Instalación de placas solares dentro de la vía ferroviaria

Abstract

La primera parte del proyecto consiste en un estudio de viabilidad de una nueva patente basada en la superposición de paneles solares en las superficies de las tapas de canaleta situadas en los laterales de las vías del tren. La segunda parte constará de un estudio de implantación de energía fotovoltaica en la superficie de salida de un túnel situado en Cuenca. Esta parte tendrá un análisis de elección de componentes y energético, así como un estudio del impacto económico del proyecto y su viabilidad.

1. Introducción

La energía solar es una fuente de energía eléctrica renovable basada en el aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol y que se encuentra en una fase avanzada de desarrollo, instalación y aprovechamiento. En el sector ferroviario español todavía no se ha desarrollado de la forma que debería, de ahí que mi trabajo gire en torno a como poder sacar un mayor beneficio a la energía procedente del sol en la industria ferroviaria.

Primero haré un breve resumen de como el resto de las energías renovables se han implantado en esta industria en Europa, para luego explicar el funcionamiento de forma más general de las instalaciones fotovoltaicas y sus componentes. Antes de explicar las partes fundamentales del proyecto, he querido desarrollar los elementos que forman la vía ferroviaria, ya que me ha parecido interesante entrar en un contexto más ferroviario, definiendo los términos correspondientes a esta jerga.

El proyecto tiene dos partes bien diferenciadas. Por un lado voy a tratar la posibilidad de implantar placas solares en las tapas de canaleta de la vía ferroviaria, y por el otro lado plantearé un caso práctico de instalación fotovoltaica a la salida de un túnel situado en Cuenca, y por el cual circula el AVE Madrid-Barcelona.

Dentro de la vía, las tapas de canaleta se presentan como un elemento pequeño que recorre una gran distancia lo que provoca que conforme una superficie amplia y de la cual nos podemos beneficiar para la generación de electricidad. Esta misma idea es en la que está trabajando la empresa GreenRail, pero implantando paneles en las traviesas. De esta forma se plantea como una posibilidad de abastecer pequeños consumos cercanos a las vías, como pueden ser señalizaciones o BTS (edificios de telecomunicaciones), pero no como una forma de obtención de potencia eléctrica a grandes rasgos. Para llegar a conseguir grandes cantidades de energía habría que cubrir una longitud de vía enorme, con las pérdidas que eso supone de cableado y teniendo que colocar inversores y baterías cada pocos metros, con el elevado coste que conlleva.

Las tapas de canaleta son elementos que cubren la canaleta por donde los cables de telecomunicaciones están alojados, por ello cada vez que hay que realizar tareas de mantenimiento en la canaleta, estas tapas se deben retirar. Esto lleva a pensar que el mantenimiento de estas no será el más idóneo al igual que estado, sumándose el problema de la suciedad que provoca un elemento dispuesto en el suelo en un terreno que se asemeja al campo.

La segunda parte del proyecto y la principal será un caso práctico de diseño de una instalación solar donde el uso de un software de simulación ha sido de gran importancia (PVSyst). En el diseño se han tenido en cuenta los tipos de instalaciones solares que se podrían implantar en el lugar, las componentes fotovoltaicas principales, pérdidas por generación, presupuesto y precio de los equipos, etc.

2. Definición del proyecto La parte fundamental del trabajo será el diseño de la instalación a la salida del túnel, por lo tanto en este apartado solo me centraré en las características de ese proyecto. El túnel de la Atalaya está situado en Cuenca, cerca de la estación de alta velocidad Fernando Zobel. Por él circula todos los días el AVE dirección Madrid-Barcelona. Además de ser una superficie muy amplia, se eligió esté emplazamiento por la buena orientación (sureste) e inclinación (30º) de la superficie de entrada al túnel. También es un lugar sin edificios ni vegetación de altura, lo que provoca que no existan pérdidas por sombreado. La superficie cubierta por paneles solares es de unos 200 m2. Aprovechando la cercanía del centro de transformación de la red, se decidió por que la instalación fuese conectada a red y de esta forma ahorrarnos el dinero destinando a las baterías para el autoconsumo que hubiese encarecido en exceso el proyecto, reduciendo también los costes de obra civil. Esta instalación está en relación con el fomento de la sostenibilidad y eficiencia a largo plazo, con una duración de la instalación de unos 25 años, dependiendo del desgaste de los componentes de la instalación.

3. Descripción de la instalación En primer lugar, la instalación se conectará con el centro de transformación de Baja Tensión, situado a unos 100 metros. A la Red de Baja Tensión, llegarán dos líneas correspondientes a las dos instalaciones del proyecto, una por cada lado de la vía, y que se podrán considerar independientes entre sí, con lo cual cada una contará con un contador que medirá la cantidad de energía entregada a la red.

