Trolleybuses in Smart Grids as effective strategy to reduce greenhouse emissions

Trolebuses en redes inteligentes como estrategia eficaz para reducir las emisiones de gases de efecto

A. E. Dez, I.C. Diez, J.A Lopera,A. BohorquezUPBMedelln, Colombiaandres.diez@upb.edu.coE. Velandia , A.AlbarracinCODENSA SA.ESPBogot, Colombiaevelandia@endesacolombia.com.coaalbarracin@endesacolombia.com.coM.RestrepoCIDETMedelln, Colombiamauricio.restrepo@cidet.org.co

Abstract this paper analyses the need of reintroduce electrictransportation systems in countries that abandoned these modesand brings a methodology to assess the effectiveness of theelectrification in terms of global warming mitigation. Thepotential interaction of grid connected vehicles and Smart Gridsis presented among some ideas related to features that could bedeveloped for massive transportation systems based on electrictraction. As will be presented, Smart Grids could help toaccelerate the electrification of transportation systems and theelectrification could be used to accelerate the introduction ofSmart grids. As reference cases in Colombia and Ecuador will betaken.Keywords-component; Air pollution, Electric Vehicle,Trolleybus, Smart Grids, Transport sector Electrification.

Resumen- Este artculo analiza la necesidad de reintroducir elctricalos sistemas de transporte en los pases que abandonaron estos modosy trae una metodologa para evaluar la eficacia de laelectrificacin en trminos de mitigacin del calentamiento global. lainteraccin potencial de los vehculos conectados a la red y las redes inteligentesse presenta entre algunas ideas relacionadas con caractersticas que podran serdesarrollada para los sistemas de transporte masivo basado en elctricatraccin. Como se presentar, Smart Grids podra ayudar aacelerar la electrificacin de los sistemas de transporte y laelectrificacin podra ser utilizado para acelerar la introduccin deLas redes inteligentes. Dado que los casos de referencia en Colombia y Ecuador serntomado.Palabras clave-componente; La contaminacin del aire, Vehculo elctrico,Trolebs, Smart Grids, sector Transporte Electrificacin.

I. INTRODUCTION: WHY ELECTRIFY TRANSPORT SECTORLatin-American as United Stated had an extensive networkof trams and trolleybuses until the decade of 1950s whenmostly of these system were dismantled. Is infamous the caseof National City Lines constituted by General MotorsCorporation (GMC), Firestone and Esso Oil Company, with acommon goal: the elimination of the electrical transportsystems in United States cities, especially the network oftrams and commuter trains, to make way for buses and carswith Internal Combustion Engines (ICE), as manyexperts[1][2][3] pointed out. These electrical transport systemsprovided services of recognized quality and popularacceptance, but afterward they were marked as obsolete andinflexible, while the obvious drawbacks of the InternalCombustion Engines (ICE) buses were ignored. This wave ofanti-development quickly spread to Latin America, wheremajor cities had, by the decade of 1950, intricate networks oftrams and trolleybuses, that were rapidly dismantled as areflex of United States (USA). Colombia was not anexception, by 1960, all trams and trolleybus lines of Medellinended into the history. In Bogot also the streetcar lines werereplaced by buses lines and only few trolleybus lines surviveduntil 1991. Nowadays both cities present high pollution levels,over the concentration recommended by experts, greatly dueto the effect of the public transportation buses [4][5], andrespiratory diseases are the principal illness that affect thecitizens.Among the advantages of transportation based on electrictraction could be cited:Reduction of total energy consumption for their majorefficiency.Oil products substitution and the possibility of use ofrenewable energy trough the grid.Reduction of noise levels, because electric vehicles areby fare quieter than the other buses.Reduction of pollutant that affects the health, becauseof the unique feature of zero emissions on street.Increase of the comfort, because electric buses haveless vibration and finest acceleration.In countries where generation systems are based inplants with low emission of greenhouse gases(prevalence of hydro, wind, nuclear, etc), theelectrification is an effective way to mitigate the globalwarming.

I. INTRODUCCIN: POR QU electrificar SECTOR TRANSPORTELatinoamericano como indicado unido tena una extensa redde tranvas y trolebuses hasta la dcada de los aos 1950 cuandomayora de estos sistemas fueron desmantelados. Es infame el casode National City Lines constituidas por General MotorsCorporation (GMC), Firestone y Esso Oil Company, con unobjetivo comn: la eliminacin del transporte elctricosistemas en las ciudades de Estados States', especialmente la red detranvas y trenes de cercanas, para dar paso a los autobuses y cochescon motores de combustin interna (ICE), como muchosexpertos [1] [2] [3] seal. Estos sistemas de transporte elctricoprestaron servicios de calidad reconocida y popularaceptacin, pero despus de que se han marcado como obsoleto yinflexibles, mientras que los inconvenientes obvios de la internaFueron ignoradas Motores de Combustin (ICE) autobuses. Esta ola de"Anti-desarrollo" rpidamente se extendi a Amrica Latina, dondeprincipales ciudades tenan, por la dcada de 1950, las redes intrincadas detranvas y trolebuses, que fueron desmanteladas rpidamente comoreflejo de Estados Unidos (EE.UU.). Colombia no era unaexcepcin, para 1960, todos los tranvas y lneas de trolebuses de Medellntermin en la historia. En Bogot tambin las lneas de tranvas eranreemplazado por lneas de autobuses y slo unas pocas lneas de trolebuses sobrevividohasta 1991. Hoy en da ambas ciudades presentan altos niveles de contaminacin,respecto a la concentracin recomendada por los expertos, en gran medida debidoal efecto de transporte pblico autobuses [4] [5], yenfermedades respiratorias son la enfermedad principal que afecta a lalos ciudadanos.Entre las ventajas de transporte basados en elctricatraccin podra citarse:Reduction del consumo total de energa para su importantela eficiencia.Productos Oil sustitucin y la posibilidad de uso deenerga renovable Trough la red.Reduction de los niveles de ruido, ya que los vehculos elctricos sonpor tarifa ms tranquilo que los otros autobuses.Reduction de contaminante que afecta la salud, porquede la caracterstica nica de cero emisiones en la calle.Increase de la comodidad, porque los autobuses elctricos tienenmenos vibracin y mejor aceleracin.In pases donde los sistemas de generacin se basan enplantas con baja emisin de gases de efecto invernadero(Prevalencia de la hidrulica, elica, nuclear, etc.), laelectrificacin es una manera eficaz para mitigar el mundialcalentamiento.

