Omvärldsanalys Electromobility

Transkript

1 Omvärldsanalys Electromobility Sammanställning av utgåvor 2011 sammanfattning av 2011 års utgåvor (längre sammanfattning på nästa sida, följt av själva nyhetsbreven) Under året framträdde en bild av att marknadens olika aktörer: stater, fordonsproducenter, kraftbolag och liknande (infrastruktur och kraftförsörjning), standardiseringsorgan och inte minst kunder börjat röra på sig för att möjliggöra en mer storskalig introduktion av elfordon. Vad gäller volymer gäller detta i första hand personbilar; när det gäller tunga fordon är kollektivtrafik och stadsdistribution de lägst hängande frukterna, och på sikt genom elektrifiering av vägarna även tunga långdistanstransporter. Kraftnäten hänger med, och li jonbatterier verkar klara den för räckviddstryggheten så populära snabbladdningen ganska bra. Kraftproduktion och återvinning av batterimetaller är nyckelområden som påverkar elfordonens miljöpåverkan. mars energilager, laddinfrastruktur och marknadsutveckling i USA (några fragment) juni laddfordonens roll på elmarknaden; batteriproduktionens roll för utvecklingen; en första sammanfattning kring elektrifiering av tunga vägfordon september elförsörjning av laddfordon: rapportering från G4V konferensen; fortsättning av elektrifiering av våra vägar, samt laddningsfrågor inom ramen för Hammarby Sjöstads satsning på elfordon oktober snabbladdning av elfordon: möjliga affärsmodeller, tekniska alternativ för tunga resp. lätta fordon, effekten på batteriet av (upprepade) höga laddströmmar, samt vad som krävs av elnätet och hur det påverkas av en utbyggnad (och användning) av snabbladdningsstationer, även för tunga fordon november miljöaspekter av elfordon: livscykelanalys, hur miljöpåverkan från elproduktion bedöms på olika marknader, och tittar närmare på området återvinning av fordonen, särskilt vad gäller batterier Detta dokument är en sammanställning av ett nyhetsbrev, som redigeras av Viktoriainstitutet för projektet Electromobility där parterna i FFI ingår. Redaktör: David Bauner

2 2011 i sammanfattning Det allmänna intrycket från analyser inom olika områden är att systemet elektromobilitet är under stark utveckling i sin första kommersiella fas. Stora delar av Europamarknaden kan klara ett genombrott (t ex över 10% försäljning per år för ett givet segment) utifrån ett tekniskt perspektiv. Det återstår dock att se hur intresset från kunder motsvarar utbudet. Kraftnäten inom EU klarar ganska stora mängder elfordon om inte snabbladdning blir alltför popular. Snabbladdning är dock inte ett stort problem för batteriet i mindre omfattning och effektnivå, men behöver utvecklas vad gäller affärsmodeller och teknik för att bli lättillgängligt för nya kunder. I ett första skede räcker det med envägskommunikation för laddning; V2G finns etablerat i Danmark men låter vänta på sig på övriga marknader. Smart laddning gör att investeringskostnaden kan minskas. Batteriproduktionen ökar, och en tid kan utbudet av batterier tillochmed överstiga efterfrågan. På flera platser i Sverige samordnas fordonsutbud, bilpooler och laddinfrastruktur, med Hammarby Sjöstad som ett exempel. Även tunga fordon inkluderas. Laddplatser i hemmet och offentligt byggs ut i liten omfattning. Snabbladdning ses som viktigt för t ex bilpooler och kan på sikt bli intressant även mellan städer; Ett samarbete mellan Sundsvall, Östersund och Trondheim är en arena för detta. Eldriven trafik med tunga vägfordon är möjlig och för bussar och stadsdistribution på väg att kommersialiseras. Olika former av laddning diskuteras och provas. För interurbana godstransporter krävs elektrifiering t ex av vissa huvudleder och motorvägar, med en kostnad från 10 MSEK per kilometer. Konstruktioner undersöks här som tillåter kontinuerlig energiöverföring även för lätta fordon. De redovisade miljöeffekterna från laddfordon beror till stor del på hur elen produceras, och på vilken metod som används för att beräkna utsläppen. Om man godtar antagandet att EU sätter ett tak på utsläppen genom handeln med utsläppsrätter kommer utsläppen av klimatgaser att reduceras kraftigt över tiden. Både arbetet med att öka återvinningen av batterimetaller och andra ämnen från elbilar samt utvecklingen mot mera klimatsnål elproduktion kräver engagemang från producenter, myndigheter och inte minst brukare.

3 Omvärldsanalys Elektromobility Mars 2011 (omarbetad dec 2011) Mars månads omvärldsbevakning innehåller en kortfattad analys kring aspekter av batteripåverkan, provresurser samt marknaden i USA. Författare är Henrik Engdahl och David Bauner, Viktoriainstitutet. Sammanfattning Kunskap om batterier, laddinfrastruktur och hela systemet för den nya elbilsregimen får stor uppmärksamhet i Europa och USA. Industriell utveckling och marknadsutveckling går hand i hand. USA-målen om 1 miljon laddfordon till 2015 kan hålla, enligt en studie från USAs energidepartement. En snabbladdningsstation planeras invigas i Göteborg under våren Ett par studier visar på viss, men ej särskilt stor påverkan från snabbladdning på batteriets livslängd/kapacitet. Energilager Betänkandet från CEN/CENELEC:s fokusgrupp om interoperabel elektromobilitet till Europakommissionens mandat M/468 kommer att peka ut ett antal områden för standardisering av batterilager. Utöver en utökning av de befintliga testspecifikationerna diskuteras även generella metoder för att övervaka batteriets livslängd, standardiserade formfaktorer och gränssnitt. Allt syftande till att öka batteriets användbarhet och därmed minska kostnaden [9]. Modellering av åldringsfenomen fortgår och resultat dyker upp i diverse publikationer. Åldring relaterar enligt [4] exponentiellt till olika typer av stress, men enligt en annan källa förlorar batterier som genomgått flera tusen simulerade körcykler, inklusive V2G, inte mer än 5% kapacitet [5]. En annan källa hävdar att V2G-strategier för laddning sliter mindre på ett litiumjon batteri än körning med bilen [13]. Laddinfrastruktur Standarden för laddstolpar, IEC , förväntas relativt snart genomgå ytterligare en revision då ett flertal felaktigheter upptäckts. Enligt tysk utsago kan utrustning som uppfyller standarden ej marknadsföras i Tyskland då de ej uppfyller det nationella kraven på elsäkerhet [11]. Störningar orsakade av laddelektronik förväntas innebära stora problem med nätkvalitet även vid en ringa spridning av elfordon. Även om de krav som idag finns för anslutning till elnätet uppfylls uppstår problem då ett flertal fordon ansluts till samma elektriska anläggning. CEN/CENELEC utvärderar behovet av en ökad standardisering inom området samt eventuella åtgärder (t.ex. krav på extern testning) för att komma till rätta med störningarna [9]. Ett flertal leverantörer av induktiva laddsystem som t.ex. Halo IPT, WBT Datensysteme och Witricity annonserar produkter som enligt specifikation närmar sig kommersiell gångbarhet. Möjlighet att

