Contribución al estudio del efecto de la alta velocidad en el consumo de energia y en los costes de explotación del ferrocarril

Abstract

The thesis analyses the effect of an increase in speed on energy consumption, pollutant emissions and railway operating costs. Besides focusing on the direct consequences of speed variation, the analysis also considers the effects of the shift from the conventional railway system to the high-speed system. This change from one system to another is a far-reaching one, as speed is just one of many highly influential parameters that undergo substantial alterations (characteristics of the trains, curve radii, gradients, speed profile, signalling, etc.). Each of the two focal points of the study is given a certain methodological autonomy through the inclusion of its own state of the art (which is presented as the problem is discussed and analysed) and its specific development and modelling. The common aspects are tackled in a preliminary conceptual chapter on high speed and its economic and social effects, and are simultaneously illustrated with reference to example cases. The final sections are devoted to conclusions, future lines of research, and the bibliography. A down-top methodology is used for the analysis in question, based on the events or physical inducers that produce the consumptions and costs. The most suitable indicators for measuring and comparing are determined and analysed in detail, the expounded methodology allowing the indicators to be extracted ¿one by one¿, which not only facilitates selection of the most appropriate indicator in each case, but also makes it possible to analyse in greater detail the reasons for the differences. Among the conclusions, perhaps the most important concerns the enormous variability of the railway¿s energy consumption results, even within each system, due to the differences in train sizes and architectures, propulsion systems, path and utilization coefficients, emission factors, etc. As regards operating costs, the variability of the results is lower, although it is still considerable and also greater than in other modes of transport. On changing from the conventional system to the high-speed system, the consumption and emission differences between electric traction trains are not great. This study shows that, on average, consumptions and emissions are slightly lower in the high-speed system, although the extremely wide range of values means that all kinds of results can be found. In the case of diesel traction, consumptions, and especially emissions, are much higher than those of electric traction at any speed. Emissions in the improved conventional system (using representative values in the calculation) are 11.5% higher than those of the high-speed system, while those of the conventional system with electric traction and diesel traction are 53.3% and 4.2 times higher, respectively. An increase in rail speed has a very significant effect on the whole corridor (taking all modes of transport into consideration).

La tesis pretende analizar el efecto del incremento de la velocidad en el consumo de la energía y en las emisiones de productos contaminantes, así como en los costes de explotación del ferrocarril. No se trata de analizar únicamente el efecto directo de la variación de la velocidad sobre los consumos y sobre los costes, sino también (en ambos campos) el efecto derivado de pasar del sistema ferroviario convencional al sistema de alta velocidad (en las dos versiones de éste que se definirán posteriormente). Ello es relevante por cuanto al pasar de uno a otro sistema, además de un salto importante en la velocidad, cambian muchos otros parámetros muy influyentes (características de los trenes, radios de curva, pendientes, perfil de velocidades, señalización, etc.) El análisis se realizará, por lo tanto, considerando el efecto conjunto de todos los elementos que componen el sistema de alta velocidad (en cada una de sus dos versiones) pero también se aislará el efecto del incremento de la velocidad (manteniendo todos los demás factores constantes). Para ello es necesario realizar unas reflexiones generales sobre la alta velocidad en el ferrocarril y sus aportaciones de valor. Son múltiples los efectos técnicos y económicos que conlleva la variación de la velocidad y la transición del sistema ferroviario convencional al de alta velocidad. De todos ellos, aquí solo se abordarán dos efectos relacionados entre si y que tienen en común que han sido poco estudiados de forma sistemática: 1) el consumo de energía y las emisiones asociadas a la circulación de los trenes; y 2) los costes de explotación. Dadas las características peculiares de cada uno de los dos estudios se les dota de una cierta autonomía metodológica, al incluir su propio estado del arte (que se presenta al ir razonando sobre el análisis del problema y desarrollo del modelo), su desarrollo y modelado específico. Las partes comunes a los dos problemas se abordan en el capítulo conceptual sobre la alta velocidad y sus efectos económicos y sociales; y en el capítulo de aplicación a los casos-ejemplo, que se hace de forma conjunta. Se concluye con sendos capítulos de conclusiones e identificación de futuras líneas de investigación, y con la bibliografía. En un anejo se incluye una terminología específica que ayudará al lector a familiarizarse con ciertas palabras o acrónimos que son empleados en el ambiente ferroviario en el que tienen un significado diferente del que reciben en otros. Es conveniente mencionar que el autor ha dedicado buena parte de su labor investigadora en los últimos años a estos dos temas (consumo de energía y emisiones; y costes de explotación del ferrocarril en general y de alta velocidad en particular). Ello le ha permitido producir una abundante documentación en forma de artículos, libros, capítulos de libros, ponencias en congresos, etc. En la presente tesis se utilizan estos materiales, pero se añaden dos valores fundamentales: la puesta al día de los datos y de las ideas, y (sobre todo) la sistematización y ordenación de las reflexiones contenidas en todos aquellos trabajos. Además se analizan comparativamente –como novedad- los dos sistemas de alta velocidad: el que emplea líneas nuevas con velocidades máximas por encima de los 250 kilómetros por hora, y el que utiliza líneas mejoradas con velocidades del orden de 200 a 220 kilómetros por hora. En cada uno de los dos campos fundamentales de estudio (energía y emisiones, y costes de explotación) se incluye –como se ha indicado- el análisis específico del estado del arte, con especial referencia a otros trabajos previos del autor en los que pueden encontrarse los temas explicados con mayor extensión y detalle. El estado del arte se irá presentando, para mayor simplicidad expositiva, a medida que en cada caso se vaya avanzando en el análisis del problema o en el planteamiento del modelo.