Energiøkonomisk togfremføring vs dimensjonering av jernbanens strømforsyningsanlegg - En casestudie av Jærbanen med tilhørende mulighetsstudie rundt bruk av batteri i banestrømforsyningen

Denne rapporten tar for seg hvorvidt det foreligger en mulig teknisk/økonomisk motsetning mellom energiøkonomisk togfremføring og dimensjonering av jernbanenes strømforsynings-anlegg. Den gjennomfører også en mulighetsstudie som omhandler bruk av batterier i den norske banestrømforsyningen. Målet med bruk av batteri er i hovedsak håndtering av topplast, slik at omformerstasjoner kan dimensjoneres med mindre ytelse. Med energiøkonomisk togfremføring menes kjøring med hurtig akselerasjon, med tilhørende høyt effektuttak under akselerasjon. Det er i forbindelse med dette arbeidet gjennomført et litteraturstudie der banestrøm-forsyning samt energiøkonomisering ble tatt for seg. Videre er Jærbanen benyttet som eksempelstrekning. Jærbanen beskriver strekningen fra Stavanger til Egersund, og er en del av Sørlandsbanen. Her er det gjennomført trafikksimuleringer i simuleringsprogrammet $\mu$Pas, med ruteplan som skal gjenspeile den forventede trafikken i 2027. Det er her gjennomført en casestudie, der trafikken er simulert med og uten seksjonering, samt med og uten pådragsbegrensning for begge tilfeller. Seksjonering er lagt ved Heskestad stasjon, slik at Jærbanen driftes i øy-modus med innmating kun fra Kjelland og Stavanger omformerstasjon. Når togene er ilagt pådragsbegrensning er begrensningen slik at togene kun kan trekke inntil 2/3 av nominell effekt. Videre er samtlige simuleringer (4) re-simulert etter at rutetabellen er modifisert. Det innebærer at tidspunktet der de høyeste effekttoppene oppstår er avdekket, og justeringer i rutetabellen er gjennomført slik at samtidig akselerasjon er unngått. Samtlige avganger på det tidspunktet er forskjøvet med 10 sekunder hver, slik at samtidig akselerasjon unngås. Denne prosessen omtales som modifikasjon av rutetabell. Fra simuleringene er det i hovedsak sett på høyeste effektopp til Stavanger og Kjelland omformerstasjon før og etter modifikasjon samt omformernes belastningskurve. Her blir det sett på hvordan det å unngå samtidig akselerasjon påvirker omformernes belastning. Videre er det tatt med taps - og energiberegninger, samt ekstra kjøretid i forhold til base case. Resultatene viser at for case 1 (base case) reduseres effekttoppene til Kjelland og Stavanger med henholdsvis 21.78 % og 23.03 % etter at rutetabellen modifiseres. For case 2 (pådragsbegrensing) reduseres effekttoppene tilnærmet 1/3, og modifseringen gir reduksjon i effekttoppene med 22.01 % og 13.54 % for Kjelland og Stavanger. Videre reduseres energibruken for alle togene over ett døgn med 1.66 MWh, og kjøretiden økes med 6.48 minutter. Case 3 (seksjonering) gir enda høyere effekttopper, og tilsvarende høyere reduksjon etter modifisering. Case 4 (seksjonering og pådragsbegrensning) gir redusert energibruk på 1.81 MWh og økt akkumulert kjøretid for alle tog med 8.82 minutter. De største effekttoppene skapes av at 5-6 tog akselererer samtidig, noe som finner sted klokken 07.59, 16.58 og 18.59. Her avdekkes det at dersom en unngår samtidig akselerasjon vil effekttoppene reduseres betraktelig. Rutetabellene bør konstrueres slik at andelen tog som akselererer samtidig reduseres. Når Bane NOR dimensjonerer omformerstasjoner gjennomføres simuleringer der rutetabellen ligger til grunn. Resultatene fra simuleringer er med på å bestemme ytelsen til stasjonen. Dersom