Plug-in som partiell lösning av personbilars energitillförsel. Vilka effekter skulle de få på utsläppen av koldioxid?

Transkript

1 Plug-in som partiell lösning av personbilars energitillförsel Vilka effekter skulle de få på utsläppen av koldioxid? Per Kågeson Nature Associates På uppdrag av Bil Sweden Slutlig version

2 1. Introduktion Många experter förutspår att el-hybrider under nästa årtionde kommer att utgöra en viktig del av fordonsindustrins strategi för att möta kraven på lägre drivmedelsfö r- brukning och sänkta utsläpp av koldioxid. En möjlighet att ytterligare reducera bränsleförbrukningen skulle kunna vara att förse dem med extra stora batterier och att nattetid ladda dessa från elnätet. Därigenom skulle behovet av diesel och bensin minska. Avsikten med detta papper är att söka besvara frågan om en storskalig tillämpning av sådan plug-in skulle få positiv eller negativ effekt på de samlade utsläppen av koldioxid, inklusive de som sker från fossileldade kraftverk. 2. Vad är en plug-in elhybrid? I ett elhybridfordon höjer man den genomsnittliga verkningsgraden genom att låta förbränningsmotorn generera el som lagras i batterier och används när effektbehovet är störst. Det ger möjlighet att optimera motorn mot lägre volym och effekt och se till att den i stor utsträckning arbetar inom ett varvtalsområde som förbränningsmotorn är optimerad för. Man skiljer mellan parallell- och seriehybrider. Drivlinan betecknas som en parallellhybrid när kraftöverföring till hjulen kan ske både från förbränningsmotorn (på konventionellt sätt) och från elmotorn. I en seriehybrid används förbränningsmotorn bara till att driva en elektrisk motor som i sin tur överför kraft till hjulen. En fullhybrid kan minska bränsleförbrukningen med 30 procent, mest dock vid stadskörning och mindre på landsväg. Parallellhybrider har högre verkningsgrad än seriehybrider. Ett drygt dussin hybrider mellan el- och bensindrift finns redan på världsmarknaden. Toyota Prius är marknadsledande och svarade 2005 fortfarande för över 90 procent av försäljningen. Ännu finns bara bensindrivna elhybrider, men flera företag har dieselhybrider som en utvecklingslinje. Peugeot-Citro?n har tagit fram en prototyp som drar 3.4 l liter per 100 km när den körs enligt EU:s testcykel. Det motsvarar 90 g CO2 per km. Enligt företaget ska serietillverkning inledas senast Om man ökar batterikapaciten hos en elhybrid kommer man längre utan att behöva använda fordonets förbränningsmotor. Två amerikanska företag i batteri- och elteknikbranschen har byggt om ett exemplar av Toyota Prius och försett bilen med större batterier som kan laddas från elnätet. Detta alternativ betecknas i USA som plug-in. Ombyggnad av en konventionell VW Lupo 1.4 till plug-in elhybrid har bekostats av California Air Resources Board (Gage, 2003). I båda fallen kunde man konstatera att sådana plug-in elhybrider kan köras minst 40 km på bara batterierna, vilket för många bilister räcker för daglig arbetspendling och inköpsresor. De elhybridbilar som finns på marknaden har batterier med kapacitet att lagra 1-2 kwh el. För att utvidga eldriftens räckvidd till 40 km behövs med dagens fordon batte- 1

3 rier som kan lagra 6-10 kwh. Den nyss omtalade Lupon försågs med blybatterier med kapacitet att leverera 8 kwh. Vikten översteg 300 kg, vilket kan jämföras med Toyota Prius nickelmetallhydridbatterier som bara väger omkring 50 kg (Gage, 2003). Med betydligt dyrare litiumjonbatterier kan vikten hos de tillkommande batterierna reduceras ytterligare. Duvall (2005) uppger att ett sådant batteri på 120 kg kan lagra 14 kwh. 3. Räckvidd och körsträckor Som framgick av föregående avsnitt kan en plug-in hybrid som försetts med större batterikapacitet än en konventionell elhybridbil få en räckvidd på över 40 km vid batteridrift. En stor andel av de flesta bilisters årliga körsträcka består av resor som är kortare än så. Därtill skulle många som dagligen arbetspendlar längre sträckor med bil kunna ladda batterierna från nätet medan de arbetar och därmed utvidga sitt dagliga avgasfria bilåkande till uppemot dubbla sträckan. Därutöver skulle de första 40 kilometrarna av varje längre resa kunna utnyttja el från nätet. Enligt opublicerat underlag till Riks RVU-RES företogs den 20 augusti 1999 nära 3.5 miljoner bilresor (räknat som förarnas resor). Utfallet redovisas i sju avståndsklasser utan angivande av genomsnittlig färdsträcka. Om man antar att medelsträckan sammanfaller med mittpunkten i varje intervall och gissar att medelsträckan i den sista öppna avståndsklassen (=100 km) uppgick till 200 km, blir den totala körsträckan 57.5 miljoner km. Av denna sträcka svarar resor kortare än 40 km för 29.1 miljoner km, vilka alltså i sin helhet skulle kunna klaras av en plug-in elhybrids elmotor. Därtill kommer att elmotorn också skulle kunna klara de första 40 kilometrarna av de längre resorna. Den delen motsvaras totalt av 14.4 miljoner km. Sammantaget innebär det att eldriften teoretiskt skulle ha kunnat producera 43.5 miljoner av den aktuella augustidagens 57.5 miljoner fordonskilometer. Det motsvarar ca 76 procent och säger något om plug-in elhybridernas potential. I praktiken påverkas dock den faktiska potentialen dels av hur hög andel av alla fordon som vid dagens början har fullmatade batterier, dels av om alla förare väljer att köra sina första 40 km med utnyttjande av enbart eldrift. Å andra sidan kan utfallet påverkas i motsatt riktning av förhållandet att en del bilister med körsträckor över 40 km sannolikt skulle kunna ladda batteriet helt eller delvis från eluttag vid sina arbetspla t- ser inför återfärden till hemmet. En försiktig slutsats kan vara att en fordonsflotta som helt består av plug-in hybrider en genomsnittlig dag skulle tillryggalägga minst halva sin årliga körsträcka på el från nätet. Hur stor den fordonsflottan kan bli beror på hur stor andel av bilisterna som bor och arbetar så att de kan ladda bilen från nätet. Förutsättningarna är i allmänhet bättre för dem som bor i villor och radhus än för dem som bor i lägenheter. 4. Verkningsgrader energieffektivitet I en konventionell batteridriven bil kan man under normala omständigheter räkna med att upp till 83 procent av den energi som tas från nätet kan överföras till hjulen (Mazza 2

