Universidad Pontificia Bolivariana propone acciones de movilidad eléctrica sostenibles

Tomás Porras Naranjo, de 23 años, es ingeniero electricista de la Universidad Pontificia Bolivariana (UPB) y estudiante de primer semestre de la Especialización en Sistemas de Transmisión y Distribución de Energía en la misma institución.

“Me vinculé al Grupo de Movilidad Eléctrica de la UPB en el año 2022, cuando era estudiante de pregrado. Allí realicé mi práctica profesional, participando en el diseño, instalación y pruebas del Sistema de Compensación en Corriente Directa con Ultracapacitores para el Metro de Medellín, el cual es una de las soluciones más novedosas en torno a la estabilidad y eficiencia energética en sistemas de tracción eléctrica en corriente directa. Desde entonces he participado con el grupo de investigación en diversos proyectos de movilidad eléctrica en la ciudad de Medellín y, más recientemente, en estudios eléctricos para la entrada en operación del Tren Maya, en México”, afirma Porras Naranjo.

La UPB, a través de este exitoso grupo de investigación, ha sido fuente de conocimiento y nuevos retos en torno a la consolidación de los sistemas de tracción eléctrica a nivel nacional e internacional, para la comunidad académica en el departamento de Antioquia.

En los últimos años, expertos han dejado en claro que la movilidad eléctrica es el camino hacia el futuro. Según el ingeniero Tomás Porras, “las crecientes necesidades de movilidad a nivel global, son una oportunidad para implementar sistemas de transporte con tracción eléctrica, como tranvías, trolebuses o metros, los cuales, además de ser energéticamente más eficientes que los sistemas de combustión interna (gas, diesel), son amigables con el medio ambiente y son un aporte esencial en la lucha contra el cambio climático”.

Agrega que “a futuro, veremos cómo este tipo de soluciones se vuelven cada vez más comunes, no solo en los sistemas masivos de transporte, sino en la cotidianidad de las personas”. Además, esta es un área que, por su crecimiento y dinamismo, requiere de cada vez más ingenieros electricistas y electrónicos que pueden ser formados en Colombia, cuyo conocimiento es esencial para la investigación.

Andrés Emiro Díez Restrepo es profesor de Tomás Porras Naranjo y es la cabeza principal del grupo de investigación.

Ingeniero electricista de profesión y doctor en Ingeniería de la UPB, cuenta con amplia experiencia formulando y participando en proyectos de investigación en desarrollo e innovación con financiación pública y privada en las áreas de electrificación del sector transporte, vehículos eléctricos, conversión electromecánica de energía y calidad de la potencia.

La UPB hace parte de la Red de Movilidad sostenible del Cluster de Energía Sostenible, iniciativa de la Cámara de Comercio de Medellín. Desde ahí, y de la mano de la Sociedad Antioqueña de Ingenieros y Arquitectos, el Metro de Medellín, la Promotora de Ferrocarril de Antioquia, participó en la creación del Hub Ferroviario, con el que se pretende fomentar las capacidades del país para producir bienes y servicios en torno a los proyectos ferroviarios, y en general, facilitar su implementación.

“Hacemos parte del Grupo de Investigación en Transmisión y Distribución de Energía Eléctrica, y estamos vinculados al Smart Energy Center, que es el espacio en la Universidad Pontificia Bolivariana donde conceptualizamos, desarrollamos y validamos soluciones l+D+i, para afrontar con éxito los retos de la transformación energética global”, explica Díez Restrepo.

Para ampliar este tema, EL TIEMPO conversó con el doctor Andrés Emiro Díez Restrepo.

¿Cómo ha sido el trabajo desarrollado entre la Universidad UPB y el Metro de Medellín?

Ha sido una colaboración muy amplia que comenzó con asesoría técnica en proyectos de estimación de la demanda de energía de la red multimodal de transporte (trenes, tranvías, cables aéreos y buses), la cual se consolidó con la participación conjunta en proyectos de Investigación y Desarrollo con Colciencias.

Ahora las capacidades que hemos desarrollado conjuntamente, nos han habilitado para comenzar a presentar servicios de consultoría especializada de manera conjunta, incluso por fuera del país.

