Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Dionisio Izquierdo Bravo, Responsable de Área de Ingeniería, Metro de Madrid
- Santiago Rincón Arévalo, Responsable de Servicio de Ingeniería de Señalización y de Energía, Metro de Madrid
Resumen
El Plan Energético de Metro de Madrid (PAE) es una de las líneas estratégicas de la Empresa cuyo objetivo es consolidar este transporte como referente de sostenibilidad con una triple vertiente: económica, social y medioambiental. En total, es un conjunto de 12 acciones, que busca fomentar el ahorro y la eficiencia energética en la explotación de la red, manteniendo la alta calidad del servicio. Se dividen en cuatro ámbitos distintos: tracción, iluminación, distribución y confort. Pero su principal característica es que dichas medidas intervienen de forma global sobre todos los elementos del sistema ferroviario, creando sinergias entre el material móvil, las instalaciones, la distribución y regeneración de energía para conseguir mayores beneficios. Además, este proyecto ha sido diseñado, liderado y desarrollado con personal propio de Metro de Madrid, fomentado la investigación e innovación con recursos propios, pero generando también la evolución del mercado, al exigir a los grupos de interés los mismos criterios.
Palabras clave
Ahorro Energético, Sostenibilidad, Eficiencia Energética, Investigación, Desarrollo
Introducción
Metro de Madrid inicia en 2012 el diseño y desarrollo de un ambicioso Plan de Ahorro Energético (PAE) como consecuencia del análisis del consumo energético de la Compañía y la comprobación que la partida presupuestaria destinada a este concepto es una de las más relevantes de la empresa. En aquel año, el consumo energético anual de la Empresa era de 713.218.827 kWh/año, de lo que el 94% se distribuía entre la tracción requerida para mover el Material Móvil y la necesidad de las instalaciones existentes en la red. Por tanto, cualquier reducción en ambos campos repercutiría inmediatamente en un gran ahorro a nivel medioambiental y económico.
Metro de Madrid identificó entonces una serie de oportunidades de ahorro, combinando aspectos teóricos y prácticos aplicados a las características del Material Móvil, las Instalaciones y los equipos existentes en la red. Diseñó el Plan de Ahorro Energético (PAE), formado por un conjunto de 12 medidas. La mayoría de ellas se estructuraron para desarrollarlas con medios propios de Metro de Madrid, mientras que otras se incluyeron en planes globales de remodelación de la Compañía, para reducir también el coste económico de la implantación de las medidas.
Un total de 12 medidas de cuatro ámbitos distintos
Las doce acciones que se incluyeron en este primer plan se estructuraron en cuatro ópticas distintas:
- tracción, con el objetivo de optimizar el consumo y aumentar la regeneración
- iluminación para incrementar la eficiencia de los sistemas
- distribución, con una gestión eficiente de los suministros en baja tensión
- confort, racionalizando los criterios de climatización y ventilación
A continuación, se detallan las 12 medidas.
Optimización del modelo de propulsión de material móvil
Las curvas de tracción del Material Móvil (curvas características) son diseñadas para definir el régimen cinemático del mismo (espacio, velocidad y aceleración en función del tiempo). La energía consumida asociada a cada curva característica puede ser corregida modificando dicho régimen cinemático, mediante la definición de nuevas curvas de esfuerzo tracción/freno. Se planteó, por tanto, a través de esta acción, modificar las curvas del Material Móvil para reducir el consumo energético asociado, mediante dos parámetros: la reducción del tiempo de potencia constante y modificación de la aceleración.
La implantación de esta medida se realizó en las series tipo 3000, 6000, 7000, 8000 y 9000, con efecto en las líneas 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11 y 12. Se realizó con medios propios, sin necesidad de inversión directa para su implantación.
Asimismo, para minimizar el ligero aumento en el tiempo de recorrido que ocasiona esta acción y no influir negativamente en la calidad del servicio prestado a los clientes, se trabajó conjuntamente en los sistemas de señalización, con el objetivo de mejorar la regulación del tráfico, y otras medidas a implantar en un futuro, como la apertura automática de puertas.
