Foto: NS Energieverbruik Treinen, inzicht en maatregelen

Foto: NS

Energieverbruik Treinen, inzicht en maatregelen.

© 2012 Railforum

Pagina 1 van 27

Rapport: Energieverbruik trein, inzicht en maatregelen 448120, februari 2012

Deze rapportage is opgesteld binnen de werkgroep materieel van de kenniskring Duurzaamheid van Railforum. Samenstelling subwerkgroep ‘Energieverbruik’: Naam Anton van Himbergen,

bedrijf Lloyd’s Register Rail Europe B.v.

Email / telefoon [email protected] 0031-655847387

Frans Slats Hans van der Velde

NS Reizigers, afdeling Materieel en Energie Movares

Erik van Slooten (adhoc)

DB Schenker

[email protected]; 0031-647149004 [email protected] 0031-302654277 [email protected] 0031-655846712

Uitgave: februari 2012 Kenmerk: LRRE MV/AH/002/03-448120,

Versie: 1.0

© 2012 Railforum

Pagina 2 van 27


1

Inleiding

Uit de eerdere studie van Railforum [1] blijkt dat de meeste CO2 -uitstoot tijdens de gebruiksfase van een trein plaatsvindt. Binnen de werkgroep Materieel zijn 3 subgroepen aan de slag gegaan om aan de hand van verkenningen binnen de onderwerpen kennis&kunde, inzicht in verbruik en methodes/modellen concrete handreikingen te doen aan de railsector om de CO2 -uitstoot middels aanpassingen van het materieel terug te brengen. In deze notitie is het resultaat van de verkenning t.a.v. het onderwerp ‘Inzicht in energieverbruik’ opgenomen.

2

Opzet

De doelstelling van deze verkenning is meerledig: •

het verkrijgen van een gedetailleerder beeld van het representatief energieverbruik van een reizigers- en goederentrein (resp. hoofdstuk 3 en 4);

•

het verkrijgen van inzicht in het effect van de parameters met de meeste invloed op het energieverbruik (waaronder massa, stroomlijn, levensduur). Zowel bij nieuwbouw als bij modernisering (hoofdstuk 5);

•

het verkrijgen van inzicht in het effect van de materiaalkeuze voor het casco: staal of aluminium op de massa van de trein en daarmee het energieverbruik (hoofdstuk 6);

•

een inventarisatie van de potentiële besparingsmaatregelen in het materieel (hoofdstuk 7);

•

het doen van aanbevelingen voor concrete vervolgacties (op korte en lange termijn) (hoofdstuk 8).

© 2012 Railforum

Pagina 3 van 27


3

Energieverbruik reizigerstrein [2]

3.1

Verbruikers

De verbruikers van energie van een trein worden onderverdeeld in tractie-energieverbruik en hulpenergieverbruik. Met tractie wordt het aandrijfmechanisme van de trein bedoeld en met hulpverbruik worden alle andere verbruikers bedoeld, waaronder bijvoorbeeld de verwarming en de airconditioning. In onderstaande figuur is het energieverbruik inzichtelijk gemaakt. In de rest van dit hoofdstuk is nader ingegaan op deze energieverbruikers.

Totale energieverbruik Tractieverbruik Treinweerstand Rolweerstand

Luchtweerstand

Hulpverbruik Klimaat Verwarming

Airconditioning

Interne weerstand Overig Hulpverbruik Baan weerstand

Remverliezen Mechanisch Remweerstand

Verlichting

Ventilatie

Elektronica

Installatiekoeling

Overig Tractie verliezen Tractie omzetter

Omzetter verliezen

Tractie motor

Figuur 1: Opdeling energieverbruikers (reizigers)trein

3.1.1

Tractieverbruik

De tractie-installatie is de grootste verbruiker in het materieel. De meeste energie gaat in het versnellen en het op snelheid houden van een trein zitten. De hoeveelheid opgenomen energie wordt bepaald door: de weerstand van de trein, de verliezen in de tractie-installatie en de verliezen in het remsysteem. In deze paragraaf worden op deze aspecten nader ingegaan.

© 2012 Railforum

Pagina 4 van 27


3.2

Treinweerstand

Bij het rijden van het materieel ondervindt het materieel een zekere rijweerstand. Deze rijweerstand wordt treinweerstand genoemd. Bij het versnellen levert de tractie installatie meer trekkracht dan de treinweerstand. Door dit verschil versnelt het materieel. Bij het rijden met een constante snelheid levert de tractie-installatie een dusdanige trekkracht die overeenkomt met de treinweerstand. De treinweerstand op een vlakke rechte baan mag worden uitgedrukt in functie van de treinsnelheid v volgens een tweedegraads polynoom: 2

Fw = M*a + A + B.v + C.v •

De factor A beschrijft de snelheidsonafhankelijke weerstand. Hoofdzakelijk is dit de rolweerstand, microslip, lagerweerstand etc. Deze term is alleen significant bij lage snelheid (<10km/h).

•

De term B.v beschrijft de weerstand die lineair afhankelijk is van de treinsnelheid v. Hierbij valt in hoofdzaak te denken aan de impulsverandering van aangezogen lucht voor klimaatsysteem en apparaatkoeling. Soms wordt ook energieverlies in dempers en geluidsafstraling hieronder geschaard. De term B.v is weinig significant bij zowel lage als hoge snelheid. Vaak wordt B dan ook gelijk aan nul verondersteld bij het fitten van een curve over de meetdata.

•

De term C.v beschrijft de weerstand die kwadratisch afhankelijk is van de treinsnelheid v. In hoofdzaak is dit de luchtweerstand van de trein. Deze is nog verder onder te verdelen in een kop/staart verlies als gevolg van de vorm van de voor- en achterzijde van de trein en een treinlengte afhankelijk energieverlies als gevolg van de 2 luchtstroming langs de trein. De term C.v is dominant over het grootste deel van het snelheidsgebied.

•

De massa M is de treinmassa met een opslagpercentage voor de massatraagheid van de roterende delen. M*a is de kracht die nodig om de trein op snelheid te krijgen.

