Midtfjord TransportTube

Transkript

1 Midtfjord TransportTube - Nøkkelen til nullvisjonen - Endre Brobakken, Erik Christiansen, Fredrik H. Tranø, Håkon Haugsten Hansen, Vegard J. Bjerkestrand.

2 Innholdsfortegnelse 1. Vårt Team: 69 - Thulium Ingress Problemavgrensning Norge og verden Oppnåelse av nullvisjon Løsning Rørbru MagLev Vakuumtube Matrialvalg i yttertube Brannsikkerhet Brannsikker kompositt Vidreutvikling av inergen gass Sensorer for varsling Korrosjon Thorium-reaktor Konklusjon Markedspotensial Kilder Figur 1 Lagbilde 2

3 1. Vårt Team: 69 - Thulium For å klare å utvikle teknologi kreves både kompetanse innen forskjellige fagfelt samt spisskompetanse. I vårt team har alle fem samme utdannelse, men forskjellig arbeidserfaring samt valgfag som gir oss en interessant vinkling i hvordan vi ser på nye utfordringer. Frem i tid vil det være enda viktigere med spisskompetanse for å utvikle nye prosjekter. For å drive teknologiutviklingen videre kreves det at man jobber i team bestående av eksperter på et spesifikt fagområdet. Det er ikke slik at ett ekspert team kan løse alle Midtfjords problemer. Men ved en sammensetning av flere ekspertteam og et bindene administrativt ledd, er det mulig at Midtfjord kan bli en realitet. Endre Brobakken er en 23 år gammel gutt fra teknologihovedstaden Kongsberg, som skal forsøke å forsvare byens stolthet. Han går 3.året materialteknologi med valgfag vinklet mot offshoreindustri. Erik Christiansen er en 24 år gammel trønder. Med fagbrev i kjemisk prosessindustri samt seks år offshore arbeidserfaring i Statoil, stiller han med en interessant og praktisk vinkling på problemene. Han er gruppen primus motor og sørger for rask fremgang under tidspress. Fredrik H. Tranø er 22 år gammel fra Kristiansund. Han har interesse for materialers oppførsel i korrosive omgivelser. Med høy akademisk kunnskap, samt disiplin fra forsvaret bidrar han med struktur og innovative løsninger i gruppearbeidet. Håkon H. Haugsten er 21 år fra Fredrikstad. Han fungerer som prosjektleder ettersom han har valgt en studieretning som fokuserer på prosjektstyring, innovasjon og økonomi. Vegard J. Bjerkestrand er 22 år fra Kristiansund. Med valgfag som bygger på drift og vedlikehold og avanserte materialer er han et teammedlem som stiller med god forståelse i systemers helhet. 3

4 2. Ingress Tanken er å utvikle ett transportsystem som tilfredsstiller 2050 standard, både mtp. sikkerhet og funksjonalitet. Hvordan dette systemet ser ut, skal dere nå få se. 3. Problemavgrensning Vi ønsker å lage et komplett kollektiv transportsystem til/fra og internt i Midtfjord-komplekset. Vårt system vil være høyteknologisk, energieffektivt, miljøvennlig og trafikksikkert. Transportsystemet er utviklet for bruk på Midtfjord, men kan videreføres globalt. Hvordan bidro avansert materialteknologi til målet om nullvisjon på Midtfjordkomplekset? Figur 2 Oversiktsbilde av Midtfjordkomplekset 4