II. BUSES RETURN TO GRIDBus Rapid System BRT-, is a bus-based system withmany physical and operational elements that brings highercapacity, better performance and a stronger image than regularbuses [1], has gained notability because of its much lowerinfrastructure cost involved, compared to systems likeSubways or Metros. BRT systems could be the key to amassive return of the buses to the grid, representing animportant step to the electrification of transportation sector;typical BRT features are exclusive or preferential bus lanes,defined stations and pre-boarding payment, programmedschedule and high frequency dispatch. These features facilitatethe operation of electric trolleybuses because they solve orminimize the major disadvantage of this kind of electricvehicles: inflexibility due to the connection to the overheadline.Bogota`s BRT system is called Transmilenio and nowadaysit transports around a million people daily through 84 km ofdedicated bus lanes. Transmilenio has become a reference tofollow in the whole country, and other Latin-American cities.Electric traction was not considered for the buses and instead,diesel technology was selected, despite the Colombian hydropower predominance. On the other hand, the trolleybus hasbeen successfully introduced into BRT systems in the cities ofQuito and Merida (Ecuador and Venezuela), but despite thesegood experiences, it seems that they are been ignored in newsystems all around the world. Only in few cases as Castelln(Spain), Lyon (France) and Bologna (Italy), BRT approachesare using Trolleybuses.Figure 1. On BRT operation visual impact of the overhead line is reduced. Upleft Mrida (Ven), Upright Bologna (Ita), DownrightCastelln (Sp). Picturesfrom Tbus.org, Trolleymotion.org and Merida 360o.To get an idea of the amount of energy and emissionsavings involved in this kind of systems, the case of TroleQuito will be analyzed to conclude that is far more convenientuse the money to promote electrification of transport system incountries like Colombia or Ecuador (with low emission grids),that grant electric cars in countries like United Kingdom(emission factor 0.45 ton/MWh) where coal still have animportant share in the energy mix.

II. AUTOBUSES VUELVEN A GRIDBus Rapid System -BRT-, es un sistema basado en el autobs conmuchos elementos fsicos y operacionales que trae mayorcapacidad, mejor rendimiento y una imagen ms fuerte que normalautobuses [1], ha ganado notoriedad por su mucho menorcoste de la infraestructura involucrada, en comparacin con sistemas comoSubways o Metros. Sistemas BRT podran ser la clave para unaretorno masivo de los autobuses a la red, lo que representa unpaso importante para la electrificacin del sector del transporte;caractersticas tpicas de BRT son carriles exclusivos o preferenciales de autobuses,estaciones definidas y el pago de preembarque, programadoshorario y alta frecuencia de envo. Estas caractersticas facilitanel funcionamiento de los trolebuses elctricos porque resuelven ominimizar el principal desventaja de este tipo de elctricavehculos: inflexibilidad debido a la conexin a la sobrecargalnea.Bogota`s sistema BRT es llamado Transmilenio y en la actualidadtransporta alrededor de un milln de personas todos los das a travs de 84 kilometros decarriles bus dedicados. Transmilenio se ha convertido en una referencia aseguir en todo el pas, y en otras ciudades de Amrica Latina.La traccin elctrica no se consider para los autobuses y en su lugar,tecnologa diesel fue seleccionado, a pesar de la hidroelctrica colombianapredominio de potencia. Por otro lado, el trolebs tieneha introducido con xito en sistemas BRT en las ciudades deQuito y Mrida (Ecuador y Venezuela), pero a pesar de estosbuenas experiencias, parece que se han olvidado en nuevosistemas de todo el mundo. Slo en pocos casos como Castelln(Espaa), Lyon (Francia) y Bolonia (Italia), los enfoques de BRTestn utilizando trolebuses.La Figura 1. En la operacin BRT impacto visual de la lnea area se reduce. Arribaizquierda Mrida (Venezuela), Upright Bolonia (Ita), DownrightCastelln (Sp). Imgenesdesde Tbus.org, Trolleymotion.org y Mrida 360o.Para tener una idea de la cantidad de energa y de emisionesahorros implicados en este tipo de sistemas, el caso de TroleQuito ser analizada a la conclusin de que es mucho ms convenienteutilizar el dinero para promover la electrificacin del sistema de transporte enpases como Colombia o Ecuador (con rejillas de baja emisin),que los coches elctricos de subvenciones en pases como Reino Unido(Factor de emisin de 0,45 ton / MWh) donde el carbn todava tienen unparte importante en el mix energtico.

