Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học kinh tế sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam" do nghiên cứu sinh Nguyễn Sơn Tùng thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TSKH Nguyễn Hữu Hà và PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Hạnh, bảo vệ năm 2022 thuộc ngành Tổ chức và quản lý vận tải, mã số 9.03.

Về tính cấp thiết, Đường sắt Việt Nam có lịch sử phát triển hơn một thế kỷ nhưng kết cấu hạ tầng hiện tại phần lớn chưa vào cấp kỹ thuật, công nghệ phương tiện lạc hậu với sức kéo chủ đạo là đầu máy diesel công suất thấp, tiêu hao nhiên liệu lớn và hơn 50% số lượng toa xe đã khai thác trên 25 năm. Việc phụ thuộc hoàn toàn vào nhiên liệu hóa thạch đối mặt với nguy cơ bất ổn về nguồn cung, biến động giá quốc tế và gây ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, Chiến lược và Quy hoạch phát triển mạng lưới đường sắt Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 định hướng xây dựng tuyến đường sắt tốc độ cao đường đôi, khổ 1435 mm, điện khí hóa. Luật Đường sắt năm 2017 cũng quy định cụ thể về việc hiện đại hóa và xây dựng hệ thống cung cấp điện sức kéo tập trung. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: mặc dù các dự án tiền khả thi tuyến đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam đã được lập, nhưng cơ sở lý luận khoa học kinh tế về sử dụng sức kéo điện tại Việt Nam chưa được hoàn thiện; các mô hình toán kinh tế xác định và lượng hóa hệ thống lợi ích kinh tế - xã hội, môi trường và hiệu quả vận tải khi chuyển đổi từ diesel sang điện chưa được xây dựng một cách đồng bộ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là hoàn thiện cơ sở lý luận về khoa học kinh tế sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam; hoàn thiện khung lý thuyết và xây dựng mô hình kinh tế để tính toán, lượng hóa các lợi ích kinh tế cụ thể khi đưa sức kéo điện vào vận hành khai thác.

Các câu hỏi nghiên cứu được luận án đặt ra gồm:

  1. Cơ sở lý luận của cơ sở khoa học kinh tế sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam được xác lập như thế nào?
  2. Khung lý thuyết của việc nghiên cứu, cơ sở khoa học để phân tích, tính toán các lợi ích sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam bao gồm những yếu tố nào?
  3. Đánh giá các ảnh hưởng cụ thể của khí thải đầu máy, dầu thải đầu máy đối với môi trường và con người khi sử dụng nhiên liệu hóa thạch đối với sức kéo diesel ra sao?
  4. Đánh giá về cung cấp năng lượng cho sử dụng sức kéo điện và tính kém bền vững về khả năng cung cấp nguồn nhiên liệu cho sức kéo diesel như thế nào?
  5. Cơ sở khoa học trong việc đề xuất và hoàn thiện các mô hình tính toán lợi ích sử dụng sức kéo điện được xây dựng trên nguyên tắc nào?
  6. Kết quả lượng hóa các chỉ tiêu lợi ích khi sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam tính cho một tuyến cụ thể minh chứng cho xu hướng sử dụng sức kéo điện trong tương lai ra sao?

Đối tượng nghiên cứu là cơ sở lý luận của cơ sở khoa học kinh tế sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam; các yếu tố cơ sở vật chất, đặc tính kỹ thuật của sức kéo điện, lợi ích kinh tế mang lại; những hạn chế của sức kéo điện và những bất cập khi khai thác sức kéo diesel.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Về nội dung: Nghiên cứu tập trung vào hệ thống đường sắt điện khí hóa, loại hình sức kéo sử dụng đầu máy điện động lực tập trung chạy trên đường đôi khổ ray tiêu chuẩn 1435 mm; đánh giá tác động môi trường của sức kéo diesel và xây dựng mô hình định lượng lợi ích kinh tế của sức kéo điện.
  • Về không gian: Tập trung vào mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam gắn liền với điều kiện bảo vệ môi trường, phát triển bền vững và đối chiếu kinh nghiệm quốc tế; áp dụng tính toán thực nghiệm trên tuyến đường sắt tốc độ cao Sài Gòn - Nha Trang.
  • Về thời gian: Khảo sát quá trình phát triển sức kéo đường sắt từ thế kỷ XX đến hiện nay; dữ liệu tính toán và dự báo vận tải được xác định cho các mốc thời gian đưa dự án vào khai thác các năm 2028, 2031 và các giai đoạn tiếp theo.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến công nghệ và kinh tế sức kéo điện:

Về nghiên cứu quốc tế:

