LCC Fahrzeuge Fahrweg

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1 Technische Universität Graz Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft LCC Fahrzeuge Fahrweg Nachhaltigkeit im System Eisenbahn -warum? Univ.- Prof. Dipl.-Ing. Dr. Peter Veit Luzern,

2 Anforderungen Anforderung: Hochgeschwindigkeit 1 Stunde 400 km/h auf Schotter SNCF Tagung Moderne Schienenfahrzeuge 2011 Fahrplan Tokio Osaka V = 230 km/h 280 km/h Rekordfahrt hohe Geschwindigkeiten führen zu geringen Fehlertoleranzen und damit hohem Instandsetzungsbedarf Verfügbarkeit? Instandhaltbarkeit? SNCF 1955: 331 km/h Anforderung erfüllt 2

3 Anforderungen Anforderung: Österreich Schwerlast - Europa erfüllt Verfügbarkeit? Instandhaltbarkeit? Verfügbarkeit? Instandhaltbarkeit? USA: Achslasten bis 40 metrische Tonnen RSA: Achslast 27 t hohe Anforderungen Zuggewicht durch Mischverkehr t hohe Achslasten Zug (~7.500 = 6 Loks und Züge + Streckenbelastungen 216 täglich), Wagen steigende führen Geschwindigkeiten Zuglänge zu starkem 4 Verschleiß km und steigende Streckenbelastungen SCHMALSPUR und damit hohem Instandsetzungsbedarf 3

4 Lösungsansatz Nachhaltigkeit im System Fahrzeuge und Fahrweg technisch und wirtschaftlich Qualitätsverhalten Lebenszykluskosten Bewertung der Nachhaltigkeit Wie reagiert der Fahrweg auf unterschiedliche Fahrzeuge? Wie reagiert der Fahrweg überhaupt? wegen der langen Nutzungsdauern sind Kapitalbindungskosten zu berücksichtigen dynamische Bewertung der Lebenszykluskosten 4

5 Qualitätsverhalten Gleislagequalität Ein gutes Gleis verhält sich gut, ein schlechtes verfällt schneller. Forschungsansatz Kostenfunktion Verschlechterungsrate hängt vom aktuellen Qualitätslevel ab Forschungsansatz Qualitätsverhalten Q (t) = Q 0 x e b x t Betriebserschwerniskosten Investition + Instandhaltung = LCC 5

6 Lebenszykluskosten (LCC) Q (t) = Q 0 x e b x t Investition Instandhaltung 1. Investition und Instandhaltung dürfen bei den langen Nutzungsdauern der Eisenbahn nicht getrennt betrachtet werden. Es kann daher keine eigenständige Investitionsstrategie und ebenso wenig eine Instandhaltungsstrategie geben, sondern nur eine Gesamtstrategie. 2. Investition schafft keine Nutzungsdauer, sondern stellt nur ein Potential für eine Nutzungsdauer zu Verfügung. 3. Erst eine adäquate Instandhaltung realisiert diese potentielle Nutzungsdauer. 4. Mangelhafte Instandhaltung entwertet daher jede Investition. 6

7 Qualitätsverhalten Technische Analyse - Datenbasis Messwagendaten seit 2000 ~ km durchgehendes Hauptgleis (Kernnetz) der ÖBB Qualitätsverlauf aus Regression der Messwerte (Standardabweichung und MDZ- Zahl) Zeit Gleislagequalität Gleisarbeit Q(t) Q n e b n t 7

8 Qualitätsverhalten Ziel: LCC-optimierte Fahrwegstrategie Investition Re-Investition Instandsetzung wirtschaftliche Nutzungsdauer kritische Qualität Gleislagequalität angegeben in Standardabweichung der Längshöhe (σ H )als gleitender Mittelwert über 100 m Einflusslänge. Gleislagequalität nimmt in der Darstellung nach unten ab. 8

9 Qualitätsverhalten Q (t) = Q 0 x e b x t Parameter Parametermix Standardelemente Verkehrsbelastung - Achslast, Gesamttonnen, Geschwindigkeit Parametermix Trassierung - Radien, Längsneigung, Gleiszahl Schiene - Güte, Profil, verschweißt, Stoßgleis Schwelle - Holz, Beton, Beton besohlt Entwässerung - vorhanden, gewartet Unterbau - Tragfähigkeit Prognose 9