4 och Hammerschlag, 2005). Förluster uppstår vid laddningen av batteriet och i den elektrisk motor som driver bilen. Dessutom urladdas en del av batteriernas energi när bilen inte används. Mazza och Hammerschlag uppmärksammar också de förluster på högspänningsnätet och det lokala nätet som bilistens elefterfrågan ger upphov till. De varierar med avståndet, men anges av Mazza och Hammerschlag till 2 respektive 6 procent av den energi som lämnar kraftverket. Det kan diskuteras om överföringsförlusterna ska tas med i en jämförelse med konventionell bensin- eller dieseldrift, eftersom lokal efterfrågan på sådana drivmedel också förutsätter transporter (från raffinaderiet till bensinstationen), men eftersom förlusterna vid kraftöverföringen är större än inom drivmedelsdistributionen kan det vara rimligt. Om man utgår från den el som lämnar kraftverket blir den procentuella fördelningen av den tillförda elektricitetens användning som framgår av tabell 1. Vid en bedömning av alternativets ekonomi bör man notera att kraftbolagens kostnader för överföringen är inbakat i det elpris som kunden debiteras för de kilowattimmar som han faktiskt utnyttjar i sin bostad eller verksamhet. Omfattningen av batteriernas självurladdning beror delvis på omgivningstemperaturen. En bil som ofta står parkerad utomhus i ett kallt klimat kan ha högre förluster än vad som antagits i tabellen. Tabell 1. Energiförlusternas fördelning vid leverans av el för användning i batteribil. Procentuell andel Transmissionsförluster på högspänningsnätet 2 Förluster i det lokala nätet 6 Förluster vid laddning av batterierna 5 Batteriernas självurladdning 7 Förluster från bilens elmotor 4 Överfört till hjulen Källa: Mazza och Hammerschlag (2005) Om samma mängd el istället hade använts för framställning av vätgas genom elektrolys för användning i en bränslecellsbil skulle bara 34 procent av den ursprungligen tillförda energin ha överförts till bilens hjul (Mazza och Hammerschlag, 2005). 5. El- och effektbehov räkneexempel Låt oss som underlag för en bedömning av effekterna av ett storskaligt utnyttjande av plug-in anta att den lätta fordonsflottan (inklusive lätta lastbilar) uppgår till 5 miljoner fordon år 2020 och att den genomsnittliga drivmedelsförbrukningen per 100 km vid denna tidpunkt är 4.0 liter samt att hälften av fordonen går på diesel och hälften på 3

5 bensin. I övrigt antas att hälften av fordonsflottan består av plug-in elhybrider och att hälften av deras årliga körsträcka belastar elproduktionen. Vidare antas att den genomsnittliga räckvidden för drift med el från bilarnas batterier är 40 km. För enkelhets skull antas att all el som förbrukas under de första 40 kilometrarna av varje dags körning kommer från nätet. I praktiken blir det inte så, eftersom fordon med körsträckor över 40 km kommer att ha använt sin förbränningsmotor och att en del av den el som då genererades finns kvar i batterierna vid dagens slut. Eftersom dessa fo r- don bara utgör 10 procent av den samlade personbilsparken blir bidraget under alla omständigheter litet. För de lätta lastbilarna kan det möjligen betyda aningen mer. Vid 4 liter drivmedel per 100 km och en antagen genomsnittlig årlig körsträcka på km, kommer plug-in elhybriderna för halva sin årliga färdsträcka (utan externt tillförd el) att använda 0.75 mdr liter. Eldriften har väsentligt högre verkningsgrad än den konventionella elhybriddriften. I den följande beräkningen antas att verkningsgraden (kraftverk till hjul) är 75 procent för eldrift med plug-in, mot 30 procent för en avancerad parallellhybrid år Det kräver för genomsnittsbilen en tillförsel av el, inklusive nätförluster, på 14.8 kwh per 100 km. För hela den berörda fordonsflottan blir det 2.78 TWh per år. Därtill kommer den el som behövs för AC och som antas öka drivmedelsanvändningen i elhybrider utan plug-in med 5 procent och plug-in elhybridernas elbehov med samma procent. AC innebär att plug- in belastas med ytterligare 0.14 TWh och att elhybriderna förbrukar ytterligare 38 miljoner liter drivmedel för den andra halvan av den årliga körsträckan. Sammantaget ger detta på årsbasis ca 2.9 TWh el för plug-in och 788 miljoner liter drivmedel för motsvarande körsträcka utan plug-in. El-hybriderna behöver tillföras kupévärme från annan källa än batterierna när de under längre tid drivs med el. Med plug-in krävs mer kupévärme än utan plug-in. Den energimängd som behövs per år beror på hur användningen av fordonet fördelar sig över året, om bilen står i varmgarage och var i landet den används. I de fortsatta beräkningarna bortses från skillnaden mellan de båda alternativen när det gäller tillförsel av kupévärme. 6. Effekter på den nordiska elproduktionen För att kunna jämföra koldioxidemissionen från de båda alternativen måste man bedöma effekterna på den integrerade nordiska eller nordeuropeiska kraftproduktionen av att plug-in ökar den svenska efterfrågan på el med ca 2.9 TWh. Minskad eller ökad efterfrågan på el påverkar produktionen i det kraftslag som på marginalen används för att anpassa produktionen till efterfrågan. På den nordiska elmarknaden fungerar kolkondenskraftverk vanligen som det marginella kraftslaget. Det hänger samman med att den rörliga produktionskostnaden är lägre i vattenkraft- och kärnkraftverk varför dessa kraftslag används i första hand. Men de räcker normalt inte till för att möta efterfrågan i hela Norden. Därför utnyttjas också kraftvärmeverk, industriella mottrycksanläggningar samt danska och finska kolkraftverk. Under perioder med dålig vattentillrinning eller många avstängda kärnkraftverk förekommer också 4

