Energy use and emissions by rail transport; description and results of the model PRORIN

Specific energy use by trains is generally based on aggregated data on energy use and transport volume (top-down method). However, in order to determine specific energy use for new rail concepts or to assess the effects of changes in for example train speed, a bottom-up method is essential. A bottom-up method uses physical, operational and logistical train characteristics. This report decribes the development and application of a bottom-up model (PRORIN) for assessing energy use and emissions by both passenger and freight rail transport. The model calculates traction energy using formulas for the correlation between physical, operational and logistical characteristics on the one hand and energy use on the other. Subsequently well-to-wheel energy use is calculated using efficiencies of distribution and conversion of energy. The characteristics are obtained from literature and from measurements performed for this project. In the case of elektric trains, emissions are calculated using the results of a separate research project which focussed on emissions from electricity plants. PRORIN has been used to assess energy use by and emissions from passenger rail transport in 1998. The bottom-up result for total energy use appears to correspond fairly well with the value reported by the Dutch railway company. However, in the case of freight rail transport there is a large gap between the result obtained with the bottom-up and the top-down value reported by the Dutch railway company. We assume the reasons for this gap have to be addressed to train shunting, which has not been modeled yet, and to the underestimation of the number of empty railroad carriages.Het specifieke energiegebruik door treinen wordt in het algemeen berekend op basis van geaggregeerde gegevens over energiegebruik en vervoersprestatie (top-down methode). Om het energiegebruik (en de emissies) van nieuwe railconcepten te kunnen berekenen of om het effect van veranderingen op het spoor te kunnen berekenen is een top-down methode echter niet geschikt maar moet een bottom-up methode worden gebruikt. Een bottom-up methode berekent het energiegebruik van treinen uitgaande van de fysische, operationele en logistieke kenmerken. Dit rapport beschrijft de ontwikkeling en toepassing van een bottom-up model (PRORIN) voor de berekening van het energiegebruik en de emissies (CO2, SO2 en NOx) door het personen- en goederenvervoer per spoor. Zowel elektrische treinen als dieseltreinen komen aan bod. Het model berekent de aan de treinwielen benodigde aandrijfenergie met behulp van formules voor het verband tussen de fysische, operationele en logistieke kenmerken enerzijds en het energiegebruik aan de wielen anderzijds. Met behulp van de rendementen voor de distributie en omzetting van energie is vervolgens het well-to-wheel energiegebruik berekend. De verschillende kenmerken evenals de rendementen zijn geschat op basis van de literatuur of eigen metingen. Bij de berekening van de emissies door elektrische treinen is gebruik gemaakt van de resultaten van een afzonderlijk onderzoek gericht op de emissies door elektriciteitsopwekking. Met PRORIN is het energiegebruik van het personenvervoer per spoor in 1998 berekend en vergeleken met de door de Nederlandse Spoorwegen (NS) opgegeven waarde. Het blijkt dat de berekende waarde goed overeenkomt met de NS-waarde. Bij het goederenvervoer zijn er echter grote verschillen gevonden. De redenen hiervoor moeten vermoedelijk worden gezocht in het feit dat het rangeren van treinen niet gemodelleerd is en/of in een onderschatting van het rijden met lege wagons