ĐSTĐC chạy trên ray. Nguồn: jrailpass.com

Hiệp hội Đường sắt quốc tế (UIC) coi tốc độ vận hành thương mại của các đoàn tàu lớn hơn 250 km/h là tiêu chí chính để định nghĩa đuòng sắt tốc độ cao (ĐSTĐC). Tuy nhiên, một tiêu chí phụ được xem xét là khoảng cách ngắn mà hàng không không cạnh tranh được, khi đó ĐSTĐC phù hợp để vận hành với tốc độ 250 km/h, tốc độ lớn hơn hoặc bằng 200 km/h là đủ để dành được nhiều thị phần đối với phương thức vận tải bằng ĐSTĐC. Tốc độ 200 km/h cũng được áp dụng trong các đường hầm dài khi mà bán kính đường cong trong đường hầm dài được thiết kế để đoàn tàu vận hành với tốc độ 200 km/h nhằm giảm chi phí xây dựng. Ở Việt Nam, theo Luật Đường sắt 2017 thì ĐSTĐC là một loại hình của đường sắt quốc gia có tốc độ thiết kế từ 200 km/h trở lên, có khổ đường 1.435 mm, đường đôi, điện khí hóa.

Tính ưu việt của ĐSTĐC

* Năng lực vận chuyển lớn: Năng lực chuyên chở lớn là một trong những lợi thế kỹ thuật chính của ĐSTĐC. Thống kê cho thấy lượng hành khách tối đa của đường bộ cao tốc không thể vượt quá 10 triệu hành khách mỗi năm, trong khi lượng hành khách ĐSTĐC đạt 150 triệu hành khách mỗi năm so với cùng một điểm đi và đến. Thống kê cũng cho thấy năng lực vận chuyển của ĐSTĐC gấp 10 lần hàng không và gấp 5 lần đường bộ cao tốc. Tuy nhiên, chi phí vận chuyển ĐSTĐC chỉ bằng 1/5 so với hàng không và 2/5 so với giao thông đường bộ cao tốc

* Tốc độ nhanh: Tốc độ là chỉ số quan trọng nhất của công nghệ ĐSTĐC, do đó các quốc gia không ngừng cải thiện tốc độ của đoàn tàu. Tốc độ khai thác cao nhất của tàu ĐSTĐC tại Italia, Tây Ban Nha, Đức, Pháp, Nhật Bản và Trung Quốc đã đạt được tương ứng là 250 km/h, 270 km/h, 280 km/h, 300 km/h và 350 km/h. Nếu được cải tiến thêm, tốc độ chạy có thể đạt 350 - 400 km/h. Tốc độ của ĐSTĐC cao hơn nhiều các phương tiện khác (ô tô, tàu thủy, đường sắt truyền thống...), chỉ chậm hơn máy bay. Tuy nhiên, máy bay dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết. Hiện tại, công nghệ "vận hành 350 km/h" ĐSTĐC của Trung Quốc đã hoàn thiện. Tất cả các tuyến ĐSTĐC trên thế giới được thiết kế theo tốc độ 350 km/h, trong khi ĐSTĐC của Trung Quốc được thiết kế theo tốc độ 380 km/h. Tốc độ thử nghiệm của ĐSTĐC chạy trên ray đã đạt 575 km/h và tốc độ thử nghiệm của ĐSTĐC chạy trên đệm từ đã đạt 603 km/h.

* Tỷ lệ đúng giờ cao: ĐSTĐC được điều khiển bằng máy tính. Thời tiết bất lợi như gió, mưa, tuyết và sương mù ít ảnh hưởng đến ĐSTĐC. Tàu ĐSTĐC hoạt động theo thời gian quy định nên tính đều đặn cao hơn máy bay, ô tô và các phương tiện vận tải khác. Đặc biệt, ĐSTĐC được điều khiển tự động và có thể vận hành 24/24h, trừ khi có động đất xảy ra. Trong khi đó, hàng không và đường cao tốc phải ngừng hoạt động trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt như sương mù, mưa lớn và băng giá.

* Giảm tiêu hao năng lượng: Ở mọi quốc gia, GTVT là ngành tiêu thụ năng lượng chính. Tiêu chuẩn tiêu thụ năng lượng cũng là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng để đánh giá ưu, nhược điểm của GTVT. Tàu ĐSTĐC sử dụng năng lượng điện và không tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch lỏng như xăng dầu. Theo tính toán, năng lượng trung bình mức tiêu thụ trên mỗi người/km của các phương tiện giao thông khác nhau theo tỷ lệ: ĐSTĐC/xe khách/xe con/hàng không tương ứng là 1/1,06/6,14/5,57.

