Trenbideek pisu garrantzitsua izango dute etorkizuneko garraioan. Izan ere, trenbideetako ibilgailuek energia gutxiago kontsumitzen dute bidaiariko kotxeek edo autobusek baino, eta ondorioz, eragile nagusi bilakatuko dira beharrezkoa den garraioaren deskarbonizazio bidean. Deskarbonizazio bidean, gainera, azken urteetan agertu diren trakzio-teknologia berriek ere lagundu dezakete. Trakzio-teknologiak trenari energia ematen dioten gailuak dira; adibidez, tradizionalki erabili izan diren diesel motorrak edo katenaria deritzon sistema (trenbideen gainetik instalatzen diren kableak). Azken urteetan, aldiz, litio-ioizko bateriak eta hidrogeno-pilak agertu dira merkatuan, eta horrek aukera berriak ireki ditu trenbidearen sektorean.
Gaur egungo gizartean trenbidea funtsezko garraio bat da, bidaiariak zein ondasunak mugitzeko. Gainera, trenen kutsadura maila baxua dela esan daiteke beste ibilgailu mota batzuekin alderatuta. Trenek eragiten duten kutsadura, gainera, asko murriztu daiteke haien trakzioa elektrikoa bada.
XX. mendean zehar trenen elektrifikazio-prozesu orokor bat eraman zen aurrera mundu mailan, katenaria deritzon sistemari esker (trenbideen gainetik instalatzen diren kableak). Hala ere, prozesu honetan ezinezkoa izan da trenbide guztiak elektrifikatzea. Izan ere, sistema hauen kostu altua dela eta, katenariaren instalazioa ez da ekonomikoki bideragarria trafiko gutxi daukaten trenbideetan. Ondorioz, nahiz eta kutsagarriagoak izan, kasu hauetan trakzio-teknologia tradizionalak mantendu izan dira, diesela batez ere.
Trakzio-teknologia berritzaileak
Bateriak eta hidrogeno-pilak garatu dira trakzio-teknologia tradizionalen arazoei aurre egiteko, baina muga teknikoak direla eta, gehienetan beste trakzio-teknologia batzuekin konbinatu behar dira. Alde batetik, baterien dentsitate energetiko baxua dela eta, askotan ez dute gaitasunik trenen ibilbide guztirako beharrezkoa den energia emateko. Ondorioz, trakzio-teknologia tradizionalekin konbinatzen dira; oro har, diesel motorrekin. Bestetik, hidrogeno-pilek ez daukate behar den besteko gaitasun dinamikoa trenen trakzio-behar altu eta aldakorrei aurre egiteko, eta hori dela eta, normalean bateriekin konbinatzen dira.
Diesel motorra eta bateria, edo hidrogeno-pila eta bateria konbinatzen dituzten sistemak hibridoak deitzen dira. Zoritxarrez, beharrezkoak diren hibridazio hauek erronka tekniko eta ekonomiko handiak dakartzate. Erronka nagusi hauen artean nabarmentzekoak dira energiaren kudeaketa eta trakzio-elementuen dimentsionamendua.
Sistema hibridoek energiaren kudeaketa bat behar dute; izan ere, modu eraginkorrean banatu behar dira potentzia- eta energia-beharrak trakzio-elementuen artean. Adibidez, bateria modu dinamikoan erabiliz, posible da diesel motorra bere puntu eraginkorrenean aritzea modu konstantean, eta, hortaz, diesel-kontsumoa murriztea. Hala ere, erabilera honek ez luke eragin behar bateriaren degradazioa handitzea, alde batetik aurreztutako diesel-kostua bateriaren ordezkapenetan xahutuko litzateke eta. Oro har, energiaren kudeaketak elementuen arteko energia-fluxuak optimizatu behar ditu, erregai-kontsumoak minimizatuz, baina ibilgailuaren errendimendua eta elementuen degradazioa arriskuan jarri gabe.
