La electrificación ferroviaria es el uso de energía eléctrica para la propulsión del transporte ferroviario . Los ferrocarriles eléctricos utilizan locomotoras eléctricas (que transportan pasajeros o mercancías en vagones separados), unidades múltiples eléctricas ( vagones de pasajeros con sus propios motores) o ambas. La electricidad se genera normalmente en centrales generadoras grandes y relativamente eficientes , se transmite a la red ferroviaria y se distribuye a los trenes. Algunos ferrocarriles eléctricos tienen sus propias centrales generadoras y líneas de transmisión dedicadas , pero la mayoría compra energía a una empresa eléctrica . El ferrocarril suele proporcionar sus propias líneas de distribución, interruptores y transformadores .
La energía se suministra a los trenes en movimiento mediante un conductor (casi) continuo que corre a lo largo de la vía y que generalmente adopta una de dos formas: una línea aérea , suspendida de postes o torres a lo largo de la vía o de techos de estructuras o túneles, o un tercer riel montado a nivel de la vía y conectado por una " zapata de recogida " deslizante. Tanto los sistemas de cables aéreos como los de tercer riel generalmente utilizan los rieles de rodadura como conductor de retorno, pero algunos sistemas utilizan un cuarto riel separado para este propósito.
En comparación con la alternativa principal, el motor diésel , los ferrocarriles eléctricos ofrecen una eficiencia energética sustancialmente mejor , menores emisiones y menores costos operativos. Las locomotoras eléctricas también suelen ser más silenciosas, más potentes y más sensibles y confiables que las diésel. No tienen emisiones locales, una ventaja importante en túneles y áreas urbanas. Algunos sistemas de tracción eléctrica proporcionan frenado regenerativo que convierte la energía cinética del tren nuevamente en electricidad y la devuelve al sistema de suministro para que la utilicen otros trenes o la red eléctrica general. Si bien las locomotoras diésel queman productos derivados del petróleo, la electricidad se puede generar a partir de diversas fuentes, incluida la energía renovable . [1] Históricamente, las preocupaciones por la independencia de los recursos han jugado un papel en la decisión de electrificar las líneas ferroviarias. La confederación suiza sin salida al mar , que carece casi por completo de depósitos de petróleo o carbón pero tiene abundante energía hidroeléctrica, electrificó su red en parte como reacción a los problemas de suministro durante ambas guerras mundiales. [2] [3]
Las desventajas de la tracción eléctrica incluyen: altos costos de capital que pueden resultar antieconómicos en rutas con poco tráfico, una relativa falta de flexibilidad (ya que los trenes eléctricos necesitan terceros rieles o cables aéreos) y una vulnerabilidad a las interrupciones de energía. [1] Las locomotoras electrodiésel y las unidades múltiples electrodiésel mitigan estos problemas en cierta medida, ya que pueden funcionar con energía diésel durante un corte de energía o en rutas no electrificadas.
Las distintas regiones pueden utilizar distintos voltajes y frecuencias de suministro, lo que complica el servicio y requiere una mayor complejidad de la potencia de las locomotoras. Históricamente, existía una preocupación por el transporte ferroviario de doble pila en relación con los espacios libres con las líneas aéreas [1], pero ya no es una verdad universal a partir de 2022 [actualizar], ya que tanto Indian Railways [4] como China Railway [5] [6] [7] operan regularmente trenes de carga eléctricos de doble pila bajo líneas aéreas.
La electrificación ferroviaria ha aumentado constantemente en las últimas décadas y, a partir de 2022, las vías electrificadas representan casi un tercio del total de vías a nivel mundial. [8] [9]
La electrificación ferroviaria es el desarrollo de la propulsión de trenes y locomotoras mediante electricidad en lugar de diésel o vapor . La historia de la electrificación ferroviaria se remonta a finales del siglo XIX, cuando se introdujeron los primeros tranvías eléctricos en ciudades como Berlín , Londres y Nueva York .
En 1881, la primera electrificación ferroviaria permanente del mundo fue el Tranvía Gross-Lichterfelde en Berlín , Alemania. [10] La electrificación de líneas aéreas fue aplicada por primera vez con éxito por Frank Sprague en Richmond, Virginia en 1887-1888, y condujo a la electrificación de cientos de sistemas de tranvías adicionales a principios de la década de 1890. [11] [12] La primera electrificación de un ferrocarril principal fue la Baltimore Belt Line del Baltimore and Ohio Railroad en los Estados Unidos en 1895-96.