Implantación de marchas económicas en conducción automática
Esta medida se centra en el diseño de marchas económicas para la operación eficiente de las líneas en hora valle, basándose en la aplicación de órdenes de deriva, velocidad de remotor y parábolas de freno reducidas. La complejidad del diseño de marchas parte de que cada posible conducción tiene por atributos un consumo y un tiempo de recorrido, siendo incompatible la optimización de ambas simultáneamente.
Se contempló la creación de nuevas formas de conducción que permiten el ahorro energético en base a los tiempos de reserva parciales entre estaciones y al tiempo de recorrido de la línea completa. Las marchas definidas como económicas llevan un menor consumo energético y optimizan el tiempo de parada de los trenes en estaciones y la mejora de los sistemas de regulación de tráfico, para que los trenes tengan más tiempo para recorrer una interestación con menor consumo energético.
Desconexión de subestaciones eléctricas en hora valle
Las actuaciones incluidas en la presente medida se centran en el estudio de las tablas de trenes y consumos de las líneas para optimizar la tensión en catenaria y favorecer la utilización de la energía regenerada por el material móvil en sus procesos de frenado.
Gracias a la arquitectura de interconexión de la red energética, la medida se basa en reducir el nivel de tensión de catenaria para maximizar la capacidad de devolver energía durante la fase de frenado (freno regenerativo) del material móvil. Esta energía regenerada puede devolverse a la catenaria siempre y cuando haya un consumidor en el mismo tramo que pueda consumir esta energía.
Actualmente, con la modernización del parque de trenes y el aumento de las necesidades de capacidad de transporte de las líneas, los consumos han ido aumentando. Cada tramo de línea es alimentado simultáneamente por 2 subestaciones, reduciendo las caídas de tensión y manteniendo valores más estables. Pero esta configuración no favorece la regeneración de energía de frenado puesto que lo más favorable para este aprovechamiento de energía es que la tensión en la línea sea lo más baja posible.
Por tanto, para optimizar el sistema se llegó a una solución de compromiso:
- En hora punta la tensión en catenaria debe ser suficiente para que el sistema soporte la elevada demanda en estas franjas horarias.
- En hora valle, dado que el consumo disminuye significativamente, la tensión en catenaria podría ser más baja, favoreciendo así la recuperación de la energía de frenado.
Según estas premisas, con esta acción se desconectan determinadas subestaciones eléctricas, en función de la tabla de trenes y la demanda de energía. De ese modo se reduce la tensión de catenaria en las proximidades de la subestación desconectada favoreciendo el aprovechamiento de la energía regenerada.
Reducción de la tensión de salida de subestaciones eléctricas
Esta medida baja al mínimo la tensión de salida de todos los transformadores, colocando la toma de regulación en el valor inferior para ajustar las tensiones de catenaria a los rangos mínimos permitidos y favorecer la regeneración en los procesos de frenado de los trenes. Con el nuevo sistema en paralelo se puede reducir la tensión de salida optimizando el consumo de energía de tracción a lo requerido y favoreciendo la utilización de la energía regenerada en los procesos de frenado.
Compensaciones catenaria-vía (cross-bonding)
La instalación de compensaciones en catenaria y carriles de vía (cross-bonding) se centra en optimizar los caminos eléctricos para favorecer la reutilización de la energía de tracción suministrada por la catenaria a las distintas ubicaciones, optimizando así el consumo de energía de tracción a lo mínimo requerido.
Las compensaciones consisten en poner en las catenarias y carriles de ambas vías, con cables aislados de aluminio, de sección 630 mm. Las principales ventajas de estas compensaciones son los mejores repartos de corriente, la reducción de pérdidas en la línea y se favorece el aprovechamiento de la energía devuelta durante el proceso de frenado del tren, al aumentar el número de caminos eléctricos entre ambas vías.
Eliminación de imanes de vía
Se han completado las tareas de estudio y retirada de imanes en la totalidad de la red de Metro de Madrid, habiéndose retirado un total de 377 imanes de la totalidad de la red. Con esta acción se consigue eliminar las zonas neutras en los sectores de tracción de la línea aérea y favorecer el aprovechamiento de la totalidad de la energía de frenado regenerativo del Material Móvil.
Los imanes lo que provocaban era que el tren dejase de traccionar o regenerar energía para pasar de un sector de tracción a otro con garantía y sin provocar arcos eléctricos. Eran necesarios en las configuraciones en “T”, en la que los sectores eléctricos sólo se alimentaban por una subestación, pero no se requieren en la actual configuración en paralelo.
