Fremtidens jernbane kører på batteri – det er grønnere og billigere

- Uffe Palludan er uafhængig trafikekspert. Han har bl.a. arbejdet som økonom i DSB, fuldmægtig i Finansministeriet, hvor han arbejdede med vej- og havneplanlægning og organisering af Trafikministeriet  samt forskningschef i Instituttet for Fremtidsforskning. Uffe Palludan har arbejdet som strategisk rådgiver for Københavns Lufthavne og for Københavns Havn og har desuden arbejdet for bl.a. SAS, HT, Vejdirektoratet. Han formulerede visionen om at skabe den integrerede Ørsundsregion, da man besluttede at bygge Øresundsbroen for transittrafikken. I dag er han direktør for Palludan Fremtidsforskning. Dette indlæg handler om en god idé, han fik i 2008, der kan spare Danmark for milliarder.

I Skandinavien har jernbanen stor politisk bevågenhed. Men desværre fører den gode vilje ofte til, at der investeres de forkerte steder. Det skyldes, at jernbanesektoren er meget konservativ og derfor undviger nye løsninger. Samtidig er der stærke økonomiske interesser knyttet til at fastholde og udbygge de eksisterende, men forældede og ofte meget dyre systemer. Det fik Palludan Fremtidsforskning at mærke i 2009 og det kommer danske skatteborgere til at mærke på pengepungen i de kommende år.

Længe før den milliard-dyre elektrificering af de danske baner er tilendebragt, risikerer den nemlig at være forældet og værdiløs.

Fremtidens tog vil køre på batterier og det gælder også fremtidens godstog og højhastighedstog. Det uddybes i det følgende.

En virkelig god idé

I 2008 fik Uffe Palludan inspireret af debatten om el-biler den gode idé, at også tog måtte kunne køre på batterier. Det var i virkeligheden meget mere oplagt, at lade tog køre på batterier end at drive biler med batterier. Batteritog overflødiggør milliardinvesteringer i el-infrastruktur, mens el-biler er meget dyrere end benzinbiler.

Modsat batteribilen er perspektivet i batteritog en potentiel milliardgevinst for samfundet: Batteritog er dermed noget så usædvanligt, som en grøn teknologi, der er billigere end det ikke-grønne alternativ. Og batteritog er ”grønnere” end almindelige el-tog. De kan nemlig køre på strøm produceret om natten, dvs. overskudsstrøm fra vedvarende eneregikilder. De kan køre over alt også på de strækninger, der ikke påtænkes elektrificeret. Og endeligt nødvendiggør de ikke lokomotivskift eller kørsel med dieseltog under køreledninger, fordi kun en del af nettet er elektrificeret. Til gengæld bruger almindelige eltog typisk strøm, når elektricitetsforbruget når sine peak-hours i myldretiden, dvs. de bruger den marginalt produerede strøm, der i praksis er produceret med kul og dermed belaster CO2-regnskabet.

I samarbejde med DONG Energy gennemførte Palludan Fremtidsforskning i 2008-09 et projekt, der viste, at potentialerne var meget store og endda større end det i udgangspunktet var forventet. Men der var i det konservative jernbane-Danmark ingen interesse for et grønnere og billigere alternativ til kabelelektrificering.

I det følgende skal det derfor forklares, hvorfor ideen er  god og hvorfor man politisk bør gå videre med den. Men allerførst skal det nævnes, at der netop nu sker rigtigt meget på batteritogsfronten, blot ikke i Danmark, kun i udlandet. Danmark har forspildt en historisk chance om at være globalt førende indenfor fremtidens clean-teck.

To eksisterende teknologier

I dag er el-tog almindeligt udbredte, også i Danmark, så man har allerede elektrisk materiel. Dette elektriske materiel kan umiddelbart batterificeres. Samtidig har vi i dag gode batterier, så det er egentligt bare at forbinde batterierne med togene. Der er tale om to eksisterende teknologier. Ikke noget med vilde eksperimenter. Det vilde er tanken. Opgaven bliver at få skabt forståelse for mulighederne.

