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Repositorio de la Universidad de Zaragoza – Zaguan http://zaguan.unizar.es Trabajo Fin de Máster Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. MEMORIA (PARTE 1 DE 2) Autor MANUEL SANTOS LÓPEZ Director ANGEL ANTONIO BAYOD RÚJULA Escuela de Ingeniería y Arquitectura Año 2013 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. I RESUMEN El trolebús es un vehículo eléctrico de transporte de pasajeros de media capacidad cuya eficiencia en términos energéticos es muy alta comparada con el clásico autobús. En este trabajo, el principal objetivo es investigar y analizar desde el punto de vista energético los factores que influyen en el consumo del trolebús así como de trolebuses híbridos. Se realiza un repaso al estado del arte general del vehículo y además se da a conocer el moderno trolebús de la ciudad de Castellón, único en España. Además, se profundiza tanto en los factores de los vehículos como en los factores del sistema de potencia, así como en factores ajenos al propio vehículo pero que inciden en el consumo del mismo. También se ha realizado una comparativa tanto de los consumos reales de los diversos sistemas de trolebuses como de los tipos de vehículos comerciales a día de hoy. La comparativa de transportes de media capacidad analizada en el presente trabajo permite pronosticar los costes de los consumos de los mismos. Por último, se ha realizado el estudio de un caso práctico. En dicho estudio se analizan todas las actuales líneas de transporte de autobús urbano de Zaragoza para poder determinar qué línea es la más eficiente desde el punto de vista energético. Posteriormente, se determina el consumo de energía de dicha línea para analizar la sostenibilidad de la misma basada en trolebuses. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. II 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 1 1.1 HISTORIA DEL TROLEBÚS. ............................................................................................................ 2 1.2 TIPOS DE TROLEBUSES ELÉCTRICOS ............................................................................................ 7 1.2.1. Trolebús convencional. ....................................................................................................... 7 1.2.2. Trolebús híbrido (HEV). ....................................................................................................... 7 1.2.3. PHEV ................................................................................................................................... 8 1.3 E STADO DEL ARTE ............................................................................................................................. 9 1.4 T ROLEBÚS DE C ASTELLÓN . ............................................................................................................... 14 2. FACTORES INFLUYENTES EN LOS COSTES ENERGÉTICOS. ............................................................. 17 2.1 S ISTEMA DE POTENCIA .................................................................................................................... 18 2.1.1. Tensión de la catenaria .................................................................................................... 18 2.1.2. Topología de la red ........................................................................................................... 19 2.1.3. Subestaciones ................................................................................................................... 20 2.2 F ACTORES EN LOS VEHÍCULOS . .......................................................................................................... 23 2.2.1. Motor ............................................................................................................................... 23 2.2.2. Freno regenerativo ........................................................................................................... 29 2.2.3. Sistemas de almacenamiento energético en el trolebús. ................................................. 31 2.2.4. Sistemas de intercambio energético en la subestación. ................................................... 35 2.2.5. Convertidor/Inversor ........................................................................................................ 36 2.2.6. Peso y carrocería .............................................................................................................. 37 2.2.1. Resistencia a la rodadura ................................................................................................. 37 2.2.2. Cargas auxiliares: iluminación y climatización. ................................................................ 38 2.2.3. Guiado óptico y GPS. ........................................................................................................ 38 2.3 O TRAS INFLUENCIAS ....................................................................................................................... 39 2.3.1. Influencia o efecto de dos trolebuses simultáneos. .......................................................... 39 2.3.2. Influencia o efecto de la distancia entre paradas. ........................................................... 40 2.3.3. Influencia del tipo de carril ............................................................................................... 41 3. COMPARATIVA DE TRANSPORTES DE MEDIA CAPACIDAD. .......................................................... 43 4. LÍNEA ÓPTIMA ............................................................................................................................. 47 5. ESTUDIO DE CASO. TROLEBÚS PARA LA CIUDAD DE ZARAGOZA .................................................. 52 5.1 R UTA O LÍNEA ÓPTIMA .................................................................................................................... 52 5.1.1. Procedimiento .................................................................................................................. 52 5.1.2. Resultados ........................................................................................................................ 55 5.2 C ÁLCULO DEL CONSUMO ENERGÉTICO DE LA LÍNEA ÓPTIMA .................................................................... 57 5.2.1. Procedimiento .................................................................................................................. 57 5.2.2. Resultados ........................................................................................................................ 62 5.2.1. Verificación de los cálculos. .............................................................................................. 65 6. CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 66 7. BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. 67 I Í NDICE GENERAL MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. III Tabla 1.1 - Distribución de los sistemas de trolebuses en el mundo. ........................................... 5 Tabla 1.2 – Viajeros anuales del transporte TRAM de Castellón. ............................................... 15 Tabla 2.1 – Evaluaciones de las características técnicas de los sistemas de tracción................. 25 Tabla 2.2 - Clases de eficiencia para 50hz de acuerdo a IEC 60034-30:2008 .............................. 26 Tabla 2.3 - Características técnicas de motores usados en Rumanía y CIS. ................................ 28 Tabla 2.4 - Características técnicas de algunos convertidores usados para trolebús. ................ 36 Tabla 2.5 - Características técnicas de los sistemas de transporte público masivo. ................... 42 Tabla 4.1 – Capacidad de diferentes modos de transporte colectivo urbano. ........................... 49 Tabla 4.2 – Características de diferentes modos de transporte colectivo urbano. .................... 49 Tabla 4.3 – Comparativa de los consumos energéticos de distintos medios de transporte. ..... 50 Tabla 5.1 – Análisis de la línea de transporte 23. ........................................................................ 54 Tabla 5.2 – Pequeña muestra de los datos de la línea de óptima (línea 33). ............................. 57 Tabla 5.3 – Coeficientes de un sistema de trolebuses. ............................................................... 58 Tabla 5.4 – Resultados de la energía absorbida y cedida - línea óptima. ................................... 62 Tabla 5.5 – Energía absorbida y cedida incluyendo la eficiencia del vehículo. ........................... 62 Tabla 5.6 – Energía absorbida y cedida incluyendo eficiencia del sistema de potencia. ............ 63 Tabla 5.7 – Resultados de la energía absorbida y cedida incluyendo la carga auxiliar. .............. 63 Tabla 5.8 – Comparativa del coste por pasajero entre autobuses diésel y trolebuses. ............. 64 I I Í NDICE DE TABLAS MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. IV Figura 1.1 – El primer trolebús - ‘Electromote’ de 1882 ............................................................... 2 Figura 1.2 – Trolebús Petrol-electric de 1932 ............................................................................... 2 Figura 1.3 – Cuadro resumen de fechas significativas en ciudades con diversos modos de transporte urbano de superficie en España. ................................................................................. 3 Figura 1.4 – Kilometros de red de los diversos modos de transporte urbano en España. (Hernández Marco, José Luis) ....................................................................................................... 4 Figura 1.5 – Trolebús circulando por Zaragoza en los años 60. .................................................... 5 Figura 1.6 –Trolebús de Zaragoza 31 de la línea del Barrio .......................................................... 5 Figura 1.7 – Evolución de los sistemas de trolebús en el mundo de 1902 al 2000. ...................... 6 Figura 1.8 – Esquema de propulsión del trolebús. ........................................................................ 7 Figura 1.9 – Esquema de un HEV en paralelo. .............................................................................. 8 Figura 1.10 – Esquema de un HEV en serie. .................................................................................. 8 Figura 1.11 – Estación de Carga Rápida para un PHEV Bus ........................................................... 8 Figura 1.12 – PHEV Bus ................................................................................................................. 8 Figura 1.13 - Motor HUB montado (Trolebús modelo Civis) ....................................................... 