5 4. Norge og verden 2050 Det er år 2050 og verdens befolkningen har økt til 9 milliarder mennesker. 70 % av dem er bosatt i byer. Jordens temperatur har steget med 1.7 grader celsius. Norge er verdens rikeste land og verdensledende på nettverksbasert produksjon. Et sterkt fokus på autonome systemer har skapt verdens sterkeste klynge på undervanns ressursutnyttelse. Norge anses som ledende innenfor håndtering av store datamengder og utvikling av beslutningsstøttesystemer basert på dette. Trondheim er den første hybride land til sjøbaserte byen i verden. 20 % av byens befolkning bor i dag i Midtfjordkomplekset, et arkitektonisk mesterverk der avansert teknologi gjør det mulig for mennesker å bo og leve. Komplekset er selvforsynt med energi, vann og mat og består av store fellesområder med parker og kjøpesenter, boligkvarter, forskningsstasjoner, matproduksjonsfarmer og eget kollektivt transportsystem. Midtfjords samarbeid med NTNU har utviklet byen til verdens mest avanserte nettverksbaserte produksjons område. 4.1 Oppnåelse av nullvisjon Nullvisjon er et begrep som ble introdusert i nasjonal transportplan tilbake i 2002, om et ønske om null drepte og null skadde i trafikken i Norge. Vi antar at i Trondheim by ble dette løst ved å gjøre alt av trafikk helautomatisk. Slik at trafikkbildet ble styrt ved sensorer og annen tilgjengelig teknologi. Til/fra og internt på Midtfjordskomplekset ble dette gjennomført ved å gjøre all transport kollektiv. Dette gjør at ingen har personlige kjøretøy som kan forstyrre trafikkbildet. Her var løsningen og bruke en transport-tube. Transport-tuben blir brukt både til/fra og internt komplekset gjennom en rørbru, som først ble tilgjengelig i

6 5. Løsning Trondheim er verdens første «hybridby», som har benyttet seg av havområdene rundt byen, som til nå har ligget ubrukt, til å huse 20 % av byens voksende befolkning. Midtfjordkomplekset ligger ute i Trondheimsfjorden. Vi vil realisere en transportplan til/fra og innad i Midtfjordkomplekset som skal oppfylle nullvisjonen. Vår løsning til og fra komplekset bygger på et nedsenket tunnelsystem som inneholder minimum fire separerte rør hvor vogner og retning er fullstendig adskilt. Systemet har vi valgt å kalle Midtfjord Transporttube. Internt i komplekset benytter vi samme teknologi, men her går tuben i broer mellom de forskjellige enhetene. Her er det to sideliggende tuber som har hver sin retning. Materialvalgene spiller her en viktig rolle i et stadig tøffere klima. Begge systemene er førerløse og helautomatisert styrt fra en sentral på Midtfjordkomplekset. Vi har også sett på muligheten for å ha innbygd en redundans i strømforsyningen, dersom Midtfjordskompleksets primære strømsystem svikter. 5.1 Rørbru I 2015 var nedsenkede rørbruer allerede tenkte løsninger på flere av Norges da mange fergestrekninger. I 2025 ble den første rørbruen ferdigstilt i målet om en fergefri E39. Fordelen ved å legge bruene under vann er mange, spesielt på korte strekninger over store vanndyp. Problematikken med store havdyp elimineres ved å henge bruen i pontonger, som flyter på havoverflaten. En transporttube går fra Trondheim sentrum og ut til Midtfjordkomplekset. Det er valgt ett rørbroalternativ som benytter teknologi fra Norges forrige primærnæring. Teknologien baseres seg på teknologi fra offshoreindustrien, Figur 3 Rørbru teknologien hvor betongkonstruksjoner med forskjellige forankringer lenge har vært i bruk. Der bølgelengden er størst kan det være hensiktsmessig at transporttuben er installert ned til 150 meter under vann, men dette ble ikke ett problem inne i Trondheimsfjorden. Dybden transporttuben ble installert på er mer enn nok til at skipstrafikken i fjorden kan passere over. 6

