Demiryolu elektrifikasyon sistemi

Demiryolu elektrifikasyonu, trenlerin hareketini sağlamak için elektrik enerjisinin kullanılmasıdır. Elektrikli demiryollarında genellikle iki tür tren kullanılır: yolcu veya yük vagonlarını çeken elektrikli lokomotifler ve her vagonunda kendi motoru bulunan elektrikli çoklu üniteler (EMU). Bazen bu iki tip tren birlikte de kullanılabilir.

Katener tipi elektrifikasyon sistemi kullanan bir İZBAN E 22000 treni

Elektrik enerjisi tipik olarak büyük ve verimli santrallerde üretildikten sonra demiryolu ağına iletilir ve buradan da trenlere dağıtılır. Bazı demiryolları kendi elektrik üretim ve iletim hatlarına sahip olsa da, çoğu elektriği genel elektrik şirketlerinden satın alır. Demiryolu şirketi ise genellikle kendi elektrik dağıtım hatlarını, şalterlerini ve transformatörlerini kurar. Hareket halindeki trenlere elektrik, ray boyunca uzanan sürekli bir elektrik hattı aracılığıyla sağlanır. Bu genellikle iki temel yöntemle gerçekleşir: rayların üzerinde direkler veya tünel tavanlarına asılı duran ve trenin üzerindeki pantograf adı verilen bir düzenekle temas eden havai hat sistemi, ya da ray seviyesine monte edilmiş ve trenin altındaki kayıcı bir akım alıcısıyla temas eden üçüncü ray sistemi. Çoğu zaman hem havai hat hem de üçüncü ray sistemlerinde trenin kullandığı raylar elektriğin geri dönüş yolu olarak işlev görürken, bazı sistemlerde bu amaç için ayrı bir dördüncü ray kullanılır.

Dizel motorlu trenlere kıyaslandığında, elektrikli demiryolları önemli ölçüde daha yüksek enerji verimliliği, daha düşük emisyon seviyeleri ve daha ekonomik işletme maliyetleri sunar. Elektrikli lokomotifler genellikle dizel muadillerine göre daha sessiz, daha güçlü, daha hızlı tepki veren ve daha güvenilirdir. Ayrıca, bulundukları ortamda herhangi bir zararlı gaz salınımı yapmamaları, özellikle tüneller ve şehir içi bölgeler için büyük bir avantajdır. Bazı elektrikli tren sistemlerinde bulunan rejeneratif frenleme özelliği sayesinde, trenin hareket enerjisi tekrar elektriğe dönüştürülerek enerji sistemine geri verilir ve diğer trenler veya genel elektrik şebekesi tarafından kullanılabilir. Dizel lokomotifler petrol ürünleri yakarken, elektrik enerjisi yenilenebilir kaynaklar da dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan üretilebilir. Tarihsel olarak, kaynaklara bağımsızlık duyma arzusu da demiryolu hatlarının elektrikleştirilmesi kararında etkili olmuştur. Örneğin, denize kıyısı olmayan ve petrol ile kömür yatakları açısından fakir ancak hidroelektrik potansiyeli yüksek olan İsviçre, demiryolu ağını kısmen iki Dünya Savaşı sırasındaki enerji tedarik sorunlarına bir yanıt olarak elektrikleştirmiştir.

Elektrikli demiryollarının bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Bunlar arasında, düşük trafik yoğunluğuna sahip hatlarda ekonomik olmayabilecek yüksek başlangıç yatırım maliyetleri, elektrikli trenlerin havai hatlara veya üçüncü raylara ihtiyaç duyması nedeniyle daha az esneklik ve elektrik kesintilerine karşı hassasiyet sayılabilir. Elektro-dizel lokomotifler ve elektro-dizel çoklu üniteler, elektrik kesintisi durumlarında veya elektrifikasyonu olmayan hatlarda dizel motorla çalışabilme özellikleriyle bu sorunları kısmen azaltmaktadır.

Farklı bölgelerde farklı elektrik besleme voltajları ve frekansları kullanılabildiğinden, kesintisiz uluslararası veya bölgeler arası seferler karmaşıklaşabilir ve lokomotiflerin daha gelişmiş güç sistemlerine sahip olması gerekebilir. Geçmişte, çift katlı vagon taşımacılığında havai hatlarla ilgili yükseklik sorunları yaşanırken, 2022 itibarıyla bu durum genel bir sorun olmaktan çıkmıştır. Hem Hindistan Demiryolları hem de Çin Demiryolları düzenli olarak havai hatların altında elektrikli çift katlı yük trenleri çalıştırmaktadır.

Son yıllarda demiryolu elektrifikasyonu sürekli olarak artış göstermiş olup, 2022 yılı itibarıyla dünya genelindeki toplam demiryolu hatlarının yaklaşık üçte biri elektrikli hatlardan oluşmaktadır.

Tarihçe

Demiryolu elektrifikasyonu, trenleri ve lokomotifleri dizel veya buhar yerine elektrikle çalıştırma fikrinin gelişimidir. Bu alandaki ilk adımlar 19. yüzyılın sonlarına doğru atıldı. Berlin, Londra ve New York gibi şehirlerde ilk elektrikli tramvayların ortaya çıkmasıyla bu süreç başladı. 1881'de Almanya'nın Berlin şehrindeki Gross-Lichterfelde Tramvayı, dünyadaki ilk kalıcı demiryolu elektrifikasyonu oldu. Havai hat elektrifikasyonunun başarılı bir şekilde ilk uygulaması ise 1887-1888 yıllarında Frank Sprague tarafından Richmond, Virginia'da gerçekleştirildi. Bu başarı, 1890'ların başlarına kadar yüzlerce şehir içi tramvay sisteminin elektriklenmesine öncülük etti. Ana hat demiryolunun ilk elektrifikasyonu ise 1895-96 yıllarında Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Baltimore ve Ohio Demiryolu'nun Baltimore Belt Hattı'nda yapıldı.