III. MEASUREMENT OF THE EFFECTIVENESS OF GRANTSThe effectiveness of the grants to reduce greenhouseemissions cases could be assessed by the ratio between thelifetime tons of CO2 saved and the cost of the additionalinvestments to electrify a system. This methodology is used tocompare the grand for an electric car in the UK, against theinvestments required for trolleybus operation (instead ofdiesel) in Ecuador. As TABLE I presents, is about 65%cheaper to save greenhouse emissions supporting projects asthe Trolleybus of Quito.

TABLE IASSESSMENT OF EMISSION REDUCTION COSTAssumptions Electric Car (UK) Trolleybus (Ecuador)Annual distance (km) 20116 70000Lifetime (years) 10 20Lifetime emission (CO2 Tons) 52 2480Lifetime Grid emission (CO2 Tons) 20 800Lifetime saved emissions (CO2 Tons) 32 1680Differential cost to be Electric (USD) 9000 308000Emission Reduction Cost (USD/CO2Ton)281 183

To assess the national impact of the strategy of electrifyingcurrent BRT systems in Colombia, the scenario of highpenetration of electric transport based on BRT systems inColombia is presented in TABLE II. This scenario considersthe implementation of electric BRTs in all cities with morethan 300.000 inhabitants and the conversion of all current andplanned system.The effect on secondary energy consumption has beenchosen because reflects directly the substitution of oil productsfor electric energy. Secondary energy consumption used is thedeclared by Energy Ministry in 2006 [6].

TABLE IELECTRIFICATION IMPACT IN COLOMBIA, HIGH PENETRATIONBefore(Tcal)After(Tcal) ChangeSecondaryEnergyconsumptionsOil products 92.221 85.517 -7,3%Electricity 34.937 36.583 4,7%Others 23.330 23.330 0,0%Total 150.488 145.429 -3,4%Reduction of diesel consumption 15,1%CO2 Reduction (national) 4%

III. MEDICIN DE LA EFICACIA DE LAS SUBVENCIONESLa eficacia de las subvenciones para reducir los gasescasos de emisiones podran ser evaluados por la relacin entre eltoda la vida de toneladas de CO2 ahorrada y el costo de la adicionalinversiones para electrificar un sistema. Esta metodologa se utiliza paracomparar el gran para un coche elctrico en el Reino Unido, contra elinversiones necesarias para el funcionamiento del trolebs (en lugar dediesel) en Ecuador. Como La Tabla I presenta, es de aproximadamente 65%ms barato para ahorrar emisiones de efecto invernadero como el apoyo a proyectosel Trolebs de Quito.

TABLA IEVALUACIN DEL COSTO DE REDUCCIN DE EMISIONESSupuestos Coche elctrico (Reino Unido) Trolebs (Ecuador)Distancia anual (km) 20.116 70.000Por vida (aos) 10 20Emisin de por vida (Toneladas de CO2) 52 2480Emisin de la red de por vida (Toneladas de CO2) 20 800Emisiones por vida salvado (Toneladas de CO2) 32 1680Costo diferencial sea elctrico (USD) 9000 308000Emisin Costo de Reduccin (USD / CO2Ton)281 183

Para evaluar el impacto nacional de la estrategia de electrificacinsistemas BRT actuales en Colombia, el escenario de altapenetracin de transporte elctrico basado en sistemas BRT enColombia se presenta en la Tabla II. Este escenario considerala implementacin de los BRT elctricos en todas las ciudades con msde 300.000 habitantes y la conversin de todos los actuales ysistema planificado.El efecto sobre el consumo de energa secundaria ha sidoelegido porque refleja directamente la sustitucin de productos derivados del petrleopara la energa elctrica. El consumo de energa secundaria utilizada es ladeclarado por el Ministerio de Energa en 2006 [6].

TABLA IELECTRIFICACIN DE IMPACTO EN COLOMBIA, ALTA PENETRACINAntes(Tcal)Despus(Tcal) CambioSecundarioEnergaconsumosLos derivados de petrleo 92.221 85.517 -7,3%Electricidad 34.937 36.583 4,7%Otros 23.330 23.330 0,0%Total 150.488 145.429 -3,4%Reduccin del consumo de diesel 15,1%Reduccin de CO2 (nacional) 4%

IV. BATTERY OR GRID CONNECTED BUSES?One of the greatest barriers to introduce grid connectedvehicles in a city, (along with infrastructure costs), is the useof overhead lines, and then the use of battery, hydrogen, orany other technology that allow buses to operate without thepresence of poles, wires and all other accessories associated tooverhead lines, is always a temptation. However, there is notcommercial offer of articulated buses (18 m) with batterynowadays, mainly because the huge capacity that thosebatteries should have and their cost. For public service, vehicleoperation range is especially critic; because of batterysstorage capacity, small personal vehicles range is limited toabout 160 km. In average, a BRT vehicle has to be able tocover at least 250 km per day. Another important aspectappears when comparing the cost of the required batteries forvehicles with the cost of the required infrastructure to supplytrolleybuses; for example, USD 2340.450 is the estimatedcost of the 6.4 km extension of the Electric BRT of QuitoTrole Quito [7], this money just cover batteries for 90 smallparticular vehicles, if the reference cost of LiOn value givenby U.S Department of Energy [8] of USD 33.000 is taken.The same reference allocates a cost of USD 33.000(currently the cost of Li-Ion battery fluctuates between400 USD/kWh and 1200 USD/kWh) for an electrical vehiclebattery that consumes approx. 0,2 kWh/km. In order to have125 km of autonomy for this vehicle, a battery of 25 kWh isrequired. Quitos articulated trolleybus consumes around2,25 kWh/km, which means that the trolleybus must have abattery of at least 250 kWh to have 160 km range, bringing acost of more than USD 300.000. Overweigh of the bus is alsomatter of concern, for full range will be 4.5 tons by 2015,supposed to be reduced to 1.1 tons by 2030, remaining stillunpractical.This over cost puts the electrification infrastructure costequal to the cost of batteries for only 8 articulated buses, foran estimated life span of 4 years, if is charged-discharged ondaily basis.U.S. Department of Energy [8] also considers thatthe lithium batteries cost will be reduced to a third part by2015; if this optimist estimates are fulfilled, remains beeninsufficient for articulated buses.Batteries charge time is another critical aspect, should beperformed at night or a complex replacement logistic has to beimplemented. A charging infrastructure is required and hiscost do not differ much of the required one for trolleybusesoperation, considering that includes substations and rectifiers.Therefore, the installed capacity of trolleybuses is distributedalong the route, so its integration to the network is simpler andmore reliable.If fast charging systems (30 m to 5 m) are considered, theelectrical infrastructure cost remarkably rises; in this case thegrid has to be able to supply around 48 kW per car. Installedcapacity of Quitos trolleybus would be enough to supply justabout 480 personal vehicles at the same time, one each half anhour. By the other hand, in Quito, more than 250.000 peopleare mobilized in daily basis using the trolleybus system.Results of this analysis show that the battery technology iscurrently out of feasible options, if profitable operation iswanted [9], even considering a battery life span equal toconcession period, and a recharging infrastructure cost null.On the other hand trolleybus profitable operation underBRT scenario has been demonstrated in Quito and estimatedfor Colombian case by other studies [9].