  • Prof.-Ing Arnd Stephan (2000, 2006) trong các nghiên cứu về hệ thống giao thông điện đã phân tích các thành phần kỹ thuật của đường sắt điện khí hóa và chỉ rõ sự khác biệt giữa hai loại hình sức kéo: đầu máy diesel bị giới hạn công suất cực đại ở mức 2,4 MW tại tốc độ 140 km/h, trong khi đầu máy điện đạt công suất 6,4 MW ở tốc độ 220 km/h (công suất gấp 2,6 lần và tốc độ gấp 1,57 lần), đồng thời đường đặc tính kéo dạng hypebol mang lại hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn.
  • S. Olson và cộng sự (1981) nghiên cứu về điện khí hóa và năng suất đường sắt, khẳng định sức kéo điện giải phóng giới hạn năng lượng tự mang theo của đầu máy diesel, rút ngắn thời gian bảo dưỡng, cắt giảm nhu cầu cấp nhiên liệu và tăng hiệu quả sử dụng vốn.
  • Gjermund Bjørseth MO, Armands Gravelsins, Claudio Rochas và cộng sự (2017) xây dựng mô hình động lực học hệ thống cho đường sắt điện khí hóa ở Latvia để đánh giá mối quan hệ tương hỗ giữa nhu cầu điện năng, hiệu quả kinh tế và mức độ giảm phát thải ô nhiễm.
  • E. Transp (1998) nghiên cứu tại 9 quốc gia khu vực Nam Phi, phân tích lợi ích kinh tế và môi trường khi chuyển từ diesel sang điện khí hóa nhờ giảm khói thải và thu hút luồng hàng nặng từ đường bộ.
  • M. Siegmann (2016) thực hiện phân tích chi phí - lợi ích cho tuyến đường sắt tốc độ cao Cairo - Alexandria (208 km), áp dụng phương pháp so sánh đối chứng giữa hai trạng thái "có dự án điện khí hóa" và "không có dự án" (tiếp tục chạy diesel).
  • Svetlana I. Mamaev (2018) chỉ ra việc ứng dụng hãm điện tái sinh trên mạng lưới đường sắt Nga giúp thu hồi từ 10% đến 15% tổng điện năng tiêu thụ, thậm chí đạt 20% trên các khu đoạn có độ dốc lớn thuộc tuyến Viễn Đông.
  • Krylyuk (2017) khảo sát tại Ukraine, chứng minh vận tải đường sắt điện khí hóa có lượng phát thải khí ô nhiễm thấp hơn 2 đến 3 lần và độ ồn giảm 4 lần so với vận tải cơ giới đường bộ.
  • Hoa Mậu Côn, Châu Dục Dân, Ngô Xương Nguyên (2006) phân tích quá trình phát triển của đường sắt Trung Quốc từ dòng đầu máy điện SS1 năm 1958 (3.900 kW, 25 kV, 50 Hz, 95 km/h) đến các dòng đầu máy tốc độ cao trên 300 km/h; chỉ rõ hiệu suất tổng bình quân của sức kéo điện là 23,6% so với 19% của diesel, chu kỳ sửa chữa lớn của đầu máy điện đạt 1.600.000 km, gấp hơn 2 lần chu kỳ 700.000 km của đầu máy diesel.

Về nghiên cứu trong nước:

