Por David Arnold
El presente artículo está basado en el decreto presidencial que entró en vigor el 20 de noviembre de 2023 y cuyo tema central es la reactivación del transporte ferroviario mexicano de pasajeros (1). En resumen, el documento podría consolidarse como un parteaguas para el servicio de trenes de pasajeros que, en México ha estado estancado desde los años 90, sin contar los tramos del Tren Maya e Interoceánico (que ya están en funcionamiento).
La red ferroviaria nacional cuenta con una longitud de aprox. 17,500 Km, como se muestra a continuación:
La siguiente imagen muestra las 7 de las 17 rutas enumeradas en el decreto, como primer paso, se trabajará en estas 7 rutas mejorando el sistema ferroviario para reanudar su uso como medio de transporte de pasajeros.
Con el decreto de noviembre de 2023 se solicitó, a los actuales concesionarios de las 7 rutas ferroviarias, que presentarán sus proyectos para la reactivación de los servicios de pasajeros antes del 15 de enero de 2024, de lo contrario organismos Estatales, como la Secretaría de Marina, se harían cargo de esta tarea. Según informes recientes de los medios de comunicación, estas empresas, que hasta ahora tienen la concesión para el transporte de mercancías, han presentado los proyectos correspondientes, mismos que actualmente están siendo revisados por las autoridades competentes.
Visión
De acuerdo con el mencionado decreto, el actual gobierno de México apuesta por el desarrollo a gran escala y la modernización del sistema ferroviario como medio de transporte para pasajeros en el país. Para ver realizada esta visión se requiere, además de la base económica, un sentido de innovación, valentía, decisión, cooperación constructiva, empatía y voluntad de compromiso. La mezcla de estos valores esenciales en la población mexicana es un factor determinante para asegurar el éxito de este magno proyecto.
La decisión fundamental para la reanudación de las operaciones ferroviarias gira en torno al tipo de tracción de los trenes. Un punto importante que hay que tener en cuenta es que la forma más sostenible de propulsión de los trenes es a través de la energía eléctrica. Lamentablemente, México aún no cuenta con un sistema de tracción eléctrica basado en catenarias operativas ni con la flota de vehículos adecuada. Sin embargo, no son malas noticias, ya que esto representa una oportunidad única e ideal para rediseñar fundamentalmente el transporte ferroviario, adaptándolo a las condiciones locales y haciendo más fácil la implementación de la tracción eléctrica en México.
En el presente artículo el tema se trata en dos partes en las que se exponen:
- Los principios necesarios y las opciones de aplicación que, en opinión del autor, se requieren para su realización con éxito.
- Y en una segunda publicación, se describe con más detalle esta propuesta y se proporciona una base sólida en un artículo técnico en inglés en Elektrische Bahnen (EB); una revista especializada publicada en Alemania desde 1903. La edición internacional se publica una vez al año en inglés (9).
En el artículo técnico se presentan los planteamientos expuestos a expertos de todo el mundo, con el fin de crear el mejor punto de partida posible para los debates (en combinación con el primer artículo). De este modo, se sientan las bases para innovaciones y nuevos desarrollos en el uso de trenes eléctricos. Por lo tanto, existe una mayor probabilidad de que la idea aquí presentada sea tomada en cuenta en el curso de las discusiones e investigaciones posteriores, todo esto con miras a la reactivación del sistema ferroviario como transporte de pasajeros en México, proponiendo una relación entre el tiempo de traslado, calidad del transporte y costo/beneficio asequible.
Punto de partida y retos
Existen varias fuentes de energía para mover un tren. Con la invención de la máquina de vapor y la consiguiente revolución industrial, surgieron las locomotoras de vapor que utilizaban el carbón como fuente de energía para generar energía cinética (energía de movimiento). En los últimos 200 años, el carbón ha sido sustituido casi por completo por otras fuentes de energía como la electricidad, el combustible, las baterías de plomo, el hidrógeno y -en los últimos años- nuevos tipos de baterías. Los vehículos de tracción que utilizan esta última fuente de energía se denominan Battery Electric Multiple Units (BEMU). Cuando se utiliza esta tecnología, las unidades de almacenamiento de energía deben recargarse al principio y al final del trayecto. Según las últimas investigaciones, esta tecnología de propulsión puede utilizarse en distancias de hasta 100 kilómetros sin recarga intermedia (5).
