Genomförande av Vertex Vertikala Järnvägsväxel

Projektet har som planerat bedrivits i två faser:

1. Fas 1-Utveckling av en optimerad teknikmodell

Den första fasen påbörjades under 2017 och resulterade i en modell av växeln (s.k. Mock-up) för att testa den teoretiska konstruktionen. Denna modell konstruerades i Vertex lokaler i Tollered och användes för att testa och med anlitad teknisk expertis vidareutveckla konstruktionen. Med hjälp av denna modell kunde konceptet demonstreras för referensgruppen som bestått av experter från Trafikverket och Chalmers, och efter deras godkännande kunde planeringen av den fullskaliga prototypanläggningen påbörjas. Detta var i februari 2018.
 

2. Fas 2-Tillämpning av teknikmodellen i prototypversionen av det nya systemet

Den andra fasen som handlat om att bygga upp en fullskalig prototyp i Kil, norr om Karlstad påbörjades under våren 2018 efter referensgruppens synpunkter och gillande på den första modellen. Under sommaren/hösten 2018 har den fullskaliga pilotanläggningen konstruerats och installerats på RZ-gruppens (Kils verkstäders) i Kil, tillsammans med projektets huvudsakliga partners RZ-gruppen, Infranord AB, UBAB, ÅF, m.fl., i samråd med Trafikverket. Den fullskaliga pilotanläggningen har designats och byggts under sommaren och hösten 2018. Slutförandet av konstruktionen och inledande provkörning av pilotanläggningen gjordes under oktober 2018. Trafikverket har ställt upp med montering av mätutrustning och med expertis för mätning av en mängd parametrar som behöver utvärderas över en längre tid.



Så snart testanläggningen i Kil blev klar har ett flertal experter och expertgrupper vid flera tillfällen besökt anläggningen för att studera den och ge sina synpunkter. Till dessa hör ett antal växelexperter från Trafikverket och experter från Charmec (Chalmers), som också deltagit i utvecklingen. Detta har bidragit till en successiv förbättring av konstruktionen. I november 2018, besöktes anläggningen av VAE systems (Voestalpine) som är en av världens största växeltillverkare, med säte i Österrike, tillsammans med Charmec och Trafikverket. Vid detta besök utvärderades konstruktionen och vi diskuterade förutsättningarna för att inkludera Vertex koncept i projektet In2Track-2 inom EU:s Horizon 2020 JU Shift2Rail. Både VAE, Trafikverket och Charmec ingår i Shift2Rail.

Teknisk konstruktion av pilotanläggningen i Kil

Pilotanläggningen som är uppförd på RZ-gruppens fastighet vid Kils verkstäder består av en 80 meter lång spåranläggning. I mitten är Vertex växel monterad och i den ena ändan är de det ett enkelspår och på den andra sida växeln delar sig spåret i två delar. Växeln är monterad i ett 13 meter långt betongfundament som har tillverkats av UBAB i vilket växelns lyftmekanism är monterad. Denna består av seriekopplade ”växellådor” som innesluter den patenterade lyftmekanismen. Lyftmekanismen i lådorna både smörjes och hålls vid rätt temperatur av miljövänlig olja som i sin tur värms upp av värmerör där det cirkulerar en uppvärmd glykolblandning. Testanläggningen började uppföras under våren 2018 efter att experter i referensgruppen från Charmec och Trafikverket hade godkänt den slutliga konstruktionen efter att de granskat den första modellen och föreslagit vissa justeringar. Under sommaren 2018 konstruerades betongfundament av UBAB och växellådorna tillverkades av RZ-gruppen Kils verkstäder. Infranord deltog med utläggning av slipers och räls. Utöver detta var ett antal ytterligare företag engagerade för t.ex. grundarbeten, elektriska installationer, mätutrustning, leverans och ombyggnad av järnvägsvagn med mera. I slutet av oktober var anläggningen tillräckligt klar för att testerna kunde påbörjas. Sedan dess har tekniska modifieringar gjorts och görs allteftersom testerna fortskrider.

Växelkonstruktionen

Anläggningen består ett 80 meter långt spår varav halva delen är enkelspår och halva är dubbelspår, och i mitten av detta är den 13 meter långa växeln monterad. Inuti denna är åtta s.k. växellådor monterade, fyra på vardera sida, som lyfter och sänker de s.k. växeltungorna som styr om fordonet ska gå rakt fram eller in på sidospåret. Detta testas med hjälp av en renoverad järnvägsvagn som har utrustats med en elmotor för kontinuerlig drift fram och tillbaka över växeln, dygnet runt. Vagnen växlas varannan gång in på det ena spåret och varannan gång på det andra. Texten nedan till höger om bild( from kontinuerlig drift Fjärrövervakning, via videoöverföring, är installerad i växeln och på området, och testerna är inställda för automatisk drift, med larm och automatiskt stopp om något oväntat inträffar. Under vintern har expertis från Trafikverket medverkat med uppsättning av sensorer och mätning av växelns prestanda vad gäller t.ex. belastningar i olika riktningar, vibrationer och rörelser i materialet. Anläggningen är inhägnad och är besiktigad för att garantera en säker drift.

