Theo như trong khi xe ô tô và máy bay có thể sử dụng nhiên liệu hóa thạch trực tiếp để vận hành, đường sắt cao tốc lại phụ thuộc hoàn toàn vào điện năng. Để hiểu rõ khác với máy bay hay ô tô, tàu cao tốc không thể sử dụng năng lượng trực tiếp từ việc đốt nhiên liệu mà phụ thuộc hoàn toàn vào điện năng để duy trì hoạt động, thì điều gì khiến đường sắt cao tốc khác biệt so với các hình thức vận tải khác như ô tô hay máy bay?
Hình thức cung cấp điện cho đường sắt cao tốc
Điều gì khiến đường sắt cao tốc khác biệt so với các hình thức vận tải khác như ô tô hay máy bay? Câu trả lời nằm ở cách thức cung cấp năng lượng. Trong khi ô tô và máy bay có thể sử dụng nhiên liệu hóa thạch trực tiếp để vận hành, đường sắt cao tốc lại phụ thuộc hoàn toàn vào điện năng. Để hiểu rõ hơn, chúng ta cần khám phá cách mà hệ thống đường sắt cao tốc lấy và sử dụng năng lượng điện.
Hệ thống cung cấp năng lượng cho đường sắt cao tốc bao gồm hai phần chính: nguồn điện và thiết bị cấp nguồn. Nguồn điện là nơi mà hệ thống lấy năng lượng, bao gồm điện trường, máy phát điện và pin. Thiết bị cấp nguồn đảm nhiệm việc truyền tải điện năng từ nguồn đến các đầu máy của tàu cao tốc thông qua các thành phần như dây cáp, ray dẫn hướng, máy biến áp và động cơ.
Trong các hệ thống đường sắt cao tốc hiện đại, dòng điện xoay chiều (AC) thường được sử dụng làm nguồn điện chính. Dòng điện xoay chiều có hiệu suất truyền tải cao hơn và khả năng điều khiển tốt hơn so với dòng điện một chiều (DC). Điện xoay chiều được tăng cường bởi các máy biến áp và truyền đến các bộ phận của tàu cao tốc thông qua cáp. Tại đây, nguồn AC sẽ được chuyển đổi thành DC nếu cần thiết và điều khiển động cơ của các đầu máy để cung cấp năng lượng cho tàu di chuyển.
Phần lớn các hệ thống đường sắt cao tốc trên thế giới sử dụng điện xoay chiều với điện áp cao, ví dụ như 25kV AC. Một số hệ thống cũ hơn hoặc một số hệ thống đường sắt đô thị có thể sử dụng điện một chiều.
Đường sắt cao tốc sử dụng hai hình thức cung cấp năng lượng chính:
Dây dẫn trên cao, đây là phương pháp phổ biến nhất. Các dây dẫn điện áp cao được treo trên những cột hoặc tháp dọc theo đường ray.Tàu sẽ lấy điện qua các bộ phận tiếp xúc đặc biệt gọi là "chân tiếp xúc" trượt trên dây dẫn này.
Ray thứ ba, Ít phổ biến hơn so với dây dẫn trên cao. Một ray thứ ba được đặt song song với hai ray chính. Tàu sẽ lấy điện qua một thanh trượt tiếp xúc với ray thứ ba này.
Hệ thống phân phối điện bên trong tàu cao tốc
Không chỉ cần năng lượng để di chuyển, hệ thống đường sắt cao tốc còn cần phân phối điện năng tới nhiều bộ phận khác nhau để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn. Bên trong mỗi tàu cao tốc, hệ thống phân phối điện chịu trách nhiệm cung cấp năng lượng cho các hệ thống con khác nhau, bao gồm hệ thống lực kéo, điều hòa không khí, chiếu sáng và thông tin liên lạc. Điều này đảm bảo rằng mọi hoạt động trên tàu diễn ra suôn sẻ, từ việc điều khiển tốc độ cho đến duy trì môi trường thoải mái cho hành khách.