Incluso después de más de 100 años de uso del tren eléctrico, actualmente no existe una alternativa más económica para las rutas más largas que se utilizan constantemente. Esto significa que, según los últimos avances técnicos, es posible lograr un funcionamiento eficiente en estas rutas mediante un sistema de catenarias, siempre y cuando se les dé un uso constante (2,3,4).
Las líneas ferroviarias enumeradas en el decreto son de larga distancia y actualmente carecen de electrificación. A excepción del Tren Suburbano (27 Km de longitud), en la zona urbana de Ciudad de México, que funciona con electrificación a 25kV 60Hz, no hay otros servicios significativos de trenes eléctricos en el país. El sistema de catenaria para el “Tren Maya”, el primer ferrocarril moderno de pasajeros en México está en construcción. Se prevé que, al completarse, aproximadamente la mitad de la red de rutas del Tren Maya utilizará trenes eléctricos con la ayuda del sistema de catenaria. En resumen, actualmente no hay un número significativo de operaciones ferroviarias eléctricas en México.
La siguiente lista muestra el punto de partida del nuevo enfoque del tren eléctrico como medio de transporte:
- Existe una gran necesidad de reducir los tiempos de viaje de las personas y los tiempos de transporte de las mercancías dentro de México.
- La operación de trenes eléctricos (infraestructura y vehículos) en México se encuentra en una fase inicial.
- La consulta de la red ferroviaria mexicana es accesible en Internet. Sin embargo, la información sobre parámetros de vía, gálibo y tipo de tracción, por ejemplo, no se encuentra disponible.
- Aún no existe un conjunto de normas plenamente desarrollado, ni directrices para el suministro de energía ferroviaria de larga distancia adaptadas a las condiciones locales.
- El apoyo profesional y la formación continua en el sector ferroviario por parte de países con una larga tradición ferroviaria y un alto nivel de experiencia son indispensables, al menos en la fase inicial.
- En México existe un alto nivel de voluntad política y motivación para dominar esta tarea, haciendo uso del talento y la mano de obra local para lograr una producción propia.
- Para un apoyo y aceptación nacional e internacional sostenible en la reactivación del transporte de pasajeros, se recomienda crear las condiciones macro para lograr un manejo humano, amigable con el medio ambiente, eficiente y constructivo en esta gigantesca tarea para asegurar el éxito de los proyectos. Los documentos, que ya están a disposición de las autoridades mexicanas, sobre la revisión del diseño básico de la alimentación eléctrica del proyecto del Tren Maya, pueden utilizarse como punto de referencia con información importante sobre la planificación, implementación y operación de sistemas ferroviarios.
Encontrar una solución
La electrificación completa de la red ferroviaria mexicana no es factible ni económica a corto y medio plazo debido a limitaciones de capacidad y a la incompatibilidad de los trenes portacontenedores de doble pila con las líneas aéreas de contacto convencionales. Sin embargo, se puede optar por una solución mixta más rentable, utilizando unidades múltiples eléctricas con baterías junto con el transporte clásico de trenes eléctricos, adaptando la configuración del sistema de catenarias.
Por tanto, para tramos de hasta 100 kilómetros, puede ser viable el uso exclusivo de baterías de litio como fuente de energía, junto con una infraestructura de recarga disponible en las estaciones de salida y de destino para garantizar el funcionamiento óptimo del tren, en función de la carga transportada (6,7,8). Esta tecnología se ve favorecida por los avances actuales en las baterías, aunque su viabilidad está limitada principalmente por factores como tamaño, peso y costos.
Funcionamiento clásico de un tren eléctrico con catenaria
En Europa y en muchas otras partes del mundo, el transporte de trenes eléctricos ve un beneficio en las rutas con mucho tráfico, principalmente por razones económicas. Para ello, se instala una catenaria por encima de la vía. Esto significa que, cuando el tren está en marcha, hay un conductor en tensión sobre él. La locomotora toma energía de este conductor mediante un pantógrafo para accionar el motor eléctrico de la locomotora y, por lo tanto, el tren (3,4).