4 överföra energi på avstånd överstigande flera decimeter, en effektivitet runt 90% och prisuppgifter för testsystem under 50kSEK innebär att en marknadsintroduktion låter mer och mer trolig. Ett Better Place Center har öppnat i Köpenhamn och ger köpare en bild av hur hela systemet fungerar och inte bara fordonen. Man erbjuder laddplatsinstallation i hemmet och batteribyte. [12] Provning och provresurser Finska staten satsar via Tekes (motsvarande Vinnova) stort på ett Electric Vehicle Systems program. Knappt 40M satsas för att etablera en gemensam testarena som även ska fungera som mötesplats för den gryende elbilsindustrin i Finland. Ett 40-tal elbilsrelaterade företag med en omsättning på ca 200M förväntas genom denna och liknande investeringar tiodubbla sin omsättning på lika många år. [10] Demonstrationsarenan Test Site Sweden fortsätter att tillföra provningsmöjligheter och ska under våren etablera en snabbladdningsstation [1]. Förutom installation av nödvändig hårdvara kommer projektet både användningsmönster och säkerhetsaspekter att utvärderas. Laddstationen kommer att vara uppbyggd enligt de facto-standarden Chademo och levereras av ABB. TSS är även involverade i rekevidde för att bestämma elfordons räckvidd i kallt klimat[2], North Sea Region Electric Mobility Network där infrastrukturfrågor för elektromobilitet runt nordsjön ska utredas, ELVIRE som undersöker möjligheten att minska range anxiety medelst IT-tjänster. [3] Marknaden i USA En studie från DoE diskuterar om Obamas plan på en miljon elfordon i USA 2015 är möjlig. Tabell 1. scenario från DoE (USA) kring måluppfyllelse för de nationella målen för introduktion av elfordon. Departementet anser att det är möjligt produktionskapaciteten räcker (se Tabell 1), även om flera av de utländska producenterna av laddfordon saknas i listan; försäljningen av hybrider (laddas inte via

5 elnätet) för 2010 var 2,5%, och försäljningen av laddfordon måste vara ca 1,7% per år för att nå målet; ett antal incitament för forskning och köp av laddfordon planeras som ska göra laddfordon lönsamma för bl a fordonsflottor [14]. En oundgänglig del är finansiering av incitamenten - USAs budget till energidepartementet (DoE) för 2011 innehåller bland annat rabatt vid försäljning, forskningsstöd, lokalt infrastrukturuppbyggnadsstöd och etablering av batteriinnovationscenter [15]. GM har under januari och februari levererat de första 600 Chevrolet Volt-bilarna till slutkund i USA. Opel Ampera blir nästa fordon att lanseras (i Europa) baserad på drivlinekonceptet Voltec, vilket enligt företagets utsago kommer att följas av ett flertal modeller. Bland dessa finns både mindre fordon (B-segment) och skåpbilsvarianter. [7] [8] Referenser [1] dc fast charging project [2] determine range evs nordic conditions [3] project.org [4] [5] [6] [7] plans new ev andfurtherrange extended cars/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaig [8] planning hatchback crossover volts/ [9] Arbetsmöte, Cen/Cenelec FG, [10] test+field+for+electric+vehicle+systems [11] <borttagen> [12] [13] [14] [15]

6 Omvärldsanalys Juni 2011 Denna analysomgång omfattar tre element av många inom Elektromobility - laddfordonens roll på elmarknaden, batteriproduktionens roll för utvecklingen samt en första sammanfattning kring elektrifiering av tunga vägfordon. Författare är Henrik Engdahl, Magnus Karlström och David Bauner. Sammanfattning och gemensamma slutsatser Med laddfordon frikopplas delvis tidpunkten för produktion från tiden för konsumtion. Det innebär att laddfordonet sannolikt kommer att kunna laddas till ett lägre pris än elmarknadens snittpris. Om fordonet dessutom kan delta på reglermarknaden genom att justera laddeffekten kan energikostnaden sänkas ytterligare, även om fordonet ej återmatar effekt till elnätet. Det är dock inte självklart att batteritillverkarna kommer att godkänna alla batterier för i- och framförallt urladdning under laddning, Batterierna är den nya regimens akilleshäl och produktionen måste spegla både efterfrågan och krav på kvalitet och pris. Ett antal rapporter visar att batteriproduktionen nu kommer igång, först i Japan, med Korea som intresserad konkurrent, och att producerade volymer under den kommande perioden kan hamna över efterfrågan. Elektrifieringen av tunga fordon är ojämn. Hybridifieringen av innerstadsbussar är i full gång, medan elektrifieringen av landsvägstransporter kräver mer resurser och tid. Hybridversioner av stadsbussar finns framme från flera tillverkare och får olika typer av kostnadsfördelar i vissa städer. Laddfordon på den tunga sidan, t ex långdistanstransporter och stadsbussar, kräver infrastruktur som kan bli lika viktiga som själva fordonen för ett väl fungerande system, men som då kan ge väsentliga fördelar för effektivitet, ekonomi och miljö. Infrastruktur - Laddfordonet som aktör på elmarknaden Om (när?) laddfordon (rena elfordon så väl som pluginhybrider) får ett kommersiellt genombrott kommer dessa att innebära ett nytt inslag i elmarknaden. Nedan finns en kort introduktion till elmarknaden i Norden samt en beskrivning av ladddfordonets möjligheter. Kort introduktion till elmarknaden Inom Norden handlas el på den gemensamma energibörsen NordPool [1] där elproducenter erbjuder energi i kvantiteter om 1 MWh. Elhandlaren, en mellanhand som samlar ett antal

