Electrificación ferroviaria

El ferrocarril Mantes-la-Jolie-Cherbourg en Francia conecta el Gran París y Normandía, y es electrificado usando líneas generales a 25 kV AC 50 Hz

La línea principal del sudeste en Inglaterra conecta el área metropolitana de Londres con el estrecho de Dover, y es electrificada utilizando el tercer ferrocarril en 750 V DC

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 eléctricas múltiples (vagones de pasajeros con sus propios motores) o ambas. La electricidad normalmente se genera en estaciones generadoras grandes y relativamente eficientes, se transmite a la red ferroviaria y se distribuye a los trenes. Algunos ferrocarriles eléctricos tienen sus propias estaciones generadoras y líneas de transmisión, pero la mayoría compra energía a una empresa de servicios públicos. El ferrocarril suele proporcionar sus propias líneas de distribución, interruptores y transformadores.

La energía se suministra a los trenes en movimiento con un conductor (casi) continuo que corre a lo largo de la vía y que generalmente toma una de dos formas: una línea aérea, suspendida de postes o torres a lo largo de la vía o de una estructura o techos de túneles, o un tercero riel montado al nivel de la vía y contactado por una "zapata de recogida" deslizante. Tanto los sistemas de cable aéreo como los de tercer riel suelen utilizar los rieles de rodadura como conductor de retorno, pero algunos sistemas utilizan un cuarto riel separado para este propósito.

En comparación con la principal alternativa, el motor diésel, los ferrocarriles eléctricos ofrecen una eficiencia energética sustancialmente mejor, menores emisiones y menores costes operativos. Las locomotoras eléctricas también suelen ser más silenciosas, más potentes, más reactivas y fiables que las diésel. No tienen emisiones locales, una ventaja importante en túneles y zonas 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 ser utilizada por otros trenes o por la red pública general. Mientras que las locomotoras diésel queman productos derivados del petróleo, la electricidad se puede generar a partir de diversas fuentes, incluida la energía renovable. Históricamente, la preocupación por la independencia de los recursos ha influido en la decisión de electrificar las líneas ferroviarias. La confederación suiza, sin salida al mar y 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.

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. Las locomotoras electrodiésel y las unidades múltiples electrodiésel mitigan en cierta medida estos problemas, ya que son capaces de funcionar con energía diésel durante un apagón o en rutas no electrificadas.

Diferentes regiones pueden utilizar diferentes voltajes y frecuencias de suministro, lo que complica el servicio y requiere una mayor complejidad de la potencia locomotora. Solía existir una preocupación histórica por el transporte ferroviario de doble pila con respecto a los espacios libres con líneas aéreas, pero ya no es universalmente cierta a partir de 2022, y tanto Indian Railways como China Railway 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 representarán casi un tercio del total de vías a nivel mundial. Constantemente se llevan a cabo proyectos de electrificación para dar servicio a los suburbios de rápido crecimiento a los que anteriormente llegaban trenes no electrificados que normalmente tienen baja capacidad.

Historia

La electrificación ferroviaria es el desarrollo de la propulsión de trenes y locomotoras utilizando 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 1895, el primer ferrocarril del mundo electrificado fue el tranvía Gross-Lichterfelde en Berlín, Alemania. Le siguió la electrificación de la Baltimore Belt Line del ferrocarril de Baltimore y Ohio en los Estados Unidos en 1895-1896, la primera línea ferroviaria principal electrificada.

La electrificación temprana de los ferrocarriles utilizó sistemas de energía de corriente continua (CC), que estaban limitados en términos de la distancia a la que podían transmitir energía. Sin embargo, a principios del siglo XX, se desarrollaron sistemas de energía de corriente alterna (CA), que permitieron una transmisión de energía más eficiente a distancias más largas.

En las décadas de 1920 y 1930, muchos países de todo el mundo comenzaron a electrificar sus ferrocarriles. En Europa, Suiza, Francia e Italia estuvieron entre los primeros en adoptar la electrificación ferroviaria. En 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 en la tecnología y el desarrollo de trenes de alta velocidad y de cercanías. Hoy en día, muchos países cuentan con extensas redes ferroviarias electrificadas con 375 000 km² de líneas estándar en el mundo, incluidos China, India, Japón, Francia, Alemania y 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 estrategia de muchos países. infraestructura de transporte.