10 Gleis auf gutem Unterbau 400<R<600 zweigleisig GBT/Tag und Gleis Schienenprofil Stahlgüte E1 R260 Nutzungsdauer Neulage 1 Standardelemente Arbeitszyklen Parameterset des Arbeitszyklus Investition Nutzungsdauer Durcharbeitung Kleinteilewechsel 1 1 Schleifen Schienenwechsel 0,3 Stoßpflege Zwischenlagenwechsel Mängelbehebung 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0, ,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 geplante Instandhaltung ungeplante Instandhaltung Parametermix 50 Standardelemente Gleis, 80 Standardelemente Weichen Berechnung aller Gleisarbeiten inklusive der verursachten Betriebserschwerniskosten Lebenszykluskosten 10

11 Bewertung mittels LCC Lebenszykluskosten Strategien durch Vergleich der Kostenannuitäten ABER Lebenszykluskosten können nicht stabil sein (Kostenentwicklung in den nächsten Jahren!) Zwar sind die Lebenszykluskosten nicht stabil, aber die auf diesen Lebenszykluskosten basierende Reihung der technischen Optionen ist stabil, weil die unbekannten Kostenänderungen alle Optionen betreffen. Damit kann auf Basis von Lebenszykluskosten heute eindeutig gesagt werden, welche technische Option die wirtschaftlichste ist. 11

12 Kostenanalyse Kostenzusammensetzung Fahrweg 140% 120% 80% 60% LCC Abschreibung Betriebserschwerniskosten 160% Instandhaltungskosten (ohne Inspektion) Zusammensetzung der normalisierten Jahreskosten Ziel 123% 127% 159% Gesamt LCC Abschreibung Betriebserschwerniskosten Instandhaltung Reduktion der Abschreibung (I/n): Verlängerung der Nutzungsdauer 40% 20% 0% Basis 2007 Liegedauerverlängerung durch Dauerlangsamfahrstellen Minimalinstandhaltung Einzelteilewechsel Hoch belasteste, zweigleisige Strecke (> GesBt/Tag,Gleis) 12

13 Kostenanalyse Optimierungsansätze LCC Abschreibung Zusammensetzung der normalisierten Jahreskosten Betriebserschwerniskosten 159% 160% Instandhaltungskosten (ohne Inspektion) Gesamt LCC 140% Abschreibung 127% 123% Betriebserschwerniskosten 120% Instandhaltung 80% 60% 40% 20% 0% Basis 2007 Liegedauerverlängerung durch Dauerlangsamfahrstellen Minimalinstandhaltung Einziger verleibender Lösungsweg höhere Anfangsqualität längere Nutzungsdauer Einzelteilewechsel Hoch belasteste, zweigleisige Strecke (> GesBt/Tag,Gleis) 13

14 Dauerlangsamfahrstellen Life Cycle Management - LCM Entwicklung von Langsamfahrstellen im Netz der ÖBB - nur IST Anzahl der LA (nur Infrastrukturanlagen, ohne EK, keine BaustellenLA) Gesamt Kernnetz Ergänzungsnetz Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Stand Anzahl der Dauerlangsamfahrstellen wurde seit 2010 drastisch reduziert, Einsparung an Betriebserschwerniskosten durch LA-Reduktion 2011: ~ 25 Mio. /Jahr 14

15 Kostenanalyse Optimierungsansätze LCC Abschreibung Betriebserschwerniskosten 160% Instandhaltungskosten (ohne Inspektion) 140% 120% Zusammensetzung der normalisierten Jahreskosten Ziel 159% Gesamt LCC Abschreibung 123% 127% Betriebserschwerniskosten Instandhaltung 80% 60% 40% 20% Reduktion der Betriebserschwerniskosten: Planung, Baulängen, weniger Verkehr 0% Basis 2007 Liegedauerverlängerung durch Dauerlangsamfahrstellen Minimalinstandhaltung Einzelteilewechsel Hoch belasteste, zweigleisige Strecke (> GesBt/Tag,Gleis) 15