2

Het energieverbruik om deze treinweerstand te overwinnen, is sterk afhankelijk van de inzet. •

In een traject waar veelvuldig wordt gestopt is het energieverbruik hoger dan in een traject met maar een enkele stop.

•

Bij het rijden van een cyclus op basis van maximum aanzet, bepaalde constante snelheid en een bepaalde remming tot stilstand is de verbruikte energie bij hogere snelheden groter dan bij lagere snelheden. Dit komt doordat de luchtweerstand met de snelheid kwadratisch toeneemt.

•

Bij hard remmen gaat meer energie verloren dan wanneer langzaam wordt geremd of wanneer de trein uitrolt. Hoe geremd wordt is daardoor ook een belangrijke parameter.

Voor het bepalen van het energieverbruik van een trein moet daarom gekozen worden voor een referentietraject.

© 2012 Railforum

Pagina 5 van 27


Remverliezen Het remmen van een reizigerstrein wordt verdeeld in een ED-remming (ElectroDynamisch) en een mechanische remming (blokremmen of schijfremmen). De ED-remming maakt gebruik van de tractie-installatie, waarbij de motor wordt gebruikt om kinetische energie om te zetten in elektrische energie. Indien de tractie-energievoorziening dit toelaat, kan de elektrische energie het net voeden of in het boordnet worden gebruikt voor het hulpverbruik . Indien hiervoor geen capaciteit is, zal de elektrische energie in remweerstanden als warmte vrijkomen. Tractie-installatie De tractie-installatie zet de bovenleidingspanning om naar trekkracht. In een treinstel zit een inverter die meerdere tractiemotoren voedt. Bij de omzetting van de elektrische energie van de bovenleiding naar trekkracht treden verliezen op. Onderscheid is te maken in: energieverliezen in de halfgeleiders, energieverliezen in de motoren, energieverbruik voor de aansturing van de tractieinstallatie.

3.2.1

Hulpverbruik

Het hulpverbruik betreft alle andere verbruikers dan de tractie. Onder hulpverbruik wordt verstaan het klimaatsysteem (de verwarming en de airconditioning) en het overige hulpverbruik (waaronder de verlichting, de ventilator en de compressor). Klimaat: Reizigerstreinen zijn uitgerust met een klimaatregeling. De gewenste waarde van de binnentemperatuur is afhankelijk van de buitentemperatuur. De actieve delen van de verwarming zijn de verwarmingsweerstanden, welke direct zijn aangesloten op de bovenleidingspanning. Het gemiddelde vermogen van deze installatie wordt bepaald door de inschakelduur van deze weerstanden en hangt af van: •

De buitentemperatuur.

•

De zoninstraling.

•

De omzetting van elektrische energie naar warmte

•

De isolatie van het treinstel.

•

De ventilatie in het treinstel.

•

De tijd dat de deuren geopend zijn.

•

Het aantal reizigers in de trein.

De ventilatie zorgt voor frisse lucht in het materieel. Deze lucht moet ook weer verwarmd worden. Het moderne reizigersmaterieel van NS is uitgerust met een airconditioninginstallatie. Het gevraagde vermogen van de airconditioning is afhankelijk van de binnentemperatuur en de gewenste temperatuur. Het gemiddelde vermogen hangt af van dezelfde factoren als benoemd in de vorige paragraaf. De instraling van de zon speelt bij de airconditioning een relevantere rol. Het energieverbruik van de airconditioning wordt verder beïnvloed door het vocht in de lucht.

© 2012 Railforum

Pagina 6 van 27


De airconditioning wordt gevoed vanuit de boordnetomzetters. Boordnetomzetterverliezen De aangeboden spanning van de bovenleiding is voor bepaalde verbruikers in het materieel niet geschikt. De hoogspanning (1500 V DC) wordt middels statische omzetters stapsgewijs omgezet naar lagere spanningsniveaus (500 V DC, 220/380V AC, 110V DC en 24V DC). In rollend materieel worden dergelijke omzetters boordnetomzetters genoemd. Bij de omzetting van hoogspanning naar laagspanning ontstaan verliezen. Overig hulpverbruik Onder overig hulpverbruik valt de verlichting, ventilatie, besturing en rest. Deze verbruikers worden allemaal gevoed vanuit een boordnetomzetter. Inschakelduur en bedrijfstoestanden Voor het hulpverbruik is vooral de inschakelduur van belang. Bij tractie wordt de energie alleen opgenomen wanneer gereden wordt. Het hulpverbruik neemt ook energie op, wanneer ingeschakeld bij stilstand. De inschakelduur is afhankelijk van de bedrijfstoestand van het materieel. Het modern materieel kent de volgende bedrijfstoestanden: Dienstvaardig, Gereed continu (niet generiek), Gereed, Reinigen, Bijvullen en Sluimeren. In de bedrijfstoestand “Reinigen” wordt de klimaatregeling beperkt ingeschakeld zodat het materieel veilig begaanbaar is voor schoonmaakpersoneel. De bedrijfstoestand “Bijvullen” wordt gebruikt om de persluchtvoorraad op druk te houden en de accuspanning op peil te brengen. Deze bedrijfstoestand wordt ingeschakeld vanuit de bedrijfstoestand “Sluimeren”. Indien de accuspanning en het luchtdrukniveau weer aan bepaalde condities voldoen, keert het materieel terug naar de bedrijfsconditie “Sluimeren”.

3.3

Energiebalans

De verdeling van het energieverbruik naar de verschillende verbruikers wordt een energiebalans genoemd. Deze wordt bepaald aan de hand van de vermogensbalans, de kenmerkende inschakelduur en referentie-inzet. Deze is niet altijd in detail bekend. Recent heeft NS een dergelijke balans voor hun nieuwste dubbeldekkers opgesteld.

Op basis van de realistische uitgangspunten van energieverbruik bepaald:

1

1

is voor deze dubbeldekker de volgende verdeling

Uitgangspunten [2]: klimaat in de Bilt in 2009, een rijcyclus van maximaal aanzetten, maximale snelheid aanhouden en

gemiddelde remstand 2; en een verdeling van de Bedrijfstoestanden (conform diagnose gegevens): 2% in sluimeren staat, 42% in de bedrijfstoestand dienstvaardig en 56% in de bedrijfstoestand gereed (continue) en inzet op; het traject Nijmegen Den Helder.