IV. BATERA O conectados a la red AUTOBUSES?Uno de los mayores obstculos para introducir conexin a la redvehculos en una ciudad, (junto con los costes de infraestructura), es el usode lneas areas, y luego el uso de la batera, hidrgeno, ocualquier otra tecnologa que permiten a los autobuses que operan sin lapresencia de postes, cables y todos los dems accesorios asociados alneas areas, es siempre una tentacin. Sin embargo, no hayoferta comercial de los autobuses articulados (18 m) con la baterahoy en da, sobre todo por la enorme capacidad que losbateras deben tener y su coste. Para el servicio pblico, vehculorango de operacin es especialmente crtico; porque de la batera decapacidad de almacenamiento, pequea gama de vehculos personales se limita aa unos 160 km. En promedio, un vehculo BRT tiene que ser capaz decubrir al menos 250 kilmetros por da. Otro aspecto importanteaparece cuando se compara el coste de las bateras necesarias paravehculos con el costo de la infraestructura necesaria para el suministrotrolebuses; por ejemplo, USD 2'340.450 es la previstacosto del 6,4 kilometros de extensin del BRT Elctrica de Quito"Trole de Quito" [7], este dinero slo cubre las bateras de 90 pequeasvehculos particulares, si el costo de referencia de valor LiOn danpor el Departamento de Energa de Estados Unidos [8] de USD 33,000 se toma.La misma referencia asigna un costo de USD 33.000(Actualmente el costo de la batera Li-Ion flucta entre400 USD / kWh y 1.200 USD / kWh) para un vehculo elctricobatera que consume aprox. 0,2 kWh / km. Con el fin de tener125 kilometros de la autonoma de este vehculo, una batera de 25 kWh esrequerido. Quito articula trolebs consume alrededor2,25 kWh / km, lo que significa que el trolebs debe tener unabatera de al menos 250 kWh para tener 160 kilmetros de alcance, con lo que unacosto de ms de USD 300.000. Overweigh del autobs es tambinmotivo de preocupacin, para la gama completa ser de 4,5 toneladas en 2015,supone que se redujo a 1,1 toneladas en 2030, permaneciendo todavapoco prctico.Este costo ms pone el coste de la infraestructura de electrificacinigual al costo de las bateras slo 8 autobuses articulados, poruna vida til estimada de 4 aos, descargada-cargada si est enbasis.U.S diarias. Departamento de Energa [8] tambin considera queel costo bateras de litio se reducir a un tercio parte por2015; si se cumplen estas estimaciones optimistas, permanece sidoinsuficiente para los autobuses articulados.Las bateras se cargan el tiempo es otro aspecto fundamental, debe serrealizado en la noche o un complejo logstico de reemplazo tiene que serimplementado. Se requiere una infraestructura de recarga y sucosto no difiere mucho de la que se requiere para los trolebusesoperacin, teniendo en cuenta que incluye las subestaciones y rectificadores.Por lo tanto, la capacidad instalada de los trolebuses se distribuyea lo largo de la ruta, por lo que su integracin a la red es ms simple yms fiable.Si se consideran los sistemas de recarga rpida (30 m hasta 5 m), lacosto de la infraestructura elctrica se eleva notablemente; en este caso elrejilla tiene que ser capaz de suministrar alrededor de 48 kW por coche. Instaladocapacidad de trolebs de Quito sera suficiente para abastecer slocerca de 480 vehculos personales, al mismo tiempo, uno cada mediahoras. Por otra parte, en Quito, ms de 250.000 personasse movilizan en forma diaria mediante el sistema de trolebuses.Los resultados de este anlisis muestran que la tecnologa de la batera esactualmente fuera de las opciones viables, operacin rentable si esquera [9], incluso considerando una vida til de la batera igual aperodo de la concesin, y un costo nulo infraestructura de recarga.En la operacin rentable otro trolebs mano bajoEscenario BRT se ha demostrado en Quito y estimadopara el caso de Colombia por otros estudios.