7 slutkunder för att kunna köpa upp el i dessa kvantiteter, köper ett dygn i förväg upp den energi dess kunder förväntas konsumera. Inköpen görs på timbasis vilket resulterar i en prisvariation under dygnet (efterfrågan på el är mindre under natten medan produktionskostnaden är ungefär densamma). Graferna i nedan figur illustrerar pris och mängd producerad el under fyra dagar i juni, Både pris och produktion varierar kraftigt under dygnet med lägsta noteringar under småtimmarna. Figur 1,2: Produktionsvolym (MWh) och spotpris (EUR/MWh) i Sverige, 10-13:e Juni 2011 [2]. Även om elhandlarens prognoser ofta stämmer bra måste felaktiga förutsägelser kompenseras. Vid ett underskattat behov ökas produktionen hos den elproducent som kan leverera till lägst pris (uppreglering) och vid ett överskattat behov köps kapacitet tillbaka från den elproducent som kantänka sig att avstå produktion till lägst pris (nedreglering)1. Processen styrs av Svenska Kraftnät (SE), EnergiNet (DK) och StattNet (NO) vilka är satta att övervaka och stabilisera energi-produktion och -leverans. Utöver möjligheten att köpa kapacitet avsätts dessutom en effektreserv som kan användas vid behov. Kostnaden för de energitransaktioner som görs belastar den elhandlare som konsumerat mer eller mindre än de köpt. Följande figurer visar pris och handlad energimängd för reglermarknaden 10-13:e juni Varken i exemplet nedan eller i större tidsintervall finns någon korrelation mellan tid på dygnet och reglerbehov. Figur 3 visar på ett kraftigt varierande behov av reglerkraft, som går upp till 800 MW under några timmar i exemplet. Figur 3,4: Reglervolym (MWh) och spotpris ( /MWh) i Sverige 10-13:e Juni 2011 [3]. 1 Även andra former av reglering förekommer. T.ex. kan uppreglering ske genom frånkoppling av en stor last och nedreglering genom att vatten pumpas upp i en kraftverksdamm. Se t.ex. [5]

8 Bilden kompliceras något då vind och solkraft installeras i större mängd. Produktionskapaciteten blir då något mer oförutsägbar vilket skulle innebära att Svenska Kraftnät måste reservera en större mängd effekt hos elproducenterna för att kunna garantera elnätets stabilitet. Elproducenten kommer därmed att få betalt för att ej utnyttja sin fulla kapacitet. Vid månadens slut summerar elhandlaren kostnaden för den energi som konsumerats samt utnyttjad reglerkraft och ett medelpris debiteras till slutkund. Batterifordonets möjligheter Den främsta egenskapen som gör dem intressanta är att den energi som konsumeras ej behöver eller en kan produceras i samma ögonblick (batterifordonet är ju sannolikt inte anslutet till elnätet när det är ute och kör). Då den allra största delen av fordonsflottan, privat som komersiell, står stilla då elpriset är som lägst finns alla möjligheter att utnyttja den billiga energin [4]. Givet den variation som finns i priset bör det kunna innebära en rejäl rabatt. Bara under de fyra dagar som används som exempel ovan varierar priset med mer än 50% under samma dag. Möjligheten att utnyttja detta begränsas något av batteriladdarens, elinstallationens och eventuellt batteriets kapacitet. Även om det finns tidpunkter då energin är billig kan inte obegränsat med energi överföras just då. Ovan nämnda artiklar indikerar dessutom att endast en mindre del av batterikapaciteten kommer att utnyttjas under de allra flesta brukardagarna. Den genomsnittliga körsträckan under en dag anges ofta till någonstans mellan 30 och 60 km. Med en genomsnittlig energiförbrukning på 0,2kWh/km innebär det att 40-70% av ett 20kWh-batteri för det mesta står outnyttjat. Om man som kund kan tänka sig att ladda fylla sitt batteri med den energi man förväntar sig att göra av med (samt eventuellt lite till för att täcka upp för oväntade händelser) finns då möjlighet att även delta i som reglerresurs. Anta följande scenario: En batterifordonsägare behöver 10kWh för sin dagliga pendling (till och från jobbet, hämta barnen etc). Fordonets batterikapacitet är 20kWh. Varje dag köps 12kWh energi in till elbilen för aktuellt spotpris. Om ett uppregleringsbehov finns (energitillgången är låg) kan man avstå att ladda 2kWh vilket innebär att man får tillbaka skillnaden mellan priset på uppregleringsenergi och priset man betalade för energin. Vid nedreglering kan batteriet laddas ytterligare till ett lägre pris än då den energi som ingen annan kan göra av med säljs till lågt pris. Vinsten i båda fallen kan även här ligga på upp till halva elpriset. Notera att både upp och nedreglering kan åstadkommas utan att energi laddas ur batteriet. Givetvis måste effektbegränsningen även tas i beaktande här. Möjligheterna att agera på reglermarknaden ökar ju större outnyttjad kapacitet batterifordonet har. Personbilars batterier kommer sannolikt att ha betydligt lägre utnyttjandegrad än t.ex. tunga kommersiella fordon vilket bör göra dem mer intressanta iaf på längre sikt. Aggregatorrollen och dess behov Precis som för dagens elkonsumenter kommer morgondagens batteribilsägare att vara för liten för att agera direkt på elmarknaden. Elhandlaren kommer även här att spela en stor roll som

