I denna del av dagens seminarium kommer jag beskriva utvecklingen inom gasdriven transport, med speciellt fokus på biometan som bränsle.

Transkript

1 I denna del av dagens seminarium kommer jag beskriva utvecklingen inom gasdriven transport, med speciellt fokus på biometan som bränsle. Jag börjar med en översikt för den svenska fordonsgasmarknaden, för att sedan gå in på utmaningarna i form av ny forskning och utveckling som behövs för att gasdrift fortsatt ska vara och ses som ett konkurrenskraftigt alternativ. 1

2 Fördelarna med att kosta på sig att uppgradera biogas till biometan så att den kan användas som fordonsbränsle är uppenbara. Det är i denna sektor bristen på alternativ till de konventionella bränslena är som störst; det är ett kommersiellt moget alternativ inom alla sektorer, biometan och naturgas kan blandas i alla proportioner utan begränsningar, och stöttar varandra under marknadsuppbyggnaden så att biogaspotentialen utnyttjas så tidigt och så maximalt som möjligt. De extra kostnaderna för biogasen kan täckas av den merförsäljning som blir resultatet av att kunder uppskattar och vill ha ett bränsle med ett mindre fotavtryck på klimatet

3 Illustration över hur biometan kan användas inom alla typer av transport. Om komprimerad eller flytande gas används beror på behov av räckvidd. Flytande biobränslen är inte alltid kemiskt identiska med sin fossila motsvarighet, därav procenttecknet. Gäller förstås inte HVO, till exempel talloljediesel, men där kan procenttecknet avspegla den mindre tillgången av substrat (fetter och oljor). Vad gäller flyget så är det inte kommersiellt tillgängligt, men har demonstrerats att fungera bra, med flytande metan (LNG/LBG). Mer om emissionsbild och motorprestanda i senare bilder! 3

4 Det är viktigt att notera den stora skillnaden i prispåslag för olika alternativa drivlinor. Även om de exakta kostnaderna och utsläppen inte är dagsaktuella, är kostnadsförhållandena principiellt desamma. Gasdrivna lätta fordon är en mycket kostnadseffektiv väg att förbättra fordonsflottan. Bilden visar hur mycket mindre kostnadspåslaget blir för bilar med gasdrift är jämfört med olika grad av hybridisering och dedikerad eldrift, i förhållande till hur mycket mindre koldioxid respektive alternativ släpper ut. Med tillsats av biometan kan koldioxidavtrycket minskas ytterligare, utan att fordonskostnaden ökar. I bilden visas minskningarna för 50 (fordonsgas, löfte från de flesta distributörer) och 100 % inblandning av typisk svensk avfallsbaserad biometan. 4

5 Som vi redan hört så är det våra avfallsströmmar i samhället som är mest fördelaktiga att göra biogas av, både vad gäller ekonomi och miljö. Genom att knyta ihop avfallshantering med produktion av förnybart bränsle slår kommuner och regioner flera flugor i en smäll. Lokala emissioner sänks, beroende av importerade fossila bränslen minskar och klimatpåverkan blir mindre, samtidigt som det blir sexigare och mer meningsfullt och påtagligt nyttigt för medborgarna att engagera sig i sin sophantering. Man sitter på vägen till jobbet och vet att bananskalen man slängde två veckor tidigare nu driver bussen man sitter på.

6 Den svenska fordonsgasmarknaden visar konkret hur biometan och naturgas hjälper varandra att bygga marknad. Sedan 2006 har andelen biometan på energibasis legat högre än naturgasens. Siffrorna visar läget fram till Till antalet dominerar de lätta fordonen, men den tunga sidan har högre förbrukning, så de dominerar ändå konsumtionen i den totala fordonsgasmarknaden Det finns ca 200 tankstationer i Sverige, def flesta i storstadsområden och i södra Sverige.

7 Fordonsgasmarknaden i Sverige startade 1989, när Malmö fick tre gasdrivna bussar. Ända från start har kollektivtrafiken och bussarna varit den viktigaste och stabilaste kunden. Forskning har visat att det utgjorde en förutsättning för den lyckade etableringen av fordonsgasmarknaden, genom att vara en så kallad essentiell nisch i den gryende marknadsuppbyggnaden. Det är fortsatt så över 2000 bussar tar ca 50 % av gasen, på en total marknad på 1,6 TWh med ca 50,000 fordon. Mer exakt statistik kommer senare i år på gasbilen.se. Om bussarna ska fortsätta dominera avgörs hur gashybridsatsningen i Malmö lyckas. Regionsbusstrafiken kan också vara ett framtida viktigt segment, speciellt om fler gasalternativ tas fram i långfärdsbuss-segmentet. Det finns ca 200 tankstationer i Sverige idag för gas

