Polttoaineenkulutuksen ja hiilidioksidipäästöjen vähentäminen puutavarakuljetuksissa

Share |
10.03.2018 20:05

    

Johdanto Euroopan unioni on jälleen asettanut uusia tavoitteita päästöjen vähentämiseksi yleensä ja erityisesti liikenteelle. Käytännössä tämä tarkoittaa hiilidioksidia. Suomen osalta tuo vähennystarve on 39 % vuoden 2005 tasosta vuoteen 2030 mennessä. Tässä esityksessä tarkastellaan keinoja, miten tämä voitaisiin saavuttaa Suomessa puutavarakuljetuksissa.

Moottorien euronormit ja niiden mukaiset vaatimukset ovat jo nykyisin vähentäneet säädellyt päästöt (regulated emissions) jo niin alhaisiksi, ettei niillä ole enää mitään käytännön merkitystä. Keskeisin ongelma koskee hiilidioksidia, jonka tuotto on käytännössä lineaarisessa suhteessa polttoaineenkulutukseen. Niinpä hiilidioksidipäästöt voidaan määrittää riittävällä tarkkuudella määrittämällä ajoneuvojen polttoaineenkulutus. Mitä polttoaineenkulutuksen vähentämiseksi voidaan tehdä, on myös samalla toimenpideryhmä hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi.

Polttoaineenkulutuksen vähentäminen vaikuttaa samansuuntaisesti, ei pelkästään polttoainekustannuksiin, vaan myös kokonaisvaltaisesti kaikkiin muihinkin muuttuviin käyttökustannuksiin, joita ovat polttoainekustannusten lisäksi voiteluaine-, korjaus & huolto- sekä rengaskustannukset. Polttoainetta kuluu moottorin tekemään fysikaaliseen työhön, ja vaikka jarrutus ei suoraan lisää polttoaineenkulutusta, on siitä seurauksena kiihdytystarve jarrutuksen jälkeen, jolloin jarrutustyölläkin on polttoaineenkulutusta lisäävä vaikutus. Niinpä polttoaineenkulutuksella on selvä korrelaatio kuljetuskustannusten kanssa yleisellä tasolla.



Mahdolliset toimenpiteet Keskeisenä tavoitteena edellisen perusteella on siis polttoaineenkulutuksen minimointi. Ensimmäisenä toimenpiteenä tulee esille jo yli 40 vuotta Suomessa harjoitettu kuljetuspolitiikka eli ajoneuvojen tai ajoneuvoyhdistelmien koon (massat ja mitat) kasvattaminen. Massat on pääasiassa pyritty korottamaan siten, että akseleiden tai akseliryhmien massat ovat pysyneet samoina tiekuormituksen kannalta, mutta kokonaismassat ovat nousseet, mikä silloin tarkoittaa, että akselien lukumäärää on lisätty. Toisaalta tämä toimenpide on luonnollisesti lisännyt myös kaluston omaa massaa, mutta kuitenkin hyötykuorma (kantavuus) on lisääntynyt omaa massaa enemmän. On ilmeisen luonnollista, että massan kasvaessa kasvaa myös polttoaineenkulutus, kun se määritetään ajomatkayksikköä [ajnkm] kohti, mutta koska hyötykuorma kasvaa suhteessa enemmän kuin ajomatkayksikköä kohti määritetty polttoaineenkulutus, alenee polttoaineenkulutus kuljetussuoriteyksikköä [tkm = tonnikilometri] kohti määritettynä. Tämä politiikka on onnistunut ja sitä tulee edelleen jatkaa.



Edellä on jo mainittu, että kokonaismassojen korotuksen yhteydessä useimmiten kaluston oma massa on myös kasvanut erityisesti lisääntyneiden akseleiden vuoksi. Tämä on ollut tarpeen, jotta on vältetty tiekuormituksen lisääntyminen. Kompensaationa tälle tulee tarkastella, missä määrin kaluston omaa massaa voitaisiin muilta osin keventää. On selvästi havaittavissa, että erityisesti kotimaassa valmistetut perävaunut ovat varsin raskaita verrattaessa niitä esim. Keski-Euroopassa valmistettuihin vaunuihin. Terästen lujuusominaisuudet ovat kymmenien vuosien aikana kasvaneet rajusti.

Kolmantena seikkana esille tulevat kaluston oman massan lisäksi sen muut tekniset ominaisuudet. Nämä tarkoittavat lähinnä kulkuvastuksia, joita ovat vierintävastus ja ilmanvastus (aerodynamiikka).



