Session 43 Evert Andersson

Järnvägsgruppen KTHCentrum för forskning ochutbildning i järnvägsteknik

Höghastighetståg

Ett energisnålt och miljövänligt alternativ

Evert Andersson Professor

Järnvägsgruppen KTH

Institutionen för Farkost & Flyg


Vilken miljöeffekt ger spårtrafik och höghastighetståg?

?

eller

“Spårtrafiken kan högst väsentligt bidra till att minska miljöbelastningen” ?


Det avgörande är tågets miljöegenskaper (i förhållande till alternativen)

och

hur mycket trafik som överförs till tåget (i förhållande till jämförelsealternativet).

Dessutom finns vinster av bättre transportförsörjning, ökad produktivitet i tågtrafiken m m.

_______________________

* Höghastighetståg klass 1: Sth ≥ 250 km/h

Höghastighetståg klass 2: 190 ≤ Sth < 250 km/h (EU-TSI)

Vilken miljöeffekt ger spårtrafik och höghastighetståg* ?


Tåg rullar lätt med stålhjul på de släta skenorna. Vagnar kopplas ihop i tät följd. Luftmotståndet per vagn är lågt.

- man kan köra i 200-250 km/h med tåg, för att få samma luftmotstånd per sittplats som en personbil i 90 km/h.

Eldrivna tåg har bra verkningsgrad (små energiförluster); ca 3-4 gånger bättre än en bensinmotor; 2-3 så bra som en dieselmotor.

Bromsning kan ske elektriskt. Elmotorerna i tåget fungerar då som el-generatorer. De matar tillbaka el till kontaktledningen och till andra tåg. En del av elenergin kan alltså återanvändas (10 – 30 %).

Tåg följer ett spår och kan ta ner el-energi från en ledning över spåret.

Är eldrivna höghastighetståg energisnåla?


Eldrivna tåg är energisnålaPersontrafik 400 - 500 km

0 100 200 300 400 500

Flyg Boeing 737-800 B=70 %

Buss reguljär 59 pl B=50 %

Privat bil 1,8 p

JR Shinkansen Serie 700 B=70 %

Snabbt regionaltåg Regina B=45 %

SJ X 2000 B=70 %

Äldre loktåg 8-vagnar B=44 %

(Energi (Wh) per person-km)

Källor:

Central Japan Railways

För flyg, buss, bil: Data från NTM (Nätverk för Transporter & Miljö

Andersson & Lukaszewicz:

Energy consumption …. for Scandinavian electric passenger trains

B = Medelbeläggning


Det beror också på hur el-energin produceras

- Kol, olja, gas (tas överskottsvärmen tillvara för uppvärmning?)

- Kärnbränsle

- Vattenkraft

- Biobränsle, Vind …

Man kan producera el på det sätt och som är “bäst”.

Man är inte bunden till fossila, flytande eller gasformiga bränslen.

Ur miljösynpunkt är det avgörande om primärenergin är “förnybar” och vilka utsläpp den ger (CO2, NO2, metan …)

Utsläpp av koldioxid, exempel (indirekt, vid järnvägens el-intag): - Svensk el: 30 g CO2 per kWh el

- Nordisk el: 100 g CO2 per kWh el

- EU-27 el: 500 g CO2 per kWh el

Men …. elenergi och oljeprodukter är inte helt jämförbara


Utsläpp: koldioxid CO2

För tåg: Medelvärde för el på Nordiska marknaden

0 100 200

Privat bil Mk2000 - 1,8 p

Buss Euro3 B=50 %

Flyg Boeing 737-800 B=70 %

Snabbt regionaltåg Regina B=45 %

SJ X 2000 B=70 %

Äldre loktåg 8-vagnar B=44 %

(CO2 / gram per person-km)För flyg, buss, bil: baserat på data från NTM


Svar: Ja det gör den – med lika tåg som tidigare

Men höjer man hastigheten så gör man nästan alltid åtgärder på tåget som neutraliserar den höjda hastigheten ur energisynpunkt – och ofta mera därtill.

Dessutom blir tågen mera attraktiva, så att resandet (och beläggningen) ökar. Det bidrar till att minska den specifika energiförbrukningen.

Det fanns och finns en stor potential för förbättringar; man har inte brytt sig; “tåg är ändå energisnåla

energin är billig”.

Ökar energiförbrukningen om man höjer hastigheten ?