10 Figura 1.14 - Motor HUB montado (Trolebús modelo Civis) ....................................................... 10 Figura 1.15 – Venta de motores en el ámbito del CEMEP/EU en el periodo 1998-2009 ............ 11 Figura 1.16 – Ahorros potenciales en el ciclo de vida de un motor eléctrico ............................. 12 Figura 1.17 - Línea T1 del TRAM de Castellón ............................................................................. 14 Figura 1.18 – Catenaria con sistema de péndulo del trolebús de Castellón ............................... 16 Figura 1.19 – Trolebús Civis de Castellón .................................................................................... 16 Figura 2.1 – Topologías de los sistemas de potencias en los sistemas de transporte público. .. 19 Figura 2.2 – Diagrama unifilar de una subestación de tracción convencional............................ 20 Figura 2.3 – Circuito de un rectificador de 12 pulsos serie. ........................................................ 21 Figura 2.4 – Circuito de un rectificador de 18 pulsos serie. ........................................................ 21 Figura 2.5 – Corriente de “fase a” y espectro armónico de un rectificador de 6 (izq.), 12 (centro) y 18 pulsos (derecha). ................................................................................................... 21 Figura 2.6 - Plano en planta de una subestación típica............................................................... 22 Figura 2.7 – Análisis del coste del ciclo de vida (15 años) de un motor de 11kW IE2. ............... 23 Figura 2.8 – Potencia requerida del motor para un bus de 20 toneladas. .................................. 24 Figura 2.9 – Potencia requerida del motor para un bus de 18 toneladas. .................................. 24 Figura 2.10 –Curvas de eficiencia de los motores de inducción o asíncronos (IM) y reluctancia (SRM). .......................................................................................................................................... 26 Figura 2.11 – Eficiencia de motores de imán permanente y asíncrono en función de la potencia. ..................................................................................................................................................... 26 Figura 2.12 – Eficiencia de motores de imán permanente y asíncronos en función de la velocidad. .................................................................................................................................... 27 Figura 2.13 – Motor de imán permanente MITRAC. ................................................................... 28 Figura 2.14 – Motor TAD-3. ......................................................................................................... 28 Figura 2.15 – Ahorro de energía VS tamaño del sistema de almacenamiento. Influencia del peso del vehículo ......................................................................................................................... 30 I II Í NDICE DE FIGURAS MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. V Figura 2.16 – Ahorro de energía VS peso vehículo, configuración sistema almacenamiento y servicios auxiliares ....................................................................................................................... 30 Figura 2.17 – Ahorro de energía en función del ciclo de conducción y del peso vehículo ......... 31 Figura 2.18 – Sistemas de almacenamiento energético. ............................................................ 31 Figura 2.19 – Diagrama de Ragone para distintas tecnologías de almacenamiento. ................. 32 Figura 2.20 – Pesos de las baterías en función de la profundidad de descarga y del tipo de tecnología. ................................................................................................................................... 33 Figura 2.21 – Vida de las baterías NiMH en función de la profundidad de descarga. ................ 33 Figura 2.22 – a) Esquema general con dos máquinas, b) Sistema típico con una sola maquina 34 Figura 2.23 – Rendimiento del motor de combustión VS altitud sobre nivel del mar. ............... 35 Figura 2.24 – Deflexión de los neumáticos. A) Terreno duro y B) Terreno blando. .................... 37 Figura 2.25 – Efecto de dos trolebuses simultáneos sobre la línea ............................................ 39 Figura 2.26 – Efecto de la distancia entre estaciones sobre el consumo energético ................. 40 Figura 2.27 – Carril Bus Mediano. Median Busway (Richmond, British Columbia) .................... 41 Figura 2.28 – Carril bus. Calle Gómez de Avellaneda (Zaragoza) ................................................ 41 Figura 2.29 – Carril Mixto. Paseo María Agustín (Zaragoza) ....................................................... 41 Figura 2.30 – Autobús Australiano con vía segregada. O-BAHN BUSWAY ADELAIDE ................. 42 Figura 2.31Vía libre. C-58 Barcelona ......................................................................................... 42 Figura 3.1 – Rendimientos de la cadena energética del transporte. .......................................... 43 Figura 3.2 – Evolución del consumo según número de viajeros en ámbito urbano. .................. 44 Figura 3.3 – Estimación del coste de energía eléctrica, diésel y gas natural. ............................. 45 Figura 3.4 – Comparativa del coste económico de energía para distintos tipos de buses. ........ 45 Figura 3.5 – Comparativa del coste de energía para distintos tipos de transporte según la ocupación media. ........................................................................................................................ 46 Figura 3.6 – Comparativa del coste de energía para distintos tipos de transporte según la ocupación. ................................................................................................................................... 46 Figura 4.1 – Costes del trolebús y diésel en función de los kilómetros recorridos. .................... 47 Figura 4.2 – Costes para distintos medios de transporte en función del número de pasajeros por hora. ...................................................................................................................................... 47 Figura 4.3 – Demanda de pasajeros según el medio de transporte en distintas ciudades europeas. ..................................................................................................................................... 48 Figura 4.4 – Coste energético por plaza en distintos medios de transporte. ............................. 51 Figura 5.1 – Pasajeros por kilómetro y expedición por línea. ..................................................... 55 Figura 5.2 – Coste energético por persona en cada línea de autobús ........................................ 56 Figura 3.1 – Imagen del vehículo monitorizado. ......................................................................... 58 Figura 5.3 – Diagrama de cuerpo libre. ....................................................................................... 59 Figura 5.4 – Diagrama de eficiencia de un trolebús. ................................................................... 60 Figura 5.5 – Diagrama de eficiencia de trolebuses PHEV. ........................................................... 61 Figura 5.6 – Diagrama de eficiencia del sistema completo de transporte mediante trolebuses convencionales. ........................................................................................................................... 61 Figura 5.7 – Comparativa de los consumos de trolebuses reales, autobús y trolebús de la línea óptima. ........................................................................................................................................ 64 Figura 5.8 – Velocidad y potencia calculados en dos ciclos de arranque-parada del vehículo. . 65 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. VI Figura 5.9 –Demanda teórica de potencia de tracción según el ciclo ideal de arranque-parada de un vehículo. ............................................................................................................................ 65 Figura 6.1 – Trolebús de la ciudad de Parma (Italia) del fabricante Van Hool. ........................... 66 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 1 1. INTRODUCCIÓN Desde hace tiempo se ha demostrado 1 que los gases y partículas procedentes de la combustión de combustibles fósiles, en particular del combustible diésel, aumentan el riesgo de contraer enfermedades cancerígenas. Entre los gases que libera destaca el CO 2 culpable del llamado efecto invernadero. Los gobiernos están tomando medidas 2 3 para reducir estas emisiones, sin embargo, se sigue observando que aumentan año tras año al aumentar el número de vehículos. Una de las medidas que ha destacado, aunque con un objetivo poco ambicioso, es la Estrategia 2020. Está medida entre los objetivos marcados se encuentra la reducción en un 20% de los gases contaminantes. Una alternativa al aumento de estas emisiones es el transporte eléctrico. Aunque el modelo energético de producción de electricidad todavía se basa principalmente en combustibles fósiles, la tendencia se está cambiando gracias a las energías renovables y la generación distribuida. El trolebús es un vehículo, con tracción eléctrica, destinado al transporte público masivo. Se conecta a un circuito de líneas aéreas por medio de un sistema de captación conocido como “trole”. El trole está en contacto con las líneas aéreas, incluso con el vehículo en movimiento. También se le conoce como Trolleybus en inglés, Obus en alemán y Filobus en italiano. Este medio de transporte aporta los siguientes beneficios 4 : • Reducción del consumo total de energía por su mayor eficiencia. Al usar la electricidad en lugar del combustible • Reducción de los niveles de ruido, ya que los vehículos eléctricos son más silenciosos. • Reducción de los contaminantes que afectan a la salud, debido a la característica única de cero emisiones en la calle. • Aumento de la comodidad, porque los autobuses eléctricos tienen menos vibraciones y mejor aceleración. • Uso de las energías renovables para la alimentación del vehículo. 1 Stöber, W.; Ulrich R. Abel. Lung cancer due to diesel soot particles in ambient air?. International Archives of Occupational and Environmental Health July 1996, Volume 68, Issue 1 Supplement, pp S3-S61 2 Directiva 70/220/CEE del Consejo, de 20 de marzo de 1970, …. medidas contra la contaminación atmosférica causada por los gases de escape de los vehículos de motor. 