پر کردن شکاف برقی‌سازی: قطارهای باتری‌دار چگونه حمل‌ونقل منطقه‌ای را متحول می‌کنند

برنامه‌ریزان سنتی حمل‌ونقل و مدافعان شبکه‌های ریلی قدیمی مدت‌هاست استدلال می‌کنند که کربن‌زدایی کامل از قطارهای منطقه‌ای، نیازمند کابل‌کشی پیوسته هوایی در تک‌تک کیلومترهای مسیر است. هزینه‌های سرمایه‌ای این زیرساخت‌ها - که اغلب به میلیون‌ها دلار در هر مایل می‌رسد - باعث شده هزاران مایل از خطوط فرعی همچنان به لوکوموتیوهای دیزلی وابسته بمانند.

اما نسل جدید قطارهای برقی-باتری‌دار (BEMU) ثابت کرده‌اند که برقی‌سازی پیوسته دیگر پیش‌شرطی برای حمل‌ونقل بدون آلایندگی نیست. این قطارها با شارژ شدن زیر کابل‌های موجود در ایستگاه‌های اصلی و استفاده از نیروی باتری در بقیه مسیر، سد بزرگ زیرساختی را به کلی از میان برداشته‌اند.

گستردگی شبکه‌های ریلی بدون برق بسیار عظیم است و مانع مالی ترسناکی برای دولت‌ها در سراسر جهان محسوب می‌شود. تنها در اروپا، بیش از ۸۵ هزار کیلومتر راه‌آهن در حال حاضر فاقد کابل‌کشی هوایی است که اپراتورها را مجبور می‌کند برای مسیرهای منطقه‌ای و روستایی به قطارهای دیزلیِ به‌شدت آلاینده متوسل شوند.

در ایالات متحده، این وضعیت حتی حادتر است؛ شبکه‌های وسیع مسافربری در خارج از «کریدور شمال شرقی» تقریباً به‌طور کامل با نیروی دیزل کار می‌کنند. برقی‌سازی مایل به مایل این شبکه‌های گسترده برای بیشتر سازمان‌های حمل‌ونقل از نظر مالی غیرممکن است و اغلب میلیون‌ها دلار در هر مایل برای ارزیابی‌های زیست‌محیطی، اصلاح پل‌ها و ساخت پست‌های برق هزینه می‌تراشد؛ موضوعی که به یک گلوگاه جدی در گذار به حمل‌ونقل عمومی پاک تبدیل شده است.[2]

قطارهای برقی-باتری‌دار با حمل مستقیم ذخایر انرژی پرظرفیت در داخل خود، این گلوگاه را دور می‌زنند. این قطارها وقتی زیر کابل‌های هوایی موجود حرکت می‌کنند، دقیقاً مانند قطارهای برقی معمولی عمل کرده و برق را از طریق پانتوگرافِ روی سقف برای به حرکت درآوردن موتورها دریافت می‌کنند.

با این حال، وقتی کابل‌های هوایی به پایان می‌رسند، پانتوگراف به‌طور خودکار جمع می‌شود و قطار بدون هیچ وقفه‌ای در سفر، روی پک‌های باتری لیتیوم-یون یا لیتیوم-تیتانات-اکسید (LTO) داخلی خود سوئیچ می‌کند. این قابلیت دوگانه به شرکت‌های حمل‌ونقل اجازه می‌دهد تا کل مسیرها را تنها با برقی‌سازی بخش‌های کوچک و استراتژیک - مانند ایستگاه‌های پایانی، پایانه‌های تعمیر و نگهداری یا «جزایر شارژ» کوتاه - کربن‌زدایی کنند، به جای آنکه بودجه کل مسیر را تأمین نمایند.[3][4]

برد عملیاتی این سیستم‌های باتری در سال‌های اخیر به‌طور چشمگیری افزایش یافته و قطارهای BEMU را از نمونه‌های آزمایشی به جایگزین‌هایی بسیار کارآمد برای قطارهای دیزلی تبدیل کرده است. در اوت ۲۰۲۶، شرکت راه‌آهن اسپانیایی CAF قطار BEMU کلاس ۵۵۷ خود را با موفقیت آزمایش کرد و به برد قابل‌توجه ۲۷۳ کیلومتر (۱۶۹ مایل) با یک بار شارژ در مرکز آزمایش و اعتبارسنجی زیمنس در ویلدنرات آلمان دست یافت.

