Sự phát triển của ngành đường sắt cao tốc không đơn thuần là một cuộc đua về vận tốc, mà là biểu tượng của sức mạnh công nghiệp, trình độ khoa học kỹ thuật và khả năng tối ưu hóa tài nguyên bền vững của một quốc gia.
Chiếu theo bức tranh đó, Siemens Mobility – một nhánh chủ lực của tập đoàn công nghiệp Siemens từ CHLB Đức – đã xác lập tiêu chuẩn vàng mang tính toàn cầu với dòng tàu Velaro và bước tiến đột phá mang tên Velaro Novo.
Khác với các hệ thống đường sắt đóng kín, công nghệ của Siemens đã len lỏi vào những thị trường khắc nghiệt nhất, từ những yêu cầu khắt khe về tính tương hợp của Liên minh Châu Âu đến sự mở rộng thần tốc nhưng đầy tính toán của Trung Quốc, và cả những tham vọng hiện đại hóa cơ sở hạ tầng tại Hoa Kỳ.
Mới đây, dự án đường sắt tốc độ cao Hà Nội – Quảng Ninh quy mô 5,6 tỷ USD của Vingroup cũng sử dụng Velaro Novo, như một minh chứng cho uy tín và công nghệ vượt trội đến từ Siemens.
Vì sao Velaro Novo tạo nên danh tiếng toàn cầu?
Để hiểu được tại sao Velaro Novo lại được coi là “đẳng cấp và khác biệt”, cần phải nhìn lại lịch sử hình thành từ dòng tàu Intercity-Express (ICE) – niềm tự hào của nước Đức.
Cuối những năm 1990, Siemens đã tạo ra một cuộc cách mạng khi chuyển đổi từ cấu trúc kéo tập trung của các thế hệ ICE 1 và ICE 2 sang hệ thống lực kéo phân tán trên dòng ICE 3. Đây chính là nền tảng cốt lõi của gia đình Velaro.
Hệ thống lực kéo phân tán loại bỏ nhu cầu về các đầu máy kéo cồng kềnh ở hai đầu đoàn tàu. Thay vào đó, các thiết bị động lực, biến tần và máy biến áp được phân bổ đều dưới sàn của các toa tàu. Sự thay đổi này không chỉ là một cải tiến cơ khí đơn thuần mà là một bài toán tối ưu hóa không gian triệt để.
Bằng cách tận dụng toàn bộ chiều dài đoàn tàu cho hành khách, các dòng tàu dựa trên nền tảng Velaro có thể cung cấp thêm khoảng 20% số lượng ghế ngồi so với các đoàn tàu sử dụng đầu máy truyền thống có cùng chiều dài.
Từ sự thành công của ICE 3 tại thị trường nội địa, Siemens đã phát triển thương hiệu Velaro để phục vụ thị trường xuất khẩu, bắt đầu với những hợp đồng mang tính lịch sử tại Tây Ban Nha (Velaro E), Nga (Velaro RUS), và Trung Quốc (Velaro CN).
Mỗi biến thể này không chỉ là một đơn hàng thương mại mà là một kỳ tích về khả năng thích ứng kỹ thuật. Tại Tây Ban Nha, Velaro E (AVE S-103) đã thiết lập kỷ lục thế giới cho tàu thương mại chưa qua chỉnh sửa với vận tốc 403,7 km/h vào tháng 7/2006. Trong khi đó, tại Nga, Siemens đã phải giải quyết bài toán vận hành trong điều kiện nhiệt độ cực thấp và khổ đường ray rộng 1.520 mm, dẫn đến việc mở rộng thân tàu thêm 33 cm để tận dụng không gian tối đa.
Năm 2018, Siemens Mobility chính thức giới thiệu Velaro Novo – một nền tảng được thiết kế không chỉ để chạy nhanh hơn mà để vận hành thông minh hơn và bền vững hơn.
Trong bối cảnh chi phí năng lượng ngày càng tăng và áp lực giảm phát thải CO2 đè nặng lên các nhà vận hành, Velaro Novo xuất hiện như một giải pháp cứu cánh với cam kết giảm 30% mức tiêu thụ năng lượng so với các thế hệ trước đó.
