Ngành đường sắt đang đứng trước bước ngoặt lớn trong hành trình khử carbon. Mặc dù là một phương thức vận tải có mức phát thải thấp hơn so với các phương tiện giao thông đường bộ hay hàng không, nhưng nhiều đoàn tàu vẫn sử dụng động cơ diesel - nguồn phát thải đáng kể gây BĐKH. 
Chìa khóa cho tương lai bền vững của ngành đường sắt
Ngành đường sắt đang đứng trước bước ngoặt quan trọng trong hành trình chuyển đổi sang mô hình vận tải bền vững và giảm phát thải carbon. Dù bản chất đã thân thiện hơn so với vận tải đường bộ hay hàng không, ngành đường sắt vẫn còn phụ thuộc đáng kể vào động cơ diesel. Điều này không chỉ tác động đến BĐKH mà còn gây ra tiếng ồn và ảnh hưởng tiêu cực tới sức khỏe cộng đồng, đặc biệt tại các khu vực đông dân cư gần nhà ga và tuyến đường sắt.
Trong bối cảnh đó, công nghệ pin kéo đang nổi lên như một giải pháp chiến lược giúp ngành đường sắt tiến gần hơn tới mục tiêu trung hòa carbon. Khái niệm “pin kéo” hay còn gọi là “pin lực kéo” (traction battery) đề cập đến loại pin chuyên dụng cung cấp điện năng cho động cơ truyền động của phương tiện.
Không giống với pin khởi động, pin kéo được thiết kế để cung cấp dòng điện lớn và liên tục trong thời gian dài, chịu được chu kỳ sạc-xả sâu, bền bỉ trong điều kiện rung động và nhiệt độ khắc nghiệt. Đây chính là thành phần then chốt trong các hệ thống truyền động điện như tàu pin, tàu hybrid hay các đoàn tàu có thể vận hành không cần hệ thống dây điện tiếp xúc trên cao, nhờ sử dụng pin kéo hoặc hệ thống hybrid.
Chức năng chính của pin kéo là lưu trữ năng lượng điện và cấp điện trực tiếp cho động cơ kéo của tàu, không cần cấp điện tức thời từ hệ thống bên ngoài như dây điện trên cao (catenary) hay thanh ray thứ ba (third rail). Tàu sử dụng pin kéo có thể vận hành hoàn toàn độc lập với hệ thống cấp điện cố định, miễn là pin được sạc đầy trước hoặc trong hành trình.
Pin kéo trong tàu hỏa giống pin trong ô tô điện, chỉ cần sạc đầy, rồi dùng để vận hành mà không cần kết nối điện trực tiếp khi chạy. Tính năng này đặc biệt hữu ích ở những nơi chưa có hoặc không thể đầu tư hệ thống điện khí hóa, hoặc khi muốn bảo vệ cảnh quan đô thị, khu di sản, hoặc đoạn tuyến khó thi công dây điện trên cao.
Công nghệ này không chỉ hỗ trợ di chuyển linh hoạt mà còn cho phép thu hồi năng lượng từ phanh tái tạo - biến tàu hỏa thành một hệ thống vận tải có khả năng tái sử dụng năng lượng, giảm phát thải và tiết kiệm điện năng.
Khi việc điện khí hóa toàn tuyến không khả thi về mặt hạ tầng hoặc chi phí tại một số quốc gia, các hệ thống truyền động sử dụng pin với khả năng lưu trữ và tái sử dụng năng lượng mang lại một lựa chọn thiết thực hơn. Đây là nền tảng quan trọng để hình thành nên các đoàn tàu hybrid hoặc tàu điện vận hành linh hoạt mà vẫn đảm bảo hiệu suất và tính bền vững.
Tuy nhiên, yêu cầu đặt ra với pin đường sắt khắt khe hơn rất nhiều so với các loại pin sử dụng trong ô tô điện. Một đoàn tàu đi lại tiêu chuẩn hoạt động liên tục từ 16 - 18 giờ mỗi ngày, gần như quanh năm và có thể di chuyển hơn 1 triệu km trong 5 năm đầu tiên.
