Los trenes eléctricos son el medio de transporte más sostenible. No generan emisiones (ni siquiera indirectas si la electrificación ferroviaria usa energías renovables, como en el caso de la RFIG), son más silenciosos que los diésel y, como trenes que son, pueden transportar una gran cantidad de personas o mercancías generando una mínima huella de carbono.
Sin embargo, para que un tren eléctrico se pueda mover hace falta que le llegue electricidad. A diferencia de una lavadora o cualquier otro aparato eléctrico fijo que se puede enchufar, los trenes pueden recorrer cientos de kilómetros y no es plan de conectarlos, como lo hacemos en casa, a ningún enchufe.
En este Encarrilando, hago una pequeña introducción a la electrificación ferroviaria con conceptos básicos para que conozcas cómo funciona este importante sistema que mueve al mundo.
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Qué es la electrificación ferroviaria
El tren a baterías. Parece la forma más sencilla de hacer que funcione un tren con motores eléctricos y, de hecho, la primera locomotora eléctrica de la historia, de 1837, funcionaba con batería de celdas galvánicas. Fue obra del químico británico Robert Davidson, que pronto se topó con la realidad: no era viable fabricar acumuladores de energía que ofrecieran una autonomía suficiente.
Además, aparte de para alimentar a los motores, hace falta electricidad para todos los equipos auxiliares: iluminación, control de puertas, compresor de aire (¡indispensable para frenar!), etc.
Así que, al igual que todos los aparatos que necesitan grandes cantidades de energía, los trenes hay que “enchufarlos” a una fuente de energía. Pero, en lugar de hacerlo a una pared, se hace a los sistemas de electrificación.
Básicamente, son estructuras que hacen que la electricidad esté disponible a lo largo de toda una línea de ferrocarril, con una tensión lo suficientemente alta para brindar la potencia necesaria. ¡Un tren de alta velocidad que circula entre Madrid y Barcelona puede llegar a consumir 14.800 kwh!
A bote pronto se puede pensar que la manera más fácil de dotar de corriente eléctrica a un ferrocarril es usando los propios carriles.
Sin embargo, es muy mala idea.
Primero, por seguridad. Cualquier objeto u animal que tocara ambos carriles provocaría un cortocircuito con consecuencias muy graves. ¡Por no hablar de lo que pasaría si hay inundaciones!
Segundo, por la dificultad de aislar eléctricamente los carriles del suelo, con el que necesitan estar en permanente contacto para soportar el peso de los trenes. Las fugas a tierra estarían a la orden del día.
Por este motivo, fue necesario diseñar sistemas que eliminen (o reduzcan) estos problemas.
Tercer carril
El primer sistema de electrificación ferroviaria fue el tercer carril, un carril adicional a los dos que forman la vía. Inventado por Siemens & Halske, el 31 de mayo de 1879 se presentó el primer tren eléctrico sin baterías, que usaba un carril central de acero para suministrar electricidad.
Este tercer carril estaba aislado del suelo, por lo que evitaba uno de los problemas.
El de la seguridad ya es más difícil de arreglar y fue uno de los motivos por los que se desarrolló la línea aérea de contacto, un cable muy separado del suelo, con el que es muy difícil que haya accidentes.
Sin embargo, el tercer carril se sigue usando hoy en día para la electrificación, especialmente en metros. Y es que requiere de menos espacio y es más económico que la catenaria flexible de la que hablo más abajo.
Para reducir el riesgo de electrocución, algunos cuentan con sistemas de protección. Igualmente, el riesgo de descarga eléctrica en vías con tercer carril de electrificación siempre es alto.
Los sistemas de tercer carril funcionan en corriente continua y es, precisamente este carril, el que lleva la corriente positiva, mientras que el retorno se produce por los carriles de las vías. Para unir el tren con el carril energizado se usa un elemento llamado patín.
El tercer carril está separado y aislado del suelo, lo que no es un problema ya que no soporta el peso del tren.
CURIOSIDAD: en el metro de Londres se usa un cuarto carril que tiene un voltaje negativo, un caso bastante particular.
Catenaria o Línea aérea de contacto
El sistema de electrificación ferroviaria más extendido es la catenaria o Línea Áerea de Contacto (LAC).
Se trata de un cable colgado que se encarga de transmitir al tren la energía que necesita.
En las electrificaciones de corriente continua, la catenaria tiene el polo positivo mientras que en las de corriente alterna lleva la fase activa.
En ambos casos, el retorno de la energía a la subestación eléctrica se hace mediante los propios carriles sin que suponga un riesgo para personas, otros animales y objetos. Salvo que se toquen los carriles y el cable a la vez.
CURIOSIDAD: subirse en el techo de un tren que no está puesto a tierra en una vía con LAC es muy peligroso. El cuerpo puede cerrar el circuito y sufrir una descarga eléctrica.
El pantógrafo
El tren debe estar conectado en todo momento al cable que hace de hilo de contacto. Aunque hay varios dispositivos que lo permiten, el más común es el pantógrafo.