6 import av kolkraft från Polen och Tyskland. Kalla vinterdagar då efterfrågan på el för värmeändamål ökar kan kraftbolagen dessutom tvingas köra reservaggregat i form av oljekondenskraftverk, dieselgeneratorer eller gasturbiner för att klara effektbalansen. Det rör sig dock i allmänhet om korta episoder. I normala situationer är kolkondens det marginella kraftslaget. Det gäller vanligen årets alla veckor, men undantag kan förekomma, t.ex. i lägen då överföringskapaciteten till grannländerna utgör en begränsning (ECON, 2002, Kågeson 2003). En fortsatt utbyggnad av vindkraft och biobaserad kraftvärme förändrar inte förhållandet att kolkondens utnyttjas på marginalen. Om efterfrågan på el ökar innebär det att avvecklingen av kolkraften i Norden och Tyskland/Polen går långsammare än vad som annars skulle ha blivit fallet. Eleffektivisering och konvertering av elvärme till andra uppvärmningsformer, t.ex. pellets, innebär följaktligen att Norden kan minska sin produktion av kolkondenskraft eller i överskottssituationer exportera koldioxidfri kraft till kontinenten. Sambandet mellan efterfrågan på el och utnyttjandet av grannländernas kolkraftverk gäller förstås oavsett i vilken sektor som elen förbrukas. Först på mycket lång sikt kan situationen komma att förändras. År 2020 kommer kolkraften dock fortfarande att vara det marginella kraftslaget i Nordeuropa (se dock nedan om avskiljning och slutförvaring av koldioxid). 7. Marginell effekt på utsläppen av koldioxid Om efterfrågan på 2.9 TWh för laddning av plug-in elhybridernas batterier från nätet tillgodoses genom produktion i koleldade kondenskraftverk och de marginella kraftverken (som först tas ur drift vid fallande efterfrågan) har en elverkningsgrad på 40 procent, blir koldioxidemissionen 2.4 miljoner ton. Det ska jämföras med emissionen från de 788 miljonerna liter drivmedel som går åt i ett fall utan plug-in. För att beakta utsläppen från de raffinaderier som producerar dieseloljan och bensinen måste man lägga på ca 10 procent. Det blir då 867 miljoner liter som vid förbränning ger upphov till ca 2.1 miljoner ton CO 2. Hänsyn är då inte tagen till energianvändningen för utvinning och transport av stenkol respektive olja. Det för plug-in negativa utfallet kan tyckas förvånande. Med eldrift går det bara åt 14.8 kwh per 100 km för 2020 års genomsnittsbil mot 37 kwh för el-hybriden utan plug-in. Men denna skillnad i verkningsgrad uppvägs av att produktionen av 1 kwh el i kondenskraftverket kräver en insats av 2.5 kwh stenkol, medan produktionen av en liter drivmedel bara förbrukar motsvarande en dl olja i produktionsledet. Därtill kommer att förbränning av 1 kwh drivmedel släpper ut 0.27 g CO 2, medan emissionen från kolkraftverket uppgår till 0.33 g per kwh tillförd energi. Skillnaden mellan alternativen är dock inte särskilt stor. Med ovan gjorda antaganden ger bilen upphov till 14 procent högre utsläpp när den utnyttjar marginalel från nätet. 5