  • Hồ Anh Sáng, Triệu Việt Linh, Võ Thanh Hà (2013) phân tích xu hướng điện khí hóa đường sắt thế giới và tính tất yếu áp dụng cho Việt Nam.
  • Đỗ Việt Dũng (2009) trong lý thuyết hệ thống giao thông điện đã so sánh hiệu suất thuần của đầu máy điện (đạt 25% - 70%) so với hiệu suất của đầu máy diesel (33% - 38%).
  • Lê Mạnh Việt và cộng sự (2010) tại đề tài cấp Bộ GTVT đã tính toán cho thấy cùng một cấp công suất, đầu máy diesel nặng hơn đầu máy điện từ 1,5 đến 1,7 lần và chi phí chế tạo đắt gần gấp đôi.
  • Phạm Công Hà, Bạch Vọng Hà, Phạm Trường Thắng (2008) chứng minh tính khả thi kỹ thuật cung cấp điện cho các tuyến đường sắt mật độ cao tại Việt Nam.
  • Nguyễn Văn Chuyên và Trương Duy Phúc (2002) chỉ rõ tốc độ lữ hành thấp của tàu khách Việt Nam (50 - 60 km/h) do sức kéo diesel giới hạn tốc độ kỹ thuật dưới 100 km/h, đòi hỏi phải chuyển sang sức kéo điện để nâng dải tốc độ lên 250 - 300 km/h.
  • Liên danh tư vấn TRICC - TEDI - TEDIS và các chuyên gia Nhật Bản (2008, 2018) lập báo cáo tiền khả thi dự án đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam xác định các thông số kỹ thuật điện sức kéo.
  • Từ Sỹ Sùa (2012) ghi nhận hãm điện tái sinh giúp tiết kiệm từ 3% đến 5% năng lượng trong giao thông đô thị và khoảng 6% trong vận tải hàng hóa khu vực dốc thoải.
  • Nguyễn Hữu Hà (2005) nghiên cứu về tổ chức điều khiển chạy tàu, khẳng định sức kéo lớn giúp tăng năng lực thông qua của khu gian và nâng cao vòng quay toa xe.
  • Nghiêm Văn Dĩnh (2008) và Bùi Xuân Phong (2011) nghiên cứu về phân tích hiệu quả kinh tế gắn với bảo vệ môi trường và sử dụng hệ thống chỉ tiêu số tương đối trong vận tải.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Luận án khắc phục khoảng trống về việc thiếu vắng một khung lý thuyết và quy trình chuẩn hóa để nghiên cứu cơ sở khoa học kinh tế của sức kéo điện tại Việt Nam. Đồng thời, luận án lấp đầy khoảng trống thực nghiệm thông qua việc xây dựng một hệ thống mô hình toán kinh tế lượng hóa đồng thời 11 khoản mục lợi ích kinh tế (kết hợp lợi ích của doanh nghiệp vận tải, người sử dụng dịch vụ, ngân sách và môi trường), lồng ghép hệ thống lợi ích này vào bài toán phân kỳ đầu tư tối ưu theo giai đoạn cho một tuyến đường sắt cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các nền tảng lý thuyết và khung phân tích:

  • Cơ sở lý thuyết kinh tế: Tiếp cận theo kinh tế học vĩ mô và vi mô của Nghiêm Văn Dĩnh (2008), xem xét bài toán phân bổ nguồn lực khan hiếm, chi phí cơ hội và tối ưu hóa lợi ích xã hội; sử dụng lý thuyết định lượng quản trị (trường phái khoa học quản lý) theo R.M. Hodgetts và các tài liệu phương pháp nghiên cứu (2005, 2011) để mô hình hóa quá trình ra quyết định vận hành kinh tế.
  • Khung lý thuyết tiết kiệm năng lượng: Căn cứ Luật Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả năm 2010 (Luật số 50/2010/QH12) và sơ đồ dòng năng lượng của các cơ sở sản xuất công nghiệp để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa điện năng thành động năng kéo tàu.
  • Cơ sở lý luận về môi trường và phát triển bền vững: Đánh giá dựa trên hệ thống chỉ tiêu nồng độ các chất phát thải trong không khí (CO2, SOx, NOx, bụi PM10, PM2.5), nguy cơ từ dầu thải động cơ đốt trong và cơ chế thu thuế bảo vệ môi trường thông qua giá nhiên liệu diesel.
  • Lý thuyết hệ thống giao thông điện: Khung kỹ thuật của Đỗ Việt Dũng (2009) và Arnd Stephan (2006) về các phương thức cấp điện (đường dây trên cao dạng dây xích và đường ray thứ ba), nguyên lý trạm biến áp điện kéo, đặc tính lực kéo và hãm điện tái sinh.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu và thống kê mô tả: Hệ thống hóa số liệu kỹ thuật, sản lượng, doanh thu, tiêu hao nhiên liệu của Tổng công ty Đường sắt Việt Nam; phân tích các văn bản quy phạm pháp luật, Luật Đường sắt năm 2017 và các quyết định quy hoạch ngành.
  • Phương pháp so sánh đối chiếu: So sánh các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật giữa sức kéo diesel và sức kéo điện về công suất, tốc độ, gia tốc, trọng lượng đoàn tàu, hiệu suất năng lượng, chu kỳ sửa chữa và tỷ lệ phát thải.
  • Phương pháp mô hình hóa kinh tế - toán học: Luận án xây dựng các công thức toán kinh tế vi mô để lượng hóa từng nhóm lợi ích cụ thể dựa trên thông số chạy tàu, giá nhiên liệu, thuế suất, suất tiêu hao năng lượng, giá trị thời gian của hành khách và hàng hóa.
  • Phương pháp tối ưu hóa: Ứng dụng bài toán quy hoạch toán học để giải bài toán phân kỳ đầu tư tối ưu theo giai đoạn khai thác tuyến đường sắt tốc độ cao.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Dữ liệu niên giám thống kê khai thác, định mức nhiên liệu, tai nạn giao thông của Tổng công ty Đường sắt Việt Nam.
  • Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi tuyến đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam do Liên danh TRICC - TEDI - TEDIS lập.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật điện sức kéo quốc tế: tiêu chuẩn châu Âu EN 50163 và tiêu chuẩn Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế IEC 60850.
  • Số liệu dự báo nhu cầu vận tải hành khách và hàng hóa tại các ga trên tuyến Sài Gòn - Nha Trang cho các năm 2028 và 2031.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu sử dụng sức kéo điện ở nước ngoài và trong nước

