¿Para siempre? ¿Hasta qué punto? “Food for thought”, como se dice en inglés. 

 

Aprovechamiento de la energía

Consumir energía significa transformarla a un estado en el que no se aprovecha más. Un buen ejemplo es un vehículo promedio bajando una cuesta: la energía potencial ganada en la rampa se transforma en energía cinética, por lo que el vehículo gana velocidad. Al aplicar los frenos, la velocidad se reduce porque el disco de freno transforma la energía cinética en calorífica; calor que luego se disipa a la atmósfera. Es recién en este punto que se considera la energía consumida, ya que ese calor no es aprovechado de ningún modo. La tracción ferroviaria permite un mejor aprovechamiento de la energía y existen algunos modos de llevarlo a cabo.  

 

a) Sistemas de acumulación en tierra: 

 

La implementación de sistemas de acumulación de energía en tierra interesa por no incrementar la masa de los vehículos considerablemente y por la capacidad de regulación del voltaje de la línea en su conjunto. La energía se almacena cuando el frenado genera niveles superiores a los requeridos por los auxiliares del tren y/o consumidores en los cantones cercanos de catenaria, entregándosela al que la requiera y en el momento en que la requiera. Este sistema cobraría una especial significancia en líneas con grandes pendientes, en los que las cargas gravitatorias exigen un frenado sostenido que podría abastecer de energía al tren en rampa circulando en sentido contrario. La tecnología avanza y con ella nuestra capacidad de imaginar; tal vez en unos años exista el corredor minero Cajamarca-Eten (o algún otro) operando cero emisiones, atravesando los Andes peruanos: trenes cargados de mineral bajando a puerto a descargar, mientras “alimentan” a los trenes vacíos que suben la cordillera. Una oda a la eficiencia.

Ferrocarril de Antofagasta a Bolivia.

b) Alimentación a estaciones y devolución a la red: 

 

En las explotaciones urbanas surgen algunas oportunidades. Al tener energía sobrante, una opción evidente es redireccionarla para abastecer a otros usuarios. Las estaciones son centros de consumo estables a los que se podría alimentar en mayor o menor medida, considerando que son tramos en la línea en los que se requiere frenar constantemente para alcanzar velocidad cero y dejar/recoger viajeros. Sin embargo, los sistemas de climatización, iluminación, comunicaciones, videovigilancia, transporte vertical que suelen tener las estaciones requieren alimentación de corriente alterna, por lo que harían falta sistemas de ondulación, rectificación e inversión eléctrica para alimentar consumidores de corriente distinta a la usada en catenaria. 

 

Devolver el excedente a la red pública es una posibilidad real, pero llevarlo a la práctica es complejo. Las subestaciones eléctricas suelen ser equipos unidireccionales: reciben energía de la red, la procesan y luego la entregan a los usuarios (catenaria, luego trenes) donde es consumida. Esto ha cambiado desde la invención de las subestaciones reversibles, las cuales son capaces de redireccionar el excedente de la catenaria hacia nuevos consumidores. Aquí entran a tallar otras variables que pueden jugar en contra del operador. Para empezar, hace falta un marco regulatorio que lo permita; el cual -sin duda- incluiría a la explotación ferroviaria como un productor del sistema eléctrico nacional. Eso implica garantizar un suministro estable y estándares de calidad armónica de la energía “exportada”, lo cual es altamente impredecible. La parte positiva del asunto es que el marco regulatorio puede establecer que los operadores paguen únicamente por la energía neta (diferencia en unidad de tiempo entre lo importado y exportado). Los índices de recuperación varían según la explotación, pero se han llevado a cabo estudios al respecto en el Metro de Bilbao, Underground de Londres, Metro de Madrid, Metro de Salónica, por citar algunos ejemplos [6] .

 

c) Diseño en trenes y trazados:

 

El diseño de vehículos que utilicen eficientemente la energía siempre ha sido importante y ha recaído en los hombros de los fabricantes. La oportunidad está en que los usuarios lo exijan de manera continuada y que tenga peso específico en la toma de decisiones de adquisición. Asimismo, el diseño del trazado también tiene injerencia en la capacidad de usar eficientemente la energía. Se deberán priorizar los tramos de velocidad homogénea, evitar el frenado innecesario y ayudarle al mismo con rampas de entrada a estaciones. El diseño comercial del servicio también tiene importancia estratégica para atraer viajeros de otros modos.

 

ASI (Avoid, Shift, Improve) 

El transporte sostenible basa sus políticas en este acrónimo. “Avoid” (evitar) se refiere a tratar de suprimir la necesidad de transportarse, esto a través de una planificación urbana inteligente y local. La pandemia actual ha ayudado tremendamente a este esfuerzo a través del teletrabajo. “Shift” (cambiar) es donde radica la oportunidad más grande de los sistemas ferroviarios de tracción eléctrica: en atraer cuotas que actualmente se transportan en otro modo. “Improve” (mejorar), establece que nuestra forma de operar debe ser cada vez más eficiente; en este caso, cada vez más limpia para con el medio ambiente.

Empecé diciendo que trabajar en transporte ferroviario, en Latinoamérica y en el siglo XXI, implica asumir un reto. Espero haber dejado claro el por qué.

 

Javier Cáceres Paurinotto

 

Ingeniero Senior con valiosos conocimientos y experiencia en sistemas de transporte ferroviario desde una perspectiva holística. Ejecutivo con fuertes habilidades en ingeniería y operaciones, con más de 10 años de experiencia en el sector industrial global y gestión de equipos especializados. Cursó una Maestría en Sistemas Ferroviarios en Barcelona.

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