7 8. Effekter av handel med koldioxidutsläppsrätter Om EU lyckas sätta ett fungerande tak för utsläppen av klimatgaser så att man med säkerhet vet att målsättningen uppfylls spelar det ingen roll om vi använder mer eller mindre el. Gemenskapens system för handel med utsläppsrätter (ETS) är tänkt att fungera så men omfattar ännu bara utsläppen från kraftproduktion och vissa bränsleintensiva verksamheter. Flertalet medlemsländer har inom ramen för ETS tilldelat sina egna kraftbolag och industrier fler gratisrättigheter än de behöver. Det innebär att pressen på dem att reducera sina utsläpp uteblivit och att de totala utsläppen, inklusive dem från övrig industri, transportsektorn och uppvärmning av fastigheter, ser ut att komma att överskrida EU:s åtagande enligt Kyotoprotokollet. Om reglerna för handelssystemet ändras så att det omfattar alla utsläpp skulle växande efterfrågan på el leda till att priset på utsläppsmarknaden höjs. Därigenom skapas inc i- tament att bland annat byta från el till bränslen (t.ex. konvertering av elvärme), att effektivisera elanvändningen och att avskilja och slutförvara koldioxid från kol- och gaseldade kraftverk. I ett sådant system behöver man inte fundera på om det är rätt eller fel att använda el. Priset kommer att styra mot en optimal avvägning mellan bränslen, el och effektiviseringsåtgärder. Eftersom de marginella utsläppen från produktion av el är höga kan man förvänta sig att priset på el påverkas mer än priset på drivmedel. Gäller också för tågen Som framgick i det föregående avsnittet ger elektrisk drift av tåg upphov till samma marginella effekt på elproduktionens koldioxidutsläpp som plug-in elhybrider. SJ blundar för detta förhållande när företaget uppger att X2000 mellan Stockholm och Göteborg bara släpper ut 0.4 kg koldioxid ( Att SJ i huvudsak köper grön el från gamla vattenkraftverk och ny vindkraft ändrar inte på förhållandet att ökad efterfrågan på el leder till växande utsläpp i omvärlden. Den marginella effekten kva r- står. Det vore förstås annorlunda om SJ betalade så mycket för sin el att företaget medverkade till en omfattande utbyggnad av vindkraft i vindlägen som annars skulle ha förblivit outnyttjade, men troligen betalar man bara ett eller annat öre mer per kwh än vad man skulle ha gjort om man köpt vanlig svart el. På sin hemsida har SJ en miljökalkylator som kunderna kan använda för att jämföra utsläppen för olika färdalternativ. För sträckan Stockholm- Göteborg anges koldioxidutsläppet för en tågresenär till kg, medan alternativet att samåka med en annan person i bil uppges leda till utsläpp av kg per person. Det betyder i det senare fallet att man räknat med bilen har ett utsläpp på 187 gram per km vid i huvudsak jämn fart på landsväg. Ett mera rimligt antagande hade varit 160 gram för en bensinbil och 140 gram för en modern dieselbil. Om vi tar genomsnittet av dessa båda värden så blir utsläppet 35.9 kg per person på sträckan Stockholm-Göteborg. Det bör jämföras med marginaleffekten från den el som förbrukas för tågresan och som uppgår till kwh per resenär vid 50 procents beläggning. 1 Vid produktion i ett kolkraftverk med 40 procents verkningsgrad blir CO 2 -emissionen 28.5 kg. 1 Enligt SJ:s tidning Kupé (11 november 2006) förbrukar X2000 med sex vagnar och 311 platser kwh (sannolikt exkl. överföringsförluster) på den 456 km långa sträckan mellan Stockholm och Göteborg. Det blir kwh/km. 6

8 Kågeson (2003) har med instämmande av SIKA (2003) föreslagit att tågtrafikens elförbrukning ska beskattas, eftersom kraftverken inte ens efter införandet av utsläppshandel belastas av hela marginalkostnaden för sina utsläpp av koldioxid. Priset på utsläppsmarknaden hålls nämligen tillbaka av förhållandet att användningen av fossila bränslen, framför allt inom vägtrafiken, är högt beskattade. Utan dessa skatter skulle jämviktspriset på utsläppsmarknaden vara väsentligt högre. Enligt Kågesons beräkning överstiger den icke-internaliserade delen av denna kostnad med god marginal den svenska punktskatten på el. SIKA (2003) föreslog därför regeringen att införa skatt på tågtrafikens elförbrukning motsvarande den då gällande skattesats som hushåll, småindustrier m.fl. användare betalar (22.7 öre/kwh år 2003). 9. Kreditera för andra fördelar med plug-in? Eldriften har en del fördelar framför utnyttjande av bilens förbränningsmotor. Bilen blir tystare, vilket påverkar både de resande och omgivningen positivt, i varje fall i fa r- ter under km/h. Därutöver dominerar däck-vägbanebullret som ju inte påverkas av valet av drivlina. Eldriften leder också till att avgasutsläppet flyttar från bilen till kraftverket. Det påverkar framför allt kallstartsutsläppen och är positivt i den lokala gatumiljön men av ringa betydelse år 2020 då bilarna hunnit bli ännu renare än idag. Därtill kommer att kolkraftverkets utsläpp av svavel blir högre än motsvarande utsläpp från bilens förbränningsmotor även i ett fall där rökgasavsvavlingen är mycket effektiv. Det är således tveksamt om det år 2020 kommer att finnas skäl att kreditera batteridriften för dess miljöegenskaper. 10. Avskiljning och slutförvaring av koldioxid På sikt är det troligt att kolkraftverk med lång återstående livslängd kommer att förses med teknik för avskiljning och slutförvaring av koldioxid. Om detta blir en generell lösning kommer den marginella effekten av ökad elefterfrågan på utsläppen av klimatgaser att förändras radikalt. Försök med avskiljning och deponering av koldioxid har på gått sedan 1996 i Norge (1 milj. ton/år) och i Canada sedan 2001 (2 milj. ton/år). Ett stort antal projekt är på gång i olika delar av världen. Något läckage har ännu inte noterats. Det mesta talar för att koldioxid kan förvaras under säkra former i utvunna oljekällor och andra stabila geologiska formationer (UNEP, 2006, IPCC, 2006). Risken för läckage till atmosfären bedöms av IPCC vara mindre än 1 procent på år. För storskaliga projekt uppskattas kostnaden för avskiljning motsvara $25-50 per ton CO2. På 25 års sikt bör den, enligt IEA (2004), kunna falla till $10-25 för stenkolsbaserade anläggningar och för naturgasbaserade. Därtill kommer kostnaden ($1-5/100 km) för transport via pipeline till lämplig plats för slutförvaring och kostnaden för att injicera gasen i den utvalda geologiska formationen ($1-2/ton). Om den totala kostnaden kan reduceras till $50 per ton motsvarar detta energimässigt ca $20 per fat råolja (UNEP, 2006). 7

