sou · H1B384 · 2013-12-16 00:00:00 — Laddhybridens batterier laddas med elström från nätet men bilen är försedd också med en förbränningsmotor. En laddhybrid kan ut- formas så att förbränningsmotorn driver direkt på hjulen och tar vid när batteriet tömts. Bilen får då samma prestanda som en kon- ventionell bil även på långfärder. Laddhybridversionerna av och är exempel på en sådan lösning. Laddhybriden kan alternativt byggas så att förbränningsmotorn bara används för att generera el till bilens batteri. Det innebär att elmotorn alltid används för framdrift. Bränslemotorn kallas i detta fall ibland räckviddsförlängare. Den kan vara enkel, liten och lätt, men även större motorer är tänkbara för att ge ökade prestanda. /är exempel på det . Laddhybrider erbjuder en enklare övergång till eldrift än den rena batteribilen. Räckvidd och övriga prestanda samt lastförmåga kan motsvara den hos en konventionell förbränningsmotorbil, men en del av körsträckan erbjuds med eldrift. Med ett körmönster där en stor del av den totala körsträckan utgörs av korta resor kan ladd- hybriden ge en kraftig energi- och bränslebesparing Det är för tidigt att avgöra hur optimeringen av framtidens ladd- hybrid kommer att se ut. Toyotas filosofi med låg elräckvidd () ger ett måttligt kostnadspåslag och därmed en större potentiell kundkrets i introduktionsskedet. I ett samhällsperspektiv är det viktigt att hitta en bra balans mellan räckvidd vid ren eldrift och kostnad. startade ett fältprov med tre laddhybridbussar i . I testas två laddhybridbussar som är begagnade ombyggda bussar. I planeras en linje för trafi- kering med laddhybridbussar. Flera av de tidiga modeller som saluförs är dyra och därför utrustade för att tilltala en exklusiv köparkategori. Med större erfarenhet av produktion av de nya drivsystemen och framförallt med sänkta batterikostnader kommer troligen enklare modeller att saluföras som är attraktiva för en bredare kundkrets. För att möjligheten att köra på el ska utnyttjas måste det åtminstone finnas möjlighet att nattladda hemma samt helst också att kunna ladda på arbetsplatsen. Förbränningsmotorn i en laddhybrid behöver bränsle. Ett flertal möjligheter står till buds men de flesta har begränsningar. Sannolikt kommer ottomotorer att vara vanligast. Det elektriska drivaggre- gatet inklusive batteriet är dyrt och troligen finns inte ekonomiskt utrymme för att använda en dieselmotor som kostar 10 000 till mer än bensinmotorn. Mycket exklusiva bilar kan bära den kostnaden men knappast bilar för en massmarknad. En motor för metan (biogas) inklusive tankar har en något högre mer- kostnad än en dieselmotor och tankarna är platskrävande och får svårt att samsas med batteriet. Ett alternativ är att låta förbränningsmotorn gå på alkohol, ren etanol eller metanol eller en blandning. Även här uppkommer en merkostnad som dock är mera måttlig, troligen vid serietillverkning. Storskaligt producerad etanol från sockerrör (kommersiell) eller etanol från halm (under utveckling) ger i ett LCA-perspektiv utsläpp på CO2/km i en bil som framförd som konventionell bensinbil skulle ge upphov till CO2/km (JEC-Joint Research Centre-EUCAR-Concawe collabo- ration, 2007). Om en bil i den storleksklassen laddhybridiseras minskas utsläppen under förbränningsmotordrift till drygt CO2/km. I idealfallet då elen är fossilfri och halva körsträckan går på el ligger genomsnittsutsläppen alltså på CO2/km. Detta exemplifierar alltså bästa tillgängliga teknik och kan jämföras med dagens nybilsförsäljning som i genomsnitt har utsläpp kring CO2 per km. Laddhybriden ger förutsättningar för mycket låga CO2-utsläpp Laddhybriden kan fullt ut ersätta en traditionell bil Tekniksprånget från nuvarande bilteknik är måttligt Batterikostnad är en kritisk faktor men lättare att klara än i batteribilen Stadsbussar kan börja elektrifieras i närtid Distributionsfordon kan börja elektrifieras i närtid Tillgång på förnybart bränsle för förbränningsmotorn måste säkerställas för helt fossilfri framdrift. 