© 2012 Railforum

Pagina 7 van 27


Tractie

69.1%

Rijweerstand (loop, lengte, lucht):

40.5%

Rem

13.0%

Remweerstand

5.4%

Verlies

10.3%

Klimaat

16.2%

Verwarming

15.8%

airco

0.4%

Hulpverbruik

14.7%

verliezen hulp

1.5%

verlichting

2.7%

ventilatie

3.5%

Elca

2.4%

Installatie koeling

2.8%

overig

1.8%

Tabel 1 Energiebalans voor een moderne dubbeldekker NS [2]

4

Energieverbruik Goederentrein

Alle typen verbruikers van de reizigerstrein komen ook bij een goederentrein voor. Door een andere samenstelling en inzet van de trein is het energieverbruik van een goederentrein afwijkend van een reizigerstrein. Klimaat, airconditioning en verlichting beperken zich slechts tot de cabine van de machinist, terwijl de luchtvoorziening (compressor) vanuit de locomotief de remleiding van de gehele trein op druk moet houden. Het ontbreekt op dit moment aan een representatieve energiebalans van een goederentrein. Het meest bepalend in deze energiebalans zal de aanhanglast (massa, luchtweerstand en rolweerstand) zijn.

© 2012 Railforum

Pagina 8 van 27


5

Reductie Energieverbruik (resp. CO2 productie)

Bij de inventarisatie heeft de werkgroep bepaald dat - tenminste het effect van de parameters massa en stroomlijn onderzocht moeten worden, omdat die naar verwachting de grootste potentie hebben op het verminderen van het energieverbruik 2 tijdens het rijden . - daarnaast wordt de invloed van nieuwe technologieën en van een kortere levenscyclus op het energieverbruik uitgewerkt. - Een andere maatregelen is het optimaliseren van bedrijfstoestanden. Dit levert juist voordeel op als een trein niet rijdt . Door over te gaan op het geautomatiseerde bedrijfstoestand, d.w.z. dat een trein na een kwartier nadat deze niet meer gebruikt wordt automatisch overgaat naar sluimeren. Het potentieel voor kan voor moderne dubbelsdekstrein maar liefst 17% besparing opleveren (9,3% klimaat en 7,7% hulp).

5.1

Reizigerstrein

5.1.1

Massa

De massa van een trein wordt in grote mate bepaald door het bouwjaar, het treinconcept en de maximaal toegestane snelheid. Om een beeld te krijgen van de massa en de verdeling daarvan over verschillende materialen is van een ABv6-dubbeldeksrijtuig het onderstaand overzicht gemaakt. Dit rijtuig beschikt niet over een motor en een elektrische omvormer. ijzer

38.91

72%

Non-ferro metalen (Al,Mg, Cu)

3.64

7%

Keraniek, glas en mineraalwol

1.95

4%

Hout e.d

0.1

0%

Organische polymeren

2.44

5%

Composieten

5.03

9%

Coating (verf e.d.)

1.47

3%

Lijm

0.1

0%

Techn installaties

0.19

0%

totaal [ton]

53.86

Tabel 2 De massaverdeling van een ABV6-dubbeldeksrijtuig van NS

2

© 2012 Railforum

Pagina 9 van 27


Voor actuele Nederlandse stoptreinen is onderstaande analyse gemaakt van het gewicht in relatie tot de lengte en de vervoerscapaciteit. lengte

gewicht leeg

tonmeter gewicht

Capaciteit 3 in SCE

m

ton

ton / m

100 plaatsen

gewicht ton/SCE ton / SCE

144

1,83

4,59

31,37

88,0% 100% 97,5%

stoptrein oud, gemoderniseerd (120km/h)

3 baks

78,69

Stoptrein nieuw (160 km/h)

4 baks

69,36

128,3

1,85

3,60

35,64

Stoptrein erg oud (160 km/h)

4 baks

101

168,6

1,67

4,84

34,83

Tabel 3 Vergelijking van de gewichten voor 3 verschillende stoptreinen.

Uit bovenstaande tabel blijkt dat het gewicht per vervoersplaats bij nieuw materieel hoger ligt dan bij het oudere materieel. Voor treinen met een gelijke maximale snelheid van 160 km/h scheelt dat 2,5%. Door extra eisen vanuit veiligheid en wetgeving, maar ook vanuit de consumenteneisen (bv. beenruimte en airco) is de meeste moderne sprinter relatief gezien zwaarder geworden. Ondanks dat nieuwe materialen en constructietechnieken zijn gebruikt (verschil is ca. 40 jaar). De effecten van gewichtsreductie door modernisering van een trein of nieuwbouw zijn bepaald voor een moderne dubbeldekker. Aan de hand van de energiebalans is bepaald dat 100 kg gewichtsreductie leidt tot een energiebesparing van slechts 0,07%. Het potentieel van een modernisering is ca. 600kg per bak besparing i.r.t. massa. Reductie

energiebesparing

Toelichting

Moderne dubbeldekker NS (normgetal)

-100 kg

0,07%

[2]

Modernisering van nieuwste dubbeldekker NS

- 600 kg

0,42%

20% van het gewicht van interieur ABv6-rijtuig.

Nieuwbouw

+ 8,1 kg per vervoersplaats (+ruim 3400kg)

+2,38% (geen besparing dus)

Door toepassing van nieuwe technologieën en constructiewijzen wordt het effect van de gewichtstoename meer dan gecompenseerd. Zodat het verbruik van nieuwe trein, ondanks de extra eisen, zuiniger wordt.

Tabel 4

3

Het haalbare effect van gewichtsreductie op de energiebesparing

SCE: standaard capaciteitseenheid van 100 vervoersplaatsen per bak. (een gangbare NS-grootheid.)