Con el Metro de Medellín desarrollamos un Sistema de Compensación en Corriente Directa basado en Ultracapacitores, que permite una gestión inteligente de la energía regenerada por los trenes.

El método de operación del dispositivo resultó ser novedoso y ventajoso (seguridad y controlabilidad) respecto a los demás desarrollos similares, y recibió patente nacional. El prototipo se encuentra operando en la Estación de Pasajeros de Niquia, y, consideramos, debe comenzar pruebas exhaustivas para convertirlo un producto comercial y poderlo utilizar en otros sistemas ferroviarios de Latinoamérica, siendo también aplicable en redes de tranvías y trolebuses.

Este tipo de sistemas protege equipos al compensar las sobretensiones producidas en los frenados, y las subtensiones de los arranques simultáneos de trenes, al tiempo que ahorra energía, porque anteriormente, cuando la regeneración no puede ser aprovechada por otro tren, se disipa la energía en forma de calor en resistencias a bordo de los vehículos.

La clave de la operación es el uso de supercapacitores, sistema de almacenamiento de menor capacidad de energía que las baterías, pero de mucha mayor velocidad de carga-descarga y ciclos de vida. La Universidad Pontificia Bolivariana ya ha desarrollado supercapacitores propios y está trabajando en su escalamiento y mejora para llevarlos a un nivel de aprovechamiento en este tipo de aplicaciones.

¿Qué es la movilidad eléctrica y cuáles han sido los avances más significativos en Colombia?

La Movilidad Eléctrica comprende todo sistema o vehículo que tenga propulsión gracias a motores eléctricos, desde los ferrocarriles de levitación magnética hasta las bicicletas con asistencia eléctrica.

Provee soluciones desde la locomotora más potente del mundo para transporte de carga, hasta los patines eléctricos que se considera facilitan los viajes de última milla. Sin embargo, la micromovilidad no debería competir con los sistemas masivos públicos de accesibilidad universal, sino complementarla.

Por los volúmenes de energía y emisiones (de gases de efecto invernadero y contaminantes para la salud pública), nos hemos concentrado en la Movilidad Eléctrica masiva, que tienen su mejor expresión en las redes multimodales de transporte, en donde cada modo es un complemento, y no una competencia, y que, en conjunto con el sistema colectivo de buses, debe constituir un macro-sistema de movilidad pública con los mayores niveles posibles de integración tarifaria, física, tecnológica y ojalá, energética.

También consideramos fundamental el segmento de transporte de carga y de paqueteo urbano, en donde hemos podido colaborar con algunas de las importantes iniciativas que han permitido avances importantes en la penetración de este tipo de vehículos en Colombia. En este segmento crítico, por lo que representan estos vehículos típicamente de diésel en contribuciones de material particulado fino y ultrafino, ya hay una amplia oferta de camiones y tractocamiones eléctricos, y centenares de vehículos en operación.

Finalmente, aunque en menor prioridad, nuestros trabajos en torno a los vehículos particulares se han enfocado en la pedagogía de sus ventajas operativas y ambientales, el desmonte de mitos, especialmente en aquellos relativos a las dificultades que representa la topografía del país, cuando -por el contrario- la capacidad de torque y el frenado regenerativo de los motores eléctricos es determinante para que en terrenos quebrados se acentúen las ventajas de los vehículos con tracción eléctrica respecto a los de combustión.

Recientemente, (posiblemente motivado por la creciente oferta de vehículos eléctricos en el mercado colombiano a precios competitivos), se ha exagerado el impacto ambiental de la producción de las baterías de litio, generando la sensación de que esta tecnología es un “lavado verde” y que el impacto ambiental termina siendo peor que el de un vehículo tradicional. Nada más alejado de la realidad, incluso en los países con las redes eléctricas más contaminantes, los vehículos eléctricos tienen un ciclo de vida de menor emisión que los mejores vehículos de combustión.

 En Colombia, con nuestra red de baja emisión por su predominio hidroeléctrico, estas ventajas son todavía más amplias.

¿Qué asesorías ha realizado la UPB a otros países en materia de transporte público eléctrico?