Las placas solares convertirán la radiación electromagnética en potencia eléctrica en continua, con lo cual se requerirá de un inversor trifásico, el cual hemos sobredimensionado para evitar pérdidas cuando no se trabaje en condiciones estándar y para lograr un mejor uso de la potencia nominal de corriente alterna a la salida del inversor. Por lo tanto la instalación tendrá una potencia nominal de 16kW y el inversor será de 17kW. Los inversores irán alojados en armarios situados en las cercanías de la vía y del túnel, donde también estará el cuadro general de la instalación con las respectivas protecciones, para luego transportar la energía ya en alterna hasta la red de Baja Tensión. 120 paneles solares (270 Wp) cubrirán la superficie de la salida del túnel, 60 por cada lado de vía. A su vez estos irán dispuestos en 3 módulos en paralelo de 20 paneles en serie. Estos módulos solares irán anclados sobre la superficie de pizarra. Todos los cables (RV-K 0,6/1 kV) de la instalación irán sobre bandejas metálicas como marca el reglamento de Baja Tensión en este tipo de instalaciones y cubiertos por canaletas de PVC. Todos los cálculos de la elección de componentes y protecciones irán adecuadamente explicados dentro de la memoria.

4. Resultados Los resultados finales del estudio sobre la instalación solar en la salida del túnel vienen muy determinados por el aspecto económico, de sostenibilidad y de potencia total generada y que podemos ahorrarnos con la inclusión del sistema. En la parte económica, un TIR del 14,36% superior a su tasa de descuento del 8% y un VAN de 18.882,16 € nos dan la certeza de que el proyecto será rentable, teniendo en cuenta que la inversión inicial es de 35.658,60 €. A estos datos hay que añadir un “Pay-back” de 93.197,80 € calculado a 25 años que es la duración de la instalación en el tiempo, y que a los 6 años de su puesta en marcha, la inversión inicial del proyecto estará totalmente amortizada. La simulación de la potencia generada para el primer año es de 43,98 MWh, viéndose reducida hasta los 39,74 MWh, debido a la degradación y envejecimiento de sus componentes, en el último año. PVSyst estima esta disminución a través de una reducción lineal con el tiempo. Respecto al rendimiento, la instalación presenta un PR (índice de rendimiento) del 79,27% y del 71,61%, para el primer y último año, respectivamente. En el aspecto de sostenibilidad, en la memoria se hace una comparativa de los kg ahorradas de CO2, SOx y NOx respecto a la generación de potencia eléctrica con centrales de Carbón, Gas y Ciclo Combinado. El resultado del ahorro de CO2, componente que más preocupación genera en la sociedad por su repercusión sobre la capa de ozono, es de 40.000 kg/año de CO2 al año respecto a las centrales de carbón (más contaminantes), de 35.000 kg/año respecto a las centrales de gas y de 16.000 kg/año en las centrales de ciclo combinado.

5. Conclusiones Respecto a la idea, de la patente referida a la implantación de placas solares en las tapas de canaleta, se puede concluir su poca viabilidad de cara al futuro, ya que el entorno al que están expuestas las tapas no es óptimo y que, las instalaciones en que se ha tratado de implantar a lo largo de carreteras han resultado un desastre, generando más pérdidas de las esperadas y con fallos en la instalación, además de que los costes han resultado muy elevados. Respecto a la idea, de la implantación de la instalación solar a la salida del túnel, y al contrario que en la idea anterior, el caso práctico del proyecto presenta unos resultados finales que permiten considerarlo viable, por su rentabilidad futura y por su rápida amortización en el tiempo en relación con la vida útil de la instalación.The first part of the project consists of a feasibility study for a new patent based on the superimposition of solar panels on the surfaces of the gutter covers located on the sides of the train tracks. The second part will consist of a study of the implementation of photovoltaic energy on the exit surface of a tunnel located in Cuenca. This part will have an analysis of the choice of components and energy, as well as a study of the economic impact of the project and its viability.

1. Introduction Solar energy is a source of renewable electrical energy based on the use of electromagnetic radiation from the sun and is at an advanced stage of development, installation and use. The Spanish railway sector has not yet developed as it should, which is why my work revolves around how to make the most of solar energy in the railway industry. I will first make a brief summary of how the rest of the renewable energies have been implemented in this industry in Europe, and then explain the operation of photovoltaic installations and their components in a more general way. Before explaining the fundamental parts of the project, I wanted to develop the elements that make up the railway track, as I thought it would be interesting to get into the context of the subject. The project has two distinct parts. On the one hand, I am going to discuss the possibility of installing solar panels on the gutter covers of the railway track, and on the other hand, I will present a practical case of a photovoltaic installation at the exit of a tunnel located in Cuenca, and through which the Madrid-Barcelona high-speed train runs. Within the track, the gutter covers are presented as a small element, but which covers a large distance which causes it to conform to a large surface area and from which we can benefit for the generation of electricity, an idea on which the company GreenRail is working, but implementing panels on the sleepers. In this way, it is proposed as a possibility of supplying small consumption close to the tracks, such as signs or lights, but not as a way of obtaining electrical power in general terms. In order to achieve large amounts of energy, an enormous length of track would have to be covered, with the losses that this entails in terms of cabling and having to install inverters and batteries every few metres, with the high cost that this entails. The trough covers are elements that cover the trough where the telecommunication cables are housed, so every time maintenance work must be carried out on the trough, these must be removed. This leads us to think that the maintenance of these will not be the most suitable, adding the problem of dirt caused by an element arranged in the ground in a field that resembles the field. The second and main part of the project will be a practical case of design of a solar installation where the use of simulation software has been of great importance. The design has considered the types of solar installations that could be implemented on the site, the main photovoltaic components, generation losses, budget and price of the equipment, etc.