En la primera electrificación de los ferrocarriles se utilizaron sistemas de corriente continua (CC), que tenían limitaciones en cuanto a la distancia a la que podían transmitir energía. Sin embargo, a principios del siglo XX se desarrollaron sistemas de corriente alterna (CA), que permitieron una transmisión de energía más eficiente a mayores distancias.
En las décadas de 1920 y 1930, muchos países del mundo comenzaron a electrificar sus ferrocarriles. En Europa, Suiza , Suecia , Francia e Italia estuvieron entre los primeros en adoptar la electrificación ferroviaria. En los Estados Unidos , el ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford fue uno de los primeros ferrocarriles importantes en electrificarse.
La electrificación ferroviaria continuó expandiéndose a lo largo del siglo XX, con mejoras tecnológicas y el desarrollo de trenes de alta velocidad y de cercanías . Hoy en día, muchos países cuentan con extensas redes ferroviarias electrificadas con375.000 km de líneas estándar en el mundo, incluidos China , India , Japón , Francia , Alemania y el Reino Unido . La electrificación se considera una alternativa más sostenible y respetuosa con el medio ambiente que la energía diésel o de vapor y es una parte importante de la infraestructura de transporte de muchos países.
Los sistemas de electrificación se clasifican según tres parámetros principales:
La selección de un sistema de electrificación se basa en la economía del suministro de energía, el mantenimiento y el costo de capital en comparación con los ingresos obtenidos por el tráfico de mercancías y pasajeros. Se utilizan diferentes sistemas para áreas urbanas e interurbanas; algunas locomotoras eléctricas pueden cambiar a diferentes voltajes de suministro para permitir flexibilidad en la operación.
Se han seleccionado seis de las tensiones más utilizadas para la normalización europea e internacional. Algunas de ellas son independientes del sistema de contacto utilizado, de modo que, por ejemplo, se puede utilizar 750 V CC tanto con el tercer carril como con las líneas aéreas.
Hay muchos otros sistemas de voltaje utilizados para los sistemas de electrificación ferroviaria en todo el mundo, y la lista de sistemas de electrificación ferroviaria cubre tanto los sistemas de voltaje estándar como los de voltaje no estándar.
El rango permisible de voltajes permitidos para los voltajes estandarizados es el establecido en las normas BS EN 50163 [13] e IEC 60850 [14]. Estas tienen en cuenta el número de trenes que consumen corriente y su distancia desde la subestación.
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Se utilizan 1500 V CC en Japón, Indonesia, Hong Kong (partes), Irlanda, Australia (partes), Francia (también se utilizan25 kV 50 Hz CA ), Países Bajos, Nueva Zelanda (Wellington), Singapur (en lalínea MRT del noreste), Estados Unidos (de Chicagoen elde Metra Electricy lainterurbanaSouth Shore Line yel tren ligero LinkenSeattle, Washington). En Eslovaquia, hay dos líneas de vía estrecha en los Altos Tatras (una de ellas untren de cremallera). En los Países Bajos se utiliza en el sistema principal, junto con 25kV en elHSL-ZuidyBetuwelijn, y 3000V al sur deMaastricht. En Portugal, se utiliza en lalínea de CascaissistemasuburbanoSV CC).
En el Reino Unido, se utilizaron 1.500 V CC en 1954 para la ruta transpenina de Woodhead (ahora cerrada); el sistema utilizaba frenado regenerativo , lo que permitía la transferencia de energía entre trenes que subían y bajaban en los accesos empinados al túnel. El sistema también se utilizó para la electrificación suburbana en East London y Manchester , ahora convertido a 25 kV CA. Ahora solo se utiliza para el metro de Tyne y Wear . En la India, 1.500 V CC fue el primer sistema de electrificación lanzado en 1925 en el área de Mumbai. Entre 2012 y 2016, la electrificación se convirtió a 25 kV 50 Hz, que es el sistema nacional.
