El Futuro de la Carga Ferroviaria: Autopropulsión para la Última Milla
La transformación del sector del transporte ferroviario hacia sistemas más sostenibles y automatizados encuentra un pilar fundamental en el proyecto TRANS4M-R, enmarcado en el programa Horizon Europe. El objetivo principal de esta evolución tecnológica es convertir el transporte de carga en un sistema eficiente de bajas emisiones mediante el desarrollo de vagones autopropulsados capaces de realizar tareas de última milla de manera autónoma. Para garantizar la viabilidad de esta transición, es necesario realizar un dimensionamiento preciso del sistema de propulsión eléctrica a través de simulaciones avanzadas que consideren los escenarios operativos más exigentes, como la resistencia en curva y el consumo energético en trayectos reales.
Metodología de modelado y herramientas de simulación
El desarrollo técnico se fundamenta en el uso de Simpack, una herramienta de referencia para la dinámica de cuerpos rígidos. A partir de un modelo base de vehículo de pasajeros, se ha realizado una adaptación estructural completa para representar un vagón de carga rígido de 72 toneladas y 16.59 metros de longitud. Con el fin de maximizar la simplicidad mecánica del diseño, el modelo asigna el par motor a solo uno de los cuatro ejes disponibles, lo que resulta suficiente para satisfacer los requisitos de potencia tractiva en las velocidades de operación consideradas.
Debido a que el modelo base no incluía factores de fricción externos, se ha procedido a la creación manual de elementos de fuerza específicos dentro del entorno de simulación para representar la resistencia aerodinámica y la resistencia a la rodadura. Para la resistencia aerodinámica, se han integrado fórmulas que consideran un área de sección transversal de 9.3695 m² y coeficientes de arrastre basados en la longitud total del vagón. En cuanto a la rodadura, se han aplicado coeficientes dependientes de la condición de la vía y una carga por eje de aproximadamente 207 kN. Adicionalmente, se ha aplicado un factor de rigidez de guiñada (yaw stiffness) para evaluar cómo la rigidez de la suspensión primaria y secundaria multiplica la resistencia al avance en tramos curvos.
Simulación en escenarios de alta demanda
La verificación de las capacidades del sistema se ha realizado mediante la simulación de una ruta de 10 kilómetros diseñada con exigencias máximas. Este trayecto incluye gradientes de hasta el 1.5% y curvas con radios mínimos de 100 metros, que representan las condiciones más críticas en terminales logísticas. Durante la ejecución de estas pruebas, se ha limitado la fuerza de tracción máxima a 16 kN, respetando los límites de adherencia disponibles (establecidos en 0.2) para evitar el deslizamiento de las ruedas.
El análisis de los resultados obtenidos en las simulaciones permite observar que la resistencia en curva aumenta de forma exponencial al reducirse el radio de la vía, siendo este factor, junto a los gradientes, el que domina el par motor requerido. Para superar el escenario más restrictivo —una curva de 125 metros de radio en una pendiente del 1%— se ha determinado que el motor debe ser capaz de suministrar una potencia neta de 107.1 kW, considerando una eficiencia eléctrica estándar del 83%. Este nivel de potencia asegura el mantenimiento de una velocidad constante de 20 km/h incluso en las secciones más desfavorables del trazado.
Lógica de dimensionamiento energético y capacidad de batería
Para la incorporación del sistema de almacenamiento de energía, se ha seguido una lógica de diseño que prioriza la vida útil de los componentes, aplicando una restricción de carga operativa situada entre el 20% y el 80% de la capacidad total. El consumo energético registrado en el trayecto de 10 km es de 11.5 kWh. Aplicando el margen de seguridad de carga mencionado, se establece que la batería requiere una capacidad total de 19.17 kWh para operar de manera autónoma sin comprometer su integridad a largo plazo.
Un aspecto técnico diferencial en este análisis es la evaluación del potencial del frenado regenerativo. A través del par negativo producido por el sistema de frenado, se ha identificado que es posible recuperar hasta 3.41 kWh en un escenario ideal. La integración de esta tecnología permite reducir el dimensionamiento de la batería hasta los 14.15 kWh, lo que supone una optimización del 25% en la capacidad requerida. Esta reducción tiene un impacto directo en la sostenibilidad del diseño, disminuyendo tanto el peso muerto del vagón como los costes de fabricación de los sistemas de almacenamiento.
En términos de densidad energética, los cálculos arrojan un valor de 0.227 kWh/t sin considerar la regeneración, cifra que se reduce a 0.167 kWh/t con el sistema implementado. Estos valores demuestran que el vagón autopropulsado opera con una potencia específica de 1.27 kW/t, significativamente inferior a los 2-3 kW/t que requiere habitualmente un tren de carga eléctrico convencional. Esta eficiencia confirma la viabilidad de la construcción de unidades autónomas capaces de integrarse en las cadenas logísticas europeas de bajas emisiones.