Chương 1 khái quát lịch sử phát triển sức kéo đường sắt từ động cơ hơi nước thế kỷ XIX, chuyển qua động cơ đốt trong diesel và xu hướng điện khí hóa. Tính đến năm 2019, toàn cầu có gần 400.000 km đường sắt điện khí hóa, chiếm khoảng 35% tổng chiều dài mạng lưới và đảm nhận trên 60% tổng luân chuyển hành khách-km; riêng châu Âu đạt tỷ lệ điện khí hóa trên 65%. Các quốc gia dẫn đầu về chiều dài điện khí hóa gồm Trung Quốc (trên 51.000 km), Nga (45.000 km), Nhật Bản (17.000 km, chiếm 70% mạng lưới) và Pháp (15.000 km). Hệ thống đường sắt tốc độ cao toàn cầu đạt gần 40.000 km đều vận hành bằng sức kéo điện. Tại Việt Nam, sức kéo điện đã xuất hiện từ đầu thế kỷ XX dưới dạng tàu điện nội đô Hà Nội và đầu máy khai thác mỏ than Quảng Ninh; giai đoạn hiện nay mới vận hành tuyến đường sắt đô thị Cát Linh - Hà Đông, trong khi đường sắt quốc gia vẫn sử dụng hoàn toàn sức kéo diesel. Chương này phân tích các bài học quốc tế và khẳng định việc thiếu vắng các nghiên cứu định lượng lợi ích kinh tế tổng thể là khoảng trống cần giải quyết.

Chương 2: Cơ sở lý luận về cơ sở khoa học kinh tế sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam

Chương 2 hoàn thiện khung lý thuyết kinh tế cho sức kéo điện, làm rõ các khái niệm tri thức khoa học, cơ chế kinh tế và trường phái định lượng quản trị. Tác giả phân tích các quy định pháp lý về sử dụng năng lượng tiết kiệm, các tiêu chuẩn chất lượng không khí và phát triển bền vững. Luận án phân tích sâu về lý thuyết giao thông điện, xác định các cấp kỹ thuật đường sắt khổ 1435 mm (cấp 1 tốc độ $\le 200$ km/h; cấp 2 $\le 160$ km/h; cấp 3 $\le 120$ km/h) và đường sắt khổ 1000 mm (cấp 1 $\le 120$ km/h; cấp 2 $\le 100$ km/h; cấp 3 $\le 60$ km/h).

Về hình thức cấp điện, tác giả so sánh giữa hệ thống đường dây trên cao (dây xích) và hệ thống ray thứ ba. Hệ thống ray thứ ba có chi phí lắp đặt thấp hơn nhưng bị giới hạn kỹ thuật ở dải tốc độ tối đa 160 km/h và tiềm ẩn nguy hiểm rò điện dưới mặt đất, do đó chỉ thích hợp cho đường sắt đô thị. Tuyến đường sắt tốc độ cao bắt buộc phải lựa chọn hệ thống cấp điện trên cao sử dụng dòng điện xoay chiều một pha 25 kV AC, tần số công nghiệp 50 Hz theo tiêu chuẩn EN 50163. Luận án cũng phân tích đặc tính lực kéo, đặc tính hãm điện tái sinh và tổng hợp các thông số kỹ thuật của các dòng đầu máy điện xoay chiều tiêu biểu trên thế giới có sơ đồ trục B0-B0.