11.5Kontinuerlig laddning av fordon från elektrisk väginfrastruktur Den elektrifierade tågtrafiken försörjs med ström från en kontakt- ledning och tunnelbanan får sin el från en strömskena. Med konti- nuerlig tillförsel av el från nätet behövs ingen lagring i batterier. Sådan strömförsörjning är möjlig också för vägfordon, här kallade elvägar, och på kort sikt särskilt intressant för tunga lastbilar och bussar som inte kan försörjas enbart med el från batterier. På lång sikt är kontinuerlig strömförsörjning tänkbar också för lätta väg- fordon. Utöver konduktiv laddning där strömmen överförs via hängande tråd eller skena i marken, kan induktiv laddning vara en möjlighet. Det innebär att strömmen överförs utan direkt kontakt mellan fordonet och en ledning i vägkroppen, men det sker till priset av högre överföringsförluster. De icke kon- duktiva lösningarna förväntas även innebära högre investerings- kostnad per kilometer men lägre underhållskostnader. Förutom att elvägar minskar energianvändningen och utsläppen av koldioxid, så har de fördelen av att utnyttja befintlig infrastruktur. De kan således vara ett sätt att snabbt och till relativt låg investeringskost- nad tillgodose behov av ökad transportkapacitet. Infrastrukturen för kontinuerlig eltillförsel diskuteras närmare i avsnitt 11.8.8. WSP (2013c) bedömer, delvis utifrån nyckeltal i en tidigare studie av Grontmij (2010), att den företagsekonomiska brytpunkten mellan den högre kostnaden för fordonet och den elektrifierade trafikens lägre driftskostnad vid jämförelse med diesel ligger vid en kör- sträcka på knappt 2 . Det är mindre än en fjärdedel av den normala årliga sträckan hos en fjärrbil och indikerar att eldrift kan vara lönsam även för lastbilar som bara delvis framförs på den elektrifierade delen av vägnätet. En del av den företagsekonomiska vinsten med att övergå till eldrift uppkommer genom att man undkommer energiskatten på diesel som delvis syftar till att inter- nalisera de kostnader som den tunga trafiken skapar genom t.ex. vägslitage och trafikolyckor. Om man i stället tar ut en avståndsberoende avgift (kilometerskatt) för att internalisera denna del av den tunga trafikens marginalkostnader så reduceras den före- tagsekonomiska fördelen av att byta från dieseldrift till el. WSP (2013c) konstaterar att konkurrensytan mellan trafik- slagen är liten och att en stor och växande andel av det högvärdiga godset transporteras med lastbil på huvudvägnätet. Hur stor del av vägnätet som kan elektrifieras med samhällsekonomisk lönsamhet beror på infrastrukturkostnaden (som uppskattas till 5–/km) och på antalet elektrifierade vägfordon som utnyttjar vägen. Den högsta lönsamheten finns sannolikt på , E4 (åtminstone upp till ) och RV 40, men även delar av bedöms ha goda förut- sättningar liksom E45 mellan och . Vid låg anläggningskostnad kan en betydligt större del av huvudvägnätet komma ifråga. Bilarna i systemet förutsätts, åtminstone , ha hybriddrift, dvs. vara försedda både med elmotor och dieselmotor för att i en senare utbyggnadsfas röra sig alltmer mot fullelektrifierade fordon med batterier i stället för dieselmotorer. Det underlättar utbyggnaden av elförsörjningen, eftersom möjlig- het till avbrott i elöverföringen skapas, t.ex. vid planfria vägkors- ningar. Hybriddriften gör också systemet föga störningskänsligt vid avbrott i strömförsörjningen och den ringa mängd fossil diesel som kan behövas bör successivt kunna ersättas av biodrivmedel. Vissa tekniska lösningar av elöverföringen innebär möjligheter att försörja lätta fordon med ström. Elektrifierade vägar har en möjlighet att eliminera såväl räckviddsångest som kostnaden för stora batteripaket. Tillgång till laddning under färd gör det möjligt med väsentligt mindre batteristorlekar på fordonen, eftersom man kan ladda så snart man når en större väg (i ett väl utbyggt system). Möjligheten att färdas längre sträckor utan att behöva stanna för att ladda fordonet ökar i ett elektrifierat vägsystem. Genom