Trenes de alta velocidad: Analizamos al enemigo de la aviación regional

Reproducimos a continuación uno de los artículos aparecidos en la revista ITAVIA, del COITAE

Trenes de alta velocidad: Analizamos al enemigo de la aviación regional

Autor: Alberto García Pérez, Ingeniero Técnico Aeronáutico

Por cortesía de Revista ITAVIA. (Colegio de Ingenieros Técnicos Aeronáuticos).

Por cortesía de www.mundoaeronautico.es

El tren de alta velocidad se está convirtiendo en un serio competidor de la aviación regional para trayectos inferiores a 600 Km. La ausencia de controles de seguridad tan rigurosos que permiten un acceso rápido al propio tren, la flexibilidad en los horarios y la enorme comodidad una vez dentro, con acceso a Internet, cafetería etc. son atractivos cada vez más fuertes para el gran público. El resultado es que rutas aéreas tan importantes y establecidas como el Puente Aéreo Madrid-Barcelona están recibiendo un serio varapalo y han perdido el 46% de los viajeros en poco más de 1 año de operación den tren de alta velocidad. Para el 2011, Renfe estima que conseguirá el 56% hasta alcanzar 7.4 millones de pasajeros. En el presente artículo analizamos al “enemigo”.

• Introducción histórica

Los griegos y, posteriormente, los romanos emplearon surcos en la piedra para guiar a los carros con el fin de facilitar el transporte terrestre. En la Edad Media, los germanos comenzaron a emplear vías de madera para sacar plomo de las minas. La razón era obvia: una rueda que vaya sobre tierra, especialmente si está mojada, necesita de un gran esfuerzo para desplazarse, pero si se realiza sobre una superficie dura todo se vuelve más fácil. Sin embargo, la solución era muy cara y sólo se aplicaba en zonas muy concretas.

La llegada de las pesadas máquinas de vapor a principios del siglo XIX obligó a replantearse de nuevo el uso de vías para desplazar a estos artilugios tan útiles pero con tantas limitaciones de transporte. La inversión en lo que ahora conocemos como I+D consiguió que las máquinas de vapor redujeran progresivamente su tamaño. Para 1829, habían adquirido ya un tamaño aceptable y el ingeniero de minas británico George Stevenson dio el gran salto al poner unas ruedas a una turbina de vapor. Surge así el primer tren, conocido como “El Cohete”, dotado de pistones, movidos por el vapor generado, que actuaban directamente sobre las ruedas. Podía así mover pesos de hasta 40 toneladas, a velocidades no superiores a 40 Km/h.

El uso de líneas férreas comenzó a expandirse progresivamente. Para 1840, algunas líneas férreas alcanzaban ya los 100 Km/h, pero sobre vías con un mantenimiento muy pobre y emplean infraestructuras no muy robustas. De tal manera que si un puente se derrumbaba por la noche, el maquinista no lo vería hasta que fuera demasiado tarde. La siniestralidad en aquella época era elevada, ya que además los raíles a veces se desprendían y atravesaban el suelo de los vagones hiriendo a menudo a los pasajeros o estropeando la carga transportada. Los trenes también tenían una seria limitación impuesta por su gran masa: no se podían detener rápidamente. La solución a este problema aparecería en 1869 cuando George Westinghouse inventó el sistema de frenada automática mediante el uso de aire comprimido que actuaba sobre unas válvulas de frenado.

La resolución progresiva de los principales problemas técnicos combinada con una seguridad y fiabilidad creciente recibió el apoyo del gran público que vio al tren como un medio de transporte cómodo y rápido, especialmente en países con tanta extensión como Estados Unidos. La red viaria norteamericana se incrementó así entre 1860 y 1900 de 40.000 a 320.000 Km cubriendo prácticamente el país. Para comienzos de la Primera Guerra Mundial, ya existían frenos automáticos, vías de acero, líneas telegráficas alrededor de las líneas férreas y vagones fabricados en acero. Los trenes alcanzaban ya los 130 Km/h y hacia 1930 pudieron alcanzar los 160 Km/h, aunque empleando siempre máquinas de vapor superándose los 200 Km/h en 1939.

A mediados de los años 30 aparecieron las primeras máquinas diesel eléctricas, que resultaban más económicas y pronto ganaron en popularidad. El advenimiento del automóvil y la mejora de la red de carreteras así como la mejora del transporte aéreo hicieron que el tráfico ferroviario redujera su capacidad y se concentrara fundamentalmente en el tráfico de mercancías. Sin embargo, el tren bala japonés relanzó de nuevo el uso del tren al reducir significativamente los tiempos respecto del automóvil.