La corriente continua de 3 kV se utiliza en Bélgica, Italia, España, Polonia, Eslovaquia, Eslovenia, Sudáfrica, Chile, la parte norte de la República Checa, las antiguas repúblicas de la Unión Soviética y en los Países Bajos, en unos pocos kilómetros entre Maastricht y Bélgica. Anteriormente, se utilizaba en la Milwaukee Road desde Harlowton, Montana , hasta Seattle, a través de la Divisoria Continental e incluyendo extensas líneas secundarias y de bucle en Montana, y en el Delaware, Lackawanna and Western Railroad (ahora New Jersey Transit , convertida a 25 kV CA) en los Estados Unidos, y en el ferrocarril suburbano de Calcuta (Bardhaman Main Line) en la India, antes de que se convirtiera a 25 kV 50 Hz.
La mayoría de las redes de tranvías y trolebuses , así como algunos sistemas de metro , utilizan voltajes de CC entre 600 V y 750 V , ya que los motores de tracción aceptan este voltaje sin el peso de un transformador a bordo. [ cita requerida ]
La creciente disponibilidad de semiconductores de alto voltaje puede permitir el uso de voltajes de CC más altos y más eficientes que hasta ahora solo han sido prácticos con CA. [15]
El uso de la electrificación de media tensión en corriente continua (MVDC) resolvería algunos de los problemas asociados con los sistemas de electrificación de corriente alterna de frecuencia estándar, especialmente el posible desequilibrio de carga de la red de suministro y la separación de fases entre las secciones electrificadas alimentadas por diferentes fases, mientras que el alto voltaje haría que la transmisión fuera más eficiente. [16] : 6–7 La UIC realizó un estudio de caso para la conversión de la línea ferroviaria Burdeos-Hendaya (Francia), actualmente electrificada a 1,5 kV CC, a 9 kV CC y descubrió que la conversión permitiría utilizar cables aéreos menos voluminosos (ahorrando 20 millones de euros por cada 100 km de ruta) y reducir las pérdidas (ahorrando 2 GWh por año por cada 100 km de ruta; lo que equivale a unos 150 000 € al año). La línea elegida es una de las líneas, con un total de 6000 km, que necesitan renovación. [17]
En la década de 1960, los soviéticos experimentaron con aumentar la tensión de la red de 3 a 6 kV. El material rodante de CC estaba equipado con convertidores basados en ignitrones para reducir la tensión de suministro a 3 kV. Los convertidores resultaron ser poco fiables y el experimento se vio interrumpido. En 1970, el Instituto Electromecánico de Ingenieros Ferroviarios de los Urales realizó cálculos para la electrificación ferroviaria a 12 kV CC , demostrando que los niveles de pérdida equivalentes para un sistema de CA de 25 kV podían lograrse con una tensión de CC entre 11 y 16 kV. En las décadas de 1980 y 1990 se estaban probando 12 kV CC en el Ferrocarril de Octubre cerca de Leningrado (ahora Petersburgo ). Los experimentos finalizaron en 1995 debido al fin de la financiación. [18]
La mayoría de los sistemas de electrificación utilizan cables aéreos, pero el tercer carril es una opción hasta 1.500 V. Los sistemas de tercer carril utilizan casi exclusivamente distribución de CC. El uso de CA no suele ser factible debido a que las dimensiones de un tercer carril son físicamente muy grandes en comparación con la profundidad de la piel que la CA penetra a 0,3 milímetros o 0,012 pulgadas en un carril de acero. Este efecto hace que la resistencia por unidad de longitud sea inaceptablemente alta en comparación con el uso de CC. [19] El tercer carril es más compacto que los cables aéreos y se puede utilizar en túneles de diámetro más pequeño, un factor importante para los sistemas de metro. [ cita requerida ]
El metro de Londres, en Inglaterra, es una de las pocas redes que utiliza un sistema de cuatro raíles. El raíl adicional transporta el retorno eléctrico que, en las redes de tercer raíl y de catenaria, proporcionan los raíles de rodadura. En el metro de Londres, un tercer raíl de contacto superior se encuentra al lado de la vía, energizado en+420 V CC y un cuarto riel de contacto superior está ubicado centralmente entre los rieles de rodadura en−210 V CC , que se combinan para proporcionar una tensión de tracción de630 V DC . El mismo sistema se utilizó parala primera línea subterránea de Milán , la línea 1 del Metro de Milán , cuyas líneas más recientes utilizan una catenaria aérea o un tercer carril.