Demiryollarının ilk elektrifikasyon denemelerinde doğru akım (DC) güç sistemleri kullanılıyordu. Ancak bu sistemlerin güç iletim mesafesi sınırlıydı. 20. yüzyılın başlarında alternatif akım (AC) güç sistemlerinin geliştirilmesiyle bu sorun aşıldı ve elektrik enerjisinin daha uzun mesafelere daha verimli bir şekilde iletilmesi mümkün hale geldi. 1920'ler ve 1930'larda dünya genelinde birçok ülke demiryollarını elektrikleştirmeye başladı. Avrupa'da İsviçre, İsveç, Fransa ve İtalya bu alanda öncü ülkeler arasındaydı. Amerika Birleşik Devletleri'nde ise New York, New Haven ve Hartford Demiryolu elektrikleşen ilk büyük demiryollarından biriydi. Demiryolu elektrifikasyonu 20. yüzyıl boyunca teknolojik gelişmeler ve yüksek hızlı trenler ile banliyö trenlerinin geliştirilmesiyle birlikte yaygınlaşmaya devam etti. Bugün Çin, Hindistan, Japonya, Fransa, Almanya ve Birleşik Krallık gibi birçok ülke geniş elektrikli demiryolu ağlarına sahip ve dünya genelinde 375.000 km standart hat elektrikli durumda. Elektrifikasyon, dizel veya buhar gücüne göre daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir alternatif olarak görülüyor ve birçok ülkenin ulaşım altyapısının önemli bir parçasını oluşturuyor.

Sınıflandırılması

Elektrikli demiryolu sistemleri temel olarak üç ana parametreye göre sınıflandırılır:

• Voltaj (Gerilim): Kullanılan elektrik enerjisinin potansiyel farkı.
• Akım Türü: Elektriğin akış yönünün sabit (Doğru Akım - DC) mi yoksa periyodik olarak değişen (Alternatif Akım - AC) mi olduğu. AC sistemlerde ayrıca frekans (saniyedeki değişim sayısı) da önemli bir parametredir.
• Temas Sistemi: Elektriğin hareket eden trene nasıl ulaştırıldığı. Bu genellikle havai hatlar (katener sistemleri), üçüncü ray, dördüncü ray veya yer seviyesinden güç beslemesi şeklinde olabilir.

Bir elektrifikasyon sisteminin seçimi, enerji tedarikinin maliyeti, bakım giderleri ve ilk yatırım maliyetlerinin, yük ve yolcu taşımacılığından elde edilen gelire kıyasla ekonomik olup olmamasına dayanır. Şehir içi ve şehirlerarası bölgeler için farklı sistemler kullanılabilir. Bazı elektrikli lokomotifler, operasyonel esneklik sağlamak amacıyla farklı besleme voltajları arasında geçiş yapabilirler.

Standartlaştırılmış Voltajlar:

Avrupa ve uluslararası alanda standardizasyon için en yaygın kullanılan altı voltaj seçilmiştir. Bu voltajlardan bazıları kullanılan temas sisteminden bağımsızdır. Örneğin, 750 V DC hem üçüncü ray hem de havai hat sistemleriyle kullanılabilir.

Dünya genelinde demiryolu elektrifikasyon sistemleri için kullanılan birçok farklı voltaj sistemi bulunmaktadır ve demiryolu elektrifikasyon sistemleri listesi hem standart hem de standart dışı voltaj sistemlerini kapsamaktadır.

Standartlaştırılmış voltajlar için izin verilen voltaj aralığı, BS EN 50163 ve IEC 60850 standartlarında belirtilmiştir. Bu standartlar, akım çeken tren sayısını ve bu trenlerin trafo merkezine olan mesafesini dikkate alır.

Elektrifikasyon türü	Voltaj
	Minimum Geçici	Minimum Kalıcı	Nominal	Maksimum Kalıcı	Maksimum Geçici
600 V DC	400 V	400 V	600 V	720 V	800 V
750 V DC	500 V	500 V	750 V	900 V	1,000 V
1,500 V DC	1,000 V	1,000 V	1,500 V	1,800 V	1,950 V
3 kV DC	2 kV	2 kV	3 kV	3.6 kV	3.9 kV
15 kV AC, 16.7 Hz	11 kV	12 kV	15 kV	17.25 kV	18 kV
25 kV AC, 50 Hz (EN 50163) and 60 Hz (IEC 60850)	17.5 kV	19 kV	25 kV	27.5 kV	29 kV

Doğru akım

Doğru akım sistemleri ise genellikle daha düşük voltaj seviyelerinde ve özellikle şehir içi ulaşım sistemlerinde (metro, tramvay gibi) yaygın olarak kullanılır. DC sistemlerinde transformatörler kullanılamaz, bu nedenle enerji genellikle üretim kaynağından veya bir trafo merkezinden dönüştürülerek doğrudan iletilir. DC motorları, özellikle daha düşük voltaj aralıklarında basit ve güvenilir bir performans sunar. Üçüncü ray gibi bazı temas sistemleri, teknik sınırlamalar nedeniyle genellikle DC ile çalışır. DC sistemleri, özellikle sık dur-kalk gerektiren ve daha kısa mesafelerde enerji iletiminin yapıldığı uygulamalarda, ilk yatırım maliyetleri ve sistem karmaşıklığı açısından avantaj sağlayabilir. Ancak, uzun mesafelerde enerji kaybı AC sistemlerine göre daha yüksek olabilir.

