RAPPORT 2010:4 DUOLOK - sammanfattningsrapport Författare: Peter Bark, Mattias Skoglund, Sammanfattning Studier har visat att de svenska godstågsoperatörernas samlade lokpark av 450 ellok och tunga diesellok kan minskas med 20 % om ett 90-tal duolok ersätter ett 90-tal tunga diesellok och lika många ellok. Ett duolok är ett lok som matas med elenergi där kontaktledning är tillgänglig och när sådan saknas erhålls elenergi från egna dieseldrivna generatorer. Möjligheterna att minska användningen av tunga diesellok i Sverige befanns vara betydligt större än förutspått. Dieselbränsleförbrukningen vid godstransporter på järnväg kan minskas med 40 % från en nivå 2006 på 20 700 m 3 om hälften, det vill säga 90 av de svenska operatörernas tunga diesellok ersattes av duolok. Om 120 tunga diesellok ersattes med duolok kunde dieselförbrukningen minskas med 60 %, till 8 500 m 3. Godstransporternas elförbrukning beräknades öka med endast 2,5 % om 90 lok ersattes respektive 3,5 % om 120 lok ersattes. Detta från en nivå på 1 TWh. Ett syfte var att studera förutsättningar för samt att utveckla ett koncept avseende ett enhetligt dragkraftsystem, eller lok, för godståg, som på elektrifierade banor kan matas med elenergi från kontaktledning, och som kan användas i växling samt i tjänst på bangårdar, spår och terminaler som ej är elektrifierade. Avsikten var att ta fram ett koncept, benämnt duolok, som minskar energiförbrukning och miljöbelastning vid godstransporter på järnväg genom att lokala godståg och växlingsrörelser på elektrifierade bangårdar, banor och spår kan framföras med eldrift istället för dieseldrift. En avsikt var att utveckla ett duolok för godstransporter som medför att såväl antalet loktyper som det totala antalet lok hos olika operatörer kan minskas väsentligt. För terminal- och växlingstjänst på spår utan kontaktledning har det hittills inte funnits några bra alternativ till diesellok vilka bullrar och ger upphov till avgasemissioner. En översiktlig genomgång visade att de tunga dieselloken till stor del användes för tågdragning samt växling under kontaktledning, vilket innebar ett trovärdighetsproblem ur miljösynpunkt. Ur miljösynpunkt påvisades stora fördelar med duolok. De emissioner av växthusgaser (främst CO 2 ) som härrörde från godstransporter på järnväg uppgick under 2006 till 52 700 ton enligt Banverkets mix och 131 000 ton enligt Nordisk mix. Av detta svarade diesellok för 52 600 ton. Ett utbyte av hälften av de tunga dieselloken mot 90 duolok beräknades minska utsläppen av CO 2 med drygt 20 000 ton (16 % enligt Nordisk mix respektive 42 % enligt Banverkets mix). Om två av tre tunga diesellok ersätts med 120 duolok kunde utsläppen av CO 2 minskas med omkring 30 000 ton (21 % enligt Nordisk mix respektive 60 % enligt Banverkets mix). Vidare kunde utsläppen av reglerade emissioner (HC, CO, NO x och partiklar) minskas med 30-60 % beroende på bedömningsmodell. De stora potentiella effekterna beror på att den dieseldrift som
nu fortgår under kontaktledning i stort sett kan elimineras med duolok och att de dieselmotorer som avses användas i duolok ger låga värden för reglerade avgasemissioner, främst NO x. I Sydafrika anskaffades i början av 1990-talet 50 duolok för godstransporter vilket medförde en effektivisering av driften genom att diesellok kunde undvaras vid lastnings- och lossningsspår för främst systemtåg. Därigenom kunde diesellok med personal inbesparas. Utnyttjandegraden för duoloken var högre än för el- och diesellok och uppgick till 83 % mot 75 % för de senare. Under 80 % av drifttiden erhöll duoloken el från kontaktledning, i övrigt användes dieseldrift. Även i Sverige bedöms betydande rationaliseringar kunna genomföras vid en anskaffning av duolok. En orsak är att godstågsoperatörernas ellok utnyttjas som mest mitt i natten (måndagfredag) då dubbelt så många ellok är i drift som mitt på dagen. För tunga diesellok råder ett omvänt förhållande där det största antalet diesellok var i drift under förmiddagen. Av de svenska godstågsoperatörernas totala lokpark av ellok och tunga diesellok var som mest 80 % i samtidig drift vilket indikerade en besparingspotential på 90 lok av 450 vid ett förbättrat dygnsutnyttjande vilket är möjligt genom anskaffning av duolok. Med duolok kan även lokala växellok undvaras på flera platser vilket möjliggör inbesparingar av fordon, personal och underhållsresurser. Detta innebär även att anskaffning av ett fåtal duolok kan medföra en stor effektivisering i de fall dessa används i transportupplägg där kostsamma lokala resurser skulle krävas för att i en begränsad omfattning växla enstaka vagnar eller tågsätt till/från lastnings- och