Strøm er strøm

I udgangspunktet er strøm strøm! Der findes kun en slags. Strøm fra batterier er nøjagtig lige så god som anden strøm. Spændingen kan reguleres og jævnstrøm fra batterier kan let omdannes til vekselstrøm, således som det sker for de københavnske S-tog, der kører på jævnstrøm fra ledningerne, men har motorer, der kører på vekselstrøm. Der er kun følgende udestående spørgsmål: Hvor store skal batterierne være for det fungerer? Altså, kan de være i togene? Hvad vejer de? Hvad koster de? Og dermed, hvor langt kan man køre på en opladning?

Svaret på disse spørgsmål er el-bilens achilleshæl: Et el-bilbatteri fylder og vejer og så er det dyrt. Det koster det lige så meget som en bil (uden afgifter)! Derfor slår el-bilen ikke igennem før, der er sket et batteriteknologisk skift. Man har talt om el-biler som fremtiden i årtier. Ellerten har nu 30 år på bagen.

Derfor er alle el-biler bortset fra milliardær- og politikerlegetøjet Tesla udstyret med batterier, der ikke er store nok. Det handler om plads, vægt og naturligvis pris. El-biler udgør derfor ikke et seriøst alternativ til almindelige biler. En el-bil med batteri koster ikke bare det dobbelte af en benzinbil. Batteriet, der koster lige så meget som en bil, skal udskiftes hver 5 – 7. år.

Det stiller sig helt anderledes med tog: Der er hverken pladsen, vægten eller økonomien et problem. Tværtimod.

Men det er svært at forestille sig noget nyt, som tog drevet af batterier. Derfor er det helt centralt, at der har været batteridrevne tog i drift flere steder. De mest interessante er de tyske, der kørte gennem 100 år og på grund af gode erfaringer blev produceret i et meget stort antal. I det følgende beskrives kort de tyske tog og derefter fremtidens batteritog.

De tyske erfaringer med batteritog

I efterkrigstiden blev der frem til 1965 i Vesttyskland bygget 250 akkumulatordrevne el-motorvogne. Baggrunden var positive erfaringer med akkumulatordrevne el-motorvogne produceret før krigen. Den sidste akkumulatordrevne el-motorvogn blev taget ud af drift i 1995. Der var tale om en batteriteknologi, der i dag er forældet. Nu har nye batterityper udviklet efter årtusindskiftet grundlæggende ændret på rationalet ved at drive tog med batterier. Det samme har CO2-dagsordenen.

De  vesttyske tog var udtryk for en fuldstændig optimeret udnyttelse af den tids blysyre-akkumulatores muligheder i jernbanesammenhæng. Togene fik strøm fra akkumulatorer, som de der er i almindelige biler, blot var de større. Alene det, at det kunne lade sig gøre, er tankevækkende. I dag er det en helt helt anden batteriteknologi, der er relevant.

Der var tale om selvkørende motorvogne til passagerer med akkumulatorer. De kunne potentielt trække en enkelt påhæftet vogn, men ikke mere. Rigtige tog med flere vogne rakte akkumulatorernes kapacitet ikke til.

En traditionel persontogvogn vejer 50 tons, men det er muligt at lave en let vogn på kun 30 tons (som f.eks. de danske IC3-vogne). Når man således skærer 20 tons i vægten, kan vognen i princippet bære 20 tons batterier uden at veje mere end en almindelig vogn. Det var netop, hvad man gjorde. Plads til batterierne fandt man under vognen mellem hjulene, hvor der normalt er et uudnyttet tomrum. Så batterierne optog ikke nogen plads og der var ikke noget vægtproblem. Motorerne  var i akslerne, ligesom i andre el-tog. Hele vognkassen kunne derfor bruges af passagererne (og til lokoførerens arbejdsplads). En sublim udnyttelse af teknologiens begrænsede muligheder.