Havai hatlar

600 V - 750 V DC: Bu aralıktaki DC voltajları, çoğu tramvay ve troleybüs ağı ile bazı metro sistemleri tarafından kullanılmaktadır. Bunun nedeni, çekiş motorlarının bu voltajı araç üzerinde bir transformatörün ağırlığına ihtiyaç duymadan kabul edebilmesidir.

1500 V DC: Bu voltaj Japonya, Endonezya, Hong Kong'un bazı kısımları, İrlanda, Avustralya'nın bazı bölgeleri, Fransa (25 kV 50 Hz AC ile birlikte), Hollanda, Yeni Zelanda (Wellington), Singapur (Kuzey Doğu MRT hattı), Amerika Birleşik Devletleri'nde (Chicago bölgesindeki Metra Electric ve South Shore Line banliyö hatları ile Seattle, Washington'daki Link hafif raylı sistem) kullanılmaktadır. Slovakya'da Yüksek Tatra Dağları'nda iki dar hatlı demiryolu (biri kremayerli) bulunmaktadır. Hollanda'da ana sistemde, HSL-Zuid ve Betuwelijn'de 25 kV ile birlikte ve Maastricht'in güneyinde 3000 V ile birlikte kullanılır. Portekiz'de Cascais Hattı'nda ve Danimarka'da banliyö S-tren sisteminde (1650 V DC) kullanılmaktadır.

Birleşik Krallık'ta 1500 V DC, 1954'te Woodhead trans-Pennine güzergahında (şimdi kapalı) kullanılıyordu; bu sistem rejeneratif frenlemeye sahipti ve tünelin dik yaklaşımlarında tırmanan ve inen trenler arasında enerji transferine olanak tanıyordu. Bu sistem aynı zamanda Doğu Londra ve Manchester'daki banliyö elektrifikasyonunda da kullanılmış olup, günümüzde 25 kV AC'ye dönüştürülmüştür. Şu anda sadece Tyne and Wear Metro'sunda kullanılmaktadır. Hindistan'da 1500 V DC, 1925'te Mumbai bölgesinde başlatılan ilk elektrifikasyon sistemiydi. 2012 ile 2016 yılları arasında bu elektrifikasyon, ülke çapındaki sistem olan 25 kV 50 Hz'ye dönüştürülmüştür.

3000 V DC: Bu voltaj Belçika, İtalya, İspanya, Polonya, Slovakya, Slovenya, Güney Afrika, Şili, Çek Cumhuriyeti'nin kuzey kısmı, eski Sovyetler Birliği cumhuriyetleri ve Hollanda'da Maastricht ile Belçika arasındaki birkaç kilometrelik hatta kullanılmaktadır. Daha önce Amerika Birleşik Devletleri'nde Milwaukee Road tarafından Harlowton, Montana'dan Seattle'a, Kıtalararası Bölünme boyunca ve Montana'daki geniş şube ve döngü hatları dahil olmak üzere, Delaware, Lackawanna ve Western Railroad (şimdi New Jersey Transit, 25 kV AC'ye dönüştürüldü) tarafından ve Hindistan'da Kolkata banliyö demiryolu (Bardhaman Ana Hattı) tarafından 25 kV 50 Hz'ye dönüştürülmeden önce kullanılmıştır.

Üçüncü ray

Çoğu elektrikli demiryolu sistemi elektriği trenlere ulaştırmak için havai hatları kullanır. Ancak, 1500 V'a kadar olan sistemlerde üçüncü ray da bir seçenek olarak değerlendirilebilir. Üçüncü ray sistemleri neredeyse tamamen doğru akım (DC) dağıtımını kullanır. Alternatif akım (AC) kullanımı genellikle uygun değildir. Bunun nedeni, bir çelik rayda AC'nin nüfuz edebildiği "skin depth" (yüzey etkisi derinliği) mesafesinin çok küçük (yaklaşık 0.3 milimetre) olmasıdır. Bu durum, birim uzunluk başına direncin DC kullanımına kıyasla kabul edilemez derecede yüksek olmasına yol açar.

Üçüncü ray sistemi, havai hatlara göre daha az yer kaplar ve bu özellik, metro sistemleri için önemli bir faktör olan daha küçük çaplı tünellerde kullanılabilirliğini artırır.

Dört Ray Sistemi

İngiltere'deki Londra Metrosu, dört ray sistemini kullanan az sayıdaki ağdan biridir. Bu ek ray, üçüncü ray ve havai hat sistemlerinde dönüş akımını taşıyan normal tren rayları yerine elektrik dönüşünü sağlar. Londra Metrosu'nda, rayın yanında bulunan üstten temaslı üçüncü ray +420 V DC ile enerjilendirilirken, normal rayların ortasında yer alan üstten temaslı dördüncü ray -210 V DC ile beslenir. Bu iki ray birlikte 630 V DC'lik bir çekiş voltajı sağlar. Aynı sistem, Milano'nun en eski metro hattı olan Milano Metro'nun 1. hattında da kullanılmıştır; ancak daha yeni hatlarında havai katener veya üçüncü ray sistemi tercih edilmiştir.

