PILOT PROJEKT FIRESTORM ALTERNATIVE STREUTECHNOLOGIE FÜR ÖSTERREICHS AUTOBAHNEN

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1 Ing. Martin Kottek PILOT PROJEKT FIRESTORM ALTERNATIVE STREUTECHNOLOGIE FÜR ÖSTERREICHS AUTOBAHNEN Meeting AGRISTRADE WIEN 30. November 2012

2 Pilot Projekt Firestorm Alternative Streutechnologie für Österreichs Autobahnen Die Asfinag ist in Österreich für den Bau, den Betrieb, die Bemautung und die Erhaltung des hochrangigen Straßennetzes verantwortlich. Gemäß unseres Leitsatzes Verlässlichkeit auf allen Wegen sind wir stets um eine hohe Streckenverfügbarkeit für unsere Kunden bemüht. Neben den exakt planbaren Herausforderungen wie dem Bau einer neuen Autobahn, einer geplanten Streckensanierung oder der Bemautung stellen vor allem die nicht planbaren Ereignisse eine besondere Herausforderung für die Aufrechterhaltung der Verfügbarkeit dar. Dazu zählt unter anderem der Winterdienst, da auf das Wetter kein Einfluss genommen werden kann, aber dennoch flexibel reagiert werden muss. Die Asfinag ist daher bestrebt neue oder uns unbekannte Technologien zu erforschen, und deren Anwendbarkeit für unsere Zwecke zu beurteilen. Die A21 ist ein 38 Kilometer langer Autobahnabschnitt deren ursprünglicher Planungsgedanke bereits in die Zeit des zweiten Weltkrieges zurück reicht. Man war damals der Meinung das eine Weltstadt wie Wien eine landschaftlich schöne uns interessante Stadtzufahrt benötigt. Dabei bot sich die Strecke quer durch den Wienerwald an wo sich nach dem letzten Steigungsabschnitt vor der Stadt dem Gießhübel der Blick über die rund 200 Meter tiefer gelegene Stadt großzügig öffnen sollte. Mit dem Bau der Strecke mit nur geringfügigen Abweichungen wurde erst Jahre nach der eigentlichen Idee begonnen. Die Fertigstellung der Autobahn und damit die durchgehende Befahrbarkeit erfolgte im Jahr Nach der Fertigstellung der Autobahn A21 hat man sehr schnell festgestellt dass die kurvenreiche Strecke nicht zuletzt aufgrund der vielen Anstiege, mit Steigungen wie auf der Brennerautobahn A13 (bis 5,2%), gerade im Winter immer eine besondere Herausforderung sowohl für die Autofahrer als auch für den Winterdienst darstellt. Daher war es naheliegend den Firestorm auf dieser besonders heiklen Strecke zum Einsatz zu bringen. Steigungsabschnitte der Autobahn A21 2

3 Der Firestorm weckte bei uns großes Interesse da diese Form der winterlichen Straßenbetreuung bisher in Österreich noch nicht zur Anwendung kam. Wir entschlossen uns daher ein solches Fahrzeug anzumieten, auszuprobieren und gemeinsam mit der techn. Universität eine mögliche Verwendbarkeit in Österreich zu erproben. Als Teststecke sollte dabei die A21 dienen. Die Erfahrungen die wir im vergangenen Winter gemacht haben wurden gemeinsam mit den Forschungsergebnissen der techn. Universität Wien in einem Bericht zusammengefasst. Der Bericht enthält die Ergebnisse der Untersuchungen des Systems Firestorm unter Berücksichtigung der bisherigen Ergebnisse aus vergangenen Forschungsprojekten zur Optimierung der Feuchtsalzstreuung bzw. Safecote und Griffigkeit. Die Ergebnisse umfassen die Erkenntnisse aus der Einsatzpraxis mit dem Firestorm, den erzielten Unterschieden in Griffigkeit, Temperatureintrag, Auflockerung der Schneedecke und Tauleistung. Weiters wurden die auftretenden Streuverluste der Solestreuung im Vergleich zur Feuchtsalzstreuung näher untersucht und mögliche Einsatzgebiete des Firestorm wirtschaftlich bewertet. Eine abschließende Gesamtbewertung ist aufgrund der Vielzahl an Einflussfaktoren und möglicher Winterdienstszenarien nach einer einzigen Winterperiode noch nicht möglich. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen können jedoch die zusammengefassten Schlussfolgerungen gezogen werden. Aufgabenstellungen und Zielsetzung Im Rahmen vorangegangener Forschungsprojekte der TU Wien gemeinsam mit der ASFINAG wurde der Einsatz verschiedener Solen im Zuge der Feuchtsalzstreuung in Hinblick der Auswirkungen auf Griffigkeit, Tauwirksamkeit aber auch Umwelt- und Umgebungseinwirkungen beurteilt. Eine wesentliche Erkenntnis aus den Forschungsprojekten war die begrenzte Wirkung von auftauenden Streumitteln bei tiefen Temperaturen. Aufgrund des hohen Anforderungsniveaus an den Winterdienst auf dem Netz der Autobahnen und Schnellstraßen in Österreich (vgl. RVS ) ist die ASFINAG bestrebt den neuesten Stand der Technik einzusetzen. Dazu ist es notwendig, neue Technologien hinsichtlich ihres theoretischen und praktischen Potentials zu analysieren und die Wirtschaftlichkeit eines möglichen Einsatzes zu bewerten. Firestorm einsatzbereit bei Betrachtung durch Wärmebildkamera 3

4 Der Solesprühautomat Firestorm stellt eine solche Technologie mit viel versprechendem Potential dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Streugeräten mit kalter Feuchtsalzstreuung und Ausbringung über einen Streuteller setzt das System Firestorm auf die Ausbringung einer etwa 60 C hei ßen 30% -igen Kalziumchloridsole, die mit hohem Druck aus einem Sprühbalken auf die Fahrbahn gesprüht wird. Die Erwärmung der Sole entsteht aus der chemischen Reaktion von Kalziumchloridpellets bzw. -granulat mit Wasser im Soletank des Fahrzeugs. Ein Prototyp eines solchen Fahrzeugaufbaues wurde seit Herbst 2011von der ASFINAG angemietet und in der ABM Alland zu Testzwecken stationiert. Die A21 wurde bewusst, aufgrund der bereits erwähnten Besonderheiten dieser, gewählt. Die Aufgabenstellung der TU Wien Institut für Verkehrswissenschaften bestand darin, das Potential des Systems Firestorm zu untersuchen und auf Basis der Erkenntnisse aus den bisherigen Forschungsprojekten zu bewerten. Ziel war es, die derzeit flächendeckend eingesetzte Feuchtsalzstreuung FS30 mit NaCl als Trockensubstanz und 30% Soleanteil mit der reinen Solestreuung mit warmer CaCl2- Sole zu vergleichen. Insbesondere sollten dabei die Tauwirksamkeit warmer CaCl2- Sole und die Streumittelverluste unter Verwendung von reiner Solestreuung untersucht werden. Weiters war die Änderungen der Griffigkeit der Fahrbahn durch das Ausbringen großer Solemengen sowie mögliche Verbesserungen des Räumbildes aufgrund des Aufschneidens der Schneedecke durch Hochdrucksolesprühung anhand umfangreicher Messungen und Versuche zu ermitteln. Der Firestorm in der Praxis Flexibler Einsatz und Aufbauwechsel Die derzeitige Befestigung des Firestorm ist in Auf- und Abbau sehr zeitaufwendig und benötigt derzeit etwa einen Arbeitstag und mehrere Personen, wodurch der eingesetzte LKW in dieser Zeit blockiert ist. Eine Möglichkeit zur Verbesserung bestünde in der Montage des Firestorm auf dem standardisierten Rahmen vergleichbar den herkömmlichen Streugeräten, die mit einem Hakengerät ohne zusätzliches Personal einfach auf das Trägergerät aufgezogen werden können. Einfache Streugerätemontage mit Hakenliftsystem 4

