El tranvía

Para impulsarse por los tramos sin catenaria, el tranvía debe contar con energía eléctrica almacenada. Para ello, se utilizan baterías basadas en reacciones químicas o supercondensadores, formados por dos placas conductoras y un material dieléctrico, que se recargan con la energía desprendida en el frenado. Cuando el tranvía vuelve a conectarse a la catenaria, las baterías se recargan para estar listas en el siguiente tramo sin cables.

En el periodo 2009-2013, el tráfico descendió en Zaragoza un 7,7 % y un 39% en el entorno a la línea 1 del tranvía, y las emisiones contaminantes se redujeron: NOx (18%), CO (8,8%) y PM10 (49%). En el tramo del Paseo Independencia, el tranvía pasa por encima de los restos arqueológicos del barrio musulmán de Sinhaya (siglos X y XII).

• Los primeros tranvías se propulsaban con mulas y caballos. Berlín estrenó el primer tranvía eléctrico en 1879.
• La energía eléctrica llega al tranvía por los cables que están por encima, desde la catenaria (curva que describe un cable fijo por sus extremos, sometida a su propio peso).
• El actual sistema de frenado regenerativo transforma la energía cinética en energía eléctrica almacenable en supercondensadores.
• La aparición del tranvía en la ciudad de Zaragoza ayudó a reducir la emisión de gases contaminantes.
• Maqueta en el Paseo Independencia de los restos del barrio musulmán de Sinhaya (s. X y XII), con el trazado de sus calles y viviendas.
• Al romperse, el vidrio gris templado de los tranvías se fragmenta en trozos no cortantes. Su tintado gris reduce el efecto invernadero en su interior.

Colaboraciones:

Funcionamiento de este medio de transporte.

Piedad Garrido Picazo, profesora titular del Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas de la E.U.Politécnica de la Universidad de Zaragoza.

Cuando un tranvía recorre las calles de una ciudad, un científico no solo ve un medio de transporte de pasajeros que circula por rieles en un área urbana, sino que se alegra de que ese fenómeno producido por el movimiento e interacción entre las cargas eléctricas (positivas y negativas) de los cuerpos físicos, registrado por el científico Charles François de Cisternay du Fay y conocido como élecktron o ámbar, se haga visible en el ámbito del transporte. Lo hace no sólo como sistema de tracción sino también como cargas alimentadas y controladas, que utilizan la electrónica de potencia (tiristores IGBT +arreglos de resistencias) para componer otros circuitos internos de control eléctrico (iluminación, aire acondicionado, etc.). 

Bautizados como “trenes de sangre”, los tranvías siguen siendo, hoy en día, toda una fuente inagotable de información para el científico, que se imagina en su computador simulando escenarios donde parámetros como la longitud del vagón (mm), ancho (mm), peso (Ton), tasa de aceleración y desaceleración (m/s2), velocidad promedio (km/h), número de pasajeros etc., determinarán características como cuál será la fuerza necesaria para su desplazamiento (con o sin pasajeros) o cuál será la relación potencia/peso (kW/Ton, que le proporcionará información del número de motores y la potencia (Kw) por motor necesaria para mover un vagón con un determinado peso (Ton). 

El tranvía, en jornadas altas de trabajo, tiene otras cargas de las que preocuparse -piensa el científico, conocedor de que todo está bajo control- como pueden ser una posible sobrecarga de potencia o un fallo en el suministro de la línea. Entonces es cuando entran en juego otras cargas si el suministro falla, como los ventiladores de refrigeración, encargados de mantener los sistemas que contienen la electrónica de potencia a temperaturas normales o las baterías, fuentes de alimentación de otros circuitos de control (como por ejemplo, las luces de emergencia). 

Llega el momento de hacer una parada en el recorrido (o frenar en un semáforo) y el científico, que tiene en mente la confrontación de cargas y formas de actuar del tranvía, desea que el sistema de frenado regenerativo reduzca la velocidad y transforme parte de su energía cinética en energía eléctrica almacenable en baterías (basadas en reacciones químicas) osupercondensadores para un uso futuro. Así, necesita menos energía desde la catenaria y el tranvía resulta más eficiente. Es aquí donde la mente del científico sigue observando con deseo al tranvía mientras pasa por delante de sus ojos, para él una fuente externa de alimentación continua de energía con un futuro lleno de interrogantes.

Una de las pasajeras - estudiante de ciencias medioambientales - observa precisamente uno de estos interrogantes: el cuidado del planeta. Los tranvías se han convertido en una de las principales alternativas para reducir la dependencia del vehículo privado. Sin embargo, su implementación debe realizarse de forma cuidadosa, para evitar diseños poco adecuados que supongan un medio de transporte de baja ocupación y escasa viabilidad de operación. 