La principal ventaja del sistema de cuatro raíles es que ninguno de los raíles de rodadura transporta corriente. Este sistema se introdujo debido a los problemas de las corrientes de retorno, que se supone que deben ser transportadas por el raíl de rodadura conectado a tierra , que fluyen a través de los revestimientos de hierro del túnel. Esto puede provocar daños electrolíticos e incluso arcos eléctricos si los segmentos del túnel no están unidos eléctricamente . El problema se agravó porque la corriente de retorno también tenía tendencia a fluir a través de las tuberías de hierro cercanas que forman las tuberías principales de agua y gas. Algunas de estas, en particular las tuberías principales victorianas que precedieron a los ferrocarriles subterráneos de Londres, no se construyeron para transportar corrientes y no tenían una conexión eléctrica adecuada entre los segmentos de las tuberías. El sistema de cuatro raíles resuelve el problema. Aunque el suministro tiene un punto de tierra creado artificialmente, esta conexión se obtiene mediante el uso de resistencias que garantizan que las corrientes de tierra parásitas se mantengan a niveles manejables. Los raíles que solo suministran energía se pueden montar en sillas de cerámica fuertemente aislantes para minimizar la fuga de corriente, pero esto no es posible para los raíles de rodadura, que deben asentarse en sillas de metal más resistentes para soportar el peso de los trenes. Sin embargo, las almohadillas de caucho elastomérico colocadas entre los rieles y las sillas ahora pueden resolver parte del problema aislando los rieles de rodadura del retorno de corriente en caso de que haya una fuga a través de ellos.
Las líneas Expo y Millennium del SkyTrain de Vancouver utilizan sistemas de cuarto carril de contacto lateral para susAlimentación de 650 V CC . Ambos están situados en el lateral del tren, ya que el espacio entre los raíles de rodadura está ocupado por una placa de aluminio, como parte del estator del sistema de propulsión por inducción lineal utilizado en el sistema Innovia ART . Si bien forma parte de la red SkyTrain, la Canada Line no utiliza este sistema y, en su lugar, utiliza motores más tradicionales acoplados a las ruedas y electrificación por tercer raíl.
Algunas líneas del metro de París en Francia funcionan con un sistema eléctrico de cuatro carriles. Los trenes se mueven sobre neumáticos de caucho que ruedan sobre un par de estrechos carriles de rodadura hechos de acero y, en algunos lugares, de hormigón . Dado que los neumáticos no conducen la corriente de retorno, las dos barras guía dispuestas fuera de los ' carriles de rodadura ' se convierten, en cierto sentido, en un tercer y cuarto carril que proporcionan cada uno 750 V CC , por lo que al menos eléctricamente es un sistema de cuatro carriles. Cada juego de ruedas de un bogie motorizado lleva un motor de tracción . Una zapata de contacto deslizante lateral (de marcha lateral) recoge la corriente de la cara vertical de cada barra guía. El retorno de cada motor de tracción, así como de cada vagón , se efectúa mediante una zapata de contacto que se desliza sobre cada uno de los carriles de rodadura . Este y todos los demás metros con neumáticos de caucho que tienen un ancho de vía de 1.435 mm ( 4 pies 8 pulgadas)+Las vías de ancho estándar de 1 ⁄ 2 pulg.entre losrodillosfuncionan de la misma manera.[20][21]
Los ferrocarriles y las empresas eléctricas utilizan corriente alterna en lugar de corriente continua por la misma razón: [22] para utilizar transformadores , que requieren corriente alterna, para producir voltajes más altos. [23] Cuanto mayor sea el voltaje, menor será la corriente para la misma potencia (porque la potencia es la corriente multiplicada por el voltaje), y la pérdida de potencia es proporcional al cuadrado de la corriente. La corriente más baja reduce la pérdida de línea, lo que permite entregar mayor potencia. [24]
Como se utiliza corriente alterna con altos voltajes, dentro de la locomotora, un transformador reduce el voltaje para que lo utilicen los motores de tracción y las cargas auxiliares.
Una ventaja temprana de la CA es que las resistencias que desperdician energía utilizadas en las locomotoras de CC para el control de velocidad no eran necesarias en una locomotora de CA: múltiples tomas en el transformador pueden suministrar una gama de voltajes. [25] Los devanados separados del transformador de bajo voltaje suministran iluminación y los motores que impulsan la maquinaria auxiliar. Más recientemente, el desarrollo de semiconductores de potencia muy alta ha hecho que el motor de CC clásico sea reemplazado en gran medida por el motor de inducción trifásico alimentado por un variador de frecuencia , un inversor especial que varía tanto la frecuencia como el voltaje para controlar la velocidad del motor. Estos variadores pueden funcionar igualmente bien con CC o CA de cualquier frecuencia, y muchas locomotoras eléctricas modernas están diseñadas para manejar diferentes voltajes y frecuencias de suministro para simplificar la operación transfronteriza.