En sådan 30 tons vogn med 20 tons batteri på i alt 50 tons kunne som almindeligt persontog køre 400 km på en opladning, dvs. med mange accelerationer (de kunne ikke regenerere bremseenergi). Som il-tog, dvs. med færre accelerationer kunne de køre 500 km på en opladning. Batteriet kunne altså lige netop drive en vogn med sig selv og måske en ekstra vogn, men så ikke mere. Men 500 km som il-tog var ikke dårligt. I Danmark ville det svare til strækningen København – Aalborg uden opladning. Derfor blev der bygget 250 af dem (i perioden 1955-65). Og de var en succes, støjsvage og komfortable og Deutsche Bundesbahn overvejede i 1980erne, da de var modne til udskiftning seriøst at bygge en ny moderniseret udgave, der skulle have ladet op fra almindelige køreledninger og have regenereret bremseenergi. Men man satsede i stedet på dieseltog. Det var før miljødagsordenen var sat.

Ny batteriteknologi

Siden den sidste blev taget ud af drift i 1995, er batteriteknologien blevet udviklet kraftigt. De nye Li-Ion batterier (de moderne el-bil-batterier), der ikke eksisterede dengang, rummer fem gange mere energi end de gamle bly-syre akkumulatorer i forhold til vægt og rumfang. Det ændrer fuldstændigt ved batteriers anvendelsesmuligheder og gør dem relevante i fremtidens tog. Det er et eksempel på, at teknologiudvikling skaber grundlag for anvendelse af en teknologi i sammenhænge, hvor man tidligere ikke kunne forestille sig det,  f.eks.anvendelse af batterier i telefoner og computere og faktisk også i biler, hvor batteriernes pris så til gengæld er problemet.

Et kvantespring

Man kan gøre sig det tankeeksperiment, at man installerede et 20 tons Li-Ion-batteri i en af de gamle elektriske motorvogne. Den ville så i stedet for at kunne køre 500 km på en opladning kunne køre fem gange så langt, dvs.  2500 km. Det svarer til tre dobbeltture København-Aalborg eller en enkelttur til Rom uden opladning. Der ville kort sagt være et meget stort energioverskud, som også ville kunne anvendes til at trække et antal ekstra vogne. Dermed ville de elektriske motorvogne potentielt kunne blive til lokomotiver. Altså et kvantespring til en anden funktion. Fra at være selvkørende til at være trækkraft.

Når et 20 tons blysyre-batteri kunne trække 50 tons over 500 km, så kunne man umiddelbart tro, at et Li-Ion batteri med fem gange så meget energi kunne trække 250 tons over den samme strækning, men helt så enkelt er det ikke. Energiforbruget er nemlig ikke alene knyttet til transportarbejdet, men også til acceleration, hastighed, vindmodstand mv. At energiforbruget er knyttet til vindmodstanden, betyder alt andet lige, at jo tungere og dermed længere tog er, jo mindre energi anvender de pr. vogn. Dermed er de 250 tons i praksis en undervurdering.

Vore beregninger viste, at energiforbruget pr. vogn, når togene bliver lange, dvs. er på godt 10 vogne, konvergerer mod 60% af forbruget i en selvkørende motorvogn givet almindeligt kørselsmønster. Er togene lange, vil batterier således kunne trække 1 2/3 af den nævnte vægt på 250 tons, svarende til 417 tons, dvs. sig selv (50 tons) plus 367 tons svarende til 12 vogne à 30 tons over en strækning på 500 km. Altså et helt tog. (Vi ser bort her fra af de naturligvis ikke havde motorkraft og vægt til at trække et så tungt tog).

Dermed tegner anvendelsen af Li-Ion batterier som drivmiddel i tog et billede af lokomotivets genfødsel som batterilokomotiv. Man kan jo som tankeeksperiment forestille sig, at man ombyggede en af de tyske batterimotorvogne til lokomotiv og anbragte ikke ét, men i alt fire 20 tons Li-Ion batterier i vognen, så ville energimængden blive firedobbelt og man kunne frem for at køre 500 km køre 2000 km med 12 vogne, eller 500 km med i alt ca. 50 vogne à 30 tons (hvis ellers der var motorkrat til det).

