Spanning op bovenleiding te laag voor snelle trein

De enerievoorziening van de Nederlandse Spoorwegen staat onder grote spanning. Het huidige systeem van 1500 Volt gelijkstroom kan het intensieve spoorverkeer nauwelijks nog van voldoende energie voorzien. Verder is de vraag of 1500 V voldoende is voor de Betuwelijn. Zeker is in ieder geval dat de Hoge Snelheids Trein hiermee niet uit de voeten kan, omdat met 1500 V niet het vermogen geleverd kan worden.

Het Ministerie van Verkeer en Waterstaat heeft aan Railned de opdracht gegeven om alternatieven voor het huidige systeem te onderzoeken. Railned is een dochteronderneming van de NS, die zich bezighoudt met het capaciteitsmanagement en de veiligheid van het Nederlandse spoorwegnet. Railned werkt bij het onderzoek samen met NS Rail Infrabeheer.In de loop van het jaar worden de resultaten van de studie bekend. Daarna neemt het ministerie een besluit.

'Het is duidelijk dat het huidige tractie-energiesysteem niet meer voldoet', zegt ir. R. Hemelrijk van Railned. 'In essentie is het technologie uit de jaren dertig, die steeds is verbeterd. Nu zit er niet veel rek meer in.' Vanouds heeft Nederland een zeer druk bereden spoorwegnet, waarin de afstanden tussen de stations kort is. Dat betekent dat treinen vaak optrekken, wat veel energie kost.

Dubbeldekstreinen

Met de dubbeldekstreinen kunnen de NS bij dezelfde treinlengte meer passagiers vervoeren. Deze treinen zijn zwaarder dan andere treinen. Verder trekken ze sneller op, waardoor ze makkelijker zijn in te passenussen sneltreinen. Daardoor rijden er meer treinen op een baanvak. De prijs voor deze capaciteitsverbetering is een hoger energieverbruik. Omdat het aantal reizigers ook toeneemt, leidt dit niet tot een hoger energieverbruik per passagier. 'We kijken naar vijf gangbare spanningssystemen', zegt Hemelrijk. 'In de eerste plaats kunnen we het huidige systeem van 1500 V gelijkstroom handhaven. Dit kan een oplossing zijn voor het grootste deel van het spoorwegnet. Voor de HST moeten we een hogere spanni gebruiken. Dat kan 25.000 V of 15.

000 V wisselstroom zijn. De eerste heeft een frequentie van 50 Hertz, de tweede van 16 2/3 Hz. Tenslotte bestuderen we gelijkstroomsystemen van 3000 V en 750 V.' De laatste spanning is gebruikelijk bij de zogenaamde light rail systemen, zoals trams en metro's. Dit systeem kan overwogen worden bij nieuwe tracés voor Randstad-verkeer.

Elektrisch vermogen is het produkt van spanning en stroomsterkte. Omdat de huidige spanning vrij laag is, wordt met grote stroomsterktes gewerkt. De onderstations, die de bovenleiding voeden, kunnen nu maximaal 4000 Ampère leveren. Als treinen tussen twee onderstations gedurende langere tijd 4000 A uit de bovenleiding trekken, daalt de spanning. De kritische grens hierbij is 1050 V. Als gevolg hiervan kunnen de treinen niet voldoende vermogen ontwikkelen. Een dergelijke toestand is nu al geen uitzondering meer.

Rail 21, het plan van de NS voor de komende jaren, kan niet uitgevoerd worden met 4000 A. Er is dan zeker 5000 A nodig. Deze stroomsterkte, zegt Hemelrijk, is het maximum dat haalbaar is. Het is nog een open vraag of de Betuwelijn, waarover zware goederentreinen met een behoorlijke snelheid moeten rijden, genoeg heeft aan 1500 V met 5000 A.

Aanpassing van het tractie-energiesysteem aan 5000 A brengt veel technische problemen met zich mee. Alle elektrische elementen moeten zwaarder worden uitgevoerd. Dat vereist aanpassingen in locomotieven, treinstellen, onderstations en de bovenleiding. De laatste moet uitgebreid worden met extra draden voor de voeding.

Ook bepaalde mechanische delen van de treinen moeten worden aangepast. De retourstroom vloeit via de lagers, assen en wielen naar de spoorstaven. Nu al zorgen de sterke stromen voor schade aan de lagers. Er kunnen putten in komen. Daarnaast zullen de zwerfstromen sterker worden. Deze ontstaan door weerstandsverschillen tussen de spoorstaven en de grond. De stroom gaat dan deels via de grond naar de onderstations in plaats van via de spoorstaven. Dit leidt tot corrosie van leidingen in de grond, die daartegen beschermd moeten worden.

Hoge spanningen veroorzaken geen problemen met lagers en zwerfstromen en vereisen lichtere elektrische elementen. Wel zijn er forse aanpassingen aan locomotieven en treinstellen nodig. Bovendien moet er dan een nieuw systeem voor treindetectie en automatische treinbeveiliging komen. Het huidige systeem maakt gebruik van wisselstroom-signalen, die via de spoorstaven verstuurd worden. Deze kunnen gescheiden worden van de gelijkstroom voor de tractie. Als deze echter met wisselstroom rijdt, kunnen dergelijke signalen niet meer onderscheiden worden. Er moet dan een nieuwe methode voor communicatie met de treinen komen.

Kostenbesparing

Hoge spanning brengt op de lange termijn een flinke kostenbesparing met zich mee. Als het huidige systeem geschikt gemaakt wordt, moet het aantal onderstations verhoogd worden van 160 tot 320. Bij 15.000 of 25.000 V daalt dit aantal tot 35 à 40. De besparing op onderhoud is navenant. Verder ontstaat bij hogere spanning een lagere stroomsterkte. Dit leidt tot kleinere verliezen in de bovenleiding en daarmee tot verbetering van het rendement. Dit stijgt met ongeveer vijf procent. Wat de kosten betreft maakt het niet uit of het 1500 V-systeem verbeterd wordt of dat er een hogere spanning komt. Met beide operaties zijn enkele miljarden guldens gemoeid. Bij de hogere spanning is dit ongeveer gelijk verdeeld over infrastructuur en rollend materieel.

Welk systeem het zal worden, is nog nt besloten, maar er zijn wel gefundeerde speculaties mogelijk. Het huidige systeem kan nog één keer worden 'opgevoerd'. Daarna moet er sowieso iets nieuws komen.

Het Duitse systeem van 15.000 V / 16 2/3 Hz sluit niet aan bij de 50 Hz wisselspanning, die de Nederlandse elektriciteitscentrales leveren. Een overweging om het toch te bestuderen is, dat de Betuwelijn aansluit op het Duitse spoorwegnet. Het Franse systeem van 25.000 V / 50 Hz past goed bij de Nederlandse stroomvoorziening. Dit lijkt dan ook de beste papieren te hebben.