Sistema hibridoetan trakzio-elementuen tamaina optimoa ere definitu behar da. Adibidez, trenak trakziorako 2000 kW behar baditu, posible da diesel motorra 1800 kW-koa izatea eta bateria 200 kW-koa; baina modu berean, posible da diesel motorra 200 kW-koa izatea eta bateria 1800 kW-koa. Existitzen diren konbinazio mugagabeen artean, irtenbide optimo bat aukeratu behar da. Tamainaren definizioak edukiaren, pisuaren eta kostuen arteko balantza aurkitzea eskatzen du, ziurtatuz trakzio-elementuek beharrezkoa den potentzia hainbat baldintzatan hornitu dezaketela, eta aldi berean, gaindimentsionamendura iritsi gabe. Dimentsionamendu optimo bat lortzeko, gainera, kontuan hartu behar da energia-kudeaketaren zeregina (bai eta alderantziz ere).
Trenaren trakzio-sistemaren diseinu eraginkorra
Erronka hauek gainditzea ezinbestekoa da etorkizuneko trenaren erabilera zabala bermatzeko. Normalean, energia-kudeaketarako estrategia eta dimentsionamendu optimoa ad-hoc definitzen dira trenbide espezifiko baten ezaugarri jakin batzuetarako; hau da, ibilbide edo testuinguru ekonomiko jakin baterako. Hala ere, prozesu hau luzea izan daiteke eta mugatua izaten da lortzen diren ondorioak zeharkakoak izateko ahalmena. Hori dela eta, CAFek eta Ikerlanek diseinu-metodologia holistiko bat garatu dute, zeinak ahalbidetzen duen testuinguru espezifikoaren ezaugarriek trenaren trakzio-sistemaren diseinuan duten inpaktua ebaluatzea. Metodologia honek tren baten trakzio-sistemaren diseinu-prozesua errazten du, eta murriztu egiten ditu kudeaketa-estrategia eta dimentsionamendu optimoak definitzeko beharrezkoak diren esfortzua eta denbora.
Garatutako metodologia bizitza-ziklo kostuaren analisi sakon batean oinarritzen da, eta hiru pauso nagusitan banatzen da:
- Lehen diseinu-analisi batean, bateria mota desberdinek eta energia-kudeaketarako estrategia desberdinek eragiten dituzten kostuak alderatzen dira. Alderaketa egokia izan dadin, trakzio-elementuen tamaina optimoa kalkulatzen da kasu bakoitzean.
- Bigarren eta hirugarren pausoetan prozesu bera errepikatzen da, testuinguru ekonomikoa eta ibilbideen ezaugarriak aldatuz, hurrenez hurren.
Metodologiaren funtsa simulazio-eredu bat da, zeina CAFek garatutako ITINER tresnan oinarritzen den. Simulazio-ereduaren emaitzek trenaren eta haren elementuen eskurapen-, operazio- eta mantentze-kostuak kalkulatzea ahalbidetzen dute; hau da, konparazio ekonomikoa egiteko beharrezkoak diren kontzeptuak kalkulatzea. Modelo ekonomikoa osatzeko, baterien eta hidrogeno-pilen degradazio-modeloak ere integratu dira. Modelo hauei esker, posible da iragartzea diseinu-aldaketa batek zenbat eragiten duen elementu hauen bizitza erabilgarrian.
Bi ikerketa kasu
Metodologia balioesteko helburuarekin, bi ikerketa kasu proposatu dira. Ikerketa kasu bakoitzean, aintzat hartu dira trakzio-teknologia konbinazio desberdinak dituzten ibilgailuak:
- Lehen ikerketa kasuan, diesel motorra eta bateria konbinatzen dituen trena aztertu da.
- Bigarren ikerketa kasuan, aldiz, hidrogeno-pila eta bateria konbinatzen dituen trena aztertu da.