Puutavarayhdistelmän aerodynamiikkaa tutkittiin jo 1980-luvulla, jolloin todettiin, että erityisesti kuormaamattomana ajettaessa pankoilla on merkittävä vaikutus polttoaineenkulutukseen. Pankkotolpat ovat kuin haravan piikit, joista jokainen omalta osaltaan ”haravoi” ilmaa ja lisää polttoaineenkulutusta huolimatta siitä, että edestäpäin katsottuna ne jäävät otsapinnan ja toistensa ”varjoon”. Tässä suhteessa on vielä paljon tekemistä.



Vierintävastus on keskeisin kulkuvastuskomponentti ajoneuvoyhdistelmässä. Kulkuvastuskertoimien arvoja on määritetty Suomessa coast down-menetelmällä. Menetelmä perustuu ajoneuvon vierintään vakiokaltevuuden omaavalla tieosalla, jolloin liike aloitetaan mahdollisimman suuresta nopeudesta ja sitä jatketaan pysähdykseen saakka. Vastusvoimat ovat ainoat liikkeeseen vaikuttavat voimat. Nopeus ajan ja matkan funktioina kerätään
sekunneittain, jolloin liikeyhtälöiden kertoimet voidaan määrittää regressioanalyysillä.(pienimmän neliösumman menetelmällä).

Akselien lukumäärä on yksi vierintävastuskertoimeen vaikuttava tekijä. Toistaiseksi on tutkittu vain yhdistelmiä, joissa on enintään seitsemän (7) akselia, mutta tavoitteena on vielä tämän vuoden aikana tehdä lisää mittauksia, joissa yhdistelmän akselien lukumäärä on edellistä suurempi, jopa 12 (HCT-yhdistelmät)

Vierintävastuskertoimeen vaikuttaa myös rengastus. Yksittäisrengastus parirengastukseen verrattuna vähentää vierintävastuskerrointa , mutta sen haittavaikutus on tiekuormituksen lisääntyminen. Rengastuksen vaikutuksen selvittäminen kuuluu myös tulevaan mittausohjelmaan.

Taustahistoria 1960-luvulla Suomessa elettiin kuljetuksissa vielä kehitysmaatasolla, vaikka kaluston tekniikka olisi jo n sallinutkin samat kokonaismassat kuin Euroopan mantereellakin. Suurin sallittu yhdistelmämassa Suomessa oli silloin 32 tonnia, tosin eräin poikkeuksin 35 tonnia, kun taas Keski-Euroopassa oli jo yleisesti käytössä 40 tonnin yhdistelmämassa, joka siellä tänä päivänäkin on vielä pääasiassa voimassa muutamaa harvaa poikkeusta lukuun ottamatta. Vuonna 1975 alkoi tapahtua. Suurimmaksi yhdistelmämassaksi tuli 42 tonnia, joka saavutettiin 3-akselisen kuorma-auton ja 2-akselisen varsinaisen perävaunun yhdistelmällä. Vuonna 1982 perävaunuun lisättiin yksi akseli, jolloin suurimmaksi sallituksi yhdistelmämassaksi tuli 48 tonnia. Vuonna 1990 perävaunuun lisättiin edelleen yksi akseli, jolloin maksimimassaksi tuli 53 tonnia ja lisäksi talvella maan jäätyneenä ollessa 60 tonnia. Vuonna 1993 60 tonnin kokonaismassa tuli voimaan kokoaikaisesti. Silloin yhdistelmät olivat joko 7-akselisia tai 8-akselisia.

Näillä toimittiin vuoteen 2013 asti, jolloin massoja jälleen korotettiin. Suurin sallittu massa on nykyään 76 tonnia, jos yhdistelmässä on vähintään 9 akselia ja perävaunun massasta vähintään 65 % on paripyöräakseleilla. Jos paripyörävaatimus ei toteudu, on suurin massa 69 tonnia.



Lisäksi on määräaikainen kokeilu tätäkin suuremmille ajoneuvoyhdistelmille. Tällä hetkellä suurin yhdistelmä koostuu autosta, puoliperävaunusta ja varsinaisesta perävaunusta. Sen maksimimassa on 104 tonnia, ja siinä on 13 akselia. Näitä kokeiluajoneuvoja sanotaan HCT-yhdistelmiksi (HCT = High Capacity Transportation).

Kun otetaan huomioon yleiseurooppalainen taso tänä päivänä ja verrataan kehitystä Suomessa siihen, voidaan varmuudella todeta, että Suomi on jo tehnyt osansa ilmastotalkoissa. Tämäkin seikka tulee ohessa todetuksi, mutta päähuomio kohdistetaan vuoteen 2005 ja siihen, mitä sen jälkeen on tapahtunut ja mitä vielä on tehtävissä.