laddning under färd slits också batterier betydligt mindre än vid snabb- laddning. Enligt vad utredningen erfarit förväntas rapporten ring av vägtransporter från organisationen för innovation i transportsektorn, som har till uppgift att skapa en färdplan för så kallade elvägar, peka på att det första steget bör bli framväxt av tidig implementering i form av olika sträckor på från varandra isolerade platser i landet. Dessa etableringar kommer att fungera som platser för utvärdering av de olika teknikernas möjligheter såväl tekniskt som ekonomiskt inför en vidare nationell implemen- tering utan att medföra en låsning till en specifik lösning. , och genomför en gemensam innovationsupphandling inom en planeringsram på för en första byggstart av en eller flera korta provsträckor där olika elvägstekniklösningar ska testas. Ytterligare lokala prov kan tillkomma, troligen lika mycket drivna av kommersiella intressen som av klimathänsyn. Standardisering och val av teknik är av vital betydelse i samman- hanget. Att prova skilda tekniker i olika miljöer, som inte länkar med varandra inbördes, är dock inget problem i detta tidiga skede. Exempelvis kan två städer ha olika elvägstekniker i sin kollektiv- trafik. Långväga transporter kompliceras däremot om olika länder tillämpar skilda tekniska lösningar för elektrifiering av landsvägs- och motorvägstrafik. För att undvika framtida problem är det således viktigt att de svenska erfarenheterna används för att påverka skapandet av en EU-gemensam standard för elektrifierade lands- vägar. Fordonstillverkarna anser emellertid inte att olika tekniker begrän- sar deras framtida affärsmöjligheter. De fordon som utvecklas måste ha ett gränssnitt mot infrastrukturen som innebära att olika tekniker kan hanteras, kanske inte i varje individuellt fordon, men hos fordon från varje fordonstillverkare. Elektrifiering innebär att energiåtgången per fordonskilometer mer än halveras och den kan till 2030, enligt WSP, reducera energi- användningen med men öka konsumtionen av el med baserat på ett mycket optimistiskt antagande om att av den tunga trafiken på de elektrifierade huvudstråken utgörs av ellastbilar. Effekten på de direkta utsläppen av koldioxid skulle i så fall bli . Nettoeffekten beror på hur elen produceras. Utöver de huvudstråk som utnyttjas av en stor del av fjärr- trafiken finns en tänkbar nisch i form av elektrifiering av vissa stråk som används för frakt av massgods i stora volymer. Transporter från den nya järnmalmsgruvan i till för vidare transport till har nämnts som ett exempel. Sammantaget är potentialen för att minska koldioxidutsläppen genom elektrifiering av massgodsstråk dock av ringa betydelse jämfört med fjärrtrafiken på det högtrafikerade huvudvägnätet men sådana lösningar kan vara företagsekonomiskt intressanta alternativ till dieseldrift. Däremot är kanske potentialen för teknik- och affärsutveckling genom snabb implementering större inom dessa massgodstransporter liksom inom kollektiv- och godstrafiklösningar i stadsmiljöer. Den samhällsekonomiska lönsamheten i att elektrifiera delar av huvudvägnätet är osäker och i hög grad beroende av hur stor andel av trafiken som antas komma att gå över till eldrift. Benägenheten att byta till el beror i sin tur på hur stor del av vägnätet som elektri- fieras samt på merkostnaden för elfordon och hur den rör-liga kostnaden för trafiken förändras vid elektrifiering. Om en alltför kort sträcka elektrifieras kommer den att ge begränsade nyttor, eftersom den inte ger åkerierna besparingar som motsvarar mer- kostnaden för en ellastbil då körsträckan på el blir för kort. Om man helt bortser från merkostnaden för fordonen så krävs enligt utredningens beräkningar5 att cirka 900 passerande fordon per dag använder el för att deras minskade utsläpp av koldioxid och emissioner samt reducerade energianvändning ska uppväga investe- rings- och underhållskostnaden för infrastrukturen på en given väg- sträcka. En sådan kalkyl är dock bara aktuell i