Camina por un andén y los trenes que tengas delante serán en su mayoría movidos por motores eléctricos, haya o no un cable aéreo. Lo que cambia es la fuente de la electricidad. Un tren diésel la produce a bordo a partir del combustible. Un tren eléctrico la toma del propio ferrocarril. Esa elección define la aceleración, el coste de operación y qué líneas merece la pena electrificar.
Diésel: tres formas de llegar a las ruedas
Un motor diésel funciona mejor a una velocidad bastante constante, pero un tren debe arrancar desde parado con una carga enorme. Algo tiene que ir entre el motor y las ruedas para salvar esa diferencia.
- Diésel-eléctrico. El motor mueve un generador, y la electricidad que produce alimenta motores de tracción que hacen girar los ejes. No hay una conexión mecánica entre el motor y las ruedas, así que el motor puede funcionar a su velocidad óptima mientras los motores dan una fuerza considerable desde parado. Es la disposición habitual en las locomotoras de línea principal y en muchas unidades múltiples.
- Diésel-hidráulico. Un acoplamiento de fluido o convertidor de par transmite la potencia, algo parecido a un coche automático. Se ha usado en locomotoras y automotores más ligeros, sobre todo en Alemania.
- Diésel-mecánico. Un embrague y una caja de cambios, como en un camión. Es simple y adecuado para automotores pequeños y locomotoras de maniobra, pero se complica a medida que sube la potencia.
El motor convierte por sí solo entre el 35 y el 45 por ciento de la energía del combustible en potencia de eje, y el generador y los motores pierden algo más. Un tren diésel-eléctrico es, por tanto, una pequeña central eléctrica con ruedas. Su antecesor de vapor hacía lo mismo con una caldera y cilindros, como se describe en cómo funciona una locomotora de vapor.
Eléctrico: energía desde fuera
Un tren eléctrico toma la corriente de un cable aéreo a través de un pantógrafo, o de un carril conductor junto a la vía a través de una zapata de contacto. Un transformador y convertidores a bordo la ajustan para los motores. Los motores eléctricos y su equipo suelen tener un rendimiento bien superior al 85 por ciento desde el suministro hasta la rueda, aproximadamente, aunque la cifra global también depende de cómo se generó la electricidad.
Los sistemas varían según el país y a menudo son herencia de cuando se electrificó cada línea:
- 25 kV, 50 Hz CA aéreo: Reino Unido, gran parte de Europa y la mayoría de las nuevas líneas de alta velocidad.
- 15 kV, 16.7 Hz CA aéreo: Alemania, Suiza, Austria, Suecia y Noruega.
- 3 kV CC aéreo: por ejemplo Italia, Bélgica y Polonia.
- 1.5 kV CC aéreo: por ejemplo los Países Bajos y partes de Francia.
- Tercer carril de 750 V CC: gran parte del sur de Inglaterra.
Por qué importa la tensión
La potencia es tensión por corriente, así que para la misma potencia una tensión más alta necesita menos corriente. Un tren de 5 MW necesita unos 200 A a 25 kV, pero unos 6,700 A a 750 V. Con alta tensión basta con cable más fino y menos puntos de alimentación. Por eso la catenaria de 25 kV es adecuada para rutas largas y rápidas, mientras que un tercer carril de 750 V es adecuado para redes densas de corta distancia con subestaciones cercanas. El carril está cerca del suelo, así que una tensión alta allí sería insegura.
Por qué los trenes eléctricos aceleran más
Un tren diésel lleva consigo su fuente de energía, así que el tamaño y el peso del motor limitan su potencia. Una locomotora diésel de línea principal típica entrega del orden de 2 a 3 MW. Una locomotora eléctrica deja atrás la central generadora y puede tomar 5 MW o más del cable, a veces mucho más. Más potencia para la misma masa significa aceleración más fuerte y mayor velocidad máxima, lo que favorece los servicios con muchas paradas y las líneas de alta velocidad.
Las ruedas aún tienen que agarrar. Como la adherencia acero sobre acero es limitada, la potencia extra ayuda solo hasta el punto en que las ruedas patinan.
Frenado regenerativo
Un motor eléctrico puede funcionar al revés como generador. Cuando el maquinista frena, los motores de tracción convierten el movimiento del tren en electricidad y la devuelven a la línea, donde puede usarla otro tren, o a resistencias en el techo si nadie puede aceptarla. El ahorro es mayor en rutas con paradas frecuentes. Los trenes diésel-eléctricos pueden usar el mismo truco con el motor, pero no tienen dónde enviar esa energía de forma útil, así que normalmente se disipa en forma de calor en resistencias.
Coste de la catenaria frente al tráfico
Postes, cable, subestaciones y gálibos de puentes y túneles cuestan mucho por cada kilómetro, y la factura es la misma tanto si circulan diez trenes como cien. Los trenes eléctricos son más baratos de operar y mantener, así que la electrificación se amortiza donde el tráfico es intenso. En un ramal poco transitado quizá nunca lo haga. Muchas redes mantienen el diésel en líneas con poco tráfico y electrifican las troncales.
El unidad bimodo cubre la brecha. Lleva motores diésel y un pantógrafo, funciona con electricidad bajo la catenaria y pasa a diésel donde termina el cable. La familia Class 800 de Gran Bretaña es un ejemplo. El compromiso es el peso extra, porque lleva motores que solo usa parte del tiempo.
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Casi todos los trenes modernos son de tracción eléctrica. La cuestión es si la electricidad se produce en el tren o se toma de un cable o un carril.
Qué sacar de ello
- Diésel-eléctrico: motor, generador, motores de tracción. Diésel-hidráulico y diésel-mecánico usan fluido o engranajes en su lugar.
- Los suministros van desde el tercer carril de 750 V CC hasta la catenaria de 25 kV CA 50 Hz; la misma potencia a 25 kV necesita aproximadamente una treintava parte de la corriente que necesita a 750 V.
- Los trenes eléctricos toman la energía desde fuera, así que pueden disponer de más, y pueden devolver energía al frenar.
- La catenaria es un coste fijo por kilómetro, así que conviene en líneas muy transitadas, y las unidades bimodo cubren el resto.
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