© 2012 Railforum

Pagina 10 van 27


5.1.2

Stroomlijn

Bij een modernisering van materieel zijn kleine wijzigingen mogelijk. Bij de modernisering van de nieuwste dubbeldeksvloot wordt door NS een reductie van 5% op de aerodynamische treinweerstand verwacht door het dichtmaken van de gaten in het dak, het vloeiend maken van de voorzijde van het dak en het flush maken van de voorruit (bron TU-Delft). Dit komt overeen met 1,7% van het energieverbruik [3] Juist bij nieuwbouw is optimalisatie van de stroomlijn mogelijk. Het effect wordt (ongeveer kwadratisch) groter naar mate de snelheid hoger is. De industrie heeft in de afgelopen decennia grote stappen gemaakt in het verbeteren van de stroomlijn door met name de ontwikkelingen van het hogesnelheidsmaterieel en de daarvoor noodzakelijke testen en simulaties. Het potentieel bij nieuwbouw is in sterke mate afhankelijk van het treinconcept. Als indicatie voor het energiebesparingspotentieel is een halvering van de kopstaartweerstand van een sprinter gesteld. Het effect hiervan op de tractie-energie bedraagt 5,4% vermindering (of 3,7% van de totale 4 energie) . Meer dan het tweevoudige van het effect bij modernisering.

5.1.3

Technologie/ levensduur

Een reguliere technische levensduur van een trein is 30 jaar. In de praktijk blijkt dat met extra revisies soms 40 jaar haalbaar is. Het nadeel van ‘ oude’ treinen is het relatief ongunstige energieverbruik door het gebruik van zware materialen en oude zware constructies en het ontbreken van veel elektronica voor het optimaliseren van het verbruik. De technologische ontwikkeling gaat door. Om 30 tot 40 jaar door te rijden met een oude (onzuinige) trein zou wel eens voor de algehele CO2 belasting ongunstig kunnen zijn. Op basis van een vergelijking tussen de nieuwste en de oudste sprinter van NS (resp. ontwerpjaar 2000 en 1960) wordt hier een gevoel voor de effecten gekregen. De vraag luidt: is het voor de totale CO2 -produktie beter om een trein met 30 jaar levensduur te kopen of toch een trein voor 15 jaar?

Ontwerp

Vmax

kWh/SCEkm

Nieuwste sprinter “NSp”

2000

160

1,50

Oudste sprinter “OSp”

1960

160

2,174

Tabel 5

het Specifiek energieverbruik van de 2 sprinters

SCE is een maat voor het aantal vervoersplaatsen per bak. De treintypen hebben verschillende layouts. De ene heeft meer zit/staplaatsen dan de ander.

De volgende 2 cases worden vergeleken: Case 1: OSp wordt aangeschaft voor 30 jaar. Case 2: OSp wordt na 15 jaar al vervangen door een zuinigere trein NSp.

4

Uitgangspunten: max. aanzet 0-160 km/h, 5 minuten constant rijden.Baanweerstand 0, gegevens uit VPT (1-12-2011), trekkracht

karakteristiek 6baks 1500V, belading normaal

© 2012 Railforum

Pagina 11 van 27


30 jaar

Case 1 P

G

O

Case 2 P

G

O P

G

O

15 jaar

Figuur 2

P= Produktie, G=Gebruik, O=regulier Onderhoud .

Uitgaande van de kenmerken van een nieuwe sprinter (ontwerp 2000) en een zeer oude sprinter (ontwerp 1960) is vastgesteld dat de CO2 -voetafdruk voor beiden cases is: Case 1: Case 2:

713 kton CO2 /jr 673,5 kton CO2 /jr

In bijlage 1 is hiervan de uitwerking opgenomen. De conclusie is, dat wegens 31% energiereductie door technologie-ontwikkeling in 40 jaar hetCO2 voordeel voor 15 jaar levensduur t.o.v. 30 jaar slechts 5,5% bedraagt. 5 Door de grove beschouwing ligt dit in dezelfde orde van grootte als de onnauwkeurigheid. Deze schatting is dus niet nauwkeurig genoeg voor definitieve uitspraak, maar wel indicatief voor de haalbaarheid. Een gericht energiebesparingsprogramma tijdens een “midlife”modernisering van een trein levert ook ongeveer 5% op. Vanuit CO2 -perspectief is het daarom niet noodzakelijk om te kiezen voor een trein met een ‘halve’ levensduur. De negatieve effecten voor grondstofschaarste en imagoverlies versterken deze keuze. Het bewust kiezen voor een kortere levensduur kan daarentegen wel gunstig uitvallen voor specifieke systemen in een trein. Vooral die systemen waar veel technische vooruitgang te verwachten is en die een relatief korte product-lifecycle kennen komen in aanmerking hiervoor. Dit betekent dat bijvoorbeeld oplossingen die bij de aanschaf van de trein nog niet bewezen maar wel veel belovend zijn in een later stadium ingebouwd kunnen worden. Huidige voorbeelden zijn nieuwe LED- en accutechnologie. Modulariteit is hiervoor de oplossing. Zorgen dat gedurende de 30 jaar levensduur van een trein deze systemen eenvoudig kunnen worden uitgewisseld voor systemen met een state-of-the-art energiebesparende technologie. Dus een modulaire opbouw van delen van een trein, inclusief transparante interfaces. Echter, een enkele vervoerder kan niet alleen deze modulariteit (uitwisselbaarheid van subsystemen) afdwingen bij de industrie. Zij zal daarin samen moeten werken met andere Europese vervoerders om de industrie (OEM) te bewerken, welke op hun beurt de toeleveranciers kunnen bewerken

5

Productie en onderhoud zijn voor de oude en de nieuwe trein gelijk gesteld. Hetgeen een grove aanname is.