3 Reglamento (CE) nº 715/2007 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 20 de junio de 2007. (EURO V) 4 A. E. Díez et al 2010. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 2 1.1 HISTORIA DEL TROLEBÚS. El primer ferrocarril eléctrico vio la luz en el año 1879, a través de Werner von Siemens quien lo demostró en una exposición industrial en la ciudad de Berlín en 1982. Siemens crearía la primera línea a través de su “Elektromote” (ver Figura 1.1), naciendo el trolebús. El primer trolebús híbrido, Petrol-electric trolleybus (Figura 1.2), fue desarrollado en 1922 por Tilling-Stevens. (Brunton, L. 1992) Figura 1.1 – El primer trolebús - ‘Electromote’ de 1882 Figura 1.2 – Trolebús Petrol-electric de 1932 Fuente: Siemens History (web) http://www.siemens.com/history/en/news/1071_troll eybus.htm (accedido 10/06/13) Fuente: The 500 Group (web) http://www.tomorrowshistory.com/projects/PN0100070001/TRTB.htm (accedido 10/06/13) El desarrollo del trolebús se produjo en la década de 1920 debido a los avances de la tecnología. Se logró mejorar su funcionamiento: mayor velocidad y aceleración, menor consumo, uso de neumáticos y el nuevo diseño impulsaron este medio de transporte. Destaca el éxito de las empresas Guy Motors y Sunbeam Commercial Vehicles ubicadas en Wolverhampton (Reino Unido) que llegan a ser los dos mayores fabricantes del mundo de trolebuses. (Grava, S. 2003) En los sucesivos años llegaría la expansión del trolebús y el declive del tranvía, debido a las mejoras de la propulsión dual (motor eléctrico y de combustión), control automático del trole 5 y operación con trolebuses articulados. Los gobiernos promueven dicho transporte con leyes para la conversión o sustitución de líneas de Tranvía a Trolebús. Antes de iniciarse la Segunda Guerra mundial, Londres disponía de un parque de 1444 trolebuses, en Estados Unidos prestaban servicio 2800 vehículos y Moscú disponía de 1740 unidades. Este crecimiento de vehículos se aceleraba y a principios de la década de 1950 se contaba con un pico de 6.500 vehículos en Estados Unidos, y la mayor flota la poseía la Unión Soviética con 26.000 vehículos. 6 En España, nace oficialmente la primera línea de trolebús en Junio de 1940 en la ciudad de Bilbao, a la vez que se publicaba la Ley 7 de trolebuses. En el resto de ciudades, la implantación fue progresiva (Figura 1.3) hasta su máxima extensión en 1963 con 276 kilómetros (Figura 1.4), este auge dado en 5 Trole o pluma: dispositivo de toma de corriente de algunos vehículos con tracción eléctrica, como son los tranvías y los trolebuses, formado por una percha, una rueda y un hilo de contacto. Mario León (2005), Diccionario de tecnología ferroviaria, p. 442. 6 Murray, A. 2000; Tartajo J.A. 2006; Vuchic R. 2007 7 “Ley de 5 de Octubre de 1940 por la que se regula la concesión administrativa de líneas de transporte realizado por trolebuses”. Boletín Oficial del Estado (1940), p. 7034 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 9 1.3 Estado del arte El trolebús ha sufrido varias transformaciones importantes desde su aparición en 1982. Diversos autores 15 recogen está evolución a lo largo de la historia en tres generaciones diferenciadas, ligadas al desarrollo de nuevos motores eléctricos: • 1º Generación (1890-1960) Se utilizaron en un comienzo motores conmutados generalmente alimentados con corriente continua, los cuales, gracias a su elevado par característico y fácil regulación de velocidad, constituyeron la mejor opción. Al principio, el control de arranque y velocidad se hacía con sistemas de resistencias variables conectadas en serie, hasta que posteriormente la electrónica de potencia permitió el uso de control tipo “chopper”. Debido a las limitaciones técnicas para almacenar grandes cantidades de energía eléctrica, en los primeros trolebuses la energía captada era consumida instantáneamente por los motores para lograr el movimiento, de manera que una desconexión implicaba necesariamente la interrupción inmediata de la energía motriz, y consecuentemente, de la tracción. Cuando esto ocurre, los vehículos mantienen su movimiento por unos metros más gracias a la inercia, pero finalmente se detienen, y deben ser reconectados manualmente por un operario, para poder continuar en circulación • 2º Generación (desde 1961) El inicio de la segunda generación de trolebuses proviene del éxito de los motores de corriente alterna (inducción con rotor de jaula de ardilla) controlados por inversores de electrónica de potencia. Se pueden equipar con dispositivos de almacenamiento de energía tales como baterías, condensadores e incluso volantes de inercia, permitiendo la operación del bus desconectado de la catenaria por varios kilómetros. Pueden estar equipados con pequeños motores de combustión de respaldo, generalmente de menor potencia que el motor eléctrico. Se debe a que el motor de combustión incorporado puede efectuar tracción en conjunto con el motor eléctrico de manera similar a como operan los denominados vehículos híbridos tipo paralelo o simplemente puede ser utilizado para producir electricidad de manera muy similar a como opera un vehículo tipo serie. • 3º Generación Recientemente, la disminución del costo de los materiales magnéticos y el desarrollo de controladores electrónicos de alta velocidad ha impulsado el uso de motores de imán permanente. Estos motores presentan un par motor mayor que los de rotor de jaula de ardilla, además de ser más ligeros y eficientes. Son diseñados de manera que no se requiere ni de transmisión ni de una caja 15 Andrés Emiro Diez, Armando Bohórquez, Edder Velandia, Luis Fernando Roa (2010). Modern Trolleybuses on Bus Rapid Transit: key for electrification of public transportation. ANDESCON, 2010 IEEE MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 10 reductora, pudiendo ser acoplados directamente a las ruedas. En inglés a este tipo de motor se le conoce como “hub”, al estar ubicado directamente en el eje de la rueda. Figura 1.13 - Motor HUB montado (Trolebús modelo Civis) Fuente: GRAND, Phillipe. “UITP Trolleybuses Salzburg.” http://www.trolleymotion.ch/fileadmin/user_uplo ad/documents/uitp/Grand_Irisbus.pdf (Accedido 18/06/13) Figura 1.14 - Motor HUB montado (Trolebús modelo Civis) Fuente: web http://www.tbus.org.uk/article.htm (Accedido 18/06/13) En los últimos 20-30 años el progreso técnico ha experimentado un cambio radical en el transporte eléctrico público. Los vehículos eléctricos son diseñados para la seguridad y confortabilidad de los pasajeros, con el mínimo consumo posible y sin contaminación. (Petru T. et al 2012). Los principales avances y actuales líneas de investigación son: • Motores de tracción Los avances se están produciendo en dos tipos de motores, asíncrono o de inducción y motores síncronos de imanes permanentes, además de los motores “hub” mencionados anteriormente. Para las potencias entre 150-300 kW la eficiencia de un motor IE3 16 debe ser superior al 95%. (Almeida, A. et al 2008) Estos avances ligados nuevamente a modificaciones en la legislación aprobada en la Unión Europea consiguen el objetivo de reducir el consumo energético y, como consecuencia, las emisiones de dióxido de carbono. El uso de la energía y la eficiencia de los motores de inducción en la industria se discuten en el punto 11 de la Directiva EuP (EuP = Energy Using Products) y en la Directiva europea 16 Clase internacional de eficiencia energética - IEC 60034-30 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 11 2005/32/CE, respectivamente. En dicha directiva se establecen fechas para fabricar con un nivel mínimo de eficiencia. 17 Figura 1.15 – Venta de motores en el ámbito del CEMEP/EU en el periodo 1998-2009 Fuente: (Almeida, A. 2008) • Conversores electrónicos de tracción Estos equipos se adaptan a los cambios de velocidad, aceleración y freno además de reducir el consumo de energía. También reducen el estrés mecánico de los elementos de transmisión. Comparando dichos equipos entre 1990-2000, los actuales convertidores se construyen con módulos inteligentes de potencia (transistores IGBT), obteniendo unas mejoras en: menor peso y volumen además de unas mínimas pérdidas por conmutación. (Petru T. et al 2012). En la Tabla 2.4, pueden verse las características de un conversor IGBT (SDMC-103 – Inbus-103). Las últimas tecnologias de control utilizan inversores para alimentar motores de corriente alterna. Las catenarias se encuentran a una tensión de 600 a 750 VCC y los inversores crean tensión y frecuencia variables en corriente alterna. 17 Directiva EuP Basada en la norma IEC 60034-30 (Directiva EuP aprobada en 07/2009; EuP = Energy Using Products). Fuente: Siemens. Motores de inducción de baja tensión de acuerdo a la nueva norma sobre medición de eficiencia y a las nuevas clases de eficiencia. http://www.industry.siemens.com/topics/global/en/energy-efficient-production/standards-andlegislation/efficiency-classes-for-motors/Documents/ws-ie-flyer-es.pdf (web - accedido 19-06-13) MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 12 • Métodos y sistemas de control. Son aquellos sistemas cuya principal misión es la de asegurar el algoritmo de arranque, la propulsión y freno del motor eléctrico con las mínimas pérdidas de energía. Probablemente sea una de las partes que más han cambiado a lo largo del tiempo, debido a los avances de la electrónica. Estos sistemas deben adaptarse a los nuevos sistemas de almacenamiento rápido de energía (supercondensadores), uso de comunicación con fibra óptica, geoposicionamiento, redes CAN, guiado automático (óptico o magnético). (Ibis) En la siguiente Figura 1.16, podemos observar como los sistemas de control son un factor fundamental para el ahorro energético. Figura 1.16 – Ahorros potenciales en el ciclo de vida de un motor eléctrico Fuente: Ministerio Federal de Economía y Tecnología de Alemania. http://www.efficiency-from-germany.info (web - Accedido 19/06/13) Así mismo, están influyendo los sistemas de alimentación (tensiones de catenaria, subestaciones), almacenamiento energético (baterías y supercondensadores) y freno regenerativo. (Diez, A.E. et al 2008) • Sistemas de almacenamiento energético: Se trata de un campo prometedor para los vehículos eléctricos y por este motivo se están investigando actualmente (Van den Bossche, P., 1998). Las baterías y los supercondensadores están consiguiendo aportar cada vez más energía a la tracción de los vehículos. Los supercondensadores almacenan la gran cantidad de energía generada en el frenado (freno regenerativo) permitiendo reducir el consumo de energía. Las baterías permiten que el vehículo quede desconectado de la catenaria, es decir, disponga de una amplia autonomía y pueda transitar libremente por zonas donde es inviable la electrificación. Actualmente se están realizando investigaciones sobre batería de Litio. IBM está investigando sobre las baterías litio-aire que disponen de una densidad energética teórica de 11 kWh/kg, Phinergy ha desarrollado una batería de Aluminio-aire que posee una densidad de 8kWh/kg MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 13 Existen muchos artículos científicos acerca del almacenamiento de energía. • Sistemas de alimentación: Existen diversos trabajos de investigación sobre la tensión de alimentación, número de fases y conductores, corriente continua o alterna. En ellos, determinan la opción más eficiente siempre que esté dentro de la actual normativa 18 . Trabajar con tensiones elevadas permite eliminar la resistencia serie (ballast) e incrementa la energía proporcionada por el freno regenerativo. Aumentar el número de polos de la catenaria de 2 a 3 permite incrementar la eficiencia y doblar la distancia entre subestaciones (V.I. Sopov) El uso de corriente alterna o continua viene determinada por los convertidores y el motor. Existen convertidores en fase de estudio que pueden adaptarse a ambos modelos (Melo, G.A. et al 2010) 18 CEI EN 50 163Railway applications - Supply voltages of traction systems (Foreign Standard) y CEI EN 50329 (CEI 923) Railway applications - Fixed installations -. Traction transformers. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 14 1.4 Trolebús de Castellón. La decisión de adoptar el trolebús y sobre vía reservada (TVR), llamado TRAM, en la ciudad de Castellón es promovida por un estudio de los parámetros de movilidad llevada a cabo entre 20032004 19 . En diciembre de 2004 se presentó el proyecto básico de red de plataformas reservadas al transporte público en Castellón, Fase I, en el cual se definen las características del primer tramo. El proyecto se dividió en varias fases de construcción. Desde el 22 de Junio de 2008 20 , está en marcha una parte de una de dos líneas proyectadas, tramo Universidad Jaime I – Ribalta. Este tramo posee una longitud de 2037 metros, cuenta con cinco paradas, priorización semafórica y guiado óptico. Se preveé que la linea este completa (hasta GRAO) a finales de 2013. Para entonces, esta tendrá una longitud de 7.540 metros en sentido Grao y 7.977 en sentido Universidad. Asimismo, existirán 5 tramos libres de catenaria, por lo que es necesario que los vehiculos se alimenten a través del grupo electrógeno. El nuevo contrato de explotación 21 , licitado en Mayo de 2013, ha previsto una media diaria entre 7273 y 9.031 pasajeros. Serán necesarios siete vehículos para satisfacer la demanda diaria y la frecuencia del servicio estará entre 5-8 minutos los días lectivos, 15 minutos los no lectivos y 30 minutos los sábados y domingos. En total recorreran una distancia de 366.640 km (215.107 km en dias lectivos) Desde su inauguración hasta diciembre de 2012 ha transportado un total de 3.235.624 pasajeros, situándose de media diaria los días laborables en 3.770 y laborables no lectivos 1.292, sábados 511 19 Dómine Redondo, Vicente (2009). El sistema de transporte en vía reservada de Castellón. Fuente: Web - http://www.amtu.cat (accedido – 19/06/13) 20 FABRA, MARÍA. "Es como un tranvía, ¿no?". Diario EL PAIS, 27/06/2008. Accedido (19/06/2013): http://elpais.com/diario/2008/06/27/cvalenciana/1214594287_850215.html 21 Sustaeta Llombart, Ángel (2012). Figura 1.17 - Línea T1 del TRAM de Castellón Fuente: Wikipedia http://es.wikipedia.org/wiki/TRAM_ Transporte_Metropolitano_de_la_Pl ana (web - Accedido 19/06/13) MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 15 y domingos 265 pasajeros. 22 El número de pasajeros aumenta cada año desde entonces y se prevé un aumento considerable al completar la línea y al modificar las líneas de bus. Tabla 1.2 – Viajeros anuales del transporte TRAM de Castellón. Fuente: Propia Caracteristicas de la linea: TRAM. Tramo UJI - El Grao: -Longitud de un ciclo completo 15,72 km -Longitud del tramo con catenaria 10,71 km -Longitud del tramo sin catenaria 5,01 km -Tramos sin catenaria 5 tramos por ciclo -Distancia entre paradas: 500 m Itinerario UJI – Gr ao (longitud 7.540 metros) • Velocidad comercial:18,0 km/h • Tiempo de recorrido: 25minutos y 10 segundos Itinerario Grao – UJI (longitud 7.977 metros) • Velocidad comercial:17,8 km/h • Tiempo de recorrido: 27minutos Caracteristicas técnicas: • Una de las características que lo hace novedoso es la catenaria, ya que posee un sistema de suspensión flexible del hilo de contacto (Figura 1.15), aportando las siguientes ventajas sobre el hilo rígido: mayor seguridad en el funcionamiento y menor coste de mantenimiento y operación. • El modelo de trolebús elegido es CIVIS de la empresa IRISBUS, cuyas características destacables son las siguientes: - Capacidad: 83 personas - Alimentación: Híbrida (grupo electrógeno) - Velocidad Máxima: Urbana 50 km/h, Interurbana 70 km/h - Consumo eléctrico 2.65 kWh/km - Adaptado para personas con movilidad reducida - Guiado óptico - Puertas Deslizantes 22 Web: http://www.castelloninformacion.com/tram-castellon-viajeros-2012/ 265,7 602,5 636,3 875,4 788,2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000 2008 2009 2010 2011 2012 MILES DE VIAJEROS AÑO MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 16 Figura 1.18 – Catenaria con sistema de péndulo del trolebús de Castellón Fuente: Dómine Redondo, Vicente Figura 1.19 – Trolebús Civis de Castellón Fuente: Ayuntamiento de Castellón (web – accedida en 20/06/13) http://www.castello.es/web30/pages/area_web20.php?cod 0=1 Conclusiones: En el año 2012, tres vehículos realizaban el recorrido de la línea UJII-Ribalta, realizando un total de 121.737 kilómetros y la media diaria se situaba en 4183 pasajeros en los días lectivos. A falta de concluir la línea completa, las cifras son relativamente bajas para un sistema de transporte de vía reservada (6.47 pasajeros/kilometro) y por tanto con una eficacia muy baja. Tras el análisis realizado en el proyecto de servicio público de transporte-línea 1 del TRAM de Castellón (2012) se define la reordenación de las líneas de transporte. Esta reordenación supone suprimir varias líneas con las rutas coincidentes al trolebús, esto supone una elevación automática de la demanda de la línea y por tanto una mejora de la eficiencia de este sistema de transporte. Cabe destacar el bajo consumo del sistema que compararemos en los capítulos siguientes pero se debe resaltar que la distancia entre paradas se sitúa en 500 metros por lo que si se compara con un sistema con paradas a 300 metros el consumo aumentará, en torno al 30%. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 17 2. Factores influyentes en los costes energéticos. El presente capítulo analiza los factores que influyen sobre los costes energéticos en los trolebuses. Además de los elementos relacionados con el sistema eléctrico de los vehículos, se estudian diversos factores externos que influyen indirectamente y el sistema de potencia que alimenta a los trolebuses convencionales. La eficiencia del sistema completo de una red de trolebuses está en el 40%, incluyendo las pérdidas en la red (mix del sistema eléctrico), subestaciones, transmisión, refrigeración y los ahorros por frenado regenerativo. Para el caso de los autobuses diésel la eficiencia se sitúa en el 25%. 23 David Checkel realizó una comparativa real entre los autobuses híbridos (diésel-eléctricos) y trolebuses en la ciudad de Edmonton. En este estudio se obtuvo que el consumo de energía eléctrica de un trolebús dependía de: 1. Cargas: iluminación y climatización (calefacción o ventilación) 2. Potencia de tracción y la eficiencia con lo que se produce. 3. Pérdidas de energía en las líneas 4. Potencia regenerada y devuelta al sistema para usarse por otros vehículos. 5. Consumo de potencia de las subestaciones. El documento además analiza el impacto de emisiones de gases contaminantes, así como la contaminación del ruido y realiza un análisis económico del sistema. Este documento puede servir de base para analizar e investigar otros factores, como el económico, que no abordan el presente trabajo. A continuación, se exponen los distintos factores encontrados, fruto del presente trabajo de investigación, y que se refuerzan el trabajo realizado por David Checkel. 23 Irvine Bell. Fuente: http://www.tbus.org.uk/efficiency.htm (web accedida 10/07/2013). MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 18 2.1 Sistema de potencia El sistema de potencia lo componen todos los elementos o equipos que intervienen para la transformación de energía eléctrica, desde el punto de suministro hasta los vehículos. Según Biryukov V. V et al (2007). Existen tres caminos para reducir o minimizar las pérdidas que se producen durante la transformación de energía: • Incrementando la tensión de la catenaria. • Reduciendo la resistencia de los circuitos con un aumento de la sección de los conductores o por la derivación de ramas paralelas. • Cambiando la topología del sistema de potencia. A continuación, se ve con detalle todos los parámetros que afectan al sistema de potencia, que complementan a los de Biryukov. Siendo estos factores la tensión, topología y subestaciones. Dentro de este último apartado se profundiza en los rectificadores. A día de hoy, las pérdidas por transmisión de la energía o pérdidas de línea son aproximadamente el 10%, es decir, la eficiencia es del 90%. (Falvo, M. et al 2012) 2.1.1. Tensión de la catenaria La tensión de los trolebuses normalmente ha sido de 600 V en corriente continua pero actualmente se están empleando 750 Voltios 24 , incluso existen estudios de líneas de 1500 voltios. (Pham, K. et al. 2000) Los factores que influyen considerablemente en la tensión de la catenaria son los siguientes: Menores pérdidas en las líneas: Un aumento de la tensión del 25% (de 600 a 750 V) permite disminuir las pérdidas en los mismos conductores en un 36%, pero si se aumenta la tensión a 1500 V permitiría reducir las pérdidas en un 84%. Para el planteamiento de un sistema nuevo, elegir una tensión mayor permitiría disminuir la sección de la catenaria. Un incremento de la tensión entre un 20 a un 50% permite utilizar el mismo equipamiento tanto en el sistema de distribución como en los vehículos. (Sopov, V.I. et al, 2006) Reducción del número de subestaciones. Al reducirse las pérdidas de potencia también se reducen la caída de tensión y por tanto puede aumentar la distancia entre subestaciones. (Sopov, V.I. et al, 2006) Reducción de efectos de las interferencias electromagnéticas. En el caso de sistemas de 1500 V, supone una reducción del 50%. (Pham, K. et al. 2000) 24 http://www.tbus.org.uk/article.htm (web - accedido 20/06/2013) MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 25 C. Tipos de motores Actualmente, los mejores motores para los vehículos eléctricos son: asíncronos, síncrono de imanes permanentes (excitados en alterna) y de reluctancia conmutada. Khwaja M. et al 2000 determinan que los motores de reluctancia conmutada son los mejores para la tracción de vehículos eléctricos e híbridos, pero distintos autores 29 los relegan a una tercera opción debido a sus desventajas en control, densidad de potencia y eficiencia. Respecto a los términos de eficiencia como a la densidad de potencia (kg/kW), el motor de imanes permanentes ocupa el primer puesto, podemos verlos en las siguientes tablas. Tabla 2.1 – Evaluaciones de las características técnicas de los sistemas de tracción. Izquierda - Fuente: Maggetto, G y Van Mierlo, J. 2000. Derecha - Fuente: Zeraoulia, M et al 2006. ASM ó IM: Motor de asíncrono PM: Motor de Imanes permanentes. SRM: Motor de Reluctancia Conmutada DCM ó DC : Motor de corriente continua SYM: Motor Síncrono Si comparamos los motores de imán permanente con los asíncronos, para la misma potencia, la eficiencia aumenta entre 1-2% en el 80% del rango de operación 30 , debido al alto factor de potencia que desarrollan los primeros y son un 25% más pequeños o ligeros. Por otro lado, los motores de corriente continua, así como los de reluctancia conmutada (SRM) tienen una ventaja sobre los 29 Zeraoulia, M et al 2006. Maggetto, G y Van Mierlo, J. 2000. 