8 Drivkrafterna vi ser som skapar förutsättningarna för en fordonsgasmarknad med hög andel biometan: - Man tycker det är viktigt att minska det fossila bränsleberoendet - En gasbransch som ser gas till transport som viktig ny marknad, parat med ett kundunderlag som aktivt efterfrågar förnybara bränslen - Privat-offentliga samarbeten på lokal och regional nivå, parat med stöttande nationell politik är det viktigaste! Svenskt exempel är kollektivtrafikens långsiktiga förnybarhetsmål och riktade offentliga upphandlingar utan dem hade företagen inte vågat satsa. Viktigaste budskapet är vikten av långsiktighet, helst kopplat till marknadsandel snarare än en tidsgräns, och insikten att hela värdekedjan från produktion till användning måste beaktas från första början. Allt är sammankopplat.

9 Utmaningen är bara en: Skapa konkurrenskraftiga transportlösningar med låg bränsleförbrukning och god miljöprestanda. Delmålen blir: - Motorutveckling som strävar efter att para god emissionbild med dieselliknande verkningsgrader - Mer kunskap om och fokus på de delar av utsläppen från fordonen som har hälsopåverkan, dvs partiklar och NO2 - Bättre koll på klimatpåverkan, genom livscykelanalyser, dels som direkt koldioxid, dels indirekt genom utsläpp av metan. Viktigt att LCA görs på ett vetenskapligt korrekt sätt. Detta gäller framför allt frågan om iluc, indirect land use change - Standardisering av fordonsgaskvaliteten nya Euro VI introducerar nya marknadsförutsättningar som gasbranschen måste beakta om de vill att fordonstillverkarna ska fortsätta satsa

10 Vi börjar med motorutveckling 10

11 I den dedikerade gasmotorn baseras på samma teknik som bensindrivna motorer, otto-tekniken med tändstiftständning av bränslet. Vanligaste teknikvalet i dag är stökiometrisk förbränning där luft och bränsleandel hålls i balans för fullständig förbränning. Magertekniken med luftöverskott förekommer dock också, trots en större utmaning vad gäller reduktion av kväveoxider. En tredje variant är en hybrid av dessa, lean-mix. Historiskt sett har gasmotorn haft en mycket högre bränsleförbrukning än diesel, närmare 30 %, men nu kommer fordon med bättre prestanda: Scanias nya Eurosexa har ett påslag på bara 7 % för blandad körning, mycket imponerande. En annan nackdel är att motorer på runt 400 hästkrafter eller mer är sällsynta med denna teknik (knackningsbenägenheten ökar, värmeutvecklingen i motorn är svår att bemästra)

12 Redan i dagsläget utgör dual-fuel-drift ett alternativ med samma prestanda som diesel. Dieseln fungerar som ett flytande tändstift för gasen som utgör huvuddelen av bränsletillförseln. Två tekniker tillgängliga, i den portinmatade blandas gasen med luften före cylindern, istället för att matas in direkt i kolven under högt tryck, som görs i den andra. Detta ger olika förbränningkaraktäristika, olika emissionsbild och olika grad av dieselsubstitution. Båda är dock mer lika diesel i sin emissionsbild jämfört med den dedikerade gasmotorn. Bränslepåslaget är ca 5 % för dagens teknik, den portinmatade, medan högtrycksinmatning kan bli lika bra som diesel. Volvos nästa metandiesel baseras på denna teknik.

13 Gasmotorn är långt ifrån färdigutvecklad - redan framtagna forskningsresultat visar på att det är möjligt att nå samma prestanda som diesel, samtidigt som gasmotorns låga emissioner bibehålls Högre kompression i en kolv som ändrats så det blir mer turbulens (snabbare förbränning så temperature sjunker), och sen turbomatning parad med avgasåterföring är mycket lovande åtgärder för att öka verkningsgraden. Avgasåterföringen gör att verkningsgraden vid låga laster ökar. Gränsen sätts av hur mycket utspädning man kan göra utan att riskera en stabil tändning av bränslet. Högenergitändning är en väg framåt, och det som det forskas på nu är bränsleförsedd förkammartändning, där huvudkammaren tänds av en stråle av halvförbränt bränsle (radikaler). Enpunktsförsök med tekniken har uppnått dieselprestanda Research performed at Lund University showed that High exhaust gas recirculation (EGR) rates combined with turbocharging is a promising way to increase the maximum load and efficiency of heavy-duty gas engines. Together with model-based control to maintain combustion stability close to the dilution limit, and variable geometry turbocharger, and high turbulence pistons, 10 % lower fuel consumption could be achieved. Further research focus on increasing the dilution limit further by implementing fuelled prechamber ignition. The first test at 10 bar IMEPg showed diesel-like performance, 47.5 %. The indicated mean effective pressure, IMEP, is the energy that is converted into