Värmesystemet

Värmesystemet är ett vedertaget system där glykolblandat vatten värms upp eldrivna pannor (2 x 7 kW maxeffekt). Hur mycket effekt som används styrs av termostater både utanför växeln och inuti betongfundamentet. Vätskan cirkulerar ut till de ingjutna rören i betongkonstruktionen, samt till de ledningar av koppar som är dragna i de sammanlänkade växellådorna som är fyllda med miljövänlig olja. Oljan har två syften, dels att sörja för att eliminera friktionen som skapar den vertikala rörelsen i de mekaniskt rörliga delarna, och dels för att ge en stabil och bra spridning av värmen i hela växellådesystemet. Testerna av värmesystemet som påbörjades under 2018, och fortsätter under 2019, ska utröna hur mycket energitillförsel som behövs för en optimal uppvärmning av växeln, och om det behövs ett eller två värmeaggregat. Sensorer är också uppsatta för kontinuerlig mätning av energiförbrukning.

Resultat

Sammanfattande resultat

Resultaten av projektet kan sammanfattas som följer:

• Testanläggningen för den vertikala järnvägsväxeln är i drift sedan oktober 2018, och såväl energisystem som teknisk prestanda mäts kontinuerligt ”24/7/365” med 288 växelrörelser per dygn (12 per timma).
• Påbörjade tester av växelns uppvärmningssystem visar på att den inledande hypotesen att detta kan minska energiåtgången med 75 % jämfört med den uppvärmningsteknik som finns i konventionella växlar, håller.
• Projektet har bidragit till en ökad samverkan mellan ett stort antal aktörer, som dels kommer att vara värdefullt i fortsatta projekt för att vidareutveckla växeln.
• Projektet har bidragit till kunskapsutveckling och kännedom om det unika tekniska konceptet, bland alla deltagare i projektet, inklusive Trafikverket, medfinansierande myndigheter, industrin och akademiska parter. Detta har betydelse för att konceptet ska kunna kommersialiseras efter ytterligare tester och tekniska godkännanden.

Måluppfyllelse

Övergripande mål

Projektets övergripande mål ”att visa att det nya växelkonceptet fungerar i praktiken” har uppnåtts inom ramen för de begränsningar som valts i pilotanläggningen. Växeln som är monterad i ett 80 meter långt järnvägsspår testas med en elektrisk driven järnvägsvagn 24 timmar/dygn och 7 dagar per vecka. Den mekaniska funktionen i växeln fungerar och kommer att successivt förbättras för att ytterligare öka prestandan.

Specifika mål 1. Pilotkonstruktion av växel med energiprestanda för att nå en reduktion av energibehovet med 75 % för uppvärmning av växeln via konstruktion, materialval och styrparametrar. Pilotanläggningen är försedd med termostater och temperaturmätare både invändigt och utvändigt som styr hur mycket värme som ska tillföras via den cirkulerande glykolblandningen som värms upp av två 7 kW elpannor. Effektförbrukningen mäts kontinuerligt. Vintern 2018/19 var relativt mild i Kil där testanläggningen finns. Nedanstående diagram visar en analys av en av de kallaste veckorna i början av februari, i början av testdriften. Mätningarna visar att det behövs mindre energi än förväntat för att hålla växeln tillräckligt varm. Det är också tydligt att växelns konstruktion med betongfundament dels verkar isolerande och dels jämnar ut värmen mellan temperaturväxlingar. Man behöver inte högre temperatur än + 7–9 o C inne i växeln och för att uppnå detta räknar vi med en energitillförsel med 0,5–1,5 kW/timma beroende på yttertemperatur. De två nuvarande värmepannorna har en max-effekt på 7 kW vardera. Troligen krävs avsevärt mindre max-effekt vilket också minskar produktionskostnaden av växeln. Analysen visar att våra antaganden i ansökan till Energimyndigheten 2017 stämmer och att denna Vertex växel kommer att ha en avsevärt lägre energikonsumtion än de växlar som används idag uppvärmda med oisolerade el-slingor.

Förklaring av diagrammet:

• Under de första tre dagarna tillfördes en effekt på c: a 4,5 kW/timma vilket gav en onödigt hög temperatur inne i växeln.
• Energiförbrukningen 8–10/2 var högre (> 125 kW/dygn) trots lägre temperatur inne i växeln, vilket beror på att vi då arbetade med att optimera värmesystemet, med växelns lock öppet under längre tider.
• Den 11/2 har värmetillförseln optimerats, och växelns lock varit stängd hela dygnet, vilket syns i diagrammet. Energiförbrukningen är då mellan 2,3 kW/timma. 16 o C är dock en onödigt hög temperatur, och vid senare optimering kunde effekten sänkas till 0,5–1,5 kW/timma.
• För utvärderingen av värmesystemet kommer vintern 2019–20 att bli särskilt viktig, om det under någon period blir sträng kyla.