Energiförbrukning – exempel

Tåg i Mälardalen

1994 2004 Restid (medel): exempel Sto-Västerås 1h 18 min 53 minAntal stopp “ 2 3 Antal lok + vagnar 1 + 4 0 + 3Medelbeläggning av platserna (%) 35 35 ->> 45

Energiförbrukning per platskm (W h) 42 30 30

Energiförbrukning per personkm (Wh) 120 87 68

Varför? Teknisk utveckling! Bättre aerodynamik, återmatande broms, bättre utrymmesanvändning, mindre energiförluster


0 20 40 60 80 100 120

Gröna Tåget(2015?) B=70%

X 2000 (2009) B=70%

X 2000 (2004) B=55%

Loktåg (1994)B=44%

Energiförbrukning (Wh/pass-km)

STH 160

STH 200

STH 300

B = BeläggningsgradSTH = Topphastighet

Framtidens höghastighetståg

Gröna Tåget mot äldre tåg

Bättre aerodynamik, bättre utrymmesanvändning,

flera elbromsade axlar, mindre energiförluster …

Gröna Tågetför konventionella banor och framtida höghastighetsbanor


Hur mycket transporter kan överföras till spårtrafik i Sverige ?Vad kan miljöeffekterna bli ?

▪ Ordinära prognosmetoder (SAMPERS etc) svårt att använda vid stora systemförändringar.

▪ De tenderar att undervärdera dynamiska effekter.

Alternativ metod för uppskattning av framtida effekter av en kraftig satsning på spårtrafik (person + gods):

▪ Studera och applicera spårtrafikens marknadsandelar i länder eller områden där man (redan idag) satsat på spårtrafik.

▪ Lägg därtill en (försiktig) värdering av vilka effekter som restriktioner och prishöjningar på bränslen kan ge.


Marknadsandelar spårtrafik

Person-km Spår

JAPAN (2006) 32 %

Sverige (2008) (inkl metro + spårväg) 10 %

Sverige (enl räkneexempel) 32 %

Godston-km Spår

USA (2006) 43 %

Sverige (2008) 25 %

Sverige (enl räkneexempel) 41 %

Källa statistik 2006-2008: EU DG-TREN, SIKA

Marknadsandelar spårtrafik- vad är rimligt och möjligt


Räkneexempel för ca 2040Överföring från andra färdmedel (räknat i person-km / ton-km) 20 % av nuvarande kortväga personbilstrafik (≤100 km) 50 % av nuvarande långväga personbiltrafik (>100 km) 50 % av nuvarande inrikes- och grannlandsflyg 45 % av nuvarande långväga lastbilstransporter (i ton-km)

Resulterar i ungefär: 26 Mdr person-km överförs från personbil 3 Mdr “ “ “ flyg 15 Mdr ton-km överförs från lastbilar

Rimligt? Redan idag (med nuvarande bränslepriser etc)- Marknadsandel för långväga tåg med bra standard ≈ 40-50 %- Andelen järnvägsgods i USA ≈ 43 %

Vad kan spårtrafiken bidra med ?


Med modern men konventionell teknik:

• Minskad energiförbrukning för väg- och flygtrafik- Ca 20 TWh (huvudsakligen fossilt bränsle)

varav 68 % för personbilar 23 % för lastbilar 9 % för flyg

varav ca 60 % är för långväga transporter (>100 km)

- Motsvarar ungefär 1 000 000 oljeeldade villor.

Ökad energiförbrukning för spårtrafik

- Ca 3 TWh (med dagens moderna tågteknik)

- Motsvarar ca 2 % av Sveriges nuvarande elproduktioneller 10 – 15 % av Sveriges planerade vindkraftsutbyggnad

Effekter på transportsektorns energiförbrukning


Med modern men konventionell teknik:

Minskade utsläpp av koldioxid (CO2)- Ca 5 milj ton1)

- Motsvarar ca 25 % av inhemska utsläpp från transporter

1) För spårtrafik räknat med medelvärde av nuvarande nordiska elproduktion, I övrigt NTM

Effekter på transportsektorns koldioxidsutsläpp


▪ Väg- och flygtrafiken utvecklas tekniskt

- Minskad specifik energiförbrukning och därigenom minskade utsläpp från fossila bränslen

- Biobränslen (till viss del)

- El- och hybridbilar för kortväga trafik (eldrift upp till 30-150 km)

Spårtrafiken utvecklas också tekniskt

- Den specifika elförbrukningen minskar troligen 25-30 % i nästa generation tåg (typiska om ca 20 år)

- På längre sikt kan ytterligare förbättringar göras (10-20 %), särskilt för persontransporter

Elproduktionen (särskilt I Europa) kommer att utvecklas mot starkt minskade utsläpp av växthusgaser: 500 -> 150 -> 100 (?) g CO2/kWh

Men tekniken utvecklas …


Transporterna väntas öka generellt.