30 Hillmansen, S., Schmid, F., Schmid, T. (2011) “The Rise of the Permanent Magnet Traction Motor”, Railway Gazette International, pp30- , 34, February 2011. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 26 asíncronos, la curva característica mecánica es hiperbólica, es decir, para variaciones de la velocidad entre el 30-100%, la eficiencia permanece constante. (ibis) Figura 2.10 –Curvas de eficiencia de los motores de inducción o asíncronos (IM) y reluctancia (SRM). Fuente: Ibis Figura 2.11 – Eficiencia de motores de imán permanente y asíncrono en función de la potencia. Fuente: Melfi, M.J. et al (2009). Tal y como mencionamos en el apartado del estado del arte, según la Directiva EuP basada en la norma IEC 60034-30, los motores deben fabricarse con unos mínimos porcentajes de eficiencia. Dicha norma los ha dividido en tres clases denominadas IE1, IE2 e IE3 31 y según el número de polos y frecuencia, la eficiencia debe ser siempre mayor a la indicada en las tablas. La Tabla 2.2 muestra la eficiencia para los motores asíncronos trifásicos de 50 Hz, cuyos rangos son los utilizados para los modernos trolebuses. Tabla 2.2 - Clases de eficiencia para 50hz de acuerdo a IEC 60034-30:2008 Fuente: Ibis. La Figura 2.11 muestra la eficiencia de los motores en función de la potencia (1 HP ≈ 746 W). Se incluye también la eficiencia de los motores de imanes permanentes (PM), que como podemos deducir, es muy superior en cualquiera de las potencias. Por otro lado, debemos de comparar el par motor que desarrollan los motores. La Figura 2.12 compara la eficiencia de dos motores de la misma potencia, inducción e imán permanente, en función de la velocidad del motor, en distintos pares de potencia. 31 IE1-standar efficency; IE2-high effiecncy; IE3-premium effiency. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 27 Figura 2.12 – Eficiencia de motores de imán permanente y asíncronos en función de la velocidad. Fuente: Sandberg, A. (2012) En definitiva, como hemos podido estudiar, los motores de imanes permanentes deberían ser la primera opción para la instalación en los trolebuses, debido a las siguientes ventajas: • Elevada eficiencia en todas las potencias, velocidades y par motor. • Alta densidad de potencia permite una reducción del peso del conjunto completo, con lo que permite reducir el consumo del trolebús. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 28 D. Reflexión de un caso real. Ilie Nuca et al 2012, analizan los motores instalados en los trolebuses de Rumania y CIS 32 , obteniendo la Tabla 2.3. Tabla 2.3 - Características técnicas de motores usados en Rumanía y CIS. Fuente: Ilie, Nuca et al 2012 Como podemos observar, en los motores asíncronos (los de mayor eficiencia), el motor Scoda-20ML se haya en la clase IE2 pero el resto de motores están por debajo del nivel exigido para ser un IE1. Esta marcada diferencia de porcentaje sugiere que sería necesario realizar un análisis o estudio para determinar si un cambio de dicho motor produciría una compensación energética a lo largo de su vida útil en aquellos vehículos donde estén montados. Figura 2.13 – Motor de imán permanente MITRAC. Fuente: www.bombardier.com (accedido – 5-07-2013) Figura 2.14 – Motor TAD-3. Fuente: Ilie, Nuca et al 2012 32 Commonwealth of Independent States, Comunidad de Estados Independientes. Es una organización regional formada por países de la república soviética, entre ellos se encuentra Rusia. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 29 2.2.2. Freno regenerativo Los modernos trolebuses, al igual que otros vehículos, utilizan el motor como generador. Esto permite transformar parte de su energía cinética y potencial en energía eléctrica cuando el vehículo este decelerando (frenando), enviando la energía a: • Un Sistema de almacenamiento del propio trolebús (batería o banco de condensadores electrolíticos). • La catenaria, para que otro vehículo pueda disponer de ella. • La subestación, donde un sistema de baterías la almacenará. • La red eléctrica. Para determinar la cantidad de energía cinética que podemos recuperar, debemos tener en cuenta el máximo y multiplicarle por un factor K. El factor K depende de cada vehículo y concretamente se corresponde con las pérdidas internas, rozamiento, resistencia aerodinámica, consumo de los servicios auxiliares… (Barrero, R. et al 2008)  cinéticarecuperable ≈  ∙  cinética  El máximo corresponde con la energía cinética que posee el vehículo, que se expresa mediante la fórmula:  cinética =   ∙  ∙  Donde: E cinética: expresado en Julios [J] m: masa del vehículo con pasajeros en [kg] *Nota: 1 kWh = 3,6×10 6 J. v: Velocidad del vehículo en [m/s] k: varía entre 0.5 y 0.6 33 . Si toda la energía cinética de un trolebús se almacena en un sistema de supercondensadores, propio del vehículo, se obtienen ahorros de consumo energético alrededor del 25%. La tecnología de almacenamiento a través de supercondensadores es actualmente es la más idónea, ya que, permite almacenar una cantidad de energía elevada generada en un tiempo corto (tiempo de frenado) y presenta una vida útil elevada. Según Barrero et al 2008, quienes realizaron un estudio para tranvías, la energía procedente del freno regenerativo o el ahorro energético varía en función del: • Peso del vehículo y capacidad del sistema de almacenamiento Con la misma capacidad de almacenamiento, si aumenta el número de pasajeros, el ahorro energético aumenta. Si el sistema de almacenamiento aumenta de capacidad, se consiguen mayores porcentajes de ahorro (ver Figura 2.15) 33 Falvo, M.C. et al 2012 confirma, para el trolebús de la ciudad italiana Cosenza, que la energía recuperable es del 54.9%, es decir, K=0.549. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 30 Figura 2.15 – Ahorro de energía VS tamaño del sistema de almacenamiento. Influencia del peso del vehículo Fuente: Barrero, R. et al 2008 • Configuración del sistema de almacenamiento Con la misma capacidad de almacenamiento, si la corriente es menor (opción A) se producen menores pérdidas y aumenta la eficiencia del sistema. Si observamos la Figura 2.16, las curvas inferiores incluyen los servicios auxiliares y las dos superiores indican el sistema de tracción. Figura 2.16 – Ahorro de energía VS peso vehículo, configuración sistema almacenamiento y servicios auxiliares Fuente: ibis. • Ciclo de conducción Se demuestra que el vehículo al aumentar la aceleración entre paradas permite conseguir mayores ahorros energéticos. Esto es debido a la obtención de un aumento de la velocidad, y por tanto, con una mayor energía cinética. En la Figura 2.17, se distinguen los ciclos bajos de los altos por una menor aceleración (0.7m/s 2 y entre 0.84 and 1.17 m/s 2 , respectivamente y en función del peso del vehículo). La opción C indica un mayor tamaño del sistema de almacenamiento energético (1.56kWh) que la opción D (0.91 kWh). MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 31 Figura 2.17 – Ahorro de energía en función del ciclo de conducción y del peso vehículo Fuente: ibis. 2.2.3. Sistemas de almacenamiento energético en el trolebús. Existen diversos sistemas de almacenamiento energético que permiten funcionar a los trolebuses en aquellos tramos largos de línea que no se dispone de catenaria o que no existe en todo el recorrido. Entre los sistemas más eficientes se encuentran: el volante de inercia que actualmente posee una potencia entre 50 y 100 kW para estos vehículos, supercondensadores y las baterías eléctricas cuyo avance tecnológico está permitiendo desarrollar el coche eléctrico y el trolebús PHEV. Figura 2.18 – Sistemas de almacenamiento energético. Fuente: Vázquez, S. et al 2010. TECNOLOGIA TIPO EFICIENCIA ENERGETICA (%) DENSIDAD ENERGETICA (Wh/kg) DENSIDAD DE POTENCIA (W/kg) CICLOS DE VIDA (ciclos) AUTO-DESCARGA Pb-Acido 70–80 20–35 25 200–2000 Baja Ni-Cd 60–90 40–60 140–180 500–2000 Baja Ni-MH 50–80 60–80 220 < 3000 Alta Li-Ion 70–85 100–200 360 500–2000 Media Li-Polimero 70 200 250–1000 > 1200 Media NaS 70 120 120 2.000 – VRB 80 25 80–150 > 16.000 Despreciable SUPERCONDENSADORES EDLC (DOBLE CAPA ELECTROLITICO) 95 < 50 4.000 > 50.000 Muy alta Volante Inercia (acero) 95 5–30 1.000 > 20.000 Muy alta Volante Inercia (composite) 95 > 50 5.000 > 20.000 Muy alta VOLANTE DE INERCIA BATERIAS MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 32 A. Baterías. Las baterías desde el punto de vista del coste energético deben tener las siguientes cualidades: • Alta densidad de potencia (kWh/kg). Es la energía que será almacenada y por tanto deben ser lo más ligeras y voluminosas posibles. • Suficiente potencia específica. Con ella se alimenta el arranque del trolebús (alrededor de 300kW) 34 . • Alto número de ciclos o vida útil. Este factor desde el punto de vista económico es muy importante, ya que un mal diseño del sistema hará que se tengan que sustituir anticipadamente las baterías. En la Figura 2.19 podemos observar el diagrama de Ragone que muestra los dos factores mencionados. Los supercondensadores tienen alta potencia específica y muy baja energía específica por lo que son adecuados para cargas y descargas rápidas de energía, es