V. SMART GRID VEHICLE FEATURESThe implementation of trams and trolleybuses has a lot ofadvantages in addition with the integration of Smart Gridtechnologies in a local grid, improving the performance incomparison with the traditional (V2G) initiatives. Some ofthese features are:A. Electrification of existing transportation system inestablished cities.Respect to current supply and demand concerns, withelectricity demand increasing, and in many casesinfrastructure under-investment, the reintroduction ofelectrical transportation modes in established cities representan additional challenge. In these cases demand management,efficient consumption and peak load shifting will be key, andso the Smart Grid as support.Fortunately small particular vehicles are intended for a nightcharge, when demand is low; and mass transportation systemspeak are slightly shifted of energy ones, but this wont bealways the case, and without intelligent systems, theinfrastructure could be insufficient in a short term.Mitigation of Power Quality disturbances occasioned by theconnection of massive transportation systems on weaknetworks is also a challenge; considering their high nonlinearand fluctuating characteristics, these represents a potentialsource of harmonic distortion, voltage fluctuations and flickerrespectively.The installed capacity of the new substations could be useduring nighttime to charge battery powered electrical vehiclesand minibuses. Electric battery minibuses could operate asfeeders of large BRT, tram or Metro systems, these buses aresmaller and usually require lower ranges. Energy sales couldhelp to a faster return of infrastructure investments.Coordinate planning of mass transportation systems, withdevelopment of charging station for Electric Vehicles isrecommended, considering optimization of infrastructure andenergy management.B. Management of regenerative EnergyRegenerative brake is one of the remarkable features ofelectric machines, impossible to be performed by an ICE. Infact, this is the key of the fuel economy of hybrid vehicles.When a grid connected vehicle is braking the electric energygenerated could be stored either in batteries or ultracaps, orcould be feedback to the grid where this energy could be usedby other vehicle, or even more, trough reversible substationscould be sent upstream, to other loads or users. This widespectrum allows reduce the dissipative braking usually inresistors- increasing the net efficiency of the system.Reversible substations are used currently in the metro ofBilbao, Spain. This substations includes a DC-AC converterthat allows send the regenerated energy to the AC networkwhen the DC system cannot receive this energy. Usually theconsumer consists in other vehicle starting. Smart Meter mustbe used when energy is feedback to the grid.In stationary energy storage case ultracapacitors haddemonstrated to perform very well for regenerative energy.Fixed in certain points of the route, and connected to theoverhead line through a converter, ultacapacitors allowsenergy storage when the network is not receptive; whenanother vehicle is demanding energy from the grid, theultracapacitor energy is taken, reducing network peak demand;this feature has been used in metros and commuter trains asDresden (2002), Madrid (2003) and Cologne (2003). Besidesenergy savings, a voltage control mode could be performed ina similar operation mode of static compensators.Onboard storage [10] devices allows both energy savingsand off-wire operation for some kilometers, but will dependon particular cases whether stationary or onboard applicationwill perform best, taking into account vehicle, network andoperative characteristics.A smart control could coordinate, supervise and optimize[11][12] the operation of the vehicles, to increase coincidencesbetween brakes and starts and then reducing dissipation onheat.To exemplify the potentials of this energy management, thecase of Metro de Medelln is presented. Fig. 2 presents the DCoverhead line voltage trend, as the speed of the vehiclechanges.Figure 2. Voltage and speed trends in Metro de Medelln in a test.Vehicle acceleration causes a voltage drop, anddeceleration, a voltage swell, when energy is feedback to thenetwork. However this process has to be cut down whenvoltage reaches 1800 V, and remain energy has to bedissipated in braking resistors.In a typical start-stop between two stations (500 m), the trainconsumes around 4.5 kWh (around 9 kWh/km), and almost0.5 kWh are dissipated in the braking resistor. This energycould be stored in ultracapacitors, for later use, helping tostabilize the DC voltage in addition. This dissipated energy isenough to propel an Electric Vehicle for more than 2 km.Fig. 3 put in the same graph the power taken from theoverhead line and the power dissipated in the braking resistor,the regenerative feedback to the overhead line is clearlyappreciated from 150 s, as the importance of the dissipatedpower is revealed.Figure 3. Overhead Line power and dissipated power in during test.C. Grid for buses, grid for usersAs electrification implies the installation of overhead lines,it would be interesting to think that this new lines could beused both for feed the electric transportation system and asdistribution network for users around the route. In thisconfiguration the distribution of electricity would be based ina two wire DC bus, and residential users could be suppliedtrough DC-AC inverters. Static Compensators based onultracapacitors controlled by converters (see Fig. 4), couldprovide voltage regulation, flicker mitigation and harmonicfiltering. This represents a convenient solution forelectrification of small towns along routes of commuter trains.Figure 4.Some features of grid vehicles on Smart Grids.As a matter of electrification, optimization of infrastructuredemand management and Power Quality will become a need,and then Smart Grids will have an important role.D. Mass transportation bus for a Smart GridEven though the effort to improve the capacity of energystorage devices such batteries, fuel cells and ultra-capacitorsthat eventually will make unnecessary the use of the overheadline, this expectation should not be argued to delay theelectrification of transportation systems. It is most likely thatsystems in the future will still retain some of the overheadline, for example in high slope gradients where theconsumption of energy is important. In fact as other authorshave pointed out [13], in the future mostly of land-basedmassive transportation systems will remain grid connected.The decision to withdraw a section of the overhead line has toconsider the extra cost related to reduction of the lifespan ofthe batteries, the energy losses related to the process of chargeand discharge, and the cost of the infrastructure required forfast charge. This also must be considered for hydrogen andplug-in hybrid technologies.A Proposed bus for development could feature (Fig. 5):Short Term- High Power energy storage, as anultracapacitor to allows an optimal regenerativeperformance and supplies quickly power for startups.Long Term High Energy storage, as batteries or a fuelcell that can be charged gradually from the overheadline during operation or by a plug during the nightEnergy management system, which decides whetherand how the energy regenerated is stored or feedbackto the overhead power line and control battery charge.In certain cases as black outs, battery stored energycould be injected to distribution network.This vehicle will be designed according to the needs ineach case, depending on the independence desired for theoverhead line, the driving cycles and the topography of thecity.