© 2012 Railforum

Pagina 12 van 27


5.2

Goederentrein

Het energieverbruik wordt primair bepaald door de rijsnelheid, de lengte, de stroomlijn en de belading van de trein en de kwaliteit van de loopwerk van de wagens. Voor het railgoederenvervoer zijn de volgende effectieve energiebesparende maatregelen mogelijk: • verminderen aantal ongeplande stops (veel effectiever dan energiezuinig rijden), vooral de stops in de uitvoering zijn van belang De verkeersleiding zal bijsturen op een groene golf voor goederentreinen, •

maximaliseren beladingsgraad (soort en spreiding),

•

stroomlijn van de trein (zie tabel 6): o

optimaal beladen van de trein (geen gaten tussen belading laten vallen),

o

keuze voor gesloten of open wagens (bovenzijde of zijkant. Een gevulde wagen is ook enigszins gesloten). Uit Duitse studies blijkt dat t.g.v. de aerodynamica een locomotief die lege wagens trekt soms zelfs meer energie verbruikt dan een die een zware last trekt. Het afdekken van open wagens of het samenstellen van een aerodynamisch geoptimaliseerde trein kan in bepaalde situaties tot 10% besparing opleveren [4].

o

Keuze van type locomotief en goederenwagens (ontwerp stroomlijn trein): De inzet van een 4 assige i.p.v. een 6-assige locomotief leidt tot 20% minder luchtweerstand van de locomotief (tabel 6). Goederenwagen ontwerp (lange termijn), dichtmaken bovenzijde goederenwagens of het sluiten van de deuren.

o

•

Verlagen inlegsnelheid. Prima zolang dit niet de omloopsnelheid van machinist en locomotief negatief beïnvloedt of invloed heeft op de capaciteit.

Verlagen van het leeggewicht, de basisconstructie van locomotief en goederenwagens.

Locomotieven Variant

t.o.v. variant

weerstandscoëfficiënt

Toelichting

stroomlijn

Normale vorm

56%

4-assig

4 assig

6 assig

80%

Gemiddelde van stroomlijn en conventioneel

Goederenwagens Variant

t.o.v. variant

Reductie

Toelichting (zie figuur 4)

weerstandscoëfficiënt

Deuren dicht

Deuren open

8%

Type gls 205

Leeg

Beladen

50%

Type Es 040 of Fad 168

Tabel 6

Invloed vorm op luchtweerstandswaarde van een locomotief en goederenwagens

© 2012 Railforum

Pagina 13 van 27


Het effect van gewichtsreductie of een verbeterde stroomlijn is bepaald voor dit voorbeeld: Een locomotief BR189 (massa 88 ton) met een aanhanglast van 1000 ton (bestaande uit algemene goederentrein) rijdt over het traject Kijfhoek-Emmerich (25kV en 120 km), met een aanzet bij Kijfhoek en constant rijden met 90 km/h over de Betuweroute en een gemiddelde baanweerstand van 2 kN. In dit voorbeeld wordt 2.272 kWh aan tractie-energie verbruikt. Indien het gewicht van de wagens totaal 100 ton lager is dan wordt ruim 8% bespaard. Een 10% lagere treinweerstand resulteert in een verlaging van het tractie-energieverbruik van ruim 11% (tabel 7).

Tractieenergieverbruik 2272,42 Kwh

Referentie Leeg gewicht wagons totaal 100 ton lager Treinweerstand 10% lager

Reductie

2072,60

Kwh

-8,79%

2,0

kWh/ton

2012,54

Kwh

11,44%

26,0

kWh/%

Tabel 7 Vermindering tractie-energie goederentrein voor specifieke case Betuweroute (middels VPTberekening)

Figuur 4 Goederenwagen met dak GLS205: linksboven, Fad168 :rechtsboven, open goederenwagen Es040: linksonder.

© 2012 Railforum

Pagina 14 van 27


6

Materialen

In onderstaande tabel is de gewichtsverdeling opgenomen van een dubbeldeksbak VIRM. De massa van een trein wordt grotendeels bepaald door het casco en de draaistellen. Het merendeel hiervan is staal (72,2%).

Casco draaistellen interieur Technische installaties (rem, lucht, klimaat en electrisch) Binnenwerk (wanden e.d.)

gewicht 21.45 15.64 3.15 6.88 6.50 53.62

40.00% 29.17% 5.87% 12.83%

aandeel staal 18.1 15.6 0.8 3.3

46.77% 40.31% 2.07% 8.53%

0.9 38.7

2.33% 72,2%

12.12%

Tabel 8 Gewichtsverdeling voor een moderne dubbeldeks ABv6-rijtuig.

De keuze voor de toepassing van andere lichtere materialen ligt daarom voor de hand. Aluminium en composieten worden steeds vaker toegepast voor (delen van) het casco. Voorbeeld: Tram Maximaal gewicht Per as Leeg gewicht, totaal Per as Per m Per plaats # assen # vervoersplaatsen # secties Lengte

Aluminium, (welded) Combino Amsterdam

Staal Combino plus, Boedapest

<54ton <9 ton 34,5 ton

<120 ton < 10ton 70,9 ton

<60ton <10 ton 36 ton

5,75 1,19 ton/m 0,19 6 180 (4,5 pers/m2) 5 29 m

5,91 1,31 ton/m 0,20 12 352 (4 pers/m2) 6 54 m

6,00 ton 1,33 ton/m 0,20 6 176 3 27m

Potentieel besparing

10%

3 – 4% 9 – 11% 5%

Tabel 9 Een vergelijking van 2 trams, in staal en aluminium

Potentieel alternatieven In praktijk zijn weinig voorbeelden van treintypen die zowel in Aluminium als Staal zijn uitgevoerd. Een voorbeeld is de tram Combino van Siemens. De Aluminium constructie betekent in dit geval een reductie van 5% (op basis van het gewicht per vervoersplaats). Het belangrijkste nadeel voor de Aluminium constructie is de grotere schade die optreedt bij een botsing en de enorm arbeidsintensieve reparatie. In de Nederlandse praktijk blijkt dat in 20 jaar 10 tot 20% van treinbakken beschadigd raakt door aanrijdingen. Daarom is een integrale analyse nodig op basis van risico op (bots)schades en de bespaarde energie zodat de keuze voor Aluminium versus Staal gemaakt kan worden. Het gebruik van composieten is in ontwikkeling. Het wordt op dit moment veelal toegepast voor specifieke casco-onderdelen (figuur 5) . Naast de voordelen van licht gewicht, lagere fabricagekosten en de vorming van complexe vormen, kent de toepassing hiervan nog

© 2012 Railforum

Pagina 15 van 27


verschillende uitdagingen op gebied van botsveiligheid, herstel, verbindingen, recycling, brandveiligheid. Daarom wordt dit vooralsnog niet meegenomen. CONCLUSIE: in de conventionele trein wordt veel staal gebruikt (72% van het gewicht). Het vervangen door lichtgewicht alternatieven zoals Aluminium of composieten lijkt voor de hand liggend te zijn. Naast voordelen van gewicht en fabricage en complexe vormen (specifiek composiet) moeten de nadelen ook de verhoogde kans op schade en het bijbehorende herstel meegenomen worden in de uiteindelijke keuze.