Clasificación

Los sistemas de electrificación se clasifican según tres parámetros principales:

• Voltaje
• Corriente
  • Corriente directa (DC)
  • Corriente alterna (AC)
    • Frecuencia
• Sistema de contacto
  • Líneas generales (catenario)
  • Tercer ferrocarril
  • Cuarto ferrocarril
  • Suministro de energía a nivel terrestre

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 carga y pasajeros. Se utilizan diferentes sistemas para zonas urbanas e interurbanas; Algunas locomotoras eléctricas pueden cambiar a diferentes voltajes de suministro para permitir flexibilidad en la operación.

Tensiones estandarizadas

Se han seleccionado seis de los voltajes más utilizados para la estandarización europea e internacional. Algunos de ellos son independientes del sistema de contacto utilizado, de modo que, por ejemplo, 750 V CC se pueden utilizar con cualquiera de los terceros. líneas ferroviarias o 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 sistemas de voltaje estándar como no estándar.

El rango permitido de voltajes permitidos para los voltajes estandarizados es el establecido en las normas BS EN 50163 e IEC 60850. Estos tienen en cuenta el número de trenes que consumen corriente y su distancia a la subestación.

Corriente continua

Líneas aéreas

1500 V CC se utilizan en Japón, Indonesia, Hong Kong (partes), Irlanda, Australia (partes) y Francia (también se utiliza 25 kV 50 Hz AC), Países Bajos, Nueva Zelanda (Wellington), Singapur (en la línea MRT noreste), Estados Unidos (área de Chicago en el distrito Metra Electric y la línea interurbana South Shore Line y Link tren ligero en Seattle, Washington). En Eslovaquia hay dos líneas de vía estrecha en los Altos Tatras (una de ellas es un tren de cremallera). En los Países Bajos se utiliza en el sistema principal, junto con 25 kV en HSL-Zuid y Betuwelijn, y 3000 V en el sur. de Maastricht. En Portugal, se utiliza en la línea Cascais y en Dinamarca en el sistema de tren S suburbano (1650 V CC).

En el Reino Unido, en 1954 se utilizaron 1.500 V DC para la ruta Woodhead Trans-Pennine (ahora cerrada); El sistema utilizaba frenado regenerativo, lo que permitía la transferencia de energía entre los trenes que subían y bajaban en los accesos empinados al túnel. El sistema también se utilizó para la electrificación suburbana en el este de Londres y Manchester, y ahora se convirtió a 25 kV CA. Ahora solo se utiliza para Tyne and Wear Metro. En la India, 1500 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 a nivel nacional.

3 kV CC 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, a pocos kilómetros entre Maastricht y Bélgica. Anteriormente fue utilizado por Milwaukee Road desde Harlowton, Montana, hasta Seattle, a través de la División Continental e incluía extensos ramales y circuitos en Montana, y por Delaware, Lackawanna y Western Railroad (ahora New Jersey Transit, convertido a 25 kV AC) en Estados Unidos, y el ferrocarril suburbano de Calcuta (línea principal Bardhaman) en India, antes de que se convirtiera a 25< abarca clase="nowrap"> kV 50 Hz.

La mayoría de los tranvías, redes de trolebuses y sistemas subterráneos utilizan voltajes CC entre 600 V y 800 V como los motores de tracción aceptan este voltaje sin el peso de un transformador a bordo.

CC de media tensión

La creciente disponibilidad de semiconductores de alto voltaje puede permitir el uso de voltajes de CC más altos y eficientes que hasta ahora solo han sido prácticos con CA.

El uso de electrificación CC de media tensión (MVDC) resolvería algunos de los problemas asociados con los sistemas de electrificación CA de frecuencia estándar, especialmente el posible desequilibrio de carga de la red de suministro y la separación de fases entre las secciones electrificadas alimentadas desde diferentes fases, mientras que las altas El voltaje haría que la transmisión fuera más eficiente. 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 al año por 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 6.000 km, que necesitan renovación.

En la década de 1960, los soviéticos experimentaron aumentando el voltaje aéreo de 3 a 6 kV. El material rodante de CC estaba equipado con convertidores basados en ignitron para reducir el voltaje de suministro a 3 kV. Los convertidores resultaron poco fiables y el experimento se vio interrumpido. En 1970, el Instituto Electromecánico de Ingenieros Ferroviarios de los Urales realizó cálculos para la electrificación de los ferrocarriles. a 12 kV CC, lo que demuestra que los niveles de pérdida equivalentes para un sistema 25 kV CA se podrían lograr con un voltaje CC entre 11 y 16 kV. En las décadas de 1980 y 1990 se estaba 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.