Det er dybt tankevækkende tal.

Og så har vi endnu ikke diskuteret muligheden for at regenerere bremseenergi. Den mulighed vil ifølge vore beregninger yderligere mindske energiforbruget med 1/6.

Nu kan det naturligvis næppe i praksis lade sig gøre at ombygge de tyske motorvogne til lokomotiver,  men det er muligt at ombygge eksisterende dieselelektriske lokomotiver. Man behøver blot at tømme dem for indhold, dvs. for dieselmotor, el-generator og den kontravægt, der er i dem, så de kan trække tunge tog og så erstatte alt det med batterier. Selve lokomotivets trækmotorer, de såkaldte banemotorer, er elmotorer, der sidder i hjulene, behøver ikke at blive udskiftet. Dermed har man ombygget et dieselelektrisk lokomotiv til et batterielektrisk lokomotiv. Et almindeligt dieselelektrisk lokomotiv vejer 120 tons. Forestiller man sig, at det kan rumme bare 80 tons batterier, så har man en trækkraft, som den der blev nævnt ovenfor, der kunne trække ca. 50-60 vogne à 30 tons over en strækning på 500 km på en opladning.

Men man kan jo også koble to batterilokomotiver sammen eller koble en eller flere godsvogne med batterier på toget, så man flerdobler energimængden. Så har man virkeligt meget energi.

Derfor vil batteridrevne tog være fremtiden, hvis blot  de økonomiske interesser i at opretholde et forældet system får modstand fra politisk hold.

Her er altså løsningen på den sjællandske regionaltrafiks problemer. Man kan sagtens ombygge ME-lokomotiverne. Og så har man støjsvage og ikke forurenende lokomotiver. Måske kunne man også ombygge IC4 til vognstammer trukket af en batterielektrisk lokomotiver?

Der mest fascinerende er, at trækkraften er så stor, at man kan anvende  batterielektriske lokomotiver som trækkraft for godstog. Selv de svenske transitgodstransporter gennem Danmark nødvendiggør derfor ikke elektrificering med ledninger.

Og ikke kun det: Energioverskuddet er så stort, at batterier kan anvendes til højhastighedsdrift. Faktisk kan man forestille sig batteridrevne højhastighedstog. De europæiske højhastighedstog vejer alle mindst 50 tons pr. vogn, mens moderne japanske shinkansen højhastighedstog af aluminium kun vejer 30 tons pr. vogn, så man kan sagtens lave højhastighedstog drevet af Li-Ion-batterier.

Økonomien

Tilbage er økonomien.

Forskellen på batteritog og batteribiler er, at alternativet til batteribiler er billige benzinbiler, mens alternativet til batteritog er en dyr elektrificering med ledninger, dvs. store infrastrukturudgifter.

Samtidig er alternativet til drift med batteritog ledningsdrift, der vil påføre banerne og samfundet voldsomme vedligeholdelsesudgifter til ledningsnettet. I vore beregninger kom vi frem til at udgifterne til drift og vedligeholdelse (dvs. løbende udskiftning) af en batteribestand i de danske baner ville være mindre end udgifterne til drift og vedligeholdelse af et tilsvarende ledningselektrificeret banesystem. Det kom vi frem til ud fra BaneDanmarks regnskab. Sat på spidsen kan det altså betale sig at pille allerede ophængte køreledninger ned og indføre batteridrift!

Hertil kommer udgifterne til investeringerne, som selvsagt er den alt overskyggende udgift.

Hvor dyr elektrificering er, kan illustreres af, at elektrificeringen af strækningen Esbjerg-Lunderskov, en dobbeltsporet strækning på 56 km, anslås at koste 1,2 mia. kr. Det er et meget stort beløb, set i forhold til, hvad man får for pengene.