Dört ray sisteminin temel avantajı, normal tren raylarının herhangi bir elektrik akımı taşımamasıdır. Bu düzenleme, topraklanmış olması beklenen normal raylar üzerinden geçmesi gereken dönüş akımlarının bunun yerine demir tünel kaplamalarından akması sorunları nedeniyle uygulamaya konulmuştur. Bu durum, tünel segmentleri elektriksel olarak birbirine iyi bağlanmamışsa elektrolitik hasara ve hatta ark oluşumuna neden olabilir. Sorun, dönüş akımının yakındaki su ve gaz boruları gibi demir borulardan da akma eğiliminde olmasıyla daha da kötüleşmiştir. Özellikle Londra metrosundan önce inşa edilen Viktorya dönemi boru hatlarının bazıları akım taşıyacak şekilde inşa edilmemişti ve boru segmentleri arasında yeterli elektriksel bağlantı yoktu. Dört ray sistemi bu sorunu çözer. Beslemede yapay olarak oluşturulmuş bir toprak noktası olmasına rağmen, bu bağlantı, kaçak toprak akımlarının yönetilebilir seviyelerde tutulmasını sağlayan dirençler kullanılarak elde edilir. ¹ Yalnızca güç taşıyan raylar, akım sızıntısını en aza indirmek için güçlü yalıtkan seramik mesnetler üzerine monte edilebilir; ancak trenlerin ağırlığını taşıması gereken normal raylar için bu mümkün değildir, daha güçlü metal mesnetlere oturtulmaları gerekir. Bununla birlikte, raylar ve mesnetler arasına yerleştirilen elastomerik kauçuk pedler, normal raylardan bir kaçak olması durumunda rayları akım dönüşünden yalıtarak sorunun bir kısmını çözebilir.

Alternatif akım

Demiryolu sistemlerinde ve elektrik şebekelerinde doğru akım (DC) yerine alternatif akımın (AC) tercih edilmesinin temelinde, elektrik enerjisinin iletiminde verimliliği önemli ölçüde artıran transformatörlerin kullanımı yatar. Transformatörler, yalnızca alternatif akımla çalışarak voltaj seviyesini yükseltme veya düşürme yeteneğine sahiptir. Elektrik gücü, voltaj ile akımın çarpımıyla belirlendiğinden, aynı miktarda gücü daha yüksek bir voltajla iletmek, daha düşük bir akım anlamına gelir. Elektrik hatlarındaki enerji kaybı ise akımın karesiyle doğru orantılıdır. Dolayısıyla, yüksek voltaj ve düşük akım kullanımı, uzun mesafelerde enerji iletimindeki kayıpları önemli ölçüde azaltır ve daha fazla gücün hedefe ulaştırılmasını sağlar. Elektrikli lokomotiflerde, yüksek voltajlı AC beslemesi alındıktan sonra, bir transformatör aracılığıyla çekiş motorlarının ve yardımcı sistemlerin ihtiyaç duyduğu daha düşük voltaj seviyelerine indirilir.

AC sistemlerinin erken dönemlerdeki bir diğer önemli avantajı, DC lokomotiflerinde hız kontrolü için kullanılan ve önemli ölçüde enerji kaybına neden olan dirençlere ihtiyaç duyulmamasıydı. AC lokomotiflerinde, transformatör üzerindeki farklı sargı uçları sayesinde çeşitli voltaj seviyeleri elde edilebilmekte ve bu da daha verimli bir hız kontrolü sağlamaktaydı. Ayrıca, lokomotiflerdeki aydınlatma ve yardımcı makineleri çalıştıran motorlar için de ayrı düşük voltajlı transformatör sargıları kullanılırdı. Günümüzde ise, yüksek güçlü yarı iletken teknolojilerindeki gelişmeler, geleneksel DC motorlarının yerini büyük ölçüde değişken frekans sürücüleri (VFD) ile kontrol edilen üç fazlı asenkron motorlara bırakmasına olanak tanımıştır. Bu modern sürücüler, frekansı ve voltajı eş zamanlı olarak değiştirerek motor hızını hassas bir şekilde ayarlayabilir ve hem DC hem de herhangi bir frekanstaki AC beslemesiyle etkin bir şekilde çalışabilirler. Bu sayede, günümüzün birçok elektrikli lokomotifi, uluslararası sınır geçişlerinde operasyonel kolaylık sağlamak amacıyla farklı besleme voltajlarını ve frekanslarını destekleyecek şekilde tasarlanmaktadır.

Düşük Frekanslı Alternatif Akım Sistemleri

Beş Avrupa ülkesi - Almanya, Avusturya, İsviçre, Norveç ve İsveç - tek fazlı 15 kV 16+2⁄3 Hz (50 Hz şebeke frekansının üçe bölünmesiyle elde edilen değer) AC standardını benimsemiştir. 16 Ekim 1995 tarihinde Almanya, Avusturya ve İsviçre, 16+2⁄3 Hz frekansından 16.7 Hz frekansına geçiş yapmıştır. Bu yeni frekans, şebeke frekansının tam olarak üçte biri olmamakla birlikte, şebeke beslemesinden bu enerjinin bir kısmını üretmek için kullanılan döner konvertörlerdeki aşırı ısınma sorunlarını çözmüştür.

Amerika Birleşik Devletleri'nde ise New York, New Haven ve Hartford Demiryolu, Pennsylvania Demiryolu ve Philadelphia ve Reading Demiryolu 11 kV 25 Hz tek fazlı AC sistemini kullanmıştır. Orijinal elektrikli ağın bazı kısımları hala 12 kV'a yükseltilmiş voltajla 25 Hz'de çalışırken, diğer kısımları 12.5 veya 25 kV 60 Hz'ye dönüştürülmüştür.