9 IPCC (2006) bedömer att procent av de globala utsläppen av CO2 från förbränning av fossil energi under de närmaste 100 åren, främst från kraftverk och större processindustrier, kan undvikas genom avskiljning och lagring. Avskiljningstekniken är inte hundraprocentig, men ca 90 procent av koldioxiden kan avskiljas med nuvarande teknik som förstås kräver viss insats av energi. Även med en mycket försiktig bedömning är det emellertid uppenbart att koldioxidutsläppen från den kraftproduktion som i räkneexemplet behövs för att förse svenska plug-in elhybrider med ca 3 TWh el per år under sådana omständigheter skulle bli mycket liten och sannolikt hamna under 0.3 miljoner ton CO 2 per år. Det är mindre än en sjundedel av de utsläpp som samma fordon utan plug-in skulle ge upphov till. Det är emellertid svårt att idag veta vid vilken tidpunkt som avskiljning av koldioxid kan bli vanlig. Plug- in elhybrider lär knappast bli ett vanligt inslag i den svenska trafiken förrän någon gång efter Om 5 år vet vi förmodligen med betydligt större säkerhet än idag om avskiljning av koldioxid från koleldade kraftverk för slutförvaring i lämpliga geologiska formationer är en tekniskt och ekonomiskt framkomlig väg. Om kostnaden kan hållas på en nivå kring 25 USD per ton CO 2 motsvarar detta vid en dollarkurs på 7:35 ca 15 öre per kwh el. Dock måste man räkna med att det kan komma att ta lång tid innan alla fossila kraftverk försetts med koldioxidavskiljning. 11. Snabbuppladdning och batteribilar Att döma av resvaneundersökningens ovan redovisade data måste det finnas många bilar som sällan körs mer än 40 km per dag. Många av dem finns förmodligen hos hushåll som äger mer än en bil. Man bör därför fråga sig om inte det bör finnas en betydande framtida marknad för batteribilar. Elfordon har fördelen av att varken behöva förbränningsmotor, mekanisk kraftöverföring, inklusive koppling och växellåda, eller bensintank. Ytterligare viktminskning blir möjlig om bilen förses med små elmotorer som placeras direkt vid hjulen. Mitsubishi testar för närvarande en ombyggt Colt som försetts med fyra elmotorer om vardera 20 kw. Det motsvarar totalt 54 hk och ger god acceleration och en topphastighet på 150 km/tim. Den utrustning som bortfaller motsvarar för en mellanklassbil en vikt om kg (inklusive bränslets vikt). Om den bortfallande utrustningen ersätts av litiumjonbatterier kan man lagra kwh utan att bilens vikt ökar. Sådana batterier har ca tre gånger högre energitäthet än nickelmetallhydridbatterier och kan lagra upp till 0.2 kwh per kilo (MacCready, 2004). En sådan bil borde få en räckvidd på uppemot 400 km (Cocconi och Gage, 2005). Duleep (2003) menar att batteriutvecklingen kommer att leda till att batteribilar får en räckvidd som ungefär motsvarar den som är realistisk för bränslecellsbilar men med en energieffektivitet som är nästan dubbelt så hög. Av stor betydelse för batteribilarnas räckvidd och konkurrensförmåga är förstås att minska uppladdningstiden. Altair Nanotechnologies uppgav 2005 att de utvecklat ett litiumjonbatteri för bärbara datorer och mobiltelefoner som kan laddas på sex minuter. Toshiba utvecklar också ett litiumjonbatteri med hjälp av nanoteknologi och hävdar att det kan laddas till 80 procent på en minut. 2 Om detta kan förverkligas i stor skala och 2 Building a better battery, The Economist Technology Quarterly 17 September