Cinco países europeos –Alemania, Austria, Suiza, Noruega y Suecia– han estandarizado el 15 kV 16+2 ⁄ 3 Hz (la frecuencia de la red eléctrica de 50 Hz dividida por tres) CA monofásica. El 16 de octubre de 1995, Alemania, Austria y Suiza cambiaron de 16+2 ⁄ 3 Hz a 16,7 Hz, que ya no es exactamente un tercio de la frecuencia de la red. Esto solucionó los problemas de sobrecalentamiento con los convertidores rotativos utilizados para generar parte de esta energía a partir de la red eléctrica. [26]
En los EE. UU. , el ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford , el ferrocarril de Pensilvania y el ferrocarril de Filadelfia y Reading adoptaron la corriente alterna monofásica de 11 kV y 25 Hz. Algunas partes de la red electrificada original todavía funcionan a 25 Hz, con un voltaje aumentado a 12 kV, mientras que otras se convirtieron a 12,5 o 25 kV y 60 Hz.
En el Reino Unido, la London, Brighton and South Coast Railway fue pionera en la electrificación aérea de sus líneas suburbanas en Londres, y la de London Bridge a Victoria se abrió al tráfico el 1 de diciembre de 1909. La de Victoria a Crystal Palace vía Balham y West Norwood se inauguró en mayo de 1911. La de Peckham Rye a West Norwood se inauguró en junio de 1912. No se realizaron más ampliaciones debido a la Primera Guerra Mundial. En 1925 se inauguraron dos líneas bajo la Southern Railway que daban servicio a la estación de tren de Coulsdon North y Sutton . Las líneas se electrificaron a 6,7 kV 25 Hz. En 1926 se anunció que todas las líneas se convertirían al tercer carril de CC y el último servicio eléctrico alimentado por catenaria funcionó en septiembre de 1929.
La corriente alterna se utiliza a 60 Hz en América del Norte (excluyendo la red de 25 Hz antes mencionada), el oeste de Japón, Corea del Sur y Taiwán; y a 50 Hz en varios países europeos, India, Arabia Saudita, el este de Japón, países que solían ser parte de la Unión Soviética, en líneas de alta velocidad en gran parte de Europa occidental (incluidos los países que aún utilizan ferrocarriles convencionales con corriente continua, pero no en los países que utilizan 16,7 Hz, véase más arriba). La mayoría de los sistemas como este funcionan a 25 kV, aunque existen secciones de 12,5 kV en los Estados Unidos, y se utilizan 20 kV en algunas líneas de vía estrecha en Japón. En las líneas de alta velocidad del "sistema francés", la línea aérea y una línea de alimentación "traviesa" transportan cada una 25 kV en relación con los rieles, pero en fase opuesta, por lo que están a 50 kV entre sí; los autotransformadores igualan la tensión a intervalos regulares. [ cita requerida ]
Varios sistemas de electrificación ferroviaria de finales del siglo XIX y del XX utilizaban suministro eléctrico trifásico en lugar de monofásico debido a la facilidad de diseño tanto de la fuente de alimentación como de las locomotoras. Estos sistemas podían utilizar la frecuencia de red estándar y tres cables de alimentación, o una frecuencia reducida, lo que permitía que la línea de fase de retorno fuera un tercer carril, en lugar de un cable aéreo adicional. [ cita requerida ]
La mayoría de los sistemas de electrificación modernos toman energía de CA de una red eléctrica que se entrega a una locomotora y, dentro de la locomotora, se transforma y rectifica a un voltaje de CC más bajo para prepararlo para su uso por los motores de tracción. Estos motores pueden ser motores de CC que utilizan directamente la CC o pueden ser motores de CA trifásicos que requieren una conversión adicional de la CC a CA trifásica de frecuencia variable (utilizando electrónica de potencia). Por lo tanto, ambos sistemas se enfrentan a la misma tarea: convertir y transportar CA de alto voltaje desde la red eléctrica a CC de bajo voltaje en la locomotora. La diferencia entre los sistemas de electrificación de CA y CC radica en dónde se convierte la CA en CC: en la subestación o en el tren. La eficiencia energética y los costos de infraestructura determinan cuál de estos se utiliza en una red, aunque esto a menudo es fijo debido a los sistemas de electrificación preexistentes.