5 Die Dauer für den Aufbau des Fahrzeuges würde sich damit auf wenige Minuten beschränken. Die Möglichkeit einer entsprechenden Variante des Firestorm wurde mit AGRISTRADE besprochen. Es werden bereits Lösungsvorschläge für eine entsprechende Umsetzung ausgearbeitet. Laden der Streumittel Der Firestorm wird beim Laden zuerst mit der notwendigen Wassermenge beladen (ca. 7 m³), danach wird durch eine Luke an der Oberseite des Soletanks das CaCl2- Granulat hinzugefügt. Dabei werden BigBags zu je kg Granulat verwendet. Bei vollständiger Ladung des Firestorm mit 9 m³ Soletank sind 3 Big Bags erforderlich. Der beim Laden entstehende CaCl2-Staub könnte Haut und Schleimhäute zu reizen. Durch ein geschlossenes Beladungssystem o.ä. Vorkehrungen lassen sich diese Belastungen grundsätzlich weitgehend vermeiden. Für die Versuchsstellung wurde jedoch nicht zuletzt um keine unnötigen Mehrkosten anfallen zu lassen auf die Errichtung einer geeigneten Ladestation verzichtet, und stattdessen Persönliche Schutzausrüstung für die mit der Bedienung betrauten Personen angeschafft. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit im Einsatz Im Zuge der Untersuchungen traten zunächst immer wieder Fehler auf, die einen Einsatz des Firestorm verzögerten. Im Wesentlichen waren zwei Komponenten für die Ausfälle verantwortlich. Ein defekter Sensor zur Messung des Soletankinhalts, der zur fälschlichen Meldung eines leeren bzw. ungemischten Tanks und damit zur Unterbindung der Sprühfunktion geführt hat. Der Sensor hatte entweder einen Wackelkontakt oder wurde nicht ausreichend gut am Tank befestigt, wodurch auch im Betrieb gelegentlich Ausfälle auftraten. Zudem ist der Sensor mittig an der Unterseite des Tanks befestigt, wodurch die Zugänglichkeit erschwert wird und sich der Aufwand für Kontrolle/Reparatur deutlich erhöht. Die zweite Ursache für ungeplante Ausfälle war der externe Motor des Firestorm, da er zu Problemen beim Kaltstart neigt und vor Erwärmung des Motors immer wieder abstirbt. Ein erneutes Starten durch die Fernsteuerung aus dem Führerhaus war in diesen Fällen durch eine überlastete Sicherung nicht mehr möglich. Die einzige Möglichkeit zur Inbetriebnahme war dann ein manueller Neustart am Heck des Fahrzeugs, was allerdings den Einsatz des Streugerätes lediglich geringfügig verzögerte. Möglichkeit zur Vermeidung dieser Schwachstelle wäre die Verwendung der ohnedies für herkömmliche Streugeräte vorhandenen, bestehenden LKW-Hydraulik, um einen hydraulischen Pumpenantrieb zu realisieren. Der Aufwand für eine entsprechende Adaptierung des Firestorm bzw. der Eignung der LKW Hydraulik als Basis für ein zuverlässiges Antriebskonzept wird zur Zeit ebenfalls durch die Firma AGRISTRADE geprüft. Dennoch sollte allerdings an dieser Stelle erwähnt werden dass der Firestorm über eine Art Fernwartungssystem verfügt. Der verantwortliche Techniker der Herstellerfirma kann sich damit in das System des Firestorm einloggen und so anhand der Systemparameter rasch die Fehlerquelle identifizieren. Bei Auftretenden Problemen konnte uns somit trotz der großen Entfernung zum Heimatwerk immer ein Techniker mit Rat und Tat zur Seite stehen, und damit für eine schnellstmögliche Behebung der Probleme sorgen. 5