این معیار عملکرد، بسیار فراتر از نیازهای روزمره معمول برای مسیرهای رفت‌وآمد منطقه‌ای است و ثابت می‌کند که تراکم باتری‌های مدرن اکنون می‌تواند عملیات طولانی‌مدت را در شرایط سخت حفظ کند، در حالی که شتاب و حداکثر سرعت مورد انتظار از قطارهای مسافربری مدرن را نیز ارائه می‌دهد.[3]

سایر تولیدکنندگان بزرگ نیز در حال عرضه قابلیت‌های مشابهی برای تصاحب بازار رو به رشد حمل‌ونقل منطقه‌ای بدون آلایندگی هستند. شرکت هیتاچی ریل قرار است قطار BEMU جدید خود را در نمایشگاه تجاری اینوترنس ۲۰۲۶ در برلین به نمایش بگذارد که دارای برد باتری ۱۰۰ کیلومتری و کاهش ۷۰ درصدی انتشار دی‌اکسید کربن در مقایسه با ناوگان دیزلی موجود است که قصد جایگزینی آن‌ها را دارد.

واحدهای هیتاچی دارای پانتوگراف‌های دوگانه روی سقف برای شارژ سریع و نصب باتری در زیر شاسی هستند که فضای ارزشمند مسافران را در کابین حفظ می‌کند. با استفاده از ترمز احیاکننده، این قطارها انرژی جنبشی را در هنگام کاهش سرعت بازیابی کرده و آن را به باتری‌ها بازمی‌گردانند تا برد و کارایی کلی آن‌ها را بیش از پیش افزایش دهند.[2]

استقرار این قطارها در دنیای واقعی، همین حالا هم دوام و کارایی فوری مفهوم کابل-باتری را در سراسر شبکه‌های اروپایی نشان می‌دهد. در ۳۱ اوت ۲۰۲۶، شرکت آلستوم ورود به خدمت دو قطار منطقه‌ای باتری‌دار اول فرانسه را در مناطق اکسیتانی و سود جشن گرفت که نقطه عطف بزرگی در یک برنامه ملی کربن‌زدایی ۴۱ میلیون یورویی محسوب می‌شود.

این واحدها که از قطارهای دیزلی پرظرفیت موجود تبدیل شده‌اند، به باتری‌های لیتیوم-یونی مجهز شدند که برد قابل‌اعتماد ۸۰ کیلومتری را فراهم می‌کنند. این قطارها که به‌صورت تجاری در خط آوینیون-کارپنترا فعالیت می‌کنند، در جاهایی که خطوط هوایی وجود دارد با نیروی برق حرکت کرده و در ایستگاه سورگ برای ادامه مسیرِ بدون برق، روی نیروی باتری سوئیچ می‌کنند.[4]

این تغییر رویه در ایالات متحده نیز شتاب قابل‌توجهی گرفته است؛ جایی که سازمان‌های حمل‌ونقل از قطارهای BEMU برای نوسازی ناوگان فرسوده دیزلی خود استفاده می‌کنند، بدون اینکه منتظر کمک‌هزینه‌های زیرساختی فدرال بمانند. شرکت مترا در شیکاگو اخیراً قراردادی ۱۵۴ میلیون دلاری به شرکت استادلر آمریکا برای هشت رام قطار باتری‌دار دو واگنه اعطا کرده است که در حال حاضر در سالت‌لیک‌سیتی در حال مونتاژ هستند و انتظار می‌رود تا سال ۲۰۲۷ وارد چرخه درآمدزایی شوند.

این سازمان قصد دارد در ابتدا این قطارهای بدون آلایندگی را در یک بخش ۱۵ مایلی از خط فرعی راک آیلند مستقر کند تا پیش از گسترش استفاده از آن‌ها در سراسر شبکه شیکاگو، الزامات شارژ، زمان‌های رفت‌وبرگشت و ظرفیت عملیاتی را به‌دقت ارزیابی کند.[1]

مسیر رسیدن به این خرید برای سازمان حمل‌ونقل شیکاگو طولانی بود؛ سازمانی که نزدیک به یک دهه این فناوری را زیر نظر داشت. جیم دروینسکی، مدیرعامل مترا، با اشاره به تلاش اولیه این سازمان برای قطارهای بدون آلایندگی در هفت سال پیش، به مجله Mass Transit گفت: «این فناوری هنوز آن‌قدر پیشرفت نکرده بود که کسی بتواند بنشیند و بگوید: هی، من می‌توانم یکی از این‌ها را برایت بسازم.»