2. Uppnå en sådan mognadsgrad och kunskapsnivå att växelkonceptet kan delta i demonstrationsinsatser inom EU:s järnvägsprogram Shift2Rail. Detta mål realiseras genom en nära samverkan med Trafikverket och Charmec som båda ingår i delprojektet In2Track-2 inom JU Shift2Rail. Experter från Trafikverket och Charmec ingår också i Vertex referensgrupp. Vertex har tillsammans med dessa också haft möte, på plats i Kil, med Voestalpine/VAE systems som är en av världens största växeltillverkare, för att diskutera konceptet och eventuellt samarbete inom ramen för Shift2Rail. Trafikverket har vid färdigställandet av testanläggningen i Kil bistått med mätningar av ett antal tekniska parametrar som är viktiga för den fortsatta utvecklingen. En expert vid Trafikverket har också, inom ramen för Horizon-projektet In2Rail, genomfört en teknisk förhandsutvärdering av det tekniska konceptet, som ingår i en av rapporterna i detta projekt. Denna gjordes innan testanläggningen i Kil uppfördes, se publikationslista nedan.
Vår bedömning är att växelkonceptet hade en TRL-nivå 2-3 vid projektets start (experimental proof of concept). I början av 2019, när tester pågår vid testanläggningen i Kil, har konceptet mognat till TRL-nivå 3-5, beroende på vilka delar av växeln det handlar om. Målet är att den fortsatta utvecklingen av växeln ska öppna möjligheter för att etablera en testanläggning i Trafikverkets (eller andra) spår för fullskaliga tester. Då handlar det om TRL-nivå 7 (system prototype demonstration in operational environment)

Diskussion

Marknadsutmaningar

Den teknik som Vertex har utvecklat är banbrytande i ordets dubbla bemärkelse. Försöken i anläggning Kil visar att den vertikala växeln fungerar i praktiken. Konstruktionen med det unika uppvärmningssystemet gör att den är den konkreta lösningen på de växel- och signalproblem som järnvägssystemet har vintertid. Nästa steg är att testa den med fullskaliga tåg och i högre hastighet. En utmaning är att övertyga de som har nytta av tekniken att den är överlägsen befintlig teknik, som i princip är oförändrad sedan 1800-talet, med sina fel och brister. Vid upphandlingar av växlar är det lättare att köpa befintlig teknik än nya lösningar som inte är tillräckligt prövade. Det är därför det är så viktigt att Vertex vertikala växel utvecklas i samråd med Trafikverket som efterfrågar en växelteknik som är mer robust och driftssäker än dagens växlar som är känsliga för snö, is, och föroreningar, och tillsammans akademisk och industriell expertis inom området järnvägsväxlar.

Långsiktiga effekter

De effektmål som angavs i ansökan gäller fortfarande men för att kunna verifiera dessa krävs en längre tid av tester av det vertikala växelkonceptet. Effekterna som förutses är c:a 4000 ton minskade CO2-utsläpp per år, sänkta kostnader för snöröjning, vinterskydd och underhåll med 350 MSEK/år samt att den vertikala växeln förväntas ha en avsevärt längre livslängd. Beräkningen av minskade utsläpp bygger på ett antagande om knappt 60 g CO2/kWh och minskad energiförbrukning på 70 GWh. Effekt beror dock mycket på hur kallt det är och hur mycket CO2-utsläpp som beräknas den nordiska elmixen. Denna har varierat mellan 60–125 g/kWh under de senaste 10 åren. Det är viktigt att notera att en del av klimateffekten beror på minskad energiförbrukning i själva växeln, och för underhållet. En potentiellt ännu större del förväntas som indirekt effekt genom minskade avbrott i järnvägssystemet, vilket bidrar till att järnvägens tillförlitlighet ökar. Därmed kommer ännu fler att välja tåg framför bilen.

Finansiering av ny teknik

För den typ av banbrytande innovationer som Vertex vertikala järnvägsväxel är behövs medfinansiering från olika källor, eftersom vägen till kommersialisering är längre än vid successiv produktutveckling som görs i producerande företag. Finansiering från det svenska innovationssystemet är också en förutsättning för att denna typ av innovationer ska kunna utvecklas i Sverige. Sverige har under de senaste decennierna i princip avvecklat all industriell kompetens inom järnvägsteknikområdet. Vi har bra akademisk kompetens men det mesta av utveckling och tillverkning av järnvägsväxlar finns hos ett fåtal industriella aktörer, närmast i Tyskland, Österrike och Tjeckien. Energimyndighetens fortsatta engagemang för energieffektivisering inom järnvägssektorn är därför både önskvärd och nödvändig.

Publikationslista

Arne Nissen, Trafikverket (2018): H2020-In2Rail, Deliverable 2.6 Chapter 4.3, (confidential). Bo Johansson, Vertex (2018): Poster presenterad vid InfraSweden 2030 årliga projektkonferens i Stockholm 25 oktober 2018.

Referenser, källor

Nyhetsinslag i SVT Värmland 2019-02-26
Nyhetsinslag och direktintervju TV4 Nyhetsmorgon 2019-02-21-21
Ladda ner PDF