9 aggregator för en stor mängd batterifordon. Dessa aktörer kommer att behöva komplettera sitt IT-stöd med möjligheten att hämta information från och styra batterifordonets laddning, det behövs med andra ord etableras en informationsinfrastruktur för batterifordon innan dess fulla potential kan utnyttjas. Den första byggstenen, bilens kommunikationsplattform, verkar redan vara på väg in i alla bilar i och med introduktionen av uppkopplade infotainment-system. Därtill behöver procedurer upprättas för att jämka samman fordonsägarens och -brukarens behov med elhandlarens önskemål, ett arbete som i första hand handlar om själva affärsmodellen. På samma sätt som ingen vet hur batterifordonet kommer att användas går det bara att sia om vad som skulle krävas för att fordonets ägare och/eller användare skulle avstå från en del av kontrollen över laddningen. Vidare läsning Möjligheterna som erbjuds både ur ekonomisk och teknisk synvinkel har lockat till en hel del utforskning av olika aspekter av kopplingen mellan marknad och batterifordon. Nedan finns ett axplock av litteratur. För vidare studier rekommenderas t.ex. IEEE PES [6] och Energy Policy [7]. Elteknikavdelningen på Chalmers har publicerat ett antal artiklar i ämnet. Se [8] för en mera komplett lista. [9] analyserar vinsten av att använda batterifordonet för automatiserad frekvensreglering på svenska och tyska elmarknaden. Konklusionen är att tjänsten är relativt ointressant i Sverige (vi har gott om vattenkraft att reglera med) medan en tysk fordonsägare skulle kunna göra en nettovinst på upp till 80 (batterislitage inräknat). [10] uppskattar kostnaden för introduktionen av batterifordon i Finland beroende på grad av styrbarhet för laddningen. Resultatet är att smart laddning innebär ett betydligt mindre behov av investering. [11] presenterar en optimeringsmetod för en tilltänkt aggregator. Metoden tar bland annat hänsyn till fordonets utnyttjandegrad, batterikapacitet och nätbegränsningar. Referenser [1] [2] [3] [4] Characterization of urban commuter driving profiles to optimize battery size in light-duty plugin electric vehicles [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11]

10 Batteriproduktionen tar fart En risk för överproduktion av batterier till laddelfordon under en period 2010 var det en viss debatt om det fanns en risk för överkapacitet för batterier till fordonsektorn. En Roland Berger studie från februari 2010 hävdade att det kommer vara en överproduktionskapacitet av batterier till elfordon under perioden [1]. Överproduktionskapaciteten kommer främst finnas i USA och Japan. Roland Berger gjorde bedömningen att efterfrågan på batterier kommer vara ca 0,82 miljoner EV-enheter/år och utbudet kommer vara ca 2,6 miljoner EV-enheter/år år Efterfrågan kommer öka, men tidigaste 2018 kan den ha blivit 3 miljoner EV-enheter/år. De hävdade också att antal batteriproducenter skulle minska från ca 60 till ca 5-7 under de närmsta fem till sju åren. Kostnaderna för batterier behöver sjunka. Massproduktion krävs för en lägre kostnad. En massproduktionsanläggning för batterier, som kan tillverka ca EV batterier/år, kan kosta ca 350 miljoner EUR (=3,2 miljarder SEK). De stora investeringarna kommer att framkalla en konsolidering av batteriföretag för laddelfordon. Roland-Berger bedömer att marknaden för EV batterier kommer vara ca 600 miljoner EUR/år Roland-Bergers slutsatser av studien var att investerare ska vara försiktiga och att batteriföretag måste skaffa sig en marknadsandel snabbt. Västnationerna måste satsa för att inte tappa kritisk teknologi till Asien. En annan studie genomfördes av konsultföretaget PRTM som kom fram till att investeringar måste göras för att det inte ska finnas för få batterier till laddelbilar. PRTM gjorde bedömningen att det måste finnas en årlig kapacitet på ca 2 00 GWH batterier/år 2020 (fig 5) och det är ungefär fyra gånger mer än den produktionskapacitet som är planerad för [2]. Fig. 5. PRTMs prognos för utbud och efterfrågan av batterier till laddelfordon [2].

11 PRTM har gjort bedömningen att den globala marknadsandelen för laddelbilar kan bli ca 10% Konkurrensen under perioden kan bli mycket hård. Och om inte elbilsmarknaden tar fart snabbt finns en klar risk för överkapacitet av batteriproduktion under några år. Den strategiska betydelsen av att vara materialtillverkare för li-jon Japanska företag dominerar i dagsläget materialtillverkning för li-jon batterier. Japanska företag har ungefär en 80%-ig marknadsandel av material till li-jon. Företag som Stella Chemicals (elektrolyter), Asahi Kasie (separatorer), Tanaka Chemicals (katoder) och Hitachi Chemicals (anoder) dominera marknaden idag. Den starka ställningen för japanska batteriföretag kan förklaras med att de har starka materialproducenter, maskintillverkare och celltillverkare. En uppskattning från 2009 är att japanska företags marknadsandel för li-jon material är [3]: Katoder ca 73% Anoder ca 84% Elektrolyter 80% Separatorer ca 71% Sydkorea har gjort en stor satsning under 2010 på att de ska flytta fram sina positioner som tillverkningsland för batterier. De kommer satsa ca 12,4 miljarder SEK under de närmsta tio åren för att bli det dominerade tillverkningslandet för uppladdningsbara batterier. Ett av argumenten för satsningen är att Sydkorea måste bli större på materialtillverkning. Målsättningen är att ca 75% av materialen till sydkoreanska li-jon batterier ska tillverkas i Sydkorea. Idag är det t ex endast ca 4% av anodmaterialen som tillverkas i Sydkorea [4]. En frågeställning som blir mer och mer relevant är om materialtillverkningsindustrin till li-jon batterier kan öka sin produktion i snabb takt. Det finns signaler att även om den globala cellproduktionen kan öka så är det möjligt att det kan bli svårt att öka produktion av material i samma takt. Det beror på att många av materialföretagen inte har storleken och vanan att massproducera i så stora mängder som krävs till fordonsindustrin. Marknadsanalysen av batterimarknaden för laddelfordon Advanced Automotive Batteries har släppt en ny rapport maj 2011 om fordonsbatteriutvecklingen. Deras analys är att marknaden för laddelfordon kommer växa till ca 1,25 miljoner enheter/år 2020 och marknaden för li-jon batterier till fordon kommer vara värd ca 11 miljarder USD 2020 (=68 miljarder SEK) [5]. Marknaden för rena batteribilar kommer vara ca /år 2015 och växa till ca /år Marknaden för laddhybrider kommer vara ca enheter/år 2015 och växa till ca /år 2020.