Hiệu quả năng lượng của Velaro Novo không đến từ một thay đổi duy nhất mà là sự tổng hòa của hàng loạt cải tiến nhỏ trong thiết kế cơ khí và khí động học. Một trong những điểm yếu lớn nhất của các dòng tàu cao tốc truyền thống là lực cản không khí tại các khu vực gầm tàu và các bộ phận kết nối giữa các toa.
Siemens đã giải quyết triệt để vấn đề này bằng cách bao phủ hoàn toàn các bộ phận dưới sàn và tối ưu hóa hình dáng của các xe bogie (hệ thống bánh xe). Các xe bogie được bọc kín không chỉ giúp giảm 15% lực cản không khí mà còn làm giảm đáng kể tiếng ồn phát ra khi tàu di chuyển ở vận tốc trên 300 km/h.
Bên cạnh đó, việc áp dụng các công nghệ hàn mới và vật liệu tiên tiến trong chế tạo thân tàu đã giúp giảm trọng lượng tổng thể của đoàn tàu đi 15%, tương đương với việc cắt giảm khoảng 70 tấn thép và thiết bị. Việc giảm trọng lượng này có ý nghĩa sống còn: nó làm giảm áp lực lên đường ray, giảm mài mòn bánh xe và quan trọng nhất là giảm năng lượng cần thiết để tăng tốc đoàn tàu.
Trái tim của sự khác biệt về trình độ kỹ thuật mà Siemens sở hữu nằm ở hệ thống biến tần sử dụng công nghệ Silicon Carbide (SiC). Trong hàng thập kỷ, các bộ biến tần trên tàu hỏa sử dụng công nghệ Silicon truyền thống (IGBT), vốn có giới hạn về nhiệt độ hoạt động và tổn hao năng lượng cao dưới dạng nhiệt.
Silicon Carbide, với khoảng cách băng năng lượng rộng hơn và khả năng dẫn nhiệt vượt trội, cho phép các linh kiện điện tử hoạt động ở tần số chuyển mạch cao hơn và điện áp lớn hơn.
Việc ứng dụng SiC vào hệ thống truyền động của Velaro Novo mang lại những lợi ích đa tầng bao gồm.
Tối ưu hóa kích thước: Các bộ biến tần SiC có kích thước nhỏ hơn 25% so với các thiết bị Silicon truyền thống, giúp giải phóng không gian dưới sàn tàu.
Giảm tổn hao nhiệt: Tổn hao năng lượng trong quá trình biến đổi điện năng được giảm thiểu từ 10% đến 25%, dẫn đến việc hệ thống làm mát có thể thu nhỏ đáng kể, thậm chí chuyển từ làm mát bằng quạt cưỡng bức sang làm mát thụ động, từ đó giảm tiếng ồn trong khoang khách.
Tăng cường khả năng phanh tái tạo: Hệ thống điện tử SiC cho phép thu hồi năng lượng khi tàu hãm phanh và trả lại lưới điện với hiệu suất gần như tuyệt đối, giúp tiết kiệm thêm 10% năng lượng vận hành thực tế.
Siemens đã định nghĩa lại không gian nội thất thông qua khái niệm thân tàu rỗng. Trong các thiết kế tàu truyền thống, các tủ thiết bị điện, hệ thống dây cáp và các rào cản kỹ thuật thường được đặt cố định bên trong toa tàu, làm hạn chế khả năng bố trí lại nội thất. Với Velaro Novo, toàn bộ các thành phần kỹ thuật đã được đẩy xuống gầm hoặc đưa lên nóc tàu, để lại không gian bên trong toa tàu hoàn toàn trống trải và linh hoạt.
Điều này cho phép nhà vận hành có thể tùy biến cấu hình ghế ngồi từ 2+2 sang 2+3 hoặc thiết kế các khoang hạng thương gia, phòng họp hay khu vực giải trí mà không cần can thiệp vào cấu trúc hệ thống của tàu. Hơn nữa, thiết kế này giúp tăng không gian sử dụng thực tế thêm 10%, cho phép một đoàn tàu dài 200 m có thể chứa tới 600 hành khách mà vẫn đảm bảo độ rộng của lối đi lên tới 535 mm.
Vì sao Siemens vượt trội hơn cả công nghệ Trung Quốc lẫn Nhật Bản?
Sự trỗi dậy của công nghệ đường sắt Trung Quốc và sự bền bỉ của Shinkansen Nhật Bản là không thể phủ nhận. Người ta thường ví sự phát triển thần tốc của đường sắt Trung Quốc như “ngựa ô” đáng nể.
