Trong loạt bài viết vừa qua về chủ đề công nghệ đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ loạt bài viết về các công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực đường sắt. Trong loạt bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railway Explained, nói hệ thống hạ tầng năng lượng đặc biệt của một trong những quốc gia có hệ thống đường sắt hiệu quả bậc nhất thế giới: Mạng lưới cung cấp điện cho tàu tại Áo.

Nền tảng hạ tầng đặc biệt của hệ thống đường sắt Áo
Đường sắt Áo nổi tiếng về hiệu quả tổng thể và sự chú trọng vào khách hàng, với các chuyến tàu nổi tiếng về độ đúng giờ. Công dân Áo là một trong những nhóm sử dụng đường sắt thường xuyên nhất châu Âu, đồng thời quốc gia này cũng nằm trong số những nước dẫn đầu về đầu tư cho ngành đường sắt trên lục địa. Vượt lên trên những thành tựu này, một khía cạnh đặc biệt hấp dẫn nằm ẩn dưới hệ thống vận hành trơn tru như đồng hồ: Công ty hạ tầng đường sắt quốc gia Áo, ÖBB Infrastruktur AG, quản lý một trong những hệ thống cung cấp năng lượng tiên tiến và tự chủ nhất trong lĩnh vực đường sắt toàn cầu. 

Khác với đa số các quốc gia, nơi các công ty đường sắt phải phụ thuộc vào điện từ các nhà máy điện quốc gia truyền tải qua lưới điện quốc gia, ÖBB đã chủ động kiểm soát toàn bộ chuỗi cung ứng điện. Điều này không chỉ bao gồm việc truyền tải và phân phối mà, đặc biệt quan trọng, còn là việc tự sản xuất năng lượng để vận hành tàu trên khắp cả nước. Cách tiếp cận này cho phép ÖBB xây dựng một hệ thống năng lượng đường sắt tích hợp và bền vững ở mức hiếm có về hiệu quả lẫn tác động môi trường. 

Với khoảng 73% mạng lưới đường sắt của Áo đã điện khí hóa và hơn 90% các chuyến tàu chở khách vận hành bằng điện năng, sự phụ thuộc vào nguồn điện ổn định và sạch là yếu tố sống còn. ÖBB đã đáp ứng yêu cầu này bằng việc vừa là doanh nghiệp đường sắt, vừa là nhà cung ứng năng lượng độc lập. Đặc biệt, từ năm 2018, 100% điện năng sử dụng cho vận hành tàu tại Áo đều có nguồn gốc từ năng lượng tái tạo, đưa quốc gia này trở thành một trong những hình mẫu tiên phong về giao thông xanh và phù hợp với các mục tiêu chính sách môi trường toàn cầu.

Quy trình truyền tải điện năng cho tàu
Để hiểu được dòng điện đến với các đoàn tàu như thế nào, cần xem xét toàn bộ quy trình bắt đầu từ các nhà máy điện – thường là nhiệt điện, thủy điện hoặc điện hạt nhân, nơi điện được phát ra ở điện áp khá cao và tần số chuẩn 50 Hz. Sau khi phát điện, điện năng được tăng áp tại các trạm biến áp chuyên biệt và truyền tải qua hệ thống lưới điện cao áp quốc gia ở mức điện áp khoảng 110, 220 hoặc 400 kV, phù hợp cho việc truyền tải đường dài. 

Khi đến khu vực phục vụ mạng lưới đường sắt, điện được biến đổi lần nữa tại các trạm biến điện chuyên dành cho đường sắt, giảm xuống các mức phù hợp cho tàu như 25 kVAC, 15 kV AC hoặc trong một số trường hợp là 3 kV DC. Các mức điện áp này sẽ được cấp cho hệ thống dây cáp treo (catenary) phía trên đường ray, chuyển điện năng đến tàu. Mặc dù phần lớn dòng điện vẫn giữ ở tần số 50 Hz, song tại các quốc gia như Áo và Đức, dòng điện sẽ được chuyển đổi thêm sang tần số 16,7 Hz thông qua các trạm chuyển đổi duyên động hoặc tĩnh, do hệ thống đường sắt của họ hoạt động ở tần số khác biệt. 

Dây catenary truyền trực tiếp điện năng đến cần tiếp điện (pantograph) của tàu, tiếp đó các hệ thống điều biến và biến áp trên tàu sẽ chuyển đổi nguồn điện cho động cơ kéo. Đường ray lúc này đóng vai trò là mạch trả để hoàn thành chu trình điện khép kín. Quy trình nhiều bước này – từ phát đến cấp điện cuối cùng giúp bảo đảm nguồn cung ổn định, an toàn và hiệu quả cho hoạt động vận hành liên tục của mạng lưới đường sắt.