Entre las capacidades desarrolladas que ya están al servicio de Colombia, se encuentran las simulaciones detalladas de la operación, señalización y sistema de suministro de energía de los sistemas multimodales de transporte, para el dimensionamiento de las redes de suministro de energía y de recarga de vehículos, cuando sea el caso.

Este servicio ha sido ampliamente validado en los cálculos de expansión de flota de trenes e incorporación de nuevas líneas como el Tranvía de Ayacucho con sus cables aéreos anexos; además del Cable Aéreo de Picacho. En nuestro país, ya se ha apoyado a la promotora del Ferrocarril de Antioquia y a las empresas que están diseñando el Regiotram de Occidente.

Ahora bien, en el mundo, se ha apoyado la electrificación de una línea férrea en México incluyendo un estudio de Compatibilidad Electromagnética. Este caso es significativo porque el sistema de electrificación en alto voltaje y corriente alterna (2 X 25 kV) es el predominante en las líneas de alta velocidad modernas y podría ser utilizado en los próximos proyectos ferroviarios del país de larga distancia.

Otro estudio muy importante fue el que prestamos a la Agremiación de Constructores de la Industria Eléctrica de San Francisco, California (San Francisco Electrical Construction Industry). Ellos nos aron porque descubrieron que una de nuestras publicaciones científicas presentó un método para planificar la electrificación de rutas de buses de alta demanda de pasajeros, utilizando recarga en movimiento de baterías bajo la plataforma de los trolebuses convencionales.

Consideran equivocados los planes que tiene la agencia de transporte municipal de no comprar más trolebuses y desmontar las líneas aéreas de o (en este caso mal llamadas catenarias), para cambiarlos por buses de batería de recarga en depósito. Por lo tanto, querían un análisis más profundo que incluyera la recarga en movimiento como alternativa posible.

Lo que se encontró los dejó supremamente complacidos, pues no solo es recomendable mantener el sistema con trolebuses, sino que también la infraestructura existente puede apalancar la electrificación de las rutas más importantes que son operadas con buses híbridos diésel-eléctricos.

Se encontró que solo incrementando la electrificación en un 30 %, la flota de buses con cero emisiones podría duplicarse, gracias a que los nuevos buses de recarga en movimiento aprovecharían parte de la infraestructura existente para recargar sus baterías, mientras prestan el servicio.

Posterior a la entrega del estudio y su presentación oficial a la agencia de transporte, la decisión de la suspensión de la operación de los trolebuses fue reversada en noviembre de 2023, y se comenzaron pilotos con nuevos buses con tecnología de Recarga de Baterías en Movimiento (IMC, por sus siglas en inglés), convertidos a partir de la flota actual de trolebuses, mediante la implementación de una batería de mayor capacidad de la anterior, y el sistema respectivo para recargar en movimiento, usando los pantógrafos o “troles” del autobús.

La experiencia de San Francisco tiene inmediata aplicación en Colombia, porque si bien ya hay una amplia experiencia, especialmente en Bogotá, de buses eléctricos operando en el transporte colectivo, la alternativa de recarga en movimiento es la ideal para el caso de las operaciones troncales con buses articulados y biarticulados, y en general para los denominados sistemas de Buses de Transito Rápido cuyo gran arquetipo es Transmilenio.

Como se ha probado en el Metro de Medellín, la vida útil de estos equipos e infraestructura es superior a los 30 años. Los biarticulados eléctricos que ya operan desde hace más de 20 años en las capitales suizas deberían tener su aplicación en los sistemas BRT colombianos, eso sí, ensamblados en Colombia. Lo que hemos observado es que a través de IMC se lograría reducir la tarifa técnica de los sistemas de buses masivos del país.

En el caso norteamericano, la decisión tomada por San Francisco parece haber tenido un efecto favorable en otras ciudades como Vancouver y Filadelfia, cuyas agencias han hecho manifestaciones de interés para iniciar procesos de renovación de sus flotas de trolebuses.

¿Cómo aporta la Energía Eléctrica a la conservación y protección del medio ambiente?