Tarkastelumenetelmä Tarkastelumenetelmänä käytetään simulointia, joka perustuu ajoneuvodynamiikkaan. Lähtötietoina ovat ajoneuvojen moottorikartat sekä muut tekniset tiedot samoin kuin liikenneverkon tekniset ominaisuudet. Lisäksi lähtötietoina ovat ajotapatiedot; tavoitenopeus ja vaihtostrategia.

Simulointia käytetään sen vuoksi, että kaikki muut lähtötiedot, jotka eivät ole tarkastelumuuttujia, voidaan vakioida. Kenttäkokeissa se olisi mahdotonta, sekä lisäksi kenttäkokeet olisivat aivan liian työläitä.

Tarkasteltavat tapaukset Simulointiajot on suoritettu valtatiellä 4 Helsingin ja Oulun välillä molemmissa ajosuunnissa. Reitin alku- ja loppupisteiden välinen korkeusero on vain viisi (5) m (Oulu korkeammalla), joten polttoaineenkulutusero ajosuuntien välillä on minimaalinen.

Ajossa tavoitenopeus on ollut 80 km/h, minkä lisäksi myötämäessä on sallittu lisänopeus enintään 10 km/h, joka saadaan aikaan gravitaatiolla (schwung). Vaihtostrategia on pyörimisnopeusalue 1000 – 1600 r/min, ja vaihto alaspäin on tapahtunut koko askelin, mutta ylöspäin vaihdettaessa on käytetty puolittajaa. Tarkastelussa ovat seuraavat 16 tyyppiajoneuvoa:




1A. Mannereurooppalainen yhdistelmä Auto + puoliperävaunu. Maksimimassa 40 t oma massa 15 t. Akselit 5, joista 4 yksittäisrengastettuja

1B. Suomalainen puutavarayhdistelmä vuonna 2005 Auto + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 60 t oma massa 19 t Akselit 7, joista 1 yksittäisrengastettu

2A. Suomalainen puutavarayhdistelmä vuonna 2016 Auto + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 69 t oma massa 21 t Akselit 9, joista 2 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu, jos olisi ”turhia” paripyöriä

2B. Suomalainen puutavarayhdistelmä vuonna 2016 Auto + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 69 t oma massa 20 t Akselit 9, joista 7 yksittäisrengastettuja

3A. Suomalainen puutavarayhdistelmä vuonna 2016 Auto + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 76 t oma massa 21 t Akselit 9, joista 2 yksittäisrengastettuja

3B. Suomalainen puutavarayhdistelmä vuonna 2016 Auto + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 76 t oma massa 20 t Akselit 9, joista 7 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu paripyörien vaikutuksesta

3C. Suomalainen puutavarayhdistelmä omaa massaa vähennettynä Auto + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 76 t oma massa 20 t Akselit 9, joista 2 yksittäisrengastettua Omaa massaa vähennetty 1000 kg

3D. Suomainen puutavarayhdistelmä omaa massaa vähennettynä Auto + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 76 t oma massa 19 t Akselit 9, joista 7 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu paripyörien vaikutuksesta ja oman massan vähennyksestä 1000 kg

4A. HCT-yhdistelmä Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 94 t oma massa 28 t Akselit 12, joista 2 yksittäisrengastettuja

4B. HCT-yhdistelmä Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 94 t oma massa 26.4 t Akselit 12, joista 10 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu paripyörien vaikutuksesta

5A. HCT-yhdistelmä Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 104 t oma massa 29 t Akselit 13, joista 3 yksittäisrengastettuja

5B. HCT-yhdistelmä Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 104 t oma massa 27.4 t Akselit 13, joista 11 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu paripyörien vaikutuksesta

6A. HCT-yhdistelmä Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 109 t oma massa 29 t
Akselit 13, joista 3 yksittäisrengastettuja

6B. HCT-yhdistelmä Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu . Maksimimassa 109 t oma massa 27.4 t Akselit 13, joista 11 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu paripyörien vaikutuksesta

6C. HCT-yhdistelmä vähentämällä omaa massaa 2000 kg Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 109 t oma massa 27 t Akselit 13, joista 3 yksittäisrengastettuja

6D. HCT-yhdistelmä vähentämällä omaa massaa 2000 kg ja perävaunujen yksittäisrengastuksella Auto + puoliperävaunu + varsinainen perävaunu. Maksimimassa 109 t oma massa 25.4 t Akselit 13, joista 11 yksittäisrengastettuja Teoreettinen tarkastelu paripyörien vaikutuksesta sekä oman massan vähennyksestä 2000 kg

Ajoneuvojen otsapinta-alat ovat tapauksessa 1A 9.5 m2, tapauksessa 1B 10.0 m2 sekä muissa tapauksissa 10.5 m2. Ilmanvastuksen muotokertoimelle Cd on valittu arvot 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 ja 1.5.