decir, en los arranques y frenadas del vehículo. Figura 2.19 – Diagrama de Ragone para distintas tecnologías de almacenamiento. Fuente: Kuhn H., Sizmann A. (2012) Por ejemplo, si queremos calcular que baterías necesitamos para un trolebús que posea una autonomía de 100 Km y cuyo consumo es de 2.5kWh/Km, entonces será necesario: 100km x 2.5kWh/km= 250 kWh de energía. Si aplicamos una profundidad de descarga del 60% y usamos baterías de Litio (155Wh/kg), 250 kWh/ (0.6*155 Wh/kg) = 2688 kg. 34 Buzzoni, L; Pede, G. (2012). MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 33 Se debe tener en cuenta el peso y volumen de las baterías ante trolebuses de tipo PHEV, un peso elevado producirá un consumo energético elevado. Podemos observar en la Figura 2.20 el peso de las baterías de Ni-MH en función de la autonomía y la profundidad de descarga. Figura 2.20 – Pesos de las baterías en función de la profundidad de descarga y del tipo de tecnología. Fuente: propia. Una combinación perfecta estaría formada por un conjunto de supercondensadores y baterías de Litio junto con un sistema de gestión de energía que permita alimentar al trolebús con supercondensadores en el arranque, y posteriormente, con las baterías. El tercer factor importante a tener en cuenta son los ciclos de carga/descarga. Están determinados por la profundidad de descarga que sometemos a las baterías, es decir, de la cantidad de energía que extraemos en cada descarga. Para las baterías de NiMH, si cada día extraemos el 100% de la energía el número de ciclos será de 4000, aproximadamente 11 años, como se puede ver en la Figura 2.21. Figura 2.21 – Vida de las baterías NiMH en función de la profundidad de descarga. Fuente: Gunter Schädlich. 2012 0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 10 20 30 40 50 100 150 200 250 PESO DE LAS BATERIAS (kg) km/dia Li (155 Wh/kg) DOD 80% NiMH (72 Wh/kg) DOD 80% Li (155 Wh/kg) DOD 60% NiMH (72 Wh/kg) DOD 60% MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 34 B. Supercondensadores Como ya vimos en el apartado anterior 2.2.2, los factores que influyen en los sistemas con almacenamiento con supercondensadores son los siguientes: • Peso del vehículo. Con la misma capacidad de almacenamiento, si aumenta el número de pasajeros, el ahorro energético aumenta. • Capacidad del sistema de almacenamiento. Si el sistema de almacenamiento aumenta de capacidad, se consiguen mayores porcentajes de ahorro • Configuración del sistema de almacenamiento. Con la misma capacidad de almacenamiento, si la corriente de carga es menor, se producen menores pérdidas y aumenta la eficiencia del sistema. C. Volantes de Inercia. La moderna tecnología de los volantes de inercia, tanto en su fabricación con materiales compuestos como en su control, permite introducirla en los vehículos eléctricos debido a su alta densidad de potencia y vida útil. Este sistema es independiente del estado de carga, por lo que es una característica a tener en cuenta sobre los sistemas de baterías. Además la potencia pico de salida de estos sistemas está limitada por la potencia del convertidor. (Hebner, R et al 2002) Figura 2.22 – a) Esquema general con dos máquinas, b) Sistema típico con una sola maquina Fuente: Vázquez, S. et al (2010). D. Motor de combustión interna Si equipamos al trolebús con un motor de combustión interna (motor o generador) y un depósito de combustible obtendremos un sistema de almacenamiento energético. En general y según Alberto Cillero et al 2008, los motores de combustión interna, independientemente del tipo de combustible que utilicen, tienen un rendimiento energético muy bajo, alrededor del 20%. No obstante destaca la elevada densidad energética del combustible diésel 12.6 kWh/kg. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 41 2.3.3. Influencia del tipo de carril El trolebús o autobús en función del carril (o plataforma) puede discurrir de diversas formas que afectarán principalmente a la capacidad del número de pasajeros 37 . 1. Si está dentro de la ciudad, puede discurrir de tres formas: • Carril bus mediano: son carriles de alta ocupación para los buses u otros vehículos prioritarios que a menudo están físicamente separados del resto del tráfico con alguna forma de priorización del tráfico. • Carril bus: es similar al anterior pero localizada en la parte exterior de la calzada, a veces compartida con otros vehículos de alta ocupación. Normalmente este carril se encuentra junto con los carriles de tráfico general. (Figura 2.28) • Carril de uso mixto: mezcla entre carril de tránsito y trafico general.(Figura 2.29) Figura 2.27 – Carril Bus Mediano. Median Busway (Richmond, British Columbia) Fuente: U.S Departament of Transportation (web - accedido 17/06/13) http://www.fta.dot.gov/12351_4374.html Figura 2.28 – Carril bus. Calle Gómez de Avellaneda (Zaragoza) Fuente: Google Map (web - accedido 17/06/13) Figura 2.29 – Carril Mixto. Paseo María Agustín (Zaragoza) Fuente: Google Map (web - accedido 17/06/13) 2. Fuera de la ciudad: • Carril segregado (o separado): es aquel que se encuentra separado del resto de vías, libres de intersecciones o cruces.(Figura 2.30) • Vía libre: es un carril dedicado, con o sin separación, pero puede estar compartido con otros vehículos. En horas punta puede tener restricciones, por ejemplo, de velocidad máxima (Figura 2.31) 37 APTA (2010). APTA-BTS-BRT-RP-003-10. Designing Bus Rapid Transit Running Ways. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 42 Figura 2.30 – Autobús Australiano con vía segregada. O-BAHN BUSWAY ADELAIDE Fuente: web http://www.baulderstone.com.au/projectportfolio/project-details/o-bahn-busway-adelaide (Accedido 17/06/13) Figura 2.31Vía libre. C-58 Barcelona Fuente: El Periódico. 29/10/12. http://www.elperiodico.com/es/noticias/barcelona/gr andes-colas-estreno-del-carril-bus-vao-2236407 (Accedido 17/06/13) En función del carril por el que discurre, cuanta mayor independencia del tráfico mayores beneficios tendrá: aumento de la velocidad comercial, mayor capacidad de transporte, seguridad, comodidad, y por tanto, un menor consumo. La siguiente Tabla 2.5 muestra una comparativa entre los distintos medios de transporte. Se incluye además la distinción entre los diferentes tipos de carriles para el bus (carril bus, vía segregada y guiado). Tabla 2.5 - Características técnicas de los sistemas de transporte público masivo 38 . 38 Brand, Christian y PRESTON, John (2003). “The Supply of Public Transport: A Manual of Advice.” University of Oxford MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 43 3. Comparativa de transportes de media capacidad. Existen multitud de trabajos que realizan comparativas entre los distintos medios de transporte, en cambio el trolebús queda al margen en la mayor parte. Desde un punto de vista general, debemos observar la eficiencia en la cadena energética de transporte (Figura 3.1). La eficiencia del mix eléctrico proporcionado por REE en 2010 es del 67,66%. Este dato relativamente bajo se debe principalmente al aporte de las fuentes de origen no renovable, perjudicando a cualquier sistema o equipo con alimentación eléctrica convencional, en términos de eficiencia global. A medida que ingresen nuevos sistemas de generación distribuida, el porcentaje se irá elevando y por tanto la eficiencia global de los sistemas. También se puede observar que cualquier vehículo con motor de combustión resulta ineficaz en términos energéticos. Un vehículo eléctrico tiene una eficiencia alrededor del 90% 39 frente al motor de combustión que posee un rendimiento del 34%. Esta diferencia radica en las pérdidas por calor originadas en la combustión. Figura 3.1 – Rendimientos de la cadena energética del transporte. Fuente: Riol, R. (2012). 39 Según Díez, A. et al 2008 la eficiencia global de un trolebús es aproximadamente del 91%. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 44 Desde el punto de vista del transporte de personas, debemos tener en cuenta el número de pasajeros, ya que, los vehículos tienen consumos mínimos para poder moverse y aumentan a medida que aumenta el número de pasajeros. En la Figura 3.2, vemos como el trolebús y el tranvía son los vehículos con menor consumo por pasajero para el transporte de hasta 35 personas y el tren de cercanías consigue el menor consumo para un mayor número. Evaluar la tabla siguiente asegura la eficiencia del medio de transporte elegido entre uno de los principales factores a tener en cuenta. Figura 3.2 – Evolución del consumo según número de viajeros en ámbito urbano. Fuente: Riol Jurado, Ricardo (2012). El principal factor a considerar es el número de pasajeros/hora que debe transportarse, ya que, se reducirán problemas de saturación y circulación en la ciudad. Por ejemplo, a partir de los 6000 pasajeros/hora el medio de transporte óptimo es el tranvía (Tabla 2.5) o los 8000 (Tabla 4.1). Un punto de vista económico y fundamental para todo proyecto de transporte es el coste energético. A la vista de la evolución que está experimentando el precio de las energías, y en especial el petróleo, debemos tener en cuenta el coste energético a lo largo de la vida útil del mismo. Para la ciudad de Salzburgo, el coste de energía para el sistema de trolebuses representa el 9.8%, mientras que para os autobuses diésel es del 23.2% 40 . Si echamos una mirada al futuro a través de los datos de la EIA 41 , 40 Mackinger, G. (2006). Trolleybuses – transport of the future. Eurobus Expo 2006 Conference 41 EIA: Administración de información de energía de Estados Unidos. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 45 tenemos tres posibles escenarios del precio del petróleo: alto, referencia, y bajo. Como vemos en la Figura 3.3, en el año 2028 las diferencias de costes son muy elevados, mientras que el coste de la electricidad se estima que se duplique, el coste diésel puede variar entre el 100-275%. Teniendo en cuenta solo la variación del coste de energía, el porcentaje sobre el coste total en la ciudad de Salzburgo pasarían a ser 18% para los trolebuses y el 50.7% en los diésel. Figura 3.3 – Estimación del coste de energía eléctrica, diésel y gas natural. Fuente: Emiro, A. et al 2010. También tenemos los autobuses cuya fuente principal de energía es el gas natural en formato comprimido, en inglés CNG, las proyecciones indican que los precios se duplicarán. Los CNG buses tienen un consumo elevado de energía 6.6 kWh/km 42 mientras que los buses híbridos (diésel con baterías) presentan un consumo de 4.4 kWh/km, es decir, entre un 20 a un 30% inferiores a los autobuses convencionales (diésel) según distintos estudios. Figura 3.4 – Comparativa del coste económico de energía para distintos tipos de buses. Fuente: Ádám, Z. (2010). Trolleybuses the forgotten the forgotten experience experience in electromobility La Figura 3.4 muestra el coste económico de energía por pasajero y kilómetro para distintos tipos de tecnología de autobuses. En la Figura 3.5 puede verse una comparativa de los distintos medios de transporte en función del tipo de recorrido (urbano o interurbano) en España. 