Birleşik Krallık'ta, London, Brighton ve South Coast Demiryolu, Londra'daki banliyö hatlarının havai hat elektrifikasyonuna öncülük etmiştir. Londra Köprüsü'nden Victoria'ya olan hat 1 Aralık 1909'da trafiğe açılmıştır. Victoria'dan Balham ve West Norwood üzerinden Crystal Palace'a olan hat Mayıs 1911'de, Peckham Rye'dan West Norwood'a olan hat ise Haziran 1912'de açılmıştır. I. Dünya Savaşı nedeniyle daha fazla genişleme yapılamamıştır. 1925 yılında Southern Railway tarafından Coulsdon North ve Sutton tren istasyonlarına hizmet veren iki hat 6.7 kV 25 Hz ile elektrikleştirilmiştir. 1926'da tüm hatların DC üçüncü raya dönüştürüleceği açıklanmış ve havai hatla çalışan son elektrikli servis Eylül 1929'da sona ermiştir.

Standart Frekanslı Alternatif Akım Sistemleri

Kuzey Amerika'da (yukarıda bahsedilen 25 Hz ağı hariç), Suudi Arabistan, Batı Japonya, Güney Kore ve Tayvan'da elektrik enerjisi 60 Hz frekansında alternatif akım (AC) ile kullanılırken, birçok Avrupa ülkesi, Hindistan, Doğu Japonya ve eski Sovyetler Birliği ülkelerinde 50 Hz frekansı standarttır. Batı Avrupa'nın büyük bir bölümündeki yüksek hızlı tren hatlarında da (DC ile konvansiyonel demiryollarını işletmeye devam eden ancak yukarıda belirtilen 16.7 Hz'i kullanmayan ülkeler hariç) genellikle 50 Hz AC kullanılır. Bu tür sistemlerin çoğu 25 kV ile çalışır, ancak Amerika Birleşik Devletleri'nde 12.5 kV'luk bölümler ve Japonya'daki bazı dar hatlı demiryollarında 20 kV da kullanılmaktadır. "Fransız sistemi" Yüksek Hızlı Hatlarında (HSL'ler), havai hat ve bir " travers" besleme hattının her biri raylara göre 25 kV taşır, ancak zıt fazda olduklarından birbirlerine göre 50 kV potansiyelindedirler. Otomatik transformatörler düzenli aralıklarla gerilimi eşitler.

Karşılaştırma

Ana Hatlarda AC ve DC Sistemlerinin Karşılaştırılması

Modern elektrifikasyon sistemlerinin büyük bir çoğunluğu, elektrik şebekesinden aldığı AC enerjisini lokomotife iletir ve lokomotif içinde bu enerji, çekiş motorlarında kullanılmak üzere daha düşük bir DC voltajına dönüştürülür ve doğrultulur. Bu motorlar doğrudan DC kullanan DC motorları olabileceği gibi, DC'nin değişken frekanslı üç fazlı AC'ye (güç elektroniği kullanılarak) daha fazla dönüştürülmesini gerektiren üç fazlı AC motorları da olabilir. Dolayısıyla her iki sistem de aynı görevle karşı karşıyadır: elektrik şebekesinden gelen yüksek voltajlı AC'yi lokomotifte düşük voltajlı DC'ye dönüştürmek ve taşımak. AC ve DC elektrifikasyon sistemleri arasındaki temel fark, AC'nin DC'ye nerede dönüştürüldüğüdür: trafo merkezinde mi yoksa tren üzerinde mi? Bir ağda hangisinin kullanılacağını enerji verimliliği ve altyapı maliyetleri belirler, ancak bu genellikle önceden var olan elektrifikasyon sistemleri nedeniyle sabittir.

Elektrik enerjisinin hem iletimi hem de dönüştürülmesi kayıpları içerir: kablolarda ve güç elektroniğinde ohmik kayıplar, transformatörlerde ve yumuşatma reaktörlerinde (indüktörler) manyetik alan kayıpları. DC sistemi için güç dönüştürme işlemi esas olarak demiryolu trafo merkezinde gerçekleşir; burada büyük, ağır ve daha verimli donanım kullanılabilir. Buna karşılık, AC sisteminde dönüştürme işlemi, alanın sınırlı olduğu ve kayıpların önemli ölçüde daha yüksek olduğu lokomotif üzerinde gerçekleşir. Bununla birlikte, birçok AC elektrifikasyon sisteminde kullanılan daha yüksek voltajlar, daha uzun mesafelerde iletim kayıplarını azaltır ¹ ve daha az sayıda trafo merkezi veya daha güçlü lokomotiflerin kullanılmasına olanak tanır. Ayrıca, transformatörleri, güç elektroniğini (doğrultucular dahil) ve diğer dönüştürme donanımını soğutmak için kullanılan hava üfleme enerjisi de hesaba katılmalıdır.   

Elektrikli ve Dizel Trenlerin Karşılaştırılması

Enerji Verimliliği

Elektrikli trenler, ana hareket ettirici (motor), transmisyon ve yakıt ağırlığını taşımak zorunda değildir. Bu avantaj, elektrikli ekipmanların ağırlığıyla kısmen dengelenir. Elektrikli trenlerdeki rejeneratif frenleme sistemi, trenin kinetik enerjisini tekrar elektrik enerjisine dönüştürerek elektrifikasyon sistemine geri besler. Bu enerji, aynı sistemdeki diğer trenler tarafından kullanılabilir veya genel elektrik şebekesine iade edilebilir. Bu özellik, özellikle ağır yüklü trenlerin uzun eğimleri inmesi gereken dağlık bölgelerde oldukça faydalıdır.

Merkezi elektrik santralleri genellikle mobil bir motor/jeneratörden daha yüksek verimlilikle elektrik üretebilir. Elektrik santrali üretimi ve dizel lokomotif üretiminin nominal rejimdeki verimlilikleri kabaca aynı olsa da, dizel motorlar düşük güçteki nominal olmayan rejimlerde verimliliklerini kaybederken, bir elektrik santrali daha az güç üretmesi gerektiğinde en verimsiz jeneratörlerini kapatarak genel verimliliğini artırır. Elektrikli tren, rejeneratif frenleme sayesinde ve dizel lokomotiflerin dururken veya boşta giderken enerji tüketmesine gerek olmaması sayesinde (dizele kıyasla) enerji tasarrufu sağlayabilir. Ancak, elektrikli hareketli araçlar dururken veya boşta giderken soğutma fanlarını çalıştırabilir ve bu da enerji tüketimine yol açar.