Funcionamiento del tren eléctrico híbrido
Un “Tren híbrido” se refiere a aquel que utiliza corriente tomada mediante un pantógrafo elevado en los tramos con sistema de catenaria, y en los tramos sin este sistema, la propulsión se realiza mediante la energía almacenada en una unidad de almacenamiento (batería), mientras el pantógrafo desciende. Dado que se deben mantener los costos de la batería dentro de unos límites razonables, estas deben diseñarse para ofrecer una autonomía en algunos km, dependiendo del horario, el número de pasajeros, la red a recorrer y la longitud máxima de los tramos de vía sin posibilidad de carga (batería) y tomando en cuenta la topografía. Los tramos de línea que pueden ser recorridos utilizando baterías, sin la posibilidad de recarga a través de una vía con líneas aéreas de contacto, son limitados.
De esta forma, todas las vías continuas están equipadas con catenarias, a excepción de las conexiones de agujas (desvíos) y las zonas donde se cruzan estructuras. Se recomienda agrupar sensatamente las zonas que no requieren electrificación para así reducir los costos de planificación, construcción y mantenimiento de los sistemas ferroviarios. La reducción de los costes de planificación es posible ya que no es necesaria una planificación compleja para estos cuellos de botella, al mismo tiempo se reduce el número de componentes del sistema de catenarias a construir. Esto repercute favorablemente en el tiempo y los costes de construcción, ya que también se reducen al mínimo las dependencias de las vías paralelas.
Al eliminar las zonas que requieren mucho mantenimiento en el sistema de catenarias, se reducen los trabajos de mantenimiento posteriores, como la necesaria sustitución de partes desgastadas de los cables de contacto y las regletas de contacto en los pantógrafos que están sobrecargados debido a zonas duras. La red aérea eléctrica y físicamente independiente también tiene un efecto muy positivo en el funcionamiento y el mantenimiento. En caso de averías en una vía, la vía adyacente es completamente independiente desde el punto de vista mecánico y eléctrico cuando se utilizan mástiles de catenaria fuera de la zona de la vía. Por lo tanto, los trabajos que no interfieran con el gálibo de las vías vecinas se pueden realizar sin afectar la operación, ya que los sistemas de catenaria están separados eléctrica y físicamente.
La agrupación de tramos sin catenaria, por ejemplo, en la zona de varias estructuras de paso, permite reducir el desgaste innecesario de la mecánica del pantógrafo y el riesgo de posibles pérdidas de tiempo de viaje debido a la subida y bajada del pantógrafo y los procesos de conmutación asociados en el vehículo. Esto también reduce el uso de la tecnología de señalización, ya que el número de señales para subir y bajar el pantógrafo es menor.
En las estaciones de ferrocarril, instalaciones de estacionamiento y depósitos, se recomienda equipar las vías de carga con catenarias para que las unidades de tracción estacionadas puedan cargar sus baterías de tracción durante el periodo de estacionamiento.
Suministro de energía al sistema de catenarias
Como base para el suministro de energía del sistema de catenarias, se recomienda realizar un estudio de demanda actual (estudio de energía) utilizando un software probado a nivel mundial basado en el programa operativo y otros datos de entrada, e idealmente, hacer que el fabricante lo verifique. A partir de estos resultados, se conectará el sistema al suministro de energía, se ubican las subestaciones de tracción y se alimentará el sistema de catenarias. Esto es de vital importancia para garantizar el éxito a largo plazo de las operaciones de trenes eléctricos en México.
La señalización oportuna al vehículo eléctrico es fundamental para circular con seguridad en zonas sin catenaria cuando el pantógrafo está abajo. Además, en caso de averías, se deben tener en cuenta procesos operativos especiales y consultar a expertos.
En conclusión
Dado que actualmente en México no existen numerosas operaciones de trenes eléctricos, en comparación con países ferroviarios clásicos como Gran Bretaña, Suiza, Alemania y Francia, la situación actual representa una oportunidad única para cambiar desde la raíz la forma de operar de los trenes eléctricos sin restricciones.