• El advenimiento del tren de alta velocidad

Japón fue uno de los últimos países en tener una red ferroviaria, que no llegó a instalarse hasta mediados del siglo XIX. Entre 1864 y 1900 se construyeron tantas líneas férreas, que la agencia que construía los trenes se convirtió en la primera empresa del país nipón.

El modelo de crecimiento ferroviario llegó a su fin tras la Segunda Guerra Mundial, ya que los ferrocarriles habían sido sobreexplotados y no se había realizado ningún mantenimiento. La ausencia de autopistas significativas hizo que la situación fuera más crítica. A mediados de los años 1950, el gobierno japonés se puso manos a la obra para solventar este problema, creando una línea férrea que uniera Tokio con Osaka. Pero los responsables mintieron sobre su coste al gobierno japonés, que de otra manera la hubiera rechazado, y consiguieron además un crédito del Banco Mundial tras convencerle de que Japón era todavía un país en vías en desarrollo. El nuevo “Tren Bala”, inaugurado en 1964 para las Olimpiadas de Tokio, instalaba motores en cada vagón, lo que permitía distribuir el peso y aumentar la velocidad significativamente hasta los 250 Km/h. Hoy Japón dispone de más de 1600 Km de vías de alta velocidad y han transportado más de 2.800 millones de pasajeros sin ningún accidente, con velocidad en continuo crecimiento hasta los 300 Km/h actuales que alcanza el tren de aluminio Nozami. No existen curvas cerradas o cruces, lo que reduce significativamente los accidentes. También existen operarios que comprueban cada día el estado de la vía.

En Europa, la tecnología del tren de alta velocidad ha estado centrada en Francia y Alemania. El francés TGV entró en servicio en 1981 y fue el resultado de un programa lanzado por el gobierno francés a mediados de los años 60 que quiso modernizar el tráfico ferroviario, como el Concorde en el ámbito aeronáutico. En 1972, alcanzó 317 Km/h, propulsado por una turbina de gas, estableciendo un nuevo récord mundial. El secreto era un tren ligero de peso, con menor número de ejes al compartir dos vagones el mismo eje, y dotados de un gran motor. Se creó una nueva vía en 1976 para unir París y Lyon y se abriría al público a finales de 1981, consiguiendo en servicio una velocidad máxima de 262 Km/h. Con 17 millones de pasajeros transportados y tras 20 años de servicio, todavía no ha tenido ningún accidente. Su demanda por parte de los usuarios es tal que incluso existe incluso una versión de dos pisos. Actualmente, el TGV francés está en posesión del record mundial de velocidad desde 1997 cuando alcanzó los 575 Km/h en un tramo de vía especial y sin curvas, aunque su velocidad de crucero en operación comercial suele ser de 300 Km/h.

En Alemania, el tren ICE 3, desarrollado por la canadiense Bombadier y por la alemana Siemens, tiene una potencia total de 10.000 CV distribuidos a lo largo de sus 8 vagones, cada uno dotado de 2 motores eléctricos que funcionan a 25.000 V. El tren es semiautomático y tiene un sistema similar al de un piloto automático en aviación. Alcanza velocidades que exceden los 300 Km/h.

• Requisitos técnicos

Antes de comentar los requisitos técnicos, comencemos por la definición de tren de alta velocidad. La Unión Internacional del Ferrocarril denomina así aquellos trenes que en vías especiales viajan por encima de 250 km/h o de 200 Km/h en vías convencionales.

Las altas velocidades que se alcanzan con la nueva generación de trenes requieren de numerosos cambios tanto en las vías férreas como en el propio tren. La vía férrea en sí debe ser una línea continua sin juntas y se conforma mediante segmentos de vías de larga longitud, de hasta 108 m, que posteriormente se sueldan para reducir las vibraciones del tren en crucero. El ejemplo más claro de este requisito se aprecia en el Eurotúnel que atraviesa el Canal de la Mancha entre Inglaterra y Francia. En la parte francesa, los trenes pueden alcanzar velocidades de hasta 250 Km/h, debido a que la vía férrea está realizada en una única pieza. Sin embargo, al llegar al Reino Unido, los trenes tienen que reducir su velocidad hasta los 100 Km/h debido a que el sistema británico está compuesto por vías antiguas unidas entre sí por medio de tornillos.