Med 2 % årlig ökning är dagens transportvolymen fördubblad på 35 år!

▪ Den tekniska utvecklingen, samt användning av biobränslen, kan förhoppningsvis hålla jämna steg med transportökningen, men inte säkert.

OBS Spårtrafiken kan framför allt komma in på längre transportavstånd

- där eldrift av person- och lastbilar är ett svårlöst tekniskt problem.

- där flyget ser begränsade möjligheter till energi-effektivisering och eldrift inte alls är möjlig.

Ändå svårt att minska transporternas miljöpåverkan


• Eldrivna tåg har i grunden bra miljöegenskaper. Gäller även höghastighetståg, byggda och använda på rätt sätt.

Detta är även slutsatserna ute I Europa.

• En utbyggd och förbättrad spårtrafik kan ge ett viktigt bidrag till omställningen av samhället till kraftigt minkade utsläpp av växthusgaser och annan miljöbelastning.

Det är lättare att ställa om när det finns bjuds bra alternativ!

Effekterna är positiva för samhället även utan klimatfrågan. Sverige behöver minst lika effektiva transporter som Väst- och Centraleuropa med sin relativt glest utspridda befolkning

Alla transportmedel har sin roll, men ökningen av transporterna bör i ökad grad kunna ske med spårtrafik.

Vilken transportframtid vill vi ha och vad är möjligt?

Slutsatser


Tack för uppmärksamheten !

[email protected]

[email protected]

För publikationer och information:

www.kth.se/fakulteter/centra/ jarnvag/publications

www.gronataget.se


Marknadsandelar (2006-07)

Person-km Spår Väg Flyg

JAPAN 32 % 61 % 7 %Schweiz 15 % 76 % 9 %

Sverige (inkl inter-EU) 10 % 81 % 9 %EU-27 (inkl inter-EU) 8 % 82 % 9 %

Godston-km Spår Väg Vatten

USA 43 % 30 % 7 %

Sverige 25 % 43 % 32 %EU-27 11 % 45 % 44 %

Marknadsandelar spårtrafik

Källa: EU DG TREN (2009)


Eldrivna tåg är energisnåla(2) Godstrafik 450 km

0 100 200 300 400 500

Lastbil växelflak B=57 %

Lastbil 40 ton, trailer B=70 %

Tåg, kombi växelflak B=57 %

Vagnslast B=60 %

(Energi (Wh) per ton-km)

Källor:

För tåg: GreenCargo + egna beräkningar

För lastbil: Data från NTM (Nätverk för Transporter & Miljö

B = Medelbeläggning


The final report can be downloaded from:

http://www.kth.se/fakulteter/centra/jarnvag/publications/Energy_060925.pdf


Moderna eldrivna tåg har (jämfört med äldre lokdragna tåg)

- Aerodynamisk utformning ger mindre luftmotstånd (30 – 40 %)(färre apparater på taket + inklädda underreden och

vagnsmellanrum + “strömlinjeformad” nos och akter)

- Återmatande elektrisk broms (10 – 20 - 30 % återmatning)

- Bättre utnyttjande av tåglängden (flera platser per meter tåg lägre vikt per sittplats)

Exempel: 3 motorvagnar ersätter 1 lok + 4 personvagnar

Moderna tåg drar också mindre ström från kontaktledningen

lägre förluster i kontaktledningen (ca 7 % ca 4 %)

Moderna elektriska omformare har lägre förluster (förlusterna har minskat: 12 % 9 % på 10 år)

Varför har energiförbrukningen minskat ?


Olika synsätt på att beräkna emissioner (luftföroreningar)

1. Genomsnittlig elproduktion (i Norden) ger genomsnittsvärden på emissionerna.

- Använt i denna studie. Fördelar emissionerna i förhållande till andel av elförbrukningen

2. Marginal el – hur en förändring av energiförbrukningen påverkar emissionerna

- Obetydligt, eftersom det eurpeiska systemet med utsläppsrätter ska ge toalt sett samma emissioner oberoende av den aktuella elproduktionen, Det kan dock påverka priset på utsläpprätterna,

3. Grön el - El från förnyelsebara energikällor

Järnvägsgruppen KTHCentrum för forskning ochutbildning i järnvägsteknik Marginal-el och emissioner

Kortsiktigt

Tågtrafiken går enligt i förväg planerad tidtabell:

Energiförbrukningen är i det närmaste oberoende av variationen i antalet passagerare I tåget.

