De weg naar een duurzame spoorwegindustrie

Het verminderen van milieuvervuiling

Het verminderen van milieuvervuiling is een van de grootste uitdagingen waar we vandaag de dag voor staan voor een duurzame spoorwegindustrie. Er zijn veel wereldwijde beleidsmaatregelen op het gebied van klimaatbeheersing, in het bijzonder met betrekking tot koolstofarm vervoer en infrastructuur, waarbij het hoofddoel is om de emissies binnen de mobiliteitssector in de komende decennia met 50% te verminderen.

Emissies moeten dalen terwijl de vraag naar transport blijft stijgen

Om het doel te bereiken om het wereldwijde klimaat op een niveau onder de 2 graden van het pre-industriële niveau te houden, moet de uitstoot van broeikasgassen (GHG) omlaag, terwijl de vraag naar transport wereldwijd stijgt. Vervoer per spoor is vanuit ecologisch en economisch oogpunt al een vrij efficiënte modaliteit. Ik heb er altijd in geloofd dat er duidelijke methodologieën moeten worden gevormd om de meest hulpbronnenefficiënte manier van opereren van deze transportwijze in de toekomst te waarborgen.

Figuur: Spoorwegemissies vergeleken met andere transportwijzen
Bron: Ecotransit.org (wereldwijde ecologische voetafdruk vrachtvervoer)

Tot nu toe richtten methodologieën voor het beoordelen van de milieueffecten zich bijna uitsluitend op de uitlaatemissies geproduceerd door spoorwegexploitatie en verwaarloosden ze de emissies veroorzaakt door de productie, het onderhoud en de verwijdering van spoorweginfrastructuur. Binnen het Europese spoorwegnet van meer dan 200.000 kilometer veroorzaken het verbruik van hulpbronnen, winning, constructie, onderhoud en verwijdering van componenten van de spoorweginfrastructuur echter enorme milieueffecten. Daarom is er een groot potentieel voor het produceren en kiezen van de meest duurzame componenten binnen de spoorweginfrastructuur vanuit een ecologisch perspectief.

Evolutie van vermogenselektronica in spoorwegtoepassingen

In relatie tot de ontwikkeling van elektrische spoorwegen moet ik de evolutie van de vermogenselektronicatechnologie noemen. De vervanging van roterende omvormers en kwikgelijkrichters door diodegelijkrichters om DC-vermogen te creëren, zorgde voor een aanzienlijke verbetering in de exploitatie en het onderhoud van DC-tractieonderstations. Vermogenselektronica-apparatuur voor spoorwegtoepassingen omvat technologieën die energiebesparingen en harmonisatie met het milieu vergemakkelijken, evenals de vereiste mate van veiligheid en betrouwbaarheid bieden die van openbaar vervoersystemen wordt verlangd. Naast deze eisen heeft de markt behoefte aan diverse verbeteringen in efficiëntie, snelheid, omvang en gewichtsbesparing.

Voor de aansturing van tractiemotoren van elektrische treinen hebben de introductie van halfgeleiderschakelaars zoals thyristoren, transistoren, gate turn-off thyristoren (GTO’s) en insulated gate bipolar transistors (IGBT’s) en de evolutie van stroomomvormertechnologieën geleid tot superieure prestaties, minder onderhoud, energiebesparing en miniaturisatie.

De weg naar een duurzame spoorwegindustrie is een hobbelige maar plezierige rit.

Het is duidelijk dat de toekomst van de spoorwegindustrie in een groenere richting beweegt. Maar wat betekent dat – in het bijzonder – voor de koplopers op het gebied van duurzaamheid? Hier werpen we een blik op enkele milieuvriendelijke oplossingen die momenteel vorm krijgen in de spoorwegtractie-industrie.

IGCT

In tegenstelling tot de maritieme industrie vertoont het tractiesysteem van het spoor veel hogere inductanties als het gaat om de energievoorziening via de bovenleiding. Dit maakt ‘tragere’ halfgeleiders mogelijk, zoals de Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT), waarbij deze lagere snelheid wordt gecombineerd met veel lagere doorlaatverliezen. De IGCT-technologie, gebaseerd op het concept van de hard-driven GTO, verkort de opslagtijd van het uitschakelcomponent drastisch tot 1μs. Dit maakt de krachtige serieverbinding van hoogvermogen uitschakelcomponenten mogelijk. De homogene werking, vooral tijdens het uitschakelen, maakt de vermindering of zelfs verwijdering van de dv/dt-snubber mogelijk. Samen met een goed ontwikkeld ontwerp van het component kunnen de omvormerverliezen en -kosten aanzienlijk worden verlaagd.

Vermogensschakelaars

Een vermogenselektronica-component dat mijn interesse het meest heeft gewekt, is de vermogensschakelaar. Vermogensschakelaars spelen een belangrijke rol, niet alleen in de spoorwegindustrie maar ook in de maritieme industrie vanuit het oogpunt van bescherming en veiligheid. Als dit op de juiste manier wordt aangepakt, kunnen downtime en risico’s tot het laagst mogelijke niveau worden beperkt.

Mechanische DC-onderbrekers bestaan al lange tijd en zijn in staat om DC-stromen binnen enkele milliseconden te onderbreken, maar dit is nog steeds te traag om te voldoen aan de eisen van een betrouwbaar DC-net. DC-onderbrekers gebaseerd op halfgeleidertechnologie kunnen de beperkingen van de werksnelheid gemakkelijk overwinnen, maar genereren grote overdrachtsverliezen, doorgaans in de orde van 30 procent van de verliezen van een spanningsbron-omvormerstation. Koplopers op het gebied van duurzaamheid in de tractie-industrie hebben dit probleem al onderkend en een concept voor een hybride DC-onderbreker gepresenteerd die zowel mechanische als op IGCT gebaseerde kenmerken combineert, en werken eraan om de technologie van concept- naar prototypeniveau te brengen. Hybride DC-onderbrekers verbeteren niet alleen de betrouwbaarheid door de schakeltijd te versnellen, maar verminderen ook slijtage, wat resulteert in lagere onderhoudskosten. Indien bewezen en opgeschaald, heeft deze technologie het potentieel om de gamechanger voor de spoorwegindustrie te worden.

Illustratie: Een schematisch overzicht van belangrijke vermogenselektronica-componenten in het reversibele onderstation.

Een nieuw tijdperk in reizen per spoor

Vooruitgang in ontwerp en innovatie, vooral in vermogenselektronica, verbetert niet alleen bestaande spoorwegtoepassingen, maar ontwikkelt ook nieuwe. Het resultaat is een efficiëntere, betrouwbaardere en duurzamere spoorwegindustrie die veel kosteneffectiever is. Naarmate deze producten en systemen in de hele spoorwegsector worden geïntegreerd, kunnen ze een nieuw tijdperk inleiden in het reizen per spoor, zowel voor nieuw gebouwde netwerken als voor de gevestigde netwerken.

De weg naar een duurzame spoorwegindustrie is een hobbelige (niet echt, want het is een van de soepelste manieren van transport) maar een plezierige rit. Er is veel bereikt en er zal veel worden bereikt in de nabije en verdere toekomst. Als u meer inzichten wilt of hulp nodig heeft bij uw spoorwegprojecten of tractiegerelateerde uitdagingen, plan dan een technische online afspraak met een van onze specialisten.