12 Marknadsandelen för batterier för olika sorters elfordon (HEV, EV och PHEV) kommer växa från att vara ca 320 miljoner USD 2010 till ca 4 miljarder USD 2015 och vara ca 11 miljarder USD AAB har gjort sin bedömning genom att intervjua batteriexperter och affärsutvecklingschefer hos 20 fordonsföretag och 18 batteritillverkare. Slutsatsen är att under perioden kommer de flesta fordonstillverkare att tillverka upp till några tusen fordon per år vardera. Enligt AAB är det mycket mindre än de mest optimistiska prognoserna. AAB och Anderman är kända för att vara försiktiga och mer konservativa i sina bedömningar av marknadsutvecklingen för batterier, men vår bedömning är att hans prognoser känns realistiska. Referenser [1] RolandBerger (2010). Automotive Battery Manufactures are threatened by overcapacity. 9 mars [2] PRTM (2010). PRTM Analysis Finds Li-ion Battery Overcapacity Estimates Largely Unfounded, with Potential Shortfalls Looming; Total Market Demand in 2020 Will Require 4x Capacity Announced To Date. 22 mars html [3] NEDO (2009). Outline of Li-EAD Project. [4] Yonhap news. S. Korea aims to become dominant producer of rechargeable batteries by juli F.HTML [5] Cars21.com (2011). AAB report by M. Anderman: Li-ion automotive battery market worth 7.87 billion by maj

13 Ojämn elektrifiering av tunga fordon Att hitta alternativ, särskilt hållbara alternativ, för framdrivningen av tunga fordon är angeläget av flera skäl. Dels har tunga transporter idag det starkaste beroendet av fossila bränslen och dels ökar andelen tunga transporter på våra vägar mer än persontransporterna. Eftersom två av världens stora tillverkare av tunga fordon utgår från Sverige finns också en industriell relevans i att ligga väl framme vad gäller utveckling av och kunskap kring alternativa system (energikälla-energibärare-distribution-fordon-marknad). I vilken utsträckning helt eller delvis elektrifierade tunga fordon kommer att ta över (eller ingå i)samma fordonsklasser och ägandeformer som konventionella tunga fordon återstår att se. Vi inleder med att beskriva marknaden för tunga fordon för att därefter se på elektrifieringen av dessa. Kort introduktion till tunga fordon Den tunga sidan kan delas in i fem huvudsegment: Innerstadsbussar, bussar för kranstrafik utanför städer, tung stadsdistribution (liknande fordon med släp för interurbana transporter, då med mindre start-stop i körcykeln), dragbil för fjärrtrafik samt arbetsmaskiner. Totalt rullar ca bussar och ca 34 miljoner lastbilar i EU-27 [1]. Om arbetsmaskiner ska ingå i en analys som i övrigt gäller tunga vägfordon kan diskuteras, men de inkluderas här då volymerna är relativt höga för svenskt vidkommande och området är relevant för elektrifiering. Till skillnad från lätta fordon så drivs i princip alla tunga fordon av ett enda bränsle, och körs i princip uteslutande i yrkestrafik. Innerstadsbussar drivs ibland på metan och (särskilt i Sverige) även på etanol. Yrkestrafik innebär att driftsekonomin följs noggrannt, och höga krav på driftsäkerhet ställs. Däremot är efterfrågan av en viss modell mindre styrd av mjuka faktorer som för vissa segment styr utvecklingen av lätta fordon. I tabell 1 ges en översikt över några karaktäristika för respektive fordonsklass, tunga fordon. Tabell 1. Karaktäristika för olika typer av tunga fordon (Källa: intervjuer, Typ Ägande Körmönster Ek. situation Miljö Stadsbuss 2 axlar, 12 ton 1a ägaren upp till 15 år, samägande Start-stopp, långa dagar Upphandling Höga krav Buss kranstrafik 3 axlar, 18 ton 1a ägaren 12 år Upphandling i vissa fall EU-krav (Stads)distribution 2 axlar, 12 ton 1a ägaren 3 år upp till mil per år beroende på ägarform/bruk. Miljözon, olika miljökrav Dragbil 2 axlar, 40 ton Fyra faser, se Tabell 2 upp till mil per år Hård ek. press Arbetsmaskiner (hjullastare) långt 1a ägande spritt ökande miljökrav, upphandlingskrav för entreprenader

14 För tunga lastbilar och dragbilar är situationen speciell på så sätt att fordonet går igenom flera faser, och under senare faser kan fordonet komma att byggas om på olika sätt och motorn bytas. I tabell 2 redovisas olika faser för ägande och brukande av en tung lastbil. Tabell 2. Olika faser i livscykeln för tung lastbil [3] Anv.fas Period Användning Not fas första intensivt användande, km/år åren internationella rutter fas år till 8-10 år regionala rutter motorrenovering (lastbilen kan ha gått 1 miljon km) fas år Lokala rutter eller export (1.2 miljoner km) fas 4 upp till 20 år mindre användning Arbetsmaskiner återigen är ett komplext område, även om man begränsar resonemangen till hjullastare. Arbetsmaskiner har två olika kraftsystem, dels drivlinan för framdriften och dels ett hydraulsystem för skopa eller motsvarande. Fordonen används mycket olika, även om upprepade lastcykler från mark till lastbilsflak kan vara ett typfall [4]. Elektrifiering och behov av infrastruktur Efterfrågan på elektrifierade tunga vägfordon kan således komma från ett eller flera håll i kombination: incitament med grund i klimat, lokalmiljö, industriell utveckling, eller på sikt vikande tillgång på fossila/förnybara flytande och gasformiga bränslen. Hybridbussarna behöver liksom personbilarnas fullhybrider ingen speciell infrastruktur, och dagens utveckling kräver alltså ingen särskild utbyggnad av infrastrukturen. Körcykler för stadsbussar och stadsdistribution innehåller mycket stopp och start. Med en daglig körsträcka på 20 mil, och ungefär halva tiden stillastående, finns en potential i laddning under dagen. För distributionsbilar kan det innebära att lastzonerna förses med laddmöjlighet, som kan vara konduktiv eller induktiv. För stadsbussar finns flera exempel på metoder att överföra energi, anpassad till rörelsemönster och energibehov. I och med att fordonet rör sig med känd fart och rutt kan energibehovet förutsägas och tillgodoses genom t ex laddhybridisering, hållplatsladdning (batteri/supercap, hydrauliskt [9] eller svänghjul) eller någon typ av strömavtagning. Det är också möjligt att byta batterier en eller flera gånger under arbetsdagen, om ett system för detta byggs upp. Fordonen går under många år, och många timmar per dygn, med samma ägare som sköter service regelbundet. Jämfört med lätta fordon så kan uppbyggnaden av infrastruktur för t ex innerstadsbussar ske mera lokalt koordinerat, vilket kan innebära att kompletta system kan utvecklas enklare, men också mera olika i olika städer beroende på förutsättningnar som lokal industri och olika tidplaner. Vad gäller elektrifiering av tunga långdistanstransporter har det under en längre tid undersökts alternativ för att klara energibehovet vid parkerat fordon på ett tyst och hållbart sätt [2]. Sverige ligger i framkant med ett antal projekt som syftar till att driva även själva trafiken med el [10]. Infrastrukturen måste här föregå introduktionen av fordon, och ligger relativt många år fram i tiden, särskilt som standarder ännu inte finns framme och har accepterats av industrin m fl.