Tercer carril

La mayoría de los sistemas de electrificación utilizan cables aéreos, pero el tercer carril es una opción hasta 1500 V. Los sistemas de tercer carril utilizan casi exclusivamente distribución de corriente continua. El uso de AC generalmente no es factible debido a que las dimensiones de un tercer riel son físicamente muy grandes en comparación con la profundidad de la piel que penetra AC a 0,3 milímetros o 0,012 pulgadas en un riel de acero. Este efecto hace que la resistencia por unidad de longitud sea inaceptablemente alta en comparación con el uso de CC. El tercer carril es más compacto que los cables aéreos y puede utilizarse en túneles de menor diámetro, un factor importante para los sistemas de metro.

Cuarto carril

El metro de Londres en Inglaterra es una de las pocas redes que utiliza un sistema de cuatro carriles. El carril adicional transporta el retorno eléctrico que, en las redes de tercer carril y aéreas, se realiza a través de los carriles de rodadura. En el metro de Londres, hay un tercer carril de contacto superior al lado de la vía, energizado a +420 V CC, y un cuarto riel de contacto superior está ubicado centralmente entre los rieles de rodadura a −210 V CC, que se combinan para proporcionar un voltaje de tracción de 630 V CC< /lapso>. El mismo sistema se utilizó para la primera línea de metro de Milán, la Línea 1 del Metro de Milán, cuyas líneas más recientes utilizan una catenaria aérea o un tercer carril.

La ventaja clave del sistema de cuatro rieles es que ninguno de los rieles transporta corriente. Este esquema se introdujo debido a los problemas de las corrientes de retorno, que debían ser transportadas por el riel puesto a tierra, y que en su lugar fluyen a través de los revestimientos de hierro del túnel. Esto puede causar daños electrolíticos e incluso arcos si los segmentos del túnel no están conectados eléctricamente entre sí. El problema se agravó porque la corriente de retorno también tenía tendencia a fluir a través de tuberías de hierro cercanas que forman las tuberías principales de agua y gas. Algunas de ellas, en particular las tuberías victorianas anteriores a los ferrocarriles subterráneos de Londres, no fueron construidas para transportar corrientes y no tenían una conexión eléctrica adecuada entre los segmentos de tuberías. El sistema de cuatro carriles soluciona 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 en niveles manejables. Los rieles eléctricos se pueden montar sobre sillas de cerámica fuertemente aislantes para minimizar la fuga de corriente, pero esto no es posible para los rieles de circulación, que deben asentarse sobre 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 del retorno de corriente en caso de que haya una fuga a través de los rieles.

Las líneas Expo y Millennium del SkyTrain de Vancouver utilizan sistemas de cuarto carril de contacto lateral para sus 650 V CC suministro. Ambos están ubicados al costado del tren, ya que el espacio entre los rieles 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, Canada Line no utiliza este sistema y, en su lugar, utiliza motores más tradicionales unidos a las ruedas y electrificación del tercer carril.

Sistemas con neumáticos de goma

Algunas líneas del Metro de París en Francia funcionan con un sistema eléctrico de cuatro carriles. Los trenes circulan sobre neumáticos de goma que ruedan sobre un par de vías estrechas de acero y, en algunos puntos, de hormigón. Dado que los neumáticos no conducen la corriente de retorno, las dos barras guía situadas fuera de las 'vías de rodadura' convertirse, en cierto sentido, en un tercer y cuarto riel, cada uno de los cuales proporciona 750 V CC, por lo que al menos eléctricamente es un sistema de cuatro rieles. Cada juego de ruedas de un bogie motorizado lleva un motor de tracción. Una zapata de contacto de deslizamiento lateral (corriente 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 cada una que se desliza sobre cada uno de los carriles de rodadura. Este y todos los demás metros con neumáticos que tienen una longitud de 1.435 mm (4 pies 8 +1⁄2 en) La vía de ancho estándar entre las vías de rodadura funciona de la misma manera.