Instalación de subestaciones reversibles
Se han desarrollado prototipos basados en tecnologías diversas, que permitan aprovechar la energía regenerada por el material móvil en sus procesos de frenado para ser utilizada por otros consumidores internos (escaleras mecánicas, ascensores, sistemas de ventilación, etc) e incluso externos (Metrolineras), mediante una inyección en la red de distribución interna de 15kv. El objetivo es minimizar el consumo energético actual de Metro de Madrid utilizando las capacidades instaladas y el conocimiento del funcionamiento de la red de explotación.
El prototipo con mejores rendimientos ha estado basado en tecnología de inversores con una solución que convierte las subestaciones de metro de Madrid en reversibles (instalado en Campo de las Naciones) por lo que se ha procedido a la realización de estudios globales de la red de Metro para la identificación de ubicaciones óptimas para la implantación de nuevas celdas, que están en proceso de licitación.
Dentro de las actuaciones de desarrollo de prototipos, en las proximidades de la estación de Sainz de Baranda se puso en funcionamiento la primera Metrolinera de España, que permite la carga de un vehículo eléctrico con la energía procedente del frenado de los trenes que circulan por la red suburbana. Se producen alrededor de 15 cargas diarias entre taxis, furgonetas y vehículos privados.
El objetivo es, por lo tanto, convertir los centros de tracción actuales en reversibles, lo que se consigue instalando un convertidor en paralelo a uno de los rectificadores actuales.
Implantación de alumbrado LED
El alumbrado interior de las estaciones en Metro de Madrid se fundamentaba generalmente en la tecnología fluorescente con distintos tipos de casquillo, tanto T8 como T5, soportada por luminarias de uno o dos tubos, en montaje lineal a lo largo de andenes, vestíbulos, accesos y cañones de interconexión. La tecnología instalada era esencialmente fluorescente trifósforo, con balasto electrónico, sin cebador, con una temperatura de color de 4.200 K.
Por otro lado, en los recintos que Metro de Madrid denomina Depósitos, Talleres y Cocheras, las instalaciones de alumbrado interior eran de tipo industrial, con diferentes distribuciones de puntos de luz, según el emplazamiento, pudiendo diferenciarse las luminarias instaladas en techos o colgadas y las luminarias situadas en fosos de taller. En el alumbrado exterior, las luminarias instaladas eran las habitualmente utilizadas en alumbrado viario, sobre báculo de 6/8 m de altura y torres de iluminación por proyección de 15/20 m de altura.
La total sustitución a luminarias LED buscó obtener el mejor rendimiento en las instalaciones y el consiguiente uso eficiente de la energía. Adicionalmente, dado que la vida útil de los tubos fluorescentes es de 17.000 horas mientras que el de a la nueva tecnología de iluminación LED es de 50.000 horas, se aumenta también el tiempo de sustitución de los tubos LED reduciendo los residuos generados por Metro de Madrid en dos tercios y la emisión de CO2 en más de un 50% en lo que a iluminación de instalaciones se refiere.
Implantación de alumbrado LED en el Material Móvil
Actuación para dotar a los trenes de Metro de Madrid de un sistema de iluminación mediante tecnología LED en recinto de viajeros, cabina y faros frontales que garantiza los valores de luminosidad requeridos para los trenes, reduce el consumo energético y mejora la actual fiabilidad del sistema de alumbrado, a la par que se renueva la instalación eléctrica de alumbrado. El circuito de alumbrado del recinto de viajeros y cabina del material móvil estaba compuesto por tubos fluorescentes, alimentados en funcionamiento ordinario por los 220 Vca, 50Hz o 110 Vcc según serie, que proporcionan los convertidores de la unidad.
Parte de estos tubos están preparados para lucir en caso de falta de alumbrado ordinario por fallo de alimentación del convertidor estático de la unidad. En este caso, este alumbrado de emergencia se alimenta en todos los casos, de manera independiente a 220 Vca 50Hz, mediante convertidores de alumbrado que transforman los 110 Vcc de la línea de alimentación de la batería. La actuación se aplica sobre las diferentes series de material móvil. En concreto, las series 2000 A, 2000 B, 3000, 5000, 7000, 8000-1ª y 9000, con un total de 1913 coches. Se prevé también intervenir sobre los 234 coches 8000-2ª serie entre 2018 y 2019.