La electricidad es la forma más versátil, cómoda, eficiente y segura de energía para las actividades humanas a todo nivel, desde la fuerza motriz de la industria y la movilidad eléctrica, hasta para los microscópicos dispositivos que sirven de interfaz entre los computadores y el cerebro.

Podría argumentarse que su única desventaja es su dificultad de almacenamiento, pero tecnologías modernas como las baterías de iones de litio y los supercapacitores están contribuyendo rápidamente a cerrar esa barrera, y por eso podemos disfrutar de todo tipo de dispositivos móviles, y a mayor escala, carros, autobuses y hasta ferrocarriles.

En términos de almacenamiento, la electricidad permite la producción de hidrógeno verde, y su posterior reconversión en celdas de combustible. El hidrógeno es un vector de mayor facilidad de almacenamiento, pero no puede ser transmitido a velocidades cercanas a la de la luz, miles de kilómetros con pérdidas menores, como se hace con la electricidad, a través de las líneas de transmisión.

La red eléctrica es la que permitirá la incorporación de grandes volúmenes de energías renovables no convencionales, propósito fundamental para la descarbonización.

¿De qué manera la energía eléctrica ayuda a potenciar la economía del país?
La energía eléctrica ha sido pilar de la economía del país. Además de las ventas de energía, el sector de eléctrico representa para Colombia un motor de pujanza, de buenas prácticas, de emprendimientos ejemplares, que ha brillado en lo público y lo privado.

Empresas transnacionales como los grupos ISA y EPM son referentes de talla mundial. El sector ha apalancado los servicios de acueducto y alcantarillado en gran parte del país, así como también las redes de telecomunicaciones y el servicio de gas natural.

En estos momentos el sector eléctrico facilita la transición energética promoviendo e implementando proyectos de generación con fuentes de energía renovables no convencionales, favoreciendo su incorporación e integración a través de nuevas líneas de transmisión y equipos de alta tecnología que permiten mejorar el control de altos volúmenes de energía.

El sector jalona la diversificación energética del sector transporte, especialmente, a través de incrementar la oferta de modos masivos cero emisiones (trenes, tranvías, cables aéreos, buses eléctricos), y promueve la adopción del vehículo eléctrico especialmente con el incremento de la oferta de recarga pública.

Asimismo, el sector eléctrico es uno de los principales líderes en pilotos de hidrógeno verde, y en el análisis y comprensión de las aplicaciones en donde presenta oportunidades en Colombia.

Respecto al sector manufactura e industrial, se destacan grandes fabricantes de equipos eléctricos y electrónicos que son exportados de manera exitosa a mercados en toda América. Se destacan los transformadores, elemento fundamental para las subestaciones de alimentación, tracción y recarga de las redes multimodales de transporte.

La limpieza de la energía producida en Colombia, permite que los proyectos de sustitución de combustibles fósiles en por electricidad, tengan amplios márgenes de reducciones de gases de efecto invernadero.

Aunque en la recién pasada coyuntura de sequía tuvieron que ser suspendidas temporalmente las exportaciones de energía a Ecuador, si el país logra consolidar sus planes de incorporación de fuentes de energía renovable no convencionales, y vuelve a construir proyectos hidroeléctricos (satanizados de manera equivocada), puede convertirse en un gran exportador de energía para Ecuador, Venezuela y Centro América, pero para esto también se necesita acelerar la interconexión con Panamá.

La hidroelectricidad ha sido fundamental para la economía del país, para la producción limpia de energía, pero al mismo tiempo, ha aportado de manera invaluable a la preservación de cuencas hídricas esenciales para el abastecimiento de agua.

El país está lleno de proyectos hidroeléctricos que turbinan antes del acueducto, sin dicotomías entre sed y energía. Al contrario, los embalses responsablemente construidos (con bajas áreas embalsadas en proporción a la energía), cuyas emisiones de reservorio pueden obviarse, y pensados para la mitigación de los impactos del cambio climático, como guardar agua dulce para las sequias, evitar la desertificación, y regular las crecientes, serán obligatorios para enfrentar las cada vez peores fluctuaciones climáticas.

Al contrario de lo que se ha afirmado, los desarrollos hidroeléctricos como la cadena del Porce e Hidroituango, han regulado la llegada de agua a la Mojana en las últimas crecientes. Sin ellos las inundaciones y las tragedias sería peores.