Büyük fosil yakıtlı elektrik santralleri yüksek verimlilikle çalışır ve bölgesel ısıtma veya soğutma üretimi için de kullanılabilir, bu da daha yüksek bir toplam verimliliğe yol açar. Elektrikli demiryolu sistemleri için elektrik, aynı zamanda kirlilik veya emisyon üretmeyen yenilenebilir enerji kaynaklarından, nükleer enerjiden veya diğer düşük karbonlu kaynaklardan da elde edilebilir.

Çıkış Gücü

Elektrikli lokomotifler, çoğu dizel lokomotife kıyasla önemli ölçüde daha yüksek güç çıkışıyla kolayca inşa edilebilir. Yolcu taşımacılığında dizel motorlarla yeterli güç sağlamak mümkün olsa da (örneğin 'ICE TD'ye bakınız), daha yüksek hızlarda bu durum maliyetli ve pratik olmamaktadır. Bu nedenle, neredeyse tüm yüksek hızlı trenler elektriklidir. Elektrikli lokomotiflerin yüksek gücü, onlara eğimli arazilerde daha yüksek hızlarda yük çekme yeteneği de verir; karma trafik koşullarında bu, trenler arasındaki sürenin azaltılmasıyla kapasiteyi artırır. Elektrikli lokomotiflerin daha yüksek gücü ve bir elektrifikasyon sistemi, bir sistemdeki tren ağırlıkları artırılmak isteniyorsa, yeni ve daha az eğimli bir demiryoluna daha ucuz bir alternatif de olabilir.

Öte yandan, düşük trafik sıklığına sahip hatlar için elektrifikasyon uygun olmayabilir, çünkü trenlerin daha düşük işletme maliyeti, elektrifikasyon altyapısının yüksek maliyetiyle dengelenebilir veya aşılabilir. Bu nedenle, gelişmekte olan veya seyrek nüfuslu ülkelerdeki çoğu uzun mesafe hattı, nispeten düşük tren sıklığı nedeniyle elektrikli değildir.

Ağ Etkisi

Elektrifikasyonda ağ etkileri büyük bir faktördür. Hatlar elektrikli hale getirilirken, diğer hatlarla olan bağlantılar dikkate alınmalıdır. Bazı elektrifikasyonlar, elektrikli olmayan hatlara olan transit trafik nedeniyle sonradan kaldırılmıştır. Transit trafiğin herhangi bir fayda sağlaması isteniyorsa, bu bağlantıları kurmak için zaman alıcı lokomotif değişiklikleri yapılmalı veya pahalı çift modlu lokomotifler kullanılmalıdır. Bu durum, çoğunlukla uzun mesafeli yolculuklar için bir sorundur, ancak birçok hat, genellikle limanlara veya limanlardan kömür, cevher veya konteyner taşıyan uzun mesafeli yük trenlerinin transit trafiği tarafından domine edilmektedir. Teorik olarak, bu trenler elektrifikasyon sayesinde önemli ölçüde tasarruf sağlayabilir, ancak izole edilmiş bölgelere elektrifikasyonu genişletmek çok maliyetli olabilir ve tüm bir ağ elektrikli hale getirilmedikçe, şirketler genellikle bölümler elektrikli olsa bile dizel trenleri kullanmaya devam etmeleri gerektiğini görürler. Çift katlı vagon kullanımında daha verimli olan konteyner trafiğine yönelik artan talep, bu trenler için yetersiz havai elektrik hattı yüksekliği nedeniyle mevcut elektrifikasyonlarla ilgili ağ etkisi sorunlarına da sahiptir, ancak elektrifikasyon ek maliyetle yeterli yüksekliğe sahip olacak şekilde inşa edilebilir veya değiştirilebilir.

Elektrikli hatlarla ilgili özel bir sorun da elektrifikasyondaki boşluklardır. Elektrikli araçlar, özellikle lokomotifler, havai sistemlerdeki faz değişim boşlukları ve üçüncü ray sistemlerindeki makaslar üzerindeki boşluklar gibi beslemedeki boşlukları geçerken güç kaybederler. Lokomotifin akım alıcısı ölü bir boşluk üzerinde durursa ve yeniden başlatmak için güç olmazsa, bu durum can sıkıcı hale gelir. Bu, birbirine bağlı iki veya daha fazla çoklu üniteden oluşan trenlerde daha az sorun teşkil eder, çünkü bu durumda tren bir akım alıcısı ölü bir boşlukta durursa, başka bir çoklu ünite bağlantısı kesilen üniteyi tekrar güç alabileceği noktaya kadar itebilir veya çekebilir. Aynı durum, her iki ucunda bir lokomotif bulunan itme-çekme trenleri için de geçerlidir. Tek akım alıcılı trenlerde güç boşlukları, araç üstü bataryalar veya motor-volan-jeneratör sistemleri ile aşılabilir.

Bakım Maliyetleri

Elektrifikasyon, hatların bakım maliyetlerini artırabilir, ancak birçok sistem daha hafif hareketli araçlardan kaynaklanan daha az aşınma ve yıpranma nedeniyle daha düşük maliyet iddia etmektedir. Hat çevresindeki elektrik ekipmanları (güç alt istasyonları ve katener teli gibi) ile ilgili bazı ek bakım maliyetleri olsa da, yeterli trafik varsa, azalan hat bakımı ve özellikle daha düşük motor bakımı ve işletme maliyetleri, bu bakımın maliyetlerini önemli ölçüde aşar.