16 Kostenanalyse Optimierungsansätze LCC Abschreibung Betriebserschwerniskosten 160% Instandhaltungskosten (ohne Inspektion) 140% 120% Zusammensetzung der normalisierten Jahreskosten Ziel 159% Gesamt LCC Abschreibung 123% 127% Betriebserschwerniskosten Instandhaltung 80% 60% 40% 20% 0% Basis 2007 Reduktion der Instandhaltungskosten: hochqualitative Komponenten, optimiertes Minimalinstandhaltung Instandhaltungsregime Liegedauerverlängerung durch Dauerlangsamfahrstellen Hoch belasteste, zweigleisige Strecke (> GesBt/Tag,Gleis) Einzelteilewechsel 16

17 Kostenanalyse Optimierungsansätze LCC Abschreibung Zusammensetzung der normalisierten Jahreskosten Betriebserschwerniskosten 159% 160% Instandhaltungskosten (ohne Inspektion) Gesamt LCC 140% Gesamt LCC Abschreibung 127% 123% Abschreibung Betriebserschwerniskosten 120% Betriebserschwerniskosten Instandhaltung Instandhaltung 80% 60% 40% 20% 0% Basis 2007 Liegedauerverlängerung durch Dauerlangsamfahrstellen Minimalinstandhaltung Hoch belasteste, zweigleisige Strecke (> GesBt/Tag,Gleis) Einzelteilewechsel Zusätzliche Qualität führt zu einer Verlängerung der Nutzungsdauer Qualitätsreduktion ist der falsche Weg! 17

18 Modellbildung Realität Modell Einziger verbleibender Lösungsweg höhere Qualität längere Nutzungsdauer Wo ansetzen Analyse der Kostentreiber Das Gleis ist ungemein geduldig und reagiert nicht sofort auf unzureichende Pflege. Das Gleis hat aber ein enormes Gedächtnis. Es merkt sich unzureichende Pflege. Und wenn das Gleis einmal reagiert, ist es für zusätzliche Pflege zu spät. Wir werden den Elefanten nicht ändern können, wir müssen auf seine Eigenschaften reagieren - ODER Kurzfristsparen auf Kosten der Qualität ist gefährlich, wenn der Elefant einmal tot ist 18

19 LCC Analyse Kostentreiber 1:9 1. Ausgangsqualität Voraussetzung: Unterbauqualität und funktionsfähige Drainage 19

20 LCC Analyse Schlechter Unterbau 20

21 LCC Analyse Unzureichende Entwässerung 21

22 LCC Analyse Kostentreiber 1. Ausgangsqualität 1:9 Voraussetzung: Unterbauqualität und funktionsfähige Drainage 2. Weichendichte 1 m Weiche = 13 m Gleis 3. Schotterqualität ND bis + 20% 4. Radius 1:3 5. Betriebserschwerniskosten bis zu 30% 6. Bauabschnittslängen 7. Verkehrsdichte 8. Qualität der Fahrzeuge bis zu 20% unterlinear! ± 10% Falls Unterbau und/oder Wasserableitung in ihren Qualitäten nicht entsprechen ist eine Optimierung des Oberbaus nicht möglich. 22

23 LCC Analyse Kostentreiber 1. Ausgangsqualität 1:9 Voraussetzung: Unterbauqualität und funktionsfähige Drainage 2. Weichendichte 1 m Weiche = 13 m Gleis 3. Schotterqualität ND bis + 20% 4. Radius 1:3 5. Betriebserschwerniskosten bis zu 30% 6. Bauabschnittslängen 7. Verkehrsdichte 8. Qualität der Fahrzeuge bis zu 20% unterlinear! ± 10% Systemfragen 23

24 Einfluss Fahrzeuge Basisanalyse Auswirkungen verschiedener TFZ auf die Infrastrukturkosten 15,0% 10,0% 5,0% 0,0% -5,0% -10,0% -15,0% Alter > 30 Jahre R < 250 m neue TFZ 250 < R < 400 m 400 < R < 600 m R > 600 m D E A B G C F E = + 0,0% Radienklassen Ursache: europäisches Trassenpreissystem! 24