15 Figur 1. Fordonstopologier för arbetsmaskiner [5] Hybridiseringen av arbetsmaskiner kan göras på flera olika sätt. Rent batteri- eller nätdrivna applikationer är dock utmanande då i de flesta fall en oberoende kraftkälla krävs och energioch effektbehovet är relativt stort under ett arbetspass. Figur 1 visar på ett stort antal möjliga drivlinetopologier, från serie till parallellhybrid med mellanformer, optimerade för olika arbetsuppgifter både vad gäller framdrift och de funktioner som idag drivs av hydraulsystemet. En nyckelfråga är hur elektriska maskiner respektive hydraulsystem används. En hybridisering kan alltså innebära mer än bara att en komponent ersätts med en annan, och denna utveckling är ännu långt från fullbordad, i synnerhet kommersiellt sett [5]. Efterfrågan och konsekvenser för batteri och elförbrukning Efterfrågan på stadsbussar och lastbilar för stadsdistribution drivs av potentialen till förbättrad driftsekonomi, förbättrad lokalmiljö och mindre klimatpåverkan från stadens trafik. Våra svenska busstillverkare diskuterar i termer av tiotals procent i marknadsandel inom EU för hybriddrift för innerstadsbussar innevarande decennium det talas tillockmed om att den vanliga dieselstadsbussen kan bli överflödig. En av de faktorer som förenklar teknisk förändring för bussar jämfört med lastbilar är att fordonet har samma ägare och placering under en stor del av livslängden, vilket gör diskussionen kring restvärde och ägande av t ex batterier och

16 infrastruktur mindre viktig. Efterfrågan för elektrifierad buss (HEV, PHEV, EV) i kranstrafik och dragbilar förutspås bli ca 5 % av marknaden under samma period. Eldrift (HEV, PHEV, EV) av medeltunga distributionsfordon i städerna ses som mer trolig vad gäller elektrifiering med ca 10% genomslag. De försiktiga prognoserna bygger på svårigheten att få till hållbara incitament, kostnaderna för de nya systemen är även fortsättningsvis höga och bränslepriserna förväntas inte avvika så mycket från de senaste decenniets allmäna trend [6]. Efterfrågan kommer av mer direkta krav, som i staden New York med några tusen hybridbussar, men också av hybridbussens bättre driftsekonomi och miljöprestanda som kan uppväga den större investeringen. Hybridlastbilarna ökar i antal Volvo säljer lastbilar och sopbilar med hybridteknik [7] och Mercedes anmälde i februari i år att man tillverkat en miljon hybrid-distributionslastbilar (5.5 Ah batteri, 44 kw elmotor) vid fabriken i North Carolina, USA [8]. Arbetsgruppen i IEAs Task 12 2, Heavy-duty hybrid vehicles, drar slutsatsen att marknaden för tunga hybrider nu går från en prototypfas till demonstration och implementering. En slutrapport från arbetsgruppen ska presenteras i November 2011 [10]. Tunga fordon kommer initialt inte att driva vare sig efterfrågan på eller utvecklingen av batterier. Däremot kan celler från den lätta sidan användas i moduler utvecklade för tunga fordon. Behovet av batterier kan öka då större delar av flottan av stadsbussar hybridiseras, och om tunga laddfordon (både i stad och på våra riksvägar) används med någon typ av laddinfrastruktur kan detta ställa liknande/ökande krav på elnätet som idag tunnelbana och tåg. Den splittrade ägarbilden under livscykeln för tunga lastbilar gör också att infrastrukturen förmodligen måste vara väl spridd för att minska den ekonomiska risken och osäkerheten kring restvärdet. Skulle alla vägfordon drivas med el, blir energibehovet för den tunga trafiken större än för den lätta, även med den stora energibesparingspotential som elektrifiering kan innebära. Det större energibehovet per fordon kan göra att incitamentet för en övergång från ett dyrare till ett billigare bränsle kan bli större för tunga fordon än för lätta. Det talar för nyttan med eldrivna långdistanstransporter på väg om bränslepriserna stiger. Om batteribyte blir ett konkurrenskraftigt alternativ för stads(buss)trafik, kan detta också få konsekvenser för elinfrastrukturen. En batteribytesstation kan som sidotjänst erbjuda stöd för system för avbrottsfri kraft, t ex för sjukhus och datacentraler, och ge kostnadsfördelar och flexibilitet vid omläggning av trafiken, och dessutom som system vara mindre känsligt för korta strömavbrott, t ex i utvecklingsländer. Referenser [1] EU Energy and transport in figures 2010, European Commission 2011 [2] Gaines, L L.; Brodrick Hartman, C.-J.;Solomon M. (2009); Energy Use and Emissions of Idling-Reduction Options for Heavy-Duty Diesel Trucks, Journal of the Transportation Research Board, No. 2123, pp. 8 16, Washington, D.C [3] Pressmeddelande 27 Mars 2005 av CCFA, den franska fordonstillverkarkommittén. [4] Filla, R. (2008); Alternative system solutions for wheel loaders and other construction equipment. Proceedings, 1 st international CTI forum Alternative and Hybrid Drive Trains 2 inom International Energy Agency s Hybrid and electric vehicle Implementing agreement