lossningsspår. En genom duolok förbättrad lokanvändning bedöms vara en viktig del i en effektivisering av godstransporterna på järnväg och stärka järnvägens konkurrenskraft. De energibesparingar och positiva miljöeffekter som duolok medför förmodas kunna befästa järnvägens roll som ett ur miljö- och energisynpunkt långsiktigt hållbart transportmedel. Duolok för godstransporter utformas så att högst effekt erhålls vid eldrift. Vid dieseldrift är hastigheten och effektbehovet lägre. I detta projekt utvecklades ett koncept till fyraxligt duolok uppbyggt på ett ramverk, med en förarhytt samt två elgeneratorer vilka drivs av dieselmotorer med effekter på vardera 0,5 MW. Effekten vid eldrift fastställdes i utgångsläget till 3,2 MW vilket medför att ett duolok med en tillåten hastighet av 120 km/h kan erbjuda dragkraft och andra prestanda som motsvarar de vanligaste elloken i svensk godstrafik (Rc2 och Rc4). Effekten vid eldrift begränsades av ett intresse att kunna använda drivsystem för motorvagnar som kostar betydligt mindre än drivsystem avpassade för ellok. Priset för ett duolok, enligt det framtagna konceptet, beräknades uppgå till 85-90 % av priset för de stora tillverkarnas ellok om duoloket tillverkas i större serier och inte belastas med högre pålägg än andra lok. Alternativt kan ett duolok byggas upp i en ny eller begagnad korg för ellok. En annan lösning är att komplettera ett ellok, från någon av de stora tillverkarnas plattformar, med elgeneratorer till en kostad av 2 mkr/lok, vilket kan jämföras med ellokens marknadspris på 30-35 mkr/lok. Energikostnaden beräknas minska med mellan 30 och 120 mkr/år beroende på om 90 eller 120 diesellok ersätts av lika många duolok och om bränslepriset sätts till 6 eller 12 kr/l. Duolok bedöms ur ett livslängdsperspektiv vara mycket lönsamma att anskaffa när lokparker förnyas och alternativet är traditionella uppsättningar av diesel- och ellok. Tunga diesellok är betydligt dyrare
än ellok att underhålla per körd kilometer. En jämfört med ellok tillkommande kostnad för dieselelektriska lok samt duolok är underhåll av dieselmotor och generatorutrustning. För duolok beror dessa kostnader av hur mycket dieselmotorerna är i gång. De avstånd som duolok avverkar vid dieseldrift bedömdes som små relativt avstånden vid eldrift. Vidare bedöms dieselmotorernas drifttid bli liten relativt lokens totala drifttid. Detta indikerar att kostnaderna för underhåll av duolok och moderna ellok bör ligga på samma nivåer. Anskaffning av duolok bedöms som ett ekonomisk fördelaktigt alternativ när det ställs mot nyanskaffning av traditionella ellok och tunga diesellok. Detta gäller även vid utbyte av dieseloch ellok som uppnått den tekniska eller ekonomiska livslängden. På grund av höga kostnader för att nyanskaffa lok har flera svenska operatörer ansett det vara mer ekonomiskt gynnsamt att förlänga äldre loks livslängd genom moderniseringar och ombyggnader än att nyanskaffa lok. Detta ställningstagande bedöms ha minskat tillverkarnas intresse av att ta fram duolok eftersom efterfrågan därigenom begränsas. För att uppnå de ekonomiska och miljömässiga fördelar som duolok medför fordras alternativa lösningar som kan bestå i modifiering av befintliga ellok och utveckling av utrusning som kompletterar dessa. Ett exempel kan vara ett ellok som matas med elenergi från en tillkopplad dieseldriven generator. En duolok av detta slag bedöms vara ett viktigt insteg i en process som syftar till att ta fram ett koncept till ett fullvärdigt duolok. Summary Studies have shown that the total combined number of locomotives operated by the Swedish freight train operators consisting of 450 electric locomotives and heavy diesel locomotives could be reduced by 20 % if about 90 dual mode locomotives replaced about 90 heavy diesel locomotives and as many electric locomotives. A dual mode locomotive is a locomotive that is supplied with electrical energy where overhead power lines are accessible and which receives electrical energy from its own diesel-driven generators when overhead lines are not accessible. The opportunities to reduce the use of heavy diesel locomotives in Sweden have been found to be considerably greater than was foreseen. Compared with 2006 s level, the consumption of diesel fuel for freight transport by rail could be reduced by 40 % from a level of 20,700 m 3, if half, that is to say 90, of the heavy diesel locomotives owned by the Swedish operators were replaced by dual mode locomotives. If, on the other hand, 120 heavy diesel locomotives were replaced by dual mode locomotives, then diesel consumption would fall by 60 % to 8,500 m 3. It has been estimated that the consumption of