Un estudio de investigadores del CIRCE, Instituto Universitario de Investigación Mixto de la Universidad de Zaragoza, afirma que en el periodo de 2009-2013, el tráfico descendió en Zaragoza un 7,7 % y un 39 % en el contorno anexo al trazado de la línea 1, y las emisiones contaminantes se redujeron: NOx (-18%), CO (-8,8%) y PM10 (-49%). Los científicos apuntan como factores de este impacto medioambiental positivo al diseño del trazado (que conecta los barrios de Valdespartera y Parque Goya atravesando la ciudad por polos de atracción tales como el Hospital Universitario Miguel Servet, la zona centro, campus universitarios y varias zonas comerciales), la priorización semafórica para garantizar un viaje rápido y fluido, además de una plataforma exclusiva que le permite no interferir con otros medios de transporte. 

Mientras les contaba el apasionante viaje bajo el tranvía, hemos llegado a la Avenida de la Academia. Fin del trayecto, señoras y señores pasajeros.

Cómo se alimenta de energía.

Pilar Molina Gaudó, profesora titular del Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura (EINA) y miembro del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza.

Un tranvía funciona con tracción eléctrica. Esto significa que un motor eléctrico transforma energía eléctrica en movimiento. Hay muchos tipos de motores y nos rodean en nuestro día a día. Desde una batidora, un secador, el ascensor, los coches eléctricos y también los trenes actuales y los tranvías. La ventaja de los motores que se usan en los tranvías es que son muy eficientes y controlar la velocidad es (relativamente) sencillo con un elemento electrónico que se llama variador. 

Normalmente la energía eléctrica que alimenta al tranvía viene por la catenaria, los cables que están por encima del recorrido. Cuando el tranvía arranca se gasta mucha energía en poco tiempo. Cuando ya está en movimiento, menos, ya que no cuesta tanto mantener el movimiento como arrancarlo. Sin embargo, estos motores tienen una ventaja adicional: cuando el tranvía frena, la energía mecánica se transforma y se genera energía eléctrica que se puede utilizar más tarde. Pero claro, para eso hay que almacenarla. 

Para almacenar energía eléctrica existen varios sistemas. Lo más conocidos son las baterías, también algo que se ha vuelto prevalente en nuestro día a día, en el móvil, en los ordenadores, en los coches… Las baterías se basan en fundamentos químicos. Hay otros sistemas para almacenar, por ejemplo, en supercondensadores, algo aparentemente parecido a una batería, pero cuyo fundamento es físico y no químico. Eso les da una ventaja ideal porque no tienen mantenimiento y se les puede hacer muchos ciclos sin que se acaben por desgastar (como las baterías, que tarde o temprano hay que cargarlas). Un tranvía frena y arranca muchas veces al día, por eso los supercondensadores son una buena manera de almacenar esta energía. 

El tranvía, cuando frena, almacena ese exceso de energía en supercondensadores y así puede usarlo en el arranque posterior y necesita menos energía desde la catenaria. Así el tranvía se hace más eficiente. Es verdad que hay que transformar un poco la energía ya que el motor genera muchos voltios, 800V aproximadamente, y el almacenamiento se hace a tensiones más bajas. Para eso se usa electrónica de potencia.  

Si además queremos un tranvía que durante un tramo largo no tenga catenaria (como el de Zaragoza) y así evitar la contaminación visual del cable, necesitamos poder alimentarlo con energía almacenada. Para eso los supercondensadores ya no sirven porque se necesita bastante energía para hacer andar el tranvía y para la climatización. Para eso se usan baterías, normalmente de litio porque son de las que menos pesan. Para no tener que usar unas baterías muy grandes, en las paradas a veces se recargan un poco mientras suben y bajan los pasajeros. Cuando el tranvía vuelve a conectarse a la catenaria, las baterías se vuelven a cargar para estar listas en el siguiente tramo sin cables. 

Impacto medioambiental del tranvía de Zaragoza.

Abel Ortego Bielsa, Director del Área de Desarrollo y Conocimiento de Motorland Aragón y miembro del Instituto Universitario de Investigación Mixto CIRCE - Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos.

La movilidad urbana es altamente dependiente de los vehículos privados, cuyo uso provoca polución, atascos y accidentes de tráfico. Los modos de transporte de alta capacidad, dentro de los cuales se encuentran los tranvías, se han convertido en una de las principales alternativas para aquellas ciudades que quieren reducir la dependencia del vehículo privado.

Sin embargo, la implementación de este tipo de infraestructuras debe de realizarse de forma cuidadosa para evitar diseños poco adecuados que convierten a esos medios de transporte en sistemas con una baja ocupación y por tanto de escasa viabilidad de operación.