Optimización del uso de alimentación eléctrica de emergencia
Con la medida indicada, se propone reformar el sistema de distribución en baja tensión de las estaciones más antiguas para evitar tener consumo permanente de la alimentación exterior de socorro, cuyos costes son más elevados al comprarse la energía en baja tensión.
La energía contratada directamente en baja tensión tiene un precio en torno a un 40% más elevado que la contratada en alta tensión. Por ese motivo es preferible maximizar el consumo en alta tensión a través de nuestro anillo de 15 kV y centros de transformación. Por esto, se está realizando la reforma de los cuadros de baja tensión de las estaciones más antigua para evitar cargas permanentes en la alimentación de socorro y poder así reducir el gasto en energía directamente contratada en baja tensión.
Para llevar a cabo estas tareas, es necesario reformar el Cuadro General de Baja Tensión (CGBT), instalar protecciones e interruptores de conmutación y modificar el cableado entre el CGBT y el cuadro de socorro. Se busca la optimización de consumos en baja tensión en las estaciones haciendo un riguroso estudio de cargas y un ajuste de los contratos de suministro de socorro al objeto de minimizar los costes fijos y direccionar consumos a las acometidas con un menor coste de la energía.
Optimización de la climatización en material móvil
Esta medida tiene por objetivo optimizar el funcionamiento de los equipos de climatización, minimizando el consumo energético mediante la modificación de las curvas de enfriamiento dentro de unos rangos prefijados en función del periodo invierno/verano, y conforme a la normativa aplicable y parámetros de confort de los viajeros. Su desarrollo ha pasado por la realización de ensayos con diversas temperaturas de consigna, en diferentes modos de funcionamiento (manual y remoto), con el objetivo de diseñar una única curva optimizada tanto para modo calefacción como aire acondicionado.
La actuación se ha aplicado sobre las diferentes series de material móvil, modificando el software según la nueva curva de regulación e implantando una temporización de 15 minutos para el apagado del equipo cuando el inversor se encuentre en cero.
Optimización del sistema de ventilación
Se trata de ajustar el funcionamiento del sistema de ventilación para ahorrar energía y mantener según los estándares la calidad del aire y los niveles de confort. Para ello se ha desarrollado el Gestor Inteligente de Ventilación (GIV), que implementa un algoritmo adaptativo multicriterio para obtener la mejor solución de equilibrio entre el máximo confort y el menor coste. Su programación es dinámica, en base a la estrategia definida, permitiendo una maniobra individualizada por ventilador, sin necesidad de ajustarse a hitos pre-establecidos por estaciones del año. Además, se envía automáticamente desde el GIV las órdenes de funcionamiento al sistema de ventilación, sin pasar por Telecontrol Centralizado de Estaciones (TCE), minimizando fallos de funcionamiento.
Entró en funcionamiento a finales de 2017 y se consolidará en el presente año, aunque las primeras pruebas indican un descenso del consumo energético entre un 20 y 40% diario.
Resultados
Con el grado de implantación actual de las doce medidas identificadas inicialmente, el consumo energético en alta tensión ha descendido en los últimos años, pasando de los 713 GWh en 2012 a tan solo 605 GWh en 2017.
En sus primeros cuatro años de funcionamiento, el PAE ha conseguido disminuir en 368,84 GWh el uso de energía con estas medidas. Esta tendencia crecerá con la consolidación de medidas ya implantadas y el desarrollo del resto que se han finalizado en el año 2017. Por ejemplo, se estima una reducción adicional de 13% con el ahorro energético de la tecnología LED y GIV (20.312.799 kWh/año y 5.687.060 kWh/año).
Como muestra de la relevancia de los resultados obtenidos, es importante destacar que mientras el ratio de consumo de tracción de la media de los grandes metros del mundo está por encima de 2,6 kWh/coche*km, en el caso de Metro de Madrid, y gracias a la eficacia de las medidas aplicadas, este ratio ha descendido hasta valores inferiores a los 2 kWh/coche*km en muchos periodos del año.