7 Økt frekvens og styrke på ekstremvær i 2050 ville bydd på store utfordringer i forhold til en konvensjonell bru over vann. En rørbru under vann vil ikke være utsatt for noe i nærheten av de samme mekaniske påkjenningene. Rørbro-teknologien vil også bli utstyrt med noe som kalles weak link. Dette betyr at ved skipskollisjon i en av pontongene, vil sikkerhetssystemer mellom pontongen og transporttuben kutte wiren. Den skadde pontongen vil da flyte vekk mens transporttuben fortsatt henger i de pontongene som fortsatt er inntakte. Systemet er altså dimensjonert med en sikkerhetsfaktor og innbygd redundans slik at tuben vil henge trygt selv om en pontong svikter. 5.2 MagLev MagLev er en forkortelse for magnetisk levitasjon som brukes for både elektromagnetisk løftemekanisme og høyhastighetstog som svever over skinnene ved hjelp av denne mekanismen. De magnetiske kreftene styres slikt at man får en kraft som virker i kjøreretningen, dette gjør at man både kan øke og redusere farten. Den magnetiske mekanismen gjør det også mulig å regenerere store deler av energien ved nedbremsingen. Den kraften som trengs for levitasjonen krever veldig lite av det totale energiforbruket, det å overvinne luftmotstanden er den største. En annen fordel er at det ikke er mekanisk kontakt mellom toget og skinnene, dette reduserer sannsynligheten for skader på toglinjen og behovet for vedlikehold. Framgangen på forskningen innen superledere har avansert mye de siste årene Figur 4 MagLev skisse, slik man ser det for seg i fremtiden. og i 2035 laget man et materiale som er superleder ved romtemperatur, såkalte hyperledere, på laboratorier på NTNU. Hyperledere har i 2050 blitt den viktigste komponenten i Midtfjords MagLev-tog. En superleder/hyperleder er i fysikken en tilstand som har null elektrisk motstand og frastøtning av magnetfelt. Null elektrisk motstand vil også si at energien overføres uten tap. 7

8 5.3 Vakuumtube Ved hjelp av å sette MagLev i en vakuumtube vil man få bukt med problemet med energitap på grunn av luftmotstand. Man vil også få en mer behagelig reise og mindre støy når man kjører i vakuumtuben. Pumper vil pumpe ut all luften inne transporttuben og sørger hele tiden for at dette opprettholdes. Dette gjør det mulig å oppnå høye hastigheter uten store energikostnadene når man bruker hovedlinjene fra Midtfjord inn mot Trondheim sentrum. Internt i Midtfjordkomplekset vil man ha lavere hastigheter på grunn av kortere avstander og mindre radius på svingene mellom de forskjellige enhetene. Vakuumet i transporttuben vil også gjøre at faren for brann blir så å si neglisjerbar på grunn av mangelen på oksygen. Figur 5 Tubens oppbygning Materialvalg i yttertube. Egenskapene vi søkte etter når vi skulle velge materiale til yttertuben var lav vedlikeholdshyppighet, styrke, korrosjonsbestandighet, en viss grad av fleksibilitet og vekt. På 35 år har forskingen på karbonnanorør- forsterkede stållegeringer kommet langt, så dette vil være et godt valg. 8

9 5.4 Brannsikkerhet Brann er nok det største problemet ettersom ulykker i form av støt er fjernet ved tubens enveiskjøring og MagLev teknologi. Brann i tuneller har lenge vært et problem i trafikken og konsekvensene kan være enorme. Spesielt inne i slike lukkede systemer. Dermed har vi fokusert på tiltak som kan redusere fare for brann Brannsikker kompositt Innsiden av selve toget er belagt med en isolerende kompositt. Denne er utviklet ved å kombinere høy-temperaturisolerende ull, en syntetisk mineralull bestående av aluminiumsilikat-fibre som er flammeresistent opp mot 1000 o C. Sammen med en intrinsikk flammeresistent polymer, en uorganisk polymer som inneholder aluminium, oksygen og silisium, er svært termisk stabil opp mot 1300 o C. Denne kompositten vil gjøre at muligheten at faren for brann inne i toget blir eliminert. Figur 6 Brannsikker kompositt Videreutvikling av inergen gass Hvis en brann, tross alle barrierene, vil oppstå, vil et slukkesystem bestående av en inergen gass utløses. Inergengass innholder nitrogen, argon og CO2. Når dette blander seg med luften inne i vognen vil den redusere oksygennivået slik at en brann raskt vil slukkes, men det vil fortsatt være et trygt miljø hvor mennesker vil få tilstrekkelig med oksygen. 9

