Para agregar a la respuesta de Phil Karn, es la magia de la electrónica de potencia actual, que consiste en tiristores e IGBT, los que hacen esta conversión.
Sin embargo, algunos problemas de ingeniería deben tenerse en cuenta:
Secciones de alimentación y catenaria “no receptiva”
El voltaje de catenaria (25 kV) es muy alto, lo que permite una transmisión a bajas pérdidas en distancias relativamente grandes. Como comparten una frecuencia común, los sistemas de 25 kV y 50 Hz reciben su fuente de alimentación directamente de la red pública. Por lo tanto, la fuente de alimentación primaria se toma de diferentes puntos sin ninguna conexión entre los puntos que da como resultado diferentes fases en la red. Como consecuencia, las secciones de alimentación deben estar separadas eléctricamente para evitar cortocircuitos. Esta falta de interconexión reduce fuertemente la probabilidad de tener dos trenes (uno frenando mientras el otro está en tracción).
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Potencia de frenado insuficiente
El poder de los frenos regenerativos es aproximadamente el mismo que el instalado para la tracción. Para muchas situaciones (trenes que llegan tarde, malas condiciones de la vía, señales de parada inesperadas) esto no es suficiente. En este caso, los frenos regenerativos se mezclan con frenos disipativos o se reemplazan completamente por ellos.
En general, las UEM tienen un mejor rendimiento de frenado regenerativo que los trenes de transporte loco, ya que se accionan más ejes. Cuanto mayor sea la potencia del motor y se accionen más ejes, más energía se puede recuperar.
En el caso de trenes de carga pesados, solo se puede recuperar una pequeña fracción de la energía cinética , ya que la fuerza de tracción es suministrada solo por la locomotora y la fuerza de frenado (mecánica) se distribuye a lo largo de todo el tren. La situación mejora algo en doble tracción, es decir, con un tren arrastrado por dos locomotoras.
En el stock de transporte loco, existe una limitación general para el frenado de la locomotora. Si la locomotora frena, los siguientes autos ejercen una fuerza longitudinal en la parte trasera de la locomotora. Para evitar un mayor riesgo de descarrilamiento, esta fuerza no debe exceder un cierto límite. Especialmente en los trenes de carga, esta es una fuerte limitación para el rendimiento de frenado de la locomotora y, por lo tanto, para el frenado regenerativo.
Úselo ahora, no más tarde
La energía realimentada a la red no significa nada a menos que se use. ¿Supongamos que la red no necesita más entrada de energía?
Acoplamiento de trenes de frenado con almacenamiento de energía para grandes ahorros de electricidad
Los sistemas ferroviarios públicos están cosechando y almacenando electricidad del frenado regenerativo con la esperanza de obtener ganancias con la energía que se vende a la red.
El sistema de transporte público de Filadelfia utilizó más de 500,000 megavatios-hora (pdf) de electricidad en 2011, lo que equivale al consumo anual de alrededor de 46,000 hogares promedio en los Estados Unidos. Gran parte de la electricidad se destinó a las dos líneas de metro de la ciudad, pero la Autoridad de Transporte del Sudeste de Pensilvania, o SEPTA, ahora está tomando medidas innovadoras para tratar de conservar parte de esa energía. Ha combinado una tecnología llamada frenado regenerativo con almacenamiento de electricidad, y otras ciudades están empezando a seguir su ejemplo.
El transporte representa aproximadamente el 20 por ciento del uso total de energía del mundo y el transporte urbano representa aproximadamente el 40 por ciento de eso. Todos esos trenes subterráneos, tranvías, trenes ligeros y ferrocarriles regionales representan una gran oportunidad cuando se trata de frenos regenerativos. La tecnología, que también ayuda a alimentar las baterías en automóviles híbridos como el Toyota Prius, funciona así: cuando un tren se desacelera, frena usando su motor en lugar de la fricción en las ruedas; El motor actúa esencialmente como un generador, convirtiendo la energía cinética del tren en energía eléctrica.
Ese matrimonio se está fortaleciendo por algunas razones. Las tecnologías de almacenamiento, como las baterías y los volantes, han estado mejorando rápidamente y bajando de precio, un paso importante para el crecimiento continuo del suministro de energía renovable. Además, las empresas de servicios públicos se están acostumbrando a las diferencias en la forma en que suministran electricidad, especialmente de fuentes distribuidas, como los paneles solares en la azotea.
La economía del proyecto en Filadelfia solo funcionó cuando SEPTA pudo participar en el mercado de servicios de regulación de frecuencia, lo que significa que podría vender la energía que almacenaba a los servicios públicos para ayudar a mantener la red eléctrica funcionando sin problemas. Según el último recuento, solo la subestación Letterly está ahorrando a SEPTA hasta $ 60,000 por año en facturas de electricidad y generando alrededor de $ 200,000 en ingresos a través del mercado de regulación de frecuencia. Y hay 30 subestaciones en total.
La regulación de frecuencia llevó a SEPTA a elegir baterías de iones de litio como medio de almacenamiento, pero hay otras opciones que pueden tener más sentido para los trenes y el frenado regenerativo. En el metro del condado de Los Ángeles, Vycon Energy acaba de terminar de instalar un sistema de volante en la estación Westlake – MacArthur Park, completamente operativo a fines de mayo de 2014.