Mạng lưới điện lực chuyên dụng và thủy điện của ÖBB
Quay lại trường hợp của Áo, ÖBB Infrastruktur vận hành một mạng lưới cung cấp điện kéo dành riêng cho đường sắt, hoàn toàn độc lập với lưới điện quốc gia và được thiết kế đặc biệt cho việc vận hành tàu. Hệ thống chuyên dụng này kéo dài hơn 2.000 km, gồm các trạm biến áp, máy biến thế và bộ chuyển đổi tần số, nhằm đảm bảo nguồn điện ổn định, đúng mức điện áp và tần số cần thiết cho mọi đoàn tàu. 

Trái tim của mạng lưới này chính là nguồn thủy điện tái tạo: ÖBB trực tiếp sở hữu và vận hành chín nhà máy thủy điện, đặt tại các vị trí chiến lược gần các con sông lớn hoặc các tuyến đường sắt quan trọng. Các nhà máy này sản xuất tổng cộng khoảng 1,5 tỷ kWh điện mỗi năm, đáp ứng hơn một phần ba tổng nhu cầu điện năng của mạng lưới đường sắt. Để bổ sung nguồn cung, ÖBB mua điện từ bốn nhà máy thủy điện đối tác chuyên phục vụ đường sắt, cùng với năng lượng từ các nguồn tái tạo khác như điện mặt trời và điện gió. Nhờ vậy, ÖBB sở hữu một trong những hệ thống cung cấp điện đường sắt vừa tự chủ vừa bền vững hàng đầu thế giới.

Chín nhà máy thủy điện do ÖBB vận hành gồm Obervellach 2 và Rosenbach tại Carinthia, Fulpmes ở Tyrol, Uttendorf, Uttendorf-Tauernmoos, Schneiderau, và Anninger-Baden gần Salzburg, cũng như Podersiedlung và Brazalberg. Nhà máy thứ mười, Tauernmoos, đang xây dựng gần Salzburg với kế hoạch đi vào vận hành năm 2026. Các nhà máy lớn nhất có công suất từ 15–20 megawatt trở lên, trong khi các nhà máy nhỏ hơn giữ vai trò cân bằng và hỗ trợ các đoạn lưới điện vùng. 

Do mạng lưới đường sắt Áo sử dụng tần số 16,7 Hz, không phải toàn bộ điện sản xuất từ các nhà máy thủy điện này đều có thể đưa trực tiếp vào lưới kéo. Một số nhà máy phát điện ở tần số chuẩn 50 Hz, cần phải chuyển đổi sang 16,7 Hz tại tám trạm chuyển đổi mà ÖBB vận hành – ví dụ như ở Saalfelden và Langkampfen – trước khi hòa nhập vào mạng lưới cung cấp điện chuyên biệt cho đường sắt. Tại các trạm này, quá trình vừa chuyển đổi tần số vừa biến áp xuống mức 55 hoặc 110 kilovolt sẽ được thực hiện. Dòng điện tiếp đến được truyền qua lưới điện cao thế nội bộ của ÖBB tới 65 trạm biến áp đường sắt khắp cả nước, nơi điện áp sẽ giảm còn 15 kV và cung cấp cho hệ thống catenary phía trên ray. Ngoài ra, ÖBB còn trang bị tám trạm biến áp di động để cấp điện trong trường hợp bảo trì hoặc sự cố khẩn cấp.

Đo lường, quản lý tiêu thụ điện và ưu thế chi phí của hệ thống ÖBB
Mức tiêu thụ điện được đo lường chính xác thông qua thiết bị đo lường được kiểm nghiệm và lắp đặt cả trên tàu lẫn mạng lưới, cho phép thanh toán minh bạch cho nhiều nhà vận hành công và tư dựa trên số kWh thực tế sử dụng. Do thủy điện có chi phí biên thấp sau khi đã đầu tư hạ tầng ban đầu, ÖBB có khả năng cung cấp giá điện cạnh tranh, ổn định lâu dài. Cách thiết lập giá cả minh bạch – phản ánh chi phí sản xuất, bảo trì và thay đổi thị trường năng lượng – không chỉ thúc đẩy các nhà vận hành tối ưu tiêu thụ mà còn khuyến khích lái tàu áp dụng kỹ thuật lái tàu tiết kiệm năng lượng. 

Nhiều đoàn tàu hiện đại còn tích hợp hệ thống hãm tái sinh (regenerative braking systems) (1), cho phép thu hồi điện và trả lại lưới khi giảm tốc, nâng cao hiệu suất toàn hệ thống. Mô hình khép kín, trong đó hạ tầng vừa sản xuất, chuyển đổi, phân phối và đo lường điện năng, giúp ÖBB kiểm soát vận hành, tối ưu chi phí và sẵn sàng miễn nhiễm trước các biến động thị trường điện lực ngoài lẫn giá nhiên liệu hóa thạch.
(1) Regenerative braking systems: khi tàu (hoặc phương tiện điện) giảm tốc, động cơ điện chuyển sang chế độ phát điện, biến động năng thành điện năng và đưa ngược trở lại hệ thống cấp điện hoặc sử dụng cho các tàu khác, giúp giảm tiêu thụ điện và tăng hiệu quả năng lượng.