Figuur 5 voorbeelden van toepassing van composite materialen.

© 2012 Railforum

Pagina 16 van 27


7

Inventarisatie besparingsmaatregelen

7. 1 Opsomming In de Railforum bijeenkomst van februari 2011 is een bredere inventarisatie gehouden van potentiële maatregelen. Internationaal zijn dergelijke inventarisaties (waaronder het EU-project RAILENERGY [4]) ook voorhanden. Om een compleet overzicht te hebben zijn de resultaten van o.a. deze bronnen gebundeld. Doordat de meeste maatregelen uit Engelse bronnen zijn, is deze opsomming ook in de Engelse taal. De meeste maatregelen betreffen overigens het materieel. Mass reduction Aluminium car-body Articulated trains (Jakob-type bogies) Fibre reinforced polymers Light coach interior equipment Mechatronic innovations for future running gear Sandwich structures Single-axle bogies

Aerodynamics and friction Aerodynamic optimisation of pantographs Aerodynamic ordering of freight cars Bogie fairings Covers for open freight cars Lubrication of wheels and tracks Streamlining of head and tail Streamlining of train sides and underfloor areas Virtually coupled trains Lower trains Less curves and switches Control of wheel-rail friction Lower resistance of brake discs Less bogies per train Radial steering bogies

Space utilisation Elimination of dining car Double-decked stock Wide-body stock Multiple units (MUs) vs. loco-hauled trains Train without seats More passengers per coach

© 2012 Railforum

Pagina 17 van 27


Reduction energy losses in electrical case Transversal flux motor Optimisation of traction software Medium-frequency transformer HTSC transformer IGBT Wheel-mounted permanent magnet synchronous motor Switch-off of traction group Ventilation control (in new stock) Ventilation control (retrofit) Loss reduction by optimized power intake

Reduction energy losses in diesel case Re-engining of diesel stock (replacement of engine) Diesel-mechanic transmission Biodiesel Fuel or oil additives for diesel traction Upgrading of engines Future developments in diesel technology Common Rail

Regenerative braking and energy storage Diesel-electric vehicles with energy storage Regenerative braking in 16,7 Hz, 15 kV systems Radio-controlled double traction in freight trains Regenerative braking in freight trains On-board use of braking energy in diesel-electric stock Revision of limit value for longitudinal forces in the train Inverter unit for DC substations On-board energy storage in DC systems Stationary energy storage Fly-wheels (storage technology) Batteries (storage technology) Double-layer capacitors (storage technology) Superconducting Magnetic Energy Storage (storage technology) Regenerative braking in DC systems Regenerative braking in 50 Hz, 25 kV systems

© 2012 Railforum

Pagina 18 van 27


Innovative traction concepts and energy sources PEM fuel cell Natural gas Hydrogen engine Gas turbine Additional Energy sources on the train (solar cells, wind energy, friction energy or fitness) Supercaps

Non-conventional trains Magnetic levitation technology (maglev) Swiss metro longer lifetime

Reducing energy consumption for comfort functions Optimisation of comfort functions during service Coach insulation Modification of target temperature in passenger coaches Smart windows Improved operation control for air-conditioning ORC technology to use waste heat in MUs Heat exchangers to use waste heat in Mus CO2 -based demand control for coach ventilation Use of residual heat for climate Exces ventilation Automatic closing doors Heat pump Controlled LED-lights on trains Comfort functions in parked trains Control of comfort functions in parked trains Coupling of parked trains for common energy supply

© 2012 Railforum

Pagina 19 van 27


Eco driving Reduced standing times in stations Systematic train delays Passenger information to reduce boarding time at stations Driving advice systems Energy efficient driving strategies Energy efficient driving by low-tech measures Driving advice systems in suburban operation Driving advice systems in main line operation Driving advice systems in freight operation Traffic fluidity Optimization of train operation by control center Moving block Automatic train control Demixing of railway infrastructure Speed harmonization Others Lowering speed Less stops (even closing from small stations)

Load factor and flexible trains Flexible train concepts Self-propelled freight cars Modular train sets for passenger operation Optimized train length based on demand

Measurement and documentation of energy consumption Energy meters (electric) Diesel flow meters Database of traction consumption Management and organization Procurement strategies LCC-driven procurement Reference cycle for energy efficiency Bonus/penalty rules Shorter lifetime train (earlier use of new technologies0 Larger series: lower prices, more development Awareness of personnel and incentives Incentives for drivers Training programs to raise awareness of personnel Others

© 2012 Railforum

Pagina 20 van 27


Demonstration project: green train CO2 -performance lather CO2 -tax Cooperation with foreign operators Travel advice based on CO2 -level Use all available knowledge and experience More incentives for innovation in rail sector Maintenance & Refurbishment processes with low energy consumption maintenance timeframes based on increased energy consumption Replacement of systems with high consumption rate More repair than replacement of components Lengthening lifetime of train

7.2 Besluitvorming en keuze Het vergaren van maatregelen is meestal niet het probleem. Voor de daadwerkelijke besluitvorming is het noodzakelijk de kosten, baten en mogelijke neveneffecten te beschouwen en af te wegen. Om de baten goed te kennen kunnen testen worden gedaan of kunnen middels modelberekeningen worden gedaan. De baten worden ook bepaald door de resterende levensduur van die trein of de concessieduur. De kosten kunnen worden beperkt door de implementatie slim te plannen en voor te bereiden. Vaak zijn logische momenten groot onderhoud, tussentijdse constructiewijzigingen of modernisering.