Mediante el uso de locomotoras eléctricas con una configuración de “última milla”, es decir, una capacidad de la batería de tracción que ofrezca algunos km de autonomía, y la instalación exclusiva de sistemas de línea aérea de contacto para las zonas de bajo mantenimiento de las rutas seleccionadas, los costes de planificación, construcción, operación y mantenimiento pueden reducirse significativamente. El diseño más económico de infraestructura y vehículos para las rutas consideradas debe ser examinado en detalle mediante estudios basados en el programa operativo planificado, además tomar en cuenta la topografía para el funcionamiento sostenible en cada ruta.
Si como parte de los proyectos necesarios, los impactos negativos sobre las personas, la naturaleza y los bienes culturales de México se minimizan, la reactivación del transporte ferroviario de pasajeros en México tiene el potencial para ser exitosa a largo plazo.
Bibliografía
- Secretaria de infraestructura, comunicaciones y transportes: Decreto 20.11.2023, página 1-3
- Stephan, Arnd; Wittemann, Nyascha Thomas; Bregulla, Tobias (2020), Gutachten: Alternativen zum Dieselantrieb im Bahnland Bayern, Wissenschaftliche Bewertung von alternativen, emissionsarmen Antriebskonzepten für den bayerischen SPNV (Phase 2) Arbeitspaket 1: Analyse der Antriebsarten, página 70-84. Consultado el 21 de mayo de 2024.
- Kiessling, Puschmann, Schmieder (2014), Fachbuch: Fahrleitungen elektrischer Bahnen, Planung, Berechnung, Ausführung, Betrieb; Un trabajo estándar reconocido mundialmente para líneas aéreas de contacto en ferrocarriles eléctricos. Este libro ya se ha publicado en alemán, inglés, español, chino y ruso. La 4ª edición en alemán se publicará en septiembre de 2024, tras lo cual los autores realizarán una edición en inglés y español, cuya fecha de publicación aún se desconoce.
- Kiessling, Puschmann, Schmieder, Vega (2008), Fachbuch: Líneas de contacto para ferrocarriles electrificados
- Boev, Pavel; Erbrecht, Benjamin; von Mach, Stefan; Zimmermann, Ulrich (2022), Fachzeitschrift ETR-Eisenbahntechnische Rundschau, Ausgabe 09/2022: Der Alstom BEMU Demonstrator im Fahrgasteinsatz – erste Erfahrungen aus dem Testbetrieb, página 104-109. Consultado el 21 de mayo de 2024.
- Dschung, Felix (2019), Fachzeitschrift eb-Elektrische Bahnen, Ausgabe eb 11/2019: Laden von Batteriezügen mit 50 Hz. Consultado el 21 de mayo de 2024.
- Dschung, Felix (2021), Fachzeitschrift eb-Elektrische Bahnen, Ausgabe eb 3/2021: 50-Hz-Zugladestation für batterie-elektrische Züge. Consultado el 21 de mayo de 2024.
- Zimmermann, Ulrich; Boev, Pavel; von Mach, Stefan (2021), Fachzeitschrift ZEVrail, Jahrgang 145: Optimierungs-ansätze für den Betrieb von Batteriezügen. Analyse der Wechselwirkungen zwischen Fahrzeug, Infrastruktur und Betrieb. Consultado el 21 de mayo de 2024.
- https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Bahnen_(Zeitschrift). Consultado el 21 de mayo de 2024.
Ingeniero David Arnold
Realizó sus estudios superiores en Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Núremberg Georg-Simon-Ohm (Universidad politécnica). Trabajó para DB Engineering & Consulting GmbH en diversos departamentos: desde 2010, trabajó en el sector de líneas aéreas –catenarias- para la electrificación de ferrocarriles, y desde 2022 se desempeñó como jefe de proyectos en el departamento de gestión de la realización de proyectos ferroviarios.
Actualmente trabaja para Siemens Mobility en Erlangen, Alemania como gestor de proyectos en ingeniería de servicios para vehículos ferroviarios.
