COOEE-projektets overordnede mål er at reducere vejtransportens CO2-udledningen ved at reducere rullemodstanden og forbedre vejbelægningens levetid. Midlet er at udvikle vejbelægninger, som både har en lav rullemodstand og lang holdbarhed.
Holdbarheden sikrer lavere vedligeholdelsesomkostninger, og den lave rullemodstand medfører et lavere brændstofforbrug.
Rullemodstand er ikke et alment kendt fænomen, men den udgør faktisk cirka 1/4 af brændstofforbruget for personbiler.
En udviklingsrapport fra 2010 anslog, at cirka 48 millioner liter brændstof, svarende til cirka 250 millioner kroner, kunne spares årligt ved at benytte vejbelægninger med lav rullemodstand!
Måleresultaterne har ført til fokus på forskellige længde-skalaer og metoder
COOEE-projektet havde ved sin begyndelse som delmål at udvikle vejbelægninger med en lav rullemodstand, der giver en brændstofbesparelse på 3 procent.
Måleresultater fra 2013 fra projektet har vist, at dette delmål er nået, men brugen af disse belægninger i Vejdirektoratets daglige vejvedligehold kræver en bedre forståelse af og viden om belægningerne, samt bedre modeller til at bestemme vejens rullemodstand ud fra målinger af vejens overflade.
\ Fakta
Det overordnede mål for COOEE-projektet er at reducere energiforbrug i vejsektoren ved at udvikle nye belægningstyper med lav rullemodstand. Projektet, som er støttet med 14 millioner kroner af InnovationsFonden, er et samarbejde mellem Roskilde Universitet, Vejdirektoratet, Danmarks Tekniske Universitet og NCC Roads. Forskellige forskningsområder og -teknikker bliver brugt i udviklingen af disse nye belægninger, hvilket postdoc Claire Lemarchand og ph.d. studerende Lasse Grinderslev Andersen eksemplificerer. Claire har nu modtaget et postdoc stipendium og en Sapere Aude bevilling fra Det Frie Forskningsråd, Teknologi og Produktion, til videre forskning i den molekylære organisering af bitumen.
Dette har ført til forskning med fokus på meget forskellige længdeskalaer og metoder:
Fra molekylernes dynamik i belægningen, der undersøges ved hjælp af beregningstunge simuleringer på grafikkort, til makroskopisk at måle rullemodstanden som bruges til at estimere brændstofforbruget på statsvejnettet.
Der kigges på udviklingen af en strategisk vejvedligeholdelseskomponent
Det er ambitionen at studier fra det molekylære niveau skal give input til modelleringen på større skalaer.
I den 'øverste' ende af skalaen kigger ph.d.-studerende Lasse Grinderslev Andersen på modelleringen af rullemodstand, samt på udviklingen af en strategisk vejvedligeholdelseskomponent, som er et stykke software der skal hjælpe Vejdirektoratet i planlægningen af fremtidig vejvedligehold.
I den anden ende af skalaen prøver postdoc Claire Lemarchand at forstå linket mellem den molekylære organisering i asfaltbelægningen og dennes mekaniske egenskaber.
Molekylsimuleringer på grafikkort-baseret supercomputer
Over en årrække vil bitumen ældes ved kemisk reaktioner, som fører til en forøgelse af antallet af store og tunge flade molekyler, kaldet asfaltener. Sideløbende foregår en kemisk ældning, der medfører en forøget skørhed af bitumen.
Med andre ord forårsager den kemiske aldring, at bitumen bliver hård, hvilket forøger risikoen for revnedannelse og i yderste instans nedbrydning af belægningen.
For at hæmme den kemiske aldring er et grundigt studie på det molekylære niveau nødvendigt for at forstå sammenhængen mellem den kemiske sammensætning og de mekaniske egenskaber.
Claire modellerer bitumen ved hjælp af regnetunge molekyledynamiske simulationer på en super-computer bestående af grafikkort, og disse simuleringer har været i stand til at reproducere ændringen i mekaniske egenskaber, når bitumen ældes.
De store, flade molekyler 'klumper sig sammen i lag'
Simuleringerne har vist, at denne ændring hænger sammen en såkaldt nano-aggregering af asfaltene molekylerne (se figur).