Kıvılcım Etkisi

Yeni elektrikli hale getirilen hatlar genellikle bir "kıvılcım etkisi" gösterir; bu etki, yolcu demiryolu sistemlerindeki elektrifikasyonun yolcu sayısında ve gelirde önemli artışlara yol açmasıdır. Bunun nedenleri arasında elektrikli trenlerin daha modern ve çekici görülmesi, daha hızlı, sessiz ve konforlu hizmet sunması ve elektrifikasyonun genellikle genel bir altyapı ve hareketli araç revizyonu/değişimi ile birlikte gitmesi sayılabilir; bu da daha iyi hizmet kalitesine yol açar (teorik olarak benzer iyileştirmeler elektrifikasyon olmadan da elde edilebilir). Kıvılcım etkisinin nedenleri ne olursa olsun, onlarca yıldır elektrikli hale getirilen çok sayıda güzergah için bu etkinin varlığı iyi bir şekilde kanıtlanmıştır. Bu durum, dizel otobüslerin yerine troleybüslerin kullanıldığı otobüs hatları için de geçerlidir. Havai hatlar, otobüs çalışmasa bile hizmeti "görünür" kılar ve altyapının varlığı, hattın uzun vadede faaliyette olacağına dair bazı beklentiler oluşturur.

Çift Katlı Vagon Taşımacılığı

Havai hatların getirdiği yükseklik sınırlaması nedeniyle, çift katlı konteyner trenlerinin elektrikli hatlar altında işletilmesi geleneksel olarak zor ve nadir olmuştur. Ancak bu sınırlama, Hindistan, Çin ve Afrika ülkelerindeki demiryolları tarafından artırılmış katener yüksekliğine sahip yeni hatlar döşenerek aşılmaktadır. Bu tür kurulumlar, Hindistan'daki Batı Özel Yük Koridoru'nda bulunmaktadır; burada tel yüksekliği, özel alçak tabanlı vagonlara ihtiyaç duymadan çift katlı konteyner trenlerini barındırmak için 7.45 metredir.

Demiryolu Elektrifikasyonunun Avantajları

Demiryolu elektrifikasyonu, dizel trenlere kıyasla bir dizi önemli fayda sunar. Genel olarak, elektrikli trenler daha çevreci, daha ekonomik işletilebilir, daha yüksek performanslı ve yolcular için daha konforludur. Elektrik enerjisinin çeşitli kaynaklardan üretilebilmesi, enerji bağımsızlığı ve sürdürülebilirlik açısından da önemli avantajlar sunar. Ayrıca, elektrikli trenlerin daha sessiz çalışması ve egzoz emisyonu olmaması, özellikle şehir içi ve yerleşim yerlerinde yaşam kalitesini artırır. Elektrifikasyon, demiryolu ağının kapasitesini artırma ve işletme verimliliğini yükseltme potansiyeline de sahiptir.

• Çevre Dostu ve Sessiz Ulaşım: Elektrikli trenler, dizel lokomotiflerin aksine egzoz gazı salgılamaz, bu da özellikle yoğun nüfuslu kentsel alanlarda hava kalitesinin korunmasına ve iyileştirilmesine önemli katkı sağlar. Aynı zamanda, elektrikli motorların çok daha sessiz çalışması, hem yolcular için daha konforlu bir seyahat deneyimi sunar hem de demiryolu güzergahları üzerindeki yerleşim bölgelerinde gürültü kirliliğini önemli ölçüde azaltır. Bu özellikler, elektrikli demiryollarını modern ve yaşanabilir şehirlerin vazgeçilmez bir parçası haline getirir.
• Düşük İşletme ve Bakım Maliyetleri: Elektrikli tahrik sistemleri, dizel motorlara kıyasla genellikle daha az hareketli parçaya sahiptir, bu da aşınma ve yıpranma oranını düşürerek uzun vadede bakım maliyetlerini azaltır. Ayrıca, elektrik enerjisi, dizel yakıta göre birim başına daha ekonomik olabilir ve yakıt ikmali gibi lojistik süreçleri ortadan kaldırır. Bu durum, demiryolu işletmelerinin operasyonel verimliliğini artırır ve daha sürdürülebilir bir maliyet yapısı oluşturur.
• Yüksek Performans ve Verimlilik: Elektrikli motorlar, dizel motorlara göre daha yüksek bir güç-ağırlık oranına sahiptir, bu da trenlerin daha hızlı ivmelenmesini ve daha yüksek seyir hızlarına ulaşmasını sağlar. Bu özellik, özellikle yoğun trafikli hatlarda sefer sürelerini kısaltır ve hat kapasitesinin daha etkin kullanılmasına olanak tanır. Rejeneratif frenleme teknolojisi sayesinde, trenlerin frenleme sırasında ortaya çıkan kinetik enerjisi tekrar elektrik enerjisine dönüştürülerek enerji verimliliği önemli ölçüde artırılır ve enerji tüketimi azaltılır.
• Esnek Enerji Kaynağı ve Sürdürülebilirlik: Elektrik enerjisi, kömür, doğal gaz, nükleer enerji gibi geleneksel kaynakların yanı sıra hidroelektrik, rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir kaynaklardan da üretilebilir. Bu çeşitlilik, demiryolu taşımacılığının enerji bağımsızlığını artırır ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltarak daha sürdürülebilir bir ulaşım alternatifi sunar. Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı, demiryollarının karbon ayak izini önemli ölçüde düşürme potansiyelini taşır.
• Kentsel Ulaşım ve Yeraltı Operasyonu: Elektrikli trenlerin hızlı ivmelenme ve frenleme yetenekleri, şehir içi banliyö hatlarında ve metro sistemlerinde daha sık ve dakik seferler yapılmasına olanak tanır. Egzoz emisyonu olmaması, elektrikli trenlerin yeraltı istasyonlarında ve tünellerde güvenle çalışabilmesini sağlar, bu da kentsel ulaşım ağlarının kapsamını genişletir ve hava kalitesini korur.