Tanto la transmisión como la conversión de energía eléctrica implican pérdidas: pérdidas óhmicas en cables y electrónica de potencia, pérdidas de campo magnético en transformadores y reactores de suavizado (inductores). [27] La conversión de energía para un sistema de CC se lleva a cabo principalmente en una subestación ferroviaria donde se puede utilizar hardware grande, pesado y más eficiente en comparación con un sistema de CA donde la conversión se lleva a cabo a bordo de la locomotora donde el espacio es limitado y las pérdidas son significativamente mayores. [28] Sin embargo, los voltajes más altos utilizados en muchos sistemas de electrificación de CA reducen las pérdidas de transmisión en distancias más largas, lo que permite utilizar menos subestaciones o locomotoras más potentes. Además, debe tenerse en cuenta la energía utilizada para soplar aire para enfriar transformadores, electrónica de potencia (incluidos rectificadores) y otro hardware de conversión.
Los sistemas de electrificación de CA estándar utilizan voltajes mucho más altos que los sistemas de CC estándar. Una de las ventajas de aumentar el voltaje es que, para transmitir cierto nivel de potencia, se necesita una corriente más baja ( P = V × I ). Reducir la corriente reduce las pérdidas óhmicas y permite equipos de líneas aéreas menos voluminosos y livianos y más espacio entre subestaciones de tracción, al mismo tiempo que se mantiene la capacidad de potencia del sistema. Por otro lado, el voltaje más alto requiere brechas de aislamiento más grandes, lo que requiere que algunos elementos de la infraestructura sean más grandes. El sistema de CA de frecuencia estándar puede introducir un desequilibrio en la red de suministro, lo que requiere una planificación y un diseño cuidadosos (ya que en cada subestación la energía se obtiene de dos de las tres fases). El sistema de CA de baja frecuencia puede ser alimentado por una red de generación y distribución separada o una red de subestaciones convertidoras, lo que aumenta el gasto; además, los transformadores de baja frecuencia, utilizados tanto en las subestaciones como en el material rodante, son particularmente voluminosos y pesados. El sistema de CC, además de estar limitado en cuanto a la potencia máxima que se puede transmitir, también puede ser responsable de la corrosión electroquímica debido a las corrientes CC parásitas. [16] : 3
Los trenes eléctricos no necesitan soportar el peso de los motores , la transmisión y el combustible. Esto se compensa en parte con el peso del equipo eléctrico. El frenado regenerativo devuelve energía al sistema de electrificación para que pueda ser utilizada en otros lugares, por otros trenes del mismo sistema o devuelta a la red eléctrica general. Esto es especialmente útil en áreas montañosas donde los trenes muy cargados deben descender pendientes largas. [29]
La electricidad de una central eléctrica se puede generar a menudo con mayor eficiencia que un motor/generador móvil. Si bien la eficiencia de la generación de la planta de energía y la generación de la locomotora diésel son aproximadamente las mismas en el régimen nominal, [30] los motores diésel disminuyen en eficiencia en regímenes no nominales a baja potencia [31] mientras que si una planta de energía eléctrica necesita generar menos energía apagará sus generadores menos eficientes, aumentando así la eficiencia. El tren eléctrico puede ahorrar energía (en comparación con el diésel) mediante el frenado regenerativo y al no necesitar consumir energía al ralentí como lo hacen las locomotoras diésel cuando están paradas o en movimiento por inercia. Sin embargo, el material rodante eléctrico puede hacer funcionar ventiladores de refrigeración cuando está parado o en movimiento por inercia, consumiendo así energía.
Las grandes centrales eléctricas de combustibles fósiles funcionan con alta eficiencia y pueden utilizarse para calefacción urbana o para producir refrigeración urbana , lo que conduce a una mayor eficiencia total. [32] [33] La electricidad para los sistemas ferroviarios eléctricos también puede provenir de energía renovable , energía nuclear u otras fuentes bajas en carbono, que no emiten contaminación ni emisiones.