42 Emiro, A.; Bohórquez, A. et al 2010. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 46 Figura 3.5 – Comparativa del coste de energía para distintos tipos de transporte según la ocupación media. Fuente: Monzón, A. et al (2009). La eficiencia energética y ambiental de los modos de transporte en España. Podemos observar que los costes energéticos, en el ámbito urbano (≈1.2 MJ=0.33 kWh), para los autobuses son excesivamente elevados comparándolos con la Figura 3.2, es decir, la sustitución de estos autobuses por trolebuses permitiría reducir drásticamente el consumo energético por pasajero. Figura 3.6 – Comparativa del coste de energía para distintos tipos de transporte según la ocupación. Fuente: Condon, P.; Dow K. (2008) La similitud de las dos figuras anteriores muestra como los tranvías o trenes de cercanías son los transportes con el menor coste energético por persona, el trolebús ocuparía el segundo lugar. Pero como hemos visto en la Figura 3.2, es necesario ver realmente los pasajeros transportados por kilómetro para determinar realmente el coste energético por viajero desplazado por kilómetro. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 47 4. Línea Óptima Optimizar una línea de transporte para un trolebús, desde el punto de vista energético, depende de los factores que hemos visto en capítulo 2. Estos factores están acotados y pueden determinarse con exactitud, no obstante difieren desde el punto de vista económico. Dependiendo de las materias primas y por tanto de las fuentes de energía que posea el país, prevalecerá el apartado económico sobre la eficiencia. España posee un 76.4% de dependencia energética, principalmente debidas a la importación de productos derivados del petróleo (hidrocarburos y gases). También hemos observado que tal dependencia puede ser perjudicial de cara a los próximos años, cuando se estima que los costes de estos productos al menos se dupliquen. Sin duda, la Unión Europea busca amortiguar el impacto a través de la citada estrategia 2020. En primer lugar, desde el punto de vista económico y sin entrar en mucho detalle, el trolebús debe tener un uso intensivo (más de 50.000 km al año) y debe transportar al menos 1000 pasajeros por hora. Puede verse en las Figura 4.1 y Figura 4.2. Figura 4.1 – Costes del trolebús y diésel en función de los kilómetros recorridos. Fuente: Tica1, S et al 2011. Figura 4.2 – Costes para distintos medios de transporte en función del número de pasajeros por hora. Fuente: Zavada, J. et al 2010. Desde el punto de vista energético y tal y como hemos visto en el capítulo 2. Extraemos las siguientes conclusiones que nos indican las claves de la eficiencia en este medio de transporte: • Tensión de la Catenaria. A mayor tensión resulta en menores pérdidas, se debería utilizar la tensión de 750V actualmente la más elevada en el mercado. • Topología de la red a dos hilos con cable de tensión elevada. Es la que menores pérdidas presenta pero se necesita realizar un buen estudio para evitar el blackout. • En las subestaciones utilizar rectificadores de tiristores con el mayor número de pulsos posibles (18 pulsos) puesto que presentan mayor eficiencia. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 48 • Los trolebuses deberían poseer las siguientes características para conseguir ser lo más eficientemente posible: motor de alta eficiencia, freno regenerativo con almacenamiento, optar por un convertidor de alta eficiencia y menor peso y estar equipado con un sistema de guiado óptico. • Sobre la línea. Para que fuera lo más eficiente posible, el trazado debería carecer de pendientes y por tanto el desnivel debería ser prácticamente nulo. También se hace constar que aumentar la distancia entre paradas disminuye el consumo. • Respecto a las cargas auxiliares. Debería utilizarse iluminación led y estudiarse en cada caso la climatización. Desde el punto de vista de la utilización del medio de transporte, incluido lo comentado anteriormente en el aspecto económico, si se utiliza una vía reservada (carril bus mediano) con priorización semafórica y guiado óptico la línea debería tener una demanda entre 4500 y 7500 pasajeros hora. En la Tabla 4.3 podemos ver los datos obtenidos clasificados por medio de transporte. Esta tabla ha sido realizada en base a los datos obtenidos y/o analizados en documentos científicos, proyectos y trabajos de investigación. Podemos observar en la Figura 4.4 el coste energético por plaza en cada medio de transporte, efectivamente coincide con la comparativa de medios de transporte analizada en el capítulo 3. El tranvía es el sistema de transporte más económico desde el punto de vista energético por plaza, pero realmente el consumo debe medirse respecto a la ocupación real ya que será la realmente consumida. Figura 4.3 – Demanda de pasajeros según el medio de transporte en distintas ciudades europeas. Fuente: Secretaría de Estado de Transportes, Ministerio de Fomento (2010). MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 49 En la Figura 4.3 podemos denotar como existen muchas ciudades cuya ocupación media es inferior a 27 pasajeros por kilómetro por lo que se encuentra en los márgenes de mínimo coste energético del trolebús. Teniendo en cuenta el dato anterior y observando los datos de la Tabla 4.3 y Tabla 4.3, un autobús o trolebús guiado puede albergar hasta 29 pasajeros por kilometro á  ∗ =  ∗∗ í∗í = 29 ∗∗   Tabla 4.1 – Capacidad de diferentes modos de transporte colectivo urbano. Fuente: Propuesta de red de tranvía-metro ligero y autobuses urbanos, suburbanos y comarcales. TOMO I: Memoria y Anejos 1-6. PLAN DE MOVILIDAD SOSTENIBLE DE ZARAGOZA 2006 Tabla 4.2 – Características de diferentes modos de transporte colectivo urbano. Fuente: ibis. Por tanto, para que un sistema de transporte basado en trolebuses sea, energéticamente, el más eficiente debería de estar comprendido entre los 7 y los 29 pasajeros por hora-sentido y kilómetro. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 50 Tabla 4.3 – Comparativa de los consumos energéticos de distintos medios de transporte. Fuente: Propia. ASIENTOS PLAZAS kWh / km MJ / km Energía/Masa Energía/Asiento Energía/Plaza Barcelona 13,1 29 75 4,50 16,2 0,34 0,16 0,060 Mercedes O530 Citaro.Zaragoza 12,8 32 106 4,85 17,5 0,38 0,15 0,046 Man NG-313F.Zaragoza 17,3 42 139 7,07 25,5 0,41 0,17 0,051 EcoPower. Turin 7,5 30 37 0,95 3,4 0,13 0,03 0,026 Artic.Umea 19,0 29 95 1,27 4,6 0,07 0,04 0,013 Ultracap Bus.Shanghai 13,0 41 75 1,50 5,4 0,12 0,04 0,020 New Flyer E40LFR.Vancouver.FR 14,6 34 77 2,70 9,7 0,18 0,08 0,035 TVRcas.Castellón. 14,2 29 70 2,65 9,5 0,19 0,09 0,038 Landskrona *FR 13,9 29 70 1,80 6,5 0,13 0,06 0,026 Irisbus Critalis. Milan. 20,4 30 132 3,98 14,3 0,20 0,13 0,030 AG 300T.Milan. *FR 19,7 31 152 2,64 9,5 0,13 0,09 0,017 Roma. FR 19,0 30 155 2,40 8,6 0,13 0,08 0,015 MB O405 G HC.Quito 17,8 42 138 3,63 13,1 0,20 0,09 0,026 MB O405 G HC.Quito.*FR-2 17,8 42 138 2,26 8,1 0,13 0,05 0,016 Hess LighTram. Ginebra 24,0 68 161 2,77 10,0 0,12 0,04 0,017 AG 300T. Salzburgo 27,4 37 160 5,06 18,2 0,18 0,14 0,032 AG 300T. Salzburgo.*FR-2 27,4 37 160 3,42 12,3 0,12 0,09 0,021 Salvador Caetano-Efacec. Coimbra 11,7 29 75 3,63 13,1 0,31 0,13 0,048 Skoda 26 42 154 1,84 6,6 0,07 0,04 0,012 Alstom Citadis 302. Barcelona FR 40 64 220 4,50 16,2 0,11 0,07 0,020 Alstom Citadis 302. Barcelona 40 64 220 5,25 18,9 0,13 0,08 0,024 Roma. FR 40 54 260 2,99 10,8 0,07 0,06 0,012 Urbos 3.Zaragoza.FR 59,5 52 206 3,93 14,1 0,07 0,08 0,019 CONSUMO CONSUMO REFERIDO A MASA, ASIENTOS Y PLAZAS (kWh) TRANVIA BUS BUS PHEV CAPACIDAD PESO (TARA+PASJ.) (T) MODELO TROLEBUS TIPO MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 57 5.2 Cálculo del consumo energético de la línea óptima El cálculo de la energía eléctrica de la línea del trolebús está determinado por los siguientes aspectos: - Potencia del motor, que incluye: demanda y peso del conjunto, pendiente de la ruta y velocidad. - Planificación de la ruta: número de expediciones programadas según frecuencia y día. Para determinarlo, suele realizarse por medio de un software comercial como pueden ser: OpenTrack, Sitras Sidytrac, Rail Power o Elbas Sinanet. Las licencias tienen un coste elevado pero tienen multitud de variables para poder realizar un estudio en profundidad. En este trabajo utilizaremos el procedimiento descrito a continuación. 5.2.1. Procedimiento Mediante una aplicación móvil (GPS logger Pro del autor Peter Ho) he realizado una monitorización a lo largo de toda la expedición o recorrido de la línea optima (línea 33), en ambos sentidos. Los datos instantáneos obtenidos del programa son los de posición GPS, velocidad, altitud y distancia recorrida. Posteriormente estos datos se importan a una hoja de cálculo para poder manejarlos. Un pequeño fragmento de los datos aportados por el programa se muestra en la Tabla 5.2. Tabla 5.2 – Pequeña muestra de los datos de la línea de óptima (línea 33). Fuente: Propia. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 58 El conjunto de datos fue recogido el día 26/10/2013 a partir de las 11:29 horas en un modelo IVECO CITELIS ART-EUROV. Figura 5.3 – Imagen del vehículo monitorizado. Fuente: propia. El consumo de energía se determina aplicando la segunda ley de Newton y una serie de coeficientes de eficiencia. Tomando como los datos de peso y dimensiones de un trolebús muy común, Irisbus Cristalis Alstrom, además de los coeficientes y factores obtenidos de los artículos Khanipour, A et al 2008 y Falvo, M.C. et al 2012, formamos la Tabla 5.3 Tabla 5.3 – Coeficientes de un sistema de trolebuses. Fuente: Propia. Respecto de la masa del vehículo, se debe tener en cuenta también, la masa de los pasajeros por kilómetro y expedición de media, en este caso son ≈10 pasajeros a 70kg/pasajero por lo que se deberá sumar a la masa del vehículo. Por otro lado, se han establecido las siguientes premisas para llevar a cabo el cálculo del consumo de energía:  El Estado del tráfico y de las señales semafóricas se tienen en cuenta.  Se tiene en cuenta la ocupación (peso), ya que, como hemos demostrado, el consumo se ve alterado proporcionalmente.  