De weg naar een duurzame spoorwegindustrie

Het verminderen van milieuvervuiling

Het terugdringen van de milieuvervuiling is een van de grootste uitdagingen waar we vandaag voor staan. Er is wereldwijd veel beleid op het gebied van klimaatbeheersing, met name met betrekking tot koolstofarm transport en infrastructuur, waarbij het belangrijkste doel is om de uitstoot binnen de mobiliteitssector in de komende decennia met 50% te verminderen. Daarom dragen wij graag bij aan een duurzame spoorwegindustrie.

De uitstoot moet omlaag terwijl de vraag naar transport blijft toenemen

Om de doelstelling te halen om het wereldklimaat op een niveau onder 2 graden van het pre-industriële niveau te houden moet de uitstoot van broeikasgassen (BKG) omlaag, terwijl de vraag naar transport wereldwijd stijgt. Spoorvervoer is vanuit ecologisch en economisch oogpunt al een behoorlijk efficiënt vervoersmiddel. Ik heb altijd geloofd dat er duidelijke methodologieën moeten worden ontwikkeld om in de toekomst de meest hulpbronnenefficiënte manier van gebruik van deze vervoerswijze te garanderen.

Figuur: Spooremissie vergeleken met andere vervoerwijzen
Bron: Ecotransit.org (wereldwijde koolstofvoetafdruk vracht)

Tot nu toe zijn methodologieën die de milieueffecten beoordelen bijna uitsluitend gericht op uitlaatemissies die worden veroorzaakt door spoorwegexploitatie en worden de emissies die worden veroorzaakt door de productie, het onderhoud en de verwijdering van spoorweginfrastructuur verwaarloosd. Binnen het Europese spoorwegnet van meer dan 200.000 kilometer hebben het verbruik, de winning, de aanleg, het onderhoud en de verwijdering van spoorweginfrastructuurcomponenten echter enorme gevolgen voor het milieu. Er is dus een groot potentieel om vanuit ecologisch oogpunt de meest duurzame componenten binnen spoorinfrastructuur te produceren en te kiezen.

Evolutie van vermogenselektronica in spoorwegtoepassingen voor een duurzame spoorwegindustrie

Met betrekking tot de ontwikkeling van elektrische spoorwegen moet ik de evolutie van vermogenselektronicatechnologie noemen. De vervanging van roterende omvormers en kwikgelijkrichters door diodegelijkrichters om gelijkstroom te creëren, zorgde voor een aanzienlijke verbetering in de werking en het onderhoud van gelijkstroom-tractieonderstations. Vermogenselektronica-apparatuur voor spoorwegtoepassingen omvat technologieën die energiebesparing en afstemming met de omgeving mogelijk maken, evenals de vereiste mate van veiligheid en betrouwbaarheid bieden die wordt vereist van openbaarvervoersystemen. Naast deze eisen heeft de markt behoefte aan diverse verbeteringen op het gebied van efficiëntie, snelheid, afmetingen en gewichtsbesparingen.

Voor de tractiemotorbesturing van elektrische treinen hebben de introductie van vermogenshalfgeleiderschakelapparaten zoals thyristors, transistors, gate-turn-off thyristors (GTO’s) en bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT’s) en de evolutie van technologieën voor stroomomvormers geleid tot superieure prestaties, minder onderhoud, energiebesparing en inkrimping.

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

De reis naar een duurzame spoorwegindustrie is een hobbelige maar vreugdevolle rit.

IGCT

In tegenstelling tot de maritieme industrie vertoont het spoorwegtractiesysteem veel hogere inductanties als het gaat om de energievoorziening van bovenleidingen. Dit maakt ‘langzamere’ halfgeleiders mogelijk, zoals de Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT), die deze verminderde snelheid combineert met veel lagere on-state verliezen. De IGCT-technologie, gebaseerd op het concept van de hard-driven GTO, reduceert de opslagtijd van het uitschakelapparaat drastisch tot 1μs. Dit maakt de krachtige serieschakeling van krachtige uitschakelapparaten mogelijk. De homogene werking, vooral tijdens het afslaan, maakt het mogelijk om de dv/dt-demper te verminderen of zelfs te verwijderen. Samen met een goed ontwikkeld apparaatontwerp kunnen de verliezen en kosten van de omvormer aanzienlijk worden verminderd.

Stroomonderbrekers (circuit breakers)

Een vermogenselektronicacomponent die mijn interesse het meest heeft getrokken, is de stroomonderbreker. Stroomonderbrekers spelen niet alleen in de spoorwegindustrie, maar ook in de maritieme industrie een belangrijke rol vanuit het oogpunt van bescherming en veiligheid. Als dit op de juiste manier wordt geregeld kunnen downtime en risico’s tot het laagst mogelijke niveau worden teruggebracht.

Mechanische DC-breakers bestaan al heel lang en zijn in staat om DC-stromen binnen enkele milliseconden te onderbreken, maar dit is nog te traag om aan de eisen van een betrouwbaar DC-net te voldoen. DC-breakers op basis van halfgeleidertechnologie kunnen gemakkelijk de beperkingen van de werksnelheid overwinnen, maar genereren grote overdrachtsverliezen, typisch in het bereik van 30 procent van de verliezen van een spanningsbronconversiestation. Koplopers op het gebied van duurzaamheid in de tractie-industrie hebben dit probleem al onderkend en hebben een concept hybride DC-schakelaar gepresenteerd die zowel mechanische als op IGCT gebaseerde kenmerken bevat, en werken eraan om de technologie van concept naar prototypeniveau te brengen. Hybride gelijkstroomonderbrekers 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 ‘game changer’ te worden voor de duurzame spoorwegindustrie.

Afbeelding: een schematisch overzicht van belangrijke vermogenselektronicacomponenten in het omkeerbare onderstation.

Conclusie

Vooruitgang in ontwerp en innovatie, vooral in vermogenselektronica, verbeteren niet alleen bestaande spoorwegtoepassingen, maar ontwikkelen ook nieuwe. Het resultaat is een efficiëntere, betrouwbaardere spoorweginfrastructuur die veel kosteneffectiever is. Aangezien deze producten en systemen in de hele spoorwegsector zijn geïntegreerd, kunnen ze een nieuw tijdperk inluiden in het reizen per spoor, van zowel nieuw aangelegde als bestaande netwerken. De reis 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 nog veel bereikt worden in de nabije en verdere toekomst!