E NERGIEFFEKTIV LINJESJÖFART TILL OCH FRÅN G OTLAND
S I M O N B Ö R J E S O N S I M O N B O R @ K T H . S E
P H I L I P P E G H A W I G H A W I @ K T H . S E
Kungliga Tekniska högskolan Skolan för teknikvetenskap Farkost och flyg Avdelningen för Marina system
Examensarbete Ver. 1.5
Augusti 2012
Marina system Centre for Naval Architecture
BLANK SIDA
i
linjetrafiken till och från Gotland. Trots detta, är det här arbetet i många avseenden unikt.
Detta arbete tar sig an fartygstrafiken till Gotland ur ett helhetsperspektiv och är samtidigt gjort av en oberoende part, som är ofärgad av den pågående debatten om utformning och serviceutbud.
Då kostnaden för trafikutbud aldrig tidigare varit högre än idag (ständigt skenande bränslepriser) råder det delade meningar om hur trafiken ska utformas på bästa sätt. I samma stund som detta arbete slutförs skrivs upphandlingsunderlaget för kommande periods Gotlandstrafik.
Denna rapport utgör examensarbete på civilingenjörsutbildningen vid institutionen Farkost och Flyg, avdelningen för Marina System (MSY), vid Kungliga Tekniska högskolan (KTH) i Stockholm. Idén till arbetet har formats i samarbete med SSPA Ship Design i Stockholm, var arbetet också genomförts.
Tack
Vi skulle vilja framföra ett tack till alla som har varit inblandade i detta examensarbete. Vi vill först och främst tacka vår handledare Staffan Sjöling på SSPA Ship Design i Stockholm och vår examinator Karl Garme vid avdelningen för Marina System på KTH för deras hjälp och vägledning i arbetet.
Vi vill också tacka Tomas Lundgren och resten av projektgruppen på Trafikverket för visat intresse.
Ett speciellt tack riktas även till Lars Hellström på Trafikverket för hans välvillighet att dela med sig av information samt Nils Nordenbrink för hans bidrag med data till ruttmodellen.
Vi vill även passa på att tacka SSPAs Stockholmskontor för att ha försett oss med en trevlig och lärorik arbetsmiljö under arbetet samt våra studiekamrater i exjobbsgruppen Katrin Olausson, Lukas Skoglund och Victor Westerberg för återkoppling och stöd.
Stockholm augusti 2012
Simon Börjeson Philippe Ghawi
ii
BLANK SIDA
iii
passagerare, 500 000 personfordon och 750 000 filmeter gods med fyra Ro-Pax-fartyg. Trafiken är sedan 1971 reglerad och föremål för statlig ersättning med syftet att säkerställa en tillfredsställande transportförsörjning för Gotlands invånare och näringsliv. Som följd av det senaste decenniets förhöjda trafikkvalité, huvudsakligen i form av minskade överfartstider, har också trafikens miljöpåverkan och kostnader skjutit i höjden.
Examensarbetet föreslår ett nytt energieffektivt trafikupplägg som tillgodoser användarnas önskemål och behov i samma utsträckning som idag. Rapporten redovisar det framtagna trafikuppläggets resulterande energiförbrukning och kostnader, uppläggets ingående fartyg, deras respektive linjesträckningar, farter och kapacitetsåtaganden. Rapporten redovisar också den egenutvecklade metodik som används för att utvärdera och således ta fram det slutgiltiga trafikupplägget. Metodiken kallas E-fleet i dess programmerade format.
Examensarbetet Energieffektiv linjetrafik till och från Gotland visar att Gotlandstrafiken kan, med konventionell teknik, bedrivas med 49 % lägre koldioxidutsläpp och med 200 miljoner kronor mindre bränslekostnader än dagens, utan att för den delen försämra trafikkvalitén. De miljömässiga och ekonomiska besparingarna nås genom en välplanerad trafikering med välanpassat tonnage på lämpliga linjesträckningar.
Nyckelord:
Energieffektiv, Gotlandstrafik, linjesjöfart, modellering av energiförbrukning, trafiksystem.
iv
1,6 million passengers, 500 000 personal vehicles and 750 000 lane meters of freight with four Ro-Pax ferries. The traffic is controlled and subsidized by the Swedish government since 1971 in order to guarantee the inhabitants and industry of Gotland a satisfactory transportation service. As a consequence of the past decades increased traffic quality, mainly due to a decrease in crossing times, the traffic’s environmental impact and costs has also increased.
The Master Thesis proposes a new energy efficient traffic arrangement that satisfies the users’
preferences in the same extent as today. The report presents the proposed traffic arrangement’s resulting energy demand and approximate costs, its ships, their routes, speeds and daily capacity. The report also presents the self-developed methodology which is used to evaluate and hence generate the final traffic arrangement. The methodology is called E-fleet in its programmed format.
The Master Thesis, Energy Efficient Ferry Traffic to and from Gotland, shows that the Gotland Ferry Traffic can, with conventional technology, operate with 49 % less carbon dioxide emissions and with 200 million kronor less in fuel costs than today, without decreasing the traffic quality. The economical and environmental savings are achieved through a well planned traffic with suitable tonnage on appropriate routes.
Key words:
Energy efficient, Gotland, ferry traffic, modeling of energy consumption, Traffic system.
v
1.1. Bakgrund ... 1
1.1.1. Förutsättningar och begränsningar för Gotlandstrafiken ... 1
1.1.2. Transportbehovet (turstatistik) ... 2
1.1.3. Användarnas önskemål ... 3
1.1.4. Krav på Gotlandstrafiken ... 4
1.1.5. Utförande av Gotlandstrafiken ... 5
1.2. Problem med dagens trafik ... 8
1.3. Mål ... 9
1.4. Tillvägagångssätt ... 9
1.5. Avgränsningar ... 10
2. Metod ... 12
2.1. Algoritm för utvärdering ... 12
2.1.1. In- och utdata ... 12
2.1.2. Flödesschema ... 18
2.2. Verifiering av metoden ... 19
2.3. E-fleet ... 22
2.3.1. Exempel – variation av kapacitet... 22
3. Resultat ... 25
3.1. Utvärdering av lämpliga trafikupplägg för Gotlandstrafiken ... 25
3.1.1. Motiveringar till trafikuppläggen ... 27
3.1.2. Trafikuppläggens trafikkvalité ... 29
4. Analys ... 30
4.1. Utvalt trafikupplägg, fiktiva fartyg... 30
4.1.1. Linjesträckningar och kapacitetsfördelning ... 32
4.2. Utvalt trafikupplägg, verkliga fartyg ... 33
4.3. Utvärdering av trafikkvalitén i förhållande till dagens ... 34
4.4. Sammanfattning ... 34
5. Diskussion ... 37
5.1. Osäkerheter och svagheter i metodiken ... 37
5.1.1. Felkällor i metodiken ... 37
5.1.2. Databasens omfattning ... 37
5.1.3. Framtida trafikplanering ... 38
5.2. Författarnas reflektioner kring trafikupphandlingen ... 38
6. Slutsatser ... 40
vi
7.1. Vidareutveckling av E-fleet ... 42
7.2. Nya studier inom området energieffektiv linjesjöfart... 42
7.2.1. Specifikt – linjesjöfart till och från Gotland ... 43
7.2.2. Generellt – linjesjöfart med snabbgående fartyg ... 43
8. Författarnas arbetsfördelning ... 44
9. Referenser ... 45
10. Bilageförteckning... 47
Bilaga 1 - Turstatistik
Bilaga 2 - Metod för urval av fartygsdatabas
Bilaga 3 - Effektmodeller
Bilaga 4 - Rutt- och energimodell
Bilaga 5 - Kostnadsmodell
Bilaga 6 - Landtransporter på fastlandssidan
vii
Användare Resenärer med Gotlandstrafiken, både privatpersoner och godstransportörer.
Energiförbrukning Mängden energi systemet omvandlar.
Enhamnsupplägg Ett trafikupplägg som helt eller delvis bedrivs på en fastlandshamn.
Fartygstyp Kategorisering av fartygen efter t.ex. konstruktionsmaterial, skrovkonfiguration och isklassning.
Filmeter Mått på ett fartygs lastförmåga angett i meter total fordonsburen last (både privata och kommersiella fordon).
Personfordonsmeter Mått på ett fartygs lastförmåga angett i meter personfordon.
Godsmeter Mått på ett fartygs lastförmåga angett i meter gods.
Gotlandstrafiken Den reglerade linjesjöfarten till och från Gotland.
Högsäsong Avser sommarmånaderna juli till september inklusive högtider som påsk- och allhelgonahelgen.
Kapacitet Ett mått på ett fartygs lastförmåga, passagerare och/eller fordonsburet gods.
Marschfart Farten som fartyget är avsett att köras i under icke-begränsade sträckor Norra linjen Rutten mellan Nynäshamn och Visby.
Södra linjen Rutten mellan Oskarshamn och Visby.
Transportflöde Den dagligt varierande mängd passagerare och/eller gods som ett trafikupplägg skall tillgodose.
Transportkrav En del av en kravbild. Ett transportkrav specificerar hur många passagerare och hur mycket gods som ska transporteras. Vid vilken fart samt hur långt.
Trafikupplägg Lösning på ett givet transportbehov; antal fartyg med tillhörande egenskaper, rutter, antal avgångar och avgångarnas fördelning över året.
Trafikutbud Mått på hur väl trafiken tillgodoser resenärernas och tranportörernas behov och önskemål.
Tvåhamnsupplägg Ett trafikupplägg som helt eller delvis bedrivs på två fastlandshamnar.
Vändtid Total last- och losstid, alt. tiden mellan ett fartygs ankomst till hamn till dess avgång.
Överfartstid Tiden från avgång till ankomst. Inklusive manövrering och förtöjning men exklusive incheckning och ombordstigning.
viii
TOR Tur och retur
TU Trafikupplägg
Pax Renodlade passagerarfartyg
Ro-Pax Fartyg som fraktar både passagerare och fordonsburen last Ro-Ro Fartyg som enbart fraktar fordonsburet gods
NO Norrköping
NY Nynäshamn
OS Oskarshamn
OX Oxelösund
ST Stockholm
VI Visby
VÄ Västervik
ix
Beläggningsgrad, landtransport personer/fordon
r Sammanlagd årlig bränsleförbrukning ton
Daglig bränsleförbrukning ton/dag
och Kalibreringskoefficienter för effektmodeller -
Kalibreringskoefficient för kostnadsmodell -
Specifikt CO2-utsläpp kgCO2/kgbränsle
Motståndskoefficient -
Sammanlagt årligt CO2-utsläpp ton
Sammanlagt årligt CO2-utsläpp för landtransporter gram
Dagligt CO2-utsläpp ton/dag
Koldioxidekvivalenter på land gram CO2/personkm
D Djupgående m
Fartygstyp t.ex. Ro-Pax enkelskrov i stål -
Froudes kapacitetstal -
Froudes längdtal -
Froudes deplacementstal -
Gravitationskonstanten, 9,81 ms-2
Årlig inflation bränslekostnad %
Dollarkurs SEK/USD
Bränslekostnad USD/tonne
Försäkringskostnader som andel av nybyggnadskostnad %
Ekonomisk insats vid inköp %
Underhåll- och klassningskostnader som andel av
nybyggnadskostnad %
Motorkostnad USD/kW
Nybyggnadskostnad SEK
Räntekostnader som andel av nybyggnadskostnad % Skrotningsvärde som andel av nybyggnadskostnad %
Passagerarkapacitet för en fartygstyp personer
Filmeterkapacitet för en fartygstyp m
Årsgenomsnittliga bränslekostnader SEK
Årsgenomsnittliga övriga kostnader SEK
Amorteringstid år
Genomsnittlig lastbilslängd m
Fartygets livslängd år
Antal enkelresor på land per år, filmeter gods m
Karaktäristisk längd m
Genomsnittlig kapacitet - nyttig lastvikt per lastbil ton
Antal enkelresor på land per år, ton gods ton
x
Framdrivningseffekt för lägre farter än marschfart kW
Antal erfordrade tur- och returavgångar avgång(ar)
Antal erfordrade fartyg givet ett transportproblem antal
Antal enkelresor på land per år, personer antal
Friktionsmotstånd N
Fartygets våta yta –referensyta m2
Genomsnittlig landresesträcka till resp. fastlandshamn km
Total ruttsträcka NM
Angöringssträcka fastland NM
Angöringssträcka Visby NM
Specifik bränsleförbrukning g/kWh
Trafikslagsfördelning, landtransport %
Angöringstid i fastlandshamn min
Manövertid för en given rutt min
Operativ dag, anger hur stor del av en dag ett fartyg tillåts
operera under min
Tidsåtgång för en tur och retur min
Angöringstid i Visby hamn min
Vändtid, tidsåtgång för last och loss i hamn min
Överfartstid min
Transportuppgift passagerare personer
Transportuppgift filmeter m
Fart knop
Marschfart knop
Fart m/s
Marschfart m/s
Belastningsgrad hjälpmaskineri %
Belastningsgrad huvudmaskineri %
Ett fartygs energibehov för en överfart givet en rutt kWh
Ett fartygs energibehov för en TOR givet en rutt kWh
Energiekvivalenter, landtransporter kWh/personkm
Sammanlagt årligt energibehov för landtransporter kWh
Deplacement m3
Densitet kg/m3
Bränsledensitet kg/m3
1. Inledning
1.1. Bakgrund
Mycket tyder på att den nuvarande linjesjöfarten till och från Gotland förbrukar onödigt mycket energi, t.ex. (Eckerdal, 2009), något som resulterar i hög miljöbelastning och höga operativa kostnader. År 2008 stod den för 40 % av allt koldioxidutsläpp för inrikes sjöfart (Rikstrafiken, 2010) och år 2010 för hälften av trafikverkets budget för all sorts subventionerad trafik i Sverige, totalt 400 miljoner kronor (Rikstrafiken, 2007b1).
Gotlandstrafiken har sedan 1971 varit reglerad med syftet att säkerställa en tillfredställande transportförsörjning för öns invånare och näringsliv. I dagsläget realiseras detta genom att låta Trafikverket upphandla trafiken av en extern operatör som äger fartygen och sköter driften.
Utformningen av dagens Gotlandstrafik kan grovt sett delas in i dessa två skeden, nämligen Trafikverkets kravspecifikation och operatörens utförande.
Kraven, som i Trafikverkets upphandlingsunderlag definierar det minsta trafikutbud som måste erbjudas av operatören, grundar sig på studier kring transportbehovet samt opinionsundersökningar av användarnas önskemål på trafikutbudet. Upphandlingsunderlaget (Rikstrafiken, 2006b2) reglerar således parametrar som t.ex. minsta antal dagliga avgångar, längsta överfartstider samt planer för antidiskriminering, marknadsföring och marknadsutveckling. När operatören slutligen väljs får denna den sista möjligheten att påverka trafiken utifrån dessa krav.
Detta kapitel presenterar i kronologisk ordning transportbehovet, användarnas önskemål, Trafikverkets, för detta arbete, mest relevanta krav och slutligen hur trafiken bedrivs idag. Kapitlet avslutas med ett avsnitt som tar upp problematiken med dagens trafik.
1.1.1. Förutsättningar och begränsningar för Gotlandstrafiken
Förutom tillgängliga skeppstekniska möjligheter och nationella och internationella krav på exempelvis säkerhet förekommer det fysiska begränsningar för trafikeringen. Dessa utgörs i största grad av hamnarna för de idag befintliga linjerna. En översikt över de två linjerna, som är uppdelade i en nordlig, Nynäshamn-Visby, samt en sydlig, Oskarshamn-Visby, visas i Figur 1.1.
Figur 1.1. Dagens linjer. Röd (nedre) linje representerar Oskarshamnslinjen och gul representerar Nynäshamnslinjen (övre).
Totalt sett är sträckorna 65,3 NM och 81,6 NM för Oskarshamns- respektive Nynäshamnslinjen. På 12
% respektive 7,5 % av dessa sträckor förekommer hastighetsbegränsningar. Mer om detta finns i Bilaga 4 - Rutt- och energimodell.
Vidare utgör hamnarna också begränsningar i form av maximala hamndjup och kajlängder. Dessa redovisas i Tabell 1.1 (Rikstrafiken, 2006b6).
Tabell 1.1. Fysiska begräsningar för dagens linjer.
Visby Oskarshamn Nynäshamn
Max. hamndjup [m] 7,5 (8,0A) 7,5 7,0
Max. kajlängd [m] 200 200 200
1.1.2. Transportbehovet (turstatistik)
2011 reste det totalt ca 1,6 miljoner personer, 0,5 miljoner personfordon och 75 miljoner godstrailrar med de exakt 2900 avgångarna som avgick mellan Gotland och fastlandet (Trafikverket, 2012). Figur 1.2 visar det dagliga summerade resandet till och från Gotland för 2011 för både passagerare och fordon (blå och grön linje) samt den dagliga totala erbjudna kapaciteten (den översta, röda linjen i respektive diagram).
Figur 1.2. Turstatistik 2011 för samtliga linjer.
Jämfört med trafiken 2010 hade 2011 års trafik 8 fler avgångar. Däremot minskade antalet resenärer och personfordon med 2,9 % respektive 2,1 % medan antalet fraktade godsmeter ökade med 1,1 %.
Utifrån en längre tidsperiod har det årliga resandet dock ökat och sett från 2005 med en total ökning på
A Angivet i (Rikstrafiken, 2006b6) att djupet i Visby hamn skall vara 8,0 m vid trafikstart på nästa trafikperiod.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 0.5 1 1.5 2
2.5x 104 Turstatistik 2011 - Samtliga linjer
Passagerare, [st] Faktiska resenärer Kapacitet
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 10 20 30 40
Fordon, [km]
Godsmeter Filmeter Kapacitet
ca 10 % för samtliga transportkategorier enligt (Trafikverket, 2012), (Trafikverket, 2011) och (Rikstrafiken, 2010 r1).
I och med Gotlands stora sommarturistnäring är resandet till Gotland extremt säsongsbetonat med en topp under juli månad, något som ses tydligt i Figur 1.2. Under sommarmånaderna juni, juli och augusti transporterades ungefär hälften av alla passagerare och personfordon under år 2011. I kontrast till passagerare och fordon har godstransporterna till och från Gotland visat sig hålla en relativt jämn nivå över året. I tillägg till detta är resandet också mycket veckodagsberoende. För samtliga linjer är resandet högst på söndagar, fredagar och måndagar och lägst under tisdagar, onsdagar och torsdagar.
Detta mönster återfinns, men ser lite annorlunda ut, för godstransporterna som under helgen, i synnerhet lördagar, sjunker.
Figur 1.3. Skillnad mellan norra och södra linjen.
Vidare kan stora skillnader ses mellan de två linjerna som Gotlandstrafiken trafikerade. Under 2011 stod norra linjen för 74 % av alla resenärer, 70 % av alla transporterade fordon samt 47 % av alla godsmetrar som fraktades med Gotlandstrafiken. Figur 1.3 illustrerar skillnaderna mellan de olika linjerna.
1.1.3. Användarnas önskemål
En uppfattning av användarnas önskemål kring trafikutbudet fås av enkätundersökningar (SWECO, 2009) och (SWECO, 2009b) samt Gotländska ståndpunkter (Trafikrådet, 2012). De olika önskemålen representerar behov från passagerare, godstransportörer och Gotlands invånare. De mest relevanta önskemålen för detta projekt har sammanfattats under.
Persontransporter till och från Gotland (SWECO, 2009b)
Önskemål kring persontransporter till och från Gotland har inhämtats från SWECO Infrastuctures enkätunderökning som gjorts på beställning av Rikstrafiken. Undersökningen har gjorts i syfte att få kunskap om faktiska resvanor och preferenser gällande resmöjligheter mellan Gotland och fastlandet.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 5000 10000 15000
Turstatistik 2011 - Jämförelse melan norra och södra linjen
Passagerare, [st] VI-NY
VI-OS
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 5 10 15 20
Filmeter, [km]
VI-NY VI-OS
o Enligt enkätundersökningen prioriteras priset högst följt av restiden och färjans avgångshamn som viktigaste faktorer för val av avgång
o Passagerare från Oskarshamn kan tänka sig att åka från Nynäshamn, dock inte tvärt om sett ur ett ekonomiskt perspektiv
Godstransporter till och från Gotland (SWECO, 2009)
Önskemålen kring godstransporter har framkommit ur en enkätunderökning gjord av SWECO Infrastucture på beställning av Rikstrafiken med syftet att kartlägga det gotländska näringslivets preferenser avseende godstransporter.
o Visby önskas som hamn på Gotland
o En tvåhamnslösning på fastlandet med dagens hamnar som alternativ efterfrågas o Minst en tur och retur på båda linjer varje dag året om
Avgång från Visby 17-18 och ankomst till fastlandet senast 22
Kvällsavgång från fastlandet och ankomst till Gotland tidig morgon o Önskemål om att behålla kombinerad gods och passagerartrafik
Gotlands ståndpunkter (Trafikrådet, 2012)
Bakom dessa ståndpunkter står Trafikrådet på Gotland tillsammans med Region Gotland med syftet att visa hur Gotlands invånare vill att linjetrafiken till och från Gotland skall erbjuda.
o Två fastlandshamnar, Nynäshamn och Oskarshamn o Färjeöverfart på högst 3 timmars överfartstid
o Minst två tur och returer till Nynäshamn varje dag året om o Minst en tur och retur till Oskarshamn varje dag året om o Rimliga avgångs- och ankomsttider
o Konkurrenskraftiga och låga priser, jämfört med motsvarande sträckor på landsväg.
1.1.4. Krav på Gotlandstrafiken
Utifrån turstatistiken, opinionsunderökningarna och med hänsyn till svensk lagstiftning utformar Trafikverket ett upphandlingsunderlag för Gotlandstrafiken. Upphandlingsunderlaget reglerar exempelvis vilka hamnar som ska trafikeras, hur anpassning för funktionshindrade ska se ut, minsta antal avgångar, daglig kapacitet samt prissättning. Det nuvarande avtalet har verkat sedan 1a januari 2009 och är giltigt till och med 31a januari 2017 (Rikstrafiken, 2007), detta med tilläggsavtalet på två år medräknat.
Nedan presenteras en sammanfattning av de krav i upphandlingsunderlaget som anses relevanta med avseende på energibehovet (jmf kapitel 1.5). Dessa finns under huvudrubrikerna Affärsplan samt Trafikupplägg i upphandlingsunderlaget (Rikstrafiken, 2006b2).
Affärsplan (kapitel 3 i (Rikstrafiken, 2006b2)) Hamnar
Fartygen skall vara inom de begränsningar som ges av farleds- och hamnförhållandena.
Trafikupplägg (kapitel 5 i (Rikstrafiken, 2006b2)) Turtäthet
Bastrafik för passagerare
Minsta turtäthet mellan Visby och Nynäshamn ska vara fyra dagliga enkelturer (två i varje riktning). Undantag: Turtätheten får under månaderna november till april minskas till två dagliga turer på lördagar.
Minsta turtäthet mellan Visby och Oskarshamn ska vara två dagliga enkelturer (en i varje riktning). Undantag: Turtätheten får månaderna november till mars minskas till noll (0) dagliga turer på lördagar.
För att få räknas som en tur i samtliga fall måste kapaciteten vara minst 400 sittplatser för passagerare och 100 personbilar.
Under sommarsäsongen (vecka 25 till 35) skall det utföras så många turer det behövs för att den dagliga kapaciteten i varje riktning är 3000 sittplatser och 800 personbilar på Nynäshamnslinjen och 1500 sittplatser och 400 personbilar på Oskarshamnslinjen.
Bastrafik för gods
Minsta turtäthet för godstrafik skall vara två dagliga enkelturer (en i varje riktning) för både Nynäshamn- och Oskarshamnslinjen.
För att få räknas som en tur i samtliga fall måste kapaciteten vara minst 500 längdmeter.
Minst en av avgång från Visby till Nynäshamn och från Visby till Oskarshamn skall utföras på kvällstid.
Farligt gods
Minsta turtäthet för farligt gods av klass 2-9 skall vara två enkelturer per vecka (en i varje riktning) mellan Visby och Oskarshamn.
Minsta turtäthet för farligt gods av klass 1 skall vara två enkelturer var femte vecka (en i varje riktning) mellan Visby och Oskarshamn.
Kapacitet
Kapacitet
Trafikupplägget skall ha en kapacitet för passagerare, personfordon och gods som minst täcker 2005 års behov uppräknat med 5 % för de resterande åren med en årlig ökning på 1,5 %.
Överfarts- och Restider Trafik för passagerare
Överfartstiden mellan Visby-Nynäshamn får ej överstiga 3 timmar och 45 minuter.
Överfartstiden mellan Visby-Oskarshamn får ej överstiga 3 timmar och 55 minuter.
Godstrafik
Överfartstiden på Visby-Nynäshamnslinjen får ej överstiga 6 timmar.
Överfartstiden på Visby-Oskarshamnslinjen får ej överstiga 5 timmar och 30 minuter.
Trafik utöver avtalet trafikutbud
För passagerar- och godstrafik utöver avtalat trafikutbud får överfartstiden ej överskrida tiderna under ovanstående punkt.
1.1.5. Utförande av Gotlandstrafiken
Gotlandstrafiken bedrivs under denna upphandlingsperiod av Destination Gotland AB med sammanlagt fyra Ro-Pax-fartyg. Fartygsflottan, som är relativt ny, består av två större och två mindre fartyg. De stora fartygen, kallade SF1500, fraktar passagerare, personfordon och gods medan de mindre, SF700, enbart fraktar passagerare och personfordon (Destination Gotland, 2012) och (Rikstrafiken, 2007bB3). Fartygen presenteras i större detalj i Tabell 1.2. Information om fartygens storlek räknat i filmeter är inhämtat från Bilaga 1 - Turstatistik.
I och med det mycket säsongsvarierande transportbehovet till Gotland är turtabellen indelad i olika perioder för att bättre anpassa sig till efterfrågan. Detta åstadkoms genom noggrann planering över vilka fartyg som ska användas under vilka dagar och på vilka linjer. På så sätt nås så hög beläggning och därmed så hög lönsamhet som möjligt. Under sommarperioden trafikerar exempelvis de mindre SF700-fartygen främst veckodagar då transportbehovet är lågt. Det är dock SF1500-fartygen som står för den största delen av transporterna under året. Av de 2900 avgångarna som avgick 2011 körde SF700 336 på Nynäshamnslinjen och 120 på Oskarshamnslinjen. För SF1500 var motsvarande siffror 1534 och 910.
Tabell 1.2. Fartygsegenskaper. Fotografier från Destination Gotland (Destination Gotland, 2012).
Nuvarande fartyg
Byggnadsår: 2002/2003
Längd: 195 m, Bredd: 25 m, Maxfart: 28.5 knop Överfartstid Nynäshamnslinjen: 3:15
Överfartstid Oskarshamnslinjen: 2:55
Maskineri: 4 Wärtsilä 12V46C dieslar, tot. 50400 kW Hjälpmaskineri: 4560 kW
Drivmedel: MDO
Kapacitet: 1500 passagerare
Lastkapacitet: 500 bilar varav 1650 lastmeter (2200 filmeter)
M/S Gotland och M/S Visby SF1500
Byggnadsmaterial: Stål
Byggnadsår: 1999
Längd: 112 m, Bredd: 16 m, Maxfart: 32 knop Överfartstid Nynäshamnslinjen: 3:15
Överfartstid Oskarshamnslinjen: 2:55 Maskineri: 4 Ruston RK 270, tot. 28320 kW
Hjälpmaskineri: 3 x MTU 12 V 183 TE 52, tot. 1365 kW Drivmedel: MGO
Kapacitet: 700 passagerare
Lastkapacitet: 145 bilar (780 filmeter fås från turstatistik med omräkning från personfordon)
HSC Gotlandia SF700
Byggnadsmaterial: Stål/Aluminium
Byggnadsår: 2006
Längd: 122 m, Bredd: 17 m, Maxfart: 35 knop Överfartstid Nynäshamnslinjen: 3:15 (förut 2:50) Överfartstid Oskarshamnslinjen: 2:55 (förut 2:30) Maskineri: 4 MAN V28/33D, tot. 36000 kW
Hjälpmaskineri: 3 x MAN D 2866 LE 203, tot. 981 kW Drivmedel: MGO
Kapacitet: 780 passagerare
Lastkapacitet: 160 bilar (780 filmeter)
HSC Gotlandia II SF700
Byggnadsmaterial: Stål/Aluminium
Ett övergripande och behändigt sätt att illustrera det årliga transportflödet är genom den totala dagskapaciteten för samtliga linjer över ett år. I Figur 1.2 kan den totala kapaciteten för passagerare och fordonsburen last kan ses tillsammans med det faktiska resandet för samtliga linjer under 2011.
Notera att filmeter i undre grafen är godsmeter adderat med personfordonsmeter. Utifrån vetskapen om fartygens kapaciteter kunde de årliga beläggningarna för 2011 beräknas till 39,7 % för passagerare och 54,7 % för filmeter.
Figur 1.4. Daglig beläggning för samtliga rutter.
Figur 1.4 illustrerar på liknande sätt den dagliga beläggningen för de två linjerna i både riktningar för både passagerare och filmeter. I graferna kan det ses att full beläggning, m.a.o. 100 %, främst uppnås under sommar och högtider, påsk och allhelgona. Vidare kan det från graferna ses att beläggningen för filmeter i början och slutet på året blir mycket låg. Något som delvis beror på Trafikverkets krav på minsta antal avgångar men också på faktumet att de större SF1500-fartygen måste trafikera då SF700- fartygen inte är isklassade.
Gotlandstrafikens förbrukning av bunker uppskattades under 2010 till ungefär 55000 ton, vilket motsvarar ett koldioxidutsläpp på 175 000 ton (Rikstrafiken, 2010). Motsvarande siffror för 2011 har ännu inte sammanställts. Trots detta är det rimligt att utgå ifrån 2010s siffror då det inte var någon större skillnad mellan trafikutbudet 2010 och 2011 (Trafikverket, 2011) (Trafikverket, 2012). Mer specifik och detaljerad turstatistik kan ses i Bilaga 1 - Turstatistik.
Jämförs fartygen i Gotlandstrafiken med andra Ro-Pax-fartyg blir det klart att det finns ett utrymme för förbättring vad gäller energieffektivitet, förutsatt att andra material och skrovkonfigurationer än stål och enkelskrov tillåts. Detta illustreras enklast genom Figur 1.5 som visar kvoten mellan installerad maskineffekt och lastkapacitet över Froudes längdtal. I graferna ses statistisk data för Ro- Pax-fartyg i olika konstruktionsmaterial och med olika skrovkonfigurationer.
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 50 100
Beläggning [%]
Beläggning VINY
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 50 100
Beläggning [%]
Beläggning NYVI
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 50 100
Beläggning [%]
Beläggning VIOS
Passagerare Filmeter
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
0 50 100
Beläggning [%]
Beläggning OSVI
Ur grafen framgår det tydligt att Destination Gotlands fartyg har avsevärt mycket högre energibehov än andra fartyg med liknande Froudes tal. Det bör dock noteras att SF700-fartygen inte är renodlade stålfartyg. Deras överbyggnader är tillverkade i aluminium.
Figur 1.5. Effektbehov per last sfa Froudes längdtal.
1.2. Problem med dagens trafik
Som många andra tekniska lösningar är Gotlandstrafiken idag en kompromiss mellan kostnad och trafikutbud eller servicenivå. Givet de begränsade resurserna finns det med andra ord ett begränsat utfallsrum för trafikutbudet. Beroende på hur väl dessa resurser utnyttjas kan olika effektiva trafikutbud fortfarande erhållas.
Många av svårigheterna som Gotlandstrafiken bemöter kan inte påverkas, t.ex. is och varierande transportbehov. Hur som helst finns det fortfarande val som kan leda till energieffektivare trafik utan att försämra trafikkvalitén.
Genom att studera den dagliga beläggningen i Figur 1.4 under vinterhalvåret kan det inses att trafikering med mindre fartyg skulle ge högre beläggningsgrader och därmed minskat energibehov.
Med andra ord skulle alltså miljöpåverkan minska utan att försämra servicenivån.
Vidare kan det genom Figur 1.5 konstateras att fartygen som används i Gotlandstrafiken har högt effektbehov i förhållande till andra fartyg med samma fart. Att Ro-Pax-fartyg byggda i stål drivs i 28,5 knop är mycket ovanligt, förmodligen eftersom att det helt enkelt inte är ekonomiskt försvarbart.
En annan åtgärd skulle kunna vara att separera godstrafik från persontrafik och låta godset gå långsammare. Från opinionsundersökningarna, se kapitel 1.1.3 och 1.1.4, framkommer det inga önskemål om att gods till och från Gotland ska köras i 28,5 knop. Genom att minska farten kan
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Froudes längdtal, FnL [-]
P inst/passagerare [kW/pers]
Ro-Pax-fartyg
Destination Gotland Stål Alu
Alu flerskrov
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Froudes längdtal, FnL [-]
P inst/filmeter [kW/m]
Ro-Pax-fartyg
Destination Gotland Stål Alu
Alu flerskrov
fraktkostnaderna bli mycket billigare (bränslekostnad beror ungefär kubiskt mot fart, dvs. att en halvering av fart resulterar i en 87,5 % minskning av bränslekostnaden).
Det finns alltså stora möjligheter att göra drastiska reduceringar i Gotlanstrafikens totala energibehov med små, om alls några, inskränkningar i trafikutbudet vad det gäller överfartstid och avgångsfrekvens (Eckerdal, 2009).
1.3. Mål
Examensarbetets mål är att:
Undersöka möjligheten att sänka energibehovet, och därmed kostnaden och utsläppet, för den sjöburna upphandlade linjetrafiken till och från Gotland.
Föreslå ett nytt mer energieffektivt trafikupplägg för Gotlandstrafiken som motsvarar dagens trafikkvalitet.
1.4. Tillvägagångssätt
Målet uppfylls genom ett tillvägagångssätt som innehåller fyra olika moment. Dessa moment kan illustrativt ses i Figur 1.6.
Figur 1.6. Schematisk överblick av de olika arbetsmomenten i projektet.
Förstudie
Förstudien, som redovisas i kapitel 1.1, ger en inblick och förståelse för transportbehovet till och från Gotland, för de yttre krav som ställs på trafiken samt användarnas önskemål på trafikutbudet.
Förstudien ligger till grund för de lämpliga trafikuppläggen som är framtagna.
Definiering av trafikupplägg
Utifrån förstudien målas ett antal lämpliga trafikupplägg upp. Samtliga trafikupplägg anses uppfylla samma trafikkvalitet som dagens trafik. De lämpliga trafikuppläggen innehåller information om antalet fartyg, dess farter och kapaciteter samt vilka linjer de skall trafikera.
Utvärdering av trafikupplägg
De lämpliga trafikuppläggen utvärderas för att uppskatta dess prestanda i termer av kostnad, energibehov samt serviceorienterade parametrar som överfartstid och avgångsfrekvens. Detta görs genom en egenutvecklad metodik som presenteras i kapitel 2.1. De lämpliga trafikuppläggen med tillhörande utvärdering presenteras i kapitel 3.1.
Val av slutligt trafikupplägg
Efter utvärderingen jämförs de olika trafikuppläggen för att slutligen välja ut ett trafikupplägg som anses passa Gotlandstrafiken bäst. Det slutliga trafikupplägget presenteras i kapitel 4.1.
Förstudie
Utformning av lämpliga trafikscenarion
Utvärdering av de lämpliga trafikscenariona
Val av slutligt trafikscenario
1.5. Avgränsningar
I detta kapitel presenteras avgränsningar för arbetet.
Upphandlingsprocessen
Ett upphandlingsförfarande är en komplicerad process där hänsyn måste tas till en mängd olika parter.
Examensarbetet har ej till uppgift att föreslå hur ett upphandlingsunderlag bör se ut för att åstadkomma det trafikupplägg som föreslås.
Minimerat energibehov - inte minimerad miljöbelastning
Att föreslå ett trafikupplägg där exempelvis dess miljöbelastning är minimerad gör det nödvändigt att utreda tillgängliga maskinsystem och energibärare. Den energin som krävs att framföra ett visst fartyg med en viss fart är densamma oavsett om fartyget drivs med tjockolja, LNG eller solceller. Av denna anledning är det en naturlig avgränsning att utreda Gotlandstrafiken ur ett energiperspektiv. Ett energieffektivt trafikupplägg ger strikt lägre kostnader och lägre miljöbelastning, medan ett billigt upplägg inte nödvändigtvis ger lägre miljöbelastning och vice versa. Med andra ord är resultatet av denna studie relevant för alla typer av maskinsystem och drivmedel.
Koldioxidutsläppen är, trots resonemanget ovan, redovisade i utvärderingen av det slutgiltigt valda trafikupplägget. I en jämförelse med dagens trafikupplägg har koldioxidmängden beräknats från fartygens energiförbrukning med antagande om samma maskinsystem och drivmedel som dagens nuvarande fartyg.
Denna avgränsning illustreras fördelaktigt med Figur 1.7. Examensarbetet behandlar alltså enbart de renodlade energibesparingarna, vilket motsvarar det översta, vita fältet i Figur 1.7 (den övre blå kurvan) och inte besparingarna i utsläpp (röda kurvan). Figuren är hämtad från (Wallenius Marine, 2010).
Behandlade parametrar i trafikupplägget
Ett trafikuppläggs totala energibehov beror på de ingående parametrarna i upplägget. Följande parametrar anses ha stor inverkan på trafikuppläggets slutliga energibehov och är därför variabler i studien: överfartstid, fartygens marschfarter, dess antal, tänkta rutter, kapaciteter, effektbehov, det årliga antalet avgångar och dess fördelning över året. Övriga parametrar anses ha liten betydelse för energibehovet och har därför inte behandlats.
Figur 1.7. Exempel på ett rederis planerade energibesparingar samt dess planerade energikälla. Illustration från (Wallenius Marine, 2010).
Fartygskategorier
Metoden som använts i arbetet bygger på statistiska effekt- och kostnadsmodeller som är baserade på en fartygsdatabas innehållande data på operativa fartyg världen över, se Bilaga 2 - Metod för urval av fartygsdatabas. I den ingår fartygstyper som anses vara lämpliga för trafiken och där antalet fartyg med relevant data anses vara tillräckligt. Exempel på tänkbara fartygstyper som har uteslutits ur databasen p.g.a. bristfälligt statistiskt underlag är Ro-Pax-katamaraner byggda i stål och ROPAX i trimaranutförande. Med andra ord kan det slutliga trafikupplägget alltså endast bestå av fartygskategorier som ingår i databasen.
Fartygslämplighet
Fartygen ingående i det slutligt valda trafikupplägget är lämpliga för trafiken i fråga. Bedömningen att ett fartyg är ”lämpligt” görs genom att säkerställa att liknande fartyg förekommer i trafikering av likvärdiga färjelinjer i världen. En mera ingående analys av huruvida fartygen är lämpliga görs inte.
Med andra ord; ingen detaljerad analys av fartygens stabilitet, struktur, sjövärdighet, etc., har gjorts.
Energieffektiviserad drift
Med energieffektivisering menas arbetet med målet att minska det totala energibehovet för ett trafikuppläggs drift. Det bör alltså poängteras att ingen livscykelanalys är genomförd. Med andra ord har ingen hänsyn tagits till energiåtgången vid tillverkning och upphuggning av fartygen, inte heller till den infrastruktur som krävs i form av hamnar och vägar eller tillverkning/skrotning av fordon på landsidan. Att ett fartyg byggd i aluminium kräver mer energi vid tillverkning än ett fartyg i stål har alltså inte beaktats.
Genomförda utredningar på ämnet visar dock att dessa övriga energiförbrukare står för en väldigt liten del i jämförelse med den energi som krävs för framdriften av fartyget. Exempelvis så fastslås det i en livscykelanalys av ett högfartsfartyg (Burman, o.a., 2010) att den totala miljöbelastningen överlägset domineras av den operativa delen. Detta p.g.a. av den relativt höga bränsleförbrukningen.
2. Metod
Det traditionella sättet att utvärdera ett ännu ej byggt fartygs prestanda på är genom en så kallad fartygsprojektering. Detta är en iterativ process där detaljnivån och resultatet successivt förfinas för att slutligen nå noggranna svar kring det specifika fartygets framdrivningsmotstånd, bränslekostnad, storlek, vikt, kostnader, etc.
För detta arbete är det viktigt att utvärderingsmetoden är snabbare än att behöva genomgå en fartygsprojektering för varje enskilt fartyg som skall utvärderas. Samtidigt skall resultatet inte ha sämre noggrannhet än för en fartygsprojektering.
Dessutom önskas en utvärderingsmetod som kan utvärdera trafikupplägg med fartyg som inte nödvändigtvis förekommer i verkligheten. Möjligheten att utvärdera fartyg med en godtycklig fart och kapacitet är önskvärd. Metodiken bör med andra ord vara kontinuerlig över dessa parametrar.
Utifrån dessa önskemål har en egen metodik utvecklats för att få fram ett godtyckligt fartygs prestanda, bl.a. energiförbrukning och kostnad, givet vissa grundläggande krav, såsom marschfart och lastkapacitet.
Detta kapitel börjar med att presentera den egenutvecklade metodiken för att utvärdera ett fartygs prestanda utifrån initiala specifikationer. Därefter presenteras ett avsnitt med de framtagna lämpliga trafikscenarierna med tillhörande prestanda.
2.1. Algoritm för utvärdering
Sammanfattningsvis kan metodiken beskrivas som enkel, men med en omfattande och komplex matematisk algoritm. Rent beräkningsmässigt består algoritmen av enkla och grundläggande matematiska operationer och funktioner. Samtidigt är algoritmen omfattande och spänner över en stor del av utformningen av ett fartyg. Komplexiteten i algoritmen avser faktumet att det inte finns en tydlig startpunkt och ingen ”rak” beräkningsprocess. Det senare medför dessutom svårigheten att återge metodiken i kronologisk ordning. Ett flödesschema har därför gjorts för att ge stöd vid beskrivning av algoritmen genom att kunna se en enskild process ur ett helhetsperspektiv.
Flödesschemat finns redovisat i Figur 2.2.
Inledningsvis kan det avslöjas att det största bidraget till metodikens snabbhet och enkelhet har förelegat i strategin att övergå från empiriska och fysikaliska modeller till statistiskt baserade sådana.
Med andra ord har många resurskrävande och komplicerade aspekter av en fartygsprojektering förenklats genom att utgå ifrån statistisk data över befintliga fartyg. På så sätt utnyttjas alla
”ingenjörstimmar” som spenderats i utvecklingen av samtliga fartyg i databasen och leder därmed till ett resultat som både är noggrant och verklighetsförankrat.
Exempel på statistiska modeller som använts i metodiken har varit effektmodellen, för att ange den installerade effekten givet fartygstyp, marschfart och kapacitet, eller kostnadsmodellen, för att erhålla nybyggnadskostnaden givet fartygstyp och storlek. Utöver dessa modeller innehåller algoritmen beräkningar av hur många fartyg och avgångar som behövs givet en viss transportandel och fart.
2.1.1. In- och utdata
Figur 2.1 ger en övergripande illustration av algoritmen. Metodiken i fråga är illustrerad som den vita pilen mellan indata- och resultatlådan. Indata är kategoriserad i fem grupper, under vilka samtliga indata till algoritmen finns. I resultatlådan ses de resulterande parametrarna.
Indata
Resultat
Figur 2.1. Förenklad illustration över algoritmen samt deklaration av in- och utdata.
Det kan vara intressant att notera att fartygets dimensioner varken är ett indata eller resultat. Enkelt sagt är dessa givna indirekt genom kapaciteten. En närmare förklaring till detta finns redovisad i Bilaga 3 - Effektmodeller.
Effektbehov
För att beräkna bränslekostnaden utifrån antalet turer för ett specifikt fartyg fordras information om fartygets effektbehov. Istället för att basera denna på den generella motståndsformeln, som visas i
Maskineffekt,
Hjälpmotorernas effekt, Effektbehov vid fartbegränsade områden,
Nybyggnadspris, Kfartyg
Överfartstid, Energibehov per överfart,
Minsta antalet erfordrade fartyg,
Minsta antalet avgångar per dag,
Bränsleförbrukning, och CO2-utsläpp, och Årlig bränslekostnad, Årliga övriga kostnader, 1. Naturkonstanter
Gravitationsaccelerationen Bränsledensitet,
2. Fartygets egenskaper Marschfart,
Lastförmåga, och
Effektdatabaser för, , och
Specifik bränsleförbrukning, Specifikt CO2-utsläpp,
3. Fartygets uppgift Transportåtagande, och Operativ dag,
4. Ruttegenskaper Total sträcka,
Angöringssträcka fastland, Angöringssträcka Visby, Angöringstid fastland, Angöringstid Visby, Vändtid,
Manövertid,
Belastnings huvudmaskineri, Belastning hjälpmaskineri,
5. Ekonomiska aspekter Motorkostnad per kW,
Bränslekostnad,
Fartygets livslängd, Ekonomisk insats vid inköp, Ränta,
Försäkring,
Underhåll och klassning, Restvärde,
Kostnadsmodell för nybyggnad, Inflation bränslekostnad,
Amorteringstid, Dollarkurs,
Databas för nybyggnadspris, Kfartyg
Metod
ekvation 2.1, valdes denna istället att grundas i tre statistiska effektmodeller, som visas i ekvationer 2.2-2.4. Som tidigare nämnts, gjordes detta för att snabba upp metoden. De statistiska modellerna kan enkelt ge en komplett siffra för fartygets effektbehov, t.ex. installerad maskineffekt utan att separat behöva beakta framdrivningsmotstånd, luftmotstånd, verkningsgrader i drivlinan och propulsor. Detta medför dessutom fördelen att kunna samla alla felmarginalerna till få felkällor, jmf och som introduceras närmare i Bilaga 4 - Rutt- och energimodell.
2.1
Modellen för fartygstypens installerade maskineffekt , som visas i ekvation 2.2, används för att beräkna effektbehovet vid marschfart. Effektbehovet vid andra farter än marschfarten, t.ex. vid angörning till hamn och i andra hastighetsbegränsade områden, beräknas med hjälp av effektmodellen för lågfart , som visas i ekvation 2.3. Slutligen används modellen för hjälpmotorernas maskineffekt , som visas i ekvation 2.4, för att beräkna effektbehovet för åtgång av exempelvis elektricitet. Samtliga effektmodeller redovisas närmare i Bilaga 3 - Effektmodeller.
2.2
2.3
2.4
Överfartstid och energibehov per överfart
Genom att kombinera egenskaperna för den specifika rutten, t.ex. sträckor och angöringstider, tillsammans med marschfarten beräknas den totala överfartstiden. Ekvation 2.5 visar funktionen för att beräkna överfartstiden för en enkel överfart och ekvation 2.6 för en tur och retur .
2.5
2.6
De erhållna effekterna från ekvation 2.2-2.4 kombineras med de ruttspecifika parametrarna för att erhålla energibehovet per överfart. Ekvation 2.7 visar energibehovet för en enkel överfart uttryckt i kWh och ekvation 2.8 visar energibehovet för en tur och retur med samma enhet.
2.7
2.8
Metodiken för att beräkna överfartstid och energibehov per överfart har, på grund av dess omfattning, enbart valts att redovisas på en grundläggande nivå i detta kapitel. De redovisas mer djupgående i Bilaga 4 - Rutt- och energimodell.
Antal avgångar per dag
I indata kategori 3 i Figur 2.1 finns fartygets transportåtagande, eller med andra ord hur mycket last som det skall frakta, detta ges för passagerare och antalet filmetrar .
Genom att dividera transportåtagandet och fartygets specifika godskapacitet och avrunda svaret uppåt erhålls det minsta antalet avgångar för den specifika lasten. Detta visas i ekvation 2.9 för passagerare respektive filmeter. De minsta antalen avgångar erhålls slutligen genom att för alla element i och välja det maximala antalet. Detta visas i ekvation 2.10.
2.9
2.10
Notera att ett sätt att förbättra resultatet på kan vara genom att anpassa kapaciteterna och så att elementen i vektorerna och blir lika, med andra ord genom att använda fartygen mer effektivt och därmed erhålla högre beläggning.
Enheten på beror i högsta grad på och enheter. Skulle transportproblemet exempelvis gälla en enstaka resa, d.v.s. och vara skalärer, skulle också blir en skalär. Då det i detta arbete handlar om daglig turstatistik per år blir dessa vektorer innehållande 365 element. Med samma resonemang blir enheten för i detta arbete avgångar per dag (avg./dag).
Exakt hur och väljs är individuellt för de olika fartygen som utvärderats med den enda gemensamma nämnaren att de alltid är baserade på 2011:s turstatistik. Dessa parametrar redovisas dock inte för de fartyg som utvärderats i denna rapport med anledning till rapportens omfattning.
Istället innehåller kapitel 2.3 ett exempel som illustrerar hur och används.
Resonemang kring varför turstatistiken valts att delas upp dygnsvis återfinns tillsammans med kompletterande turstatistik i Bilaga 1 - Turstatistik.
Det kan slutligen också poängteras att ekvationerna 2.9 och 2.10 ovan enbart gäller för en rutt. För en specifik linje, eller en tur- och returresa, baseras det minsta antalet turer per dag på transportflödet i båda riktningarna . För Nynäshamnslinjen beräknas detta genom ekvation 2.11. och ekvation 2.12.
2.11
2.12
Minsta antal erfordrade fartyg
Genom att dividera den tillåtna operativa tiden för en dag med överfartstiden för en tur och retur
och avrunda det nedåt erhålls ett mått på hur många tur och returer den specifika fartygstypen hinner med. Detta tal divideras med antalet avgångar per dag och avrundas uppåt för att erhålla det minsta antalet erfordrade fartyg per dag. Det maximala värdet i denna vektor motsvarar det minsta antalet erfordrade fartyg som krävs för att lösa det specifika transportproblemet. Detta visas matematiskt i ekvation 2.13.
2.13
Bränsleförbrukning och CO2-utsläpp
Bränsleförbrukningen beräknas genom att multiplicera den specifika bränsleförbrukningen och energibehovet för en tur och retur med antalet avgångar per dag och sedan dividera det med bränsledensiteten vilket ger enheten [l/dag]. Detta visas matematiskt i ekvation 2.14. Det dagliga koldioxidutsläppet beräknas genom att multiplicera med den specifika CO2-utsläppskonstanten
och densiteten för bränslet. Detta visas i ekvation 2.15.
2.14
2.15
Den totala bränsleförbrukningen per år, , erhålls genom att summera alla element i , vilket visas i ekvation 2.16. Ekvation 2.17 visar på samma sätt hur det årliga koldioxidutsläppet erhålls. Dessa är viktiga kvantiteter för verifikationen av algoritmen då de både är kända värden för dagens trafik, mer specifikt 55000 ton bränsle och 175000 ton CO2, se (Rikstrafiken, 2010).
2.16
2.17
Kostnad
Den sista parametern är den totala kostnaden. Förutom bränslekostnaderna inkluderar detta även de övriga kostnaderna, vilka innefattar införskaffningskostnader, räntekostnader, försäkringskostnader, underhållskostnader och klassningsavgifter etc. Värt att notera är att de övriga kostnaderna inte tar hänsyn till personalkostnader. En motivering och förklaring till detta finns i Bilaga 5 - Kostnadsmodell.
Även om fokus är att finna ett energieffektivt trafikupplägg så är det nödvändigt att väga in kostnader.
Detta för att sålla bort opraktiska och orealiserbara lösningar. Resonemanget kan illustreras med följande exempel: Om ett givet fartyg enbart ska användas ett fåtal gånger årligen är det inte ekonomiskt försvarbart att köpa ett dyrt fartyg, t.ex. en aluminiumkatamaran, trots dess låga driftskostnader. Däremot lönar det sig med ett sådant köp om fartyget planeras att ha hög beläggning.
Beslutet kring vilket fartyg som, för ett givet scenario, väljs baseras på en kombination av både dess totala kostnader och på dess energibehov.
Som det inledningsvis nämnts så är kostnadsmodellen uppdelad i två delar. En modell för beräkning av bränslekostnaderna och en för beräkning av de övriga kostnaderna. Modellerna visas i ekvation 2.18 respektive ekvation 2.19.
2.18
2.19
Notera att modellen för de övriga kostnaderna , i ekvation 2.19, bygger på en mängd inparametrar och däribland några som tidigare härletts i detta avsnitt. Kostnadsmodellerna är bland de mest omfattande stegen i algoritmen och är därför, likt de andra modellerna, inte presenterade i detta kapitel utan i dess separata Bilaga 5 - Kostnadsmodell.
2.1.2. Flödesschema
Figur 2.2 illustrerar ett flödesschema för den egenutvecklade metoden. I figuren representerar de gula rundade lådorna indata och de blåa fyrkantiga lådorna resultat.
Dagligt bränslebehov,
bf
Antal fartyg, Nfartyg
Dagliga avgångar,
nTOR
Genomsnittliga årskostnader,
KB och KO
Energibehov per sträcka,
WhTOR
Överfartstid, TTOR
1. Natur- konstanter
3. Fartygets uppgift 4. Ruttens
karaktär
5. Ekonomiska aspekter Installerade
effekter, Pinst, Paux
och Plågfart
1. Natur- konstanter
2. Fartygets egenskaper
2. Fartygets egenskaper
4. Ruttens karaktär
3. Fartygets uppgift 2. Fartygets
egenskaper
Figur 2.2. Flödesschema för algoritmen.
Metodiken som beskrivits i detta kapitel upprepas för samtliga fartyg som utvärderas. Resultaten från samtliga fartygsutvärderingar summeras sedan inom varje trafikupplägg. Vid utvärdering av flera möjliga trafikupplägg blir det många fartygssimuleringar och, med den ovan beskrivna algoritmen, en hel del omfattande vektorberäkningar. Av praktiska skäl har denna algoritm därför programmerats i MATLAB. Att översätta algoritmen till ett datorprogram medför andra fördelar som exempelvis möjligheten att enkelt variera indata och studera dess inverkan på prestandan.
Slutligen kan det igen noteras att algoritmen således inte erhåller några direkta svar kring exakta fartygsdimensioner. Metodikens syfte, och styrka, ligger i att snabbt kunna utvärdera olika trafiklösningskoncept på ett tidigt designstadium. F. Molland beskriver på sidan 465 i (F. Molland, 2008) ett systematiskt och metodiskt sätt att utföra en fartygsprojektering på.
I flödesdiagrammet anges bland annat lastkapaciteter som givna indata. Det ska snart visa sig att det är lönsamt att undersöka sådana indata innan en projektering påbörjas.
2.2. Verifiering av metoden
För att verifiera metodikens indata genomfördes ett antal testsimuleringar. För denna rapport har speciellt två av dessa simuleringar valts ut. De redovisade simuleringarna är menade att efterlikna dagens Gotlandstrafik som utgör en känd referenspunkt. De två olika exemplen finns presenterade nedan.
Indata till verifieringsexempel
Tabell 2.1. Indata för testsimuleringar.
Indata Enhet Nynäshamnslinjen Oskarshamnslinjen
1
Gravitationsaccelerationen m/s2 9.81
Bränsledensitet g/l 900 (tjockolja)
Specifikt CO2-utsläpp kgCO2/kgbränsle 3.2 (dieselmotorer)
2
Marschfart knop 28.5
Kapacitet: SF1500 - 1500 passagerare och 2200 filmeter
Kapacitet: SF700 - 700 passagerare och 780 filmeter
Effektmodell SE ovan -
SBF g/kWh 190 (mellanvarviga dieselmotorer)
3
Antal avgångar: SF1500 - 1534 910
Antal avgångar: SF700 - 336 120
Operativ dag min 24*60
4B
Total sträcka NM 81,6 65,3
Angöringssträcka Visby NM 2,3 1,1
Angöringssträcka fastland NM 3,8 6,7
Angöringstid Visby min 17 11
Angöringstid fastland min 19 38
Vändtid min 40 40
Manövertid min 10 10
Workload genomsnitt. % 43 43
Workload @ servicespeed % 85 85
5C
Motorkostnad USD/kW 330
Bränslekostnad USD/ton 993
Fartygets livslängd år 20
Ekonomisk insats vid inköp % 10
Ränta % 8
Försäkring % 3
Underhåll och klassning % 2
Restvärde/skrotningsvärde % 5
Inflation bränslekostnad % 0
Amorteringstid år 15
Dollarkurs SEK/USD 6,79
B Närmare förklaring till dessa parametrar finns i Tabell B.4.1och Tabell B.4.2.
C Närmare förklaring till dessa parametrar finns i Tabell B.5.1.