Ser man strækningen som ”et lukket system”, ligesom den samlede, potentielt ledningselektrificerede danske jernbane vil være et lukket system f.eks. med sin egen strømstyrke, så udgør det en miniudgave af hele det danske jernbanesystem. Spørgsmålet er, hvor stor driften i sådan et lille lukket jernbanesystem, som Esbjerg-Lunderskov er? Antages det, at tog tilbagelægger strækningen med en gennemsnitshastighed på 112 km/t svarer det til, at de 56 km tilbagelægges på en halv time. Hvis det samtidig antages, at der køres med halvtimes drift, vil der altså permanent være to tog i drift på strækningen. Da Vestjylland er tyndt befolket, må det antages at være små tog, f.eks. to IR4 firevogns togsæt. Der er altså permanent i dette lukkede togsystem otte togvogne i drift.

Elektrificeringen af disse otte togvogne koster altså 1,2 milliarder kr. svarende til 150 mio. kr. pr. vogn. Hvis vi siger et bilbatteri koster 75.000 kr. ville man kunne få hele 2000 bilbatterier pr. togvogn for det, det koster at elektrificere strækningen og samtidig spare udgifterne til vedligeholdelse af ledningerne. Det skal nævnes, at energiforbruget er ca. 10 gange større for en IR4-togvogn på 30 tons i alm. drift end for en bil på 1 tons. Der er altså kun et behov for 80 bilbatterier, hvis togene skal kunne kunne køre så langt som en el-bil, hvilket er mere end en dobbelttur Esbjerg-Lunderskov. Batterificering kan således anslås at koste 80/2000 = 4 % af hvad ledningselektrificering koster, og driftsudgifterne er endda mindre.

Driftsudgifterne er også mindre, fordi den strøm, der tappes om natten, stort set er gratis, da der er tale om vindstrøm, der produceres, når det blæser, selv om der ikke er behov for den på det tidspunkt. Det var det, der var baggrunden for DONG og Better Places el-bil-projekt.

Hertil kommer imidlertid en meget vigtig yderligere pointe: Man kan kombinere batteridrift med ledningsdrift og lade togene køre under køreledninger samtidigt med de lader op. Det betyder i praksis, at man kan elektrificere accelerationsstrækninger og accelerere togene på strøm fra køreledninger og vedligeholde hastigheden med strøm fra batterier. Da tog er tunge bruges meget energi til acceleration og da gnidningsmodstanden på skinner er lille, bruges kun beskedne mængder strøm til at vedligholde hastigheden. Da bremseenergi samtidig lagres i batterierne kan behovet for batterier i tog på denne måde mindskes til et absolut minimum.

Der er kort sagt umiddelbart besparelser for Danmark på 10-15 milliarder kr. at hente ved øjeblikkeligt, at standse ledningselektrificeringen af de danske baner og i stedet at satse på at udvikle batterielektisk matriel. Men skal Danmark igen til at eksperimentere med at udvikle nyt jernbanemateriel? Svaret er nej, og det vil blive begrundet i det følgende. Batteriteknologisk materiel vil kunne udvikles hurtigere, end man vil kunne nå at gennemføre den samlede elektrisicering af banerne.

Status: Nu sker der noget – bare ikke i Danmark

Siden Uffe Palludan og Søren Jensen fra Palludan Fremtidsforskning i 2008-09 arbejdede for DONGenergy er der sket meget på batteritogsfronten, men ikke i Danmark. Det sker i Japan - og i Storbritannien, hvor man har man et jernbanesystem, der mht. elektrificering minder om det danske.

Vores analyse var ”en forundersøgelse” af de samfundsmæssige perspektiver. Konklusionen var, at de potentielt var meget store og at man burde gå videre med et teknisk feasibilitystudie, men det kunne vi ikke komme igennem med på grund af konservatismen hos de danske baner.

Den 3. februar 2013 kunne man imidlertid læse en interessant artikel i the Guardian, der fortalte, at man man nu i Storbritannien ville igangsætte et sådant teknisk feasibilitystudie. Det skulle gennemføres for det britiske Departement for Transport af den anerkendte forskningsinstitution Transport Ressearch Labatory i samarbejde med Lloyd´s Register Rail og University of Birgmingham. Da studiets resultater forelå, stod det klart, at batteridrift var teknisk mulig.