Con el objetivo de analizar el impacto que la implantación de una línea de tranvía tuvo en Zaragoza, se elaboró una metodología que consideraba tres categorías de impactos: (1) impacto en el tráfico privado; (2) impacto en otros medios de transporte público y (3) impacto en la movilidad de los barrios periféricos de la ciudad, los cuales son los más expuestos a la movilidad privada si no se les dota de medios de transporte público eficaces. 

Las principales fuentes de datos empleadas fueron: los mapas de aforos de tráfico y movilidad de la ciudad, las estaciones de medición de la calidad del aire, los registros de ocupación de los diferentes medios de transporte público y las encuestas de movilidad realizadas. En la aplicación de la metodología se tomaron en consideración los registros obtenidos por estas fuentes de datos tanto antes (año 2009) como después (año 2013) de la implantación por completo de la línea 1.

Como principales resultados se obtuvo que: 

• El tráfico descendió en el total de la ciudad un 7,7 % y un 39 % en el contorno anexo al trazado de la línea 1.

• La reducción de emisiones contaminantes tales como NOx, CO y PM10 fue de un 18 %, 8,8 % y 49 % respectivamente.

Como principales factores que provocaron ese impacto medioambiental positivo destacan:

• El adecuado diseño del trazado que conecta los barrios de Valdespartera y Parque Goya atravesando la ciudad por polos de atracción tales como el Hospital Universitario Miguel Servet, la zona centro, campus universitarios y varias zonas comerciales.

• La implementación de un sistema de priorización semafórica que le confiere una buena velocidad comercial. 

• La dotación de una plataforma exclusiva que le permite no interferir con otros medios de transporte. 

La información detallada de este estudio puede encontrarse en la siguiente referencia.

Ortego A, et al. Environmental Impacts of Promoting New Public Transport Systems in Urban Mobility: A Case Study. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems. Volume 5, Issue 3, pp 377-395. DOI: http://dx.doi.org/10.13044/j.sdewes.d5.0143 

Un barrio musulmán bajo parte de su trazado.

Josefina Pérez Arantegui, profesora titular del Departamento de Química Analítica de la Facultad de Ciencias y mmiembro del Instituto Universitario de Investigación en Ciencias Ambientales (IUCA) de la Universidad de Zaragoza.

¿Escuchas? No, no es el tranvía pasando por el Paseo Independencia. Fíjate. Debajo está parte de la ciudad musulmana, era el arrabal, luego morería. La gente vivía allí y usaba cerámica en su cocina y para servir la mesa Eran los siglos XI, XII y XIII. Se han encontrado numerosos fragmentos cerámicos en las excavaciones arqueológicas, pero algunos de los más sorprendentes están decorados con diseños en tonos metalizados, en dorado o en cobrizo.

Son objetos muy finos, seguramente para las celebraciones más importantes de la familia, donde la cerámica tiene un color muy claro, una pasta casi blanca. Están realizados con arcillas con contenidos muy altos de calcio (Ca) en su composición. Éste favorece que, durante la cocción, el hierro (Fe) presente se disuelva en los aluminosilicatos de la arcilla y no aparezca formando óxidos de color rojo (Fe2O3), consiguiéndose un color crema muy claro.

Como los pequeños platos o las fuentes iban a usarse para servir alimentos, una vez cocida, la pasta cerámica se tenía que impermeabilizar cubriendo su superficie con un esmalte. Éste es una cubierta vítrea a base de sílice (SiO2) y óxidos de plomo (PbO) y potasio (K2O). Después de una segunda cocción, la pieza cerámica quedaba de color blanco brillante. Se había obtenido un esmalte opaco, porque entre sus componentes se había incluido también la casiterita, el óxido de estaño (IV) (SnO2).

Sin embargo, lo que hacía únicas a estas piezas era su decoración. Esos diseños metalizados se conseguían con un complejo proceso que solamente los alfareros más experimentados podían lograr. Se preparaba un pigmento mezclando sales de plata (Ag) (o de cobre (Cu)), arcillas ricas en hierro (Fe) y en potasio (K) y otros componentes, a veces secretos, con los que se pintaba la decoración sobre la cerámica esmaltada y volvía a colocarse en el horno alfarero. En esta tercera cocción era muy importante controlar la temperatura, que no debía superar los 600°, y la atmósfera del horno, manteniéndola reductora (con muy poco oxígeno (O2)). Cuando el horno se enfriaba, se sacaba la cerámica y se lavaba, en su superficie aparecía la decoración metalizada. ¿Y cuál era la causa de ésta? La microscopía electrónica de transmisión permitió observar la parte más superficial de estas cerámicas y ver que justo en los primeros 500 nm de espesor (1 nm, nanómetro = 0,000000001 m) se habían formado pequeñas partículas esféricas de plata metálica (cuando el color era dorado) o de cobre metálico (cuando era cobrizo), de un tamaño extremadamente pequeño (su diámetro está entre 10 y 50 nm), que eran las responsables de esos tonos metalizados por las propiedades ópticas de estas nanopartículas dentro del esmalte.