Por otra parte, el trazado debe ser tan recto como sea posible, evitando al máximo las curvas y las pendientes. Los peraltes y los radios de las curvas son significativos. Radios de menos de 5 Km son considerados como muy ajustados en términos de alta velocidad. Algunos modelos, como el Accela 3 norteamericano que une Boston, Nueva York y Washington, poseen vagones basculantes que se controlan por medio de un ordenador y un sistema de actuadores hidráulicos que permiten que el tren pueda tomar curvas a alta velocidad sin tanto peralte o con menor curvatura. El resultado es que el pasajero no tiene que inclinarse en cada curva y el tren puede alcanzar hasta 240 Km/h en vías férreas convencionales.

Todos estos requisitos obligan normalmente a crear gran número de túneles y puentes, lo que aumenta significativamente el coste de la línea férrea. Por otra parte, los largos túneles necesarios obliga al uso de tuneladoras, con potencias de hasta 5000 CV de potencia y complejos sistemas de transporte de escombros, que permiten avanzar hasta casi 40 m al día, velocidad muy alta en cuanto a construcción de túneles se refiere, pero muy lenta para los grandes trazados ferroviarios, siendo ésta una de las causas de la gran duración de las obras.

El sistema de señalización debe ser distinto también al del ferrocarril convencional ya que las altas velocidades alcanzadas impiden al maquinista leer las indicaciones con tiempo suficiente para reaccionar, especialmente en condiciones de tiempo adverso. Se recurre, por tanto, a instalar balizas en los travesaños de la vía que son captadas por un sistema de antenas situadas en la parte baja del tren y que ya se transmiten al cockpit del maquinista. Con el fin de tener suficiente redundancia, se instalan 4 antenas, dos en la parte delantera y otras dos en la parte trasera. La información codificada que se recibe contiene los siguientes elementos:

• Velocidad máxima segura en el tramo actual
• Velocidad objetivo al final del tramo actual
• Velocidad objetivo al final del siguiente tramo. Con el fin de reducir el estrés de trabajo del maquinista, se indica en pantalla la velocidad al final del siguiente tramo en forma de parpadeo del valor, permitiendo así captar su atención y que sepa con antelación un posible cambio de velocidad.
• Longitud del tramo, aunque su longitud suele ser de 1.5 kilómetros, puede variar ligeramente en algún tramo en concreto. Por cada tramo, sólo se permite la circulación de un solo tren.
• Comprobación cíclica de redundancia, que permite comprobar si la señal se ha leído correctamente o si existe algún error.

Así pues, la navegación, si se permite la comparación, es similar al ILS aeronáutico, donde las balizas proporcionan información al maquinista sobre los valores aconsejados de navegación para cada tramo, pero manteniendo el maquinista el control sobre el tren en todo momento.

Por norma, las condiciones de la vía no deben variar durante la longitud de cada tramo, es decir, la pendiente debe ser constante. Sin embargo, la capacidad de frenado del tren suele exceder esta longitud de frenado, por lo que el proceso de frenado debe comenzarse normalmente a lo largo de 4 a 6 sectores. Con este sistema, se busca maximizar el uso de la vía férrea sin necesidad de aumentar los requisitos de frenado. Así, por ejemplo, en Francia existen líneas de alta velocidad que permiten separaciones entre trenes de hasta 3 minutos para velocidades de crucero de hasta 360 Km/h. En caso de fallo en la señal de un determinado segmento, se considera que el segmento se haya ocupado, lo cual tendrá un impacto en la velocidad del tren precedente.

Los trenes por su parte emplean necesariamente motores eléctricos, ya que son más ligeros y más económicos de operar que los motores diesel. La electricidad se hace llegar normalmente por medio de una catenaria situada encima del tren que también está sujeta a serias restricciones. Si la catenaria está demasiado floja, el pantógrafo, el aparato encargado de recoger la energía eléctrica y pasarla al motor, produciría un ruido periódico, que sería molesto para los pasajeros, además de producir peligrosos arcos eléctricos. Es por ello que también se comprueba concienzudamente su distancia vertical a lo largo de todo el trayecto.

Aerodinámicamente, el diseño del tren también es muy importante, ya que las velocidades alcanzadas, alrededor de 350 Km/h, se sitúan en el entorno de las velocidades de rotación de los grandes aviones comerciales. El morro, por ejemplo, suele ser aplastado para reducir la circulación de aire por debajo del tren y evitar así que el tren de eleve como en un perfil aerodinámico, siendo el modelo picopato de TALGO quizá el más representativo. Las altas velocidades alcanzadas también producen estelas de alta energía que dan lugar también a fuertes vibraciones. Para amortiguarlas, se recurre al aumento de la masa del tren mediante el uso de lastre especialmente en los vagones traseros. También debido a estas estelas de alta energía es necesario separar las vías paralelas a más distancia de la habitual, con el fin de evitar que en el cruce de dos trenes viajando en sentido contrario se produzca una fuerte interacción con los campos de presiones generados.

