Hvordan kan vi gjøre jernbanen utslippsfri?

Medforfattere: Line Skeidsvoll og Andreas Dypvik Landmark

I Norge har vi i 2023 kommet langt i å endre bilparken fra fossile fremdriftsformer til utslippsfri, elektrisk fremdrift. For de andre reiseformene er det derimot litt dårligere stilt. Jernbane tenker mange er utslippsfri fordi den går på strøm. Det er derimot en sannhet med modifikasjoner, for bare om lag 60% av den norske jernbanen har kontaktledning og tilgang på strøm. Resten må derfor kjøres på diesel.

Samfunnsøkonomisk er det ikke nødvendigvis rett frem å velge ny løsning: utbygning av strøm for resten av jernbanenettet er på ingen måte gratis – verken i kroner eller i CO₂-utslipp. Her er det nødvendig med en sammensatt teknisk-økonomisk vurdering av om man skal man gå for del/hel-elektrifisering/batteri eller se på helt nye alternativer som for eksempel hydrogen.

Hydrogen som kraftkilde er ikke nytt, men utviklingen i brenselscelleteknologi og at man nå kommer stadig nærmere en verdikjede for grønt hydrogen (for eksempel initiativ som såkalte hydrogendaler) gjør at det blir stadig mer aktuelt. Samtidig krever ny fremdriftsteknologi nytenking både teknisk, regulatorisk og i energisystemet. Denne typen vurderinger har vi gjort i Norge, og de er ikke enkle.

SINTEF har i samarbeid med jernbanemyndigheter vurdert flere alternativer for nullutslippsdrift på norske ikke-elektrifiserte strekninger. Mest interessant har vært Nordlandsbanen, på grunn av sin ekstreme lengde og viktighet, men alle relevante baner ble undersøkt. Fellesnevneren for disse er at kontaktledningsanlegg (KL-anlegg) har vist seg å være samtidig den billigste å drifte, men også den dyreste sammenlagt når kostnader for å bygge infrastrukturen tas med. Selv om SINTEF ikke har undersøkt dette, tyder forskning fra England til og med på at !

Figur 1: Økonomisk vurdering av forskjellige nullutslippsalternativer for Nordlandsbanen, uttrykt i ekvivalente årskostnader.

Lang levetid kompliserer

Det som kompliserer denne typen analyser er ofte at levetiden til infrastrukturen er veldig lang (gjerne opp imot 50-100 år), som i utgangspunktet kan understøtte ganske store investeringer. Samtidig vet man at ingen infrastruktur er vedlikeholdsfri, ei heller lokomotivene. Vedlikeholdskostnader blir over tid et vesentlig bidrag til totalkostnad. Som vi ser fra kurvene over, så er det i en økonomisk vurdering stor sannsynlighet for at kostnaden ved å bygge ut strøm på Nordlandsbanen over tid blir mange ganger dyrere enn å investere i alternative kraftkilder.

Hvilken teknologi egentlig er best, avhenger også av hvordan man definerer kriteriene:

• Ser man på den totale kostnaden, kommer hydrogen- og helbatteritog best ut (10-14 MNOK per år billigere enn diesel for Nordlandsbanen);
• Ser man på tilbakebetalingstid, tilhører førsteplassen batteritog med mindre batterier og pause for hurtiglading (cirka 2 år)
• Ser man på minst investering, er biodiesel best, da egentlig ingen investering er nødvendig.

Simulator sammenligner kostnadene

SINTEF har utviklet en simulator for å gjøre denne typen teknisk-økonomiske vurderinger hvor man både beregner energiforbruk basert på modeller av jernbanenettverket og ulike lokomotiver – som setter oss i stand til å sammenligne de totale kostnadene ved både drift og utbygging slik at man kan sammenligne de ulike driftsformene mer likt mot likt.

Denne har vi nå videreutviklet i prosjektet RegioHYT, hvor vi har innledet et samarbeid med tsjekkiske forskningsinstitutter for å benytte metodeverket fra Norge på tsjekkiske baner. Jernbanen er langt på vei harmonisert gjennom felleseuropeiske regelverk, og det er derfor en god øvelse å regne på alternativer til diesel-drift i andre land.

RegioHYT er et samarbeid mellom SINTEF og tsjekkiske forskningspartnere finansiert av EØS-midler. Tsjekkia har om lag dobbelt så mye jernbane som Norge, med mange av de samme utfordringene som vi har i Norge– relativt lav grad av dobbeltspor og omtrent 30% elektrifisert, med lange tuneller og broer, store høydeforskjeller og små ruter med relativt sett lav lønnsomhet – og dermed vanskelig å forsvare full elektrifisering.

Den 24. april arrangerte vi en åpen workshop for alle som jobber med alternative kraftkilder for jernbane, med hovedfokus på hydrogen-fremdrift på Lillestrøm. Her fikk vi presentasjoner av flere aktører, både prosjektdeltakere og eksterne, fra Norge, Tsjekkia, og EU. Tsjekkias ambassadør til Norge var også til stede.

• Introduksjon til prosjektet, av prosjektleder Lukáš Polák fra ÚJV Řež
• En innføring i brenselceller for jernbane av John Winterbourne fra Ballard, en av verdens fremste brenselcelleleverandører
• En oversikt over mulige hydrogenkilder i Tsjekkia og tilhørende muligheter for produksjon av grønt hydrogen, av Martin Paidar ved Universitetet for Kjemi og Teknologi i Praha
• Perspektiv fra europeisk jernbanesektoren om lavutslippstransport av Miroslav Haltuf, fra Europe Rail JU
• Datainnhenting for simulering og hvordan man velger ut jernbaner for analyse av Jan Perůtka fra VUZ
• Et pågående forslag til demonstrasjon av hydrogendrift på Nordlandsbanen av Jan Erik Salomonsen fra Maintech
• En oversikt av hydrogenteknologi i jernbanesektoren av Nikita Streltsov, også fra ÚJV Řež
• Første resultater i sammenligning av forskjellige nullutslippsteknologier på tsjekkiske jernbaner av Federico Zenith, SINTEF
• Muligheter for produksjon av grønt hydrogen i Meråker av Roald Boge fra Meråker Hydrogen
• Perspektiv om hvordan man skal implementere visjonen om lavutslippstransport på tsjekkiske baner av Jiří Cigánek fra Správa Železnic, Tsjekkias operatør av jernbaneinfrastruktur.

Du kan få tilgang til presentasjonene ved å henvende deg til federico.zenith@sintef.no

Figur 2: Workshop-deltagerne i deilig norsk vår

Hydrogentog er aktuelt

De viktigste konklusjonene fra workshop-en er at hydrogentog er et aktuelt alternativ i mange scenarier, og er i ferd med å overføres til godstog og skiftelokomotiv. Det er likevel viktig å analysere nøye hvilken teknologi som er best: For korte baner kan batterier være en mer egnet løsning, spesielt hvis strekninger allerede er KL-elektrifisert. Samtidig må man tenke på om det gir mer reduksjon i utslipp å flytte pendlere fra dieselbil til dieseltog, eller å erstatte dieseltog med nullutslippstog, og at tilgjengelighet av hydrogen langs en jernbane kan «smitte over» til vei og sjø i samme område.

Er det da mulig å gjøre jernbanen helt utslippsfri? Ja, og brikkene er allerede tilgjengelig, både batteri og hydrogen: det gjenstår arbeid i utviklingen av godstog. Men det viktigste er at hydrogendrevne tog kan ha en smitteeffekt på opptaket av hydrogen på vei og sjø, som har langt større utslipp, og dermed ha mye større ringvirkninger i samfunnet.