Het spoor veroudert, tijd voor een nieuwe bovenleiding /1 reactie

Het spoor veroudert, tijd voor een nieuwe bovenleiding

Er rijden steeds meer en snellere treinen, maar ze krijgen nog altijd hun stroom door een systeem van dunne draadjes boven het spoor. Dat blijkt nu verouderd. Naar verwachting stapt daarom volgend decennium al het treinverkeer over op een nieuwe bovenleiding. De spanning gaat omhoog naar 25 kilovolt wisselspanning, terwijl alle treinen nu nog op 1500 volt gelijkspanning rijden. Twee systemen die totaal niet samengaan. Los dat maar eens op.

Toen revolutonair, nu een last

Wat vroeger in de spoorbouw revolutionair leek, is nu een last. Spoorwegingenieurs besloten in 1920 dat alle elektrisch aangedreven treinen op 1500 Volt gelijkstroom moesten rijden. Gelijkspanning was logisch, omdat toen alleen gelijkspanningsmotoren goed regelbaar waren. Maar anderhalfduizend Volt was zo hoog dat de ingenieurs dachten daar wel een poosje mee vooruit te kunnen.

Ze kregen gelijk, want tachtig jaar lang bleek het een goede spanning. Maar nu komen de grenzen in zicht. Grotere, snellere en vooral meer gelijktijdig rijdende treinen vragen om steeds meer vermogen. Dat betekent dat grote elektrische stromen door de bovenleiding lopen. Het gevolg laat zich raden. Wanneer nu enkele treinen vlak na elkaar optrekken staan die draden boven het spoor bijna roodgloeiend door de elektrische weerstand. Niet alleen is dat zonde van de energie, maar ook beperkt dit het vermogen van de trein. Hierdoor kunnen niet veel treinen achter elkaar rijden, komt een goederentrein pas laat op snelheid en haalt een hogesnelheidstrein niet eens zijn topsnelheid.

AC-DC

Er moet dus meer vermogen naar de trein, en dat kan op verschillende manieren. Zo verschijnen er steeds meer elektriciteitshuisjes naast het spoor die energie van een elektriciteitscentrale naar de bovenleiding voeren. Dit maakt de weg door de bovenleiding naar de trein korter, waardoor minder energie aan transport verloren gaat. ‘Dit is natuurlijk geen definitieve oplossing’, zegt ir. Erwin Smulders, elektrotechnicus en seniorconsultant bij ingenieursbureau Movares. ‘We grappen soms dat binnenkort bij elk portaal een onderstation staat.’

Beter is het daarom naar de hoogte van de spanning en de stroom te kijken. Volgens de wet van Ohm is het product van die twee het vermogen. Dus je hoeft alleen of de spanning, of de stroom te verhogen om meer vermogen te krijgen. Smulders: ‘De maximale stroom is nu begrenst op 4000 Ampère. Die kan technisch gezien naar 5000 Ampère. Dat geeft weer even ruimte, maar de transportverliezen verergeren en het kost een hoop nieuwe onderdelen.’

Een stroomverhoging valt dus ook af. Dus blijft het verhogen van de spanning nog over. Ook dat geeft meer vermogen, en vraagt bij gelijk vermogen een lagere stroom. Dat betekent weer lagere transportverliezen, waardoor de bovenleiding dunner kan blijven. Op het moment richten de ingenieursbureau’s zich dan ook op deze optie. ‘Om met snellere treinen te rijden móet de bovenleiding ook lichter zijn’, aldus ir. Frans Többen, seniorprojectleider en adviseur bij Arcadis. ‘De huidige bovenleiding is zo zwaar dat bij hoge snelheid de draad in cadans raakt. Je krijgt dan slecht contact tussen de afnemer en de bovenleiding. Dit geeft bijvoorbeeld vlambogen, waardoor de leiding snel verslijt. Een hogere spanning betekent een lichtere bovenleiding en daardoor minder slijtage.’