© 2012 Railforum

Pagina 21 van 27


8

Conclusies en Aanbevelingen

8.1

Conclusies

Aan de hand van deze verkennende studie kan worden geconcludeerd dat: 1a. Veel kennis beschikbaar is over het energieverbruik van een reizigerstrein, waaronder een energiebalans. Er komt steeds meer praktijkdata beschikbaar om de beschikbare modellen en inzichten te toetsen. Structurele energiemonitoring is zinvol om nog meer praktijkgegevens te verzamelen en daarmee met name de inzichten in het hulpverbruik te verbeteren.

1b. Van een goederentrein is geen recente informatie beschikbaar. De beschikbare informatie komt voornamelijk uit internationale studies van decennia geleden. De toepassing hiervan op de huidige vloot en bedrijfsvoering van goederenvervoerders lijkt zinvol.

2a. Met de beschikbare modellen voor reizigerstreinen is de gevoeligheid van parameters onderzocht. Hieruit blijkt dat: •

Het energiebesparingspotentieel van massareductie beperkt is. Bij modernisering van materieel is maximaal 0,5% energiebesparing te realiseren. Bij nieuwbouw is zelfs van verzwaring sprake. Het is zinvol om bij de bestelling van treinstellen actief te sturen op de massa. Wanneer als materiaal voor het casco staal door aluminium wordt vervangen. is een reductie van ca. 5% mogelijk. Een keuze voor aluminium is logisch vanuit de focus op gewichtsreductie en productiekosten-voordeel. Vanuit LCC (zoals herstelkosten en reservedelen) is dit niet zo logisch, omdat de reparatiekosten na een botsing aanmerkelijk groter zijn. Herstel is zelfs niet altijd mogelijk. Hiermee dient in de materieelparkprognose rekening gehouden te worden. Uit een analyse blijkt dat de energiebesparing als gevolg van de gewichtsbesparing en de lagere produktiekosten niet opweegt tegen de hogere kosten voor herstellingen en vervanging van het materieel.

•

Het energiebesparingspotentieel van het stroomlijnen van een trein redelijk is. Bij modernisering van materieel kan afhankelijk van het type een besparing van ca. 2 % worden bereikt. Bij een nieuwe trein kan dit aanmerkelijk meer zijn. Eeen grove analyse laat zien dat een reductie van ca. 4% mogelijk is. Bijkomende effecten in de kosten van duurdere productiemethoden en mogelijk lagere opbrengsten wanneer gekozen wordt voor een oplossing waarbij zitplaatsen verdwijnen, moeten daarbij nog wel worden meegewogen.

•

Het verbeterpotentieel van het hulpverbruik en de klimaatsystemen in een trein is ook bij modernisering aanwezig.

© 2012 Railforum

Pagina 22 van 27


•

Door het schakelen van en naar de verschillende bedrijfstoestanden op een slimme manier te optimaliseren en automatiseren is een verbetering van de energie-efficiency van tot wel 17% mogelijk.

2b. Voor goederentreinen ontbreekt het aan nauwkeurige modellen. Op basis van internationaal onderzoek blijkt wel dat het meeste verbeterpotentieel van een goederentrein bestaat uit het verminderen van de treinweerstand door het optimaliseren van de stroomlijn. Zonder grote investeringen, kan de vervoerder op korte termijn zijn energieverbruik terug brengen. Een potentieel van minimaal 10% lijkt haalbaar,.

3. De keuze voor een trein met een korte levensduur van 15 jaar in plaats van 30 jaar is vanuit CO2 overwegingen niet veel beter dan een revisie halverwege de levensduur. Qua energie-efficiëntie verbetering scheelt dit ongeveer 5%, terwijl dit positieve aspect teniet wordt gedaan door de gevolgen t.a.v. het aspect grondstofschaarste en het imago. Daarom is het vanuit CO2 -perspectief niet voor de handliggend om te kiezen voor een trein met een ‘halve’ levensduur. Het bewust kiezen voor een kortere levensduur kan daarentegen wel gunstig uitvallen voor specifieke systemen in een trein. Vooral die systemen waar veel technische vooruitgang te verwachten is en die een relatief korte productlifecycle kennen, komen hiervoor in aanmerking. Dit betekent dat oplossingen die bij de aanschaf van de trein wellicht not-proven maar wel veel belovend zijn, in een later stadium ingebouwd kunnen worden. Huidige voorbeelden zijn de IGBTtechnologie, en nieuwe LED- en accutechnologie. Modulariteit is hiervoor de oplossing: zorgen dat gedurende de 30 jaar levensduur van een trein deze systemen eenvoudig kunnen worden uitgewisseld voor systemen met een state-of-the-art energiebesparende technologie. Dus een modulaire opbouw van delen van een trein, inclusief transparante interfaces. Mogelijk kunnen ervaringen uit andere sectoren, zoals de vliegtuigbranche, hierbij helpen. Een enkele vervoerder kan niet alleen deze modulariteit (uitwisselbaarheid van subsystemen) afdwingen bij de industrie. Zij zal daarin samen moeten werken met andere Europese vervoerders om de industrie (OEM) te bewerken, welke op hun beurt de toeleveranciers kunnen bewerken. Om deze LCA-beschouwing te verbeteren en in de toekomst nauwkeurigere uitspraken te kunnen doen, is het essentieel om over LCA-relevante data te beschikken. Bij de uitvoering van deze studie bleek de beschikbaarheid hiervan erg beperkt. Besparing

Operationele maatregelen

Technische maatregelen Tijd Figuur 6 Operationele maatregelen zijn de quick-wins

© 2012 Railforum

Pagina 23 van 27


4. Het aantal potentiële besparingsmaatregelen aan een trein is groot. Echter de grote quick-wins zijn te behalen door niet technische maatregelen, zoals energiezuinig rijden, bezettingsgraad verhoging en optimalisatie dienstregeling (figuur 6).