Figure 5. Proposed tram-bus for development: Plug-in-Battery-UltracapacitorTrolleybus.

This Smart Grid Trolleybus would be able to decide if takesthe energy from the storage device or the net, depending onconditions as hourly prices of the energy, peak demand,system load among others.A huge advantage of trolleybuses is its adaptability, ifbatteries reach an outstanding development with a noteworthycost reduction in a near future, the trolleybuses can be easilymodified to use it. Modern trolleybuses already feature storagedevices such batteries in the case of Rome and Vancouver, andultracapacitors in China, Italy and Germany.

V. Caracteristicas del Vehiculo Smart GridLa implementacin de los tranvas y trolebuses tiene muchaventajas, adems de la integracin de Smart Gridtecnologas en una cuadrcula local, mejorando el rendimiento encomparacin con los tradicionales (V2G) iniciativas. Algunos deestas caractersticas son:A. Electrificacin del sistema de transporte existente enciudades establecidas.El respeto a las preocupaciones de oferta y demanda actuales, conel aumento de la demanda de electricidad, y en muchos casosinfraestructura subinversin, la reintroduccin demedios de transporte elctricos en ciudades establecidos representanun reto adicional. En estos casos la gestin de la demanda,consumo eficiente y carga mxima de cambio ser clave, ypor lo que la red inteligente como soporte.Afortunadamente pequeos vehculos particulares estn destinadas para una nochecobrar, cuando la demanda es baja; y los sistemas de transporte masivopico se desplaza ligeramente de los de la energa, pero esto no sersiempre el caso, y sin sistemas inteligentes, lainfraestructura podra ser insuficiente en un corto plazo.La mitigacin de las perturbaciones de calidad elctrica ocasionada por laconexin de los sistemas masivos de transporte en dbilredes es tambin un desafo; teniendo en cuenta su alta no linealy fluctuante caractersticas, stas representan un potencialfuente de distorsin armnica, fluctuaciones de tensin y flickerrespectivamente.La capacidad instalada de las nuevas subestaciones podra ser usodurante la noche para cargar vehculos elctricos a bateray minibuses. Minibuses batera elctrica podran operar comoalimentadores de grandes BRT, sistemas de tranva o metro, estos autobuses sonms pequeo y por lo general requieren rangos inferiores. Las ventas de energa podraayudar a un retorno rpido de la inversin en infraestructura.Coordinar la planificacin de sistemas de transporte masivo, condesarrollo de la estacin de carga para vehculos elctricos es, teniendo en cuenta la optimizacin de la infraestructura y recomendadagestin de la energa.B. Gestin de regeneracion de energiaFreno regenerativo es una de las caractersticas notables demquinas elctricas, imposible de ser realizada por un ICE. EnDe hecho, esta es la clave de la economa de combustible de los vehculos hbridos.Cuando un vehculo de conexin a red est frenando la energa elctricagenerada podra ser almacenada en bateras o bien ultracaps, opodra haber una retroalimentacin a la red, donde se podra utilizar esta energapor otro vehculo, o incluso ms, trough subestaciones reversiblespodra ser enviado aguas arriba, a otras cargas o usuarios. Esta ampliaespectro permite reducir el frenado disipativo -normalmente enresistors- el aumento de la eficiencia neta del sistema.Subestaciones reversibles se utilizan actualmente en el metro deBilbao, Espaa. Este subestaciones incluye un convertidor DC-ACque permite enviar la energa regenerada a la red ACcuando el sistema de CC no puede recibir esta energa. Por lo general, laconsumidor consiste en otra partida vehculo. Smart Meter debeser utilizado cuando la energa es la realimentacin a la red.En materia de energa estacionaria ultracondensadores caja de almacenamiento tenandemostrado funcionar muy bien para energa regenerativa.Fijo en ciertos puntos de la ruta, y conectado a lalnea area a travs de un convertidor, ultacapacitors permitealmacenamiento de energa cuando la red no es receptivo; cundootro vehculo est exigiendo energa de la red, lase toma la energa ultracondensador, reducir la demanda pico de la red;esta caracterstica se ha utilizado en los metros y trenes de cercanas comoDresden (2002), Madrid (2003) y Colonia (2003). Ademsel ahorro de energa, un modo de control de tensin se podran realizar enun modo de operacin similar de compensadores estticos.A bordo de almacenamiento [10] dispositivos permite tanto el ahorro de energay el funcionamiento de hilos por algunos kilmetros, pero dependeren casos particulares si la aplicacin estacionaria o de a bordollevar a cabo mejor, teniendo en cuenta el vehculo, la red ycaractersticas operativas.Un control inteligente podra coordinar, supervisar y optimizar[11] [12] el funcionamiento de los vehculos, para aumentar coincidenciasentre los frenos y se inicia y luego reducir la disipacin dede calor.Para ejemplificar las potencialidades de esta gestin de la energa, laSe presenta el caso de Metro de Medelln. Fig. 2 presenta el DCoverhead tendencia voltaje de lnea, como la velocidad del vehculocambios.Figura 2. Tendencias de tensin y velocidad en el Metro de Medelln en una prueba.Aceleracin del vehculo provoca una cada de tensin, ydesaceleracin, una subida de tensin, cuando la energa es informacin a lared. Sin embargo, este proceso tiene que ser cortado cuandotensin alcanza 1.800 V, y siendo la energa tiene que serdisipada en las resistencias de frenado.En un tpico start-stop entre dos estaciones (500 m), el trenconsume alrededor de 4,5 kWh (alrededor de 9 kWh / km), y casi0,5 kWh se disipan en la resistencia de frenado. Esta energapodra ser almacenada en supercondensadores, para su posterior uso, ayudando aestabilizar la tensin DC en la adicin. Esta energa disipada essuficiente para propulsar un vehculo elctrico por ms de 2 km.Fig. 3 puestos en el mismo grfico la potencia tomada de lalnea area y la potencia disipada en la resistencia de frenado,la realimentacin de energa a la lnea area es claramenteapreciar a partir de 150 s, como la importancia de la disipadael poder se revela.Figura 3. Potencia Lnea Area y la potencia disipada en durante la prueba.C. Rejilla para autobuses, rejilla para los usuariosComo electrificacin implica la instalacin de las lneas areas,sera interesante pensar que esta nueva lneas podran serutilizado tanto para la alimentacin del sistema de transporte elctrico y comored de distribucin de usuarios de todo el recorrido. En esteconfiguracin de la distribucin de electricidad se basa enun bus DC dos hilos, y los usuarios residenciales podran suministrarseTrough transformadores CC-CA. Compensadores estticos basados enultracondensadores controlados por convertidores (ver Fig. 4), podraproporcionar regulacin de voltaje, mitigacin parpadeo y armnicosfiltrado. Esto representa una solucin conveniente paraelectrificacin de pueblos pequeos a lo largo de las vas de los trenes de cercanas.Figura 4.Algunos caractersticas de los vehculos de cuadrcula en redes inteligentes.Como cuestin de la electrificacin, la optimizacin de la infraestructuragestin de la demanda y la calidad de potencia se convertir en una necesidad,y luego Smart Grids tendr un papel importante.D. Misa de autobuses de transporte para una Smart GridA pesar de que el esfuerzo para mejorar la capacidad de la energadispositivos de almacenamiento de este tipo de bateras, pilas de combustible y ultra condensadoresque eventualmente hacer innecesario el uso de la sobrecargalnea, esta expectativa no debe alegarse para retrasar laelectrificacin de los sistemas de transporte. Lo ms probable es quesistemas en el futuro an retendrn algunos de los gastos generaleslnea, por ejemplo en alta pendiente gradientes donde elel consumo de energa es importante. De hecho, como otros autoreshan sealado [13], en el futuro, en su mayora de origen terrestresistemas de transporte masivos permanecern conectadas a la red.La decisin de retirar una seccin de la lnea area de contactoconsiderar el costo adicional relacionado con la reduccin de la vida til delas bateras, las prdidas de energa relacionados con el proceso de cargay la descarga, y el costo de la infraestructura necesaria paracarga rpida. Esto tambin debe ser considerado para el hidrgeno yplug-in de tecnologas hbridas.Un autobs propuesto para el desarrollo podra presentar (Fig. 5):Almacenamiento de energa Short trmino- de alta potencia, como unaultracondensador a permite una regeneracin ptimarendimiento y suministros rpidamente la energa para los arranques.Almacenamiento Long Plazo -Alta Energa, bateras o un combustiblede clulas que se puede cargar gradualmente de la sobrecargalnea durante la operacin o por un tapn durante la nocheSistema de gestin Energy, que decide siy cmo se almacena o retroalimentacin de la energa regeneradaa la lnea de alimentacin y control de carga de la batera por encima.En algunos casos, como apagones, batera almacenada energapodra ser inyectado a la red de distribucin.Este vehculo ser diseado de acuerdo a las necesidades encada caso, dependiendo de la independencia desea para ellnea area, los ciclos de conduccin y la topografa de laciudad.

