Passageiros podem escolher o próprio caminho até uma estação. O carvão não. Ele fica onde uma camada acabou se formando, e precisa chegar a uma fornalha que pode estar a cem milhas de distância. Entre os dois há uma cadeia de frete: uma sequência de elos em que a saída de cada um é a entrada do seguinte, e em que a ferrovia é a parte que mantém o fluxo estável.
Comece pela usina
O tamanho de uma cadeia é definido na ponta final, pelo que o último cliente consome. Considere uma usina a carvão com potência elétrica de 1 gigawatt (1 GW). Três números bastam para calcular o seu carvão:
- Energia entregue por dia: 1 GW equivale a 109 joules por segundo. Um dia tem 86,400 segundos, então a usina entrega 86.4 × 1012 J, ou 86.4 terajoules.
- Eficiência: uma usina a vapor converte cerca de 35% a 40% do calor do combustível em eletricidade. O restante sai como água morna e gases de combustão.
- Energia em um quilo de carvão: cerca de 24 megajoules (24 × 106 J) para um carvão vapor típico. O linhito é bem menor, então este é um valor ilustrativo, não universal.
Com 40% de eficiência, o combustível precisa fornecer 86.4 ÷ 0.40 = 216 TJ por dia. Divida por 24 MJ por quilo e obtém 9.0 milhões de quilos: 9,000 toneladas por dia. At 35% the heat needed is 246.9 TJ, which is about 10,290 toneladas por dia. Midway, at 37.5%, it is 9,600 tonnes.
Agora compare isso com um trem. Um trem unitário é um conjunto de vagões idênticos que circula como um único bloco entre um único ponto de carregamento e um único ponto de descarga, sem ser dividido ou manobrado no caminho. Considere 100 vagões, cada um levando cerca de 100 toneladas de carvão (valores redondos ilustrativos; os tamanhos reais dos vagões variam conforme o país). Isso dá 100 × 100 = 10,000 toneladas, o que fica dentro da faixa de 9,000 a 10,290 toneladas acima. Um trem unitário por dia alimenta, aproximadamente, uma usina de 1 GW.
Essa é a verificação útil de toda a ideia. Se a usina recebesse o carvão por caminhão, com, digamos, 25 a 30 toneladas por carga, precisaria de cerca de 330 a 400 entregas todos os dias, ou seja, um caminhão a cada quatro minutos, dia e noite.
Por que o trem vence nessa escala
A razão é a resistência ao rolamento. Uma roda de aço sobre um trilho de aço toca a via numa área do tamanho aproximado de uma moeda, e nenhuma das superfícies se deforma muito, então se perde pouca energia na flexão. Um pneu de borracha numa estrada se deforma o tempo todo. Coeficientes típicos de resistência ao rolamento (ilustrativos; variam com a carga, a velocidade e a condição) são:
- roda de aço sobre trilho: cerca de 0.0015, o que significa uma força de tração de 0.15% do peso;
- pneu de caminhão pesado em boa estrada: cerca de 0.007, ou 0.7% do peso.
Uma tonelada pesa cerca de 9,810 newtons. Puxá-la exige aproximadamente 15 N no trilho e 69 N na estrada, e como um newton-metro é um joule, uma tonelada transportada por um quilômetro custa cerca de 15 kJ contra 69 kJ apenas em perdas por rolamento. Essa razão, entre quatro e cinco para um, é o motivo de o trem ser barato para cargas pesadas que circulam em fluxo constante.
A vantagem depende da carga. Uma ferrovia precisa ser construída, sinalizada e mantida, seja o que for que transporte, então ela só se paga quando muitas toneladas a utilizam. Caminhões vencem para cargas pequenas e dispersas. O trem vence quando uma mina, uma linha e um cliente movimentam milhares de toneladas por dia. Para o raciocínio sobre onde essas linhas passam, veja por que as ferrovias seguem os rios.
Cadeias têm mais de um elo
Do carvão à energia é a cadeia mais simples: duas pontas e uma ferrovia. A maior parte da indústria é mais emaranhada, porque muitos produtos precisam de várias matérias-primas que começam em lugares diferentes.
- Carvão para energia. Mina, ferrovia, usina. A ferrovia é um único fluxo, que corre em um sentido, com os vagões vazios voltando.
- Minério de ferro e carvão para aço. Um alto-forno recebe minério de ferro e um combustível de carbono feito de carvão, e os insumos, em peso, somam mais de uma tonelada para cada tonelada de aço (cerca de duas toneladas ou mais, dependendo do processo). Duas minas podem alimentar uma mesma usina siderúrgica, então a usina é um ponto de encontro, e a rota até ela precisa transportar ambos.
- Aço para bens. O aço segue então para fábricas que o transformam em produtos acabados, e estes vão para as cidades. A tonelagem cai a cada etapa, enquanto o valor de cada tonelada sobe.
Duas coisas decorrem disso. Primeiro, o peso de uma cadeia é maior no início, então os fluxos pesados ficam perto das minas e os mais leves perto das cidades. Segundo, uma parada em qualquer ponto se sente ao longo de toda a cadeia: se o trem de minério não chegar, o alto-forno esfria e nenhum aço chega à fábrica. Um estoque de carvão na usina amortece isso, mas só por alguns dias.
Trens unitários pesados também precisam de longas distâncias para parar, então como a sinalização ferroviária mantém os trens separados define quantos trens uma única linha consegue transportar.
Calcule primeiro o último elo. A demanda diária na ponta da cadeia dá a tonelagem, a tonelagem dá o trem, e o trem dá a via de que precisa.
A parte que você pode conferir
Você pode repetir a conta para qualquer usina. Multiplique a potência dela em gigawatts por 86.4 TJ para obter a energia elétrica diária, divida pela eficiência e depois divida pela energia por quilo do combustível. Para uma usina de 2 GW a 40% e 24 MJ por quilo, o resultado é 18,000 toneladas por dia, dois trens unitários.
Valley Rail: Magnata de Trens lista carvão, madeira, petróleo, minério de ferro, aço e bens que seus trens transportam entre minas, florestas, poços de petróleo, usinas siderúrgicas e usinas elétricas, com seis modelos de trem para passageiros e cargas. O dinheiro que cada viagem rende existe apenas no jogo e não tem valor em dinheiro. Valley Rail está em teste fechado e ainda não está disponível publicamente.