* Ô nhiễm ít: Các yêu cầu hiện tại của thế giới đối với một thế hệ phương tiện mới là tác động nhỏ đến môi trường. Năng lượng mà ĐSTĐC sử dụng là năng lượng điện. Lượng khí thải do ĐSTĐC tạo ra bằng 0 và hầu như không gây ô nhiễm môi trường. Ô tô và máy bay sử dụng năng lượng không thể tái tạo - xăng và dầu không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra khí nhà kính. Vì vậy, xét về tác động môi trường, ĐSTĐC vượt trội so với ô tô và máy bay.

* Chiếm dụng đất ít: Chiều rộng nền đường ô tô cao tốc 4 làn xe là 23,5 m, còn chiều rộng nền ĐSTĐC với tốc độ 350 km/h đường đôi là 9,6 - 11 m, bằng khoảng một nửa so với đường ô tô cao tốc.

* An toàn cao: Kể từ khi ĐSTĐC ra đời, Nhật Bản, Đức, Pháp, Trung Quốc và các quốc gia khác đã vận chuyển tổng cộng 10 tỷ hành khách. Ngoại trừ một số vụ tai nạn nhỏ, không có vụ TNGT nghiêm trọng nào trên ĐSTĐC. Đây là điều hiếm thấy ở các phương thức vận tải khác. Đặc biệt, Nhật Bản, Đức, Pháp và Trung Quốc vận hành hàng nghìn chuyến tàu ĐSTĐC mỗi ngày. Ngay khi tính cả các vụ tai nạn trong năm, tỷ lệ tai nạn và tỷ lệ thương vong vẫn thấp hơn nhiều so với các phương thức vận tải khác. Vì vậy, ĐSTĐC được coi là phương tiện di chuyển an toàn nhất.

* Thoải mái: Tốc độ của ĐSTĐC thấp hơn máy bay, tuy nhiên, ở những chặng đường ngắn (dưới 600 km), hành khách tiết kiệm được nhiều thời gian do không cần đến sân bay thường ở xa cũng như không cần làm thủ tục, ký gửi hành lý, kiểm tra an ninh. Hơn nữa, ĐSTĐC có không gian rộng rãi và hành khách thoải mái hơn. Tàu ĐSTĐC được bố trí rất sang trọng với đầy đủ trang, thiết bị làm việc và sinh hoạt, chỗ ngồi rộng rãi, thoải mái. Nó cũng có hiệu suất chạy tốt và hoạt động rất ổn định, do khả năng hấp thụ chấn động và cách âm tốt nên tàu rất yên tĩnh.

* Hiệu quả kinh tế cao: ĐSTĐC không chỉ thúc đẩy quá trình đô thị hóa các vùng nông thôn dọc tuyến đường sắt và tạo cơ hội việc làm mới mà còn thu hồi vốn đầu tư nhanh chóng, không gây gánh nặng tài chính. Các ngành công nghiệp do ảnh hưởng của ĐSTĐC tạo ra giá trị gấp 2,4 lần so với chi phí xây dựng ĐSTĐC.

* Tính xã hội: ĐSTĐC không chỉ rút ngắn khoảng cách giữa các vùng mà còn thúc đẩy sự phát triển xã hội. Một mặt, sự phát triển của ĐSTĐC có thể thúc đẩy trao đổi và hợp tác giữa các thành phố và thúc đẩy sự phát triển kinh tế của các thành phố dọc theo tuyến ĐSTĐC.

Phát triển ĐSTĐC cũng thúc đẩy hội nhập khu vực. Khác biệt so với các loại hình khác, ĐSTĐC thúc đẩy sự hội nhập của các vùng khác nhau. ĐSTĐC chạy trên ray thúc đẩy hội nhập khu vực, ĐSTĐC chạy trên đệm từ thúc đẩy hội nhập nhà nước và đường sắt siêu tốc chạy trong đường ống thúc đẩy hội nhập toàn cầu.

