รถไฟฟ้า ทางเลือกในการใช้พลังงานหลายรูปแบบเพื่อการขนส่ง
โดย นคร จันทศร อดีตรองผู้ว่าการ การรถไฟแห่งประเทศไทย ที่ปรึกษาผู้อำนวยการสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ โครงการจัดตั้งสถาบันพัฒนาเทคโนโลยีระบบขนส่งทางรางแห่งชาติ
เรียบเรียงใหม่จากบทความที่ลงตีพิมพ์ใน วิศวกรรมสาร เล่มที่ 2 ปีที่ 36 เดือนเมษายน 2526
นำเสนอโดยศูนย์บริการความรู้ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สวทช. โดยได้รับอนุญาตจากผู้เขียนแล้ว
รถไฟฟ้าก็คือรถไฟธรรมดานี่เอง
รถไฟฟ้าก็คือรถไฟธรรมดานี่เอง แต่ต่างกันตรงที่ไม่มีเครื่องยนต์ต้นกำลัง (Prime Mover) เช่นเครื่องจักรไอน้ำหรือเครื่องยนต์ดีเซลติดตั้งอยู่บนตัวรถเหมือนรถไฟธรรมดา รถไฟฟ้าใช้พลังงานไฟฟ้าจากโรงไฟฟ้าซึ่งอยู่ห่างไกลและอาจใช้พลังงานรูปแบบอื่นในการผลิตกระแสไฟฟ้า เช่นใช้พลังน้ำ แก๊สธรรมชาติ ถ่านหิน และพลังงานจากชีวมวล เป็นต้น รถไฟฟ้าใช้กระแสไฟฟ้าไปปั่นมอเตอร์ซึ่งติดตั้งอยู่กับชุดล้อให้หมุน แล้วส่งถ่ายกำลังผ่านระบบกลไกไปที่ล้อรถให้หมุนไปอีกทอดหนึ่ง รถก็สามารถวิ่งไปได้
การเดินรถไฟฟ้าจึงต้องมีการสร้างสถานีจ่ายกระแสไฟฟ้าย่อย (Sub-station) เพื่อลดแรงดันไฟฟ้าที่รับมาจากระบบสายส่งแรงสูงให้ลงมาอยู่ในระดับที่เหมาะสมเสียก่อน กระแสไฟฟ้าที่ลดแรงดันแล้วจะถูกนำมาส่งเข้าระบบการป้อนกระแสไฟฟ้า (Feeding System) เพื่อนำไปใช้ขับเคลื่อนขบวนรถไฟ
ระบบไฟฟ้าที่ใช้ในการขับเคลื่อนขบวนรถไฟมีอยู่สองระบบคือ ระบบกระแสตรง (Direct Current: DC) และระบบกระแสสลับ (Alternating Current: AC)
สถานีจ่ายกระแสไฟฟ้าย่อยระบบการป้อนกระแสไฟฟ้าเพื่อใช้ขับเคลื่อนรถไฟฟ้ามีอยู่สองระบบคือ ระบบการใช้รางที่สาม ซึ่งเรียกว่า Third rail system และระบบการใช้สายส่งเหนือหัว ซึ่งเรียกว่า Overhead wire system ระบบรางที่สามมีข้อดีในเรื่องของผลกระทบด้านมลทัศน์ (Visual Impact) เพราะไม่มีโครงสร้างของระบบป้อนกระแสไฟฟ้ารุงรังอยู่เหนือรางรถไฟ แต่มีข้อจำกัดในการใช้งานด้านความปลอดภัย ระบบนี้จึงมักใช้กับรถใต้ดินหรือระบบขนส่งมวลชนที่อยู่ในเมืองซึ่งไม่มีคนและสัตว์เลี้ยงเดินผ่าน เพราะอาจได้รับอันตรายจากกระแสไฟฟ้าได้ สำหรับระบบสายส่งเหนือหัวจะตรงกันข้าม กล่าวคือจะมีโครงสร้างของระบบสายส่งรุงรังอยู่เหนือราง ไม่น่าดู มักใช้กับการเดินรถไฟฟ้าทางไกลซึ่งต้องติดตั้งระบบเดินรถไฟฟ้าแรงดันสูง ไม่สามารถใช้ระบบรางที่สามได้
ภาพแสดงระบบการใช้รางที่สาม (Third Rail System)