Tuy nhiên, Siemens vẫn giữ vững vị thế là “con rồng thượng thừa” trong làng công nghệ vì những lý do sâu xa về triết lý kỹ thuật và khả năng tương thích toàn cầu.
Trung Quốc hiện sở hữu mạng lưới đường sắt cao tốc lớn nhất thế giới, nhưng “DNA” của hệ thống này phần lớn bắt nguồn từ Siemens. Năm 2005, Siemens đã ký một thỏa thuận lịch sử với China CNR Corporation (nay là một phần của CRRC) để xây dựng tuyến đường sắt Bắc Kinh – Thiên Tân. Theo thỏa thuận này, Siemens đã đóng 3 đoàn tàu đầu tiên tại Đức và hỗ trợ sản xuất 57 đoàn tàu tiếp theo tại Trung Quốc, đồng thời đào tạo hơn 1.000 kỹ sư Trung Quốc.
Dòng tàu CRH3C của Trung Quốc thực chất là một biến thể của Velaro E nhưng được mở rộng thân tàu thêm 300 mm để phù hợp với khổ hạ tầng rộng lớn của Trung Quốc. Mặc dù sau này Trung Quốc đã phát triển dòng Fuxing với tuyên bố sở hữu trí tuệ độc lập, các chuyên gia vẫn nhận thấy sự kế thừa rõ rệt từ nền tảng Velaro trong các bộ phận quan trọng như xe bogie và hệ thống điều khiển.
Sự ngưỡng mộ dành cho Siemens còn nằm ở khả năng đổi mới liên tục. Khi Trung Quốc đang nỗ lực tối ưu hóa dòng Fuxing thì Siemens đã tiến lên Velaro Novo với các giải pháp AI và SiC mà phía Trung Quốc vẫn đang trong quá trình thử nghiệm hoặc áp dụng hạn chế.
Một minh chứng cụ thể là trong một số giai đoạn, chính các công ty Trung Quốc cũng phải mua ngược lại các linh kiện cao cấp từ Siemens do không thể tự sản xuất với độ chính xác tương đương.
So với Shinkansen của Nhật Bản, Siemens Velaro có một lợi thế tuyệt đối về tính tương hợp quốc tế. Hệ thống Shinkansen được xây dựng như một “hệ thống đóng” với đường ray, tín hiệu và tàu được thiết kế riêng biệt, không dùng chung với bất kỳ hệ thống đường sắt nào khác. Điều này giúp Shinkansen cực kỳ an toàn và đúng giờ nhưng lại khiến nó rất khó xuất khẩu sang các quốc gia có mạng lưới đường sắt hiện hữu phức tạp.
Ngược lại, Siemens thiết kế Velaro để tuân thủ các Thông số kỹ thuật về khả năng tương tác của châu Âu. Một đoàn tàu Velaro D có thể chạy qua biên giới Đức, Pháp, Bỉ mà không cần dừng lại nhờ khả năng tương thích với 4 hệ thống điện áp và hàng loạt hệ thống tín hiệu quốc gia khác nhau. Khả năng “chạy trên mọi nẻo đường” này là yếu tố khiến các quốc gia phương Tây và ngay cả các thị trường mới nổi như Thổ Nhĩ Kỳ hay Ai Cập ưu tiên lựa chọn Siemens.
Không chỉ là uy tín mà còn là chi phí
Đẳng cấp của Siemens không chỉ nằm ở phần cứng (những con tàu bằng thép và sợi carbon) mà còn nằm ở “bộ não” kỹ thuật số. Siemens đã triển khai nền tảng Railigent X – một hệ sinh thái dựa trên đám mây sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để quản lý vòng đời của đoàn tàu.
Trong ngành đường sắt, việc một đoàn tàu phải dừng hoạt động đột ngột vì sự cố kỹ thuật gây ra thiệt hại kinh tế khổng lồ. Railigent X giải quyết vấn đề này bằng cách thu thập dữ liệu từ hàng ngàn cảm biến trên tàu theo thời gian thực. AI sẽ phân tích các tín hiệu rung động của vòng bi, nhiệt độ của biến tần hay độ mòn của bánh xe để dự đoán chính xác thời điểm một linh kiện sẽ hỏng trước khi nó thực sự xảy ra.