Nu var ”vi” altså kommet et skridt videre. Næste skridt måtte blive et demonstrationsprojekt. Og et halvt år senere blev det offentliggjort, at briterne ville udvikle en prototype på et batteritog. Mere præcist ville man ombygge et elektrisk togsæt af typen Class 379 (det er de tog, der kører som lufthavnstog mellem Standsted lufthavn og Liverpool Street Station i London), et tog der umiddelbart kan sammenlignes med de danske IR4. Class 379 er bygget af Bombardier, ligesom  IR4-togene og det var Bombardier, der skulle stå for projektet. Protypen skulle være færdigudviklet med udgangen af 2014.

Der 13. august 2014 blev det så offentliggjort, at nu indledte man prøvekørsler i England.

Forinden var der imidlertid sket noget endnu mere interessant i Japan. Der havde man længe eksperimenteret med forskellige hybridløsninger, hvor man ligesom med hybridbiler kombinerer elektrisk drift og dieseldrift, så man kan regenerere bremseenergi i batterierne og dermed mindske forbruget af brændstof.

Der har man nu taget skridtet fult ud og droppet dieselmotoren helt, så det er et rent batteritog. Det blev sat i ordinær drift i marts 2014 på Karasuyama-linien 100 km nord for Tokyo.

Dermed er der igen ren batterielektrisk drift efter knap 20 års pause. Batteritog med moderne Li-Ion batterier og med regenerering af bremseenergi er i dag virkelighed, ikke en fjern fremtid.

Men i Danmark sker intet. Det går nærmest den gale vej. I foråret 2013 kunne statsministeren med Togfonden Danmark således offentliggøre, at man nu havde afsat de sidste 8,5 milliarder kr. til elektrificering af de danske baner. Forinden havde man besluttet, at investere milliarder i elektrificering af den nye bane mellem København og Ringsted og banen til Femern Bælt fra Ringsted til Rødby, samt Esbjerg-Lunderskov. Samlet investeringer på 10 – 15 milliarder kr., der risikerer at være helt overflødige før de er gennemført.

Nu er tiden inde til, at man besinder sig og tænker fremad og overvejer den grønneste og billigste løsning.

Henvisninger og links

Vedrørende Palludan Fremtidsforsknings studier

Jensen, Søren og Uffe Palludan: Kan batteridrift i tog helt eller delvist erstatte

køreledninger?  En forundersøgelse udført af Palludan Fremtidsforskning i samarbejde

med DONGenergy. Marts 2009

Palludan, Uffe: Novel consept for battery powered trains, Palludan Fremtidsforskning 2010.

Palludan, Uffe: Billig men overset ulighed. Ingeniørens kronik 23. maj 2013.

ing.dk/artikel/kronik-billig-men-overset-mulighed-158944

De tyske akkumulatormotovogne 1908-1995

Löttgers, Rolf: Die Akkutriebwagen der Deutschen Bundesbahn – ETA 150 und 176.

Franks Eisenbahnverlag, Stuttgart 1985. 144 sider.

Rittig, Franz: Akkutriebwagen.92 sider. Eisenbahn journal – Sonderausgabe 3/2006

de.m.wikipedia.org/wiki/Wittfeld_Akkumulatortriebwagen

de.m.wikipedia.org/wiki/DB-Baureihe_ETA_176

de.m.wikipedia.org/wiki/DB-Baureihe_ETA_150

Det britiske feasibilitystudie

Molyneux J (Lloyd´s Register Rail), H Bird, T Rasalingam (TRL) and T Bradbury(TRL): Battery-

Powered Trains: Feasibility Study for Battery Energy Storage and Propulsion on Trains.

Transport Ressearch Laboratory Published Project Report 551. 60 sider.

The Guardian: Battery-powered intercity trains possible, says government study.

February  the 3^rd. 2013

theguardian.com/uk/2013/feb/03/battery-powered-possible-study