ระบบไฟฟ้ากระแสตรงที่นิยมใช้กันมากคือ ระบบกระแสตรง ขนาดแรงดันไฟฟ้า 750 V มักจะใช้ควบคู่กับระบบป้อนกระแสไฟฟ้าแบบรางที่สาม และระบบไฟฟ้ากระแสตรงขนาดแรงดันไฟฟ้า 1500/3000 V ซึ่งมีแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นมาอีกระดับหนึ่งและมีอันตรายมากกว่าจึงมักจะใช้กับระบบสายส่งเหนือหัว
ภาพแสดงการใช้ระบบสายส่งเหนือหัว (Overhead Wire System)
ระบบไฟฟ้ากระแสสลับที่นิยมใช้กันมากคือขนาดแรงดัน 25,000 V หรือที่เรียกกันว่าระบบ 25 kV Single Phase at Industrial Frequency ซึ่งจะมีส่วนที่แตกต่างกันไปบ้างตามระบบการผลิตกระแสไฟฟ้าของแต่ละประเทศ เช่นบางประเทศใช้ความถี่ 16 2/3 Hz บางประเทศใช้ 50 Hz และบางประเทศใช้ 60 Hz เป็นต้น
การติดตั้งระบบรถไฟฟ้าซึ่งใช้กระแสไฟฟ้าขนาดแรงดัน 50 kV ยังไม่แพร่หลาย แม้ว่าในทางทฤษฎีอาจจะช่วยประหยัดค่าติดตั้งอุปกรณ์ภาคพื้นดินได้มากกว่า และมีการทดลองนำมาใช้บ้างแล้วก็ตาม
เนื่องจากระบบไฟฟ้ากระแสตรงที่แรงดันไฟฟ้า 750/1,500 V ต้องติดตั้งสถานีไฟฟ้าย่อยจำนวนมาก สถานีไฟฟ้าย่อยหนึ่งจะจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ไกลประมาณ 5 กม. ซ้ายขวา จึงทำให้ต้นทุนสำหรับระบบการป้อนกระแสไฟฟ้าแพง
ตรงกันข้าม การเดินรถไฟฟ้าระบบกระแสสลับจะมีการติดตั้งสถานีไฟฟ้าย่อยน้อยกว่า สถานีไฟฟ้าย่อยหนึ่งสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ไกลประมาณ 50 กม. ซ้ายขวา จึงทำให้ต้นทุนการติดตั้งระบบป้อนกระแสไฟฟ้าถูกกว่า
อย่างไรก็ดี การเลือกใช้ระบบการเดินรถไฟฟ้าแบบใช้กระแสสลับหรือกระแสตรง มักอยู่ที่การวิเคราะห์ความคุ้มทุน (Cost Justification) กล่าวโดยทั่วไป ระบบขนส่งมวลชนมักมีการเดินรถหนาแน่นมาก เช่น ระบบรถไฟฟ้าของบริษัท BTSC ซึ่งออกแบบระบบให้รองรับการเดินรถได้ถึง 40 ขบวนต่อชั่วโมงต่อทิศทาง หรือที่เรียกกันในภาษาการเดินรถไฟว่า มี Headway 90 วินาที ระบบนี้จะมีต้นทุนโดยรวมต่ำหากเลือกใช้ระบบกระแสไฟตรง ในขณะที่การเดินรถไฟฟ้าทางไกล มักมีขบวนรถเดินหนาแน่นน้อยกว่า เช่นมี Headway 5-10 นาที หรือมีขบวนรถเดินประมาณ 12-6 ขบวนต่อ ชม. ต่อทิศทาง กรณีนี้การเลือกใช้ระบบไฟฟ้ากระแสสลับที่แรงดันสูง จะมีความคุ้มทุนมากกว่า