Corriente alterna

Los ferrocarriles y las empresas eléctricas utilizan CA en lugar de CC por la misma razón: utilizar transformadores, que requieren CA, para producir voltajes más altos. Cuanto mayor es el voltaje, menor es la corriente para la misma potencia (porque la potencia es la corriente multiplicada por el voltaje), y la pérdida de potencia es proporcional a la corriente al cuadrado. La corriente más baja reduce la pérdida de línea, lo que permite entregar mayor potencia.

Como se utiliza corriente alterna con altos voltajes, este método de electrificación sólo se utiliza en líneas aéreas, nunca en terceros carriles por razones de seguridad. Dentro de la locomotora, un transformador reduce el voltaje para que lo utilicen los motores de tracción y las cargas auxiliares.

Una de las primeras ventajas de la CA es que las resistencias derrochadoras de 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 variedad de voltajes. Los devanados separados del transformador de bajo voltaje suministran iluminación y motores que accionan la maquinaria auxiliar. Más recientemente, el desarrollo de semiconductores de muy alta potencia ha provocado que el clásico motor de CC 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. Estas unidades 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.

Corriente alterna de baja frecuencia

Cinco países europeos (Alemania, Austria, Suiza, Noruega y Suecia) han estandarizado los 15 kV 16+2⁄3 Hz (la frecuencia de red de 50 Hz dividida por tres) CA monofásica. El 16 de octubre de 1995, Alemania, Austria y Suiza pasaron 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 de los convertidores rotativos utilizados para generar parte de esta energía a partir del suministro de red.

En EE. UU., el ferrocarril de Nueva York, New Haven y Hartford, el ferrocarril de Pensilvania y el ferrocarril de Filadelfia y Reading adoptaron 11 kV 25 Hz CA monofásica. 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 60 Hz.

En el Reino Unido, el London, Brighton and South Coast Railway fue pionero en la electrificación aérea de sus líneas suburbanas en Londres, y el Puente de Londres a Victoria se abrió al tráfico el 1 de diciembre de 1909. Victoria a Crystal Palace a través de Balham y West Norwood se inauguró en mayo de 1911. 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 abrieron dos líneas bajo el Ferrocarril del Sur que sirve a las estaciones 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 en un tercer carril de CC y el último servicio eléctrico aéreo funcionó en septiembre de 1929.

Corriente alterna de frecuencia estándar

Se utilizan 25 kV CA a 60 Hz en algunas líneas de EE. UU., 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 formar parte de la Unión Soviética, en líneas de alta velocidad en gran parte de Europa occidental (incluidos los países que todavía utilizan ferrocarriles convencionales en corriente continua, pero no los países que utilizan 16,7 Hz, ver más arriba). Sobre el "sistema francés" HSL, la catenaria y un "durmiente" cada línea de alimentación transporta 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.

Corriente alterna trifásica

Varios sistemas de electrificación ferroviaria de finales del siglo XIX y XX utilizaban suministro de energía eléctrica trifásico, en lugar de monofásico, debido a la facilidad de diseño tanto del suministro de energía como de las locomotoras. Estos sistemas podrían usar una frecuencia de red estándar y tres cables de alimentación, o una frecuencia reducida, lo que permitió que la línea de fase de retorno fuera un tercer carril, en lugar de un cable aéreo adicional.

Comparaciones

CA versus CC para líneas principales

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 en preparación para su uso en motores de tracción. Estos motores pueden ser motores de CC que utilizan directamente CC o pueden ser motores de CA trifásicos que requieren una conversión adicional de 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. Los costos de infraestructura y eficiencia energética determinan cuál de ellos se utiliza en una red, aunque esto a menudo se soluciona debido a 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). 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 realiza a bordo de la locomotora, donde el espacio es limitado y las pérdidas son significativamente mayores. 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, se debe tener en cuenta la energía utilizada para soplar aire para enfriar transformadores, componentes electrónicos de potencia (incluidos rectificadores) y otros equipos 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 elevar el voltaje es que, para transmitir cierto nivel de potencia, es necesaria una corriente menor (P = V × < i>Yo). Reducir la corriente reduce las pérdidas óhmicas y permite equipos de línea aérea menos voluminosos y livianos y más espacio entre las subestaciones de tracción, manteniendo al mismo tiempo la capacidad de energía del sistema. Por otro lado, el voltaje más alto requiere espacios 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 desequilibrios en la red de suministro, lo que requiere una planificación y un diseño cuidadosos (ya que en cada subestación la energía se extrae de dos de tres fases). El sistema de corriente alterna de baja frecuencia puede alimentarse mediante una red de generación y distribución independiente o una red de subestaciones convertidoras, lo que supone un coste añadido; además, los transformadores de baja frecuencia, utilizados tanto en las subestaciones como en el material rodante, son especialmente voluminosos y pesados. El sistema DC, además de estar limitado en cuanto a la potencia máxima que puede transmitir, también puede ser responsable de la corrosión electroquímica debido a las corrientes parásitas DC.