17 [5] Filla, R. (2009); Hybrid Power systems for Construction Machinery: Aspects of System Design and Operability of Wheel Loaders, Proceedings, ASME IMECE 2009, Florida, USA [6] Intervju med Volvo AB (N. Thulin) och Scania (N.-G. Vågstedt) [7] [8] Daimler AG hemsida: [9] Hui, S.; Lifu, Y. et al (2011); Control strategy of hydraulic/electric synergy system in heavy hybrid vehicles, Energy Conversion and Management, Vol 52, pp , Elsevier [10] Newsletter, IEA implementing agreement on Electric and Hybrid vehicles, July 2011 Notiser/Länkar Snabbladdning i Norge Better Place söker sig till Kina Snabbladding sliter inte på BYD:s batterier USA vill ha egen laddstandard Columb Techonologies laddstolpar kan bokas Diskussion om om laddstolpeinformation Google och DOE samlar laddstolpar Google visar trafiksituationen Google och Ford samarbetar

18 Omvärldsanalys Elektromobility September 2011 För september går vi igenom tre områden som alla rör elförsörjningen av laddfordon. En rapport från G4V-konferensen tidigare i år samt två översikter; elektrifiering av våra vägar samt de nuvarande tankegångarna kring laddning inom ramen för Hammarby Sjöstads satsning på elfordon. Akronymförklaring på slutet av del 1 för de oinvigda. Författare är Tommy Fransson, Oscar Olsson och David Bauner. Sammanfattning och gemensamma slutsatser För lätta laddfordon inom städer räcker kapaciteten i batteriet om tillräcklig laddinfrastruktur finns. Under en G4V konferens i Bryssel tidigare i vår diskuterades påvekan på elnätet från elbilens ökade effektutnyttjande. Här beskrevs även vilka tekniska lösningar som behöver presenteras, såsom kommunikation mellan fordon och nät för smartare laddning. Med dessa presenterade lösningar kan toppbelastningen minskas samt mängden nödvändig utbyggnad hållas nere. Det kan noteras att tunga fordon inte behandlades under konferensen. Oavsett elbilsstorlek och körrutt kan laddningen ses som ett bekymmer för såväl användaren som för elnätet. För främst tyngre och längre transporter kan en elektrifiering av våra motorvägar vara en möjlig lösning. Olika typer av konduktiva och induktiva lösningar finns för att kontinuerligt överföra strömmen underifrån fordonet vilket är ett krav för att även personbilssegmentet ska ha möjlighet att ta del av fördelarna. Den teknik som anses mest lämplig och bör vidareutvecklas för bruk på längre motorvägssträckor undersöks av flera intressenter. Hammarby Sjöstad har börjat resan mot en stadsdel där eldrivna transporter spelar en viktig roll. Genom praktiskt arbete har man funnit flera bromsklossar i det administrativa arbetet med att etablera laddplatser som underlättar både för privatägda fordon, bilpooler och besökande. Stadsdelen, med invånare och 5000 arbetsplatser, vill nu samarbeta med intresserade parter för att bli en föregångare på området. De tidiga erfarenheterna visar att det gäller att smida medan järnet är varmt, särskilt det offentliga måste arbeta i takt med lokala initiativ för att utvecklingen ska ta fart och i förlängningen behålla farten. Sammanfattningsvis verkar tekniklösningar och därmed energibehovet för elektrifiering av den tunga fordonssektorn låta vänta på sig. Det är dock viktigt att inkludera t ex laddning på lastplatser, kollektivtrafikladdning på olika sätt samt elektrifierade huvudleder i planeringen så tidigt som möjligt så att dessa fordonsslag, som spelar en mycket viktig roll i samhället, utvecklas i samma takt mot ett regimskifte. För normalladdning av lätta fordon pågår en etablering av strategier och laddningstekniker, som förmodligen behöver stötas och blötas mot en tidig konsumentgrupp innan de etableras på mer än en marknad. Skillnaderna i lägesbeskrivning mellan G4V och Sjöstaden visar på en uppgift att överbrygga dessa olika verkligheter till ett mer relaterat sammanhang. 1