10 tillämpas på bilbatterier behöver återladdning av elbilarnas batterier inte ta längre tid än vad som krävs för att fylla på bensin eller diesel. Körsträckan mellan laddningarna blir dock mindre än för moderna bensin- och dieselbilar som ofta har en räckvidd mellan 800 och 1000 km. Den nackdelen kan kanske elbilens ägare leva med om han/hon sällan kör mer än km per dag. Att överge förbränningsmotorn kan ha flera potentiella fördelar från materialsynpunkt. Tillgången på ädelmetaller för bilarnas katalysatorer är mycket begränsad, och ökande priser är att vänta i takt med stigande efterfrågan. Batterierna är inte på samma sätt beroende av sällsynta metaller. Litium är ett av jordskorpans vanligaste ämnen. Några förluster är inte heller att vänta under drift (i motsats till katalysatorerna). Hög pant på uttjänta batterier bör leda till en mycket hög återvinningsprocent. En annan fördel är elmotorns långa livslängd vid jämförelse med det snabbare slitaget på en konventionell drivlina. 12. Utnyttja plug-in elhybrider för leverans till nätet? I USA diskuteras möjligheten av att använda elbilar och plug-in elhybrider som reservkraftverk. Det skulle kunna ske genom att fordonen förses med utrustning som gör att de kan leverera ström till nätet när efterfrågan är så hög att kraftindustrin tvingas använda dyra kraftslag som oljekraftverk och gasturbiner för att klara effektbalansen. En genomsnittlig privatägd personbil används inte mer än ca 4 procent av årets timmar så utbudet av reservkraft skulle kunna bli stort. Gage (2003) fann att hans ombyggd VW Lupo fungerade bäst som reservkraftverk när den avgav kw. Under sådana omständigheter kunde emissionerna hållas under nivån för ULEV 1. Den nödvändiga utrustningen bedöms av Gage kosta mindre än $300 vilket är långt under kapitalkostnaden per kw i normala reservkraftverk. Nackdelen var att utrustningen upptog en stor del av experimentbilens bagageutrymme, ett problem som Gage menar kan minimeras genom bättre design och placering. Elverkningsgraden blir inte hög, bara procent, men alternativet kan ändå vara intressant jämfört med att förlita sig på gasturbiner eller dieselaggregat. Gage tänker sig att plug-in elhybridens förbränningsmotor producerar den reservkraft som ska matas in på nätet. Han redovisar inte vad detta betyder från koldioxidsynpunkt, men en överslagsberäkning ger vid handen att det innebär att utsläppet per kwh ökar med ca 20 procent jämfört med om samma kraft hade producerats i ett kolkondenskraftverk. Till en del uppvägs emellertid denna nackdel av att reservkraften från bilen matas in i det lokala nätet, vilket gör att man slipper merparten av transmissionsförlusterna. Om bilen körs på naturgas, blir koldioxidemissionen lägre än vad som skulle ha blivit fallet om produktionen istället ägt rum i ett kolkondenskraftverk. Det är en följd av att en kwh naturgas innehåller väsentligt mindre kol än en kwh olja. Man kan också tänka sig ett scenario där reservkraften kommer från plug-in elhybridens eller elbilens batterier. I så fall kommer man normalt sett att mata tillbaka kolkraftbaserad el från bilens batterier till nätet. Den förlust som uppkommer vid laddning av batteriet och genom spontan batteriurladdning uppgår till ca 12 procent av den initialt tillförda energin. 9

11 För att operationen ska vara intressant för bilens ägare krävs att han/hon får en ersättning som ger rimlig avkastning på investeringen. Om man antar att berörda kraftbolag kan undvika en merkostnad på i storleksordningen 50 öre per kwh, att bilens extrautrustning kostar kronor och att ägaren har ett avkastningskrav på 15 procent, krävs att han/hon får möjlighet att sälja minst 300 kwh per år. Om den levererade effekten är 15 kw måste bilen vara inkopplad för leverans till nätet minst 20 timmar per år. Det kan låta litet men de aktuella tidpunkterna, som i Sverige främst inträffar under ett litet antal särskilt kalla vinterdagar, måste sammanfalla med att bilen är parkerad på en plats där den kan vara kopplad till nätet. Ett ytterligare användningsområde skulle kunna vara som reservaggregat vid längre strömavbrott. Fordon med plug-in är dock föga lämpade som leverantörer av baskraft. Verkningsgraden skulle bli mindre än hälften av elutbytet i moderna gaskraftverk. 13. Drivmedel för plug-in elhybrider Kanske kan det också vara intressant att fundera över vilka bränslen som har bäst förutsättningar att driva en plug-in elhybrid när bilen använder förbränningsmotorn. Om bilarna byggs för plug- in (snarare än konverteras genom eftermontering) kommer tillverkarna att vilja hushålla med utrymmet. Batterier har förhållandevis låg energitäthet och då blir det naturligt att använda ett fossilt eller förnybart drivmedel med hög energitäthet så att bränsletanken kan göras minimal. Diesel eller dieselliknande drivmedel passar i detta sammanhang bättre än gasformiga. 14. Ekonomi Plug- in elhybridernas och batteribilarnas framtid avgörs inte i första hand av deras effekt på klimatet, även om den frågan säkert i någon mån påverkar deras image och acceptans. El används i andra sammanhang trots att bränslen skulle ge lägre utsläpp av klimatgaser. Det gäller bland annat för elvärme som på marginalen ger upphov till nästan tre gånger så höga utsläpp som en modern oljeeldad panna. Dieseldrivna tåg ger upphov till lägre utsläpp än eldrivna om man tar hänsyn till överföringsförlusterna och att den marginella kraftproduktionen sker i kolkraftverk. Medan elvärme ofta betraktas som tvivelaktigt från miljösynpunkt är det knappast någon som ifrågasätter att tågen drivs med el. I motsats till flertalet tåg och bostäder har plug-in och batteribilarna fördelen av att i huvudsak utnyttja nätet under nätterna då efterfrågan är som lägst. Fordonens efterfrågan på externt tillförd el kan också förväntas bli jämt fördelad över året, vilket är en fördel vid jämförelse med de elvärmda bostäderna som bidrar till kraftiga effekttoppar under vintermånaderna. Det finns således inga skäl att skämmas för att man köper el från nätet till sin bil. Den avgörande frågan är istället hur plug-in och batteribilarna kommer att klara sig ekonomiskt vid jämförelse med konventionella bilar och el-hybrider utan plug-in. En 10