ĐSTĐC chạy trên đệm từ. Nguồn: https://www.railway-technology.com

Các bước nhảy vọt về công nghệ

Để đáp ứng nhu cầu về cả tốc độ và khả năng vận tải, ĐSTĐC đã trải qua 3 thay đổi về chất, đó là 3 bước nhảy vọt. Từ ĐSTĐC chạy trên ray đến ĐSTĐC chạy trên đệm từ đến đường sắt siêu tốc chạy trong đường ống, từ tốc độ vận hành 200 lên 500 rồi đến 1.000 km/h, đây cũng là 3 bước nhảy vọt về nhu cầu vận tải của con người.

* Bước nhảy vọt đầu tiên: Cải thiện tốc độ vận hành và sự ra đời của ĐSTĐC chạy trên ray:

Để cải thiện tốc độ đoàn tàu ĐSTĐC chạy trên ray ra đời là bước nhảy vọt đầu tiên chuyển từ đường sắt truyền thống sang ĐSTĐC chạy trên ray.

Xét về năng lực, tàu hỏa truyền thống là vua của mọi phương thức vận tải. Tuy nhiên, tàu truyền thống thường chạy với tốc độ dưới 200 km/h, không thể đáp ứng nhu cầu di chuyển nhanh của con người. Bằng cách tăng cường nghiên cứu về đường ray và loại phương tiện, đặc biệt là cải tiến loại phương tiện, người ta giảm lực cản ma sát và lực cản không khí khi tàu cao tốc chạy để tăng tốc độ chạy tàu. Ở Nhật Bản, tốc độ tàu ĐSTĐC (Shinkansen) đạt 200 km/h vào năm 1964. Tàu được gọi là ĐSTĐC khi tốc độ vận hành trên 200 km/h. Tuy nhiên, ĐSTĐC chạy trên ray chỉ có thể hoạt động ở tốc độ từ 200 km/h đến 400 km/h do lực cản không khí và lực cản ma sát. Tốc độ vận hành 400 km/h là ngưỡng cảnh báo của ĐSTĐC chạy trên ray.

Khi tàu ĐSTĐC chạy trên ray vượt quá tốc độ này sẽ cực kỳ dễ trật bánh và gây TNGT.

* Bước nhảy vọt thứ hai: Loại bỏ lực cản ma sát mang đến sự ra đời của ĐSTĐC chạy trên đệm từ:

Để giảm ma sát giữa bánh xe và đường ray, bước nhảy vọt thứ hai đã được thực hiện. Kết quả là ĐSTĐC chạy trên đệm từ đã ra đời.

Để giảm lực cản ma sát, nâng cao tốc độ chạy tàu và đáp ứng yêu cầu di chuyển nhanh của con người, ĐSTĐC chạy trên đệm từ ra đời với tốc độ chạy tàu hơn 400 km/h dựa trên nguyên lý "lực đẩy nam châm cùng chiều và lực hút nam châm ngược chiều". Trong quá trình vận hành ĐSTĐC chạy trên đệm từ, đoàn tàu đệm từ trường không tiếp xúc trực tiếp với đường ray mà nổi trên đường ray nên không có lực cản ma sát, từ đó tốc độ chạy tàu được cải thiện. Năm 2015, tốc độ ĐSTĐC chạy trên đệm từ ở Nhật Bản đã đạt trên 600 km/h. ĐSTĐC chạy trên đệm từ tuy không bị ảnh hưởng bởi lực cản ma sát nhưng nó chỉ có thể hoạt động ở tốc độ 400 - 1.000 km/h do hạn chế của lực cản không khí. Tốc độ khai thác 1.000 km/h là ngưỡng cảnh báo của ĐSTĐC chạy trên đệm từ. Khi vượt quá tốc độ này thì chi phí vận hành sẽ rất cao.

ĐSTĐC chạy trên đệm từ là loại đẩy nổi từ tính của ĐSTĐC, chủ yếu được đẩy nổi trên ray để chạy, nó còn được gọi là ĐSTĐC siêu dẫn.

* Bước nhảy vọt thứ ba: Giảm lực cản không khí mang đến sự ra đời của đường sắt siêu tốc (ĐSST) chạy trong đường ống:

Khi tàu chạy trong chân thì không có giới hạn về tốc độ vận hành. Để giảm sức cản của không khí, bước nhảy vọt thứ ba đã được thực hiện. ĐSST chạy trong đường ống đã ra đời.