Cấp điện áp danh định Điện áp tối thiểu tức thời Điện áp tối thiểu trung bình Điện áp tối đa tức thời Điện áp tối đa trung bình Phạm vi ứng dụng chủ yếu
600 VDC 400 V 400 V 720 V 800 V Đường sắt đô thị, xe điện nhẹ
750 VDC 500 V 500 V 900 V 1.950 V Đường sắt đô thị, Metro ray thứ ba
3 kV DC 2 kV 2 kV 3,6 kV 3,9 kV Đường sắt quốc gia điện một chiều
15 kVAC, 16,7 Hz 11 kV 12 kV 17,25 kV 18 kV Đường sắt một số nước Bắc Âu, Đức
25 kVAC, 50 Hz 17,5 kV 19 kV 27,5 kV 29 kV Đường sắt tốc độ cao (tiêu chuẩn EN 50163)

Chương 3: Nghiên cứu và hoàn thiện mô hình kinh tế xác định lợi ích sử dụng sức kéo điện trên đường sắt Việt Nam

Chương 3 đánh giá thực trạng mạng lưới Đường sắt Việt Nam với hạ tầng đơn tuyến lạc hậu, các dòng đầu máy diesel công suất thấp, chi phí bảo trì cao và áp lực từ thuế bảo vệ môi trường thu qua giá dầu. Luận án phân tích bài toán an ninh năng lượng, sự cạn kiệt của tài nguyên dầu mỏ và khả năng đáp ứng của hệ thống điện quốc gia đối với phụ tải sức kéo đường sắt. Tác giả xây dựng mô hình toán kinh tế phân loại các lợi ích của sức kéo điện thành bốn nhóm chính:

Nhóm lợi ích Các chỉ tiêu thành phần được mô hình hóa Luận cứ kinh tế và kỹ thuật
1. Lợi ích từ tính năng kỹ thuật đầu máy - Thu hồi điện năng từ hãm điện tái sinh
- Nâng cao công suất và tốc độ kỹ thuật
- Giảm hao mòn cơ học hệ thống hãm		 Đầu máy điện đóng vai trò như máy phát điện khi hãm, trả ngược từ 10% đến 15% điện năng vào lưới tiếp xúc; gia tốc lớn rút ngắn thời gian chạy tàu.
2. Lợi ích bảo vệ môi trường - Cắt giảm phát thải khí nhà kính (CO2)
- Giảm thiểu khí độc hại (SOx, NOx, PM)
- Không phát sinh dầu thải động cơ		 Sức kéo điện không tiêu thụ dầu diesel tại chỗ, triệt tiêu nguồn phát thải dọc hành lang tuyến, giảm chi phí xử lý ô nhiễm đất và nước ngầm.
3. Lợi ích cho doanh nghiệp vận tải - Cắt giảm chi phí nhiên liệu và thuế BVMT
- Tiết kiệm dầu bôi trơn động cơ
- Cắt giảm chi phí vận chuyển, dự trữ dầu
- Kéo dài chu kỳ và giảm chi phí sửa chữa
- Tiết kiệm đầu tư đầu máy và toa xe phát điện (CV-PĐ)		 Suất tiêu hao năng lượng điện rẻ hơn dầu; chu kỳ sửa chữa lớn của đầu máy điện đạt 1,6 triệu km (so với 0,7 triệu km của diesel); đoàn tàu khách lấy điện trực tiếp từ dây tiếp xúc nên loại bỏ hoàn toàn toa xe phát điện.
4. Lợi ích kinh tế - xã hội - Tiết kiệm thời gian đi lại của hành khách
- Giảm thời gian hàng hóa lưu chuyển trên đường
- Giảm áp lực tai nạn và ùn tắc giao thông		 Tốc độ lữ hành cao giúp rút ngắn thời gian xã hội; luân chuyển hàng hóa nhanh làm giảm chi phí ứ đọng vốn lưu động trong quá trình vận tải.

Chương này cũng chỉ ra các hạn chế của sức kéo điện bao gồm: vốn đầu tư ban đầu cho kết cấu hạ tầng cung cấp điện rất lớn, kỹ thuật vận hành và bảo trì mạng lưới tiếp xúc trên cao phức tạp, phụ thuộc vào độ ổn định của hệ thống điện lưới quốc gia.

Chương 4: Lượng hóa các lợi ích kinh tế khi sử dụng sức kéo điện trên tuyến đường sắt tốc độ cao Sài Gòn - Nha Trang

Chương 4 áp dụng các mô hình kinh tế đã hoàn thiện để tính toán thực nghiệm trên tuyến đường sắt tốc độ cao đoạn Sài Gòn - Nha Trang. Tuyến có cự ly phù hợp, nhu cầu đi lại lớn và kết nối hai trung tâm kinh tế - du lịch trọng điểm. Luận án sử dụng dữ liệu dự báo lượng hành khách lên xuống ga tại các năm 2028 và 2031 để xác định số đôi tàu chạy trong ngày và tính toán số lượng đầu máy điện cần thiết cho từng giai đoạn.