Las locomotoras eléctricas pueden construirse fácilmente con una mayor potencia de salida que la mayoría de las locomotoras diésel. Para el transporte de pasajeros es posible proporcionar suficiente potencia con motores diésel (véase, por ejemplo, " ICE TD "), pero, a velocidades más altas, esto resulta costoso y poco práctico. Por lo tanto, casi todos los trenes de alta velocidad son eléctricos. La alta potencia de las locomotoras eléctricas también les da la capacidad de tirar de mercancías a mayor velocidad en pendientes; en condiciones de tráfico mixto, esto aumenta la capacidad cuando se puede reducir el tiempo entre trenes. La mayor potencia de las locomotoras eléctricas y una electrificación también pueden ser una alternativa más barata a un ferrocarril nuevo y menos empinado si se deben aumentar los pesos de los trenes en un sistema.
Por otra parte, la electrificación puede no ser adecuada para líneas con baja frecuencia de tráfico, porque el menor costo de funcionamiento de los trenes puede verse compensado por el alto costo de la infraestructura de electrificación. Por lo tanto, la mayoría de las líneas de larga distancia en países en desarrollo o escasamente poblados no están electrificadas debido a la frecuencia relativamente baja de los trenes.
Los efectos de red son un factor importante en la electrificación. [ cita requerida ] Al convertir las líneas en eléctricas, se deben considerar las conexiones con otras líneas. Algunas electrificaciones se han eliminado posteriormente debido al tráfico de paso hacia líneas no electrificadas. [ cita requerida ] Para que el tráfico de paso tenga algún beneficio, se deben producir cambios de motor que consumen mucho tiempo para hacer tales conexiones o se deben utilizar motores de modo dual costosos . Esto es principalmente un problema para los viajes de larga distancia, pero muchas líneas llegan a estar dominadas por el tráfico de paso de trenes de carga de larga distancia (generalmente que transportan carbón, mineral o contenedores hacia o desde los puertos). En teoría, estos trenes podrían disfrutar de ahorros espectaculares a través de la electrificación, pero puede ser demasiado costoso extender la electrificación a áreas aisladas y, a menos que se electrifique una red completa, las empresas a menudo descubren que necesitan seguir utilizando trenes diésel incluso si se electrifican secciones. La creciente demanda de tráfico de contenedores, que es más eficiente cuando se utilizan vagones de doble pila , también presenta problemas de efecto de red con las electrificaciones existentes debido al espacio libre insuficiente de las líneas eléctricas aéreas para estos trenes, pero la electrificación se puede construir o modificar para tener suficiente espacio libre, con un coste adicional.
Un problema relacionado específicamente con las líneas electrificadas son los huecos en la electrificación. Los vehículos eléctricos, especialmente las locomotoras, pierden potencia al atravesar huecos en el suministro, como huecos de cambio de fase en sistemas aéreos y huecos sobre agujas en sistemas de tercer carril. Estos se convierten en una molestia si la locomotora se detiene con su colector en un hueco muerto, en cuyo caso no hay energía para reiniciar. Esto es un problema menor en trenes que constan de dos o más unidades múltiples acopladas entre sí, ya que en ese caso, si el tren se detiene con un colector en un hueco muerto, otra unidad múltiple puede empujar o tirar de la unidad desconectada hasta que pueda volver a extraer energía. Lo mismo se aplica al tipo de trenes push-pull que tienen una locomotora en cada extremo. Los huecos de energía se pueden superar en trenes de un solo colector mediante baterías a bordo o sistemas de motor-volante-generador. [ cita requerida ] En 2014, se está avanzando en el uso de grandes condensadores para alimentar vehículos eléctricos entre estaciones, y así evitar la necesidad de cables aéreos entre esas estaciones. [34]
Los costos de mantenimiento de las líneas pueden aumentar con la electrificación, pero muchos sistemas afirman tener costos más bajos debido al menor desgaste de las vías gracias al material rodante más liviano. [35] Hay algunos costos de mantenimiento adicionales asociados con el equipo eléctrico alrededor de las vías, como las subestaciones eléctricas y el cable catenario en sí, pero, si hay suficiente tráfico, la vía reducida y especialmente los menores costos de mantenimiento y funcionamiento del motor exceden significativamente los costos de este mantenimiento.