Samenvattend: De CO2 -voetafdruk van de gebruiksfase van een trein kan op heel veel wijzen worden gereduceerd. De korte termijn maatregelen tijdens modernisering zijn in het algemeen beperkt. Voor reizigerstreinen is het slim regelen van de bedrijfstoestanden de enige echte maatregel met een aanzienlijke besparing. Voor goederentreinen is dat het aerodynamisch optimaliseren van de trein. Op de lange termijn zijn grotere stappen te maken. Keuze voor andere materialen (i.c.m . constructiewijze), systeemmodulariteit en verbetering van de stroomlijn zijn daarbij effectieve maatregelen. Essentieel hiervoor is dat energieverbruik van een trein een onderdeel is van het investeringsbesluit. Dus dat op basis van LCC wordt besloten.

© 2012 Railforum

Pagina 24 van 27


8.2 Aanbevelingen Een extra impuls aan de CO2 -reductie van trein kan worden gegeven door: • Het vergaren en slim analyseren van praktijkdata (reizigers- en goederentreinen) om de inzichten in het daadwerkelijk energieverbruik te verbeteren. •

Het verbeterpotentieel van het optimaliseren van de bedrijfstoestanden (reizigerstreinen) en stroomlijn (goederentreinen) te benutten.

•

Het vergaren van LCA-relevante data om deze analyses nauwkeuriger te kunnen uitvoeren.

•

LCC in de investeringsbeslissing mee te nemen (risicobeoordeling van energieverbruik op de aanschaf van treinen). Hierdoor zal de industrie extra worden gestimuleerd nieuwe ontwikkelingen snel in te voeren. De verificatieslag op de onderdelen van LCC moet hierbij wel plaats vinden.

•

De toepassing van nieuwe lichtere materialen in treinconstructies, zoals aluminium en composieten in breder perspectief te beschouwen. Andere eigenschappen belemmeren de toepassing hiervan.

•

Grondstofschaarste als aspect in de aanschaf van treinen mee te nemen.

•

Meer systeemmodulariteit in treinen.

Daarom wordt geadviseerd de volgende stappen te nemen: A. Structurele energiemonitoring in de praktijk te realiseren; B. De toepassing van nieuwe lichtere materialen in treinen te stimuleren middels onderzoek en met deze kennis een integrale beschouwing te doen van het potentieel hiervan t.o.v. het klassieke staal. C. Het opstellen van een plan door de goederensector om de stroomlijn van goederentreinen op korte termijn te gaan verbeteren. D. Het verzamelen van LCA-relevante data via contractering van de grond te krijgen. E. Een specificatie m.b.t. materiaalgebruik (i.v.m. grondstofschaarste) en de verificatiemethode op te stellen voor de aanschaf van treinen en onderliggende systemen. F. Een plan op te stellen om de systeemmodulariteit van een trein via de branche-organisatie (met andere vervoerders) op termijn te gaan realiseren. G. De ervaringen van de vliegtuigindustrie m.b.t. systeemmodulariteit te onderzoeken en deze in het bovenstaande plan op te nemen H. Onderzoeken hoe contractering kan bijdragen aan een beter CO2 -voetafdruk.

© 2012 Railforum

Pagina 25 van 27


Referenties: [1]

Railforum studie “CO2 -voetafdruk van de Nederlandse spoorketen’, februari 2011.

[2]

NS-rapport: “Modernisering VIRM1, mogelijkheden tot energiebesparing”, Lloyd’s Register Rail 03-406396, d.d. 16-08-2010.

[3]. “Voorstudie over aerodynamische aanpassingen voor de VIRM1”, TU-Delft, augustus 2010 [4]

“Energy efficiency strategies for rolling stock and train operation”, http://www.railwayenergy.org/static/EnergyEfficiencyTech.pdf]

© 2012 Railforum

Pagina 26 van 27


BIJLAGE 1

Berekening voor verschillende levensduren:

Case1: Treintype:

Produktie

Mat64, 30 jaar CO2 -voetafdruk [kton CO2 /jr] 6+7 = 13

Gebruik

2,17 kWh/SCEkm = 643

Onderhoud

9

Fac energie

45

Revisie

3

TOTAAL

713

Fase

Case 2 Treintype: Fase

Mat64 15 jaar en SLT 15 jaar CO2 -voetafdruk [kton CO2 /jr] 6+7 = 13 voor 30 jr maal 2 voor 15 jaar = 26

Gebruik

2,17 kWh/SECkm [xx] = 643 en delen door 2

Onderhoud

4,5 , blijft gelijk voor 15 of 30 jaar

Fac. Energie

45

Produktie

13 x 2 = (1,50/2,17)*643 = 444 (indien je het complete verschil tussen em64 en SLT van 40jr technologie meerekent.

Onderhoud TOTAAL

6

= (((2,17-1,50)/2+1,50)/2,17*643) = 544 de energiebesparing delen door 2 om slechts 20 jr technologiesprong te bepalen (stel SLT was 20 jr na em’64 besteld). 4,5 673,5

Produktie en materiaal Bron: kentallen lijst NSR, stel EM64 is gemiddeld cf. railforum studie

Schatting op basis van 20% van produktie

Produktie

Gebruik

Toelichting / onderbouwing

6

Toelichting / onderbouwing EM’64, Productie en materiaal. De getallen zijn gebaseerd voor 30 jaar levensduur. EM64 Factor 2 vanwege slechts 15 jaar EM64, e Railforum studie is gebaseerd op 30 jaar levensduur SLT (uitgangspunt: productie EM64 en SLT zijn qua CO2 -produktie niet wezenlijk anders) SLT Verhouding EM64/SLT Factor 2 vanwege slechts 15 jaar (Technologiesprong van 20 jr)

SLT(uitgangspunt: onderhoud EM64 en SLT zijn qua CO2 -produktie niet wezenlijk anders) - 5,5%

(13*30+643*15+9*15+45*30+13*30+544*15+9*15)/30 = 673,5

© 2012 Railforum

Pagina 27 van 27

Foto: NS Energieverbruik Treinen, inzicht en maatregelen

Recommend Documents