Estrategia energética ligada a la compra y venta de electricidad en el sector ferroviario

Abstract

Introducción El contexto socioeconomtco, tecnológico y ambiental actual prevé que el tráfico ferroviario en Francia debería aumentar significativamente de aquí a 2030. Una de las consecuencias del incremento del tráfico ferroviario es el aumento del consumo de electricidad. En este contexto, es importante para las empresas del sector ferroviario empezar a reflexionar acerca de esta problemática para poder desarrollar iniciativas que permitan a las subestaciones ferroviarias actuales tener la capacidad de responder a un aumento del consumo de electricidad, al tiempo que se evita la perturbación del tráfico o de la calidad de la energía de las líneas ferroviaria. Además, el aumento del consumo de electricidad se traducirá en un aumento de la factura eléctrica. Este proyecto pretende constituir una de las potenciales soluciones que puedan ser aplicadas para resolver este conflicto. El proyecto propone como posible solución la transformación de las subestaciones ferroviarias clásicas en subestaciones ferroviarias híbridas, mediante la integración de una fuente de energía renovable y de un dispositivo de almacenamiento de energía. Objetivos Los objetivos de este proyecto son: l. Optimizar los intercambios energéticos entre los distintos elementos de la subestación ferroviaria híbrida de cara a minimizar su factura eléctrica. 2. Estudiar la rentabilidad de esta instalación Metodología Para poder desarrollar este proyecto se ha procedido en cuatro etapas. l. En primer lugar, se ha realizado la modelización de los distintos elementos que componen una subestación ferroviaria híbrida: la propia subestación, la red, la fuente de energía fotovoltaica, el dispositivo de almacenamiento de energía y los convertidores de electrónica de potencia.2. A continuación, se ha realizado un estudio del proyecto desde el punto de vista económico con el objetivo de establecer las ecuaciones matemáticas que permitirán evaluar su rentabilidad. Así, se han determinado las ecuaciones que permiten calcular el coste total que supone el desarrollo de una instalación de estas características. Este coste incluye tanto el coste de la inversión requerida para la construcción de la subestación, como los costes de operación y mantenimiento y el coste relacionado con el contrato de acceso a la red eléctrica. 3. Posteriormente, se ha tratado la parte relacionada con la optimización de los intercambios energéticos entre los distintos elementos de la subestación de cara a minimizar su factura eléctrica. Esta optimización se realiza a través de un método de programación dinámica, el algoritmo de Bellman. 4. Por último, se han implementado una serie de programas en Matlab que permiten simular los intercambios energéticos entre los distintos elementos de la subestación y en consecuencia, estimar la factura energética anual de la sub estación. Resultados Los primeros resultados obtenidos verifican la hipótesis sobre la que se fundamenta este proyecto: la integración de una fuente de energía renovable y de un dispositivo de almacenamiento de energía en una subestación ferroviaria permite reducir su factura eléctrica. En concreto, los primeros resultados reflejan que el coste de electricidad de una subestación ferroviaria híbrida frente a una subestación ferroviaria clásica es un 29.3% menor. No obstante, el desarrollo de este tipo de instalaciones no parece una opcton muy recomendable a día de hoy. Si bien es cierto que la hibridación de una subestación ferroviaria conlleva un ahorro significativo de la factura eléctrica, el coste total que supone desarrollar este tipo de instalaciones no justifica la inversión. Perspectivas El futuro de este proyecto está abierto a nuevas propuestas que intenten mejorar los resultados obtenidos. Algunas de las perspectivas de mejora que se pueden plantear a proyecto son: l. El desarrollo del proyecto en otras regiones geográficas que dispongan de una mayor exposición al sol, lo que permitiría aumentar la cantidad de energía fotovoltaica producida y disminuir aún más la factura eléctrica de la subestación. 2. El desarrollo del proyecto considerando como fuente de energía renovable otro tipo de energía distinta de la energía fotovoltaica. 3. La realización de un estudio de sensibilidad sobre los parámetros que contribuyen en mayor medida a que el coste de inversión sea tan elevado en comparación con el ahorro de la factura de la luz que supone el proyecto. Esto permitiría conocer las tecnologías y los desarrollos científicos que se deben seguir de cerca en el futuro, para saber si el proyecto tiene futuro a corto, medio o largo plazo.

Introduction The current in crease of the railway traffic implies a huge increase in power consumption. Hence it is important to think of how to improve the current railway facilities to enable them to support this additional demand without disturbing the traffic or the energy quality of the railway line. Another aspect of this issue is the raise of the energy bill which will become dramatically high. This project aims to constitute one of the potential solutions which could be applied to sol ve this issue. The project suggests as possible solution the transformation of classical railway substations into hybrid substations, by adding a renewable power source and an energy storage bank. Objectives The objectives ofthe project are: l. To optimize the energetic exchanges between the different elements of the substation in order to minimise its electricity bill. 2. To study the profitability of this facility Methodology This project has been developed following a four step process: l. Firstly, the different elements of the hybrid railway substation have been modelled: the substation, the electrical grid, the renewable power source, the energy storage bank and the power converters. 2. Then, we have determined the mathematical equations that will allow us to study the project's profitability. The main issue conceming profitability is the total cost ofthe project, which includes the investment cost, the operation and maintenance cost and finally, the cost related to the contract with the electricity company. 3. After this, we ha ve studied different methods to optimize the energetic exchanges between all the elements of the substation in order to minimize its electricity bill. The method chosen for developing the optimization is "Bellman's algorithm" 4. Finally, we have implemented in Matlab the different programmes which allow us to simulate the energetic exchanges in the substation and, consequently, calculate the annual cost of electricity in the substation. Results The first results obtained by this project verify the initial hypothesis underlying the purpose ofthe project: the integration of a renewable power source andan energy storage bank in a railway substation can reduce its electricity bill. In particular, the first results show that the electricity bill for hybrid railway substations is 29.3% lower than those of the current substations. Nevertheless, the development of this kind of facilities is not currently recommended. E ven if this solution reduces the electricity bill of the substation, the total cost needed to build up these facilities does not justify the investment. Prospects The future of this project is opened to new suggestions trying to improve the results obtained. For instance: l. The development of the project in a different geographical area. An area where solar irradiance is bigger. This, will allow to increase the energy obtained from the photovoltaic panels and therefore reduce even more the electricity bill of the substations. 2. The development ofthe project considering a different renewable power source. 3. The development of a sensibility analysis of the variables that con tribute to the fact that the investment cost is much higher than the electricity bill savings. This third option will allow the user know the technologies and scientific developments to follow in the next years, in order to know if the project could be more relevant in the short term or in the long term.