Lisäksi eräitä tapauksia on tarkasteltu ”keventämällä” ajoneuvon rakennetta. Tällä on selvitetty, millainen vaikutus on ajoneuvon omalla massalla.

Vaihtoehtoiset energiamuodot Tässä yhteydessä on tarkasteltu lyhyesti myös kahta muuta energiamuotoa. Toinen on polttoaineena metaani (maakaasu) ja toinen energialähteenä sähkö, joka otettaisiin akuista. Jälkimmäisessä on kysymys lähinnä siitä, kuinka paljon akkuja tarvittaisiin.

Tulokset Tulokset on esitetty em. tapauksille taulukoissa 1A – 6D sekä kuvissa 1 ja 2.

Metaani polttoaineena Raskaassa kalustossa maakaasua on Suomessa käytetty pääasiassa linja-autoissa, joista maakaasuautoista nykyisin halutaan jo päästä eroon. Kokemuksen perusteella on saatu tulos, että käytössä yhtä litraa dieselpolttoainetta vastaa yksi kilogramma metaania. Tämän tiedon perusteella on helppo tehdä vertaus siitä, miten maakaasu polttoaineena vähentäisi hiilidioksidipäästöjä.

Metaanin palaminen tapahtuu seuraavan reaktioyhtälön mukaan:

CH4 + 2 O2 => CO2 + 2 H2O Kun tuohon yhtälöön sijoitetaan atomi- ja molekyylimassat saadaan:

(12 + 4) + (4 x 16) => (12 + 32) + (4 + 32) Toisin sanoen 16 g (12 + 4) metaania tuottaa palaessaan 44 g (12 + 32) hiilidioksidia, eli yksi (1) kilogramma metaania tuottaa palaessaan 44/16 = 2.75 kilogrammaa hiilidioksidia. Dieselpolttoaine palaessaan tuottaa hiilidioksidia n. 2.6 kg/l, joten metaania käytettäessä hiilidioksidia tulee n. 5 % enemmän kuin dieselpolttoainetta käytettäessä.

Metaanin teoreettinen lämpöarvo on 50 MJ/kg, joten tämän verran tarvitaan primäärienergiaa, kun kilogramma metaania poltetaan. Dieselpolttoaineen teoreettinen lämpöarvo on 43 MJ/kg eli 36 MJ/l, eli primäärienergian tarve on vain 36 MJ, kun yksi litra dieselpolttoainetta poltetaan. Tämä johtuu siitä, että dieselmoottori muunnetaan kipinäsytytteiseksi, jolloin terminen hyötysuhde alenee merkittävästi.

Toinen haittatekijä metaanin käytössä on energian varastointikapasiteetin riittämättömyys. Vaikka metaanin lämpöarvo 50 MJ/kg massayksikköä kohti määritettynä on vielä jonkin verran parempi kuin dieselpolttoaineella, on kysymyksessä kuitenkin kaasu, joka on varsin kevyttä (0.714 kg/m3 normaalipaineessa ja –lämpötilassa), ja ollen tarvitaan varsin suuri tilavuus, jotta metaanikaasun massamäärä olisi kohtuullinen ja
riittävä. Paineastioiden maksimi on 20 MPa (200 bar), ja jos esim. säiliön tilavuus olisi 1.0 m3 ja lämpötila 20 ºC, voidaan kaasun määrä laskea seuraavasta kaasujen tilanyhtälöstä: p V = n R T, missä: p = paine [Pa] V = tilavuus [m3] n = ainemäärä [mol] R = kaasuvakio [8.31451 J/mol/K] T = lämpötila [K] Kun yllä olevat lähtöarvot sijoitetaan edellä olevaan yhtälöön, saadaan n = 8 205.5 mol = 131 288 g = 131.288 kg

Tuolla määrällä siis voitaisiin ajaa sama matka kuin 131 litralla dieselpolttoainetta. Nykyisellä 76 tonnin puutavarayhdistelmällä (9 akselia) edellä olevassa esimerkkitapauksessa se tarkoittaisi 198 km, ja lisäksi edellytys olisi, että säiliön koko olisi 1000 l. Taitaisipa tuo matka käytännössä jäädä noin puoleen tuosta.

