Fraunhofer ISE desarrolla un inversor para la inyección directa de energía fotovoltaica en la red eléctrica ferroviaria alemana

Deutsche Bahn es el mayor consumidor de electricidad en Alemania y opera su propia red eléctrica, que tiene una longitud de casi 8.000 kilómetros. El proyecto “PV4Rail” examinó cómo esta red puede utilizarse para la inyección de energía solar. El consorcio, liderado por Fraunhofer ISE, desarrolló y probó un inversor para la inyección directa de energía fotovoltaica, analizó el potencial fotovoltaico a lo largo de las vías y realizó estudios tecnoeconómicos sobre sistemas fotovoltaicos conectados a la red ferroviaria. Estos podrían convertirse en un componente importante de la transición energética si se abordaran las desventajas regulatorias y de mercado.

Actualmente, en la red de Deutsche Bahn hay instaladas instalaciones de generación con una capacidad de aproximadamente dos gigavatios (GW). Estas son principalmente centrales eléctricas convencionales y plantas hidroeléctricas. Sin embargo, en Alemania aún no existen sistemas fotovoltaicos que alimenten directamente la red eléctrica ferroviaria.

Alimentar la red ferroviaria con energía fotovoltaica

“Una parte relevante de la demanda energética de la red eléctrica ferroviaria podría cubrirse con energía fotovoltaica, ya que el potencial de superficie disponible para paneles solares a lo largo de las vías es muchas veces superior a la cantidad de energía que necesita la red ferroviaria”, explica Andreas Hensel, director del proyecto PV4Rail en Fraunhofer ISE.

El equipo del proyecto identificó áreas adecuadas en todo el país y analizó su potencial mediante simulaciones detalladas. Incluso considerando solo las áreas dentro de un radio de dos kilómetros alrededor de una subestación ferroviaria, la capacidad nominal instalable posible fue de 37,6 GWp, con un rendimiento energético potencial anual de 32.920 GWh. En comparación, la demanda total de electricidad para las operaciones de trenes fue de unos 7.500 GWh en 2023.

Inversores desarrollados para la inyección directa

Dado que la red ferroviaria opera a una frecuencia de 16,7 Hz, en lugar de los 50 Hz de la red pública, el socio del proyecto Vensys Elektrotechnik GmbH desarrolló un inversor central con una capacidad de 2 MW, dividido en dos partes de potencia simétricas de 1 MW cada una. Una de estas partes fue probada en el laboratorio multimegavatio del Fraunhofer ISE, alcanzando una eficiencia del 96,6 % (incluyendo el autoconsumo para refrigeración, etc.).

Fraunhofer ISE también desarrolló normativas para la operación de los inversores con formación de red (grid-forming) en la red ferroviaria.

Para la conexión, el equipo consideró diversas configuraciones según el tamaño de la instalación. Los sistemas más pequeños, de hasta 5 MW, pueden inyectar directamente en la catenaria. Las instalaciones de hasta 12 MW se conectan a las subestaciones a través de la barra colectora (busbar), una variante que presenta las menores diferencias en costes de LCOE respecto a los sistemas de 50 Hz. Para los sistemas más grandes, de hasta 40 MW, generalmente debe construirse una subestación dedicada con transformador y estación de conmutación para conectarse a la red ferroviaria de 110 kV.

Hasta ahora, los sistemas fotovoltaicos conectados a la red ferroviaria en Alemania se limitan a iniciativas piloto. En Austria, sin embargo, ya se han puesto en funcionamiento varios sistemas con una capacidad superior a 10 MWp en la red. No obstante, las condiciones de conexión de red en ÖBB difieren de las de Deutsche Bahn.

Debido a los requisitos operativos de la red eléctrica ferroviaria y a la compatibilidad de los inversores con la tecnología de control y seguridad, Deutsche Bahn solo puede utilizar inversores con capacidad de formación de red (grid-forming). Este comportamiento ya ha sido probado en un entorno de simulación por los investigadores de Fraunhofer ISE y podría implementarse en un proyecto posterior.