2. Project description The fundamental part of the work will be the design of the installation at the exit of the tunnel, therefore in this section I will only focus on the characteristics of that project. The Atalaya tunnel is located in Cuenca, near the Fernando Zobel high-speed train station. The AVE trains run through it every day in the direction of Madrid-Barcelona. In addition to being a very large surface, this location was chosen for the good orientation (southeast) and inclination (30º) of the tunnel where the solar panels are incorporated. It is also a place without buildings or high vegetation, which means that there are no shading losses. The area covered by solar panels is about 200 m2. Taking advantage of the proximity of the network's transformation centre, it was decided that the installation should be connected to the network, thus saving us money on the batteries that would have made the project too expensive and also reducing civil engineering costs. This installation is related to the promotion of long-term sustainability and efficiency, with an installation duration of about 25 years, which varies depending on the wear and tear of the installation components.

Ilustración 3. Location map Tunel Atalaya (Cuenca) 3. Description of the installation First, the installation will be connected to the Low Voltage transformer station, located about 100 meters away. Two lines corresponding to the project's two facilities will be connected to the low-voltage network, one on each side of the track, and may be considered independent of each other, so that each will have a meter that will measure the amount of energy delivered to the network. The solar panels will convert the electromagnetic radiation into direct electrical power, which will require a three-phase inverter, which we have over-dimensioned to avoid losses when not working in standard conditions and to achieve a better use of the nominal power of alternating current at the output of the inverter. Therefore, the installation will have a nominal power of 16kW, and the inverter will be 17kW. The inverters will be housed in cabinets located near the track and the tunnel, where the general picture of the installation with the respective protections will also be located, to then transport the energy already in alternating mode to the Low Voltage network. 120 solar panels (270 W) will cover the surface of the tunnel exit, 60 on each side of the track. These in turn will be arranged in 3 parallel modules of 20 panels in series. These solar modules will be anchored on the slate surface. All the cables (RV-K 0,6/1 kV) in the installation will be laid on metal trays as required by the Low Voltage regulations in this type of installation and covered by PVC trays. All calculations for the choice of components and protections will be properly explained within the memory.

Ilustración 4. Simple unified diagram Tunel Atalaya (Cuenca) 4. Results The final results of the study on the solar installation at the tunnel exit are very much determined by the economic aspect, sustainability and total power generated and that we can save with the inclusion of the system. On the economic side, an “TIR” of 14.36% higher than its discount rate of 8% and a “VAN” of 18,882.16 euros give us the certainty that the project is profitable, taking into account that the initial investment is 35,658.60 euros. To these data, we must add the Pay-back of 93,197.80 euros calculated at 25 years, which is the duration of the installation in time, and that 6 years after its start-up, the initial investment of the project will be fully amortized. The simulation of the power generated for the first year is 43.98 MWh, reduced to 39.74 MWh due to the degradation and aging of its components. PVsyst estimates this decrease through a linear reduction over time. In terms of performance, the facility has a PR (performance index) of 79.27% and 71.61%, for the first and last year, respectively. Regarding sustainability, the report compares the kg of CO2, SOx and NOx saved with respect to the generation of electrical power with Coal, Gas and Combined Cycle power plants. The result of the CO2 savings, a component that generates the most concern in society due to its impact on the ozone layer, is 40,000 kg/year of CO2 compared to coal-fired plants (which are more polluting), 35,000 kg/year compared to gas-fired plants and 16,000 kg/year in combined cycle plants. 5. Conclusions Regarding the idea of the patent referring to the implementation of solar panels in the gutter covers, it can be concluded that it is not very viable for the future, since the environment to which the covers are exposed is not optimal and that the installations in which it has been tried to implement along roads have been a disaster, generating more losses than expected and with failures in the installation, besides the fact that the costs have been very high. With regard to the idea, of the implementation of the solar installation at the exit of the tunnel, and contrary to the previous idea, the practical case of the project presents some final results that allow to consider it viable, for its future profitability and for its quick amortization in time in relation to the useful life of the installation.