Kasu bakoitzerako, trakzio-sistemaren diseinurako irizpide bilakatu daitezkeen konklusio garrantzitsuak lortu dira; hala nola zeintzuk diren bateria mota egokienak, edota zeintzuk diren kudeaketa-estrategia optimoenak. Adibidez, diesel motorra eta bateria konbinatzen dituen trenerako, ondorioztatu da litio eta titanato materialez egindako bateria mota dela aukera egokiena gaur egungo testuinguru ekonomikoan. Bateria mota hau LTO siglez ezaguna da, ingeleseko “Lithium Titanate Oxide” hitzetatik eratorria. Hala ere, irizpide hau alda daiteke dieselaren kostuak handitzen jarraitzen badu, izan ere, kasu horretan aukera hobeagoa bihurtzen dira beste materialekin egindako bateriak.
Artikulu honetan trenen diseinu optimorako metodologia bat aurkeztu da. Metodologia honek etorkizuneko trenbidea bultzatuko du, eta ondorioz, etorkizuneko garraioa ere. Izan ere, metodologia honek posible egiten du hidrogeno-pilak eta -bateriak trenetan modu eraginkor eta ekonomikoan integratzea. Horretarako, analisi sakon batean oinarritzen da metodologia, eta horren arabera ibilgailuaren trakzio-sistemarako irizpideak ematen ditu; hala nola, kudeaketa-estrategia egokiena eta bateria edo hidrogeno-pila mota eraginkorrenak. Oro har, metodologia lagungarri izan dakieke tren-fabrikatzaileei ibilgailuen diseinuari buruzko erabakiak azkarrago hartu ahal izateko. Hori oso garrantzitsua bihurtzen da proiektu berrien lizitazioak prestatzeko orduan, epeak oso estuak izaten baitira. Etorkizunari begira, eta landutako metodologiatik abiatuz, optimizazio-tresna automatiko bat garatu daiteke, zeinak testuinguru berri baten aurrean diseinu optimoarentzako irizpideak modu automatikoan lortuko lituzkeen.
Egileez:
Josu Olmos eta Andoni Saez-de-Ibarra Ikerlan (BRTA) Teknologi Zentroko Energia Biltegiratze eta Kudeaketa Alorreko ikertzaileak dira.
Txomin Nieva CAF Power and Automation zentroko Produktuaren Garapeneko Departamentuko ikertzailea da.
Iosu Aizpuru Mondragon Unibertsitateko Ingeniaritza Fakultateko Elektronika eta Konputazio Departamentuko ikertzailea da.
Zentroari buruz:
IKERLAN teknologia transferitzen eta enpresari balio lehiakorra ematen dion ikerketa-zentro teknologikoa da. Teknologia digital eta adimen artifizial, sistema elektroniko txertatuetan eta zibersegurtasuna eta energia eta mekatronikan espezializatua dago. Zientzia, Teknologia eta Berrikuntzaren Euskal Sareko (ZTBES) parte da, eta Basque Research and Technology Alliance (BRTA) aliantzako eta Mondragon Korporazioko kidea da.
Basque Research & Technology Alliance (BRTA) 17 zentro teknologiko eta ikerketa kooperatiboko zentroen aliantza bat da. Partzuergo honek Euskadiren etorkizuneko erronka sozioekonomiko globalei aurrea hartzen die, ikerketa eta garapen teknologikoaren bidez erantzuna emanez eta nazioartean proiektatuz. BRTAko zentroek ezagutza sortzen eta ezagutza hori euskal gizarteari eta industriari transferitzen laguntzen dute, berritzaileagoak eta lehiakorragoak izan daitezen.
BRTA aliantzak Eusko Jaurlaritzaren, SPRIren eta Araba, Bizkaia eta Gipuzkoako Foru Aldundien babesa du, eta, gaurtik aurrera, BRTA osatzen duten zentroen artikuluak publikatuko dira Zientzia Kaieran euren ikerlanen berri emateko.
