I
EXAMENSARBETE INOM ENERGI OCH MILJÖ, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP
STOCKHOLM, SVERIGE 2021
Jämförande klimat- och energianalys av
tunneldrivningsmetoder
CAMILLA BLOMQVIST
KTH Kugli
SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD
Jämförande klimat- och energianalys av tunneldrivningsmetoder
CAMILLA BLOMQVIST
Handledare: Anna Björklund, KTH Handledare: Stefan Uppenberg, WSP Examinator: Göran Finnveden
AL250X Examensarbete inom strategier för hållbar utveckling, avancerad nivå 30,0 hp KTH Royal Institute of Technology
VT2021
TRITA TRITA-ABE-MBT-2133
I
Förord
Det här är ett examensarbete som utförts för Institutionen för hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik (SEED) på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och är det avslutande momentet i civilingenjörsutbildningen inom Energi och Miljö med masterinriktningen Teknik och hållbar utveckling. Arbetet utfördes på WSP som en del av lokaliseringsutredningen för den nya tunnelbanelinjen till Älvsjö.
Jag vill rikta ett varmt tack till Stefan Uppenberg som varit min handledare på WSP och till Anna Björklund som varit min handledare på KTH samt Susanne Jung på WSP som varit delaktig vid diskussioner och uppföljning av projektet. Utöver det vill jag tacka Stig Eriksson och Karin Wallin på Förvaltning för utbyggd tunnelbana för deras engagemang i projektet. Avslutningsvis vill jag tacka min partner Robert och mina föräldrar Dora och Karl-Hugo som alltid stöttar och tror på mig.
Stockholm, juni 2021 Camilla Blomqvist
II
Sammanfattning
En ny tunnelbanelinje på åtta kilometer ska anläggas i Stockholm mellan Älvsjö och Fridhemsplan där WSP har fått i uppdrag att utföra ett lokaliseringsarbete som är ett inledande stadie i projektet. Som en del i lokaliseringsutredningen ingår att välja vilken tunneldrivningsmetod som ska användas för tunneldrivningen där konventionell drivning med borrning och sprängning jämförs med fullortsborrning med en tunnelborrmaskin. Det här examensarbetet är en jämförelse mellan de två tunneldrivningsmetoderna där de undersökta parametrarna är klimatpåverkan i form av växthusgasutsläpp och energianvändning i form av primärenergi och energi till processer. Metoderna undersöktes genom en begränsad livscykelanalys som inkluderade anläggningen av tunnelbanan och en begränsad del av driften. Resultaten visade att för tunneldrivning i hårt berg utan svaghetszoner presterar konventionell drivning bättre ur ett klimatperspektiv medan metoderna har jämförbar energianvändning. Materialen, processerna och energibärarna, vilket sammanfattas som resurser, med störst bidrag för båda tunneldrivningsmetoderna var betong, sprutbetong, bergschakt och bergmassatranport.
En känslighetsanalys genomfördes för att pröva metodernas känslighet mot förändringar i indata och förutsättningar. För geologiska ändringar där sträckan antogs bestå av vattenpassage med svaghetszoner presterade tunnelborrmaskinen bäst för båda parametrarna. För ändringar i form av ökad injektering av cement visade konventionell drivning störst känslighet men storleksordningen ändrades inte jämfört med standardscenariot. Vidare testades hur metoderna reagerade på inkludering av reinvestering, i form av reparationer av dräneringsmatta och sprutbetong, där resultatet visade att konventionell drivning hade störst känslighet men även här förblev storleksordningen densamma. Utöver det identifierades åtgärder vars emissionsfaktorer kunde användas för att beräkna potentiell klimatpåverkansreducering för de två tunneldrivningsmetoderna. Åtgärderna med störst reduceringspotential innefattade bland annat elektrifiering, hybridisering, koldioxidlagring samt användning av biobränsle och biokol. Det här scenariot visade att fram till 2045 går det att reducera klimatpåverkan med 97,6 procent för fullortsborrning och 87 procent för konventionell drivning. Implementeringen av åtgärderna resulterade i att fullortsborrningen hade lägst klimatpåverkan från 2035 och framåt.
Rekommendationer för ytterligare studier är att inkludera fler hållbarhetsparametrar men även att utforma mål som begränsar energianvändningen till en hållbar nivå, på samma sätt som att det finns klimatneutralitetsmål. Det rekommenderas även att fokusera på resurserna som inte visade lika hög reduktionspotential, närmare bestämt dräneringsmatta och sprängmedel. Det finns en stor potential för reducering av deras klimatpåverkan men det är troligtvis en fråga om tid, kostnader och risker innan det genomförs. Det kan även vara intressant att undersöka processerna som exkluderades ur livscykeln, framförallt gällande arbetsmaskinerna som exempelvis tunnelborrmaskinen.
III
Abstract
A new metro line of eight kilometers will be built in Stockholm between Älvsjö and Fridhemsplan, where WSP has been commissioned to carry out a location work that is an initial stage in the project.
As part of the location investigation, it is included to choose which tunnel driving method is to be used for the tunnel operation, where conventional tunneling with drilling and blasting is compared with full- face-boring with a tunnel boring machine. This thesis is a comparison between the two tunneling methods where the investigated parameters are climate impact in the form of greenhouse gas emissions and energy use in the form of primary energy and energy for processes. The methods were investigated through a limited life cycle analysis that included the construction of the metro and a limited part of the use phase. The results showed that for tunneling in hard rock without weakness zones, which is the most advantageous, conventional tunneling performs better from a climate perspective, while the methods have almost the same energy use. The resources with the largest contribution were concrete, shotcrete, rock shafts and rock mass transport.
A sensitivity analysis was performed to test the methods' sensitivity to changes in input data and conditions. For geological changes where the section was assumed to consist of a water passage with weakness zones, the tunnel boring machine performed best for both parameters. With changes in the form of increased grouting of cement, conventional tunneling showed the greatest sensitivity, but the order of magnitude did not change compared with the standard scenario. Furthermore, it was tested how the methods reacted to the inclusion of reinvestment, in the form of repairs of drainage mat and shotcrete, where the results showed that conventional tunneling had the greatest sensitivity, but even here the magnitude remained the same. In addition, measures were identified whose emission factors could be used to calculate potential climate impact reduction for the two tunneling methods. The measures with the greatest reduction potential included, among other things, electrification, hybridization, carbon dioxide storage and the use of biofuel and biochar. This scenario showed that by 2045 it is possible to reduce the climate impact by 97.6 percent for-face-boring and 87 percent for conventional tunneling. The implementation of the measures resulted in the full-face-boring having the lowest climate impact from 2035 onwards.
Recommendations for further studies are to include more sustainability parameters but also to design goals that limit energy use to a sustainable level, in the same way that there are climate neutrality goals.
It is also recommended to focus on the resources that did not show as high a reduction potential, more specifically drainage mats and explosives. There is great potential for reducing their climate impact, but it is probably a matter of time, costs and risks within it is implemented. It may also be interesting to examine the processes that were excluded from the life cycle, especially regarding the work machines such as the tunnel boring machine.