19 Konferensrapport, Grid for Vehicle (G4V), Bryssel juni 2011 Både från politiskt och privat håll har man inom EU funderat på hur en storskalig introduktion av elbilar kommer påverka elnätet. För att bringa klarhet i eventuella framtida problemområden tillsattes en expertgrupp bestående av parter från energibranschen och universitetsvärlden, och deras resultat presenterades på en konferens i Bryssel den 30 juni Gruppens mål har varit att utveckla en analytisk metod för att utvärdera påverkan av en storskalig introduktion av elbilar och plug in-hybrider på elnätsinfrastrukturen och skapa en handlingsplan för år 2020 och framåt. Konferensen som hölls är del av G4V-projektet, vilket finansieras av EUs sjunde ramprogram. G4V består av 6 energibolag och 6 europeiska universitet. Mer information om projektet, där bl.a. konferenspresentationerna kan laddas hem, finns på projektets hemsida [1]. Enligt gruppen innebär elbilar p.g.a. lastens karaktär både en tillgång och en risk för elnätet. Inte nog med att de från elnätets perspektiv är mobila och flexibla laster, de kan eventuellt också fungera som mobila kraftkällor. Tillsammans har gruppen försökt svara på frågan Vad behöver påbörjas redan nu för att elnätet ska klara en massmarknad av elbilar? I ett första steg har man skapat en modell över elnätet i ett flertal europeiska länder. Under simuleringen har man sedan analyserat kritiska komponenter i elnätet för att se hur de påverkats av förändringar i hur elbilar laddas. Parametrar som undersökts är laddplats, laddeffekt, marknadsandel av elbilar, möjlighet till kommunikation av laddinformation, viljan att koppla in elbilen till elnätet, batterikapacitet samt elförbrukning per km. Tunga fordon inkluderades ej i studien. Baserat på de här simuleringarna har G4V kommit fram till rekommendationer och insikter angående hur laddinfrastrukturen bör utformas. Studien rekommenderar att en kostnadseffektiv introduktion av elbilar sker genom att främja lågeffektsladdning (3.7kW) i eller nära hemmet, i kombination med publika laddstolpar som erbjuder högre effekt. ICT anses inte vara en flaskhals sett ur ett elnätsperspektiv vid en större marknadsandel elbilar, men användningen av den kan minska påverkan på elnätet. Man anser att det finns synergier mellan elbilsladdning och smarta nät vilket kan användas vid utvecklingen av framtida kontrollstrategier. När det gäller utformningen av kommunikationsprotokoll tror man att enklare envägskommunikation bör främjas först och främst. Laddstrategier som kräver tvåvägskommunikation kan vara intressanta vid högre elbilspenetration. Det rekommenderas att det framtida elnätet ska kommunicera nödvändig laddinformation via GPRS, 3G, PLC eller Ethernet till laddstolpen. Därifrån bör laddstolpen kommunicera vidare till bilen via PWM, CAN eller PLC. Då dessa kommunikationskanaler stödjer tvåvägskommunikation, kan det te sig lite onödigt att först främja envägskommunikation och sedan installera dyr kommunikationsutrustning som stödjer tvåvägskommunikation, men dessa rekommendationer vad var som gavs. Laddstrategier bör vara flexibla och justerbara beroende på marknadspenetration. Strategierna måste förutom att ta hänsyn till nätoperatörens (Distribution System Operatorns, DSO) behov och begränsningar också vara observerbara för DSO:n. Det trycktes också på att säkerhetsaspekten var mycket viktig. Ett felimplementerat eller manipulerat styrsystem kan allvarligt skada elnätet och skapa en värre situation än om inga styrstrategier funnits. En attack från en fientligt inställd part kan i värsta fall hota stabiliteten hos elnätet. Om inga kontrollstrategier implementeras kommer det leda till en disproportionell ökning av toppeffekten i förhållande till energiökningen. Den egentliga ökningen av energiförbrukningen på grund av elbilar kommer vara låg, men energin skulle konsumeras under den tidpunkt då elnätet redan nu belastas som mest. En optimerad laddning skulle leda till lägre operativa kostnader och en ökning av utnyttjandegraden av elnätet. Den del av energin från vindkraftverk som inte kan utnyttjas kan enligt studien minskas från runt 7.5% till ett fåtal procent med hjälp av en bättre styrning av laddningen. Man fann här att 2

20 tvåvägskommunikation endast marginellt kan förbättra de här siffrorna. Däremot kan en CO 2 - optimal styrstrategi göra att en elbilsflotta, med en storlek motsvarande en marknadsandel på 40-50%, laddas utan ökade CO 2 -utsläpp, då den bättre styrningen leder till minskat behov av ytterligare reglerkraft även om det totala energibehovet ökas. G4V uppskattar att det finns en stor potential till minskade kostnader p.g.a. intelligent laddning utan styrning bedöms kostnaden för en framtida elnätsutbyggnad som mycket stor. V2G anses inte vara en inkomstbringande verksamhet i dagsläget enligt G4V. De miljömässiga fördelarna jämfört med bara en smartare styrning av laddningen blir också marginella. Dessutom har studien funnit att kundacceptansen för V2G är låg. Man fann ingen klar relation mellan de studerade länderna och deras möjlighet att integrera elbilar. Det fanns en utbredd uppfattning om att de nordiska länderna skulle ha ett starkare elnät jämfört med de sydligare länderna, men studien pekar på att så inte är fallet. Man fann inte heller någon korrelation mellan spänningsnivåer i elnätet och möjligheten att integrera elbilar. De regionala och lokala näten förefaller ha ungefär samma möjligheter att integrera elbilar. Det är G4V:s uppfattning att beslut och handlingar för att förbättra integrationen av elbilar bör göras gemensamt av alla länder inom EU i samverkan med bilbranschen. Laddstrategier som möjliggör styrning av lasten behövs för att undvika en onödigt kostsam utbyggnad av elnätet. Referenser: [1] PLC PWM CAN GPRS ICT Programmable logic controller, ett programmerbart styrsystem Pulse-width modulation, ett sätt att styra elektrisk utrustning Controller Area Network, en nätverksstandard för styrning av funktioner i fordon Mobiltelefonisignalprotokoll, plattform för mobila datanätverkstjänster Informations- och kommunikationsteknik Kan elektrifierade motorvägar vara framtiden? Diskussionerna kring och det aviserade utbudet av eldrivna fordon, främst inom personbilssegmentet, har ökat markant den senaste tiden. Mycket av denna utveckling sker dock kring hybrider med anpassade diesel- och bensinmotorer. Detta kan antas till stor del bero på elfordonets akilleshäl, nämligen lagringskapaciteten och kostnaden för batteriet. För elbussar med korta rutter och planerade stopp finns möjlighet att snabbladda vid hållplatser likt Opbrid Busbaar [1]. För att tanka elbilar har laddstolpar för laddning både hemma och på arbetsplatsen presenterats från flera stora leverantörer, och systemnivån diskuteras i olika fora som G4V enligt ovan. Laddningstider för att fylla större delen av batteriet närmar sig ca 30 minuter beroende på batteristorlek och strömstyrka, vilket både kan tyckas väldigt snabbt men samtidigt opraktiskt lång tid att vänta då man ska längre sträckor [2]. För snabbare laddning krävs speciell infrastruktur alternativt att batteriet byts ut á la Better Place. Få lösningar, utom range extenders med en liten effektiv dieselmotor eller bränslecell, finns för att öka elbilars räckvidd med liten miljöpåverkan eller som är mer tidskrävande än en tankning av bensin eller diesel. En lösning skulle kunna vara att förse vägar med el för att kontinuerligt kunna överföra energi direkt till fordonet. Dessa elvägar skulle kunna sammanbinda städer och kraftigt förlänga maxsträckan för dagligt bruk av laddfordon från dagens om upp till 150km för lätta fordon, och möjliggöra tunga transporter framförallt mellan städer. Förutom att förlänga den möjliga körsträckan och samtidigt vara miljöanpassad, förutsatt att elenergin kommer från förnyelsebara energikällor, så medför det även andra fördelar. 3