ruteplanleggerne hadde unngått samtidig akselerasjon ville simuleringresultatene gitt lavere verdier for maks effektbehov, og ytelsen ville med det blitt dimensjonert lavere. Videre er det gjennomført en økonomisk analyse der tre ulike dimensjoneringsalternativer for Kjelland omformerstasjon vurderes. Resultatet er som følger: - Alternativ 1 - 2 x 35 MVA - 526.50 MNOK - Alternativ 2 - 2 x 25 MVA - 490.60 MNOK - Alternativ 3 - 2 x 45 MVA - 557.385 MNOK Kostnaden pr MVA for omformerstasjoner i den størrelsesordenen er ca 3.39 MNOK. Det viser seg at dersom en kan gå ned på størrelsen ved å unngå samtidig akselerasjon eller ilegge togene pådragsbegrensning, vil en kunne spare millioner. Differansen mellom alternativ 1 og 2 er 35.9 MNOK. Et viktig funn i dette arbeidet er at energiforbruket avtar når togene ilegges pådrags-begrensning, og med det bruker lengre tid på akselerasjonen. Det er også avdekket at det er veldig energiøkonomisk for togene å begrense toppfarten. Men for å ikke øke kjøretiden må togene akselerere hurtig opp i fart, hvilket medfører høye effekttopper. Dersom togoperatørene ikke fullt ut benytter den mulige hastigheten som jernbanen er dimensjonert for, men heller bruker den som en buffer i tilfeller der det er forsinkelser, er det en dyr buffer. Det å bygge jernbane med økt hastighet medfører en betydelig merkostnad, og kunne muligens vært unngått dersom det er tilfellet at togoperatørene sjelder benytter den. Det virker uansett til at togoperatører vil forsøke å kjøre på en slik måte som medfører hurtig akselerasjon med tilhørende høyt effektuttak, noe som fordyrer investeringen av nye omformerstasjoner. Videre er det i denne rapporten gjennomført en mulighetsstudie som omhandler bruk av batterier i den norske banestrømforsyningen. Målet er at batterier brukes til håndtering av toppbelastning (effekttopper), slik at omformerstasjonene kan dimensjoneres med lavere ytelse. Det er her gjennomført simuleringer i Matlab, der lasten er konstant og hentet fra case 1 fra simulering i myPas. Her simuleres fire ulike alternativer som ansees teknisk likestilt. Samtlige alternativer sammenlignes med nullalternativet, som er å investere i en 2 x 35 MVA omformer. Alternativ 1 innebærer å utsette investeringen av ny omformerstasjon i 20 år, og heller investere i batteripakke som kan yte 21 MW. Investeringen av batteriet gjøres i starten av analyseperioden. Det gir negativ NNV på -5.14 MNOK, og en nedgang i prisen på 13 % vil medføre break - even for dette alternativet. De andre alternativene innebærer å investere i omformerstasjon og batterier parallelt. Det viser å ikke være lønnsomt. Men i tilfeller der omformerstasjonene har lang restlevetid, men et økt kraftbehov tvinger fram nye investeringer kan det absolutt i fremtiden bli lønnsomt å investere i batterier for å utsette investeringen av ny omformerstasjon. Videre er det i denne økonomiske analysen medtatt kostnad knyttet til vekselretter og transformator for å transformere spenningen fra batteriene til 16.5 kV. Ved å koble batterier på en slik måte at ønsket spenning oppnås, er de mulig at transformatoren kan utelates. Videre finnes det også et DC - ledd i de statiske omformerstasjonene som benyttes i Norge i dag. I teorien vil en kunne koble batteriet på DC - linken, via en DC/DC - omformer. Denne omformeren er betraktelig billigere enn en konvensjonell likeretter som legges til grunn i analysen. Ved å redusere de nevnte kostnadsposter vil batterier komme bedre ut økonomisk enn hva som er tilfelle i studien