IV
Innehållsförteckning
Förord ... I Sammanfattning ...II Abstract ... III Innehållsförteckning ... IV Förkortningar ... VI Tabeller ... VII Figurer ...VIII
1 Inledning ... 1
1.1 Studiens syfte och mål ... 2
2 Bakgrund ... 4
2.1 Tunneldrivning i Stockholm ... 4
2.2 Konventionell drivning ... 4
2.3 Fullortsborrning ... 7
2.4 Den nya tunnelbanelinjen ... 10
2.5 Litteraturstudie ... 11
2.6 Livscykelanalys ... 11
2.7 Klimatkalkyl ... 13
3 Metod ... 14
3.1 Kvalitativ och kvantitativ mängdinsamling... 15
3.2 Skapande av LCA-modell ... 15
3.2.1 Val av miljöpåverkanskategorier ... 16
3.3 Känslighetsanalys ... 16
3.4 Identifiering av åtgärder ... 16
3.5 Beräkning med åtgärder ... 17
4 Resultat del 1 - LCA och känslighetsanalys ... 18
4.1 Mål och omfattning ... 18
4.1.1 Funktionell enhet ... 18
4.1.2 Systemgränser ... 18
4.1.3 Antaganden och avgränsningar ... 20
4.2 Inventering ... 20
4.2.1 Tunnlarnas utformning och dimension ... 20
4.2.2 Detaljerade processflödesscheman ... 21
4.2.3 Emissionsfaktorer ... 26
4.2.3 Konventionell drivning... 27
V
4.2.4 Fullortsborrning ... 32
4.3 Miljöpåverkansbedömning ... 35
4.3.1 Klimatförändring... 36
4.3.2 Energianvändning ... 37
4.4 Analys av resultat från LCA ... 39
4.5 Känslighetsanalys ... 40
4.5.1 Förändrade geologiska omständigheter ... 40
4.5.2 Reinvestering ... 48
4.5.3 Ökad injektering och injekteringsborrning ... 52
5 Resultat del 2 - åtgärder med reduceringspotential ... 57
5.1 Åtgärder med reduceringspotential ... 57
5.2 Reducerat bidrag till klimatförändring ... 59
5.3 Analys av åtgärder ... 63
6 Diskussion ... 65
6.1 LCA och känslighetsanalys ... 65
6.2 Åtgärder med reduceringspotential ... 66
6.3 Övrig diskussion ... 68
7 Slutsats ... 69
7.1 Rekommendationer ... 69
Referenser ... 70
Bilaga A ... 75
Bilaga B ... 81
Bilaga C ... 87
Bilaga D ... 92
VI
Förkortningar
ANFO Ammoniumnitrat och dieselolja (En: Ammonium Nitrate and Fuel Oil) BEST Bana, el, signal och tele
CCS Koldioxidlagring (En: Carbon Capture and Storage) CO2-e Koldioxidekvivalent
EPB Jordtrycksbalans (En: Earth Pressure Balance) FUT Förvaltning för utbyggd tunnelbana
LCA Livscykelanalys
LCI Livscykelinventering
LCIA Miljöpåverkansbedömning (En: Life Cycle Impact Assessment) TBM Tunnelborrmaskin (En: Tunnel Boring Machine)
VII
Tabeller
Tabell 1. Enhetsprocesser som exkluderats eller försummats ur analysen. ... 26
Tabell 2. Emissionsfaktorer från Trafikverket som används i Klimatkalkyl (Trafikverket, u.d.). Värdena för armering är specifika värden från FUT. ... 26
Tabell 3. Sammansatta emissionsfaktorer från Trafikverket som används i Klimatkalkyl, baserade på effektsamband (trafikverket, u.d.). ... 27
Tabell 4. Indata gällande det förarbete som krävs i berget innan tunneldrivning med borra och spräng. ... 28
Tabell 5. Indata gällande tunneldrivning med borra och spräng. Enheten m3 avser mängden bortsprängd bergmassa. ... 28
Tabell 6. Den lösa bergmassan antas transporteras till en anläggning för omhändertagande av materialet. Enheten m3 avser att så många kubik fast bergmassa har transporterats med lastbil. ... 29
Tabell 7. Indata om hantering av processvatten vid konventionell drivning. ... 30
Tabell 8. Efterarbete i berget vid konventionell drivning. ... 30
Tabell 9. Indata om drift av tunnel vid konventionell drivning. ... 32
Tabell 10. Indata gällande det förarbete som krävs i berget innan tunneldrivning med en TBM. ... 33
Tabell 11. Indata gällande tunneldrivning med en TBM. ... 33
Tabell 12. Den lösa bergmassan antas transporteras till en anläggning för omhändertagande av materialet. ... 34
Tabell 13. Indata om hantering av processvatten vid tunneldrivning med TBM. ... 34
Tabell 14. Indata om efterarbete i berget vid drivning med TBM... 35
Tabell 15. Indata om drift av tunnel vid drivning med TBM. ... 35
Tabell 18. Resurser som adderas till enkelspårstunneln som framdrivs med TBM. Data avser 1 000 meter enkelspårstunnel. ... 41
Tabell 19. Resurser som adderas till dubbelspårstunneln som framdrivs med konventionell drivning. ... 41
Tabell 20. Resurser som adderas till servicetunneln som framdrivs med konventionell drivning. ... 42
Tabell 21. Resurser som adderas till arbetstunneln som framdrivs med konventionell drivning. ... 43
Tabell 22. Resurser som adderas till tvärtunneln som framdrivs med konventionell drivning. ... 43
Table 29. Förväntade emissionsfaktorer för åtgärder med reduceringspotential. (Jung och Uppenberg, 2021) ... 57
Tabell 30. Åtgärderna som förväntas implementeras för de olika åren. Åtgärdernas bidrag till reduktionen redovisas som procent.. (Källa: Jung och Uppenberg, 2021) ... 58
Tabell 31. Förväntade emissionsfaktorer för olika resurser. Varje resurs representerar flera åtgärder. (Källa: Jung och Uppenberg, 2021b) ... 59
Tabell 32. Förväntade utfall av CO2-e från tunneldrivning med TBM framräknade med hjälp av Klimatkalkyl. ... 60
Tabell 33. Förväntade utfall av CO2-e från tunneldrivning med konventionell drivning. ... 61
VIII
Figurer
Figur 1. Borrning inför injektering följt av injektering bestående av cement och vatten. Vid injekteringen sprids cementen i bergets naturliga sprickor och härdnar vilket stärker och tätar berget runt tunneln. (Källa: Trafikverket, 2020) ... 5 Figur 2. I detta steg borras salvhålen med hjälp av en datoriserad borrigg. Efter salvborrningen kan hålen laddas med sprängmedel och tillhörande komponenter. (Källa: Trafikverket, 2020) ... 5 Figur 3. I detta seg sker sprängningen som följs upp av utlastning av lös bergmassa. (Källa: Trafikverket, 2020) ... 5 Figur 4. Skrotning genomförs för att lösgöra lösa bitar. Arbetet utförs dels med maskin och dels för hand. (Källa: Trafikverket, 2020) ... 5 Figur 5. Slutligen förstärks berget med bultar och sprutbetong. Efter detta installeras en dräneringsmatta som tätar mot fukt. (Källa: Trafikverket, 2020) ... 6 Figur 6. En osköldad TBM har inget skyddade hölje utan arbetar med öppen maskin. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a) ... 7 Figur 7. En enkelsköldad TBM med matarcylindrar som trycker mot väggen för att tunneln ska kunna ta sig framåt. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a) ... 8 Figur 8. En dubbelsköldad TBM med både gripprar och matarcylindrar som används efter behov.
(Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a) ... 8 Figur 9. En EPD-TBM håller uppe trycket mot berget med hjälp av den lösa bergmassan. (Källa:
Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a) ... 9 Figur 10. En slurry TBM skapar ett tryck mot berget med hjälp av en blöt vätska. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a) ... 9 Figur 11. En LCA består av fyra obligatoriska moment som utförs på ett iterativt tillvägagångssätt.
(Källa: Curran, 2015)... 12 Figur 12. Forskningsdesign och arbetsflödet illustreras i figuren. ... 15 Figur 13. Flödesschemat visar de översiktliga processerna för den begränsade delen av livscykeln.
Systemet är uppdelat i ett förgrundssystem och ett bakgrundssystem där förgrunden (innanför den streckade linjen) är det som studeras. ... 19 Figur 14. För konventionell drivning modelleras en dubbelspårstunnel, en servicetunnel, en arbetstunnel och tre tvärtunnlar. För TBM modelleras två enkelspårstunnlar, två schakt och tre tvärtunnlar.
Förhållandet mellan tunnlarna är inte proportionerligt med de verkliga måtten. Schaktet är ett startschakt och det behövs således endast ett startschakt per enkelspårstunnel oavsett om de förlängs till exempelvis 8 000 meter. ... 21 Figur 15. Figuren visar ett mer detaljerat flödesschema med processerna som ingår i systemet för konventionell drivning. Enhetsprocesser som försummats eller exkluderats visas med sträckade pilar och att de är ljusgröna. ... 23 Figur 16. Figuren visar ett mer detaljerat flödesschema för processerna som ingår i systemet för fullortsborrning. Enhetsprocesser som försummats eller exkluderats visas med sträckade pilar. ... 24 Figur 17. Processchema för schaktet. Stora likheter finns med detta processchemat och det för konventionell drivning. Enhetsprocesser som försummats eller exkluderats visas med sträckade pilar.
... 25 Figur 18. Klimatpåverkan fördelat mellan tunneltyperna. Beräkningen avser 1 000 meter tunnelbana.