14 work on the piston, WC, divided by the displacement volume according to: = = (3.3) Two different definitions of IMEP are commonly used depending on whether the entire cycle is used or if the gas exchange process is excluded. If the entire cycle is used, IMEPn (net IMEP) is obtained, and if the gas exchange process is excluded IMEPg (gross IMEP) is obtained. The difference between IMEPg and IMEPn is called PMEP, according to: = (3.4) PMEP represents the pumping losses during the gas exchange process. 13

15 14

16 The gas engines has in general lower emissions of Nox and particles compared to both diesel and gasoline. Regarding CO2 it is 24 % better than gasoline, but compared to diesel the lower efficiency of HDV gas engines requires biomethane to reduce the carbon footprint (natural gas 5-10 % higher). De reglerade utsläppsnivåerna för Euro VI är inget problem för gasen, gasfordon uppnådde dessa redan innan (EEV, exempel visar MAN-buss lanserad 2010, grön stapel, jämför med Euro VI gul stapel). Utmaningen med euro VI är ett nytt uppföljningsprogram för fordon i trafik, upp till 7år efter drifttagning, och att certifiering ska göras med marknadsbränslen ist f referensbränslen. Så vi går från en situation där alla fordon innan Euro VI bara behövde klara emissionsreglerna som nya fordon, med referensbränslen. I många gasnät i dag är gaskvalitet en helt annan, med höga svavelvärden. Svavel i avgaserna minskar gradvis aktiviteten hos katalysatorerna. Metan är den del av avgaserna som är svårast att bryta ner i katalysatorn, så metanutsläppen blir högre på såna fordon. (metan mest stabila och reaktionströga kolvätet) 15

17 De reglerade emissionerna reflekterar inte den stora variationen i ämnen som ingår i varje kategori - Nox av kväveoxiderna så är NO2 väsentligen mer hälsofarlig än NO genom sitt bidrag till bildandet av marknära ozon. Det har visat sig att efterbehandlingssystem hos dieselfordon, lätta som tunga, bidrar till att öka andelen NO2 i avgaserna, och de verkliga utsläppen av Nox är generellt väsentligen högre än de som uppkommer under testförhållanden. - HC, kolväten: Kolväten som metan och etanol är inte hälsofarliga. Viktigare att ha koll på de hälsofarliga som aldehyder, aromatiska kolväten och cancerframkallande PAH:er 16

18 Så vi behöver mer kunskap om de verkliga utsläppen av den hälsofarliga delen av de oreglerade emissionerna. Ett exempel jag visar här är från en nylig SGC-rapport, nr 297, som studerade de oreglerade emissionerna för fyra olika fordon. Mörka staplar är test med kallstartad motor, ljusa test med varmstartad motor. Längst till höger är referensen, ett vägt medel av resultat av test på olika dieselfordon. Nr 2 och 3 räknat fr höger visar de låga resultaten som väl fungerande gasmotorer har, markant lägre än för diesel. 4 och 5 från höger räknat är test på ett metandieselfordon som tydligt visar hur mycket svårare det är att hålla nere PAHutsläppen med denna teknik, speciellt vid ren dieseldrift. Men det sista fordonet med ren gasdrift att man ska kanske inte dra för stora växlar på detta, eftersom det har lika höga utsläpp som dieseln. Det är uppenbart att skillnaden mellan fordonsindivider kan vara lika stor som mellan olika tekniker. Fordonet till vänster var äldre med längre körsträcka, som kanske påverkade. Man vet att smörjolja är en källa till hälsofarliga partiklar och ökade PAH-utsläpp. Typ av olja kan troligen också påverka. Mängden olja som går in i motorrummet påverkas troligen av hur bra underhållet fordonet är. Summa summarum: Det behövs mer forskning och test, för att vi bättre ska kunna förebygga emissioner, och för gasbranschen del för att vi ska kunna stå för påståendet att resultat 2 och 3 från höger räknat är det som gäller för gasfordon. 17

19 Klimatpåverkan genom LCA-studier nästa 18

20 Diagrammet här gäller ett lätt fordon, räknat per km. Referensen för bensin och diesel längst till vänster. Viktigaste budskapen här är att 100 % biogas givetvis är bäst jämfört med naturgas, och att vilken el man använder till bränslecellers vätgas och till elbilar avgör om det är klimatvänligt eller inte.

21 Något den förra bilden inte visade är hur stora skillnader det blir beroende på hur man räknar. EU:s RED använder sig av energiallokering, vilken utesluter de miljönyttor som produktionen av bränslet indirekt kan medföra. Till höger görs det genom systemexpansion. Ett bra exempel är hur rötresten från biogas ersätter konstgödsel 20

22 Här ser vi tydligt de stora skillnaderna som de olika beräkningsmetoderna ger. Gröna staplar allokeringsmetoden, blåa systemexpansionsmetoden.