6 Wasserdampfbildung Bei Einsatzfahrten des Firestorm entsteht regelmäßig vor allem bei tiefen Temperaturen und hohen Streumengen Wasserdampf der zu einer lokalen Sichtbeeinträchtigung führen kann. Während das Fahrzeug selbst durch Größe, Lackierung und Warnlichter stets sichtbar bleibt, ist der ausgeklappte Seitenpflug für nachkommende Fahrzeuge praktisch nicht zu erkennen. Der Seitenpflug ist auf Österreichs Autobahnen in den Meisten Regionen in Verwendung, da hiermit bei einem kombinierten Räum- und Streueinsatz eine ausreichende Räumbreite inklusive Überdeckung möglich ist. Die Rechts bzw. links situierten Seitendüsen wurden als Hauptverursacher der Wasserdampfbildung ermittelt. Wasserdampfbildung Beim Einsatz der Einzelsprühdüsen am Heck des Streuers ist die Dampfbildung durch den konzentrierten Strahl wesentlich geringer und beschränkt sich auf den Bereich direkt hinter dem Fahrzeug, womit auch die Sichtbarkeit des Seitenpfluges deutlich verbessert wird. Das Ausbringen der warmen Sole über die Seitendüsen weist generell weniger Wirkung auf, da der hohe Druck fehlt. Bei einer generellen präventiver Streuung mit kalter Sole über die Seitendüsen z.b. von Sole kommt es hingegen erwartungsgemäß zu keiner bzw. nur sehr geringer Bildung von Wasserdampf. Der Einsatz von Seitenpflug und seitlicher Sprühdüsen ist daher in der gegenwärtigen Ausstattung des Firestorm aus Sicherheitsgründen nur bedingt für den Pannenstreifen zu empfehlen. Untersuchungen zum Firestorm Griffigkeitsmessungen Bei vergleichenden Testfahrten auf der Fahrbahn wurden im Bezug auf die Griffigkeit keine relevanten Unterschiede zwischen einer herkömmlichen Feuchtsalzstreuung FS30 und einer CaCl2 - Solestreuung mit dem Firestorm festgestellt. Beide zeigten 6

7 nach dem Streuen eine geringfügig niedrigere Griffigkeit, die nach kurzer Zeit wieder auf das Niveau vor den Streufahrten anstieg. Diese geringfügige und zeitlich begrenzte Abnahme der Griffigkeit durch das Streumittel ist grundsätzlich bekannt und muss in Kauf genommen werden, um eine entsprechend höhere dauerhaft griffige Fahrbahn nach dem Tauvorgang erzielen zu können. Die Streuversuche mit der herkömmlichen Feuchtsalzstreuung FS30 und dem Firestorm auf einem mit Schnee festgefahrenen, geräumten Streckenabschnitt eines Autobahnrastplatzes zeigen eine optisch gut erkennbare Penetrationswirkung der Hochdrucksolestreuung des Firestorm im Vergleich zu einer herkömmlichen Ausbringung über einen Streuteller. Auf der Versuchsstrecke konnte ein daraus resultierender höherer Anstieg der Griffigkeit im Vergleich zur herkömmlichen Feuchtsalzstreuung (Ausbringung mit dem Streuteller) nachgewiesen werden. Insgesamt bewegt sich die Griffigkeit auf der Schneedecke erwartungsgemäß in beiden Fällen auf sehr niedrigem Niveau. Tauwirksamkeit Die durch die Wärmeenergie zu Verfügung stehende zusätzliche Tauwirksamkeit der Sole des Firestorm wird innerhalb der ersten 5 Minuten des Tauvorganges genutzt. Die innerhalb dieser ersten Minuten durch warme Sole getauten