Disse store, flade molekyler 'klumper sig sammen i lag' i ordnede strukturer, og størrelsen på disse strukturer forøges med bitumens alder.
Simulationerne har også vist, at lettere aromatiske molekyler som for eksempel resin og resin-lignende olier bidrager til nano-aggregeringen, men for bestemte typer af disse molekyler, sker i stedet en opsplitning af nano-aggregaterne og dermed omgøres den kemiske aldring.
Spørgsmål besvares om reduktion af CO2 udledning
\ Fakta
Rullemodstand skyldes primært energitab i dækket, når det deformeres under kørsel. En del af dette energitab sker ved interaktionen mellem dæk og vej, når den ru overflade bliver trykket ind i dækket. Det er denne rullemodstand COOEE-projektet forsker i. Man skønner, at godt en fjerdedel af bilens brændstof-forbrug går til overvindelse af rullemodstand
Claires arbejde kaster lys over to spørgsmål, som er relevante i forbindelse med reduktion af trafikrelateret CO2-udledning:
- Hvilken sammenhæng er der mellem den kemiske sammensætning af bitumen og belægningens levetid?
- Hvilke typer af molekyler kan bruges til at hæmme bitumens aldring og dermed forlænge belægningens levetid? Mens det er klart, at en forlængelse af belægningens levetid vil reducere vedligeholdelsesrelaterede omkostninger og CO2 udledning, er muligheden for at forudsige belægningens levetid ud fra de kemiske komponenter også af stor betydning i strategisk vejvedligehold.
Det er her Claires arbejde sammenkædes med Lasses.
Målinger af rullemodstandstab på statsvejnettet
Lasse arbejder på en software-komponent til Vejdirektoratets IT-system til vedligehold af bl.a. vejbelægninger. Denne komponent gør det muligt at medtage energitab fra rullemodstand, når fremtidige optimale vedligeholdelsesstrategier for statsvejnettet skal udregnes.
Selvom der allerede findes modeller for rullemodstand, er de ofte grove, og vejparametrene, der indgår i disse modeller, er ikke lavet specifikt til rullemodstandsmodellering.
Ved hjælp af nye avancerede matematiske metoder har Lasse udviklet nye modeller for rullemodstand, der skal beskrive interaktionen mellem vejens overflade og rullemodstanden. Sammen med Vejdirektoratets detaljerede målinger over vejens overflade kan modeller bruges til mere præcist at angive og optimere på energiforbruget fra rullemodstanden.
En reduktion i rullemodstand betyder, at bilisterne sparer brændstof
Et vigtigt led I modelleringsarbejdet har været at validere modellerne ved hjælp af rullemodstandsmålinger som er foretaget med 'rullemodstandstraileren' fra det tekniske universitet I Gdansk, Polen (se billedet).
Som nævnt betyder en reduktion i rullemodstand, at bilisterne sparer brændstof. Selvom besparelsen ikke er meget for den enkelte bilist, er det store tal i et samfundsmæssigt perspektiv.
Lasses software-komponent har eftervist beregningerne fra 2010, hvilket illustrerer vigtigheden af at nedbringe rullemodstanden på statsvejnettet. På længere sigt er det meningen, at Lasses nye modeller for rullemodstand skal bruges ved fremtidig vejvedligehold.
Dette gør også Claires grundvidenskabelige forskning omkring nano-aggregering og bitumens aldringsproces relevant, eftersom muligheden for at forudsige belægningens holdbarhed og levetid kan vise sig særdeles nyttig i det strategiske vejvedligeholdelsessystem, som Lasse arbejder på.
Vejvedligeholdelses-komponenten er ikke kun udviklet med henblik på Vejdirektoratet
En naturlig fortsættelse af forskningen på det molekylære niveau er at identificere, hvilke egenskaber ved de molekylære strukturer bedst kan modvirke nano-aggregering og give de mest holdbare belægninger.
Denne forskning kan også føre til et kvantitativt mål til brug i strategiske vejvedligeholdelses-systemer. Derudover er vejvedligeholdelses-komponenten ikke kun udviklet med henblik på det danske Vejdirektorat, men kan bruges til andre statsvejnet.
I COOEE-projektet håber vi, at vores resultater kan bidrag i indsatsen for at nedbringe brændstofforbruget og dermed CO2-udledningen over hele verden.
