Livscykelkostnad för vägar Iman Mirzadeh Väg och Ban Teknik, KTH
Livscykelkostnad En process för utvärdera det totala ekonomiska värdet av ett projekt genom att analysera den initiala kostnaden och den framtida reducerade kostnaden (ex. underhållningskostnader) över projektets livstid Konceptet introducerades under 1930-talet som en del av USAs federala lagstiftning för att kontrollera översvämningar I början av 1950-talet har det används för att utvärdera motorvägsprojekt LCC 2
Väghållarkostnader LCC Planering (projektering, konstruktion, produktionsplanering mm.) Investeringskostnader (under- och överbyggnad, slitlager, bro, belysning mm.) Underhållskostnader (reparation, omläggning, väglinjemarkering mm.) Driftkostnader (vinterväghållning, belysning, renhållning mm.) Restvärde Samhällskostnader Trafikantkostnader (olyckor, restid, fordon och inre buller/komfort) Yttre miljö (stoft, avgasemissioner, yttre buller mm.) Arbetsmiljökostnader (olyckor, toxiska produkter, ergonomi, komfort mm.) LCC 3
LCC Kostnad för Produktion, Transport, Läggning ( av asfalt) Kostnad för Produktion, Transport, Milling, Blandning, Läggning Kostnaden Relaterad till Försening, Energi Förbrukning Avgasemissioner Konstruktion Väghållarkostnader Rehabilitering Väghållarkostnader Samhällskostnader LCC 4
Nettonuvärdeskvoten Nuvärdeskvoten Diskonteringsränta = ränta inf lation 1+ inf lation Kostnad Initialakostnaden Driftskostnader Underhållskostnad År Restvärdet NNN = IIIIIIIIIIIIIIIII + L n=0 UUUUUUUUUU kkkkkkk n (1+r) n + DDDDDDDDDDDDD 1 1+r n r LCC 5
Nuvärdeanalys En investering som sker vid en viss tidpunkt måste antas ha en avkastning som motsvarar en alternativ satsning. T.ex. pengar som satsas i ett infrastrukturprojekt skulle även kunna sättas in på bank eller i värdepapper och få viss avkastning LCC 6
Diskonteringsfaktor LCC 7
Arbetszonens kapacitet Maximal kapacitet för 2-filig motorväg= 2200 Filbredd = 3,5 m nr. Av körfält i varje riktning = 2 Lastbil andel = 12% Free flow kapacitet = 2075 vphpl LCC 8
Arbetszonens kapacitet LCC 9
Trafikantkostnader Kostnader för olyckor: AC = L x ÅDT x N x (Aa-An) x ca L = längden på drabbade väg ÅDT = årsmedeldygnstrafik (fordon per dygn) N = antal dagar från underhållsaktivitet Aa = olycksfrekvensen under underhållsaktivitet An = Normal olycksfrekvensen ca = kostnad per olycka LCC 10
LCC 11
LCC 12
LCC 13
LCC 14
Uträkning av NNK (med användning av sannolikheten och simulering) LCC 15
Deterministiska resultat LCC 16
Probabilistiska resultat LCC 17
Målet med studien Att utveckla en metod för att utföra jämförande LCC för att hitta det mest ekonomiska design alternativet när det gäller den totala kostnaden under vägens livstid I detta synsätt utfördes LCC utifrån designens förutsägelser av CM (Kalibrerad Mekaniska) flexibla väg design Kostnaderna kommer ifrån två entiteter; energi och tid LCC 18
Tid och Energi tidsram Med energi och tid enheter gör ramen oberoende av förändringar i valutor, inflation och ränta Ramen kommer att vara global och kan användas i olika delar av världen för att göra LCC Kostnaden kan beräknas beroende på värdet av tid och energi Source; www.denix.osd.mil/denix/publi c/news/earthday99/awards99/ ARTwincities/Backhoe.jpg LCC 19
System Integration Materialegenskaper livslängd klimat information Tillförlitlighet Alternativa förslag (olika Rehabs. interval) LCC (Ökning av energi & arbete kostnader, ränta, inflation) Kalibrerad mekanistiska modellen (1) Vägenslivskurva (2) motsvarande opt. tjocklek Tid & energi beräkningar Slutlig design LCC 20
Kalibrerad mekanisk baserad Design AC Tjocklek Skiktad elastisk analysmodell Modulus, Poisson s Ratio Spänning Aging model Design life Energy Ratio Blandningsegenskaper (DCSEL, FE, St, Creep rate) no ER ER Opt yes Design tjocklek LCC 21
Energiförhållande konceptet DCSEf måste vara större än DCSEmin för bra sprickmotstånd prestanda DCSE f x DCSE min =func.(creep egenskaper och spänning på botten av asfaltslagret) Stress, σ DCSE M R Strain, ε DCSE f = AREAN ENERGY RATIO = DCSE DCSE f min > 1 LCC 22
ER kriterier Alla test sektioner undersöktes prestandakriterier:er>1 ; DCSE HMA >0.75 Energy Ratio 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 DCSE f <0.75 DCSE HMA >2.5 0.00 US301-BS SR80-1C I10-DE I10-DW SR 16-4C I10-MW2 SR 16-6C NW 39-1C TPK 2C I75-3C I75-1C SR 375-2C Section US301-BN I95-SJN I10-MW1 I75-1U I75-2U TPK 1U SR80-2U NW 39-2U SR 375-1U I95-DN Sprack Sprack inte LCC 23