Từ các thông số vận tải, tác giả định lượng cụ thể 11 khoản mục lợi ích kinh tế của sức kéo điện so với phương án tiếp tục sử dụng sức kéo diesel:

  1. Lợi ích thu hồi năng lượng nhờ hãm điện tái sinh (Bảng 4.6).
  2. Lợi ích giảm phát thải khí CO2 không phải xử lý môi trường (Bảng 4.7).
  3. Lợi ích không phải nộp thuế bảo vệ môi trường qua giá nhiên liệu diesel (Bảng 4.8).
  4. Lợi ích tiết kiệm chi phí dầu bôi trơn theo mức tiêu hao nhiên liệu (Bảng 4.9).
  5. Lợi ích tiết kiệm chi phí bảo quản và vận chuyển nhiên liệu diesel (Bảng 4.10).
  6. Lợi ích tiết kiệm chi phí đầu tư mua sắm đầu máy do đầu máy điện có năng suất cao hơn nên cần số lượng ít hơn (Bảng 4.11).
  7. Lợi ích cắt giảm chi phí bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên đầu máy (Bảng 4.12).
  8. Lợi ích tiết kiệm chi phí đầu tư toa xe Công vụ - Phát điện (CV-PĐ) trong đoàn tàu khách (Bảng 4.13).
  9. Lợi ích không phải duy tu, bảo dưỡng và sửa chữa máy phát điện trên toa xe (Bảng 4.14).
  10. Tổng hợp giá trị tiết kiệm thời gian đi lại của hành khách nhờ tốc độ chạy tàu cao (Bảng 4.15).
  11. Lợi ích từ việc giảm thời gian hàng hóa nằm trên đường và không phải tác nghiệp dừng tàu cấp nhiên liệu tại các ga trung gian (Bảng 4.16 và 4.17).

Sau khi tổng hợp toàn bộ các dòng lợi ích (Bảng 4.18 và 4.19), tác giả đưa các chỉ tiêu đã lượng hóa vào bài toán đầu tư tối ưu nhằm xác định quy mô và tiến độ phân kỳ nguồn vốn đầu tư kết cấu hạ tầng và phương tiện cho tuyến Sài Gòn - Nha Trang theo từng giai đoạn (Bảng 4.20). Kết quả giải bài toán tối ưu chứng minh tính hiệu quả kinh tế vượt trội của phương án sử dụng sức kéo điện so với sức kéo diesel khi lưu lượng vận tải đạt ngưỡng quy mô.

Kết quả và những đóng góp mới

Về mặt lý luận:

  • Hệ thống hóa và hoàn thiện cơ sở lý luận khoa học kinh tế về sử dụng sức kéo điện trong ngành đường sắt, gắn kết lý thuyết kinh tế vận tải với lý thuyết hệ thống giao thông điện và các quy luật phát triển bền vững.
  • Hoàn thiện khung lý thuyết phân tích kinh tế toàn diện bao gồm cả các yếu tố ngoại ứng tiêu cực (khí thải, dầu thải, ô nhiễm tiếng ồn, cạn kiệt tài nguyên hóa thạch) và ngoại ứng tích cực (tiết kiệm thời gian xã hội, nâng cao năng lực thông qua).
  • Xây dựng thành công hệ thống mô hình toán kinh tế vi mô cho phép lượng hóa cụ thể từng khoản mục lợi ích trực tiếp và gián tiếp của sức kéo điện, cung cấp công cụ tính toán khoa học cho công tác đánh giá hiệu quả dự án đường sắt điện khí hóa.

Về mặt thực tiễn:

  • Phân tích rõ nét các hạn chế mang tính cơ cấu của sức kéo diesel tại Việt Nam: công suất thấp, tiêu hao nhiên liệu lớn, làm giảm tốc độ kỹ thuật và tốc độ lữ hành, kéo theo sự sụt giảm thị phần vận tải đường sắt.
  • Khẳng định tính khả thi của việc loại bỏ toa xe phát điện (CV-PĐ) trên đoàn tàu khách chạy điện, giúp giảm tải trọng bì của đoàn tàu, giải phóng chiều dài hữu ích của đường ga và tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị phụ trợ.
  • Cung cấp bộ kết quả định lượng cụ thể 11 khoản mục lợi ích kinh tế trên tuyến đường sắt tốc độ cao Sài Gòn - Nha Trang cho các mốc thời gian 2028 và 2031, chứng minh thời gian hoàn vốn và tính ưu việt của sức kéo điện.
  • Đề xuất mô hình bài toán đầu tư tối ưu phân kỳ theo giai đoạn, làm cơ sở khoa học cho các cơ quan quản lý nhà nước lập kế hoạch huy động và bố trí nguồn vốn xây dựng kết cấu hạ tầng đường sắt tốc độ cao.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Nhà nước cần ưu tiên đầu tư điện khí hóa đồng bộ trên các tuyến đường sắt xây dựng mới, trước hết là trục Bắc - Nam, áp dụng khổ đường 1435 mm và hệ thống cấp điện trên cao 25 kV AC - 50 Hz.
  • Xây dựng lộ trình thay thế dần sức kéo diesel trên các tuyến đường sắt hiện hữu có mật độ vận chuyển lớn bằng sức kéo điện nhằm mục tiêu giảm phát thải ròng.
  • Rà soát chính sách thuế bảo vệ môi trường và biểu giá điện cho sức kéo đường sắt để khuyến khích sử dụng năng lượng sạch trong vận tải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về hạn chế của luận án:

  • Do mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam tại thời điểm nghiên cứu chưa có tuyến đường nào được điện khí hóa, toàn bộ hệ thống số liệu định mức kỹ thuật của đầu máy điện (suất tiêu hao điện, chi phí sửa chữa, tỷ lệ thu hồi hãm tái sinh) phải tham chiếu từ số liệu của các nước có hệ thống đường sắt tương đồng (Trung Quốc, Nga, châu Âu) và các dự án tiền khả thi.
  • Nghiên cứu chưa đi sâu xem xét sự biến động phức tạp của biểu giá điện theo giờ cao điểm và thấp điểm trong ngày đối với chi phí vận hành chạy tàu của doanh nghiệp.
  • Phạm vi lượng hóa thực nghiệm mới áp dụng riêng cho đoạn tuyến Sài Gòn - Nha Trang, chưa bao quát toàn bộ mạng lưới đường sắt quốc gia.

Về hướng nghiên cứu tiếp:

  • Mở rộng phạm vi ứng dụng mô hình toán kinh tế để lượng hóa lợi ích trên toàn bộ tuyến đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam (Hà Nội - TP. Hồ Chí Minh) và các tuyến kết nối liên vận quốc tế (Hà Nội - Lào Cai, Hà Nội - Đồng Đăng).
  • Nghiên cứu tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió) vào mạng điện kéo dọc hành lang đường sắt nhằm tối ưu hóa chi phí mua điện và bảo đảm tính bền vững năng lượng.
  • Phân tích chi tiết sự tác động của thị trường điện cạnh tranh đến giá thành vận tải đường sắt điện khí hóa.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các nhóm đối tượng:

  • Các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Giao thông Vận tải, Cục Đường sắt Việt Nam, Ban Quản lý dự án Đường sắt): Cung cấp luận cứ khoa học kinh tế, số liệu đối chiếu và phương pháp đánh giá để thẩm định báo cáo nghiên cứu khả thi các dự án đường sắt tốc độ cao và đường sắt điện khí hóa tại Việt Nam.
  • Doanh nghiệp quản lý và khai thác đường sắt (Tổng công ty Đường sắt Việt Nam): Sử dụng khung mô hình kinh tế để xây dựng phương án kinh doanh, tính toán tối ưu hóa chi phí nhiên liệu, lập kế hoạch đổi mới đầu máy toa xe và tổ chức lập biểu đồ chạy tàu hiệu quả.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học tại các trường đại học khối giao thông, kinh tế vận tải: Luận án là tài liệu tham khảo trong nghiên cứu và giảng dạy các chuyên đề về Kinh tế vận tải đường sắt, Lý thuyết sức kéo đoàn tàu, Tổ chức điều khiển chạy tàu và Đánh giá hiệu quả kinh tế - môi trường trong dự án hạ tầng giao thông.

Phần đáng tham khảo nhất của luận án là phương pháp luận xây dựng hệ thống mô hình toán kinh tế ở Chương 3 và phương pháp tính toán chi tiết 11 nhóm chỉ tiêu lượng hóa lợi ích kinh tế ở Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Sức kéo điện vượt trội hơn sức kéo diesel về công suất và tốc độ ở mức độ nào theo số liệu luận án trích dẫn? Theo nghiên cứu của Arnd Stephan được luận án trích dẫn tại Chương 1, sức kéo diesel bị giới hạn ở tốc độ tối đa khoảng 140 km/h với công suất tương ứng đạt 2,4 MW; trong khi sức kéo điện ở tốc độ tối đa 220 km/h đạt công suất lên tới 6,4 MW. Như vậy, công suất của đầu máy điện lớn gấp 2,6 lần và tốc độ tối đa cao hơn 1,57 lần so với đầu máy diesel. Ngoài ra, đầu máy điện có đường đặc tính kéo dạng hypebol giúp hiệu suất tổng thể cao hơn đầu máy diesel có cùng công suất.