Tuổi thọ vận hành của đoàn tàu có thể kéo dài tới 3 thập kỷ, đồng nghĩa với việc pin kéo cũng phải đáp ứng chu kỳ hoạt động lâu dài, khả năng sạc và xả công suất cao, độ sâu xả lớn và độ bền cơ học đáng kể. Phân tích của Tập đoàn Công nghệ đa quốc gia ASEA Brown Boveri (ABB) cho thấy pin sử dụng trong ngành đường sắt chịu áp lực vận hành cao gấp 20 lần so với pin trong xe điện cá nhân.
Pin kéo không chỉ là một khái niệm công nghiệp mà còn là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học được thừa nhận rộng rãi. Trong các tạp chí uy tín như IEEE Transactions on Vehicular Technology, Journal of Power Sources, Applied Energy hay International Journal of Railway Technology, hàng trăm nghiên cứu đã phân tích sâu về độ bền, khả năng sạc nhanh, quản lý nhiệt và thiết kế tối ưu của pin kéo trong các ứng dụng vận tải khắt khe.
Tại châu Âu, Nhật Bản và Úc, các đoàn tàu hybrid hoặc tàu pin sử dụng công nghệ pin kéo hiện đại đang vận hành ổn định, chứng minh tính khả thi của giải pháp này trên quy mô thương mại.
Khả năng thích ứng là yếu tố sống còn
Trong ứng dụng đường sắt, pin không chỉ đơn thuần là thiết bị lưu trữ năng lượng, mà còn là bộ phận hỗ trợ phanh tái tạo, giúp thu hồi năng lượng và tái sử dụng khi tàu tăng tốc. Việc sử dụng pin kéo cho phép các đoàn tàu vận hành trên những đoạn tuyến không có hệ thống cấp điện trên cao, từ đó giúp giảm đáng kể chi phí và thách thức kỹ thuật khi phải điện khí hóa toàn bộ tuyến đường sắt.
Ngoài ra, pin có thể được sạc theo nhiều phương thức như thông qua tiếp xúc với đường ray, dây xích trong khi tàu đang chạy, hoặc tại các kho sạc và trạm sạc cố định. Những yêu cầu đa dạng này đòi hỏi công nghệ pin phải ngày càng bền bỉ, linh hoạt và đáng tin cậy suốt 15 năm vận hành hoặc lâu hơn.
Nhằm đáp ứng các yêu cầu trên, Tập đoàn ABB đã phát triển dòng pin kéo lithium-ion hiệu suất cao, nổi bật với độ an toàn nội tại, khả năng sạc nhanh và tuổi thọ dài. Điều đặc biệt là công nghệ được thiết kế theo mô hình module giống như các “khối xây dựng”, cho phép mở rộng công suất và điện áp tùy theo từng trường hợp sử dụng mà không cần thay đổi toàn bộ hệ thống. Nhờ đó, các đoàn tàu có thể được nâng cấp nhanh chóng, dễ bảo trì và linh hoạt về vị trí lắp đặt, từ dưới sàn, trên mái cho tới khoang động cơ.
Việc ứng dụng công nghệ pin kéo của ABB đã mang lại những kết quả cụ thể. Tại Úc, ABB đã hỗ trợ chuyển đổi đội tàu diesel DMU của Adelaide Metro sang tàu hybrid trở thành đội tàu hybrid-diesel đầu tiên của quốc gia này, đồng thời nâng hiệu suất năng lượng lên 35%. Tại Áo, các xe bảo dưỡng đường sắt hybrid do ABB cung cấp cho Công ty ÖBB đã góp phần cải thiện điều kiện làm việc cho kỹ thuật viên và nhân viên vận hành trong môi trường khắc nghiệt.
Mới đây, tại triển lãm InnoTrans, ABB đã chính thức giới thiệu dòng pin kéo Pro Series - thế hệ pin mới sử dụng công nghệ LTO, có khả năng sạc đến 80% chỉ trong 10 phút và chịu được tới 20.000 chu kỳ sạc-xả. Đây là minh chứng cho bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, đặc biệt khi được áp dụng vào các hệ thống vận tải khắt khe như đường sắt.
Pin kéo chính là chìa khóa mở ra cánh cửa của ngành đường sắt xanh, nơi các đoàn tàu không còn phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, mà thay vào đó, vận hành bằng công nghệ và nguồn năng lượng sạch, bền vững. Khi ngành đường sắt toàn cầu dần thích ứng và chuyển mình, tàu hybrid và tàu chạy bằng pin sẽ đóng vai trò tiên phong trên hành trình chinh phục tương lai không phát thải.