ett sent skede när alla fordon som är aktuella för eldrift redan köpts in. I ett tidigt ut- byggnadsskede tillkommer fordonskostnader som kan bli höga i förhållande till de begränsade körsträckor som är tillgängliga för eldrift. Om man antar att det krävs hälften så många tillkommande elfordon i fordonsflottan som antalet passerande elfordon per dag (dvs. varje ellastbil kör fram och tillbaka på aktuell sträcka ) och inkluderar fordonskostnaden krävs i stället att knappt 1 000 tunga fordon per dag använder eldrift. Om man i stället antar att det krävs lika många tillkommande elfordon i fordonsflottan som antalet passerande elfordon per dag (varje elfordon åker sträckan en gång per dag i enbart en riktning) krävs att minst 1 100 passerande fordon per dag övergår till eldrift för att investeringen ska vara samhällsekonomiskt lönsam och om man antar att ellast- bilarna i genomsnitt passerar sträckan endast (dubbelt så många fordon krävs som antalet dagliga passager) innebär det att 5 Investeringskostnaden antas här vara /km dubbelriktad väg, underhållskostnad på /km och år samt merkostnad för fordon på /elfordon i enlighet med uppgifterna i Grontmij (2010) som utgår ifrån en tänkt elektrifiering av mellan och (). Nyttorna uppkommer genom lägre energi- användning (1,64 kWh/km vid eldrift i stället för diesel/km) och minskade utsläpp av koldioxid och andra emissioner. Priset på diesel (utan skatt) antas vara /liter och elpriset (utan skatt) antas vara /kWh. 1 400 passerande fordon per dag måste övergå till eldrift för att investeringen ska vara samhällsekonomiskt lönsam. Enligt WSP (2013c) har cirka 6 000 tunga fordon , medan volymen mellan och i huvud- sak ligger mellan 3 800 och 4 500 fordon/dygn och på mellan och ligger flödet av tunga lastbilar runt 3 500 fordon/dygn. Angivna trafikvolymer är årsmedelsdygnstrafik (ÅDT) och anger antalet passager i båda riktningarna. Sammanfattningsvis krävs således att en hög andel av den tunga trafiken väljer att gå över till eldrift för att det enligt utredningens schablonmässiga kalkyl ska vara lönsamt att investera i denna typ av infrastruktur även på de mest högtrafikerade sträckorna. Den företagsekonomiska lönsamheten beror till stor del på hur skatte- och avgiftssystemet ser ut. Om man inför kilometerskatt och därigenom övergår från att beskatta bränslet till att beskatta framförandet av fordonen innebär det att företagens incitament till eldrift minskar. är det orimligt att en elektrifiering av vägnätet ska leda till att den tunga vägtrafiken minskar sin inter- naliseringsgrad, vilket skulle bli fallet om man även fortsättningsvis bara använder energiskatten på drivmedlen för att internalisera den tunga trafikens externa marginalkostnader. Positiva bieffekter kan potentiellt uppkomma i form av använd- ning av samma nät och transformatorstationer för andra ändamål, t.ex. försörjning av laddstationer eller inmatning av vindkraftel på nätet. Lätta vägfordon står för större delen av användningen av fossil- bränslen (). En elvägsteknik som kan användas av lätta fordon bidrar till att minska räckviddsproblematiken med batteribilar och till att öka den elektriska körsträckan med ladd- hybrider. Därmed kan lätta elektrifierade fordon spela en viktig roll för finansieringen av ett elvägssystem. I bränslecellsbilen genereras el av en bränslecell. driver en elmotor och håller batteriet laddat. I princip skulle batteriet även kunna laddas från nätet (bränslecellsladdhybrid). Att driva fordon med bränsleceller som generar el till en elektrisk drivmotor är lockande på flera sätt. En drivkraft är frånvaron av emissioner som påverkar luftkvaliteten. Dessutom breddas energi- basen kraftigt. Vätgas, som oftast föreslås som drivmedel i bränsle- celler, kan framställas på olika sätt vilket ger stora möjligheter till anpassning och diversifiering av infrastrukturen. Till skillnad från batteribilen och laddhybriden erbjuder bränslecellsfordonet långa körsträckor utan andra utsläpp än vattenånga. Den har