Eismengen liegen deutlich über jenen mit kalter Sole gleicher Konzentration. Tauwirkung hinter dem Firestorm Tauwirkung nach 5 Minuten Wartezeit Durch die relativ geringen Mengen an gestreuter Sole ist keine Änderung der Umgebungstemperaturen zu erwarten, womit die nach längerer Zeit getauten Eisemengen von warmer und kalter Sole gleich groß sind. Aus praktischer Sicht ist dies jedoch von hoher Bedeutung, da nur in der Anfangszeit gleich nach der Streuung der überwiegende Anteil des Salzes auf der Fahrbahn ist und bereits nach wenigen Fahrzeugüberrollungen bzw. nach etwa 10 Minuten aufgrund der Austragung nur mehr etwa 40% der ausgebrachten Salzmenge zur Verfügung stehen. Fahrbahnerwärmung Bei den Messungen auf der Fahrbahn konnte eine sehr kurzfristige Erhöhung der Fahrbahntemperatur durch die ausgebrachte warme Kalziumchloridsole des Firestorm um bis zu 15 C festgestellt werden. Auf einer Fahrbahn mit Schneedecke waren die Temperaturunterschiede vernachlässigbar, da die Wärme unmittelbar zum 7

8 Schmelzen von Schnee bzw. Eis verwendet wurde. Dies korrespondiert mit den Ergebnissen der Laboruntersuchungen zur Tauwirksamkeit. Ein Einsatz warmer Sole ist daher bei bereits vorhandener Schneefahrbahn auf jeden Fall sinnvoll, bei präventiven Streuungen geht der Vorteil der schnelleren Tauwirksamkeit infolge der höheren Soletemperatur bereits in kürzester Zeit verloren. Aufbringung warme CACL-Sole (Wärmebildkamera) Kurzeitige Erwärmung der Fahrbahnoberfläche Restsalzmessungen Die Restsalzabnahme auf trockener/feuchter Fahrbahn ist bei der Solestreuung vor allem im Bereich der Anfangsverluste deutlich geringer als bei der herkömmlichen Feuchtsalzstreuung. Bei der Feuchtsalzstreuung wird trotz Anfeuchtung des Trockensalzanteils ein Teil des Salzes bereits durch die ersten Fahrzeuge wieder von der Strecke verweht. Dieser Effekt konnte bei der Solestreuung nicht beobachtet werden. Bei nasser Fahrbahn fließt das Salz von Sole- wie Feuchtsalzstreuung gemeinsam mit dem Niederschlag von der Straße ab und ist in kurzer Zeit weitgehend entfernt. Nach etwa Fahrzeugüberrollungen ist der Unterschied in der verbleibenden Restsalzmenge für beide Streumethoden (Sole oder Feuchtsalz) basierend auf den derzeitigen Messungen auf ein in der Praxis nicht mehr relevantes Niveau gesunken. Für den praktischen Einsatz in der präventiven Streuung ist die Solestreuung daher grundsätzlich aufgrund der geringeren Verluste und des geringen Verkehrs in den Morgenstunden bei Fällen möglicher Reifglätte besser geeignet als eine Feuchtsalzstreuung FS30. Da jedoch die Temperaturvorteile heißer Sole in der Tauwirkung sehr schnell verloren gehen und damit in der Präventivstreuung keine Rolle spielen, ist präventive Solestreuung mit CaCl2 u.a. auch aufgrund der derzeit deutlich höheren Kosten nicht sinnvoll. Um das System Firestorm technisch und wirtschaftlich effizient einzusetzen ist eine ausreichende Anzahl spezieller Wetter- bzw. Fahrbahnsituationen erforderlich. Da die Zahl der Einsatztage mit festgefahrener Schneedecke, bei denen der Firestorm Vorteile aufweist gering ist, wird ein Versuchsweiser präventiver Einsatz von NaCl Sole mit dem Firestorm zusammen mit Restsalzmessungen angedacht, um die diesbezüglichen Vorteile bzw. Einsatzmöglichkeiten bei geringeren Kosten zu bewerten. Kosten-Nutzen Die Kosten einer Solestreuung mit warmer CaCl2-Sole liegen deutlich über den Kosten einer herkömmlichen Feuchtsalzstreuung FS30, zeigen jedoch auch bei Schnee oder Eis auf der Fahrbahn eine bessere Tauwirkung und ein beschleunigtes 8