ถ้าการรถไฟฯ จะทำการติดตั้งระบบรถไฟฟ้าทางไกล ก็คงจะเลือกใช้ระบบกระแสสลับ แบบใช้สายส่งเหนือหัว ซึ่งกระแสไฟฟ้าแรงดันสูงจากโรงไฟฟ้าจะถูกส่งมาตามสายส่งแรงสูง (ส่วนใหญ่จะมีขนาดแรงดัน 69 kV หรือ 115 kV หรือ 230 kV หรือ 500 kV) และนำมาผ่านสถานีจ่ายกระแสไฟฟ้าย่อยหรือที่เรียกว่า Sub-station เพื่อลดแรงดันให้เหมาะสมหรือแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรงเสียก่อน จึงจะส่งไปตามสายส่งเหนือหัวซึ่งขึงขนานไปตามรางรถไฟ
สายส่งเหนือหัวเป็นสายเปลือย ส่วนมากทำด้วยทองแดง มีรูปร่างดังแสดงในภาพ รถไฟฟ้าจะนำกระแสไฟฟ้ามาใช้ได้โดยใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่าสาลี่ (Pantograph) ซึ่งยื่นขึ้นไปสัมผัสกับสายส่งเหนือหัว กระแสไฟฟ้าจากสายส่งจะไหลผ่านสาลี่เข้าไปยังอุปกรณ์ควบคุมบนตัวรถ และไหลเข้ามอเตอร์ซึ่ง ทำหน้าที่ขับเคลื่อนขบวนรถ กระแสไฟฟ้าจากมอเตอร์จะไหลผ่านล้อลงสู่รางไปครบวงจรที่สถานีจ่ายกระแสไฟฟ้าย่อย
ด้านบนของสาลี่ตรงที่สัมผัสกับสายส่ง (Contact Wire) จะมีแท่งถ่าน (Carbon Brush) ติดอยู่ แท่งถ่านจะเสียดสีกับสายส่งและสึกหรอไปในขณะที่รถไฟฟ้าวิ่งจึงต้องมีการเปลี่ยนแท่งถ่านดังกล่าวเมื่อสึกถึงพิกัดเลิกใช้งาน
เพื่อให้แท่งถ่านบนสาลี่ถูกกดแนบสนิทอยู่กับสายส่งตลอดเวลาในขณะที่ขบวนรถวิ่ง การออกแบบระบบสายส่ง (Catenary System) และระบบสาลี่จึงต้องให้มีการยืดหยุ่น โดยเฉพาะระบบสาลี่นั้นจะใช้ลมอัดดันให้แนบสนิทกับสายส่ง และเมื่อขบวนรถจอดอยู่กับที่ก็สามารถพับเก็บลงมาบนหลังคาได้
ระบบส่งกระแสไฟฟ้าแบบใช้รางที่สามในรถไฟขนส่งมวลชนจะไม่ยุ่งยากมากนัก แต่ถ้าเป็นรถไฟทางไกลที่วิ่งความเร็วสูงก็จะมีระบบระบบการส่งกระแสไฟฟ้าที่ซับซ้อนมากขึ้น การออกแบบระบบสายส่งจึงต้องให้เหมาะสมกับความเร็วขบวนรถด้วย ระบบสายส่งต้องมีน้ำหนักถ่วง (Counterweight) ไว้เป็นระยะเพื่อปรับให้สายส่งไฟฟ้า (Contact Wire) ตึงอยู่ตลอดเวลาเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงไป
การออกแบบระบบสายส่งและสาลี่ที่ไม่เหมาะสม จะทำให้แปลงถ่านกับสายส่งแยกออกจากกันเมื่อรถวิ่ง (Lost Contact) ซึ่งจะทำให้เกิดประกายไฟแลบ รถจะเสียกำลังขับเคลื่อนและทำให้สายส่งและแปลงถ่านสึกหรอเร็วกว่าปกติ
ระบบการป้อนกระแสไฟฟ้าโดยรางที่สามก็คงคล้ายคลึงกับระบบสายส่งเหนือหัว เพียงแต่กระแสไฟฟ้าจากสถานีย่อยจะถูกแปลงเป็นกระแสไฟตรงแล้วจึงส่งไปตามรางที่สาม ซึ่งวางทอดขนานไปกับรางรับน้ำหนัก เครื่องรับกระแสไฟฟ้าซึ่งติดตั้งอยู่ใต้ตัวรถจะยื่นลงมาสัมผัสกับรางที่สามเพื่อนำกระแสไฟฟ้าไปใช้โดยผ่านอุปกรณ์ควบคุม กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านมอเตอร์สำหรับขับเคลื่อนขบวนรถมาตามรางและครบวงจรที่สถานีจ่ายกระแสไฟฟ้าย่อย