Sự phức tạp trong hệ thống cung cấp điện của tàu cao tốc đồng nghĩa với việc cần một sự tính toán cẩn thận để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Từ hệ thống truyền tải điện cho đến các hệ thống con bên trong tàu, mọi thứ đều được kết nối chặt chẽ với nhau, tạo ra một chuỗi cung cấp năng lượng liên tục và hiệu quả. Tuy nhiên, với tốc độ cao, nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng lên đáng kể, tạo ra một thách thức lớn trong việc duy trì hiệu suất mà không làm tăng chi phí vận hành quá mức.
Tốc độ và tiêu thụ năng lượng: Mối quan hệ không thể tách rời
Một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định mức độ tiêu thụ năng lượng của tàu cao tốc chính là tốc độ. Động năng, đại lượng vật lý liên quan trực tiếp đến "tốc độ", là một yếu tố quan trọng trong việc xác định mức tiêu thụ năng lượng. Theo nguyên lý vật lý, động năng tăng theo bình phương tốc độ, điều này có nghĩa là khi tốc độ tăng, mức tiêu thụ năng lượng cũng tăng theo cấp số nhân.
Điều này lý giải tại sao công nghệ đường sắt cao tốc luôn phải đối mặt với thách thức trong việc duy trì hiệu suất cao trong khi vẫn đảm bảo an toàn và kiểm soát được mức tiêu thụ năng lượng. Một trong những giải pháp mà các nhà thiết kế tàu cao tốc áp dụng là sử dụng mô hình thiết kế phi tập trung. Thay vì sử dụng một đầu máy duy nhất để kéo toàn bộ đoàn tàu như các tàu truyền thống, tàu cao tốc sử dụng đầu máy nhỏ trong mỗi toa xe, giúp phân phối công suất đồng đều hơn và tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng.
Thiết kế phi tập trung này mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đồng thời tạo ra những thách thức. Một mặt, nó giúp tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng khi mỗi toa xe có hệ thống điện riêng. Tuy nhiên, việc mỗi toa xe đều cần một hệ thống điện riêng cũng làm tăng mức tiêu thụ năng lượng tổng thể, bởi vì các tổn thất năng lượng từ mỗi hệ thống riêng lẻ sẽ cộng dồn lên.
Chi phí vận hành đường sắt cao tốc: Những con số không hề nhỏ
Một trong những câu hỏi lớn nhất đối với các hệ thống đường sắt cao tốc là chi phí vận hành. Điều này bao gồm chi phí điện năng, chi phí bảo trì và chi phí nhân công. Đường sắt cao tốc, mặc dù mang lại nhiều lợi ích về mặt thời gian và hiệu quả giao thông, nhưng lại phải đối mặt với một thực tế khó khăn là chi phí vận hành rất cao. Điều này đặc biệt đúng khi nói đến chi phí điện năng, yếu tố chính quyết định mức độ tiêu thụ tài chính của hệ thống.
Khi tốc độ của tàu cao tốc tăng lên, lượng điện tiêu thụ cũng tăng theo, đồng nghĩa với việc giá điện sẽ tăng lên đáng kể. Bên cạnh đó, chi phí bảo trì cũng là một yếu tố không thể bỏ qua. Việc vận hành ở tốc độ cao gây ra hao mòn nhanh chóng cho các thành phần của hệ thống đường sắt cao tốc, từ ray dẫn hướng cho đến các bộ phận điện tử bên trong tàu. Điều này đòi hỏi phải thực hiện bảo trì thường xuyên và kỹ lưỡng, làm tăng thêm chi phí vận hành.
Dù vậy, từ góc độ quốc gia, giá trị của hệ thống đường sắt cao tốc không chỉ nằm ở việc mang lại lợi nhuận trực tiếp mà còn ở những lợi ích dài hạn mà nó mang lại cho nền kinh tế. Đường sắt cao tốc cung cấp một cơ sở hạ tầng quan trọng, thúc đẩy phát triển kinh tế vùng, và tạo ra sự kết nối hiệu quả giữa các khu vực. Đồng thời, nó cũng mang lại cho người dân một phương tiện di chuyển tiện lợi và nhanh chóng, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.