Se respetarán los parámetros de la misma como son: frecuencia, margen horario de inicio y fin, distancia de las paradas y calendario de transporte para realizar el cálculo anual. SIMBOLO COMPONENTE VALOR C d Coeficiente de Resistencia al aire 0,79 f r Coeficiente de Rodamiento 0,01 C w Coeficiente de Velocidad del viento 0,2 m Masa del Vehiculo (kg) 19100 A f Area frontal del vehículo (m 2 )8,55 δ Factor de masa 1,035 η c Eficiencia convertidor 0,9 η m Eficiencia motor 0,95 η t Eficiencia transmisión mecánica 0,93 η s Eficiencia Subestación 0,95 η l Eficiencia lineas 0,9 ESPECIFICICACIONES TECNICAS MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 59 1. Cálculo del consumo del movimiento. Aplicaremos la segunda ley de Newton mediante el diagrama de fuerzas utilizado que se muestra en la Figura 5.4. Figura 5.4 – Diagrama de cuerpo libre. Fuente: Vossloh kiepe, modelo E40LFR (2010). 2ª Ley de Newton ∑ =  ∗  Ecuación 1  =    +  +  +  ∗  ∗  Ecuación 2  =  ∗  ∗ sin+∗∗  ∗cos+   ∗∗∗  ∗  1+  +∗ Ecuación 3  =∗ Donde: Si multiplicamos los resultados de la Ecuación 2 (desarrollada de la Ecuación 1) por la velocidad en cada instante de tiempo obtendremos la Ecuación 3, que es la potencia necesaria en cada instante de tiempo. Para obtener la energía, multiplicaremos el valor de la potencia por el tiempo en cada instante. íó ó =∗ F : f uerza a aplicar al vehículo (fuerza tractora)   : fuerza debida a la resistencia del aire   : fuerza debida a la rodadura P: peso del vehículo Px: componente del peso en el eje horizontal Py: componente del peso en el eje vertical fr: coeficiente de rodadura α: pendiente (radianes) m : masa del vehículo cargado (kg) g : gravedad (9.8 m/s 2 ) A : área (m 2 ) C d : coeficiente de resistencia al aire V: velocidad (m/s)  : densidad del aire (kg/m 3 )   : coeficiente de la velocidad del viento  : aceleración (m/s 2 ) δ : factor de masa (inercia rotacional) MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 60 Para determinar la energía necesaria de tracción a lo largo de la expedición bastará con sumar los términos positivos. Los términos negativos indican la potencia que debe ser absorbida por parte de los frenos, en caso de que el trolebús contase con frenado regenerativo parte de esta energía podría aprovecharse como ya hemos comentado en capítulos anteriores. 2. Cálculo del consumo del vehículo. El siguiente paso consiste en obtener el consumo del vehículo (Ecuación 4), para el caso del trolebús convencional. Aplicaremos los coeficientes de eficiencia del mismo (Falvo, M.C. et al 2012): -   = Convertidor: 90% -   = Motor: 95% -   = Transmisión mecánica: 93% Ecuación 4 íí ó = íó ó   ∗  ∗  Figura 5.5 – Diagrama de eficiencia de un trolebús. Fuente: propia. Si el trolebús es híbrido y dependiendo del esquema del mismo, debemos aplicar una ecuación distinta. Dependiendo del sistema de propulsión que esté funcionando en cada periodo de tiempo utilizaremos la ecuación con los coeficientes de eficiencia de cada tipo de sistema. íí ó = . ó + . ó Si los vehículos son PHEV debemos tener en cuenta que no existen pérdidas en la línea, puesto que no existe, en su lugar aparecen unas pérdidas debido a las baterías. Estas pérdidas son debidas a la incompleta transferencia entre el proceso de carga y descarga de las baterías, denominada eficiencia Coulomb o aceptación de la carga. Los coeficientes varían en función del tipo de baterías (ver Figura 2.18),   = Baterías Li-Ion: 85%. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 61 íí ó =  íó ó   ∗  ∗  ∗  Figura 5.6 – Diagrama de eficiencia de trolebuses PHEV. Fuente: propia. 3. Cálculo del consumo del sistema El último paso es determinar el consumo de energía en la entrada de la subestación transformadora. Debemos aplicar los coeficientes de eficiencia de las líneas o catenaria y subestación en el caso de los trolebuses convencionales: -   = Subestación: 95% -   = Líneas: 90% Figura 5.7 – Diagrama de eficiencia del sistema completo de transporte mediante trolebuses convencionales. Fuente: propia. Ecuación 5  ó = íí ó   ∗  El consumo diario o anual del sistema está determinado por la siguiente ecuación.  í/ =  íí ó ∗  / MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 62 5.2.2. Resultados Una vez obtenido la potencia instantánea (y por tanto la energía para cada segundo de tiempo) debemos diferenciar entre la energía absorbida de la red (positiva) que absorbe el motor del trolebús y la energía cedida (negativa) que debe ser absorbida por algún tipo de freno (resistivo o regenerativo). Obtenida la división, pasamos a realizar la suma de cada una de las partes, obteniendo la Tabla 5.4 Tabla 5.4 – Resultados de la energía absorbida y cedida - línea óptima. Fuente: Propia. RESULTADOS OBTENIDOS DEL MOVIMIENTO Energía de tracción 63275,30 kWs 17,58 kWh*línea 1,28 kWh/km Energía de frenado -31735,33 kWs -8,82 kWh*línea -0,64 kWh/km *Línea= 13.73 km Aplicando los factores de eficiencia del trolebús vistos anteriormente y el factor K (0.5) para el cálculo de la energía cinética recuperable, obtenemos la Tabla 5.5. íí ó =  íó ó   ∗  ∗  Tabla 5.5 – Energía absorbida y cedida incluyendo la eficiencia del vehículo. Fuente: Propia. RESULTADOS INCLUYENDO LA EFICIENCIA DEL VEHICULO Consumo energía del vehículo por recorrido de línea (kWh) 22,10 Consumo energía del vehículo por km (kWh/km) 1,61 Energía recuperada por freno regenerativo (kWh) -4,41 Energía recuperada por FR por km (kWh/km) -0,32 TOTAL ((kWh/km)= 1,29 Ahorro (%) 19,9% MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 63 Si queremos obtener el consumo de energía incluyendo las pérdidas del sistema de potencia, aplicaremos los factores de eficiencia de sistema para elaborar la Tabla 5.6  ó =  íí ó   ∗  Tabla 5.6 – Energía absorbida y cedida incluyendo eficiencia del sistema de potencia. Fuente: Propia. RESULTADOS INCLUYENDO LA EFICIENCIA DEL SISTEMA DE POTENCIA Consumo energía del Sistema por recorrido de línea (kWh) 25,85 Consumo energía del Sistema por kilómetro (kWh/km) 1,88 Consumo energía del Sistema por línea incluyendo FR (kWh) 20,70 Consumo energía del Sistema por kilómetro con FR (kWh/km) 1,51 Según los resultados obtenidos para la línea optima, un trolebús consumiría 1.61 kWh/km (1.88 Kwh/km incluyendo las pérdidas del sistema de potencia) con las mismas condiciones, siendo este consumo el debido al movimiento. Para obtener el consumo completo del trolebús es necesario añadir el originado por las cargas auxiliares. El único dato encontrado acerca del consumo de los sistemas auxiliares es el proporcionado por David Checkel (2008). En dicho estudio indica que la potencia consumida por las cargas auxiliares se situaba de media continua en 2.5 kW. Si añadimos dicho dato al resultado obtenido, obtenemos que el consumo medio es de 4.11 kWh/km (1.61+2.5), si incorporamos el frenado regenerativo el consumo sería de 3.79 kWh/km (1.29+2.5). Tabla 5.7 – Resultados de la energía absorbida y cedida incluyendo la carga auxiliar. Fuente: Propia. RESULTADOS INCLUYENDO CARGAS AUXILIARES Consumo energía del Sistema por recorrido de línea (kWh) 66,00 Consumo energía del Sistema por kilómetro (kWh/km) 4,81 Consumo energía del Sistema por línea incluyendo FR (kWh) 60,86 Consumo energía del Sistema por kilómetro con FR (kWh/km) 4,43 Debe constar que la distancia media de paradas de la línea óptima es de 275 metros. Si aumentamos dicha distancia a 500 metros, al igual que los tranvías y el trolebús de Castellón, tal y como vimos en el apartado 2.3.2, la reducción de consumo sería de al menos del 20%, por lo que pasaríamos a tener un consumo de 3.28 kWh/Km y 3.03 kWh/km con frenado regenerativo. Tomando los datos de consumo de los trolebuses reales y el anteriormente calculado obtenemos la Figura 5.8. Se debe destacar que estos consumos solo incluyen la eficiencia del vehiculo. MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 64 Figura 5.8 – Comparativa de los consumos de trolebuses reales, autobús y trolebús de la línea óptima. Fuente: propia. Respecto al consumo de la línea realizado con trolebuses, puede observarse en la tabla siguiente como el consumo se ha reducido en aproximadamente un 40%. Se incluyen la eficiencia del vehículo, sistema de potencia, cargas auxiliares y se toma en cuenta el frenado regenerativo. Tabla 5.8 – Comparativa del coste por pasajero entre autobuses diésel y trolebuses. Fuente: Propia. DIESEL TROLEBUS COSTE PASAJERO (kWh/km*pasaj.) 0,72 0,45 CONSUMO ANUAL (kWh) 4.510.985 2.821.911 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 65 5.2.1. Verificación de los cálculos. Para verificar la coherencia de los datos obtenidos de potencia instantanea, se ha realizado la gráfica de la Figura 5.9 que corresponde a dos ciclos consecutivos de arranque-parada. Comparándola con la Figura 5.10 extraída del artículo de Khanipour, A. et al 2008 se puede verificar que los datos obtenidos del software son correctos. También puede compararse con las gráficas del artículo de Yepes, O. y Diez, A. de 2012. Figura 5.9 – Velocidad y potencia calculados en dos ciclos de arranque-parada del vehículo. Fuente: propia. Figura 5.10 –Demanda teórica de potencia de tracción según el ciclo ideal de arranque-parada de un vehículo. Fuente: Khanipour, A. et al 2008 MASTER EN ENERGIAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGETICA MANUEL SANTOS LOPEZ Análisis energético de trolebús. Estudio para la ciudad de Zaragoza. 66 6. Conclusiones En este trabajo se ha recordado al viejo y olvidado trolebús desde el punto de vista energético y además se ha realizado un caso de estudio para la ciudad de Zaragoza. La revisión del estado del arte nos muestra cómo ha tenido un periodo de decadencia, no atribuible a decisiones técnicas. Se ha realizado una intensa investigación que determina los factores que influyen en los costes energéticos del trolebús así como en vehículos híbridos. La comparativa realizada ha demostrado que tanto el tranvía como el trolebús son los sistemas más eficientes para el transporte de media capacidad de personas. También se ha llevado una exhaustiva búsqueda para elaborar una comparativa de consumos en las distintas ciudades que disponen de este medio de transporte. Por último, se ha realizado un estudio de la ruta o línea más eficiente de la actual red de transporte de autobús de Zaragoza para poder implementar un sistema de basado en trolebuses. Incluso se ha calculado mediante un sistema no intrusivo, el consumo del movimiento de un vehículo de dicha línea para proceder a determinar el consumo del sistema completo. Como trabajo futuro, pueden abordarse los siguientes temas: • Proyecto técnico y económico. • Estudio de Impacto ambiental. • Sistemas de gestión/reguladores de la energía Figura 6.1 – Trolebús de la ciudad de Parma (Italia) del fabricante Van Hool. Fuente: Tbus (web - accedido 13/10/13) http://www.tbus.org.uk/news2011.html