25 KiloVolt

Maar hoe hoog wordt die spanning dan? ‘Als we overgaan, kiezen we voor 25 kiloVolt 50 Hz wisselspanning’, zegt Roelof Pieters, projectmanager 25 kV bij Prorail. ‘Nu is er alleen de keuze tussen 3000 Volt gelijkstroom en 25 kilovolt wisselstroom. De laatste is in Europa meestal in gebruik, dus dat weegt sterk mee. Daarbij stelt 25 kV nog niet die speciale eisen aan het materiaal die bij hogere spanningen (zoals 100 kV) wel spelen. Zo is transport van redelijk goedkope en betrouwbare energie mogelijk. Daarbij kan de wisselspanning beter getransformeerd worden en bovendien zijn wisselstroommotoren met een frequentieomvormer tegenwoordig prima te regelen. Ook treden met wisselspanning minder zwerfstromen op. Dat is gunstig, want bij gelijkstroom lopen er altijd zwerfstromen in de bodem die een hoop corrosie aan leidingen veroorzaken. En de componenten zijn nog eens ruim verkrijgbaar; een broodje van de bakker!’

Toch wijkt dan het 25kV systeem in Nederland af van andere landen. Pieters: ’Een hoge wisselspanning heeft door inductie invloed op de omgeving. Dat kan in Nederland niet, dus plaatsen we op de bovenleiding een tweede leiding, waarin de stroom tegengesteld loopt – negative feeder. Met autotransformatorposten (AT-post) brengen we daarbij de energie om de 7 tot 9 km op de bovenleiding. Dit kost natuurlijk wat extra, maar we beperken zo de invloed op de omgeving aanzienlijk.’

Pijnpunten

In Nederland zit het 25 kV systeem echter nu nog alleen op de de HSL en Betuweroute. De rest blijft voorlopig op 1500 V DC rijden.

In Nederland zit het 25 kV systeem echter nu nog alleen op de de HSL en Betuweroute. De rest blijft voorlopig op 1500 V DC rijden. ‘We bekijken in 2012 pas of we 25 kV landelijk gaan invoeren’, aldus ing. Paul Zuijdervliet, deskundige bovenleidingsystemen bij ProRail. ‘Een voedingsnet verander je namelijk niet zomaar. De afgelopen jaren hebben we onderzocht wat we allemaal tegenkomen als we het huidige net binnen vijf jaar zouden ombouwen. Het resultaat loog er niet om. Capaciteitsproblemen bij ingenieursbureaus en installateurs van bovenleidingen, technische problemen doordat 25 kV wisselspanning flink afwijkt van 1500 V gelijkspanning en erg hoge investeringskosten. Onze conclusie was daarom dat we nu niet binnen vijf jaar tijd gaan omzetten, maar in 2012 kijken of het dan, bijvoorbeeld door nieuwe technieken, beter en goedkoper kan. Eventueel beginnen we dan in 2017 met de invoering. Ondertussen onderzoeken we hoe we de knelpunten kunnen verminderen en passen we, als het nauwelijks extra kost, bij nieuwbouw of renovatie alvast onderdelen toe die ook geschikt zijn voor 25 kV.’

Schok

Terwijl ProRail nog even wacht, hebben ingenieursbureaus al bijna twee van de drie knelpunten opgelost. Zo kwam het capaciteitsprobleem voornamelijk door de eis om in vijf jaar om te bouwen. Door dit over langere tijd uit te smeren en nu alvast voorbereidingen te treffen lukt het wel. En volgens Remco Paulussen, senior consultant bij Arcadis, schiet het met de technische problemen ook aardig op: ‘Het probleem is dat wisselspanning en gelijkspanning elkaar bijten. Die moet je scheiden, terwijl we in Nederland alles bundelen. Daar waar de Betuweroute naast het gewone spoor ligt, hebben we dus een probleem. Ook knoop je 25 kV niet zomaar aan 1500 V DC. Voordat een 25kV AC trein op een 1500 V DC traject komt, rolt deze eerst door een spanningsloos gedeelte en schakelt daarin over op de andere spanning.