Eléctrica versus diesel

Eficiencia energética

Los trenes eléctricos no necesitan soportar el peso de los motores primarios, la transmisión y el combustible. Esto se compensa en parte con el peso de los equipos eléctricos. 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 zonas montañosas donde trenes muy cargados deben descender pendientes largas.

La electricidad de una estación central a menudo se puede generar con mayor eficiencia que un motor/generador móvil. Si bien la eficiencia de la generación de centrales eléctricas y la generación de locomotoras diésel son aproximadamente las mismas en el régimen nominal, la eficiencia de los motores diésel disminuye en regímenes no nominales a baja potencia, mientras que si una central eléctrica necesita generar menos energía, apagará su menor potencia. generadores 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 en ralentí como lo hacen las locomotoras diésel cuando están paradas o en punto muerto. Sin embargo, el material rodante eléctrico puede hacer funcionar ventiladores de refrigeración cuando está parado o en marcha 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. La electricidad para los sistemas ferroviarios eléctricos también puede provenir de energías renovables, energía nuclear u otras fuentes bajas en carbono, que no generan contaminación ni emisiones.

Potencia de salida

Las locomotoras eléctricas se pueden construir fácilmente con mayor potencia que la mayoría de las locomotoras diésel. Para el funcionamiento con pasajeros, es posible proporcionar suficiente potencia con motores diésel (ver, por ejemplo, 'ICE TD'), pero, a velocidades más altas, esto resulta costoso y poco práctico. Por tanto, casi todos los trenes de alta velocidad son eléctricos. La alta potencia de las locomotoras eléctricas también les da la capacidad de arrastrar 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 la electrificación también pueden ser una alternativa más barata a un ferrocarril nuevo y menos empinado si se quiere aumentar el peso de los trenes en un sistema.

Por otro lado, 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.

Efecto de red

Los efectos de red son un factor importante en la electrificación. Al convertir líneas a eléctricas, se deben considerar las conexiones con otras líneas. Posteriormente, algunas electrificaciones se eliminaron debido al tráfico directo hacia líneas no electrificadas. Para que el tráfico directo tenga algún beneficio, se deben realizar cambios de motor que requieren mucho tiempo para realizar dichas conexiones o se deben utilizar costosos motores de modo dual. Esto es principalmente un problema para los viajes de larga distancia, pero muchas líneas llegan a estar dominadas por el tráfico directo de trenes de carga de larga distancia (que generalmente transportan carbón, minerales o contenedores hacia o desde los puertos). En teoría, estos trenes podrían disfrutar de importantes ahorros gracias a la electrificación, pero puede resultar demasiado costoso extender la electrificación a zonas aisladas y, a menos que se electrifique toda una red, las empresas a menudo se encuentran con que necesitan seguir utilizando trenes diésel incluso si algunas secciones están electrificadas.. La creciente demanda de tráfico de contenedores, que es más eficiente cuando se utiliza el vagón de doble pila, también tiene problemas de efecto de red con las electrificaciones existentes debido al espacio insuficiente de las líneas eléctricas aéreas para estos trenes, pero la electrificación se puede construir o modificar para tener suficiente espacio libre., con costo adicional.

Un problema específicamente relacionado con las líneas electrificadas son los vacíos 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 puntos 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 arrancar. 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 espacio muerto, otra unidad múltiple puede empujar o tirar de la unidad desconectada hasta que pueda volver a consumir 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 y generador. En 2014 se está avanzando en el uso de grandes condensadores para alimentar vehículos eléctricos entre estaciones, y así evitar la necesidad de tendidos aéreos entre dichas estaciones.