10 5.5 Sensorer for varsling Inne i transporttuben vil det være montert to typer sensorer som vil registrere eventuelle uønskede gjenstander på skinnene som kan gjøre skade hvis toget kjører over det. Det elektromagnetiske feltet som er langs hele skinnen i tuben vil registrere endringer i feltgradienter når gjenstander kommer inn i feltet. Det vil også være en sensor som registrerer eventuelle vektendringer på linjen. Det holder at en av disse sensorene slår ut for at sentralsystemet skal få tilsendt faresignaler og togene stoppes og sendes tilbake til den retningen de kom fra. 5.6 Korrosjon Korrosjon vil være en utfordring for hele midtfjordkomplekset som skal ha store arealer eksponert mot sjøvann. På selve rørbruen vil det være utfordringer til der bruen går ned i sjøen og forankringene opp til pontongene, her vil materialvalgene våre være utsatt for høye korrosjonsrater på grunn av saltinnholdet i elektrolytten kombinert med god tilgang på oksygen i skvalpesonen. Selve tuben vil ikke oppleve de samme korrosjonsrater ettersom dette er helt nedsenket. Under 30 meter vil korrosjon reduseres på grunn av det lave oksygeninnholdet. Hovedfokuset vårt når det kommer til korrosjon har da vært på å utvikle materialer som ikke vil korrodere. Her kan man benytte kunnskap som man har tilegnet seg fra oljeindustrien. 10

11 5.7 Thorium-reaktor Norge har en av verdens største forekomster av Thorium. Dette må utnyttes. Det er en generell skepsis mot atomreaktorer i Norge. Men i 2050 er går oljealderen mot slutten og man må våge å tenke nytt for å produsere tilstrekkelige mengder energi. Løsningen er en Thorimreaktor, men ikke hvilken som helst reaktor. Man bruker en utviklet boreteknologi fra oljeindustrien til å bore en brønn. I denne brønnen installeres det en Thoriumreaktor. Reaktoren befinner seg 3000m under havoverflaten. Da oppnår man flere fordeler: Ingen personer i direkte kontakt med reaktoren Ingen fare dersom man mister kontroll Dersom man mister kontroll kan brønnen enkelt isoleres ved å fylle brønnen med sement, og dermed forhindre at reaktoren skader omgivelsene. Reaktoren styres fra et kontrollrom oppe på Midtfjord. Man får tilgang til å gjøre vedlikehold ved å gå ned med utstyr vha. et boretårn som er plassert på havbunnen. Man blir kvitt radioaktivt avfall ved å deponere det i en dumpebrønn som er utformet slik at avfallet ikke forurenser omgivelsene. Ved å produsere strøm i Thoriumreaktoren sikrer man 100 % tilgjengelighet, selv ved strømstans på anleggene ombord på Midtfjord. Reaktoren blir ikke påvirket av været, mens strømgenereringsanleggene ombord på Midtfjord er værutsatte. Ved 100 % tilgjengelighet sikrer man muligheten til evakuering selv ved strømbrudd. Teknologien ble utviklet fra

12 6. Konklusjon Ideen baserer seg på en totalpakke, som benytter seg av flere ulike teknologier som alle er under utvikling i dag. Problemer med pris er et dagsaktuelt tema, som man kan se av utviklingen av sognefjordtunellen. Utviklingen av materialer som presser prisen ned er derfor en viktig faktor av hvor kjapt MTT blir en økonomisk gunstig innvestering. Figur 7 En tidslinje slik vi vil se for oss utviklingen av MTT 6.1 Markedspotensial Dette er en ide som er under utvikling, og det vil bli et kappløp om å få patenter på teknologien. Om man skal kun satse på kollektiv transport vil det antageligvis være statsbasert, slik som den norske jernbane er i dag. Dermed ser vi for oss mye av den samme situasjonen som i dagens norske marked, der noen strekninger blir kommersiell gjort, mens det meste av nettverket er statsregulert. Teknologien er lett overførbart til andre prosjekter globalt, og dermed har det ett stort marked utenfor Trondheims og Norges grenser. Altså vil dette være noe både kommersielle og statsbaserte aktører vil kunne dra nytte av. 12

13 7. Kilder n ulighetsstudie+-+kryssing+av+sognefjorden%2c+mars+2011.pdf