2. Tại sao luận án khẳng định hệ thống cấp điện trên cao phù hợp cho đường sắt tốc độ cao hơn hệ thống ray thứ ba? Theo phân tích kỹ thuật ở Chương 2, hệ thống cấp điện bằng ray thứ ba có ưu điểm về mỹ quan và kết cấu nhỏ gọn nhưng cơ cấu má tiếp điện bị giới hạn vận tốc tối đa là 160 km/h (vượt quá tốc độ này tiếp xúc không còn ổn định) và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn do điện áp đặt dưới đất. Ngược lại, hệ thống cấp điện trên cao (dây xích) sử dụng điện áp xoay chiều 25 kV AC cho phép vận hành an toàn ở các dải tốc độ cao trên 200 km/h đến 350 km/h, khoảng cách giữa các trạm biến áp điện kéo dài hơn và giảm tổn thất điện áp trên đường dây.

3. Cơ chế thu hồi năng lượng của hãm điện tái sinh được luận án xác định ra sao? Hãm điện tái sinh dựa trên tính vận hành thuận nghịch của động cơ điện kéo: khi đoàn tàu cần giảm tốc độ hoặc xuống dốc, động cơ điện kéo chuyển sang chế độ làm việc của máy phát điện, biến đổi động năng quán tính của đoàn tàu thành điện năng và truyền ngược lại lưới điện tiếp xúc để cung cấp cho các đoàn tàu khác đang hoạt động trên cùng khu đoạn. Luận án trích dẫn các nghiên cứu quốc tế cho thấy công nghệ này giúp thu hồi từ 10% đến 15% tổng điện năng tiêu thụ, thậm chí đạt 20% trên các khu đoạn có độ dốc lớn.

4. Luận án đã lượng hóa những nhóm lợi ích kinh tế cụ thể nào khi chuyển đổi sang sức kéo điện? Luận án đã lượng hóa 11 khoản mục lợi ích kinh tế cụ thể gồm: (1) Năng lượng thu hồi từ hãm điện tái sinh; (2) Cắt giảm chi phí môi trường do không phát thải CO2; (3) Tiết kiệm chi phí không phải nộp thuế bảo vệ môi trường trong giá dầu diesel; (4) Tiết kiệm dầu bôi trơn động cơ; (5) Tiết kiệm chi phí vận chuyển và bảo quản nhiên liệu; (6) Giảm chi phí đầu tư mua sắm đầu máy; (7) Cắt giảm chi phí sửa chữa định kỳ đầu máy; (8) Tiết kiệm chi phí đóng mới toa xe phát điện (CV-PĐ); (9) Tiết kiệm chi phí sửa chữa máy phát điện toa xe; (10) Tiết kiệm giá trị thời gian đi lại của hành khách; (11) Tiết kiệm thời gian lưu chuyển hàng hóa và cắt giảm tác nghiệp cấp dầu.

5. Việc loại bỏ toa xe Công vụ - Phát điện (CV-PĐ) trên đoàn tàu khách chạy điện đem lại lợi ích gì? Trên các đoàn tàu diesel hiện nay, cần bố trí toa xe CV-PĐ mang theo máy phát điện diesel để cấp điện sinh hoạt, điều hòa không khí và chiếu sáng cho toàn đoàn tàu. Khi sử dụng sức kéo điện, năng lượng phục vụ sinh hoạt trên tàu được lấy trực tiếp từ đường dây tiếp xúc trên cao thông qua máy biến áp chính của đầu máy, do đó hoàn toàn không cần toa xe CV-PĐ. Việc này giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí mua sắm và bảo dưỡng máy phát điện, đồng thời giảm tải trọng đoàn tàu và giải phóng dung lượng để chở thêm hành khách hoặc hàng hóa.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Sơn Tùng đã hoàn thiện cơ sở khoa học kinh tế cho việc chuyển đổi phương thức sức kéo từ diesel sang điện trên mạng lưới đường sắt Việt Nam. Tác giả đã thiết lập hệ thống khung lý thuyết đa chiều, xây dựng các mô hình toán kinh tế định lượng đồng bộ và chứng minh hiệu quả đầu tư trên tuyến thực nghiệm Sài Gòn - Nha Trang. Công trình cung cấp hệ thống luận cứ khoa học có giá trị phục vụ trực tiếp cho việc hoạch định chiến lược phát triển mạng lưới đường sắt tốc độ cao và lộ trình hiện đại hóa ngành giao thông vận tải đường sắt Việt Nam.