Các ứng dụng như “Health States” (Trạng thái sức khỏe) và “Remaining Useful Life” (Tuổi thọ còn lại) cho phép nhà vận hành lên kế hoạch bảo trì chỉ khi thực sự cần thiết, thay vì bảo trì theo số km một cách máy móc.
Tại Trung tâm Dịch vụ Đường sắt ở Dortmund, Đức, công nghệ này đã giúp giảm thời gian dừng tàu của đội tàu Rhein-Ruhr-Express (RRX) và đạt mức độ sẵn sàng của hệ thống lên tới gần 100%.
Siemens là đơn vị tiên phong trong việc triển khai Hệ thống Kiểm soát Đoàn tàu Châu Âu (ETCS) Cấp độ 2 và 3, tích hợp với Vận hành Tàu Tự động (ATO). Khác với các hệ thống tín hiệu truyền thống dựa trên đèn tín hiệu bên đường ray, ETCS Level 2 sử dụng sóng vô tuyến kỹ thuật số (GSM-R hoặc LTE-R) để truyền lệnh trực tiếp vào cabin lái.
Tại Na Uy và Thổ Nhĩ Kỳ, hệ thống Trainguard của Siemens đã giúp số hóa toàn bộ mạng lưới, cho phép tàu vận hành với khoảng cách ngắn hơn giữa các đoàn mà vẫn đảm bảo an toàn tuyệt đối, từ đó tăng năng lực vận tải của tuyến đường thêm 30% mà không cần xây thêm đường ray mới.
Khả năng điều khiển phanh và tăng tốc một cách mượt mà thông qua các thuật toán AI cũng giúp tiết kiệm thêm 30% năng lượng vận hành so với việc lái thủ công.
Một trong những lý do Siemens có ưu thế hơn còn nằm ở tính “chìa khóa trao tay” và cam kết chuyển giao công nghệ. Siemens không chỉ bán tàu mà còn cung cấp toàn bộ hệ thống tín hiệu ETCS Level 2, hệ thống cấp điện và viễn thông đồng bộ.
Đặc biệt, Siemens còn có những cam kết hỗ trợ nội địa hóa ở mức cao nhất, giúp Việt Nam tiềm năng sau này không chỉ vận hành mà còn tiến tới làm chủ một phần công nghệ đường sắt cao tốc trong tương lai.
Vận hành đường sắt cao tốc tại Việt Nam đòi hỏi công nghệ phải chống chịu được độ ẩm cao, lượng mưa lớn và tác động của muối biển tại các vùng ven biển như Quảng Ninh hay Cần Giờ.
Siemens đã có kinh nghiệm dày dạn trong việc tùy biến dòng Velaro để hoạt động trong các vùng khí hậu khắc nghiệt, từ vùng sa mạc nóng bỏng của Ai Cập đến vùng băng giá của Nga. Các hệ thống điều hòa không khí, vật liệu cách điện và lớp phủ bảo vệ thân tàu trên Velaro Novo sẽ được điều chỉnh đặc biệt để đảm bảo tuổi thọ vận hành lên tới 30 năm trong điều kiện nhiệt đới.
Một trong những lý do khiến các quốc gia phương Tây vẫn trung thành với Siemens bất chấp giá mua ban đầu có thể cao hơn so với các nhà thầu khác chính là chi phí vòng đời.
Trong cơ cấu chi phí của một dự án đường sắt cao tốc, năng lượng tiêu thụ chiếm một phần rất lớn. Việc Velaro Novo tiết kiệm được 30% năng lượng sẽ giúp nhà vận hành tiết kiệm hàng tỷ Euro trong suốt vòng đời của đoàn tàu. Thêm vào đó, hệ thống phanh điện tử không mài mòn của Siemens giúp giảm đáng kể chi phí thay thế má phanh và bảo trì hệ thống phanh khí nén truyền thống.
Một nghiên cứu về kinh tế đường sắt đã chỉ ra rằng, nhờ vào việc giảm trọng lượng và tối ưu hóa xe bogie, Velaro Novo giúp giảm 20% tổng chi phí bảo trì hệ thống hạ tầng đường ray. Đây là một “chi phí ẩn” mà các nhà đầu tư thông minh luôn đặt lên bàn cân khi so sánh giữa các nhà cung cấp.