således potential att helt ersätta en konventionell bil. utlovade flera biltillverkare serietillverk- ning av bränslecellsfordon , men sedan kom en period av pessimism då vätgas- och bränslecellsfordon bedömdes tillhöra en avlägsen framtid. har emellertid utveck- lingen av bränslecellstekniken gått snabbt och kostnaderna har sjunkit som livslängden hos cellerna förbättrats. Kostnaden anges till per kW och anses vara tänkbart att nå kring 2017 (el al, 2013). Prototyper av bränslecellsfordon har visats . Men inga fordon har tillverkats i större serier. under- tecknade emellertid sju av världens största biltillverkare ett gemen- samt brev till olje- och energiindustrierna samt berörda regeringar i vilket de uttryckte sin intention att starta kommersiell tillverkning av bränslecellsbilar . aviserar att 1 000 fordon ska tillverkas och att produktionen därefter ska uppgå till flera tusen . Till 2025 ska företaget ha levererat 100 000 fordon. leasar ut 200 fordon och planerar att introducera en liten serie 2017, Toyota ska lansera en modell med försäljningsstart . I planeras en infrastruktur för vätgastankning med 50 stationer (Elforsk, 2013b). I finns planer på att uppföra 65 stationer till 2020 till en beräknad kostnad av (UK H2 Mobility, 2013). EU-kom- missionen (2013a) har föreslagit ett direktiv om utbyggnad av infrastruktur för alternativa drivmedel. 11.6.2Olika principer for bränsletillförsel Alla stora aktörer använder vätgas som tankas i fordonet och lagras i en tank under 700 bars tryck. Detta möjliggör en räckvidd mellan tankningar. En alternativ lösning är att tanka metanol som reformeras ombord till vätgas. Fördelen är att metanol är lättare att distribuera. Reformering ombord ger emellertid förluster (verk- ningsgrad) och fordonet kompliceras och blir dyrare. Förlusterna är av samma storleksordning som vid storskalig reformering men kostnaden är högre. En av svårigheterna är att klara snabbt varie- rande belastningar. Inga fabrikanter verkar arbeta med denna lös- ning. Det finns bränsleceller som fungerar på metanol, men inga bil- fabrikanter verkar driva denna utveckling. Metanolbränsleceller finns för små applikationer men inte där högre effekter behövs. Det finns även typer av bränsleceller (fastoxidceller, SOFC) som är bränsleflexibla och inte kräver vätgas, men de arbetar vid höga temperaturer vilket kräver lång uppvärmningstid före start. Detta gör dem mindre lämpade för fordonsdrift. De anses dock som en lovande teknik för elproduktion på . Det är fördelaktigt att konstruera fordonet som en hybrid med både bränsleceller och batteri. Man behöver inte överdimensionera bränslecellen och dessutom mår den bättre av att slippa alltför snabba lastväxlingar. Hur optimering av bränslecellens och batte- riets storlek ska balanseras får utvecklingen utvisa. 11.6.4Produktion och distribution av vätgas Som tidigare påpekats möjliggör ett vätgasbaserat system använd- ning av ett stort antal energikällor och energibärare. Men förnybara källor till framställning av vätgas är begränsade och dyra (JEC-Joint Research Centre-EUCAR-Concawe collabora- tion, 2011). Vätgas kan tillverkas av kol, olja och naturgas eller genom spjälk- ning av vatten till väte och syre (elektrolys). För vätgas som används i bränslecellsfordon uppstår i stort sett alla klimatpåverkande emissioner uppströms vilket underlättar för koldioxidlagring. Intressantare ur ett förnybarhetsperspektiv är att vätgas kan produceras från biomassa via syntesgas. Ur syntesgasen kan ett antal energibärare som metan, metanol och DME framställas. De kan i sin tur reformeras till vätgas. Verkningsgraden blir sämre jäm- fört med att göra vätgas direkt vid förgasningen, men distribu- tionen kan underlättas. En annan väg är att tillverka vätgas ur vatten via elektrolys. Vid raffinaderier och viss kemisk industri tillverkas vätgas i liten skala . När en större del av elförsörjningen består av intermittent kraft från sol och vind kommer överskott på el att uppstå. Det överskottet