Los vagones del TGV francés, y también en otros modelos de alta velocidad, comparten ruedas, es decir, que dos vagones se apoyan sobre el mismo conjunto de ruedas. Esta configuración reduce la complejidad de cada vagón, tiene la ventaja de que se alejan las ruedas del habitáculo, dando lugar a un interior mucho más amplio y silencioso además de reducir su altura total, lo que beneficia tanto a la aerodinámica como a la estabilidad del tren.

Al igual que en los aviones, existe un sistema de “cajas negras” que graban tanto las acciones del maquinista como las señales medidas por los sensores más importantes para la navegación con el fin de poder entender las causas de un potencial accidente y evitar así que se vuelva a repetir en el futuro.

• Trenes de Levitación Magnética

En 1991, un nuevo tipo de tren, denominado MLX 01, consiguió desplazarse flotando en un colchón magnético y estableciendo automáticamente un nuevo récord mundial de velocidad al alcanzar los 552 Km/h. El concepto empleado era revolucionario: en lugar de emplear ruedas y raíles, se empleaban electroimanes a lo largo de todo el tren, de tal manera que éste se comporta como el polo sur, mientras que la vía es el polo norte, según se esquematiza en la figura adjunta. La atracción entre ambos polos hace que el tren se eleve hacia la vía, pero sin llegar nunca a contactar con ella, ya que antes se alcanza el equilibrio de fuerzas electromagnéticas y el peso del propio tren. Para asegurar el centrado lateral, también se instalan electroimanes a ambos lados, impidiendo así que el tren abandone la vía.

El tren magnético ahorra también energía ya que únicamente se energiza los segmentos situados inmediatamente por delante del tren, así como los tramos que el propio tren cubre en cada instante. Si el tramo de vía tiene polo positivo, los electroimanes del tren cambian a polo negativo, de tal manera que se produce una onda electromagnética que hace que el tren avance. Regulando la velocidad de dicha onda se consigue que el tren acelere o frene. Además, como no existe contacto físico, en su interior sólo se oye el ruido aerodinámico, por lo que resulta muy silencioso. Además, al eliminar el contacto entre la rueda y la vía, y por consiguiente el desgaste de sus componentes, es capaz de alcanzar los 1000 Km/h con un mínimo mantenimiento.

A pesar de todas estas ventajas, y que incluye la ausencia de motor propiamente dicho, la implantación de esta tecnología requiere de un enorme esfuerzo económico. La empresa alemana Transrapid, por ejemplo, ha invertido más de 1000 millones de dólares en un demostrador tecnológico que alcanza los 400 Km/h pero que no transporta pasajeros de forma regular. China, sí ha dado ese salto en 2002 cuando abrió una línea de 30 Km para unir el aeropuerto de Shangai con el centro financiero de la ciudad. El principal inconvenientes es el coste de aplicarlo a una vía comercial de largo recorrido es demasiado caro, ya que es necesario construir de nuevo todas las infraestructuras. Además, no son mucho más rápidos que los trenes de alta velocidad convencionales por lo que muchos ponen en duda este sistema como alternativa de futuro.

• Conclusiones

Los trenes de alta velocidad representan un duro rival para la aviación regional por varios motivos. Por una parte, las fuertes subvenciones del estado reducen significativa el precio de los billetes. Desde el punto de vista operativo, el usuario también percibe una mayor comodidad al viajar de centro a centro de cada ciudad, sin preocuparse de estar con demasiada antelación en la estación y con la posibilidad de coger el siguiente tren sin ningún problema. Además, la enorme comodidad durante el viaje, sin apenas vibraciones ni baches, con acceso a internet y con posibilidad de darse largas caminatas entre vagones supone un reto difícilmente de conseguir por la aviación. Desde el punto de vista de las emisiones, el tren, al ser eléctrico, es también más eficiente y emite en su conjunto menos CO₂ que los aviones. Con todos estos factores en contra, es fácil comprender por qué el tren de alta velocidad ya ha conseguido casi la mitad de los viajeros entre Madrid y Barcelona y supera ya en plazas disponibles a la suma de todas las aerolíneas que operan en el puente aéreo, por no citar el 99.2% de puntualidad de media. Una situación difícil de recuperar que tendremos que asumir.