La generación hidroeléctrica a menor y pequeña escala (centrales a “filo de agua”, micro-centrales, pico centrales) también puede ser un gran motor económico disperso en las regiones con enorme potencial en toda la Región Andina. Las turbinas hidrocinéticas modernas también permiten que los ríos de los Llanos y la Amazonia se conviertan en productores de electricidad limpia, amigable con la fauna y el ambiente.

Las microrredes eléctricas serán fundamentales para garantizar servicios públicos de calidad en zonas no interconectadas, y la digitalización del sector eléctrico será la punta de lanza para para la infraestructura. La cuarta revolución industrial está llegando al sector industrial de la mano con las empresas dedicadas a distribución y uso final de la energía eléctrica, desde la medición inteligente necesaria para los denominados prosumidores (s que consumen, pero también generan), la analítica de datos y la inteligencia artificial se están utilizando para la detección, categorización de pérdidas, apoyando los sistemas de gestión para la eficiencia energética, la gestión de mantenimiento entre muchos otros campos.

El hogar eléctrico terminará imponiéndose progresivamente a medida que se adaptan los nuevos fogones y calentadores de inducción cuya eficiencia energética ya duplica a los de gas natural. De manera similar, en la gran industria, muchas de las calderas de carbón y gas serán sustituidas por calderas eléctricas, cuando se consolide un sistema de generación de energía limpia, económica, abundante y de buenos precios.

Los industriales podrán preferir la generación de calor con electricidad, cuando se haga insostenible las cada vez más exigentes normativas de emisiones, especialmente para factorías que quedaron rodeadas de un entorno urbano. También se tendrán en cuenta las dificultades de manejo de los combustibles, la disposición de las cenizas, en el caso del carbón, su transporte y logística, sumado a los altos costos de mantenimiento de los sistemas de chimeneas y control de emisiones, contra los bajos costos y la simplicidad de los sistemas eléctricos. Se necesitan enormes márgenes de energía limpia para poder viabilizar las aplicaciones con hidrógeno verde.

Finalmente, la electrificación de los sistemas de buses de transito rápido, y de muchos de los sistemas de buses colectivos va a permitir reducciones notables en el consumo de diésel de alta calidad que podrá ser utilizado en otros segmentos, como el transporte de carga, y podría favorecer que aumenten excedentes para la exportación de petróleo.

Algo similar pasaría con el gas natural. Cuando los buses sean renovados por eléctricos, los ahorros de este combustible podrían ser destinados a otros usos de mayor eficiencia como la generación de electricidad, reduciendo la presión sobre las reservas.

Las consecuencias de este cambio en la canasta energética del sector transporte tendría además consecuencias de gran importancia en términos de salud pública, porque, aunque no son los grandes emisores netos de material particulado en las ciudades, los buses a combustión tienen un impacto notable en la calidad del aire en los corredores en que operan y en los s.

¿La UPB ha asesorado también a la Empresa Metro Bogotá para la construcción de este sistema de transporte en la capital?

La UPB ha aportado egresados a la empresa del Metro de Bogotá, pero no ha trabajado directamente todavía en ningún proyecto asociado. En su momento se efectuó la recomendación de modificar la tensión de suministro de energía a los trenes de 750 V a 1500 V, y pasar de alimentación por tercer riel a catenaria, justo como se hace de manera muy exitosa en el Metro de Medellín.

Aunque la recomendación no fue tenida en cuenta para la Línea 1, en la Línea 2 ya se ha definido que se utilizará 1500 V, un voltaje más apropiado que 750 V para operaciones ferroviarias intensivas.

¿En qué otros proyectos de investigación sobre energía eléctrica se encuentra trabajando la UPB?

Recientemente terminamos el proyecto Energética 2030, en donde en conjunto con los aliados universitarios (EAFIT y EIA) desarrollamos una embarcación eléctrica ya probada en embalses en Antioquia, con enorme potencial contribuir para la solución de transporte público fluvial en el país, e incluso, para soluciones de transporte público en ciudades costeras como Barranquilla, Cartagena y Santa Marta.