Tid och Energi koncept n C = T ct t i i i= 1 n C = E ce E i i i= 1 Ti : The i th Component of Time cti : The unit value of Ti in terms of Euro Ei : The i th Component of Energy Cti : The unit value of Ei in terms of Euro Bitumen produktion Sten produktion Asfalt produktion Asfaltsläggning Komprimering av asfalt Milling, blandning och läggning Transport (Et) LCC 24
Maskinerier MFG. Tid Energi Use arbete (t) bränsle (E) nedvärdering End Life Tid Energi Maskinerier är involverade i alla delar av tid och energi komponenter från tillverkning till återhämtning av vägar LCC 25
Fältstudie R=%85 ESALs=9M Hopt=11,5 cm LCC 26
Raffinaderiet & Asphalt plant 11% 8% Embedded energy cost 81% Time (Labour) cost+company benefit Energy cost bitumen production Cost ( /km/lane) 60000 50000 40000 30000 20000 Time (Labour) cost+company profit Energy cost asphalt+aggregate production Transportation 10000 0 ABT11 Asphalt type AG22 LCC 27
Transport Transport Material From_To Avstånd 4 (km) Material mängder (tonne) Tid(hr) Energi (MJ) Bitumen Refinery 2 _ Mixing plant 1 100 69 20 24992 Sten Quarry site 1 _ Mixing plant 5 1317 19 23972 Asfalt Mixing plant _ Construction site 3 50 1386 198 252212 Summary Total energy (MJ) 301176 Total time (Hr) 236 Total energy cost ( /km/lane) 11314 Time cost ( /km/lane) 8275 LCC 28
Energi och Tid Objekt Energi (GJ/FU) Kostnaden för energi( /FU) Tid spenderad (Hr/FU) Tid kostnad ( /FU) Kostnad Procent Bitumen råmaterial energi Elförbrukning Bränsleförbrukning 2618 28000 - - 44,5% Stenproduktion 26 171 - - 0,3% Bitumenproduktion 17 106 - - 0,2% Asfaltproduktion 40 253-0,4% Stenproduktionen 27 619 - - 1,0% Bitumen produktion 71 2700 - - 4,3% Asfaltproduktion 325 9639 - - 15,3% Transport 292 10973 229 8026 30,2% Asfaltsbeläggning 2,07 616 3 96 1,1% Komprimerad asfalt 2,8 829 27 949 2,8% Sammanfattning Totala energi (GJ) 3421 Totala tid (Hr) 259 Energi kostnad( /km/lane) 53906 Total cost ( /km/lane) Source; Tid kostnad www.denix.osd.mil/denix/publi ( /km/lane) 9071 c/news/earthday99/awards99/ Total cost ( /ton) 47 ARTwincities/Backhoe.jpg 63000 LCC 29
Den totala kostnaden för lagd asfalt 0,7 Relative Probability 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 2010 ABT11 2009 ABT11 2009 AG22 0,1 0 0 50 100 150 200 250 Asphalt price per ton (Euro) LCC 30
Känslinghetsanalys LCC 31
Rehabiliteringsalternativ Alt b: Alt c: R=%85 R=%85 R=%85 R=%85 ESALs=3,5M ESALs=5,5M ESALs=5,5M ESALs=6,8M Hopt=8 cm Hopt=5,8 cm Hopt=9,7cm Hopt=5,6 cm LCC 32
Antagande En analys utförs förutsatt att: 10% årlig ökning på oljepriset 4% årlig ökning för lön 4% ökning av priset för el Dessa antaganden har gjorts för att demonstrera vikten av energi och tidsram och vikten av att behålla dessa enheter separat från kostnaden för att generera mer giltiga resultat LCC 33
Tid & Energi Resultat Design Alternativ Energi förbrukning (GJ) Förbrukad tid (Hr) Motsvarande kostnader( /km/fil) Alt. a Konstruktion 3530 259 69000 Alt. b Alt. c Konstruktion Rehabilitering Konstruktion Rehabilitering 3175 240 62500 1411 111 70000 2840 216 56500 1461 114 59500 LCC 34
Trafikdata 4% årlig trafiktillväxt 1000 ÅDT för konstruktionsåret Skyltad hastighet 70 km/h Skyltad hastighet vid vägarbete 50 km /h Arbeteszonslängd 1 dygn Restidskostnad personbil 60 /hr Restidskostnad lastbil 500 / tim Bränslekostnad 1,5 / lit Tvåfältsväg per riktning (inre fil stängd) LCC 35
Trafikanter kostnadskomponenter När trafiken når arbetetszonens kapacitet ökar förseningar i en exponentiell takt LCC 36
Sammanfattning Utnyttjande av CM (Kalibrerad Mekaniska) design modellen för asfaltbeläggningar möjliggör en förutsägelse av vägens LCC En LCC, med bidrag från CM design modellen, utförs för att hitta den mest ekonomiska design konstruktionen när det gäller den totala kostnaden under asfaltens livslängd Den inbäddade energin av bitumen och transport var inte bara största delen av den energi som är en del av vägbygget, men också ansvarig för stora mängden av kostnaden LCC 37
En ram för utförande av LCC föreslås, där den totala kostnadsberäkningen baseras på den energi och tid som används under de undersökta livscykelstadier i asfaltens livslängd Trots förändringar i värdet av en valutaenhet, förblir energi och tidsenheten konstant. Därför utför en LCC baserat på dessa enheter mer giltiga resultat som är okänslig för förändringar i valuta, oljepriset och arbetskostnader Verktyget är oberoende av dessa förändringar och kan tillämpas globalt Att använda energienheten som en del av LCC, gör det mycket lättare att kombinera LCC med livscykelanalys (LCA) genom att betrakta de motsvarande utsläppen LCC 38
Tack så mycket Email: Iman.mirzadeh@abe.kth.se Tel: 08-790 6592 LCC 39