=> Ingen förändring av energiförbrukningen och därmed är de marginella emissionerna i sammanhanget försumbara.

Långsiktigt (från 2005)

Om energiförbrukningen ökar p g a ökad tågtrafik så behövs en ökad elproduktion.

Utsläppstaket och den europeiska handeln med utsläppsrätter hindrar en ökning av utsläppen, vilka kan ses som konstanta och oberoende av den aktuella elförbrukningen för tågtrafik.

Marginalutsläppen av CO2 blir i framtiden ungefär nollom systemet fungerar som avsett.


The common nordic power market - excange

Source: Nodels årsstatistik 04

Electricity generation

(T

Wh) (%)

Average years 2000-04

Total generation 377 100

Nuclear power 86 23

Thermal power 85 23

- condensing power29 8

- CHP1, district heating 36 10

- CHP1, industry 20 5

- gas turbines, etc. 0 0

Hydropower 200 53

Wind power 6 2

- wind power 6 2


Railway noise Examples (source: Bombardier)

100 dBA

88 dBA

92 dBA

RC Locomotive, 1967

X 2000, 1990

~85 dBA

HST 2010

(Speed 200 km/h at 25 m)

Signatur, 1999

Remarkable reduction of rolling stock noise levels was achieved during the last 35 years


Elektriskt matningsystem

Förluster: SE 12-15 %, NO ca 14 %, DK ca 5 % av intagen energi,

inkl förluster i omformare, transformatorer och kontakledning.


Skapande av ett nät av höghastighetsbanor för 250 – 320 km/h i de stora stråken.

Sverige ligger nu efter övriga Europa. Planeringen bör snabbt komma igång!

Kompletteringar för ett förgrenat nät med god tillgänglighet ute i landet.

Utbyggnad av lokal spårtrafik i storstäderna (tunnelbanor, spårvägar, ev “spårtaxi”).

Åtgärder för kapacitetshöjningar i befintligt nät. Investeringar – stora och små.

Åtgärder för en kraftigt förbättrad tillförlitlighet och tidsprecision. Påverkar även kapaciteten. Studera Japan och Schweiz!

Åtgärder för persontrafiken


Avhandling: Life cycle considerations for environmental management of the Swedish railway infrastructure

Synpunkter efter granskning: Energivärdena i själva tågtrafiken är för höga generellt, särskilt

för godstrafiken och för snabbtågen (90 – 150 %). De angivna värdena stämmer inte med den totala energiförbrukningen!

Förlusterna i elektriska matningssystemet har man tillskrivit infrastrukturen. Detta är i och för sig inte fel, men i KTHs studier ingår dessa förluster i de energivärden som redovisas för tågen (de är ju en direkt följd av tågens energiförbrukning)

En stor del av energiförbrukningen i infrastrukturen ligger i användning av stål (som har högt energiinnehåll). Stål åter-vinns i regel efter användning; ingen hänsyn har tagits till detta.

En högklassig dubbelspårig järnväg har jämförts med en 13 m bred 2-filig väg med vägrenar. Borde kapacitetsmässigt ha jämförts med en motorväg med 6 körfiler.

Studie Linköpings Universitet


Banverkets Framtidsplan

Sverige 2030


Varför har “Tåg i Mälardalen” fått lägre energiförbrukning ?

-40% -20% 0% 20% 40% 60% 80%

Mindreenergiförluster

Återmatning vidbromsning

Bättreaerodynamik

Bredare ochkortare mv-tåg

Högre hastighet


Energiförbrukning – exempel 2

X 2000 Stockholm - Göteborg

1994 2004 2007Lok + 8 v X 2000 X

2000

Restid (medel) 4h 25m 3h 5 min 3h 7minAntal stopp 10 4 4 Antal vagnar 8 6 6Medelbeläggning av platserna (%) 44 55 65Energiförbrukning per platskm (W h) 47 421 43Energiförbrukning per personkm (Wh) 108 771 67

1) Tåg med 320 platser; 30 % 1.klass och 70 % 2.klass (= X 2000 år 2004)

2) Tåg med 310 platser (= X 2000 år 2007)

Documents

Session 43 Evert Andersson