ĐSST chạy trong đường ống được sản xuất để đáp ứng yêu cầu của con người về việc di chuyển nhanh, dựa trên khái niệm đường ống chân không bằng cách giảm sức cản không khí. ĐSST chạy trong đường ống chân không không có lực cản không khí và ma sát, tốc độ chạy tàu có thể đạt hơn 1.200 km/h. Trên thực tế, trong đường ống chân không không có lực cản không khí và lực cản ma sát nên đoàn tàu ĐSST chạy trong đường ống có thể vận hành "tùy ý" và có thể đạt đến vận tốc 10.000 km/h.

ĐSST chạy trong đường ống có các đặc tính chính như sau:

- Tốc độ vận hành: Khoảng 1.200 km/h (tốc độ âm thanh là 340 m/s);

- Không có ngưỡng cảnh báo tốc độ giới hạn;

- Không có lực cản không khí và lực cản ma sát.

ĐSST chạy trong đường ống. Nguồn: railway-technology.com

Triển vọng phát triển đối với ĐSTĐC ở Việt Nam

Theo quan điểm phát triển đường sắt ở Việt Nam, đường sắt được xác định là một trong ba đột phá chiến lược cần ưu tiên đầu tư để phát triển kinh tế - xã hội, ngoài ra còn bảo đảm quốc phòng - an ninh, thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển bền vững. Phát triển kết cấu hạ tầng đường sắt có trọng tâm, trọng điểm, mang tính đột phá trên các hành lang vận tải chính có nhu cầu vận tải lớn, kết nối các trung tâm kinh tế, đầu mối vận tải, phát huy thế mạnh vận tải khối lượng lớn, cự ly trung bình và dài, đường sắt là loại hình vận tải có chi phí hợp lý, an toàn, ít gây ô nhiễm môi trường.

Hiện nay, đường sắt nói chung và ĐSTĐC nói riêng được sự quan tâm lớn của Đảng và Nhà nước.

Theo quy hoạch mạng lưới đường sắt Việt Nam đã được được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt theo Quyết định số 1769/QĐ-TTg ngày 19/10/2021, mục tiêu đến năm 2030 sẽ hoàn thành công tác chuẩn bị đầu tư, thu xếp nguồn lực để khởi công một số tuyến đường sắt mới, trong đó ưu tiên tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam. Tầm nhìn đến năm 2050 hoàn thành tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam.

Ngày 28/2/2023, Bộ Chính trị đã ban hành Kết luận 49-KL/TW về định hướng phát triển GTVT đường sắt Việt Nam, trong đó mục tiêu cụ thể đến năm 2025 phấn đấu hoàn thành phê duyệt chủ trương đầu tư dự án ĐSTĐC Bắc - Nam, khởi công các đoạn ưu tiên trong giai đoạn 2026 - 2030 (Hà Nội - Vinh; TP. Hồ Chí Minh - Nha Trang); hoàn thành toàn bộ tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam trước năm 2045.

Với lịch sử hàng trăm năm khai thác của tuyến đường sắt Bắc - Nam hiện tại, cùng với sự phát triển ngày càng cao của nhu cầu vận chuyển thì phát triển tuyến ĐSTĐC Bắc - Nam là xu hướng tất yếu ở Việt Nam.

Như đã phân tích ở trên, hiện tại có 3 loại hình công nghệ ĐSTĐC trên thế giới là ĐSTĐC chạy trên ray, ĐSTĐC chạy trên đệm từ và ĐSST chạy trong đường ống. Trong ba loại hình đường sắt này, ĐSTĐC chạy trên ray đã được xây dựng từ cách đây hơn 50 năm, hiện nay vẫn đang được sử dụng và xây dựng ở nhiều nước trên thế giới. Loại hình đường sắt này đã chứng minh được tính an toàn và chi phí đầu tư thấp. ĐSTĐC chạy trên đệm từ có vận tốc cao, tuy nhiên chi phí đầu tư xây dựng đắt đỏ, do vậy khả năng áp dụng vào thực tế khai thác vẫn còn hạn chế. ĐSST chạy trong đường ống có vận tốc rất cao, tuy nhiên vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, do vậy vẫn còn thời gian dài để được kiểm chứng đưa vào ứng dụng thực tế trong khai thác. Vì vậy, ĐSTĐC chạy trên ray vẫn là loại hình công nghệ đường sắt đang được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới.

Dựa vào kinh nghiệm xây dựng ĐSTĐC của các nước trên thế giới cùng với điều kiện khoa học công nghệ và kinh tế - xã hội Việt Nam hiện nay, về mặt công nghệ, lựa chọn công nghệ ĐSTĐC chạy trên ray là hoàn toàn phù hợp với Việt Nam.