Características de los vidrios de sus vagones.

Rafael Alonso Esteban, catedrático del Departamento de Física Aplicada de la EINA y miembro del I3A de la Universidad de Zaragoza.

Características de las lunas laterales de los tranvías:

• En climas cálidos:

Vidrio gris de 5mm y templado según Directiva Europea, Reglamento ECE 43, que en caso de rotura se fragmenta en pequeños trozos, no cortantes. El tintado en gris reduce la transmisión de luz uniformemente en todas las zonas del espectro solar y proporciona mayor confort a los usuarios.

El vidrio debe ser capaz de resistir ondas de presión con amplitudes de 4000 Pa que se producen en el cruce de tranvías o en entradas en túneles.

El vidrio está instalado en el chasis mediante un adhesivo tipo poliuretano, sin sujeción mecánica. La zona de pegado se protege de la radiación UV mediante la aplicación de un esmalte vitrificado negro.

• En climas fríos:

Las lunas son dobles. Están formadas por dos lunas templadas, incluyendo una capa de baja emisividad y una cámara rellena de argón para obtener un buen aislamiento térmico mediante el bloqueo de la radiación, la transmisión y la convección.

Características de las lunas frontales o parabrisas:

Son vidrios laminados de seguridad con gran resistencia al impacto y normalmente curvados para reducir la resistencia aerodinámica. Deben ser capaces de impedir la penetración de objetos pesados lanzados contra el parabrisas a gran velocidad. En caso de fractura, la película de material plástico evita que se desprendan fragmentos de vidrio, evitando la proyección de las astillas de vidrio.

Además de la función de seguridad, las lunas frontales incorporan un circuito eléctrico resistivo embebido en el PVB, prácticamente invisible, que permite descongelar y desempañar la luna en un corto espacio de tiempo. La potencia de calefacción típica está en torno a los 5 W/dm²

Vidrio templado: vidrio de seguridad obtenido por tratamientos térmicos o químicos controlados para aumentar su resistencia en comparación con el vidrio normal. El templado hace que las superficies exteriores estén sometidas a compresión y la interior a tracción. Esta distribución de tensiones hace que el vidrio se rompa en pequeños trozos granulares en lugar de fragmentarse en piezas grandes y cortantes. 

Ondas de presión: fenómeno ondulatorio de propagación de energía en un gas.

• Ecuación de ondas de presión en tres dimensiones. P es la presión acústica (desviación de la presión atmosférica), y c es la velocidad del sonido (340 m/s)

• Onda plana, solución de la ecuación ondas, propagándose en la dirección x e incidiendo en la luna con una amplitud de 4kPa. (f es una función de tipo pulso)

Esmalte vitrificado negro: esmalte aplicado sobre un vidrio que tras procesarse en un horno industrial a temperaturas de unos 500-600^oC vitrifica y adquiere resistencia, brillo y color.

Luna doble: empleada para mejorar el aislamiento térmico.

Capa bajoemisiva o bajo emisivo: La emisividad de la superficie de un material, , es un factor que especifica la eficiencia para la emisión de radiación térmica. Según la ley Stefan-Boltzmann, la potencia emisiva hemisférica total es

A es el área del objeto, épsilon la emisividad (0-1), sigma la cte de Stefan-Boltzman y T la temperatura del objeto en K.

Bajo emisivo => , radia muy poco a pesar de estar caliente.

Aislamiento térmico mediante el bloqueo de la radiación, la transmisión y la convección

El coeficiente de transmisión térmica, U[W/(m²K)], describe las pérdidas o ganancias energéticas a través de un acristalamiento, de superficie A, provocadas por la diferencia de temperatura existente entre el ambiente exterior y el interior, . Estas pérdidas o ganancias energéticas se deben a transferencias térmicas por conducción, convección y radiación térmica.

Vidrio laminado: El vidrio laminado consta de dos o más láminas de vidrio de cualquier grosor, unidas mediante películas intermedias realizadas con materiales plásticos transparentes.

Circuito eléctrico resistivo. El circuito eléctrico calefactor está formado por pequeños hilos invisibles que disipan calor por efecto Joule en el PVB en el que están embebidos.

PVB= butiral de polivinilo, o Butiral (PVB), es un un polímero trasparente de gran adherencia y durabilidad, utilizado principalmente en la industria del vidrio