25 Einfluss Fahrzeuge Auswertung von Zulassungsmessfahrten Radienklassen R < 250 m 250 m < R < 400 m 400 m < R < 600 m R > 600 m 250 m < R < 400 m Masse [t] Q dynamisch [kn] Y quasistatisch [kn] Summe Y R > 600 m Q dynamisch [kn] Y quasistatisch [kn] Summe Y A B 94% Y Y113% 113% 49% 127% 118% quasistatisch Lenkfähigkeit 105% 105% Einlenken 72% 125% 118% 101% 75% C 72% 78% 55% 80% D E F G Q Q statisch Achslast Q 85 84, dynamisch unrunde Räder, Flachstellen 106% Summe Y Lenkfähigkeit Radialstellung 103% 113% 110% 102% 95% Leistung Schlupf Head Checks 92% 83 93% 29% 91% 71% 83% % - 90% 25

26 Beispiele umgesetzter nachhaltiger Fahrwegstrategien 26

27 umgesetzt Strategie Schiene Verkehrsbelastung [GBt/Tag,Gleis] R> <R< <R< <R< <R<250 R<250 > E1 260, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, H E1 260, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, H E1 260, B 60E1, 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, H E1 260, B 60E1 260, B 60E1 260, B 60E1 350HT, B 60E1 350HT, B 54E2 350HT, H bis 2009 (blau): höhere Schienenstahlgüte zur Verschleißreduktion in engen Bögen, seit 2010 (rot) höhere Schienenstahlgüte zur Reduktion der RCF Problematik Qualität reduziert Instandhaltungsbedarf und verlängert Nutzungsdauer 27

28 umgesetzt Strategie Besohlung Gleis Zusätzliche Qualität führt zu einer Verlängerung der Nutzungsdauer 28

29 umgesetzt Strategie Besohlung Gleis Erhöhung der Kontaktfläche Schwelle - Schotter von ~ 10% auf ~ 35% Referenz: 60E1 Schienen auf Betonschwellen 60E1 Schienen auf besohlten Betonschwellen netzweite Auswertung an Querschnitten 29

30 umgesetzt Strategie Besohlung Gleis Weiche 140% Gesamt LCC 120% 80% 60% 40% Abschreibung Betriebserschwerniskosten Instandhaltung 68% 68% Ausgangsqualität um 18% verbessert 7982% - 82% b-rate um 63% abgesenkt Stopfzyklus auf das 2,75-fache verlängert Nutzungsdauererwartung + 38% 20% 0% Standardgleis Basis 2007 Schwellenbesohlung Standardweiche Basis 2007 Schwellenbesohlung IRR bis zu 20%! Schwellenbesohlung 30

31 Zusammenfassung Nachhaltigkeit ist erforderlich, - weil nur Nachhaltigkeit eine langfristige Kostenreduktion des Fahrwegs erlaubt - weil nur Nachhaltigkeit zu einer Entschärfung der Intervallproblematik führt Nachhaltigkeit wird erreicht - durch eine generelle Qualitätssteigerung (Investition und Unterhalt) Nachhaltigkeit wird verhindert - durch zu Lasten der Qualität gehende Kurzfristeinsparungen 31

32 Zusammenfassung Nachhaltigkeit Qualität Kontinuität Kontinuität = Kontinuität über Länge (geographisch) + Kontinuität über Zeitachse + Kontinuität der Entscheidungen (Strategien) + Kontinuität der Entscheidungsträger 32

33 Zusammenfassung Investieren in Qualität! Es gibt kaum etwas auf dieser Welt, das nicht irgend jemand ein wenig schlechter machen und etwas billiger verkaufen könnte, und die Menschen, die sich nur am Preis orientieren, werden die gerechte Beute solcher Machenschaften. Es ist unklug, zu viel zu bezahlen, aber es ist noch schlechter, zu wenig zu bezahlen. Wenn Sie zu viel bezahlen, verlieren Sie etwas Geld. Das ist alles. Wenn Sie dagegen zu wenig bezahlen, verlieren Sie manchmal alles, da der gekaufte Gegenstand die ihm zugedachte Aufgabe nicht erfüllen kann. Das Gesetz der Wirtschaft verbietet es, für wenig Geld viel Wert zu erhalten. Nehmen Sie das niedrigste Angebot an, müssen Sie für das Risiko, das Sie eingehen, etwas hinzurechnen. Und wenn Sie das tun, dann haben Sie auch genug Geld, um für etwas Besseres zu bezahlen. John Ruskin ( , Professor in Oxford) 33

34 Technische Universität Graz Institut für Eisenbahnwesen und Verkehrswirtschaft Graz University of Technology Institute for Railway Engineering and Transport Economy Danke für die Aufmerksamkeit! 34