การเดินรถไฟฟ้าได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายในต่างประเทศเพราะเป็นระบบขนส่งที่ประหยัด สะอาด และสามารถนำพลังงานทดแทนอื่นนอกเหนือจากน้ำมัน มาใช้ทำการขนส่งได้อย่างมีประสิทธิภาพ
แนวคิดเรื่องรถไฟฟ้า
การรถไฟแห่งประเทศไทยได้ทำการศึกษาเรื่องการเดินรถไฟฟ้ามาแล้วหลายครั้ง กล่าวคือ ครั้งแรกเมื่อ พ.ศ. 2517 (ระหว่างวิกฤตกาลน้ำมัน)รัฐบาลของประเทศฝรั่งเศสได้จัดส่งหน่วยงานที่ปรึกษา SOFRERAIL มาศึกษาเรื่องการเดินรถไฟฟ้าในเส้นทางสายเหนือ ครั้งที่สองเมื่อ พ.ศ. 2522-23 รัฐบาลประเทศสหพันธ์สาธารณรัฐเยอรมนี ได้ให้ความช่วยเหลือแก่รัฐบาลไทยโดยผ่าน ESCAP ในการจัดส่งบริษัทที่ปรึกษา DE-consult มาทำการศึกษาเรื่องการเดินรถไฟฟ้าในเส้นทางสายเหนืออีกครั้งหนึ่ง
พ.ศ. 2530 ESCAP ได้จัดส่งบริษัทที่ปรึกษาญี่ปุ่น คือ Japan Railway Technical Service (JARTS) มาทำการศึกษาเรื่องโครงการเดินรถไฟฟ้าในภูมิภาค โดยกรณีประเทศไทยนั้น ได้ทำการศึกษาเรื่องการเดินรถไฟฟ้าในเส้นทางสายตะวันออกเฉียงเหนือ
พ.ศ. 2537 รัฐบาลญี่ปุ่นโดย JICA (Japan International Corporation Agency) ได้เข้ามาทำการศึกษาเรื่อง An Improvement Plan for Railway Transport in and around the Bangkok Metropolis in Consideration of Urban Development in the Kingdom of Thailand และได้แนะนำให้เพิ่มบทบาทของการขนส่งผู้โดยสารในเมืองด้วยรถไฟและสมควรเดินรถด้วยไฟฟ้าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการขนส่ง
อย่างไรก็ดี การเดินรถไฟฟ้าในประเทศไทยเพิ่งจะเกิดขึ้นเป็นครั้งแรก เมื่อรถไฟฟ้าขนส่งมวลชนของบริษัท BTSC ได้เปิดการเดินรถในปี 2542 ส่วนการเดินรถไฟฟ้าระยะทางไกลของการรถไฟฯ ยังเป็นเรื่องของอนาคตที่ค่อนข้างเลือนราง ความพยายามที่จะจัดการเกี่ยวกับการใช้พลังงานในภาคขนส่ง คงจะช่วยจุดประกายให้นโยบายเกี่ยวกับระบบขนส่งสาธารณะมีความชัดเจนมากยิ่งขึ้นและรถไฟซึ่งเป็นระบบขนส่งสาธารณะที่ประหยัดพลังงาน คงจะเป็นทางเลือกที่ได้รับการพิจารณา ถึงวันนั้น การเดินรถไฟฟ้าระยะไกลก็จะเป็นทางออกสำหรับการใช้พลังงานทดแทนเพื่อทำการขนส่ง
การเสวนา “การประหยัดพลังงานในภาคการขนส่ง” Transportation for Energy Saving (TES) จัดโดย สมาคมการจัดการด้านพลังงาน โดยความร่วมมือจากวิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทย ในพระบรมราชูปถัมภ์ 24 มกราคม 2546 โรงแรมปรินซ์พาเลซ
ความคิดเห็น
แสดงความคิดเห็น