Las líneas recién electrificadas a menudo muestran un "efecto chispa", por el cual la electrificación en los sistemas ferroviarios de pasajeros conduce a saltos significativos en el patrocinio / ingresos. [36] Las razones pueden incluir que los trenes eléctricos sean vistos como más modernos y atractivos para viajar, [37] [38] un servicio más rápido, más silencioso y más suave, [36] y el hecho de que la electrificación a menudo va de la mano con una infraestructura general y una revisión / reemplazo del material rodante, lo que conduce a una mejor calidad del servicio (de una manera que teóricamente también podría lograrse haciendo actualizaciones similares pero sin electrificación). Cualquiera que sean las causas del efecto chispa, está bien establecido para numerosas rutas que se han electrificado durante décadas. [36] [37] Esto también se aplica cuando las rutas de autobús con autobuses diésel son reemplazadas por trolebuses. Los cables aéreos hacen que el servicio sea "visible" incluso cuando no hay ningún autobús en funcionamiento y la existencia de la infraestructura da algunas expectativas a largo plazo de que la línea esté en funcionamiento.
Debido a la restricción de altura impuesta por los cables aéreos, los trenes de contenedores de doble estiba han sido tradicionalmente difíciles y poco comunes de operar en líneas electrificadas. Sin embargo, los ferrocarriles de la India, China y los países africanos están superando esta limitación mediante la construcción de nuevas vías con una altura de catenaria mayor.
Estas instalaciones se encuentran en el Corredor de Carga Dedicado Occidental en la India, donde la altura del cable es de 7,45 m (24,4 pies) para acomodar trenes de contenedores de doble pila sin la necesidad de vagones de carga .
Los trenes eléctricos tienen una serie de ventajas, entre ellas, el hecho de que los pasajeros no están expuestos a los gases de escape de las locomotoras y el menor coste de construcción, funcionamiento y mantenimiento de las locomotoras y unidades múltiples . Los trenes eléctricos tienen una mayor relación potencia-peso (no tienen tanques de combustible a bordo), lo que da como resultado menos locomotoras, una aceleración más rápida, un límite práctico de potencia más alto, un límite de velocidad más alto y una menor contaminación acústica (funcionamiento más silencioso). La aceleración más rápida despeja las vías más rápidamente para que circulen más trenes en los usos ferroviarios urbanos. [39]
En 2012, las vías electrificadas representaban casi un tercio del total de vías a nivel mundial. [9]
En 2018, había 72.110 km (44.810 mi) de vías férreas electrificadas a 25 kV, ya sea 50 o 60 Hz; 68.890 km (42.810 mi) electrificadas a 3 kV CC ; 32.940 km (20.470 mi) electrificadas a 15 kV 16,7 o 16+2 ⁄ 3 Hz y 20.440 km (12.700 mi) electrificados a 1,5 kV CC . [16] : 2
A partir de 2023, la red ferroviaria suiza es la red completamente electrificada más grande del mundo y uno de los once países o territorios que lo logran, como se enumera en la Lista de países por tamaño de la red de transporte ferroviario . Luego, el porcentaje continúa cayendo en orden con Laos, Montenegro, India, Bélgica, Georgia, Corea del Sur, Países Bajos y Japón, y todos los demás tienen menos del 75% de electrificación. [47] [48] En general, China ocupa el primer lugar, con alrededor de 100 000 km (62 000 mi) de ferrocarril electrificado, seguida de India con más de 60 000 km (37 000 mi) de ferrocarril electrificado, y continuando con Rusia, con más de 54 000 km (34 000 mi) de ferrocarril electrificado. Varios países no tienen ferrocarriles electrificados y, en cambio, dependen de unidades múltiples diésel, servicios arrastrados por locomotoras y muchas formas alternativas de transporte. La Unión Europea contiene la mayor cantidad de ferrocarriles electrificados (en longitud), con más de 114.000 km (71.000 mi) de vías férreas electrificadas, que sin embargo solo representan alrededor del 55% de la longitud total de las vías férreas.
Varios países han anunciado planes para electrificar toda o la mayor parte de su red ferroviaria, incluidos Indian Railways y Israel Railways . [49]
El ferrocarril Transiberiano, principalmente en Rusia, está completamente electrificado, lo que lo convierte en uno de los tramos más largos de ferrocarriles electrificados del mundo. [50]
Debía producir el primer motor que funcionaba sin engranajes de ningún tipo, con su inducido conectado directamente al eje del automóvil.
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