Ook de Betuweroute en HSL-Zuid kennen dergelijke spanningssluizen. Daarnaast verschilt de fysieke opbouw wezenlijk. Bij gelijkspanning wordt de rails zo goed mogelijk geïsoleerd vanwege zwerfstromen. Bij 25 kV wisselspanning moet het spoor juist aarden om te voorkomen dat passanten een elektrische schok van de rails krijgen. Door inductie ontstaat anders een spanningsverschil tussen de spoorstaaf en de aarde. Ook vereist de grote elektromagnetische invloed van 25 kV AC, dat de bovenleiding verder uit de buurt van andere voorwerpen blijft. In een bestaande tunnel moet dan de bovenleiding verder van het plafond af, terwijl treinen juist hoger worden. In theorie hebben we deze problemen al opgelost, bijvoorbeeld door overspanningen tijdig af te bouwen. Met ProRail en de TU Delft toetsen we nu de praktijk.’

De daadwerkelijke omzetting is daarbij een verhaal apart. Om het treinverkeer niet te veel te hinderen zullen voedingslijnen namelijk in een keer over moeten. Dat betekent dat er eerst een 25 kV bovenleiding wordt gebouwd, die tot het moment van overgang 1500 V DC levert. Paulussen: ‘Voor die periode krijgt het 25 kV systeem extra leidingen voor de grotere stromen. Die bevestigen we zo dat ze er tijdens de omzetting makkelijk af kunnen.’ De financiën vormen zo het laatste struikelblok voor de omzetting. Zuijdervliet: ‘Uit ons onderzoek bleek de invoering van een 25 kV een flinke kostenpost. Die proberen we nu te drukken door zoveel mogelijk voorwerk te verrichten. Maar daarmee alleen halen we het niet. De komende tijd blijven we daarom zoeken naar hoe we de financiële hobbel kunnen verlagen.’

Trucjes

Eén manier om de verandering van bovenleidingspanning goedkoper aan te pakken is al bedacht. Onlangs ontwikkelden ir. Erwin Smulders en ir. Hans Minkman van Holland Railconsult een concept, waarbij ze gebruikmaken van de Nederlandse opbouw van het 25 kV systeem. Smulders: ‘Deze lijnen hebben ongeveer om de 8 km een AT-post die energie transformeert en de elektromagnetische invloed op de omgeving beperkt. Door in die stations een trafo en gelijkrichter te plaatsen brengen we geen 25 kV AC maar 1500 V DC op de bovenleiding.

Daar is de 25 kV bovenleiding eigenlijk niet op ontworpen en die wordt dus warm. De AT-posten staan echter zo dicht bij elkaar dat de leiding 80 °C wordt als het huidige maximale vermogen wordt afgenomen en twee treinen vlak achter elkaar vertrekken. Dat is nog acceptabel.’ Het idee achter dit plan is dat bij invoering van 25 kV het verwijderen van een gelijkrichter bij elk onderstation volstaat en het spoor met een grondpen moet aarden. De extra gelijkrichters kosten geld, maar werken aan de bovenleiding hoeft niet meer, wat een besparing oplevert. ‘Met een rentestand van 3 procent is het rendabel als binnen dertig jaar na de bouw van de op deze wijze voorbereide 25 kV leiding wordt omgeschakeld’, zegt Smulders.

Volgens Roelof Pieters van Prorail is dit echter een theoretisch verhaal. ‘Technisch gezien is het goed, maar je moet niet nu al aanpassingen gaan doen in de AT-posten die je over jaren misschien toch anders wilt. De systeemopbouw van 25 kV in 2017 is simpelweg nog te onzeker.’

Reageren via Facebook

Over Jeroen Koot

Jeroen Koot is werktuigbouwkundige en redacteur bij Het Financieele Dagblad. Als freelance journalist publiceerde hij eerder in o.a. De Ingenieur, NRC.next en dagblad Trouw. (www.jeroenkoot.dse.nl).