Es un brazo articulado ubicado en el techo del tren que se sube y se mantiene en su posición usando aire comprimido. En la parte superior tiene un elemento llamado arco o mesilla. A su vez, la mesilla tiene en su parte superior un frotador, que es el elemento que está en contacto con el cable.
Grosso modo, el pantógrafo es el enchufe del tren que circula por una electrificación ferroviaria mediante línea aérea de contacto.
El frotador debe estar hecho de un material que sea un buen conductor y, a su vez, soporte el desgaste provocado por el rozamiento y no desgaste la catenaria en exceso. Generalmente, esta pieza está hecha de cobre o grafito.
Hay dos tipos de pantógrafo: el de brazo simple, como el de la foto, y el de brazo doble conocido por su forma de rombo.
Tipos de línea aérea de contacto
Existen tres tipos de línea aérea de contacto.
1. Hilo tranviario
Es el sistema más sencillo. Se basa en un único cable llamado hilo de contacto (generalmente de cobre duro) suspendido directamente sobre la vía mediante soportes conocidos como ménsulas, que pueden estar unidas a un poste, a un edificio o a un techo.
CURIOSIDAD: Cada segmento de hilo tranviario está colgado de dos puntos. Por efecto del propio peso, la zona más alejada de los puntos de sujeción tiende a caer. La curva que hace el cable recibe un nombre en geometría: catenaria. Y ese es el origen del nombre alternativo que recibe la línea aérea de contacto.
Debido a que la separación y el hilo de contacto es variable, este tipo de electrificación se puede usar sólo para trenes que circulan a baja velocidad. Por ello, está limitada a tranvías y algunos metros.
2. Catenaria flexible
Para garantizar el contacto entre el pantógrafo y la línea aérea de contacto, lo ideal es que esta se mantenga a una altura lo más constante posible.
¿Cómo se consigue eso con un cable que debe tener muchos metros de longitud?
Para lograrlo, se diseñó una estructura basada en un hilo sustentador del que cuelga, a través de las péndolas, el hilo de contacto o hilos de contacto (en vía general se suelen usar dos). La estructura recuerda a la de un puente colgante.
En este sistema, la curva de la catenaria la tiene el hilo sustentador. Gracias a las péndolas se mantiene el hilo de contacto a una altura constante.
Para sustentar la catenaria se suelen usar postes de los que sale una ménsula, en la que se encuentran los elementos de suspensión del hilo sustentador y de atirantado del hilo de contacto.
CURIOSIDAD: para que el pantógrafo no se desgaste en un único punto, el hilo de contacto tiene forma de zigzag, por lo que no es paralelo a los carriles longitudinalmente. En la foto superior se puede apreciar esta forma.
3. Catenaria rígida
Esta es la última evolución de la Línea Aérea de Contacto. Aunque la catenaria flexible es muy versátil y fiable, es cara de instalar y de mantener debido a la cantidad de elementos que tiene. Por eso y porque la catenaria requiere de mucho espacio, hay sistemas que emplean el tercer carril.
Para ahorrar costes y mejorar la fiabilidad, en la segunda mitad del siglo XX se comenzó a extender el uso de la catenaria rígida. Este sistema es una mezcla entre el tercer carril y la LAC, uniendo lo mejor de los dos sistemas. En él, el hilo de contacto está embutido en la parte inferior de una barra de aluminio.
Esta barra se une a través de la ménsula directamente al techo o a los postes. Es como un tercer carril, pero elevado y con los beneficios de una catenaria. Algunas redes de metro la están utilizando como reemplazo a la electrificación por tercer carril.
Como requiere de muchos puntos de sujeción, se suele usar en túneles para evitar tener que instalar una gran cantidad de postes.
CURIOSIDAD: Aunque se considera un invento moderno, el primer ferrocarril con una electrificación del tipo de catenaria rígida fue el Baltimore Belt Line, de 1890. El metro de Budapest utilizó un sistema similar en su línea M1, la primera línea de metro en la Europa continental, inaugurada en 1896. Los modelos actuales están basados en la patente de 1978 de la francesa Societé Delachaux. Metro de Madrid se ha convertido en un referente en esta tecnología al patentar su propia catenaria rígida, presente en casi todas sus líneas.
Trenes a baterías y pila de hidrógeno
La electrificación de una línea tiene unos elevados costes tanto de instalación como de mantenimiento. Por eso, sólo se instala este sistema en aquellas que tienen mucho tráfico o van a requerir un uso muy intensivo de la electricidad.
Para aquellas líneas en las que no merece la pena instalar todo este tinglado, se han desarrollado dos tecnologías que permiten la circulación de trenes eléctricos.
Por un lado, están los trenes que funcionan con baterías. Unos grandes acumuladores que suministran energía para circular durante 100 km o 120 km. Por lo general, estos trenes disponen de pantógrafo para cargar las baterías en las zonas con catenaria.
Por otro, están los que funcionan con pila de hidrógeno. La electricidad se produce en el propio tren gracias a la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno. Como ventaja principal de este sistema está que la autonomía es de cientos de kilómetros. Sin embargo, requieren de una red de suministro de hidrógeno verde.