Costos de mantenimiento

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 la vía debido al material rodante más liviano. Hay algunos costos de mantenimiento adicionales asociados con el equipo eléctrico alrededor de la vía, como las subestaciones eléctricas y el propio cable de catenaria, pero, si hay suficiente tráfico, la vía reducida y especialmente los menores costos de mantenimiento y funcionamiento del motor superan los costos. de este mantenimiento significativamente.

Efecto chispas

Las líneas recién electrificadas a menudo muestran un "efecto chispa", mediante el cual la electrificación en los sistemas ferroviarios de pasajeros genera aumentos significativos en el patrocinio y los ingresos. Las razones pueden incluir que los trenes eléctricos se consideran más modernos y atractivos para viajar, un servicio más rápido, más silencioso y más fluido, 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, en teoría, también podría lograrse realizando actualizaciones similares pero sin electrificación). Cualesquiera que sean las causas del efecto chispas, está bien establecido en numerosas rutas que se han electrificado durante décadas.

Transporte ferroviario de doble pila

Debido a la restricción de altura impuesta por los cables aéreos, los trenes de contenedores de doble apilamiento han sido tradicionalmente difíciles y raros de operar bajo líneas electrificadas. Sin embargo, los ferrocarriles de la India, China y los países africanos están superando esta limitación instalando nuevas vías con mayor altura de catenaria.

Estas instalaciones se encuentran en el corredor de carga occidental exclusivo de la India, donde la altura del cable es de 7,45 m (24,4 pies) para dar cabida a trenes de contenedores de doble pila sin la necesidad de vagones de pozo.

Ventajas

Hay una serie de ventajas, incluido el hecho de que no hay exposición de los pasajeros a los gases de escape debido al costo de construcción, funcionamiento y mantenimiento de locomotoras y torres de locomotoras y unidades múltiples. Los trenes eléctricos tienen una relación potencia-peso más alta (sin tanques de combustible a bordo), lo que resulta en menos locomotoras, una aceleración más rápida, un límite práctico de potencia más alto, un límite de velocidad más alto y menos contaminación acústica (funcionamiento más silencioso). La aceleración más rápida despeja las líneas más rápidamente para hacer circular más trenes en la vía en usos ferroviarios urbanos.

• Reducción de la pérdida de energía a alturas superiores (para pérdida de energía ver Motor diesel)
• Independencia de los costos de funcionamiento de los precios fluctuantes del combustible
• Servicio a estaciones subterráneas donde los trenes diesel no pueden operar por razones de seguridad
• Reducción de la contaminación ambiental, especialmente en zonas urbanas muy pobladas, incluso si la electricidad es producida por combustibles fósiles
• Fácilmente acomoda la recuperación de frenos de energía cinética utilizando supercapacitadores
• Un viaje más cómodo en múltiples unidades ya que los trenes no tienen motores diesel subflores
• Algo más alta eficiencia energética en parte debido al frenado regenerativo y menos poder perdido cuando "reparar"
• Fuente de energía primaria más flexible: puede utilizar carbón, gas natural, energía nuclear o renovable (hidro, solar, viento) como fuente de energía primaria en lugar de combustible diesel
• Si toda la red está electrificada, la infraestructura diésel como estaciones de servicio, patios de mantenimiento y de hecho la flota de locomotoras diesel se puede retirar o poner a otros usos, esto es a menudo el caso de negocio a favor de la electrificación de las últimas líneas en una red donde los costos de otra manera serían demasiado altos. Tener sólo un tipo de potencia móvil también permite una mayor homogeneidad de flotas que también puede reducir costos.