• Filo ve Altyapı Optimizasyonu: Tüm demiryolu ağının elektrikli hale getirilmesi, dizel yakıt depolama ve ikmal tesisleri gibi özel altyapıya olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Tek tip elektrikli tren filosuna geçiş, bakım ve operasyonel süreçleri basitleştirir, yedek parça maliyetlerini düşürür ve genel filo yönetiminde verimlilik sağlar. Bu durum, demiryolu işletmelerinin uzun vadeli maliyet tasarrufu elde etmesine katkıda bulunur.

Demiryolu Elektrifikasyonunun Dezavantajları

Demiryolu elektrifikasyonu, sunduğu birçok avantaja rağmen bazı önemli dezavantajlara da sahiptir. En belirgin dezavantajı, yüksek başlangıç yatırım maliyetidir. Mevcut hatlara elektrik altyapısı kurmak, özellikle tünel ve köprü gibi engellerin olduğu yerlerde önemli harcamalar gerektirebilir. Ayrıca, havai hat sistemlerinin görünümü ve kırılganlığı, hırsızlık riski ve farklı sistemler arasındaki uyumsuzluk gibi operasyonel zorluklar da bulunmaktadır. Çift katlı vagon taşımacılığı gibi bazı modern lojistik ihtiyaçları da mevcut elektrifikasyon sistemleriyle uyumsuzluk gösterebilir.

• Yüksek Başlangıç Maliyetleri ve Altyapı Zorlukları: Elektrifikasyon projeleri, mevcut demiryolu hatlarının etrafına tamamen yeni bir altyapı inşa etmeyi gerektirdiğinden önemli bir ilk yatırım maliyeti oluşturur. Bu maliyetler, özellikle tünellerin, köprülerin ve diğer engellerin, trenlerin ve elektrik ekipmanlarının güvenli geçişini sağlamak için modifiye edilmesi gerektiğinde daha da artar. Ayrıca, yeni trafik özelliklerine uyum sağlamak ve sinyal devrelerini çekiş akımının neden olduğu parazitten korumak için demiryolu sinyalizasyon sistemlerinde de değişiklikler veya yükseltmeler gerekebilir. Yeni ekipmanın kurulumu sırasında hatların geçici olarak kapatılması da operasyonel aksamalara neden olabilir.
• Görsel Etki ve Çevresel Hassasiyet: Havai hat elektrifikasyon sistemlerinin direkleri ve kabloları, elektrikli olmayan veya yalnızca yer seviyesinde sinyalizasyon ekipmanına sahip üçüncü raylı hatlara kıyasla çevresel görünümü olumsuz etkileyebilir. Ayrıca, havai hat sistemleri mekanik arızalara ve olumsuz hava koşullarına (yüksek rüzgarlar gibi) karşı hassastır; bu durum, pantografların katenere takılmasına ve tellerin kopmasına yol açarak ciddi aksamalara ve hatların uzun süre kapanmasına neden olabilir. Üçüncü ray sistemlerinde ise soğuk havalarda iletken ray üzerinde buz oluşumu sorun yaratabilir.
• Hırsızlık ve Güvenlik Riskleri: Bakırın yüksek hurda değeri nedeniyle, korumasız ve uzak bölgelerdeki havai hat kabloları hırsızlar için cazip bir hedef teşkil eder. Canlı yüksek voltajlı kabloları çalmaya çalışmak ölümcül sonuçlar doğurabilir. Kablo hırsızlığı, tren seferlerinde gecikmelere ve aksamalara neden olan önemli faktörlerden biridir. Ayrıca, kuşların ve hayvanların elektrik sistemine temas etme riski de bulunmaktadır ve ölü hayvanlar leş yiyicileri çekerek trenlerle çarpışma olasılığını artırabilir.
• İşletme Uyumsuzlukları ve Kısıtlamalar: Elektrikli trenler, elektrikli olmayan hatlarda çalışamazlar ve elektrikli hatlarda bile yalnızca donatıldıkları elektrik sistemleriyle (voltaj, akım türü, frekans) uyumlu olabilirler. Bu durum, farklı elektrifikasyon sistemlerinin kullanıldığı bölgelerde veya elektrikli ve elektriksiz hatların bir arada bulunduğu ağlarda operasyonel esnekliği sınırlar. Bakım ve onarım çalışmaları için genellikle dizel lokomotif bulundurma ihtiyacı devam eder. Ayrıca, havalandırma sorunları nedeniyle dizel trenlerin bazı tünel ve yeraltı istasyonlarında kullanımı yasaklanabilir.

• Çift Katlı Vagon Taşımacılığı ile Uyum Sorunları: Dünya demiryolu ağlarının çoğunda, mevcut havai elektrik hatlarının yüksekliği, çift katlı konteyner vagonları veya diğer yüksek yükler için yeterli değildir. Elektrikli hatları bu tür taşımacılığa uygun hale getirmek için köprülerin yenilenmesi ve genellikle standart dışı pantograflar gerektiren özel araçların kullanılması gibi maliyetli ve karmaşık değişiklikler gerekebilir.

Dış bağlantılar

• Railway Technical Web Page23 Kasım 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.