Đa dạng hóa năng lượng tái tạo
Mặc dù thủy điện chiếm ưu thế, ÖBB ngày càng đa dạng hóa nguồn cung năng lượng với điện mặt trời và điện gió. Kể từ năm 2020, hàng chục trạm mặt trời quy mô nhỏ đã được triển khai ở các vị trí tận dụng không gian hiệu quả, cùng với dự án điện gió Hurleine sản xuất 6,75 GWh/năm. Chiến lược của ÖBB còn bao gồm lắp đặt tấm pin mặt trời trên mái các nhà ga, xưởng, kho hoặc tòa nhà phục vụ đường sắt – những không gian trước đây vốn trống trải. Năng lượng thu từ những nguồn này sẽ được tiêu thụ trực tiếp tại chỗ, giảm tổn thất truyền tải và giảm áp lực lên lưới điện. Một cách tận dụng sáng tạo khác là gắn tấm pin lên hàng rào giảm ồn dọc theo đường ray, biến các rào chắn này thành hệ thống điện mặt trời. 

Dù hiện nay điện mặt trời đóng góp khoảng 3% vào cơ cấu năng lượng mạng lưới, tỷ lệ này không ngừng tăng nhờ các khoản đầu tư liên tục, với nhiều dự án công suất lớn đang lên kế hoạch. ÖBB cũng công bố kế hoạch đầu tư khoảng 1 tỷ euro cho năng lượng tái tạo – bao gồm thủy điện, điện gió, điện mặt trời – tới năm 2030. Khoản đầu tư này dự kiến bổ sung thêm 280 triệu kWh/năm, tương đương mức tiêu thụ của 70.000 hộ gia đình. Ngoài ra, mục tiêu của ÖBB đặt ra là nâng tỷ lệ chủ động sản xuất điện từ nguồn tái tạo từ khoảng 33% hiện nay lên 80% tổng nhu cầu điện phục vụ kéo tàu đến năm 2030, thông qua mở rộng thủy điện, điện mặt trời và điện gió.

Hiệu quả môi trường và tầm nhìn tương lai
Hệ thống năng lượng tái tạo cho đường sắt của Áo mang lại lợi ích môi trường rõ rệt: với trên 70% mạng lưới điện khí hóa và 100% điện từ nguồn tái tạo, đường sắt Áo tránh được phát thải hơn 4 triệu tấn CO₂ mỗi năm so với vận hành bằng diesel. Nhìn về tương lai, Áo đề ra kế hoạch nâng tỷ lệ điện xanh tự chủ lên 80% vào năm 2030, bằng cách phát triển điện mặt trời, thủy điện quy mô nhỏ, triển khai lưu trữ năng lượng thông minh để cân bằng nguồn cung cũng như cân nhắc giải pháp tàu điện chạy pin hoặc hydrogen cho các tuyến chưa điện khí hóa. 

Cách tiếp cận tích hợp và bền vững này không chỉ giảm thiểu tác động môi trường mà còn tăng cường an ninh năng lượng bằng cách bảo vệ mạng lưới đường sắt trước các rủi ro địa chính trị về năng lượng. Khi châu Âu chuyển mình hướng tới giao thông và năng lượng ít cacbon, Áo nổi lên như một tấm gương điển hình về cách đầu tư bài bản vào hạ tầng công có thể mang lại lợi thế bền vững cả về môi trường lẫn công nghệ lâu dài.

Kết luận
Mô hình hạ tầng năng lượng đường sắt của Áo cho thấy một cách tiếp cận hiếm có về mức độ tích hợp, tự chủ và bền vững trong vận tải đường sắt hiện đại. Việc ÖBB Infrastruktur chủ động sản xuất, chuyển đổi, phân phối và quản lý điện năng – chủ yếu từ các nguồn tái tạo – không chỉ giúp tối ưu chi phí vận hành và nâng cao độ tin cậy của hệ thống, mà còn tạo ra lợi thế chiến lược dài hạn về an ninh năng lượng và môi trường. Trong bối cảnh châu Âu đẩy mạnh quá trình khử carbon và tái cấu trúc hạ tầng giao thông, kinh nghiệm của Áo là minh chứng rõ ràng rằng đầu tư bài bản vào hạ tầng năng lượng đường sắt có thể đồng thời phục vụ hiệu quả vận hành, mục tiêu khí hậu và năng lực cạnh tranh quốc gia trong dài hạn.

Để xem các tin bài khác về “Cơ sở hạ tầng đường sắt”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained