H i s Ham sH amo o n
Energieffektiv vägdesign
Hisham Shamoon
Examensarbete 2012 Kungliga Tekniska högskolan Avdelningen för väg- och banteknik
Energieffektiv vägdesign
Hisham Shamoon
Examensarbete 2012 Kungliga Tekniska högskolan Avdelningen för väg- och banteknik
© Hisham Shamoon, Maj 2012
Examensarbete, avancerad nivå 30 hp - Civilingenjörsprogrammet Samhällsbyggnad Energieffektiv vägdesign (Energy Efficient Road Design)
TSC-MT 12-008
Kungliga Tekniska högskolan
Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad Institutionen för transportvetenskap Avdelningen för väg- och banteknik SE- 100 44 Stockholm
Sverige
Tryck: E-PRINT, Stockholm 2012
© Hisham Shamoon, Maj 2012
Examensarbete, avancerad nivå 30 hp - Civilingenjörsprogrammet Samhällsbyggnad Energieffektiv vägdesign (Energy Efficient Road Design)
TSC-MT 12-008
Kungliga Tekniska högskolan
Skolan för arkitektur och samhällsbyggnad Institutionen för transportvetenskap Avdelningen för väg- och banteknik SE- 100 44 Stockholm
Sverige
Tryck: E-PRINT, Stockholm 2012
Examensarbetet är utfört vid Kungliga Tekniska högskolan (KTH) i Stockholm som en del av studierna inom civilingenjörsprogrammet Samhällsbyggnad. Det har genomförts i ett samarbete mellan avdelningen för väg- och banteknik vid KTH, samt Ramböll Sverige AB.
Ett stort tack till min handledare Svante Berg på Ramböllkontoret i Falun som har möjliggjort tillblivelsen av detta examensarbete, och som trots det geografiska avståndet varit oerhört engage- rad i projektet.
En som jag vill rikta ett särskilt tack till är min examinator Professor Björn Birgisson vid KTH som ställt upp, och hjälpt till med kontakter.
Jag vill rikta ett stort tack till min handledare Universitetsadjunkt Anders Wengelin vid KTH som ställt upp, varit hjälpsam som bollplank, gett ovärderlig vägledning, samt hjälpt till med att av- gränsa examensarbetet.
Tack också till Ulf Hammarström och Bo Karlsson på Statens väg- och trafikinstitut (VTI) som har tillhandahållit VETO-programmet, samt tagit sig tid att besvara mina frågor.
Jag vill också tacka Per Centrell, enhetschef väg och gata på Ramböllkontoret i Stockholm, som gett mig kontorsplats och tillgodosett mig med allt jag behöver för att arbeta med projektet. Vill även tacka samtliga medarbetare på Ramböllkontoret i Stockholm som ställt upp med tid, kun- skap, och erfarenhet.
Till sist vill jag tacka alla som visat intresse och engagerat sig i projektet, samt gett kloka syn- punkter som gett spår i detta examensarbete. Jag hoppas att examensarbetet ska komma de många som planerar, projekterar, och bygger vägar till nytta.
Stockholm i maj 2012
Hisham Shamoon
Examensarbetet är utfört vid Kungliga Tekniska högskolan (KTH) i Stockholm som en del av studierna inom civilingenjörsprogrammet Samhällsbyggnad. Det har genomförts i ett samarbete mellan avdelningen för väg- och banteknik vid KTH, samt Ramböll Sverige AB.
Ett stort tack till min handledare Svante Berg på Ramböllkontoret i Falun som har möjliggjort tillblivelsen av detta examensarbete, och som trots det geografiska avståndet varit oerhört engage- rad i projektet.
En som jag vill rikta ett särskilt tack till är min examinator Professor Björn Birgisson vid KTH som ställt upp, och hjälpt till med kontakter.
Jag vill rikta ett stort tack till min handledare Universitetsadjunkt Anders Wengelin vid KTH som ställt upp, varit hjälpsam som bollplank, gett ovärderlig vägledning, samt hjälpt till med att av- gränsa examensarbetet.
Tack också till Ulf Hammarström och Bo Karlsson på Statens väg- och trafikinstitut (VTI) som har tillhandahållit VETO-programmet, samt tagit sig tid att besvara mina frågor.
Jag vill också tacka Per Centrell, enhetschef väg och gata på Ramböllkontoret i Stockholm, som gett mig kontorsplats och tillgodosett mig med allt jag behöver för att arbeta med projektet. Vill även tacka samtliga medarbetare på Ramböllkontoret i Stockholm som ställt upp med tid, kun- skap, och erfarenhet.
Till sist vill jag tacka alla som visat intresse och engagerat sig i projektet, samt gett kloka syn- punkter som gett spår i detta examensarbete. Jag hoppas att examensarbetet ska komma de många som planerar, projekterar, och bygger vägar till nytta.
Stockholm i maj 2012
Hisham Shamoon
Byggandet av vägar är en del av samhällsbyggandet, där vägarna utgör en grundläggande del i skapandet av förutsättningarna för transporter. Huvuddelen av våra transporter sker på vägar, varför vägtrafiken av förklarliga skäl står för en betydande klimatpåverkan. Det är således en förutsättning för ett hållbart samhälle att de negativa effekterna som vägtrafiken ger upphov till inte förbises. Dagens människor och kommande generationer står därför inför en enorm utma- ning, där klimatproblematiken som vägtrafiken orsakar måste bemästras för att vi ska kunna skapa ett hållbart samhälle. Styrning mot mer miljövänliga fordon och andra liknande initiativ för begränsad klimatpåverkan är verkningsfulla åtgärder för att få bukt med klimatpåverkan från vägtrafiken, men positionerna måste flyttas fram ytterligare för att erhålla en mer livskraftig lösning.
Det bör tas hänsyn till den ackumulerade energianvändningen för vägtrafiken samt den totala byggnationsenergin under vägens livslängd redan i de tidiga skedena av vägbyggnadsprocessen.
Den energieffektiviseringspotential som finns genom val av alternativ design måste utredas redan i dessa tidiga stadier. Eftersom det är i dessa skeden som de allra viktigaste besluten fattas, och där möjligheten att påverka är som störst. De schablonvärden som energianvändningen vanligtvis baseras på under de tidiga skeden måste kompletteras med mer verklighetstrogna värden för det aktuella vägobjektet och den trafik som råder eftersom varje vägobjekt är unikt. Ett nytt sätt att planera, projektera, och bygga vägar på kan med fördel implementeras under vägbyggnadsproces- sen, där det tas tillvara på den kunskap och forskning som finns idag.
Examensarbetet har med utgångspunkt från det vida begreppet energieffektiv vägdesign visat hur utmaningen att skapa ett hållbarare samhälle kan omvandlas till praktiska handlingar inom nat- ionell och internationell vägplanering. Konsten att utforma en väg, på ett sätt som medför så liten miljöpåverkan som möjligt på samma gång som det inte görs på bekostnad av andra krav, är oftast en komplicerad process. Det saknas oftast även rätt kunskap och verktyg för att nå målet.
En utvärderingsmodell som bedömer den framtida energiåtgången för att trafikera vägen under dess livslängd har använts i syfte att optimera energianvändningen från vägtrafiken, liknade utvärderingsmodell har använts för att bedöma energianvändningen vid vägbyggnation. Energi- användningen som en väg ger upphov till kan därför delas upp i flera delar, där var del för sig kan bedömas samt energieffektiviseras sett ur ett livscykelperspektiv.
Studien som tillämpades på ett vägobjekt, både under vägutredningsstadiet samt projektering, visar att energianvändningen kan påverkas genom val av vägkorridor, horisontal- och vertikal- geometri, tvärsektion, hastighetsgräns, samt vägöverbyggnadens utformning. Genom att optimera designen av dessa grundelement, vilket genom samverkan bildar vägen i helhet, kan en mer energieffektiv vägdesign åstadkommas. Resultaten tyder på att sambandet mellan vägens linjefö- ring och energianvändning är ett viktigt område i arbetet med energieffektivare väghållning.
Trafikens energianvändning är i snitt 26 gånger större än byggnationsenergin, varför energian- vändningen under drifttiden bör utgöra ett prioriterat område i framtida arbeten med att opti- mera vägens energianvändning under dess livslängd. Studien har även visat att en effektivisering upp till 10 % kan uppnås för trafikenergin, och upp till 42 % för byggnationsenergin. Examens- arbetet pekar också på de möjligheter som användandet av LCA-baserade utvärderingsverktyg öppnar upp för energieffektivisering i samband med vägbyggnation.
Nyckelord: Energieffektiv, vägdesign, vägutformning, linjeföring, trafikenergi, byggnationsenergi, hållbar, LCA-baserade utvärderingsverktyg.
Byggandet av vägar är en del av samhällsbyggandet, där vägarna utgör en grundläggande del i skapandet av förutsättningarna för transporter. Huvuddelen av våra transporter sker på vägar, varför vägtrafiken av förklarliga skäl står för en betydande klimatpåverkan. Det är således en förutsättning för ett hållbart samhälle att de negativa effekterna som vägtrafiken ger upphov till inte förbises. Dagens människor och kommande generationer står därför inför en enorm utma- ning, där klimatproblematiken som vägtrafiken orsakar måste bemästras för att vi ska kunna skapa ett hållbart samhälle. Styrning mot mer miljövänliga fordon och andra liknande initiativ för begränsad klimatpåverkan är verkningsfulla åtgärder för att få bukt med klimatpåverkan från vägtrafiken, men positionerna måste flyttas fram ytterligare för att erhålla en mer livskraftig lösning.
Det bör tas hänsyn till den ackumulerade energianvändningen för vägtrafiken samt den totala byggnationsenergin under vägens livslängd redan i de tidiga skedena av vägbyggnadsprocessen.
Den energieffektiviseringspotential som finns genom val av alternativ design måste utredas redan i dessa tidiga stadier. Eftersom det är i dessa skeden som de allra viktigaste besluten fattas, och där möjligheten att påverka är som störst. De schablonvärden som energianvändningen vanligtvis baseras på under de tidiga skeden måste kompletteras med mer verklighetstrogna värden för det aktuella vägobjektet och den trafik som råder eftersom varje vägobjekt är unikt. Ett nytt sätt att planera, projektera, och bygga vägar på kan med fördel implementeras under vägbyggnadsproces- sen, där det tas tillvara på den kunskap och forskning som finns idag.
Examensarbetet har med utgångspunkt från det vida begreppet energieffektiv vägdesign visat hur utmaningen att skapa ett hållbarare samhälle kan omvandlas till praktiska handlingar inom nat- ionell och internationell vägplanering. Konsten att utforma en väg, på ett sätt som medför så liten miljöpåverkan som möjligt på samma gång som det inte görs på bekostnad av andra krav, är oftast en komplicerad process. Det saknas oftast även rätt kunskap och verktyg för att nå målet.
En utvärderingsmodell som bedömer den framtida energiåtgången för att trafikera vägen under dess livslängd har använts i syfte att optimera energianvändningen från vägtrafiken, liknade utvärderingsmodell har använts för att bedöma energianvändningen vid vägbyggnation. Energi- användningen som en väg ger upphov till kan därför delas upp i flera delar, där var del för sig kan bedömas samt energieffektiviseras sett ur ett livscykelperspektiv.
Studien som tillämpades på ett vägobjekt, både under vägutredningsstadiet samt projektering, visar att energianvändningen kan påverkas genom val av vägkorridor, horisontal- och vertikal- geometri, tvärsektion, hastighetsgräns, samt vägöverbyggnadens utformning. Genom att optimera designen av dessa grundelement, vilket genom samverkan bildar vägen i helhet, kan en mer energieffektiv vägdesign åstadkommas. Resultaten tyder på att sambandet mellan vägens linjefö- ring och energianvändning är ett viktigt område i arbetet med energieffektivare väghållning.
Trafikens energianvändning är i snitt 26 gånger större än byggnationsenergin, varför energian- vändningen under drifttiden bör utgöra ett prioriterat område i framtida arbeten med att opti- mera vägens energianvändning under dess livslängd. Studien har även visat att en effektivisering upp till 10 % kan uppnås för trafikenergin, och upp till 42 % för byggnationsenergin. Examens- arbetet pekar också på de möjligheter som användandet av LCA-baserade utvärderingsverktyg öppnar upp för energieffektivisering i samband med vägbyggnation.
Nyckelord: Energieffektiv, vägdesign, vägutformning, linjeföring, trafikenergi, byggnationsenergi, hållbar, LCA-baserade utvärderingsverktyg.
Building roads is a part of the built environment, where roads form an essential part in the crea- tion of the requirements for transportation. The main part of our transportations is done by road, which is why road traffic for obvious reasons is responsible for considerable negative effects on the climate. Consequently, a requirement for a sustainable society is to not overlook the negative effects caused by road traffic. People of today and future generations are therefore faced with an enormous challenge where climate problems caused by road traffic must be mastered in order to create a sustainable society. The steering towards more environmentally friendly vehicles and other similar initiatives for limiting the negative effects on the climate are effective actions to- wards managing the climate impact caused by traffic, but the positions need to be moved forward in order to generate a more powerful solution.
What needs to be taken into consideration is the accumulated usage of vehicle operation energy as well as the total construction energy during the road life already at the early phases during the process of road planning. The potential for energy savings that exist through choices of alterna- tive design has to be evaluated at early stages, because it is at these phases that the most im- portant decisions are made and the possibility to exert influence are at its best. The template estimates that energy usage usually is based on during the early phases need to be supplemented with more reliable values for the current road object and the existing traffic since each road object is unique. A new way of planning, designing and constructing roads can be advantageously implemented during the road design scheme by utilizing the knowledge and research that exist today.
Using the wide conception of energy effective road design as a starting point, this Master thesis has shown how the challenge to create a more sustainable society can be transformed into practi- cal actions within national and international road planning. The art of designing a road in a manner that entails a minimum of negative climate effects without compromising other require- ments is often a complicated process, as well as lacking in the right kind of knowledge and tools to reach the goal. An evaluation model which assesses the future consumption of energy used to traffic the road during its design period has been used in the purpose of optimizing the vehicle operation energy, a similar evaluation model has been used to assess the energy usage during road construction. The energy usage of the road can therefore be divided into several parts, where each part can be assessed individually as well as rendering its life cycle more energy efficient.
The study which was applied to a road object both during the feasibility stage as well as designing stage shows that the energy usage can be influenced through the choice of road corridor, plan and profile alignment, cross section, speed limit, as well as the design of the pavement. By opti- mizing the design of the essential elements which in combination form the road as a whole a more energy efficient road design can be accomplished. The results suggest that the correlation between the alignment of the road and the energy usage are important parts of the work to render road design more energy efficient. The energy required for vehicle operation is 26 times greater than that for road construction, which is why road transport energy consumption should be a priority area in future works to optimize the energy used over road life. The study has also shown that energy savings up to 10 % could be achieved for road traffic, and up to 42 % for construction energy. The thesis points to the possibilities that using LCA-based assessment tools can provide for the savings of energy usage in connection with road construction.
Key words: Energy saving, road design, alignment, vehicle operation energy, construction energy, sustainability, LCA-based assessment tools.
Building roads is a part of the built environment, where roads form an essential part in the crea- tion of the requirements for transportation. The main part of our transportations is done by road, which is why road traffic for obvious reasons is responsible for considerable negative effects on the climate. Consequently, a requirement for a sustainable society is to not overlook the negative effects caused by road traffic. People of today and future generations are therefore faced with an enormous challenge where climate problems caused by road traffic must be mastered in order to create a sustainable society. The steering towards more environmentally friendly vehicles and other similar initiatives for limiting the negative effects on the climate are effective actions to- wards managing the climate impact caused by traffic, but the positions need to be moved forward in order to generate a more powerful solution.
What needs to be taken into consideration is the accumulated usage of vehicle operation energy as well as the total construction energy during the road life already at the early phases during the process of road planning. The potential for energy savings that exist through choices of alterna- tive design has to be evaluated at early stages, because it is at these phases that the most im- portant decisions are made and the possibility to exert influence are at its best. The template estimates that energy usage usually is based on during the early phases need to be supplemented with more reliable values for the current road object and the existing traffic since each road object is unique. A new way of planning, designing and constructing roads can be advantageously implemented during the road design scheme by utilizing the knowledge and research that exist today.
Using the wide conception of energy effective road design as a starting point, this Master thesis has shown how the challenge to create a more sustainable society can be transformed into practi- cal actions within national and international road planning. The art of designing a road in a manner that entails a minimum of negative climate effects without compromising other require- ments is often a complicated process, as well as lacking in the right kind of knowledge and tools to reach the goal. An evaluation model which assesses the future consumption of energy used to traffic the road during its design period has been used in the purpose of optimizing the vehicle operation energy, a similar evaluation model has been used to assess the energy usage during road construction. The energy usage of the road can therefore be divided into several parts, where each part can be assessed individually as well as rendering its life cycle more energy efficient.
The study which was applied to a road object both during the feasibility stage as well as designing stage shows that the energy usage can be influenced through the choice of road corridor, plan and profile alignment, cross section, speed limit, as well as the design of the pavement. By opti- mizing the design of the essential elements which in combination form the road as a whole a more energy efficient road design can be accomplished. The results suggest that the correlation between the alignment of the road and the energy usage are important parts of the work to render road design more energy efficient. The energy required for vehicle operation is 26 times greater than that for road construction, which is why road transport energy consumption should be a priority area in future works to optimize the energy used over road life. The study has also shown that energy savings up to 10 % could be achieved for road traffic, and up to 42 % for construction energy. The thesis points to the possibilities that using LCA-based assessment tools can provide for the savings of energy usage in connection with road construction.
Key words: Energy saving, road design, alignment, vehicle operation energy, construction energy, sustainability, LCA-based assessment tools.
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål ... 1
1.3 Metodval och metodbeskrivning ... 1
1.4 Avgränsning ... 2
1.5 Examensarbetets struktur ... 2
1.6 Definitioner ... 2
2. Utvärderingsmetoder ... 3
2.1 Trafikenergi ... 3
2.1.1 VETO-modellen ... 3
2.1.2 Kalkylblad för total trafikenergi ... 4
2.2 Byggnationsenergi ... 5
2.2.1 Kalkylblad för byggnationsenergi ... 5
3. Modelluppbyggnad ... 7
3.1 Referensobjekt: Väg 55 ... 7
3.1.1 Beräkningsförutsättningar och antaganden ... 8
3.2 Uppbyggnad av vägmodell ... 8
3.2.1 Trafikenergiutvärderingsmodell ... 8
3.2.2 Byggnationsenergiutvärderingsmodell ... 11
3.2.3 Känslighetsanalys ... 13
4. Linjeföringens energieffektiviseringspotential ... 15
4.1 Energieffektiviseringspotential för trafik ... 15
4.1.1 Horisontalgeometri ... 16
4.1.2 Vertikalgeometri ... 17
4.1.3 Tvärsektion ... 19
4.1.4 Sänkta hastigheter ... 21
4.1.5 Optimering av hastigheten ... 22
4.2 Energieffektiviseringspotential vid byggnation ... 25
4.2.1 Masshantering... 26
4.2.2 Materialframställning ... 28
4.3 Relationen mellan trafik- och byggnationsenergi ... 29
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål ... 1
1.3 Metodval och metodbeskrivning ... 1
1.4 Avgränsning ... 2
1.5 Examensarbetets struktur ... 2
1.6 Definitioner ... 2
2. Utvärderingsmetoder ... 3
2.1 Trafikenergi ... 3
2.1.1 VETO-modellen ... 3
2.1.2 Kalkylblad för total trafikenergi ... 4
2.2 Byggnationsenergi ... 5
2.2.1 Kalkylblad för byggnationsenergi ... 5
3. Modelluppbyggnad ... 7
3.1 Referensobjekt: Väg 55 ... 7
3.1.1 Beräkningsförutsättningar och antaganden ... 8
3.2 Uppbyggnad av vägmodell ... 8
3.2.1 Trafikenergiutvärderingsmodell ... 8
3.2.2 Byggnationsenergiutvärderingsmodell ... 11
3.2.3 Känslighetsanalys ... 13
4. Linjeföringens energieffektiviseringspotential ... 15
4.1 Energieffektiviseringspotential för trafik ... 15
4.1.1 Horisontalgeometri ... 16
4.1.2 Vertikalgeometri ... 17
4.1.3 Tvärsektion ... 19
4.1.4 Sänkta hastigheter ... 21
4.1.5 Optimering av hastigheten ... 22
4.2 Energieffektiviseringspotential vid byggnation ... 25
4.2.1 Masshantering... 26
4.2.2 Materialframställning ... 28
4.3 Relationen mellan trafik- och byggnationsenergi ... 29
Referenser ... 35
Bilagor ... 37
Bilaga A – Modelluppbyggnad trafik ... 39
Bilaga B – Modelluppbyggnad byggnation ... 55
Referenser ... 35
Bilagor ... 37
Bilaga A – Modelluppbyggnad trafik ... 39
Bilaga B – Modelluppbyggnad byggnation ... 55
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Både nationellt och internationellt har arbetet med begränsad klimatpåverkan blivit allt viktigare.
Transportsektorn, vilket utgör en betydande källa till klimatpåverkan, är därför ett viktigt område i pågående arbete för att reducera klimatpåverkan. Det råder inga tvivel om att det behövs åtgär- der för att skapa ett hållbart transportsystem. Ett problem är dock att ingen riktigt vet exakt vad som krävs för att åstadkomma detta. Således står dagens människor och kommande generationer inför en enorm utmaning.
Transportsektorns klimatpåverkan domineras av vägtrafiken, varför energianvändningen inom vägsektorn har kommit att dra till sig ett allt större intresse. Utöver den energianvändning som trafiken genererar används även energi till byggande, drift, och underhåll. Energianvändningen som en väg ger upphov till kan därför delas upp i flera delar, där var del för sig kan energieffekti- viseras. Utvärdering av sparpotentialen för energieffektivisering kan ske redan i tidigt stadium genom att beakta energianvändningen och klimatpåverkan i de olika skedena, i syfte att minimera dessa ur ett livscykelperspektiv.
Det har bedrivits en hel del forskning inom området energieffektiv infrastrukturhushållning.
Inom ramen för EU-projekten IERD och ECRPD utvecklades planeringsstödet JouleSave som är en LCA-baserad modell för kvantifiering av energianvändningen för vägar. JouleSave har utvecklats för att fungera tillsammans med en vägprojekteringsprogramvara vars användning är ytterst begränsad i Sverige, varför verktyget inte har fått något genomslag inom svensk vägplane- ring. För att utvärdera den typ av verktyg som JouleSave representerar och dess potential be- dömdes det vara lämpligt att testa verktyget på lämplig nivå, exempelvis ett större vägobjekt.
Detta har i sin tur varit initiativet till detta examensarbete.
1.2 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet är att utvärdera energianvändningen för ett vägobjekt under olika skeden av vägplaneringsprocessen, samt bedöma potentialen till energieffektivisering genom optimering av vägutformningen.
Examensarbetets mål är att ta fram underlag för bedömning av den potentiella nyttan som finns vid användning av LCA-baserade utvärderingsverktyg under vägbyggnadsprocessen.
1.3 Metodval och metodbeskrivning
Examensarbetet har omfattat litteraturstudier, modelluppbyggnad, beräkningar, designredigering, deltagande i seminarier, samt intervjuer.
Litteraturstudien omfattade en granskning av genomförda och pågående projekt inom området energieffektiv väghållning, bl.a. IERD, ECRPD, EEV, och INKEV. I litteraturstudien studerades vägens energianvändning under dess livslängd, de olika parametrarna som påverkar energian-
1 Introduktion
1.1 Bakgrund
Både nationellt och internationellt har arbetet med begränsad klimatpåverkan blivit allt viktigare.
Transportsektorn, vilket utgör en betydande källa till klimatpåverkan, är därför ett viktigt område i pågående arbete för att reducera klimatpåverkan. Det råder inga tvivel om att det behövs åtgär- der för att skapa ett hållbart transportsystem. Ett problem är dock att ingen riktigt vet exakt vad som krävs för att åstadkomma detta. Således står dagens människor och kommande generationer inför en enorm utmaning.
Transportsektorns klimatpåverkan domineras av vägtrafiken, varför energianvändningen inom vägsektorn har kommit att dra till sig ett allt större intresse. Utöver den energianvändning som trafiken genererar används även energi till byggande, drift, och underhåll. Energianvändningen som en väg ger upphov till kan därför delas upp i flera delar, där var del för sig kan energieffekti- viseras. Utvärdering av sparpotentialen för energieffektivisering kan ske redan i tidigt stadium genom att beakta energianvändningen och klimatpåverkan i de olika skedena, i syfte att minimera dessa ur ett livscykelperspektiv.
Det har bedrivits en hel del forskning inom området energieffektiv infrastrukturhushållning.
Inom ramen för EU-projekten IERD och ECRPD utvecklades planeringsstödet JouleSave som är en LCA-baserad modell för kvantifiering av energianvändningen för vägar. JouleSave har utvecklats för att fungera tillsammans med en vägprojekteringsprogramvara vars användning är ytterst begränsad i Sverige, varför verktyget inte har fått något genomslag inom svensk vägplane- ring. För att utvärdera den typ av verktyg som JouleSave representerar och dess potential be- dömdes det vara lämpligt att testa verktyget på lämplig nivå, exempelvis ett större vägobjekt.
Detta har i sin tur varit initiativet till detta examensarbete.
1.2 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet är att utvärdera energianvändningen för ett vägobjekt under olika skeden av vägplaneringsprocessen, samt bedöma potentialen till energieffektivisering genom optimering av vägutformningen.
Examensarbetets mål är att ta fram underlag för bedömning av den potentiella nyttan som finns vid användning av LCA-baserade utvärderingsverktyg under vägbyggnadsprocessen.
1.3 Metodval och metodbeskrivning
Examensarbetet har omfattat litteraturstudier, modelluppbyggnad, beräkningar, designredigering, deltagande i seminarier, samt intervjuer.
Litteraturstudien omfattade en granskning av genomförda och pågående projekt inom området energieffektiv väghållning, bl.a. IERD, ECRPD, EEV, och INKEV. I litteraturstudien studerades vägens energianvändning under dess livslängd, de olika parametrarna som påverkar energian-
vändningen analyserades. För litteratursökning användes KTH:s bibliotek och dess databaser, samt vetenskapliga publikationer.
Eftersom det inte har funnits möjlighet att använda JouleSave i sin helhet som en integrerad del av vägprojekteringsverktyget Bentley MX Road, har programvarukomponenterna ingående i verktyget använts oberoende av vägprojekteringsprogramvaran den har utvecklats för. Beräk- ningar för byggnationsenergin inklusive vägöverbyggnadens materialframställningsenergi har utförts med Excel-baserade kalkylblad. Vägtrafikens energianvändning har beräknats med VETO-programmet tillhandahållet av Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI), samt Excel-baserade kalkylblad för trafikens totala energianvändning. Väggeometrisk indata till VETO-programmet som krävs för modelluppbyggnaden av vägen har behandlats med design- verktygen Autodesk AutoCad Civil 3D samt Vianova Novapoint Road, vilka även använts till viss projekteringsredigering.
Seminarier inom vägplanering och LCA, samt intervjuer med erfarna vägprojektörer har också legat till grund för informationssamlingen.
1.4 Avgränsning
I examensarbetet undersöks trafikens totala energianvändning under vägens livslängd, samt den totala energianvändningen vid vägbyggnation inklusive vägöverbyggnadens materialframställ- ningsenergi. Det har därmed gjorts en avgränsning gentemot kvantifiering av energianvändningen under drift och underhåll. Avgränsningen beror dels på resursskäl, samt dels för att det finns övergripande brister i form av att koppling saknas mellan de olika ingående utvärderingsme- toderna i det befintliga verktyget.
1.5 Examensarbetets struktur
Uppsatsen börjar med att klarlägga varför den har initierats, samt vad som är dess syfte och mål.
Den beskriver sedan vilka utvärderingsmetoder som har använts för att bedöma de potentiella energibesparingarna för trafik och vägbyggnation. Vidare går arbetet in på den energibesparing som kan erhållas genom en mer energieffektiv vägutformning baserat på beräkningsexempel. Till sist utvärderas och jämförs de olika utformningarna gentemot varandra. Som avslutning ges en redogörelse för vad detta examensarbete kan innebära, och vilken betydelse det kan ha för fram- tidens vägplanering.
1.6 Definitioner
Med energi syftas det på den lagrade energin som finns i bränsle mätt i enheten Joule, och med energianvändning avses energimängden som frigörs vid förbränning.
Begreppet livslängd hänsyftar på den tekniska livslängden, vilket definieras som den tid under vilket vägen uppfyller avsedd funktion med normalt underhåll. Den trafiktekniska funktionen anses vara 20 år för denna typ av väg, varför den tekniska livslängden antagits vara 20 år för studerat vägobjekt.
I examensarbetet definieras energieffektivisering som det alternativ som kräver minst total ener- gianvändning under 20 år per kilometer väg, eller per vägsträckning jämfört med det alternativ som fordrar mest energianvändning för vald linjeföring.
vändningen analyserades. För litteratursökning användes KTH:s bibliotek och dess databaser, samt vetenskapliga publikationer.
Eftersom det inte har funnits möjlighet att använda JouleSave i sin helhet som en integrerad del av vägprojekteringsverktyget Bentley MX Road, har programvarukomponenterna ingående i verktyget använts oberoende av vägprojekteringsprogramvaran den har utvecklats för. Beräk- ningar för byggnationsenergin inklusive vägöverbyggnadens materialframställningsenergi har utförts med Excel-baserade kalkylblad. Vägtrafikens energianvändning har beräknats med VETO-programmet tillhandahållet av Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI), samt Excel-baserade kalkylblad för trafikens totala energianvändning. Väggeometrisk indata till VETO-programmet som krävs för modelluppbyggnaden av vägen har behandlats med design- verktygen Autodesk AutoCad Civil 3D samt Vianova Novapoint Road, vilka även använts till viss projekteringsredigering.
Seminarier inom vägplanering och LCA, samt intervjuer med erfarna vägprojektörer har också legat till grund för informationssamlingen.
1.4 Avgränsning
I examensarbetet undersöks trafikens totala energianvändning under vägens livslängd, samt den totala energianvändningen vid vägbyggnation inklusive vägöverbyggnadens materialframställ- ningsenergi. Det har därmed gjorts en avgränsning gentemot kvantifiering av energianvändningen under drift och underhåll. Avgränsningen beror dels på resursskäl, samt dels för att det finns övergripande brister i form av att koppling saknas mellan de olika ingående utvärderingsme- toderna i det befintliga verktyget.
1.5 Examensarbetets struktur
Uppsatsen börjar med att klarlägga varför den har initierats, samt vad som är dess syfte och mål.
Den beskriver sedan vilka utvärderingsmetoder som har använts för att bedöma de potentiella energibesparingarna för trafik och vägbyggnation. Vidare går arbetet in på den energibesparing som kan erhållas genom en mer energieffektiv vägutformning baserat på beräkningsexempel. Till sist utvärderas och jämförs de olika utformningarna gentemot varandra. Som avslutning ges en redogörelse för vad detta examensarbete kan innebära, och vilken betydelse det kan ha för fram- tidens vägplanering.
1.6 Definitioner
Med energi syftas det på den lagrade energin som finns i bränsle mätt i enheten Joule, och med energianvändning avses energimängden som frigörs vid förbränning.
Begreppet livslängd hänsyftar på den tekniska livslängden, vilket definieras som den tid under vilket vägen uppfyller avsedd funktion med normalt underhåll. Den trafiktekniska funktionen anses vara 20 år för denna typ av väg, varför den tekniska livslängden antagits vara 20 år för studerat vägobjekt.
I examensarbetet definieras energieffektivisering som det alternativ som kräver minst total ener- gianvändning under 20 år per kilometer väg, eller per vägsträckning jämfört med det alternativ som fordrar mest energianvändning för vald linjeföring.
2. Utvärderingsmetoder
2.1 Trafikenergi
2.1.1 VETO-modellen
Med VETO-modellen kan bränsleförbrukningen beräknas under olika förutsättningar. Bränsle- förbrukningen bedöms per fordonstyp och sträckenhet. VETO-modellen har dokumenterats av Hammarström och Karlsson (1987, 2008). Under ECRPD-projektet utvecklades en skräddarsydd programversion av modellen för att tillmötesgå projektets önskemål om att endast ta hänsyn till energianvändningen (Hammarström och Karlsson, 2010).
Modellen byggs upp genom beskrivning av de fyra huvudgrupperna vägutformning, fordon, körbeteende, samt väderlek. Varje huvudgrupp beskrivs i sin tur av 1-5 undergrupper. En struk- tur av modellen åskådliggörs i figur 2.1.
Modellen över vägutformningen byggs upp av en väggeometrisk beskrivning för aktuellt vägob- jekt, samt redogörelse för vägytans egenskaper. Den väggeometriska beskrivningen utförs genom att dela in vägsträckan i segment. För vart av dessa block anges parametrarna längdmätning (blocklängd), vägbredd, hastighetsgräns, lutning, horisontalradie, samt tvärfall. Vägytans förhål- landen beskrivs av makrotextur, samt vägen längsgående ojämnheter. Uppbyggnaden av huvud- gruppen vägutformning skildras i figur 2.2.
VETO indata
Väg-
utformning Fordon Kör-
beteende Väderlek
Figur 2.1 Översiktlig struktur för VETO-modellen.
Vägutformning
Väggeometri
Längd-
mätning Vägbredd Hastighets-
gräns Lutning Tvärfall
Vägyta
MPD IRI
Figur 2.2 Huvudgruppen vägutformning beskrivs av undergrupperna väggeometri samt vägyta.
2. Utvärderingsmetoder
2.1 Trafikenergi
2.1.1 VETO-modellen
Med VETO-modellen kan bränsleförbrukningen beräknas under olika förutsättningar. Bränsle- förbrukningen bedöms per fordonstyp och sträckenhet. VETO-modellen har dokumenterats av Hammarström och Karlsson (1987, 2008). Under ECRPD-projektet utvecklades en skräddarsydd programversion av modellen för att tillmötesgå projektets önskemål om att endast ta hänsyn till energianvändningen (Hammarström och Karlsson, 2010).
Modellen byggs upp genom beskrivning av de fyra huvudgrupperna vägutformning, fordon, körbeteende, samt väderlek. Varje huvudgrupp beskrivs i sin tur av 1-5 undergrupper. En struk- tur av modellen åskådliggörs i figur 2.1.
Modellen över vägutformningen byggs upp av en väggeometrisk beskrivning för aktuellt vägob- jekt, samt redogörelse för vägytans egenskaper. Den väggeometriska beskrivningen utförs genom att dela in vägsträckan i segment. För vart av dessa block anges parametrarna längdmätning (blocklängd), vägbredd, hastighetsgräns, lutning, horisontalradie, samt tvärfall. Vägytans förhål- landen beskrivs av makrotextur, samt vägen längsgående ojämnheter. Uppbyggnaden av huvud- gruppen vägutformning skildras i figur 2.2.
VETO indata
Väg-
utformning Fordon Kör-
beteende Väderlek
Figur 2.1 Översiktlig struktur för VETO-modellen.
Vägutformning
Väggeometri
Längd-
mätning Vägbredd Hastighets-
gräns Lutning Tvärfall
Vägyta
MPD IRI
Figur 2.2 Huvudgruppen vägutformning beskrivs av undergrupperna väggeometri samt vägyta.
Fordonet i modellen beskrivs genom att specificera fordonstyp. Det görs skillnad på två olika fordonstyper:
• Personbil, både bensin- respektive dieseldriven.
• Lastbil, både med och utan släp.
Till vart och en av de olika fordonstyperna finns tillhörande data över motor och växellåda.
Individuella motorspecifikationer finns för olika drivmedelstyper. Huvudgruppen fordon inklude- rar även en beskrivning av däckdata, där det bl.a. redogörs för rullmotståndförhållandena.
Förarens körbeetendet baseras på tidigare studier för aktuell typ av väg. Hastigheten bestäms genom en kombination av de samband vilket råder mellan vägbredd, hastighetsgräns, vertikal- och horisontalkurvatur, samt genom ett begrepp benämnt eftersträvad hastighet i modellen.
Gaspådrag och växlingsbeetende avgör också hur hastigheten efterlevs. Vägytans förhållanden påverkar även hastigheten.
Väderleksförhållanden beskrivs av vindhastigheten, temperaturen, samt trycket. Det finns även en delmodell för beskrivning av nederbörden på vägytan.
De effekter som beräknas med VETO-modellen per fordonstyp är:
• Bränsleförbrukning. [dm3/km]
• Energiinnehåll i förbrukat bränsle. [MJ/km]
• Hastighet:
o Maximala hastigheten. [km/h]
o Minimala hastigheten. [km/h]
o Medelhastigheten. [km/h]
• Pme, av motorn uträttat arbete ut från vevaxeln. [MJ/km]
• Pmbre, bortbromsad energi genom motorbroms. [MJ/km]
• Phbre, bortbromsad energi genom hjulbroms. [MJ/km]
• ADC, ett linjeföringsmått för att beskriva den horisontella linjeföringen. [m/km]
• RF, ett linjeföringsmått för att beskriva den vertikala linjeföringen. [grader/km]
Energianvändningen utvärderas genom att modellen kalkylerar volymen förbrukat bränsle per fordonstyp för aktuellt vägobjekt. Multiplicering av volymen konsumerat bränsle per sträckenhet med bränslets densitet, och sedan med energiinnehållet i bränslet genererar energianvändningen uttryckt i enheten Joule per sträckenhet.
VETO-modellens uppbyggnad möjliggör stor valfrihet att välja olika beräkningsförutsättningar.
Genom specifik beskrivning av fordonschassi, motor, växellåda, och däck kan en fordonsmodell byggas upp för önskad fordonstyp och fordonskategori. Metoden för uppbyggnad av vägutform- ningsmodellen, i kombination med den höga grad av valfrihet för beskrivning av fordon och rådande förhållanden, leder till att aktuella fordonseffekter baseras på det specifika vägobjekt som studeras istället för på schablonvärden. Det finns även utrymme inom programmet att endast studera fordonseffekterna i ena körriktningen.
2.1.2 Kalkylblad för total trafikenergi
Trafikens totala energianvändning under vald livslängd utvärderas med ett Excel-baserat kalkyl- blad eftersom VETO-modellen inte ger effekterna för aktuellt fordonstyp per livslängd utan per sträckenhet. Kalkylbladet beräknar den totala trafikenergin baserat på energianvändningen per fordonstyp och sträckenhet, trafikvolym, trafikförändring, dimensioneringstid, samt vägens längd.
Fordonet i modellen beskrivs genom att specificera fordonstyp. Det görs skillnad på två olika fordonstyper:
• Personbil, både bensin- respektive dieseldriven.
• Lastbil, både med och utan släp.
Till vart och en av de olika fordonstyperna finns tillhörande data över motor och växellåda.
Individuella motorspecifikationer finns för olika drivmedelstyper. Huvudgruppen fordon inklude- rar även en beskrivning av däckdata, där det bl.a. redogörs för rullmotståndförhållandena.
Förarens körbeetendet baseras på tidigare studier för aktuell typ av väg. Hastigheten bestäms genom en kombination av de samband vilket råder mellan vägbredd, hastighetsgräns, vertikal- och horisontalkurvatur, samt genom ett begrepp benämnt eftersträvad hastighet i modellen.
Gaspådrag och växlingsbeetende avgör också hur hastigheten efterlevs. Vägytans förhållanden påverkar även hastigheten.
Väderleksförhållanden beskrivs av vindhastigheten, temperaturen, samt trycket. Det finns även en delmodell för beskrivning av nederbörden på vägytan.
De effekter som beräknas med VETO-modellen per fordonstyp är:
• Bränsleförbrukning. [dm3/km]
• Energiinnehåll i förbrukat bränsle. [MJ/km]
• Hastighet:
o Maximala hastigheten. [km/h]
o Minimala hastigheten. [km/h]
o Medelhastigheten. [km/h]
• Pme, av motorn uträttat arbete ut från vevaxeln. [MJ/km]
• Pmbre, bortbromsad energi genom motorbroms. [MJ/km]
• Phbre, bortbromsad energi genom hjulbroms. [MJ/km]
• ADC, ett linjeföringsmått för att beskriva den horisontella linjeföringen. [m/km]
• RF, ett linjeföringsmått för att beskriva den vertikala linjeföringen. [grader/km]
Energianvändningen utvärderas genom att modellen kalkylerar volymen förbrukat bränsle per fordonstyp för aktuellt vägobjekt. Multiplicering av volymen konsumerat bränsle per sträckenhet med bränslets densitet, och sedan med energiinnehållet i bränslet genererar energianvändningen uttryckt i enheten Joule per sträckenhet.
VETO-modellens uppbyggnad möjliggör stor valfrihet att välja olika beräkningsförutsättningar.
Genom specifik beskrivning av fordonschassi, motor, växellåda, och däck kan en fordonsmodell byggas upp för önskad fordonstyp och fordonskategori. Metoden för uppbyggnad av vägutform- ningsmodellen, i kombination med den höga grad av valfrihet för beskrivning av fordon och rådande förhållanden, leder till att aktuella fordonseffekter baseras på det specifika vägobjekt som studeras istället för på schablonvärden. Det finns även utrymme inom programmet att endast studera fordonseffekterna i ena körriktningen.
2.1.2 Kalkylblad för total trafikenergi
Trafikens totala energianvändning under vald livslängd utvärderas med ett Excel-baserat kalkyl- blad eftersom VETO-modellen inte ger effekterna för aktuellt fordonstyp per livslängd utan per sträckenhet. Kalkylbladet beräknar den totala trafikenergin baserat på energianvändningen per fordonstyp och sträckenhet, trafikvolym, trafikförändring, dimensioneringstid, samt vägens längd.
2.2 Byggnationsenergi
2.2.1 Kalkylblad för byggnationsenergi
Under projekten IERD och ECPRD utvecklades ett Excel-baserat kalkylblad för utvärdering av energianvändningen vid vägbyggnation. Byggnationsenergin omfattar dels den energi som entre- prenadmaskinerna förbrukar vid utförandet av de olika byggnationsinsatserna för att anlägga vägen, och dels den energi som konsumeras vid materialframställningen för de ingående be- ståndsdelarna i vägöverbyggnaden.
Byggnationsinsatserna delas in i de sex huvudgrupperna dränering, kanalisering, jordarbeten, vägöverbyggnad, trafikledningsanordning, samt konstbyggnader. Figur 2.3 visar en översiktlig bild över dessa arbetsområden. Huvudgrupperna delas i sin tur in i ytterligare arbetsinsatser. För var och en av dessa arbetsinsatser har det tagits fram vilka entreprenadmaskiner som är lämpliga för att utföra arbetet. Maskineriet har bedömts ha en specifik kapacitet, mängd per tidenhet, för att utföra arbetsinsatsen. Kapaciteten är kopplad till bränsleförbrukningen, mängd per tidsenhet, som krävs under arbetsinsatsen. Bilaga B visar en förteckning över erfordliga arbetsmaskiner ur entreprenadflottan för var och en av arbetsinsatserna, samt tillhörande kapacitet och bränsleför- brukning.
Figur 2.3 Översiktlig struktur över byggnationsinsatsernas indelning i grupper.
Modellen bygger på att kalkylbladet beräknar volymen förbrukat bränsle med en viss korrektion för kallstartstillägg. Energianvändningen i enheten Joule erhålls genom multiplicering av volymen konsumerat bränsle med bränslets densitet, och sedan med energiinnehållet i bränslet. I figur 2.4 exemplifieras metodiken för bestämning av energianvändningen som arbetsinsatsen jordschakt kräver. Den totala energianvändningen per huvudgrupp fås genom att addera alla de ingående arbetsinsatserna.
Byggmaterialframställningens energianvändning består av den energi som krävs för framställning av bitumen och aggregat. Inom ramen för projektet IERD fastställdes specifika energiåtgångs- värden för materialframställning av bitumen och aggregatet, som även legat till grund för kalkyl- bladet.
Arbetsområde
Dränering Kanalisering Jord- arbeten
Väg- överbyggnad
Trafiklednings- anordning
Konst- byggnader
Jordschakt (Arbetsinsats)
Grävmaskin 46t (Arbetsmaskin 1)
Kapacitet per timme
Bränsleförbrukning
per timme Energanvändning
Dumper (Arbetsmaskin 2)
Kapacitet
per timme Bränsleförbrukning
per timme Energanvändning
Figur 2.4 Sambandet mellan arbetsinsats och energianvändning.
2.2 Byggnationsenergi
2.2.1 Kalkylblad för byggnationsenergi
Under projekten IERD och ECPRD utvecklades ett Excel-baserat kalkylblad för utvärdering av energianvändningen vid vägbyggnation. Byggnationsenergin omfattar dels den energi som entre- prenadmaskinerna förbrukar vid utförandet av de olika byggnationsinsatserna för att anlägga vägen, och dels den energi som konsumeras vid materialframställningen för de ingående be- ståndsdelarna i vägöverbyggnaden.
Byggnationsinsatserna delas in i de sex huvudgrupperna dränering, kanalisering, jordarbeten, vägöverbyggnad, trafikledningsanordning, samt konstbyggnader. Figur 2.3 visar en översiktlig bild över dessa arbetsområden. Huvudgrupperna delas i sin tur in i ytterligare arbetsinsatser. För var och en av dessa arbetsinsatser har det tagits fram vilka entreprenadmaskiner som är lämpliga för att utföra arbetet. Maskineriet har bedömts ha en specifik kapacitet, mängd per tidenhet, för att utföra arbetsinsatsen. Kapaciteten är kopplad till bränsleförbrukningen, mängd per tidsenhet, som krävs under arbetsinsatsen. Bilaga B visar en förteckning över erfordliga arbetsmaskiner ur entreprenadflottan för var och en av arbetsinsatserna, samt tillhörande kapacitet och bränsleför- brukning.
Figur 2.3 Översiktlig struktur över byggnationsinsatsernas indelning i grupper.
Modellen bygger på att kalkylbladet beräknar volymen förbrukat bränsle med en viss korrektion för kallstartstillägg. Energianvändningen i enheten Joule erhålls genom multiplicering av volymen konsumerat bränsle med bränslets densitet, och sedan med energiinnehållet i bränslet. I figur 2.4 exemplifieras metodiken för bestämning av energianvändningen som arbetsinsatsen jordschakt kräver. Den totala energianvändningen per huvudgrupp fås genom att addera alla de ingående arbetsinsatserna.
Byggmaterialframställningens energianvändning består av den energi som krävs för framställning av bitumen och aggregat. Inom ramen för projektet IERD fastställdes specifika energiåtgångs- värden för materialframställning av bitumen och aggregatet, som även legat till grund för kalkyl- bladet.
Arbetsområde
Dränering Kanalisering Jord- arbeten
Väg- överbyggnad
Trafiklednings- anordning
Konst- byggnader
Jordschakt (Arbetsinsats)
Grävmaskin 46t (Arbetsmaskin 1)
Kapacitet per timme
Bränsleförbrukning
per timme Energanvändning
Dumper (Arbetsmaskin 2)
Kapacitet
per timme Bränsleförbrukning
per timme Energanvändning
Figur 2.4 Sambandet mellan arbetsinsats och energianvändning.
3. Modelluppbyggnad
3.1 Referensobjekt: Väg 55
Väg 55, Yxtatorpet – Malmköping, har en strategisk roll i Mälardalens transportsystem (WSP, 2010). Mot bakgrund av detta har den låga standarden som råder inneburit ett stort problem. För att tillmötesgå kravet på trafikteknisk standard för en sådan betydande väg kommer vägen att breddas, och delvis dras om. Vägen ska även byggas om till mötesfri landsväg. Breddning av befintlig väg kommer ske på en cirka fyra kilometer lång sträcka, och nybyggnation kommer ske på en cirka tre kilometer lång sträcka. Den nya vägen blir totalt cirka sju kilometer lång. Byggstart beräknas till våren 2012, och öppning av vägen i början av 2014.
Bild 3.1 Nuvarande väg 55, delen Yxtatorpet - Malmköping (Bildkälla; Ramböll Sverige AB) I vägutredningen presenteras tre olika förslag till lämpliga vägsträckningar (VAP AB, 2006). Bild 3.2 visar vägkorridorsalternativen överskådligt. Nollalternativet, vilket innebär att vägutbyggnaden inte kommer tillstånd och som är krav att studera enligt Miljöbalken, avskrevs redan i tidigt stadium. Det har gjorts bedömningen att en säker trafik inte kan uppnås utan någon form av vägutbyggnadsåtgärd. Den första delen för vägsträckan, 2,2 kilometer, är gemensam för samtliga korridorer. Den avslutande vägsträckan, 1,7 kilometer, fram till Malmköping är även den gemen- sam för samtliga alternativ. För dessa delar följer den planerade vägen i huvudsak befintlig väg.
Bild 3.2 Vägutredningen tre olika förslag till korridorer. (Bildkälla: VAP AB, 2006)
3. Modelluppbyggnad
3.1 Referensobjekt: Väg 55
Väg 55, Yxtatorpet – Malmköping, har en strategisk roll i Mälardalens transportsystem (WSP, 2010). Mot bakgrund av detta har den låga standarden som råder inneburit ett stort problem. För att tillmötesgå kravet på trafikteknisk standard för en sådan betydande väg kommer vägen att breddas, och delvis dras om. Vägen ska även byggas om till mötesfri landsväg. Breddning av befintlig väg kommer ske på en cirka fyra kilometer lång sträcka, och nybyggnation kommer ske på en cirka tre kilometer lång sträcka. Den nya vägen blir totalt cirka sju kilometer lång. Byggstart beräknas till våren 2012, och öppning av vägen i början av 2014.
Bild 3.1 Nuvarande väg 55, delen Yxtatorpet - Malmköping (Bildkälla; Ramböll Sverige AB) I vägutredningen presenteras tre olika förslag till lämpliga vägsträckningar (VAP AB, 2006). Bild 3.2 visar vägkorridorsalternativen överskådligt. Nollalternativet, vilket innebär att vägutbyggnaden inte kommer tillstånd och som är krav att studera enligt Miljöbalken, avskrevs redan i tidigt stadium. Det har gjorts bedömningen att en säker trafik inte kan uppnås utan någon form av vägutbyggnadsåtgärd. Den första delen för vägsträckan, 2,2 kilometer, är gemensam för samtliga korridorer. Den avslutande vägsträckan, 1,7 kilometer, fram till Malmköping är även den gemen- sam för samtliga alternativ. För dessa delar följer den planerade vägen i huvudsak befintlig väg.
Bild 3.2 Vägutredningen tre olika förslag till korridorer. (Bildkälla: VAP AB, 2006)
De tre olika förslagen till alternativ under vägutredningen är:
• Förbättringsalternativet.
o Hela sträckan behöver breddas och rätas till där det behövs. Det är även aktuellt med profiljusteringar.
• Alternativ Mitt.
o Förslaget kräver nybyggnation av en 2,6 kilometer lång sträcka. Den nya vägen inne- bär en förkortning av nuvarande väg. Övriga sträckor utöver nybyggnadsdelarna är identiska med Förbättringsalternativet.
• Alternativ Väst.
o Utkastet innebär nybyggnation av en 3,0 km lång sträcka. Nya vägen innebär liksom Alternativ Mitt en förkortning av nuvarande väg. Resterande vägsträckor förutom ny- byggnadsdelarna är samma som Förbättringsalternativet. Alternativet är det dyraste förslaget att genomföra.
Under fastställelseprocessen bestämdes det att Alternativ Väst skall byggas.
3.1.1 Beräkningsförutsättningar och antaganden
Beräkningsförutsättningarna som används för uppbyggnad av vägmodellerna för energiutvärde- ring baseras på tillgängliga underlag från vägutredningen, arbetsplanen, samt bygghandlingarna.
Trafikförhållandena har hämtats från Trafikverket. Vägutredningens vägsträckningsalternativ har i största möjliga utsträckning baserats på de underlag som fanns tillgänglig under det skedet. Där det har saknats underlag har noggrant avvägda bedömningar gjorts baserat på de underlag som kom till under arbetsplanen och bygghandlingarna. Antaganden har gjorts utifrån Trafikverkets föreskrifter, råd, och krav för gällande område.
3.2 Uppbyggnad av vägmodell
3.2.1 Trafikenergiutvärderingsmodell
Modellen för trafikenergiutvärdering av vägen byggs i VETO-programmet. För var och en av de olika vägalternativen, totalt fyra stycken, byggs en modell som beskriver vägens geometriska egenskaper. Den väggeometriska beskrivningen utförs genom att dela in vägsträckan i segment, och sedan ange väggeometrisk data för varje segment. En schematisk bild över hur modellupp- byggnaden kan tänkas visualiseras i programmet visas i Figur 3.1.
Figur 3.1 Skiss över uppbyggd vägmodell (Bildkälla: Hubendick, 1976).
De tre olika förslagen till alternativ under vägutredningen är:
• Förbättringsalternativet.
o Hela sträckan behöver breddas och rätas till där det behövs. Det är även aktuellt med profiljusteringar.
• Alternativ Mitt.
o Förslaget kräver nybyggnation av en 2,6 kilometer lång sträcka. Den nya vägen inne- bär en förkortning av nuvarande väg. Övriga sträckor utöver nybyggnadsdelarna är identiska med Förbättringsalternativet.
• Alternativ Väst.
o Utkastet innebär nybyggnation av en 3,0 km lång sträcka. Nya vägen innebär liksom Alternativ Mitt en förkortning av nuvarande väg. Resterande vägsträckor förutom ny- byggnadsdelarna är samma som Förbättringsalternativet. Alternativet är det dyraste förslaget att genomföra.
Under fastställelseprocessen bestämdes det att Alternativ Väst skall byggas.
3.1.1 Beräkningsförutsättningar och antaganden
Beräkningsförutsättningarna som används för uppbyggnad av vägmodellerna för energiutvärde- ring baseras på tillgängliga underlag från vägutredningen, arbetsplanen, samt bygghandlingarna.
Trafikförhållandena har hämtats från Trafikverket. Vägutredningens vägsträckningsalternativ har i största möjliga utsträckning baserats på de underlag som fanns tillgänglig under det skedet. Där det har saknats underlag har noggrant avvägda bedömningar gjorts baserat på de underlag som kom till under arbetsplanen och bygghandlingarna. Antaganden har gjorts utifrån Trafikverkets föreskrifter, råd, och krav för gällande område.
3.2 Uppbyggnad av vägmodell
3.2.1 Trafikenergiutvärderingsmodell
Modellen för trafikenergiutvärdering av vägen byggs i VETO-programmet. För var och en av de olika vägalternativen, totalt fyra stycken, byggs en modell som beskriver vägens geometriska egenskaper. Den väggeometriska beskrivningen utförs genom att dela in vägsträckan i segment, och sedan ange väggeometrisk data för varje segment. En schematisk bild över hur modellupp- byggnaden kan tänkas visualiseras i programmet visas i Figur 3.1.
Figur 3.1 Skiss över uppbyggd vägmodell (Bildkälla: Hubendick, 1976).
Väggeometriska beskrivningar för de tre olika alternativen under vägutredningen, samt projekte- rad vägsträckning redovisas i bilaga A. I modelluppbyggnaden har det valts att inte beakta väg- korsningar, de har därför exkluderas i vägbeskrivningen.
De väggeometriska parametrarna som beskrivs är:
• Längdmätning (blocklängd). [m]
o Bestäms grafiskt från vägprofilritningen.
• Vägbredd. [m]
o Baseras på tvärsektioners dimensioner.
• Hastighetsgräns. [km/h]
o Grundas på tillgängliga underlag.
• Lutning. [‰]
o Bedöms med hjälp av vägprofilritningen, och ges som den lutning som råder mellan två tangeringspunkter. Vertikalradier delas upp i ett antal segment, där varje segment begränsas av två tangeringspunkter i x-led som möjliggör lutningsbestämning för vertikalradien. Modellen bygger på att den första tangeringspunkten är vid startkoordinaten för väg- sträckan. Efter en viss sträcka kommer andra tangeringspunkten, som i sin tur utgör första tangeringspunkten för nästkommande segment.
• Horisontalradie. [m]
o Läses av från vägprofilritningen.
• Tvärfall. [%]
o Fastställs från bygghandlingens vägprofilritningar för det projekterade alternativet. Vägprofilritningar för de tre olika alternativen under vägutredningen saknar bestämning av tvärfall. Vägbeskrivningarna till- delas lämpligt tvärfall/skevning enligt Trafikverkets föreskrifter istäl- let.
Vägytans förhållanden beskrivs av makrotextur som mäts i MPD (Mean Profile Depth), samt vägen längsgående ojämnheter som mäts i IRI (International Roughness Index). Vägytan har i samtliga beräkningsfall angivits en makrotextur motsvarande 0,912 mm, vilket är medelvärde för den typ av väg som det studerade vägobjektet representerar (Hammarström, 2012). Inverkan av vägens ojämnheter har inte beaktats i studien.
Fordonen i modellen beskrivs genom att specificera fordonstyp. Fordonsdata för respektive fordonstyp redovisas i bilaga A. De fordonstyper som ingår i studien är:
• Fordon under 3500 kg.
o Personbil bensin, dvs. bensindrivna fordon under 3500 kg som endast har ett bränsle.
Antas utgöra 81 % av fordonstypen, faktisk fördelning är 76 % ifall hänsyn tas till alla drivmedelstyper. Studien har avgränsats till att endast omfatta drivmedeltyperna ben- sin och diesel, varför en justerad fördelning har utförts.
o Personbil diesel, dvs. dieseldrivna fordon under 3500 kg som endast har ett bränsle.
Antas representera 19 % av fordonstypen, den sanna fördelningen är 17 % om hän- syn tas till alla drivmedelstyper.
• Fordon över 3500 kg.
o Lastbil utan släp. Studien har avgränsats till att endast omfatta drivmedeltypen diesel.
o Lastbil med släp. Analysen omfattar endast drivmedeltypen diesel.
Väggeometriska beskrivningar för de tre olika alternativen under vägutredningen, samt projekte- rad vägsträckning redovisas i bilaga A. I modelluppbyggnaden har det valts att inte beakta väg- korsningar, de har därför exkluderas i vägbeskrivningen.
De väggeometriska parametrarna som beskrivs är:
• Längdmätning (blocklängd). [m]
o Bestäms grafiskt från vägprofilritningen.
• Vägbredd. [m]
o Baseras på tvärsektioners dimensioner.
• Hastighetsgräns. [km/h]
o Grundas på tillgängliga underlag.
• Lutning. [‰]
o Bedöms med hjälp av vägprofilritningen, och ges som den lutning som råder mellan två tangeringspunkter. Vertikalradier delas upp i ett antal segment, där varje segment begränsas av två tangeringspunkter i x-led som möjliggör lutningsbestämning för vertikalradien. Modellen bygger på att den första tangeringspunkten är vid startkoordinaten för väg- sträckan. Efter en viss sträcka kommer andra tangeringspunkten, som i sin tur utgör första tangeringspunkten för nästkommande segment.
• Horisontalradie. [m]
o Läses av från vägprofilritningen.
• Tvärfall. [%]
o Fastställs från bygghandlingens vägprofilritningar för det projekterade alternativet. Vägprofilritningar för de tre olika alternativen under vägutredningen saknar bestämning av tvärfall. Vägbeskrivningarna till- delas lämpligt tvärfall/skevning enligt Trafikverkets föreskrifter istäl- let.
Vägytans förhållanden beskrivs av makrotextur som mäts i MPD (Mean Profile Depth), samt vägen längsgående ojämnheter som mäts i IRI (International Roughness Index). Vägytan har i samtliga beräkningsfall angivits en makrotextur motsvarande 0,912 mm, vilket är medelvärde för den typ av väg som det studerade vägobjektet representerar (Hammarström, 2012). Inverkan av vägens ojämnheter har inte beaktats i studien.
Fordonen i modellen beskrivs genom att specificera fordonstyp. Fordonsdata för respektive fordonstyp redovisas i bilaga A. De fordonstyper som ingår i studien är:
• Fordon under 3500 kg.
o Personbil bensin, dvs. bensindrivna fordon under 3500 kg som endast har ett bränsle.
Antas utgöra 81 % av fordonstypen, faktisk fördelning är 76 % ifall hänsyn tas till alla drivmedelstyper. Studien har avgränsats till att endast omfatta drivmedeltyperna ben- sin och diesel, varför en justerad fördelning har utförts.
o Personbil diesel, dvs. dieseldrivna fordon under 3500 kg som endast har ett bränsle.
Antas representera 19 % av fordonstypen, den sanna fördelningen är 17 % om hän- syn tas till alla drivmedelstyper.
• Fordon över 3500 kg.
o Lastbil utan släp. Studien har avgränsats till att endast omfatta drivmedeltypen diesel.
o Lastbil med släp. Analysen omfattar endast drivmedeltypen diesel.
Modellen bygger på att bränsleförbrukningen bedöms per fordonstyp och sträckenhet genom att volymen förbrukat bränsle beräknas. Energianvändningen uttryckt i enheten Joule fås genom att multiplicera volymen konsumerat bränsle med bränslets densitet, och sedan med energiinnehållet i bränslet. Den totala energianvändningen för trafiken fås genom att addera energianvändningen för alla fordonstyperna med hänsyn till dess trafikvolym och årliga trafikförändring under den kalkylerade livslängden 20 år.
Trafikförutsättningar som ligger till grund för utformning och dimensionering har hämtats från Trafikverket, samt objektteknisk beskrivning för väganläggningen. I tabell 3.1 redovisas trafikför- utsättningarna. Trafikförhållandena har antagits vara identiska för samtliga vägalternativ, eftersom inget av vägalternativen omfattar en vägsträckningsdragning som innebär tillförsel av trafik.
Parametrar Beskrivning
Referenshastighet 100 km/h
ÅDT 2008 (mätår) 4570 fordon/dygn
ÅDT 2014 (öppningsår) 4894 fordon/dygn
Andel Tung trafik 12 %
Årlig medeltrafikförändring, personbil +1,0 % Årlig medeltrafikförändring, tungtrafik +2,2 % Fördelning lastbil med/utan släp 45 % /55 %
Tabell 3.1 Trafikförutsättningar väg 55, delen Yxtatorpet - Malmköping.
Väderleksförhållanden bedöms vara normala och beskrivs av:
• Vindhastigheten, som antas vara 2,5 m/s.
o Ökad vindhastighet medför förhöjt luftmotstånd och högre bränsleförbrukning.
• Lufttemperaturen, som bedöms vara 8 oC.
o Ökad lufttemperatur medför reducerat luftmotstånd.
• Lufttrycket, vilket förutsätts vara 1,013 bar.
• En delmodell för beskrivning av nederbörden på vägytan, men som inte beaktas i studien.
Svenskt körbeetende för aktuell typ av väg väljs för att simulera fordonskörningen. I VETO- modellen används ett begrepp benämnt eftersträvad hastighet. I Bilaga A redovisas data för körbeetendet.
Hastigheten bestäms genom en kombination av:
• Vägbredd.
o Ökad bredd medför högre hastighet.
• Hastighetsgräns.
o Skyltad hastighet anges i form av hur den efterlevs för respektive trafikledstyp.
• Vertikalkurvatur.
o Hastigheten påverkas av lutning samt tvärfall.
• Horisontalkurvatur.
o Hastighetsreduktionen i horisontalkurvor ökar med minskad kurvradie, och resul- terar i retardation före horisontalkurvatur och acceleration sträckan efter. Hori- sontalkurvor med radie större än 1000 m påverkar inte hastigheten, eftersom mo- dellen betraktar dessa som raksträcka.
• Gaspådrag.
o Ges för acceleration som en funktion av körsituationen. I modellen används samma gaspådrag oberoende av körsituation.
Modellen bygger på att bränsleförbrukningen bedöms per fordonstyp och sträckenhet genom att volymen förbrukat bränsle beräknas. Energianvändningen uttryckt i enheten Joule fås genom att multiplicera volymen konsumerat bränsle med bränslets densitet, och sedan med energiinnehållet i bränslet. Den totala energianvändningen för trafiken fås genom att addera energianvändningen för alla fordonstyperna med hänsyn till dess trafikvolym och årliga trafikförändring under den kalkylerade livslängden 20 år.
Trafikförutsättningar som ligger till grund för utformning och dimensionering har hämtats från Trafikverket, samt objektteknisk beskrivning för väganläggningen. I tabell 3.1 redovisas trafikför- utsättningarna. Trafikförhållandena har antagits vara identiska för samtliga vägalternativ, eftersom inget av vägalternativen omfattar en vägsträckningsdragning som innebär tillförsel av trafik.
Parametrar Beskrivning
Referenshastighet 100 km/h
ÅDT 2008 (mätår) 4570 fordon/dygn
ÅDT 2014 (öppningsår) 4894 fordon/dygn
Andel Tung trafik 12 %
Årlig medeltrafikförändring, personbil +1,0 % Årlig medeltrafikförändring, tungtrafik +2,2 % Fördelning lastbil med/utan släp 45 % /55 %
Tabell 3.1 Trafikförutsättningar väg 55, delen Yxtatorpet - Malmköping.
Väderleksförhållanden bedöms vara normala och beskrivs av:
• Vindhastigheten, som antas vara 2,5 m/s.
o Ökad vindhastighet medför förhöjt luftmotstånd och högre bränsleförbrukning.
• Lufttemperaturen, som bedöms vara 8 oC.
o Ökad lufttemperatur medför reducerat luftmotstånd.
• Lufttrycket, vilket förutsätts vara 1,013 bar.
• En delmodell för beskrivning av nederbörden på vägytan, men som inte beaktas i studien.
Svenskt körbeetende för aktuell typ av väg väljs för att simulera fordonskörningen. I VETO- modellen används ett begrepp benämnt eftersträvad hastighet. I Bilaga A redovisas data för körbeetendet.
Hastigheten bestäms genom en kombination av:
• Vägbredd.
o Ökad bredd medför högre hastighet.
• Hastighetsgräns.
o Skyltad hastighet anges i form av hur den efterlevs för respektive trafikledstyp.
• Vertikalkurvatur.
o Hastigheten påverkas av lutning samt tvärfall.
• Horisontalkurvatur.
o Hastighetsreduktionen i horisontalkurvor ökar med minskad kurvradie, och resul- terar i retardation före horisontalkurvatur och acceleration sträckan efter. Hori- sontalkurvor med radie större än 1000 m påverkar inte hastigheten, eftersom mo- dellen betraktar dessa som raksträcka.
• Gaspådrag.
o Ges för acceleration som en funktion av körsituationen. I modellen används samma gaspådrag oberoende av körsituation.