12 central faktor i detta sammanhang är batteriernas livslängd och pris. Batterierna står för en betydande del av merkostnaden för elhybridbilarna. De nickelmetallhydridbatterier som används kostar kring kronor och osäkerhet råder om livslängden kommer att bli lika lång som bilens. För plug-in krävs fler eller större batterier utan att dessa uppvägs av någon möjlighet att banta bilens övriga utrustning. Elbilen behöver ännu större batterikapacitet men har fördelen av att kostnaden för den konventionella drivlinan bortfaller. Batterimarknaden domineras idag av nickelmetallhydridbatterier tillverkade av Panasonic i vilket Toyota är huvudägare. Litiumjonbatterier är den främsta utmanaren till nickelmetallhydrid. Svenska Effpower har utvecklat ett billigt bipolärt blysyrabatteri som ska vara i serieproduktion inom två år. Blyhalten har halverats jämfört med konventionella blybatterier. Företaget hävdar att deras batteri bara kommer att kosta en femtedel jämfört med Toyotas nickelmetallhydridbatteri. 3 Enligt Mats Alaküla, professor i industriell elektronik i Lund, skulle avskrivningen på litiumjonbatterierna i framtiden motsvara ca SEK 1:60 per mil för en medelstor bil under förutsättning att batteritillverkarna når sitt mål för avancerade batterier om att klara djupa cyklar eller km. Priset på el kontra priset på diesel och bensin har naturligtvis stor betydelse för det ekonomiska utfallet. Obeskattad hushållsel har det senaste året kostat öre per kwh, inklusive överföringskostnaden. Därtill kommer elskatt på 26.1 öre i större delen av landet samt en elcertifikatsavgift på närmare 3 öre per kwh. Totalt blir det för elkonsumenten punktskatter och avgifter på ca 29 öre. Moms tas ut med 25 procent och liksom för bensin och diesel utgör punktskatterna en del av underlaget för mervärdesskatten. Om vi optimistiskt räknar med en batterikostnad på 1:60 kronor per mil (2:00, inkl. moms), nuvarande punktskatter och avgifter (30 öre) samt ett obeskattat elpris (inkl. överföring) på 70 öre per kwh skulle energikostnaden för en framtida bil som i eldrift drar 0.15 kwh per km totalt bli ca 3:88 per mil (inklusive moms). I dieseldrift skulle samma bil konsumera ca 0.35 liter drivmedel som idag kostar ca 3:85 kronor inklusive skatt och moms vid ett dieselpris på 11:00. En motsvarande bensinbil skulle förbruka ca 0.45 liter till en kostnad av 5:18 kronor vid ett bensinpris på 11:50. Vid en årlig körsträcka på mil, där plug-in svarar för halva distansen, får dieselmotorn under dessa antaganden inte kosta mer än drygt kronor mer än bensinmotorn (12 års avskrivningstid och 5 % ränta) för att vara ett lönsamt val. Hur utfallet blir med 2020 års priser och skatter hänger förstås på hur relativpriserna på råolja och el förändras under mellantiden samt på vilka punktskatter och övriga villkor som gäller vid den tidpunkten. Till sist återstår frågan om hur man bör se på de övriga samhällsekonomiska kostnader som bilen ger upphov till, dvs dess bidrag till vägslitage, trafikövervakning och olyckor. Dessa kostnader påverkas inte av bränslevalet utan är lika stora för elbilen och dieselbilen. Idag täcks dessa kostnader av de intäkter staten har av drivmedelsbeskattningen. Energiskattedelen av dieselskatten ger med nuvarande nivå upphov till en intäkt på 36 öre per mil för en bil som drar 0.35 liter. Därtill kommer koldioxidskatten som i detta fall generar 92 öre. Plug-in elhybriden betalar med ovanstående antagan- 3 Volvo laddar hybrid med nytt batteri, Ny teknik 15 mars

13 den och dagens elskatt 39 öre i skatt per mil. I ett fall där den marginella elproduktionen till följd av slutlagring av CO 2 eller produktion i subventionerade vindkraftverk (som annars inte skulle ha varit lönsamma) inte längre ger upphov till några utsläpp behöver inte elkonsumtionsskatten längre betraktas som en indirekt emissionsskatt. Under dessa förutsättningar skulle plug-in elhybridens bidrag till täckande av trafikens kortsiktiga marginalkostnad bli ungefär den samma när bilen utnyttjar el från nätet som när den körs på diesel. Det är emellertid många parametrar och antaganden som påverkar jämförelsen och beträffande flera av dem är det svårt att veta vad som kan komma att förändras på års sikt. Det skulle vara väsentligt lättare för både fordonsindustrin och dess kunder att bedöma framtiden om samma beskattningsregler gällde för de olika alternativen. Framför allt är det viktigt att frikoppla vägtrafikens kostnadsansvar för väginfrastrukturen från beskattningen av potentiella drivmedel. Det kan ske genom att alla kostnader som är specifika för vägtrafikens fordon tas ut i form av km-avgifter, alltså även för personbilar och lätta lastbilar. Den kortsiktiga marginalkostnaden för bilens bidrag till vägslitage och olycksrisker påverkas inte om den drivs med externt tillförd el eller med något gasformigt eller flytande drivmedel. Genom att bara beskatta drivmedlet för dess eventuella innehåll av fossilt kol kan man också undvika att straffbeskatta el som generas ombord och levereras till nätet som toppkraft. En sådan reform innebär också att varje kilo koldioxid skulle beskattas lika oavsett om det släpps ut från ett fordon, en villapanna eller någon annan fast förbränningsanläggning. Alternativt kan systemet för handel med utsläppsrätter utvidgas till att omfatta alla samhällssektorer. Då behöver inte längre vägtrafikens drivmedel beskattas och även punktskatten på el kan avskaffas. I båda fallen får staten istället intäkter från försäljning av de utsläppsrätter som Sverige enligt internationella överenskommelser årligen förfogar över. 15. Tillämpning i andra länder De ovan redovisade exemplen avser förhållandena i Sverige. Beträffande effekterna av plug- in och batteribilar på utsläppen av växthusgaser är resonemanget tillämpligt också på EU och USA som båda i hög grad är beroende av kolkraftverk för sin elförsörjning. Det ekonomiska utfallet påverkas av nivån på punktskatterna på el och drivmedel som varierar en del mellan länderna. I förhållande till flertalet övriga EU-länder har Sverige höga skatter och avgifter på el samt måttliga skatter på bensin och diesel. I USA är beskattningen väsentligt lägre. Sverige utgör mindre än 2 procent av europamarknaden för fordon och drivmedel. Vad som händer i vårt land har därför sällan någon avgörande betydelse för introduktion av ny teknik. Om elhybrider blir vanliga kan man emellertid tänka sig en nationell marknad för plug-in om efterfrågan är tillräckligt stor. Att bygga om en elhybrid till plug-in förändrar inte bilen särskilt mycket. En bred introduktion av batteribilar måste däremot antas kräva en betydligt större marknad än den svenska för att skalfördelarna i utveckling och produktion ska kunna utnyttjas. 12