با بلوغ فناوری باتری در بازارهای اروپایی و اثبات عملکرد قابل‌اعتماد در هوای سرد، مترا دریافت که قطارهای BEMU بالاخره می‌توانند نیازهای سنگین راه‌آهن مسافری آمریکا را بدون نیاز به کابل‌کشی پیوسته هوایی برآورده کنند.[1]

در بوستون، سازمان حمل‌ونقل خلیج ماساچوست (MBTA) استراتژی مشابهی را برای خط فیرمونت خود دنبال می‌کند و قصد دارد تا سال ۲۰۳۰ قطارهای BEMU استادلر را برای افزایش چشمگیر دفعات سرویس‌دهی معرفی کند. این سازمان در ابتدا قصد داشت تا سه مایل کابل هوایی جدید برای پشتیبانی از قطارها نصب کند، اما پیشرفت‌های اخیر در عمر باتری، این زیرساخت گران‌قیمت را غیرضروری کرد.

قطارهای جدید به‌سادگی در ایستگاه جنوبی و ریدویل - جایی که خط فیرمونت با خط از پیش برقی‌شده پراویدنس تلاقی می‌کند - شارژ می‌شوند و کل مسیر شهری ۱۰ مایلی را کاملاً با نیروی باتری طی می‌کنند و یک خط فرعی قدیمی را به یک تجربه متروی سریع‌السیر تبدیل می‌نمایند.[5]

پیامدهای اقتصادی این تغییر تکنولوژیک برای بودجه‌های شهری و برنامه‌ریزی بلندمدت حمل‌ونقل بسیار عمیق است. با حذف نیاز به برقی‌سازی پیوسته هوایی، سازمان‌های حمل‌ونقل می‌توانند حجم عظیمی از سرمایه را به سمت افزایش دفعات سرویس‌دهی، گسترش نقشه‌های مسیر به حومه‌های کمتر برخوردار و ارتقای دسترسی ایستگاه‌ها هدایت کنند.

اگرچه هزینه اولیه خرید یک قطار تخصصی BEMU بالاتر از یک لوکوموتیو دیزلی سنتی است، اما صرفه‌جویی بلندمدت در سوخت دیزل، تعمیر و نگهداری موتور و جلوگیری از ساخت‌وساز زیرساخت‌ها، مدل برقی-باتری‌دار را در طول یک عمر عملیاتی استاندارد ۳۰ ساله بسیار رقابتی می‌کند.

این گذار بدون موانع لجستیکی نیست و نیازمند بازنگری اساسی در نحوه عملکرد پایانه‌های قطار و ایستگاه‌های پایانی است. سازمان‌های حمل‌ونقل باید زیرساخت‌های شارژ خود را به‌دقت نقشه‌برداری کنند و مطمئن شوند که ایستگاه‌های پایانی ظرفیت شبکه برق کافی برای پشتیبانی از شارژ سریع و ولتاژ بالا در فواصل کوتاه بین سفرها را دارند.

علاوه بر این، افت بلندمدت پک‌های باتری تحت چرخه روزانه و شدید عملیات سنگین قطارهای مسافری همچنان حوزه‌ای است که نیاز به مطالعه مداوم دارد. اپراتورها باید هزینه و زمان توقف برای تعویض باتری‌ها را در اواسط عمر قطار در نظر بگیرند؛ متغیر نگهداری جدیدی که در قطارهای سنتی دیزلی یا کاملاً برقی وجود ندارد.

با وجود این چالش‌های محلی در شبکه برق، تجاری‌سازی سریع قطارهای BEMU نشان‌دهنده یک تغییر ساختاری در نحوه رویکرد شهرها به کربن‌زدایی حمل‌ونقل و اهداف اقلیمی است. با بی‌نیاز کردن قطارهای برقی از کابل‌های پیوسته هوایی، تولیدکنندگان مسیر عملی و مقیاس‌پذیری را به سوی راه‌آهن منطقه‌ای بدون آلایندگی باز کرده‌اند که می‌تواند به جای دهه‌ها، در عرض چند سال مستقر شود.

این فناوری به برنامه‌ریزان حمل‌ونقل اجازه می‌دهد تا همین امروز به مزایای زیست‌محیطی و بهداشت عمومی برقی‌سازی کامل دست یابند، بدون اینکه منتظر بودجه‌های نجومی و اراده سیاسی لازم برای کشیدن کابل‌های مسی در هزاران مایل از خطوط قدیمی بمانند.