Figura 5. Propuesta de tranva-bus para el desarrollo: Plug-in-batera-ultracondensadoresTrolebs.

Este Smart Grid Trolebs sera capaz de decidir si tomala energa desde el dispositivo de almacenamiento o de la red, dependiendo decondiciones que los precios horarios de la energa, la demanda mxima,la carga del sistema, entre otros.Una gran ventaja de trolebuses es su capacidad de adaptacin, sibateras alcanzan un desarrollo sobresaliente con un notablereduccin de costes en un futuro prximo, los trolebuses pueden ser fcilmentemodificado para usarlo. Trolebuses modernos ya cuentan con almacenamientodispositivos de este tipo de bateras en el caso de Roma y Vancouver, yultracondensadores en China, Italia y Alemania.

VI. ACHIEVEMENTS IN COLOMBIAThe most important achievement of this work is thecontribution to redefine Colombias policies concerning to theuse of energy on public transportation systems, which havebeen traditionally focused on using fossil fuels. This isreflected in two important facts:The new national policy of rational use of energycontemplates the electrification of BRT systems of Bogota,Cali and Pereira [14].Medellin new massive (excluding Metropls) transportationsystems will use electric traction; a tram system was definedto extend the line B of Metro de Medellin which is supposedto connect the downtown with the east side of the city. Thistram has already approved founds and it is supposed to beinaugurated on December 2011. An electric system is alsoconsidered to the project in stage of preliminary designs.In Bogota, the most emblematic street (Carrera Sptima) willbe converted into a green corridor where double articulatedtrolleybuses or a tram system is supposed to be built.Regarding to systems of trams and light rail, it can beconclude that they must be taken into account when themobility studies showed that the passenger demand cannot beserved by double-articulated trolleybus systems. In thiscontext it is interesting to research and develop models forselecting the optimal transportation mode in accordance withdemand and growth projections.