9 Aufbrechen der Schneedecke unter Verkehrseinfluss bereits kurz nach der Streufahrt. Aus technischer Sicht weist der Einsatz des Firestorm in diesen seltenen Extremsituationen deutliche Vorteile auf. Die in diesen Fällen entstehenden Mehrkosten des Streugutes sind vergleichsweise gering. Eine Anschaffung des Firestorm unter diesem Aspekt allein ist allerdings nur begrenzt wirtschaftlich. Der Einsatz des Firestorm in der präventiven Solestreuung mit CaCl2 Sole ist grundsätzlich unwirtschaftlich, da die heiße Sole durch die rasche Abkühlung in der Präventivstreuung keine relevante Mehrwirkung erzielt und CaCl2 etwa dreimal so teuer wie NaCl ist. Allerdings hat die Solestreuung Vorteile in der Entwicklung der Restsalzmenge. Auf Basis der gerechneten Beispiele erscheint der Einsatz einer präventiven NaCl Solestreuung daher wirtschaftlich, sofern die Sole in der ABM selbst gemischt wird. Praktische Erfahrungen mit der Solestreuung sind in Österreich derzeit kaum vorhanden, ein diesbezüglicher Probebetrieb sowohl mit dem Firestorm, als auch einem reinem Solesprühgerät zusammen mit begleitenden Restsalzmessungen und Einsatzdokumentation werden als weiterer Schritt angedacht. Ein großes Einsparpotential gemäß der derzeitigen Preisbasis von CaCl2-Pellets und CaCl2-Fertigsole bietet die Herstellung von CaCl2-Sole entweder mit einer eigenen Mischanlage oder mit dem Firestorm gegenüber dem Bezug von Fertigsole. Ob sich die derzeitige Winterdienstinfrastruktur dazu eignet bzw. wie hoch der dazu notwendige Aufwand für eine Umrüstung ist, wird derzeit bei der ASFiNAG geprüft. Zusammenfassung Zusammenfassend weist das System Firestorm Vorteile durch die Mischung der Sole im Fahrzeug sowie der Penetration und schnelleren Tauwirkung der heißen CaCl2 - Sole vor allem bei festgefahrener Schneedecke auf. Als geringfügige Nachteile wurden technische Kinderkrankheiten sowie Nachteile im Handling und Sicherheit des Einsatzes erkannt, die vor einem möglichen Ankauf in jedem Fall zu beseitigen wären. Aus wirtschaftlicher Sicht ist der Einsatz von CaCl2 Sole nur in winterlichen Extremsituationen darstellbar. Die Vorteile der Solestreuung aufgrund der geringeren Restsalzabnahme können in der Präventivstreuung u.a. gegen Reifglätte wirtschaftlich sinnvoller mit NaCl Sole genutzt werden. Optimal wäre daher ein günstiger, einfach zu handhabender Wechselaufbau mit eigener Solemischung für die präventive Solestreuung mit NaCl und dem fallweisen Einsatz von heißer CaCl2 Sole für tiefe Temperaturen und festgefahrene Schneedecke. Die Möglichkeit am Firestorm auch NaCl Sole aufzubereiten wurde mit der Firma AGRISTRADE bereits besprochen. Voraussetzung dafür ist die Verwendung von Siedesalz, da dieses vollständig im Wasser auflösbar ist. Ein entsprechender Versuchsaufbau ist in Vorbereitung. Alles in Allem ist der Firestorm nach den derzeit getesteten Situationen also ein hervorragendes Notfallfahrzeug für witterungsbedingte Extremsituationen an exponierten Stellen. 9