23 EU s förslag för iluc innebär att man lägger till en och samma faktor för olika bränslen. Det sätter definitivt stopp för stora biobränslen som RME och även bioetanol, men även biogas från energigrödor får problem. Största problemet är dock den generella procentmässiga begränsningen på att energigrödors bidrag till biobränslen begränsas till 7 %. Det påverkar också biogasens framtida substrat avfall räcker inte till.

24 Istället för att införa trubbiga påslagsfaktorer som baseras på substrat till bränslekedjor, borde man istället låta det avgöras av hur marken används i dag, och vilken påverkan det skulle ge klimatmässigt om man ändrar till energigrödor. Då visar det sig att det finns en mycket större potential för energigrödor, illustrerat av det gröna till höger om rutan i bilden. I tillägg har vi också avfall, och ökad produktivitet på våra befintliga jordbruksmarker. 23

25 Eller som forskaren André Faaij uttryckt det: Fokusera på de positiva synergier som finns mellan att kombinera jordbruksbaserad produktion av både mat och bränsle, istället för att försöka hitta en teoretisk modell för landanvändningsförändring. Nyligen komna uttalanden från FAO tyder på att det pågår en svängning i debatten. 24

26 25

27 Just nu pågår det mycket aktivitet för standardisering av gaskvalitet, både i nätet och som fordonsgas, organiserat av europeiska standardiseringsorganet CEN. Två olika kommittéer jobbar samtidigt. Naturgaskvaliteten i nätet sätts i standarden Denna styr vilka parametrar som sätts för biogasinmatning i den andra kommittén (preliminära standarden ). Standarden för fordonsgas, , är ett fristående dokument, men påverkas indirekt. Arbetet kantas av svårigheter att jämka gasnätägarnas behov av en vid specifikation och business as usual, med fordonstillverkarnas behov av specifikation med tuffare gränssättningar. En kompromiss som tagits fram är en nätoberoende del av standarden, med högre metantal, såsom vissa tunga fordon behöver. En tredje aktör som gör förhandlingarna mer komplicerade är biogasproducenterna. 26

28 Följande områden är mest problematiska att komma överens om: - Värmevärde och wobbeindex (sista mått på värmetillförsel), bred spec kontra tajt spec eftersom inte kan komma överens så försvinner denna parameter också från Sista ordet dock inte sagt i frågan - Siloxaner faller vid förbränning ut som kvarts, ett glas som sätter igen känslig utrustning i bilarna och ökar slitaget i motorrummet. Påverkan på lambdasond (motorstyrning) och katalysatorer viktigast. Lågt värde problematiskt för biogasindustrin, eftersom uppgraderna inte kan garantera detta utan dyr, dedikerad siloxanborttagning. Den låga gränsen är också svår att övervaka, eftersom den ligger för nära nuvarande detektionsgräns hos testmetoderna. Ingen online-metod finns att tillgå ökade kostnader! - Svavel påverkar också katalysatorerna. Höga halter tillåts i dag i nätet, pga att viss naturgas innehåller det naturligt, och den höga graden av svavelinnehållande odoriseringsmedel som sätts till i vissa länder. En lösning kan vara att tillåta den lägre av fordonstillverkare önskade gränsen på nationell nivå, när nätet så tillåter - Metantal, ett kvalitetsmått för gas som motsvarar bensinens oktantal. Nätägarna vill ha MN 65, troligen för att tillåta framtida tillsats av vätgas i nätet, snarare än att försvara den lilla del av nätet som försörjs med gas som ligger under MN 70. Den senare gränsen ser fordonstillverkarna som minimum för framtidens motorer. 27

29 Så utmaningen är att underlätta samarbetet mellan två perifera marknadssegment hos två större aktörer (gasnät och fordonstillverkare) hur kan vi jämna vägen för framtidens gasmotor med diesellik prestanda utan att riskera gasbranschens kärnverksamhet? Det vill till en kostnadsoptimering tvärs två branscher, kräver tillitsskapande arbete för att lösa en komplex fråga Kan gemensam FUD vara lösningen? - svavelfri odorisering - Nätoberoende distribution av gas med MN högre än 70 - FUD för billiga online-instrument för biogas - Gaskvalitetssensorer som är billigare och anpassade till tillämpningen vad gäller känslighet och kostnad, till exempel enklare sensorer ombord fordonen för SEK - Motorutveckling skynda på utvecklingen, fordonsbranschens kärnverksamhet är diesel, så gasen behöver en push! 28

30 En uppräkning av SGC-rapporter som täcker in olika områden som jag har pratat om. Rapportserien avslutades i dagarna, i och med publikationen av rapport 300.

31 30

32 31