electricity for the transport of freight would increase by 2.5 % if 90 locomotives were replaced and by 3.5 % if 120 locomotives were replaced. This is from a level of 1 TWh. An aim was to study the prerequisites for and develop a concept regarding a uniform traction system, or locomotive, for freight trains, which can be supplied with electrical energy from overhead power lines on electrified lines, and which can be used for shunting and operations at railway stations, lines and terminals which are not electrified. The intention was to develop a concept, or dual mode locomotive, which would reduce energy consumption and the environmental burden for freight transport on the railway through the use of electrically-driven local freight trains and shunting operations at electrified stations, lines and tracks, instead of diesel-driven. The intention was to develop a dual mode locomotive for freight transport that would bring about a significant reduction in the number of types of locomotive and in the total number of locomotives used by the various operators. Hitherto, for terminal and shunting operations, there has not been a good alternative to the diesel locomotives which is noisy and gives rise to exhaust emissions. A comprehensive study showed that heavy diesel locomotives were used mainly for
pulling trains and for shunting activities on electrified lines, giving rise to serious credibility problems from an environmental point of view. From an environmental point of view, dual mode locomotives were shown to offer major advantages. Greenhouse gas emissions (mainly CO 2 ) originating from freight transports on the railway amounted to 52,700 metric tons in 2006 according to the Swedish Rail Administation s calculation model (Banverkets mix), and 131,000 metric tons according to the Nordisk mix model. Of this, diesel locomotives accounted from 52,600 metric tons. By replacing half of these heavy diesel locomotives with 90 dual mode locomotives, there would be estimated drop in CO 2 emissions of just over 20,000 metric tons (16 % according to Nordisk mix and 42 % according to Banverkets mix ). If two out of three heavy diesel locomotives were replaced with 120 dual mode locomotives, CO 2 emissions would be reduced by about 30,000 metric tons (21 % according to Nordisk mix and 60 % according to Banverkets mix ). Furthermore, regulated emissions (HC, CO, NO x and particles) could be reduced by 30-60 % depending on the calculation model used. These large effects are due to the fact that the current diesel-driven activities taking place below electric power lines can be more or less eliminated with a dual mode locomotive, and the diesel engines which are intended to be used in dual mode locomotives give low values for regulated exhaust emissions. In South Africa, in the early 1990 s, 50 dual mode locomotives were acquired for freight transports which brought about greater operational efficiency since it was possible to dispense with diesel locomotives during loading and unloading operations for system trains. In this way it was possible to save on manning costs of the diesel locomotives. The utilization rate for the dual mode locomotives was higher than for the electric and diesel locomotives and was as high as 83 % and 75 % for the others. During 80 % of its operating time, the dual mode locomotive received electricity from the overhead power line and for the remaining time, it was driven by diesel. In Sweden too, it is believed that significant rationalisation could be achieved through the acquisition of dual mode locomotives. One reason for this is that the freight train operators electric locomotives are used mainly during the night (Monday to Friday) when twice as many electric locomotives are in use than those in use at the middle of the day. The situation is the reverse for diesel locomotives where the largest number of diesel locomotives was operating in the morning. At most, 80 % of the total number of electric and diesel locomotives operated by Swedish freight train operators were in use at the same time, which indicated a savings potential of 90 of the 450 locomotives if the day and night operations could be improved. This is possible if dual mode locomotives are acquired. In addition, local shunting locomotives could be dispensed with in many places if dual mode locomotives were acquired which would mean savings of vehicles, staff and maintenance resources. This means that the acquisition of just a small number of dual mode locomotives can bring about much greater efficiency in those cases where they are used for transport solutions where expensive local resources would otherwise