kan eventuellt lagras som vätgas och exempelvis användas som fordonsbränsle. Kapitalkost- naden kan dock bli betydande om anläggningens användningstid blir låg. Ytterligare metoder att framställa fossilfri vätgas diskuteras. Det handlar bl.a. om att göra vätgas med hjälp av solljus, en slags halv fotosyntes. En annan metod går via solljus och alger. En tredje använder koncentrerat solljus för att spjälka vatten. En slags kataly- sator (ferrit) används. Metoden kallas CSP (Concentrated solar power). Figur 11.1 Olika vägar till drivmedelsförsörjning av vätgasbilar Längst till vänster visas energikällorna. Några av dessa källor kan erbjuda potential till fossilfrihet. Detta markeras av de kraftigare pilarna. Omvandlingen från energibärare till vätgas kan ske centra- liserat i stora anläggningar eller decentraliserat ända ute vid tank- stället. Det finns skalfördelar med att producera vätgas centralt, men detta motverkas av att transporterna av gasen förlängs. Transport i pipeline kräver mycket stora volymer för att bli rimlig. Sannolikt är inte ens en hög andel vätgasbilar i fordonsparken tillräckligt som underlag för att bygga pipelines. Måttliga volymer transporteras med lastbil ut till tankstället. Gasformigt väte kan med rimlig eko- nomi transporteras , medan flytande väte klarar det dubbla. Kostnaden för att bygga infrastruktur och att förse bränslecells- fordon med tankställen är förmodligen en kritisk aspekt. (2010) uppger dock att kostnaden för infrastrukturen endast mot- svarar av den totala fordonskostnaden eller /fordon, då bränslecellsbilarna nått en 25-pro- centig andel av bilparken. Detta beskrivs som i nivå med mot- svarande laddinfrastruktur. Där antar man såväl hemladdning som publik laddning och att batteribilar finns i stor andel. Enbart ladd- hybrider skulle ge billigare infrastruktur. I ett uppbyggnadsskede behövs tidigt ett relativt stort antal tankställen för att göra bränslecellsfordonen tillräckligt attraktiva. Detta innebär att investeringen per levererad energimängd kommer att vara mycket hög tills antalet brukare nått den avsedda nivån. Som framgått ovan av det brittiska exemplet så förväntas kostnaden ligga på per tankställe. I finns cirka 3 000 tankställen för bensin och diesel och även om vätgas- stationerna inte behöver bli lika många skulle en täckning av hela landet kräva en investering på . De rutter som har potential att ge fossilfrihet är elektrolys samt biomassa via syntesgas till vätgas antingen direkt eller via metan, metanol eller DME. Elektrolys ute vid tankstället är lockande då elen är lätt att distribuera. Nackdelen är att systemverkningsgraden är låg, från biomassa via el och vätgas till driv- hjul (, 2001). Om elproduktionen är fossilfri erhålls visserligen ett fossilfritt system, men elen används bättre i en ladd- Av den el som används för laddning av ett batteri når drivhjulen. Om samma mängd i stället hade använts för framställning av vätgas genom elektrolys för användning i en bränslecellsbil skulle av den ursprungligen tillförda energin ha överförts till bilens hjul (Mazza och Hammerschlag, 2005). En laddhybrid som till stor del av körsträckan körs på el från batteriet skulle då ha en bättre genomsnittsverkningsgrad än bränslecellsbilen. För ett körmönster som innebär många längre körningar vinner däremot bränslecellsbilen. I Figur 11.2 illustreras resonemanget och där antas att laddhybriden kan köras på batteriet. Figur 11.2 Jämförelse av effektivitet mellan bränslecellsbil (FCHEV) och laddhybrid (PHEV) Källa: egen beräkning. Exemplet ovan baseras på att den enklaste infrastrukturen för pro- duktion av vätgas, nämligen elektrolys, används. Om biomassa an- vänds som utgångspunkt finns flera möjliga handlingslinjer. Ett alternativ är att från biomassa via förgasning i en central anläggning göra vätgas som distribueras i ett vätgasnät. Fördelen är att verkningsgraden blir högre och möjlighet öppnas för koldioxid- avskiljning. Förgasningsanläggningarna blir stora vilket är nöd-