Desventajas

• Costo de electrificación: la electrificación requiere una nueva infraestructura entera que se construirá alrededor de las pistas existentes a un costo significativo. Los costos son especialmente altos cuando hay que alterar los túneles, puentes y otras obstrucciones para su remoción. Otro aspecto que puede elevar el costo de la electrificación son las alteraciones o actualizaciones a la señalización ferroviaria necesaria para nuevas características de tráfico, y para proteger circuitos de señalización y circuitos de pista de interferencia por corriente de tracción. La electrificación típicamente requiere cierres de línea mientras se está instalando equipo nuevo.
• Apariencia: las estructuras de línea superior y el cableado pueden tener un impacto significativo en el paisaje en comparación con una línea electrificada no electrificada o tercera ferroviaria que sólo tiene equipos de señalización ocasional por encima del nivel del suelo.
• Fragilidad y vulnerabilidad: los sistemas de electrificación de arriba pueden sufrir graves perturbaciones debido a fallas mecánicas menores o los efectos de vientos altos que causan que el pantógrafo de un tren en movimiento se enreda con el catenario, arrancando los cables de sus soportes. El daño a menudo no se limita al suministro a una pista, sino que también se extiende a los de las vías adyacentes, lo que hace que toda la ruta sea bloqueada por un tiempo considerable. Los sistemas de tercera velocidad pueden sufrir trastornos en clima frío debido a la formación de hielo en el carril conductor.
• Robo: el alto valor de chatarra del cobre y las instalaciones remotas sin vigilancia hacen que los cables de sobrecabeza sean un objetivo atractivo para los ladrones de metal de chatarra. Intentos de robo de vida 25k Los cables V pueden terminar en la muerte del ladrón por electrocución. En el Reino Unido, se afirma que el robo de cables es una de las mayores fuentes de retraso y perturbación para los servicios de trenes, aunque esto normalmente se relaciona con el cable de señalización, que es igualmente problemático para las líneas diesel.
• Incompatibilidad: Los trenes diésel pueden funcionar en cualquier vía sin electricidad o con cualquier tipo de electricidad (tercera línea ferroviaria o superior, DC o AC, y a cualquier voltaje o frecuencia). No es así para trenes eléctricos, que nunca pueden funcionar en líneas no electrificadas, y que incluso en líneas electrificadas pueden funcionar sólo en el único, o los pocos, sistema eléctrico(s) para el cual están equipados. Incluso en redes totalmente electrificadas, es generalmente una buena idea mantener algunas locomotoras diesel para trenes de mantenimiento y reparación, por ejemplo para reparar líneas de sobrecabeza rotas o robadas, o para poner nuevas pistas. Sin embargo, debido a problemas de ventilación, los trenes diésel pueden tener que ser prohibidos de ciertos túneles y estaciones de tren subterráneos que mitigan la ventaja de los trenes diésel.
• Las aves pueden penetrar en partes con diferentes cargos, y los animales también pueden tocar el sistema de electrificación. Los animales muertos atraen zorros u otros estafadores, lo que conlleva el riesgo de colisión con trenes.
• En la mayoría de las redes ferroviarias del mundo, la limpieza de altura de las líneas eléctricas superiores no es suficiente para un coche de contenedores de doble altura u otras cargas inusualmente altas. Para actualizar las líneas electrificadas a las autorizaciones correctas (21 ft 8 in or 6.60 m) para tomar trenes de contenedores dobles, además de renovar puentes sobre él, normalmente significaría necesidad de pantógrafos especiales que violen la estandarización y requieran vehículos hechos a medida.

Electrificación ferroviaria en el mundo

En 2012, las vías electrificadas representaban casi un tercio del total de vías a nivel mundial.

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) electrificados a 3 kV CC; 32.940 km (20.470 mi) electrificados a 15 kV 16,7 o 16+< /span>2⁄3 Hz y 20.440 km (12.700 millas) electrificadas a 1,5 kV CC.

A partir de 2023, la red ferroviaria suiza será la red totalmente electrificada más grande del mundo y uno de los once países que lo lograrán. Japón tiene la segunda tasa de electrificación más alta, con el 75% de su sistema electrificado. China tiene la tercera tasa de electrificación más alta con más del 65% de la red, después de que India superó a China, con una tasa de electrificación del 90%. En general, China ocupa el primer lugar, con alrededor de 100.000 kilómetros de vías férreas electrificadas, seguida por la India con más de 84.000 kilómetros de vías férreas electrificadas, y superando a Rusia, con más de 54.000 kilómetros de vías férreas electrificadas. Varios países no tienen ferrocarriles electrificados, sino que dependen de unidades múltiples diésel, servicios de transporte 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 kilómetros de vías ferroviarias electrificadas, aunque solo representan alrededor del 55% de la longitud total del ferrocarril.

Varios países han anunciado planes para electrificar toda o la mayor parte de su red ferroviaria, como Indian Railways e Israel Railways.

El Ferrocarril Transiberiano, principalmente en Rusia, está completamente electrificado, lo que lo convierte en uno de los tramos de ferrocarril electrificado más largos del mundo.