... 36 Figur 19. Den totala klimatpåverkan från de två tunneldrivningsmetoderna där beräkningarna utgår från 1 000 meter tunnelbana som uppfyller kraven för den funktionella enheten. ... 37
IX
Figur 20. Användningen av primärenergi och energi till processer fördelat mellan tunneltyperna där
beräkningen avser 1 000 meter tunnelbana ... 38
Figur 21. Den totala energiåtgången för de två tunneldrivningsmetoderna där beräkningarna utgår från 1 000 meter tunnelbana som uppfyller kraven för den funktionella enheten. ... 39
Figur 22. Tunneldrivningmetodernas klimatpåverkan när tunnelbanan framdrivs i en vattenpassage med kortare svaghetszoner. ... 44
Figur 23. Den totala klimatpåverkan från de två tunneldrivningsmetoderna där beräkningarna utgår från 1 000 meter tunnelbana i en vattenpassage med vissa svagare partier. ... 45
Figur 24. Energianvändningen för respektive tunneltyp när tunneldrivningen sker i en vattenpassage med vissa svagare partier. ... 46
Figur 25. Den totala energiåtgången för de två tunneldrivningsmetoderna där beräkningarna utgår från 1 000 meter tunnelbana i en vattenpassage med vissa svagare partier. ... 47
Figur 27. Scenarion för hur klimatpåverkan kan se ut beroende på vilken tunneldrivningsmetod som används. ... 48
Figur 26. Scenarion för hur energianvändningen kan se ut beroende på vilken tunneldrivningsmetod som används ... 48
Figur 28. Klimatpåverkan från respektive tunneltyp när reinvestering är inkluderat. ... 49
Figur 29. Klimatpåverkan från respektive resurs när reinvestering är inkluderat. ... 50
Figur 30. Energianvändning för respektive tunneltyp när reinvestering är inkluderat. ... 51
Figur 31. Energianvändning för respektive resurs när reinvestering är inkluderat. ... 52
Figur 32. Klimatpåverkan från respektive tunneltyp när injekteringen och injekteringsborrningen fördubblas. Notera att även pumpning och ventilering ökar med 30 procent. ... 53
Figur 33. Klimatpåverkan från respektive resurs när injekteringen fördubblas vilket även genererar i ökningar för injekterignsborrning, ventilation och pumpning. ... 54
Figur 34. Energianvändningen från respektive tunneltyp när injekteringen och injekteringsborrningen fördubblas. Notera att även pumpning och ventilering ökar med 30 procent ... 55
Figur 35. Energianvändningen från respektive resurs när injekteringen fördubblas vilket även genererar i ökningar för injekterignsborrning, ventilation och pumpning. ... 56
Figur 36. Reduceringspotentialen för den TBM-drivna tunneln fram till 2045. ... 62
Figur 37. Reduceringspotentialen för den konventionellt drivna tunnlen fram till 2045. ... 63
Figur 38. En jämförelse för 2035 med reduceringsåtgärder implementerade. ... 64
1
1 Inledning
Stockholms län har nästan 2,4 miljoner invånare och enligt prognoser förväntas antalet passera 3 miljoner under 2045 (SCB, 2020; World Population Review, u.d.). Den växande befolkningen innebär en större belastning på transportsektorn som idag bidrar till en tredjedel av de totala svenska växthusgasutsläppen och står för en fjärdedel av landets energianvändning (Selin, 2017; Sveriges Miljömål, 2020). Sverige har satt som mål att vara klimatneutralt innan 2045 vilket därmed ställer höga krav på transportsektorn (Naturvårdsverket, 2020). För att kunna reducera utsläppen från transportsektorn krävs bland annat minskad bilanvändning och att trafikanter väljer mer klimatsmarta transportalternativ, som exempelvis kollektivtrafik och cykel. Men för att fler ska vara villiga att välja dessa alternativ krävs att de är anpassade efter trafikanternas rörelsemönster.
Kollektivtrafiken i Stockholm är under kontinuerlig utveckling och för tillfället görs bland annat satsningar på att utvidga tunnelbanan i Stockholm med en ny linje som ska gå mellan Fridhemsplan och Älvsjö (WSP, 2020). Utbyggnaden innebär att 8 kilometer ny tunnelbana kommer byggas med hopkoppling till den röda linjen som är uppdelad i fyra grenar med slutstationer i Mörby centrum och Ropsten i nordost samt Fruängen och Norsborg i sydväst samt (Andersson, 2020). WSP är den aktör som fått uppdraget att utföra en lokaliseringsutredning för projektet, vilket betyder att alternativa sträckningar av den nya tunnelbanan samt stationslägen och möjliga stationsuppgångar ska utredas och utvärderas ur bland annat hållbarhetssynpunkt (WSP, 2020). Ett sådant planeringsarbete inkluderar även en rad andra aspekter som relaterar till hur projektet ska genomföras, exempelvis på vilket sätt den nya infrastrukturen ska byggas. I linje med Sveriges mål om att leva mer hållbart är hållbarhet något som prioriteras i lokaliseringsutredningen och beslut tas med åtaganden till ekonomiska, miljömässiga och sociala faktorer (ibid).
Tunnelbana anses vara ett av de mer miljövänliga passagerartransportalternativen eftersom det drivs på el som produceras av främst förnybara energikällor och dess kapacitet för att rymma många trafikanter samtidigt effektiviserar energianvändningen (Trafikverket, 2019; Region Stockholm, 2021). Alla SL- resor märks nu med Naturskyddsföreningens miljömärkning Bra Miljöval, vilket betyder att de uppfyller märkningens krav på persontransporter (Region Stockholm, 2021). Miljöpåverkan från att åka en viss sträcka med bil motsvaras av att åka samma sträcka 30 000 gånger med tunnelbana (MTR, 2014). Att utvidga tunnelbanan så att fler väljer den istället för bilen är därför ett steg åt ett mer hållbart samhälle.
Men för att förstå den totala miljöpåverkan är det viktigt att titta på mer än bara användningsfasen då exempelvis förbättringar under användningsfasen skulle kunna leda till större påverkan vid produktionsfasen. För att få bredare förståelse över tunnelbanans miljöprestanda är det därför relevant att undersöka miljöpåverkan under produktionsfasen. I Sverige är det vanligast att tunnlar byggs med tunneldrivning i berg och detta bör därför undersökas. Den mest förekommande varianten av tunneldrivning för bergtunnlar är konventionell drivning, en kombination av borrning och sprängning, något som har använts länge i Sverige. Internationellt sett är det istället vanligare med fullortsborrning där man använder en fullortsborrningsmaskin (Zhang, 2016). Denna maskin tar sig fram genom att mala ner berget och kan därför undvika användningen av sprängmedel.
De två tunneldrivningsmetoderna skiljer sig åt på flera sätt, dels genom att de använder olika tekniker men även att arbetsprocesserna ser olika ut. Det är enklare att påverka tunnelformen med konventionell
2
drivning då en fullortsborrningsmaskinen har ett cirkulärt borrhuvud och endast kan skapa runda tunnlar. Fullortsborrning kan däremot arbeta med lägre ljudvolym då ingen sprängning sker, vilket ger lägre påverkan på omgivningen. Vidare kan fullortsborrning ske i en snabbare takt och kräver generellt sett färre personer som arbetar i tunneln (Putzmeister, u.d.; Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a).
Å andra sidan är konventionell drivning mer etablerad på den svenska marknaden och därmed den metod där svenska tunneldrivare besitter mest kunskap och erfarenhet. Med hänsyn till att de två metoderna visar olika typer av fördelar och att fullortsborrning är så framgångsrikt internationellt sett är det av betydelse att undersöka hur de mäter sig i form av miljöprestanda. Om den nya tunnelbanan kommer att framdrivas med fullortsborrning, på vilket sätt skulle det påverka miljön och klimatet jämfört med om den drivs med konventionell drivning? Skulle det visa sig att fullortsborrning presterar bättre ur ett miljöperspektiv vore det en viktig parameter att inkludera under planeringsarbetet av den nya tunnelbanelinjen till Älvsjö.
Ett lämpligt tillvägagångssätt för att jämföra hur de två metoderna presterar hållbarhetsmässigt är att undersöka och jämföra deras miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv. En metod för att genomföra detta är att utföra en livscykelanalys (LCA) som används för att analysera produkters och tjänsters miljöpåverkan. Metoden omfattar generellt en lång rad olika miljöpåverkanskategorier som exempelvis klimatpåverkan, försurning, övergödning och energiförbrukning, men för den här studien är det främst klimatpåverkan och energianvändning som är de två viktigaste parametrarna. I dagsläget är det nödvändigt att fokusera på klimatpåverkan eftersom den globala uppvärmningen ökar vilket påverkar de övriga påverkansfaktorerna. Det är även fördelaktigt att fokusera på klimatpåverkan eftersom det finns gemensamma klimatmål som alla branscher jobbar mot och med fler som engagerar sig ökar möjligheten för att verkligen göra skillnad.
Det är även intressant att undersöka energianvändning eftersom det är möjligt att minska mängden CO2- ekvivalentutsläpp (CO2-e) utan att minska energiåtgången. Användningen av energi är inget problem i sig men det finns en risk att produktionen av el och bränsle inte hänger med i förbrukningstakten.
Energianvändning är även av intresse ur ett resursanvändningsperspektiv och därmed av ekonomisk betydelse. Energianvändningen bör inkludera primärenergi1 och energi vid olika processer så att all energianvändning inräknas. Ett kompletterande steg – utöver att jämföra tunneldrivningsmetoderna - är att se över åtgärder som kan effektivisera tunneldrivningsmetodernas användning av material, energibärare och processer samt undersöka hur klimatneutrala de kan bli om åtgärderna implementeras.
Material, energibärare och processer hänvisas som resurser medan åtgärder som kan reducera klimatpåverkan från dem hänvisas som resursåtgärder.
1.1 Studiens syfte och mål
Syftet med studien är att utreda om det vore miljömässigt fördelaktigt att driva tunnel med fullortsborrning istället för med konventionell drivning och att analysera kompletterande åtgärder som kan effektivisera resursanvändningen i tunnelkonstruktionen. Resultatet skulle kunna leda till rekommendationer som visar hur Stockholms tunnelbana och även framtida tunnelbanekonstruktioner kan anläggas på ett mer hållbart sätt med minskade utsläpp av växthusgaser och energianvändning. Det skulle därmed kunna vägleda infrastrukturbranschen till fortsatt hållbar utveckling. Studien utförs på uppdrag av WSP och har utförts som en fallstudie med utgångspunkt i den planerade utbyggnaden av tunnelbana till Älvsjö. För att uppfylla syftet ämnar studien att:
1 Med primärenergi menas energi som inte omvandlats till en annan form av människan, det vill säga primärenergi kommer från primära källor vilket förklarar att energikällorna är i den form som de tillfördes till energisystemet.
3
i) Beräkna miljöpåverkan ur ett livscykelperspektiv för konventionell drivning och fullortsborrning utifrån energianvändning och orsakade växthusgasutsläpp.
ii) Ta fram dataset för miljöpåverkan per meter drivning för respektive tunneldrivningsmetod.
iii) Identifiera åtgärder som kan bidra till resurseffektivisering och därmed minska energianvändningen och mängden orsakade växthusgasutsläpp.
iv) Beräkna reduceringspotentialen för de identifierade åtgärderna.
Parallellt med denna studie pågår en teknisk utredning om fullortsborrning inom utbyggnaden av tunnelbanan till Älvsjö samt ett arbete med att ta fram en masshanteringsplan och miljöbedömningar och därför kommer denna studie inte undersöka fler hållbarhetsfaktorer, utan endast inhämta resultatet från övriga utredningar som pågår i projektet.
För att underlätta läsningen och undvika för många underrubriker har resultatdelen delats in i två delar där avsnitt 4 Resultat del 1 - LCA och känslighetsanalys innehåller resultat som återkopplar till studiens första och andra mål medan avsnitt 5 Resultat del 2 - åtgärder med reduceringspotential innehåller resultat som återkopplar till studiens tredje och fjärde mål.
4
2 Bakgrund
Det här avsnittet syftar till att ge en bättre förståelse för vad tunneldrivning innebär genom att sammanfatta hur tidigare tunnelbanelinjer i Stockholm har anlagts och därefter redogöra för de två metoderna konventionell drivning och fullortsborrning. Vidare syftar avsnittet till att informera om viktiga förutsättningar för projektet med den nya tunnelbanelinjen till Älvsjö.
2.1 Tunneldrivning i Stockholm
Tunnelbanenätverket i Stockholm är den enda i Sverige och den första tunnelbanelinjen var med en spårvagn som gick i en tunnel under Södermalm 1933 (Citybanan konst, u.d.). Det var inte förrän 1950 som den första linjen med riktiga tunnelbanetåg invigdes mellan Slussen och Hökarängen. Efter det har tunnelbanan byggts ut i olika etapper och nu sträcker den sig över stora delar av Stockholm (ibid).
Anledningen till att tunnelbanan byggdes från första början var att trängseln på gatorna blivit ett allt större problem under första halvan av 1900-talet (Stockholmskällan, u.d.). Det var bland annat bilar, bussar och spårvagn som delade på utrymmet och med en växande befolkning behövde trafiksystemet utvecklas. Med den nya tunnelbanan som gick under marken kunde man spara plats på gatorna och även minska risken för trafikolyckor då tunnelbanan är skild från övrig trafik. Idag finns 106 kilometer tunnelbana och 100 stationer (Reskollen, u.d.). De befintliga tunnelbanelinjerna byggdes främst med konventionell drivning men även via öppna schakt (Schütz et al., 1964). Att arbeta med öppet schakt innebär att man gräver en stor grop (med spont, sekantpålar eller slitsmur som temporärt stöd), likt ett dike, ner till området där tunneln ska vara för att sedan platsgjuta bergkonstruktionen som blir insidan av tunneln/stationen och slutligen fylls gropen igen. Metoden har den engelska beteckningen cut-and- cover.
2.2 Konventionell drivning
Konventionell drivning, även kallat ”borra och spräng”, är en cyklisk arbetsprocess som består av borrning och sprängning. Metoden introducerades först i början på 1600-talet då tillmakning2 började ersättas av svartkrut i Europas gruvor (Olsson et al., 2014). Sedan dess har den utvecklats en hel del och idag är metoden mycket effektiv gällande träffsäkerheten på tunnelutformningen. I vilken takt som tunneldrivningen kan ske beror på flera faktorer, bland annat vilken typ av berg det är och hur många timmar på dygnet man kan spränga, med hänsyn till att sprängningen kan orsaka ljud och buller som är störande för omgivningen (Trafikförvaltningen Stockholms läns landsting, 2019). Figur 1 från Trafikverket (2020) visar de olika stegen i processen.
2 Tillmakning är en teknik där berget hettas upp med eld så att sprickor bildas vilket möjliggör att man kan bryta berget med spett och andra verktyg.
5
Figur 1. Borrning inför injektering följt av injektering bestående av cement och vatten. Vid injekteringen sprids cementen i bergets naturliga sprickor och härdnar vilket stärker och tätar berget runt tunneln. (Källa: Trafikverket, 2020)
Figur 2. I detta steg borras salvhålen med hjälp av en datoriserad borrigg. Efter salvborrningen kan hålen laddas med sprängmedel och tillhörande komponenter. (Källa: Trafikverket, 2020)
Figur 4. Skrotning genomförs för att lösgöra lösa bitar. Arbetet utförs dels med maskin och dels för hand. (Källa: Trafikverket, 2020)
Figur 3. I detta seg sker sprängningen som följs upp av utlastning av lös bergmassa. (Källa: Trafikverket, 2020)
6
Figur 5. Slutligen förstärks berget med bultar och sprutbetong. Efter detta installeras en dräneringsmatta som tätar mot fukt.
(Källa: Trafikverket, 2020)
De huvudsakliga arbetsmomenten är förinjektering, salvborrning, laddning, sprängning, skrotning, efterinjektering, bergförstärkning och transport av bergmassor (Sandborg, 2016; Trafikverket, 2020).
Borrning för injektering innebär att hål borras runt området som ska sprängas, snett framåt likt en solfjäder (Trafikverket, 2020). De borrade hålen fylls igen genom injektering med cementbaserat bruk som härdar. Förinjekteringen genomförs för att stärka berget och fylla eventuella sprickor, vilket är viktigt för att undvika att det läcker in vatten i tunneln och för att inte påverka grundvattennivån i berget.
Därefter borras 2-5 meter långa spränghål i tunnelfronten (Sandborg, 2016; Trafikverket, 2020). Hålen för förinjektering och salvborrning borras med en datoriserad borrigg som ser till att de får exakt rätt position och längd. Salvhålen fylls med tändare och sprängmedel (Trafikverket, 2020).
Tändarna är placerade så att hålen ska detonera i en särskild ordning för att bergmassan ska sprängas så effektivt som möjligt (Trafikverket, 2020). Faktorer som är viktiga vid val av sprängämne är främst dess detonationshastighet, styrka, gasvolym, detonationsstabilitet, överslagsförmåga, vattenbehändighet, hanteringssäkerhet, miljöpåverkan, lagringsbeständighet och klassificering (Olsson och Niklasson, 2012; Olsson et al., 2014). Det finns hundratals olika sprängämnen, varav de vanligaste typerna är dynamiter, vattengelsprängämnen, ANFO-sprängämnen och emulsionssprängämnen (Holmberg et al., 1983; AFS 2007:1).
Det är viktigt att hålla hög säkerhet vid sprängningen, dels för att minska risken för arbetsskador i tunneln men även för att minska risken för skador på till exempel byggnader och känsliga anläggningar i närhet till sprägningsarbetet (Schütz et al., 1964; Sandborg, 2016; Trafikverket, 2020; Olsson et al., 2014). Speciellt i hårt berg kan vibrationer nå upp till ytan vilket kan vara påfrestande för byggnader, gator och ledningar. Efter sprängningen måste luften ventileras från spränggaser för att bergmassor därefter ska kunna transporteras ut (Stockholm vatten och avfall, 2021). Bergmassorna vattenbegjuts innan de transporteras bort för att minimera risken att dammpartiklar sprids under transporten. Steget efter detta inkluderar skrotning där kvarsittande löst berg knackas rent från väggar och tak som förstärks och tätas med hjälp av efterinjektering, bultar, dräneringsmatta och sprutbetong (Sandborg, 2016;
Trafikverket, 2020; Stockholm vatten och avfall, 2021). Notera att dränerignsmatta är ingen bergförstärkning utan installeras som vatten- och frostisolering utanpå förstärkt berg.
Bergmassor transporteras ut via arbetstunnlar varav en del sedan kan användas som servicetunnlar och utrymningstunnlar vid drift av tunneln (Salomonson, 2015). Vilken typ av bergmassa som produceras beror främst på bergmaterialet och hur sprängningen går till. I Stockholms län gäller att cirka 40 procent av bergmassa från bergsprängning används till fyllnad, 35 procent till vägar, 15 procent till tillverkning av betong och 10 procent till andra typer av anläggningsarbeten (Colliander, 2016). Vatten som behöver
7
hanteras vid konventionell drivning är dels processvatten men även inläckande grundvatten, vilket pumpas från lågpunkter till utsläppspunkten.
2.3 Fullortsborrning
Fullortsborrningsmaskinen, även kallad tunnelborrmaskin (TBM), har funnits sedan 50-talet och har haft stor framgång vid internationella tunneldrivningsprojekt (Rostami och Chang, 2017). En TBM arbetar sig fram i berget genom att borra ett hål som blir lika stort som borrhuvudet. Diskformade kuttrar sitter längst fram på borrkronan som maler sönder berget i takt med att borrhuvudet roterar. Kuttrarna är tillverkade i metall som är hårdare än mineralerna i berget men eftersom de är i direkt kontakt med berget utsätt de för förslitningar och måste därför bytas ut med jämna mellanrum (Engström, 2013). Det är svårt att veta exakt hur ofta som kuttrarna behöver bytas ut men generellt sett gäller att det är lättare att uppskatta livslängd och nötning av kuttrar då homogena förhållanden gäller (Eriksson et al., 2016).
Det finns flera typer av TBM:er som klarar av olika sorters berg:
Osköldad TBM
Osköldade maskiner, även kallade gripper-TBM, har inget skyddande hölje utan arbetar med öppen maskin. De används vanligtvis i hårt berg med varierad kvalitet på berget (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a; Ates et al., 2014). TBM borrar matarcylindrarnas slaglängd varefter den stannar för omtag där gripperpartiet flyttas fram för omtag. I Figur 6 syns att maskinens borrhuvud, som är grönt i figuren, sitter längst fram och att därefter kommer resten av maskinen. På sidan sitter de röda gripprarna som används för att förflytta maskinen framåt.
Sköldad TBM
För en sköldad TBM installeras prefabricerad betonginklädnad, även kallat lining och segmentlining, i bakre delen av skölden. En enkelsköldad TBM har inga grippers utan matarcylindrarna trycker mot den installerade liningen, se Figur 7. TBM borrar cylindrarnas slaglängd varefter den stannar i omkring 30 minuter för installation av nästa segmentring och maskinen kan därefter borra igen. En dubbelsköldad TBM kan förklaras som en kombination av en gripper och en enkelsköldad TBM och används för hårt berg, se Figur 8 (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a). Främre skölden är utrustad med ett borrhuvud och huvudtryckcylindrar medan bakskölden har hjälpcylindrar och gripprar. Denna TBM
Figur 6. En osköldad TBM har inget skyddade hölje utan arbetar med öppen maskin. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a)
8
kan installera segmentringen samtidigt som den borrar och stannar endast kortvarigt (omkring 5 minuter) för omtag av bakskölden med gripprar. En dubbelsköldad TBM har därför större indrift per tidsenhet. Om maskinen möter ett parti med instabilt berg kan den användas som en enkelsköldad TBM varvid gripprarna inte används utan TBM drivs framåt genom att matarcylindrarna trycker mot segmentringen. En enkel- eller dubbelsköldad TBM fungerar på samma sätt som en gripper-TBM genom att kuttrarna maler ner berget och att löst material fraktas bakåt på transportband (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a).
För områden med sämre bergförhållanden samt i jord och sediment kan en TBM som borrar under tryck motsvarande aktuellt vatten- eller jordtryck användas. Två typer av TBM används:
Slurry TBM där trycket hålls uppe mot tunnelfronten genom att ha en slurry (vatten och bentonit) som pumpas in framför maskinen och trycket kontrolleras. Slurry plus avverkat berg pumpas ut till en separationsanläggning, även kallat Slurry Treatment Plant, där berget separerar och slurryn återanvänds. En ytterligare typ av TBM som används är EPB TBM vilket kommer från engelskans earth pressure balance (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a). Denna typ av TBM stöttar upp
Figur 8. En dubbelsköldad TBM med både gripprar och matarcylindrar som används efter behov. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a)
Figur 7. En enkelsköldad TBM med matarcylindrar som trycker mot väggen för att tunneln ska kunna ta sig framåt. (Källa:
Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a)
9
tunnelfronten genom att hålla ett tryck framåt med hjälp av den lösa bergmassan eller jorden. Det finns även en multimode TBM som kan klara olika förhållanden och kan växla mellan trycksatt drivning (slurry TBM eller EPB TBM) och enkelsköldad TBM som borrar i öppet läge (inte under tryck).
Vid tunneldrivning med TBM vill man helst undvika att göra stopp för att förinjektera eftersom det innebär att en kostsam maskin står still och inte används (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a).
Injektering kan behövas vid svaghetszoner eller när vatteninläckaget är stort, då borras 30 meter långa hål snett framåt som injekteras med ett cementbaserat medel. Till skillnad från vid konventionell drivning är behovet av efterarbete i tunneln inte lika stort vid användning av TBM då risken för sprickbildning i berget är mindre (Ates et al., 2014).
Möjligheten att återanvända bergmassan beror på vilken typ av material berget består av samt vilken typ av TBM som använts. Vanligen utgörs erhållen bergmassa av mindre fraktioner (0-150 millimeter) som sällan är användbara som överbyggnadsmaterial (Värnenvatten AB, 2019; Colliander, 2016).
Figur 10. En slurry TBM skapar ett tryck mot berget med hjälp av en blöt vätska. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a)
Figur 9. En EPD-TBM håller uppe trycket mot berget med hjälp av den lösa bergmassan. (Källa: Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a)
10
Granit och gnejs kan återanvändas för betongproduktion, till bland annat gjutning av tunnelsegment och sprutbetong (Oggeri och Ronco, 2010; Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a). Lera kan användas till olika saker beroende på vilken kemisk komposition den har och vilken TBM som använts då storleken på den lösborrade massan kan variera. Hur mycket som kan återanvändas på plats är svårt att veta på förhand, men vid tidigare projekt så som Koralmtunnel KAT 2 i Österrike, Lötschbergtunneln och Gotthard Base tunneln i Schweiz och Brenner Base tunneln i Österrike har mer än femtio procent av materialet kunnat återanvändas direkt på plats (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a). För projekt Hallandsås återanvändes i princip 100 procent av berget (Eriksson, 2021, Förvaltning för utbyggd tunnelbana (FUT), personlig kommunikation).
Efter att tunneln är borrad finns olika tillvägagångssätt för hantering av maskinen. Oftast brukar den säljas tillbaka till tillverkaren som tar tillvara på materialet för att producera nya maskiner (Eriksson, 2021, FUT, personlig kommunikation). I andra fall kan maskinen lämnas kvar i berget, antingen genom att borra en extra bit där maskinen ställs av eller genom att gjuta in den i berget (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021b). Enligt TBM-producenten Robbins brukar ungefär hälften av deras maskiner användas till i genomsnitt tre projekt (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021b). I berg med relativt god kvalitet kan en TBM driva tunnel två till fyra gånger snabbare än vad konventionell drivning klarar (Ates et al., 2014; Singh och Goel, 2011).
2.4 Den nya tunnelbanelinjen
Stockholms befintliga tunnelbana är byggd i så kallat urberg bestående av framförallt granit och gnejs (Schütz et al., 1964; FUT, 2021a). En exakt färdrutt är inte bestämd än utan ett antal alternativ undersöks i lokaliseringsutredningen. Gemensamt mellan de olika alternativen är att den nya tunnelbanan kommer gå under vatten på vissa sträckor, närmare bestämt under Årstaviken, Liljeholmsviken och Mälaren (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a). På vissa ställen är berget lite svagare och för att minska tunnelns påverkan på grundvattnet samt att det är tekniskt problematiskt med höga inläckage finns två lösningar, varav den ena innebär att systematiskt injektera zoner och diskontinuiteter för att minska grundvatteninflödet i tunneln och den andra är att använda vattentät lining med prefabricerade betongsegment (ibid).
Det är bestämt att den nya tunnelbanelinjen på ungefär åtta kilometer kommer att passera de befintliga stationerna Liljeholmen och Fridhemsplan och i Sverigeförhandlingen övervägs att börja arbetet vid Älvsjö station (Förvaltning av utbyggd tunnelbana, 2021a). Detta skulle innebära att man behöver planera en lite djupare profil för att undvika att schakta i jord/sediment, men djupet påverkas också av placering av stationerna som behöver ha tillräcklig bergtäckning. Trafikförvaltningen Stockholms läns landsting (2019) utgår dock från att linjen kommer gå helt i berg samt under korsande tunnelbanor.
Vid jämförelse mellan de två metoderna utgår Sverigeförhandlingsalternativet, vilket är ett av alternativen som undersöks i lokaliseringsutredningen, från att om TBM används så framdrivs huvudsakligen två enkelspårstunnlar med betonglining som förbinds med tvärtunnlar. Vidare gäller att om konventionell drivning används så framdrivs en dubbelspårstunnel och en parallell servicetunnel, vilket antas ske med applicering av sprutbetong och dräner. Dubbelspårstunneln och servicetunneln anknyts även till arbetstunnlar och tvärtunnlar (Förvaltning av utbyggd tunnelbana, 2021a).
Anledningen till att inte samma typ av tunnlar undersöks för de två metoderna är att metoderna skiljer sig åt och att det som angetts är vad som passar dem bäst. Att göra en dubbelspårstunnel med en TBM
11
anses vara för riskabelt och svårt då det skulle innebära en TBM med 13 meter i diameter vilket kan vara en utmaning i skandinaviskt urberg.
2.5 Litteraturstudie
I det här avsnittet uppmärksammas tidigare studier inom området som är av betydelse för den här studien. En artikel från Schwartzentruber (2015) sammanfattar resultat från utförda LCA:er som bedömt miljöpåverkan från tunnlar. Resultaten visar att val av förstärknings- och tätningsmaterial samt tunneldrivningsmetod har störst påverkan på miljön och klimatet men framförallt lyfts behovet av fler analyser som jämför konventionell drivning med TBM, vilket motiverar relevansen av den här studien (Schwartzentruber et al., 2015). Även Milituenko et al. (2012) menar att det finns ett behov av mer data och LCA:er på tunnlar. En utförlig LCA från Stripple och Uppenberg (2010) utfördes för att beräkna miljöpåverkan från Bothniabanan, där modelleringen baserade på ett tidsspann av 60 år som inkluderade aktiviteter från produktionen av järnväg samt aktiviteter vid drift och underhåll. Analysen ger en bra referens för vilka systemgränser som kan dras vid hållbarhetsanalys av tågbana med tunnel.
Analysen från Stripple och Uppenberg (2010) visade att det som bidrog till mest energiförbrukning var driften av tågen men att detta drevs till 99,2 procent med förnybara energiresurser i form av vattenkraft.
Därefter var det produktionen av järnvägen som hade störst energiförbrukning, vilket till majoriteten bestod av icke förnybara energikällor. Störst bidrag till klimatpåverkan kom från produktionen av järnvägen och därefter från produktionen av tågen. För produktionen av järnvägen visade analysen att infrastrukturmaterial i form av konstruktionsmaterial hade störst påverkan. Studien visar därmed att förbättringar gällande konstruktionen av järnvägen och infrastrukturmaterial kan bidra till stora minskningar av den totala miljöpåverkan (Stripple och Uppenberg, 2010), något som kommer lyftas i denna studie.
Jung och Uppenberg (2021a) har genomfört en studie som utgår från anläggandet av nya stambanor, ett projekt drivet av Trafikverket, där de har analyserat reduktionspotentialer och kostnader för olika klimatåtgärder som kan appliceras på produktion av järnväg. Resultaten visar vilka typer av åtgärder som har störst reduktionspotential, något som kan vara användbart i den här studien. Utifrån hittills nämnda resultat kommer den här studien fokusera på hur val av tunneldrivningsmetod och åtgärder i form av infrastrukturmaterial med reduceringspotential kan bidra till bättre miljöprestanda. Antalet studier inom det här området är begränsat, framförallt gällande jämförelser mellan TBM och konventionell drivning i Sverige, så den här studien kan vara en inledning till vidare forskning.
2.6 Livscykelanalys
LCA bygger på ett holistiskt angreppssätt med ett ”vagga-till-graven”-perspektiv vilket bidrar till en omfattande bild av miljöprestandan för en produkt eller tjänst (Baumann och Tillman, 2004). Det är ett verktyg som används för att kvantifiera eller uppskatta potentiell miljöpåverkan från en produkt eller tjänst under dess livslängd, det vill säga från råvaruförvärv, via produktion och användning till avfallshantering. Ett standardiserat utförande av LCA finns utformat i ISO 14040 och 14044, som beskriver tillvägagångssättet enligt de fyra stegen Definition av mål och omfattning, Inventeringsanalys, Miljöpåverkansbedömning och slutligen Tolkning av resultat, se Figur 11 (Curran, 2015). De fyra stegen utgör en iterativ process innebärande att det fjärde steget sker kontinuerligt och att stegen behöver justeras under arbetets gång (ibid).
12
Ett syftet behöver utformas så att det är tydligt varför en LCA utförs, vilket kompletteras av ett antal mål som förklarar vad som behöver göras för att uppfylla syftet (Baumann och Tillman, 2004). Med hjälp av målen är det möjligt att definiera studiens omfattning som inkluderar val av funktionell enhet, systemgränser, kvalitet av processdata, avgränsningar och antaganden samt vilka påverkansfaktorer som analysen ska behandla (Curran, 2015; Bauman och Tilman, 2004). Med tydliga riktlinjer för vad som ingår i en LCA är det troligt att resultatet blir med användbart. Verktyget kan användas till olika syften, dels för att hitta hotspots, specifika möjligheter till förbättring, med en bokförings-LCA eller för att kartlägga effekterna av en förändring i ett system med en konsekvens-LCA (ibid).
Den funktionella enheten är ett mått på det som är syftet med verksamheten så det är viktigt att den är praktiskt mätbar eftersom modelleringen utgår från den (Curran, 2015). En lämplig funktionell enhet för exempelvis en passagerartransport kan vara en viss typ av sträcka (Baumann och Tillman, 2004).
När den funktionella enheten är bestämd kan systemgränser sättas tillsammans med antaganden och avgränsningar. Systemgränserna påverkas av vilka steg i livscykeln som ska ingå, tidsmässiga och geografiska avgränsningar samt vilka flöden och påverkanskategorier som valts till analysen (Curran, 2015).
Livscykelinventeringen (LCI) utgör grunden för en LCA och innebär att en systemmodell byggs (Baumann och Tillman, 2004; Curran, 2015). De minsta delarna av modellen kallas för enhetsprocesser och det är för dessa som data kvantifieras. Systemet beskrivs vanligen med ett flödesschema eller processträd som illustrerar alla enhetsprocesser och kopplingarna däremellan. När systemet är modellerat är det möjligt att insamla data för alla enhetsprocesser vilket inkluderar exempelvis råmaterial, inklusive energibärare, produkter samt avfall och utsläpp till luft och vatten (Baumann och Tillman, 2004). Efter detta görs beräkningar av mängden resurser som används och olika typer av utsläpp som orsakas. För att hantera system som teoretiskt sett är oändligt stora kan cut-off användas (Curran, 2015). Det gäller exempelvis vid tillverkning av en maskin där det behövs maskiner, som i sin tur har tillverkats av maskiner och så vidare. Att använda cut-off innebär att sätta en gräns för vad som
Figur 11. En LCA består av fyra obligatoriska moment som utförs på ett iterativt tillvägagångssätt. (Källa: Curran, 2015)
13
ska ingå i modellen så att den blir hanterbar, något som är direkt kopplat med hur stort fel den kommer ha. En modell kan aldrig vara exakt med verkligheten men med cut-off kan felet bli större.
Miljöpåverkansbedömning, eller LCIA från life cycle impact assessment, handlar om att beskriva den potentiella miljöpåverkan från data som insamlats vid inventeringsanalysen (Curran, 2015). LCIA går till genom att data först klassificeras till olika typer av miljöpåverkan och därefter karaktäriseras där de omvandlas till gemensamma parametrar (Baumann och Tillman, 2004). Detta innebär att data med information om utsläpp och resursanvändning delas in i olika miljöpåverkanskategorier med färre parametrar vilka är enklare att förstå. Några exempel på kategorier är vattenanvändning, markanvändning, klimatpåverkan, försurning, eutrofiering, energianvändning, användning av gödselmedel och bekämpningsmedel (Curran, 2015).
Vid tolkning av resultatet från en LCA är det viktigt att komma ihåg att en LCA försöker besvara specifika mål, vilket innebär att metoden är utformad på ett sätt som kan besvara syftet (Baumann och Tillman, 2004). Med andra ord kan en annan frågeställning innebära en annorlunda metod och andra numeriska resultat. Tolkningen innebär att systematiskt identifiera, kvantifiera, kontrollera och bedöma information från resultaten (Curran, 2015). Resultaten från LCI och LCIA summeras och leder till ett antal slutsatser och rekommendationer för studien. För att kontrollera hur känslig modellen är för förändringar kan en känslighetsanalys genomföras (ibid). Det kan exempelvis handla om förändrade förutsättningar eller förändringar i indata. Då ändras parametrarna för inflödet vilket gör att resultatet förändras.
2.7 Klimatkalkyl
Trafikverket har utvecklat LCA-verktyget Klimatkalkyl som används för att beräkna klimatpåverkan och energianvändningen från infrastruktur (Trafikverket, 2021). I Trafikverkets styrande dokument TDOK 2015:0007 beskrivs när och för vilka åtgärder klimatkalkyler ska upprättas (Toller, 2020).
Verktyget hanterar byggande, drift och underhåll av infrastruktur där påverkan från trafiken utelämnas.
Kalkyler kan modelleras antingen på ingående typåtgärder eller projektspecifika mängduppgifter för material- och energiresurser. Verktyget är baserat på LCA-standard och använder projektspecifik indata tillsammans med emissionsfaktorer och resursschabloner för att beräkna energianvändning och emissioner av koldioxidekvivalenter, det vill säga klimatpåverkan från ett objekt eller en åtgärd.
Emissionsfaktorerna som används är beslutade av Trafikverket och grundar på effektsamband (ibid).
Till den här studien skapas en LCA-modell med värden från Klimatkalkyl version 3.0 eftersom det är versionen som använts i lokaliseringsutredningen.
14
3 Metod
Studiengenomfördes i form av en förenklad LCA där tunneldrivningsmetoderna modellerades ur ett livscykelperspektiv utifrån deras potentiella energianvändning och klimatpåverkan, vilket förklaras mer om i detta avsnitt. Analysen begränsades till att endast undersöka klimatpåverkan och energiförbrukning samt inkludera produktionen av tunneln och en begränsad del av driften, där driften av själva tunneln inräknades men tågdriften utelämnades. Analysen visade hur de två tunneldrivningsmetoderna påverkar graden av miljöpåverkan från tunneln under dess produktion och under driften av tunneln.
Figur 12 illustrerar forskningsdesignen och hur de använda metoderna relaterar till varandra.
Inledningsvis utfördes en litteraturstudie där information om tunneldrivningsmetoderna och tidigare studier som relaterar till den här studien samlades in och sammanfattades. Efter det utformades systemgränser, antaganden och avgränsningar med hjälp av bestämmelser från lokaliseringsutredningen och diskussioner med tunnelexperten Stig Eriksson och Karin Wallin från FUT samt Stefan Uppenberg och Susanne Jung från WSP som är delaktiga i den nya tunnelbanelinjen. När detta var bestämt kunde en kvantitativ och kvalitativ mängdinsamling genomföras vilket utgjorde grunden för LCA-modellen som skapades i Excel, tillsammans med inslag av Klimatkalkyl. Resultaten från LCA för tunneldrivningsmetoderna beprövades genom en känslighetsanalys med ändringar i indata och förutsättningar. I tillägg till detta utfördes en datainsamling där resursåtgärder identifierades och samlades tillsammans med emissionsfaktorer för respektive resursåtgärd, vilket kunde användas för att beräkna potentiella reduktioner. De ovanstående stegen itererades och sammanfattades i resultatdelen vilket avslutningsvis diskuterades och sammanfattades.
15
Figur 12. Forskningsdesign och arbetsflödet illustreras i figuren.
3.1 Kvalitativ och kvantitativ mängdinsamling
Mängdinsamlingen genomfördes dels genom att samla kvalitativ information som förklarade vilka flöden som skulle ingå i systemet och hur de kopplade till varandra. Det handlade om att studera beräkningsunderlag från lokaliseringsutredningen och tidigare anläggningsprojekt och att diskutera med tunnelexperten Stig Eriksson från FUT som besitter både nationell och internationell erfarenhet av tunneldrivning. När detta var gjort kunde en kvantitativ mängdinsamling genomföras för att bestämma värden på flödena och resurserna i LCA-modellen. Mängdinformationen inhämtades främst från lokaliseringsutredningen (Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021a; Förvaltning för utbyggd tunnelbana, 2021b) eftersom den innefattar beräkningar på den nya tunnelbanan och från tunnelexperten som är delaktig i det projektet. För en del resurser har värden inhämtats från tidigare studier (Grishenko, 2014) men dessa värden har verifierats med tunnelexperten. Utöver det har en del data, som till exempel emissionsfaktorer och distans för bergmassatransport, inhämtats från Klimatkalkyl.
3.2 Skapande av LCA-modell
Med hjälp av mängdinsamlingen kunde en modell skapas där alla flöden sammanlänkades till livscykelns olika steg och processer. Modellen skapades i Excel och kan studeras i Bilaga A, Bilaga B Bilaga C och Bilaga D. Tillvägagångssättet för att skapa de två fallen som representerar tunneldrivningsmetoderna inleddes med att skapa de olika tunneltyperna som ingår i respektive
16
tunnelbana, det vill säga enkelspårstunnel, dubbelspårstunnel, servicetunnel, arbetstunnel, tvärtunnel och schakt. När dessa var modellerade kunde de kombineras för att skapa de två fallen. Med kombineras menas att för TBM-tunnelbanan krävs en kombination av enkelspårstunnel framdriven med TBM samt tvärtunnlar och schakt framdrivna med konventionell drivning. För den konventionellt drivna tunnelbanan krävs en kombination av dubbelspårstunnel, servicetunnel, arbetstunnel och tvärtunnel, alla framdrivna med konventionell drivning. Alla resursers klimatpåverkan och energianvändning sammanställdes för tunneltyperna och tunneldrivningsmetoderna så att det var möjligt att avläsa hur stort bidrag varje resurstyp hade.
Som tidigare nämnt användes emissionsfaktorer från Klimatkalkyl för att kunna beräkna miljöpåverkan.
Klimatkalkyl är avgränsad till att omfatta utvinning av råvaror, förädling av råvaror till produkter, transporter under förädlingskedjan och byggandet av anläggning samt transporter kopplat till byggandet så detta är därmed det som ingår i emissionsfaktorerna. Klimatkalkyl är även avgränsad till att beräkna klimatpåverkan och energianvändning utifrån dagens teknik och materialval. Modellen i den här studien utformades på ett sätt som gör det möjligt att överföra data till Klimatkalkyl då samma uppdelning av resurser har använts.