VII. CONCLUSIONSMassive plans for electrification of massive transportationsystem could be started now; development of batteries or othertechnologies to energy storage are not a condition to delay thisimportant transformation with huge potential in US, Latin-America, and in general on developing countries. BRTsystems are especially easy to electrify using moderntrolleybuses that features small energy storage devices for anincreased reliability and off-wire operation for few kilometers,a full range operation in batteries is neither technical norfinancial feasible and will remain so for many years.The consumption of fuel in Colombia (108357 Barrels perday) could be reduced approximately in 2.2 % (2383 Barrelsper day saved), and so the reduction on greenhouse gasescould be 1.1 %, only by substituting the existing BRT systemsin Bogota, Pereira and Cali. This could represent a reductionof greenhouse emission of about 4 % by 2020 when newstages of Transmilenio system are supposed to start operation,and when the systems of Cali, Pereira and Barranquilla couldbe converted to electric. If cities as Medellin (operating withCNG), Cartagena, Bucaramanga, Cucuta, among others,follows the direction to implement Electric BRT, the impactwill substantially be better.As for integration of renewable energies, distributedgeneration, demand management, Electric Vehicles amongand many others features, Smart Grids could find a niche inmass transportation systems based on electric traction astrolleybuses, trams commuter trains metro and high speedtrains.Resources to promote electric vehicles as a way to dealgreenhouse emission should be reoriented to promote theelectrification of mass transportation systems in regions orcountries where the electricity is produced with low emissions.

VI. LOGROS EN COLOMBIAEl logro ms importante de este trabajo es elcontribucin a redefinir las polticas de Colombia relativas a lauso de la energa en los sistemas de transporte pblico, que tienenha centrado tradicionalmente en el uso de combustibles fsiles. Esse refleja en dos hechos importantes:La nueva poltica nacional de uso racional de la energacontempla la electrificacin de los sistemas BRT de Bogot,Cali y Pereira [14].Medelln nuevo (excluyendo Metropls) de transporte masivosistemas utilizarn traccin elctrica; se ha definido un sistema de tranvapara extender la lnea B del Metro de Medelln, que se suponepara conectar el centro con la zona este de la ciudad. Estetranva ya ha aprobado funda y se supone que esinaugurado en diciembre de 2011. Un sistema elctrico es tambinconsidera que el proyecto en la etapa de diseos preliminares.En Bogot, la calle ms emblemtica (Carrera Sptima) lo harconvertirse en un corredor verde en doble articuladotrolebuses o un sistema de tranva se supone que se construir.En cuanto a los sistemas de tranvas y trenes ligeros, puede serconcluir que deben tenerse en cuenta cuando elestudios de movilidad mostraron que la demanda de pasajeros no puede serservido por los sistemas de doble articulado de trolebuses. En estecontexto, es interesante para investigar y desarrollar modelos paraseleccionar el modo de transporte ptimo de acuerdo conla demanda y las proyecciones de crecimiento.

VII. CONCLUSIONESPlanes masivos para la electrificacin de transporte masivosistema podra iniciarse ahora; desarrollo de bateras u otrotecnologas para el almacenamiento de energa no son una condicin para retrasar estetransformacin importante con un enorme potencial en Estados Unidos, Latino-Amrica, y en general en los pases en desarrollo. BRTsistemas son especialmente fciles para electrificar utilizando modernatrolebuses que cuenta con pequeos dispositivos de almacenamiento de energa para unmayor confiabilidad y operacin fuera de alambre para pocos kilmetros,una operacin completa gama de bateras no es ni tcnica nifinanciera viable y lo seguir siendo por muchos aos.El consumo de combustible en Colombia (108.357 barriles porda) podra reducirse aproximadamente en un 2,2% (2.383 Barrilespor da ahorrado), y por lo que la reduccin de gases de efecto invernaderopodra ser del 1,1%, slo sustituyendo los sistemas BRT existentesen Bogot, Pereira y Cali. Esto podra representar una reduccinde las emisiones de efecto invernadero de aproximadamente 4% en 2020, cuando la nuevaetapas de sistema Transmilenio se supone para iniciar la operacin,y cuando los sistemas de Cali, Pereira y Barranquilla podraser convertido a elctrico. Si las ciudades como Medelln (operando conGNC), Cartagena, Bucaramanga, Ccuta, entre otros,sigue la direccin para aplicar BRT elctrico, el impactoser sustancialmente mejor.En cuanto a la integracin de las energas renovables, distribuidageneracin, gestin de la demanda, los vehculos elctricos entrey muchas otras caractersticas, las redes inteligentes podran encontrar un nicho enlos sistemas de transporte masivo basado en la traccin elctrica comotrolebuses, trenes de cercanas tranvas de metro y alta velocidadtrenes.Recursos para promover los vehculos elctricos como una manera de tratarde emisiones de efecto invernadero debe reorientarse para promover laelectrificacin de sistemas de transporte masivo en las regiones opases donde la electricidad se produce con bajas emisiones.

ACKNOWLEDGMENTSpecial gratitude to Prof. Dr.-Ing. Helmuth Biechl fromUniversity of Applied Sciences, Kempten, Germany. To thecompanies Metro de Medelln and Sytecsa, for all the valuableinformation that gave to this project. To CODENSA andColciencias for founding the projects related with electricaltraction in Colombia.

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