14 16. Slutsatser Så länge den marginella elproduktionen i Norden sker i kolkondenskraftverk kommer eldrift med hjälp av plug-in under gjorda antaganden öka utsläppet av koldioxid per fordonskilometer med ca 15 procent jämfört med en konventionell elhybrid som inte utnyttjar el från nätet. På längre sikt kan avskiljning och slutförvaring av koldioxid från stora kolkraftverk förändra utfallet till plug-in elhybridernas och batteribilarnas fördel. El används för många andra ändamål där förbränning av gas eller olja skulle ge lägre utsläpp. Det sker därför att nyttjarna ser andra fördelar med eldriften eller för att den är billigare. Den marginella effekten på koldioxidutsläppen av att driva tåg med elektrisk energi istället för med diesel är av samma storleksordning som skillnaden mellan plug-in och en konventionell el-hybrid. Från samhällsekonomisk synpunkt finns ingen anledning att invända mot att bilister gör samma bedömning av värdet av eldrift som tågtrafikföretagen redan gjort. Om EU förmår att sätta ett fungerande tak för utsläppen av växthusgaser från alla källor genom att utvidga handeln med utsläppsrätter, behöver ingen längre fundera över relationen mellan el och drivmedel. Samhället bör alltså acceptera plug-in och batteribilar om konsumenterna vill ha dem. Däremot finns det ingen anledning att subventionera introduktionen så länge koldioxideffekten av ett skifte är negativ. Långsiktigt finns det överhuvudtaget ingen anledning för staten att genom skattelättnader eller på annat sätt alls subventionera fordon. Staten bör istället eftersträva teknik- och konkurrensneutral beskattning och se till att ansvaret för vägtrafikens kostnader utformas på ett sätt som inte riskerar att motverka teknisk utveckling och nya alternativ. Det innebär bland annat att alla utsläpp av koldioxid bör belastas med samma skatt eller alternativt omfattas av samma system för handel med utsläppsrätter. Under sådana omständigheter och i en situation där staten inte heller på annat sätt subventionerar konkurrerande alternativ, inklusive biodrivmedel, bör plug-in elhybrider och batteribilar på sikt ha goda möjligheter att ta betydande marknadsandelar. Referenser Cocconi, A. och Gage, T. (2005), Connected Cars: Battery Electrics & Plug In Hybrids, Presentation at the Seattle Electric Vehicle to Grid Forum V2G Technical Symposium, June Duleep, K. G. (2003), Alternative Paths Comparative Cost and Performance, anförande vid Asilomar 2003 IX Biennial Conference on Transportation and Energy, The Hydrogen Transition, July 29 August , Pacific Grove, Cal. Duval, M. (2005), Batteries for Plug-in Hybrid Electric Vehicles, Presentation at the Seattle Electric Vehicle to Grid Forum V2G Technical Symposium, June

15 ECON (2002), Marginal elproduktion och CO2-utsläpp i Sverige, Energimyndigheten ER 14:2002. Gage, T. (2003), Development and Evaluation of a Plug-in HEV with Vehicle-to-Grid Power Flow, AC Propulsion Inc for California Air Resources Board. IEA (2004), Prospects for Carbon Capture and Storage, IEA/OECD, Paris. IPCC (2006), Carbon Dioxide Capture and Storage, Special Report of Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, UNEP. Kågeson, P. (2003), Nya bedömningar av den marginella elproduktionens sammansättning och den samhällsekonomiska marginalkostnaden av förändrad efterfrågan på elektricitet i de nordiska länderna. Bilaga 4 till Trafikens externa effekter. Uppföljning och utveckling 2002, SIKA Rapport 2003:1 Bilagor. Mazza, P. och Hammerschlag, R. (2005), Carrying the Energy Future. Comparing Hydrogen and Electricity for Transmission, Storage and Transportation, Presentation at the Seattle Electric Vehicle to Grid Forum V2G Technical Symposium, June MacCready, P. (2004), The Case for Battery Electric Vehicles, i The Hydrogen Energy Transition. Moving toward the post petroleum age in transportation (red. Daniel Sperling och James Cannon), Elsevier Academic Press. SIKA (2003), Trafikens externa effekter. Uppföljning och utveckling 2002, SIKA Rapport 2003:1. UNEP (2006), The Hydrogen Economy. A non-technical review, United Nations Environment programme. 14