Sähkö energialähteenä Matkapuhelinten akuissa tällä hetkellä energiatiheys on parhaimmillaan 200 Wh/kg, mutta sähköautojen akuissa ei olla ei olla edes puolivälissä tästä. Linja-autoyhtiö Veolialla on tai on ollut lähiliikenteessä kokeiltava linja-auto, jonka akkukapasiteetti on 160 kg ja akkupaketti painaa 1800 kg. Tämähän tarkoittaa energiatiheyttä 89 Wh/kg. Tämän mukaisesti 1000 kg:n akkupaketissa voisi olla energiaa 89 kWh. Miten pitkän matkan em. puutavarayhdistelmä tällä määrällä kulkisi, sitä tarkastellaan ohessa.

Matkalla Helsingistä Ouluun tuon 76 tonnin puutavarayhdistelmän moottori on tehnyt työtä 1749 kWh eli 2.915 kWh/km. 1000 kg:n akkupaketti siis riittäisi kuljettamaan tuota yhdistelmää 89/2.915 = 30.53 km. Jotta pystyttäisiin ajamaan esim. 300 km:n päiväsuorite, pitäisi olla siis akkuja noin 10 tonnia, eli niille pitäisi siis olla erillinen vaunu. Akkujen massa ei häviäisi, vaikka sähkö loppuisikin, ja sitten vielä seuraisi hyvin pitkäaikainen lataus, ennen kuin päästäisiin hakemaan seuraava kuorma.

Johtopäätökset Voidaan olettaa, että puutavara-ajoneuvon otsapinnan muotokerroin Cd kuoma-auton ja puoliperävaunun yhdistelmälle olisi 1.2, kuorma-auton ja varsinaisen perävaunun yhdistelmälle 1.3 sekä HCT-ajoneuvolle 1.4. (taulukoissa korostettuna). Tällöin saadaan seuraavat vertailuluvut:

Massa Huom. Polttoaineenkulutus Indeksi Muutos Indeksi Muutos t cl/tkm o/oo o/oo 40 1.711 1000 0 1203 +203 60 1.422 831 -169 1000 0 76 1.248 729 -271 878 -122 94 1.208 706 -294 850 -150 104 1.115 652 -348 784 -216 109 1.067 624 -376 750 -250 109 yksittäisrengastus ja 2000 kg kevennys 0.888 519 -481 624 -376

Edellä olevista luvuista voidaan todeta, että EU:n vaatimustaso hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi saavutetaan likimain jo nykyisen 109 tonnin HCT-ajoneuvolla, jos vertailuna on tyypillinen mannereurooppalainen ajoneuvoyhdistelmä. Jos vertailu tehdään Suomen tyypilliseen puutavarayhdistelmään vuonna 2005, riittää, että 109 tonnin HCT-ajoneuvoa kevennetään 2000 kg:lla ja perävaunut varustetaan yksittäisrengastuksella. Tosin yksittäisrengastuksella on kielteinen vaikutus tiekuormitukseen.

Mitä tulee vaihtoehtoisiin energiamuotoihin, voidaan todeta, etteivät ne tule kysymykseen hiilidioksidipäästöjen vähentäjänä kuten edellä havaitaan.



Di Olavi H. Koskinen
Erityisasiantuntija

20.07.2018 9:04TimberRoad 2020 : Puutavarayhdistelmän loiskuorma kasvaa ajon aikana jopa 5000 kiloon. puu76
17.07.2018Aerodynamiikan parannus tuo päästövähennysten ja polttoainesäästöjen lisäksi myös paljon muuta, mutta mitä ??? / TimberRoad 2020
12.07.2018 8:30Aerodynamiikkaominaisuuksien parantaminen on myös liikenneturvallisuutta. / - TimberRoad 2020
06.07.2018 16:1630% päästövähennykset tuntuvat hurjilta luvuilta / - TR 2020
05.07.2018 15:00Kuormasiteen nostokoukkujen hinnat 15.7.2018 alkaen:
30.06.2018 9:09TimberRoad 2020 hakee tuottavuutta , päästövähennyksiä ja liikenneturvallisuutta : - TR 2020
28.06.2018 8:10TimberRoad 2020 yhdistelmäparin kehityskohteet tuottavuudessa ja ympäristöystävällisyydessä sekä käyttöturvallisuudessa.
23.06.2018 18:18EU:n uusiin tutkimus- ja innovaatiohankkeisiin jaossa 80 miljardia euroa
20.06.2018Horisontti 2020 -ohjelmasta rahoitusta ja verkostoja pk-yritysten kansainvälistymiseen
17.06.2018 10:56Pankkoteippien irtoaminen on ikuisuusongelma.

Siirry arkistoon »