Los volantes, dispositivos mecánicos que almacenan energía de rotación, son una tecnología antigua que está empezando a ponerse de moda para algunas aplicaciones, y tienen varias ventajas sobre las baterías. Grandes cantidades de energía eléctrica regenerada del tren pueden convertirse en energía cinética para su almacenamiento en el volante en un corto período de tiempo. Esta es la clave para el riel eléctrico, ya que cada tren de frenado puede generar de dos a seis megajulios de energía durante un período de frenado de 15 a 20 segundos.
Eso se acerca a dos kilovatios-hora cada vez que un tren llega a una estación. Los bancos de baterías que pueden cargarse y descargarse rápidamente tendrían una vida útil muy corta: los volantes pueden proporcionar cientos de miles de ciclos, sin pérdida de rendimiento de almacenamiento de energía, lo que los hace ideales para esta aplicación.
El metro de la Autoridad de Transporte Metropolitano del Condado de Los Ángeles (LA METRO) brinda servicio con trenes de hasta seis vagones a una velocidad de hasta 65 mph a cinco minutos de avance entre semana. Para reducir el uso de energía, LA METRO implementó una Subestación de almacenamiento de energía Wayside (WESS) basada en el volante, que reduce el uso de energía al capturar y reutilizar la energía de frenado generada por los trenes cuando desacelera y frena al acercarse a la estación de pasajeros. El LA METRO WESS tiene una capacidad de 2 MW, 15 segundos, o 8.33 kWh, y puede cargarse y descargarse con una velocidad de ciclo de 1.5 minutos. WESS ha estado en operación diaria completa desde agosto de 2014. WESS ha ahorrado del 10 al 18% de la energía de la energía de tracción en el Westlake TPSS, todos los días.
(VYCON es ahora una subsidiaria de propiedad total de Calnetix Technologies).
WESS captura y reutiliza la energía liberada por los trenes cuando frenan para estaciones y curvas. Cuando un tren subterráneo de LA METRO desacelera y frena, el tren puede frenar regenerativamente convirtiendo su energía cinética en energía eléctrica.
Sin WESS, un tren de frenado puede devolver su energía al tercer riel para alimentar otros trenes, solo en la medida en que otros trenes cercanos sean receptivos, es decir, acerquen la potencia lo suficientemente cerca del tren en regeneración (regeneración).
Con WESS, cuando un tren frena cerca del WESS TPSS, si ningún otro tren puede aceptar esta energía regenerada, WESS captura y almacena la energía de regeneración. WESS luego devuelve la energía capturada al siguiente tren que la necesita.
WESS coopera y aumenta la regeneración natural de tren a tren, y solo captura la energía regenerativa que los trenes de carga no pueden aceptar.
Al reciclar la energía de frenado del tren que de otro modo se desperdiciaría como calor en las resistencias de frenado, WESS reduce el uso de energía TPSS y la demanda máxima de energía, reduciendo la factura de servicios públicos de LA METRO y brinda beneficios, externos a LA METRO, para el medio ambiente y la infraestructura de servicios públicos.
El WESS de 2 MW consta de 4 módulos de volante (FWM), cada uno de los cuales contiene 4 unidades de volante (FWU). Cada FWU tiene una capacidad de 125 kW y 15 s. Las 16 FWU están conectadas en paralelo y se les ordena cargar y descargar en sincronización. WESS puede apagar o encender FWU individuales de forma independiente, y funciona con cualquier cantidad de FWU activas. En funcionamiento normal, las FWU funcionan entre 10,000 rpm con cero energía disponible y 20,000 rpm con máxima energía disponible. Un FWU no puede proporcionar energía cuando su velocidad es igual o inferior a 10,000 rpm, y no puede almacenar más energía cuando está a su velocidad máxima de 20,000 rpm. Las FWU requieren una inspección o mantenimiento periódico mínimo y tienen una vida útil de 20 años a la velocidad máxima del ciclo de carga / descarga. TPSS = Subestación de potencia de tracción
El proyecto Westlake – MacArthur Park fue financiado por una subvención federal de $ 4.46 millones, y la esperanza es que el sistema de dos megavatios ahorre hasta 400 megavatios-hora por año, el consumo de electricidad de aproximadamente 40 hogares promedio.
En la costa de Portland, Oregon, una ciudad conocida por sus tendencias ecológicas, se está instalando otra opción de almacenamiento. La nueva línea del Proyecto de Tránsito de Tren Ligero Portland-Milwaukie contará con supercondensadores para aprovechar la electricidad del frenado regenerativo. Los supercondensadores tienen una densidad de energía mucho mayor que las baterías, lo que significa que pueden cargarse y descargarse extremadamente rápido; Esto es útil para satisfacer picos rápidos en la demanda de electricidad en el sistema ferroviario. También pueden circular millones de veces sin degradarse, mientras que las baterías tienen una vida útil del orden de decenas de miles de ciclos.
Los detalles de un sistema de tránsito determinado probablemente determinarán qué idea funciona mejor y, a veces, incluso una combinación puede estar en orden.