be needed to shunt individual wagons or a set of carriages to and from loading and unloading tracks. The improved use of locomotives in the form of dual mode locomotives is considered to be an important part of achieving greater efficiency in freight traffic on the railways and in strengthening the competitiveness of the railway. The energy savings and positive environmental effects associated with dual mode locomotives are capable of strengthening the role of the railway as a sustainable, long-term means of transport from an energy and environmental point of view. Dual mode locomotives are designed to achieve their highest effect when powered by electricity. The speed and the power requirement are lower during diesel operations. In this project, the concept of a fouraxle dual mode locomotive built on a framework, with a driver s cabin and two electric generators each driven by 0.5 MW diesel engines, was developed. The power when electrically driven was determined at the starting position to be 3.2 MW which means that a dual mode locomotive with a permitted speed of 120 km/h can provide pulling power and other performance features which correspond to the most common electric locomotive used for Swedish freight traffic (Rc2 and Rc4). The power for electrical
operations was limited because of the interest in using the drive system for rail cars which costs considerably less that drive systems designed for electric locomotives. The price of a dual mode locomotive, according to the concept developed, is estimated to be up to 85-90 % of the price of the electric locomotives made by the major producers if the dual mode locomotive is made in larger series and is not burdened with higher additional charges than for other locomotives. Alternatively a dual-mode locomotive could be built in either the new or used body of an electric locomotive. Another solution is to complement an electric locomotive platform from one of the big manufacturers with electric generators at a cost of 2 MSEK per locomotive, which can be compared to the market price of an electric locomotive of 30-35 MSEK per locomotive. Energy costs are estimated to decrease by between 30 and 120 MSEK per year depending on whether 90 or 120 diesel locomotives are replaced by an equal number of dual mode locomotives and depending on whether the price of diesel is set at 6 or 12 SEK per litre. Dual mode locomotives are seen as being extremely profitable from a life-cycle perspective when the time comes to renew existing locomotives and when the alternatives are traditional diesel and electric locomotives. Heavy diesel locomotives are considerably more expensive to maintain per kilometre-driven compared to electric locomotives. One comparable cost with electric, diesel-electric and dual mode locomotives is the maintenance of the diesel engines and the generator equipment. In the case of the dual mode locomotive, these costs depend on how much the diesel engines are in use. The distances covered by dual mode locomotives when driven by diesel were considered to be relatively small compared to the electrically-driven distances. Furthermore the operating time of the diesel engines was considered to be relatively small compared to the locomotive s total operating time. This indicates that maintenance costs for dual mode locomotives and modern electric locomotives are more or less at the same level. The acquisition of dual mode locomotives is judged to be a financially advantageous alternative when it is compared to the new acquisition of a traditional electric locomotive or heavy diesel locomotive. This also applies to the replacement of diesel and electric locomotives which have reached the technical or financial end of their life cycles. Due to the high costs of acquiring new locomotives, several Swedish operators have found it to be more financially attractive to extend the life-length of their older locomotives through modernising and rebuilding than to buy new locomotives. This standpoint is believed to have reduced the interest of manufacturers to produce a dual mode locomotive since demand would thus be limited. In order to achieve the financial and environmental advantages associated with dual mode locomotives, alternative solutions which can consist of modifications to existing electric locomotives and the development of other complementary equipment are needed. One possible example could be an electric locomotive supplied with electrical energy from a connected diesel-driven generator. A dual mode locomotive of this type is believed to be an important step in a process which aims at developing a complete dual mode locomotive concept.