3.2.1 Val av miljöpåverkanskategorier
Som nämnt i avsnitt 1 Inledning har val av miljöpåverkanskategorier resulterat i klimatpåverkan och energianvändning där både primärenergi och energi till processer inkluderas. I Klimatkalkyl beräknas energianvändning (primärenergi) och klimatbelastning (utsläpp av CO2-e) för ett objekt genom att användningen av resurser multipliceras med aktuella emissionsfaktorer för dessa resurser. För den här studien ingår en del objekt som inte täcks in av Klimatkalkyl och därför skapades en egen modell i Excel där beräkningarna baserar på emissionsfaktorer från Klimatkalkyl. Excel-modellen användes för att beräkna energianvändning och klimatbelastning men användes även för att utföra en känslighetsanalys, se avsnitt 4.5 Känslighetsanalys, och beräkna potentiella reduktioner från åtgärderna, något som redovisas i avsnitt 5 Modellering av åtgärder. Klimatbelastningen beräknades i enheten ton CO2-e och energianvändningen i enheten MJ, båda per 1 000 meter tunnelbana. Alla enhetsprocesser som inkluderats i systemet har någon typ av energianvändning och orsakar någon form av CO2-e.
3.3 Känslighetsanalys
Känslighetsanalysen genomfördes genom att indata och förutsättningar ändrades vilket testade metodernas känslighet mot förändringar. Mer om vilka ändringar som genomfördes beskrivs i avsnitt 4.5 Känslighetsanalys.
3.4 Identifiering av åtgärder
Åtgärder med reduceringspotential identifierades genom att studera studien från Jung och Uppenberg (2021a) som utgår från Trafikverkets projekt om anläggandet av nya stambanor. I studien har de sammanställt åtgärder för olika typer av resurser, det vill säga resurser som berör material, energibärare och processer. För de åtgärder som var relevanta för den här studien kunde information insamlas och överföras till modellen. Informationen handlade dels om vilka typer av åtgärder det var men även förväntade emissionsfaktorer för dessa. Eftersom Jung och Uppenberg hade kategoriserat åtgärderna för olika typer av resurser och därmed sammanställt förväntade reduktionsfaktorer för respektive åtgärdskategorier kunde Jungs och Uppenbergs emissionsfaktorer användas i den här studien.
17
3.5 Beräkning med åtgärder
Identifieringen av åtgärder med reduceringspotential visade att fem åtgärdskategorier (cetong, cement, el, diesel och armering) kunde appliceras på den här studien. Med hjälp av deras förväntade emissionsfaktorer kunde förväntade emissionsfaktorer räknas ut för de resterande resurserna. Till exempel är el och/eller diesel något som används i samtliga processer, vilket innebar att med de nya värdena för el och diesel kunde även nya värden räknas ut för samtliga processer. Till exempel kunde nya emissionsfaktorer beräknas för sprutbetongen med hjälp av potentiella värden för stål och cement eftersom dessa material ingår i sprutbetongen. På samma sätt kunde nya emissionsfaktorer räknas ut för de övriga resurserna förutom ärtsingel, så det antogs att ärtsinglets emissionsfaktorer förblev likartade fram till 2045. De förväntade emissionsfaktorererna kunde sedan föras in i LCA-modellen för att ge nya resultat gällande tunneldrivningmetodernas klimatpåverkan.
18
4 Resultat del 1 - LCA och känslighetsanalys
I det här avsnittet redovisas analysens omfattning och mål, tillsammans med resultaten från datainventeringen. Efter det följer miljöpåverkansbedömningen och slutligen en analys av resultaten där en känslighetsanalys genomförs.
4.1 Mål och omfattning
Syftet med analysen är att jämföra hur konventionell drivning och fullortsborrning presterar utifrån energianvändning och klimatpåverkan. Resultatet från studien kan användas för att bättre förstå hur tunneldrivningsmetoderna skiljer sig åt med hänsyn till miljöpåverkan och kan därmed visa vilken metod som är mest miljövänlig. Med andra ord kan studiens resultat användas som underlag för att fatta mer miljömedvetna beslut. Den avsedda målgruppen är främst aktörer inom infrastruktursektorn och beslutsfattare som berör sektorn. Det kan gälla bland annat tunneldrivningsproducenter, politiker och investerare. För att jämföra tunneldrivningsmetoderna ska en tunnel som byggts med respektive metod modelleras och analyseras. För att uppfylla syftet har följande mål formulerats:
i) Kartlägga processer och material för metoderna i ett livscykelperspektiv och beräkna potentiell miljöpåverkan för konventionell drivning respektive fullortsborrning med fokus på energianvändning och klimatpåverkan.
ii) Jämföra de två livscyklerna och identifiera på vilket sätt de skiljer sig med hänsyn till energianvändning och klimatpåverkan för att kunna identifiera alternativet med minst klimatpåverkan.
4.1.1 Funktionell enhet
Tunneldrivningsmetoderna används för att driva en tunnel som ska användas för passagerartransport med tunnelbana. Tunnelbanan behöver kunna transportera i båda riktningar och uppfylla särskilda krav gällande möjligheten att bedriva underhåll, reinvestering, utrymning vid fara och andra aktiviteter på samma sätt som övrig tunnelbana. För att göra den funktionella enheten mätbar behöver en viss sträcka väljas. I den här studien är 1 000 meter en lämplig sträcka eftersom den är enkel att hantera. Det hade även varit möjligt att använda en sträcka på 8 000 meter, vilket är den förväntade sträckan för den nya tunnelbanan, men med motiveringen att resultatet ska vara användbart och enkelt att applicera på andra projekt används en sträcka som är enkel att hantera. Följaktligen kan den slutgiltiga funktionella enheten formuleras som ”1 000 meter tunnelbana som har standardiserade förutsättningar för att klara av aktiviteter som exempelvis drift, underhåll, reinvestering och utrymning”. De standardiserade förutsättningarna är samlade hos Svenska Institutet för Standarder (u.d.).
4.1.2 Systemgränser
Tunneldrivningsmetoderna undersöktes inom ramarna av en LCA som fokuserar på beräkning av en tunnelbana som byggts med hjälp av respektive tunneldrivningsmetod. Tunnelbanan ser inte likadan ut i de två fallen eftersom en tunnel får olika utseende beroende på hur den framdrivits. Analysen beräknade hela arbetsprocessen vid skapandet av tunneln men installationer som exempelvis BEST (bana, el, signal och tele), tunnelbelysning och brandvattensystem har exkluderas med förklaringen att komponenter som är lika för de båda alternativen eller har försumbart bidrag till växthusgasutsläpp och energianvändning inte har inkluderats. Steg som inkluderats i livscykeln är för- och efterarbete i berget, tunneldrivning, bergmassatransport, pumpning av processvatten, byggventilation och driften av själva
19
tunneln. Drift av tunnel innebär att pumpning av inläckande grundvatten har inkluderats eftersom detta påverkas av tunneldrivningsmetoden men att tågdriften i form av elförbrukning har exkluderats eftersom det inte påverkas av tunneldrivningsmetoden. Steg som utelämnades är underhåll i form av inspektion och reinvestering, återanvändning och återvinning av bergmassor samt end-of-life för tunneln. Processerna exkluderades eftersom fokus låg på produktionen av tunneln och hur tunneln påverkas av olika tunneldrivningsmetoder. End-of-life är slutskedet där tunneln tas ur bruk, vilket exkluderas eftersom det normalt inte ingår i Klimatkalkyler för infrastruktur. Samma sak gäller för hantering av bergmassor och processvatten och hur detta påverkar resultatet diskuteras senare i rapporten. Reinvestering ingick inte i det valda systemet men undersöktes i känslighetsanalysen.
Produktion av arbetsmaskiner och verktyg har inte heller räknats med eftersom de bedöms ha försumbar påverkan då de används till många projekt över lång tid. En TBM är stor till storleken men den ersätter alla arbetsmaskiner som krävs för konventionell drivning. Detta tillsammans med förutsättningen att studiens TBM återanvänds till andra projekt har lett till att den exkluderats ur systemet. Figur 13 visar ett översiktligt processchema över det valda systemet. Processerna som är utanför den streckade linjen ingick inte i studien.
Figur 13. Flödesschemat visar de översiktliga processerna för den begränsade delen av livscykeln. Systemet är uppdelat i ett förgrundssystem och ett bakgrundssystem där förgrunden (innanför den streckade linjen) är det som studeras.
