Analys av biogas till el för bussdrift och biogas som bränsle till bussdrift i stadstrafik

Transkript

1 NR C 171 JANUARI 2016 RAPPORT Analys av biogas till el för bussdrift och biogas som bränsle till bussdrift i stadstrafik Martin Hagberg, Anders Roth, Sebastian Bäckström

2 Författare: Martin Hagberg, Anders Roth, Sebastian Bäckström, IVL Medel från: Miljöavdelningen och Avdelningen för kollektivtrafik och infrastruktur, Västra Götalandsregionen Rapportnummer: C 171 Upplaga: Finns endast som PDF-fil för egen utskrift IVL Svenska Miljöinstitutet 2016 IVL Svenska Miljöinstitutet AB, Box , Stockholm Tel: Fax: Rapporten har granskats och godkänts i enlighet med IVL:s ledningssystem

3 Förord Miljöavdelningen och Avdelningen för kollektivtrafik och infrastruktur på Västra Götalandsregionen gav i november 2015 IVL Svenska Miljöinstitutet uppdraget Konsult för uppdrag om granskning och analys av gas till el för bussdrift eller gas som bränsle för bussdrift. Förutom nämnda parter har även Västtrafik deltagit i diskussionerna kring uppdraget. Uppdraget utfördes under perioden november 2015 till januari I denna rapport presenteras resultatet av projektet. 3

4 Innehållsförteckning Förord... 3 Sammanfattning Inledning Studerade energiomvandlingskedjor Energiomvandlingskedja 1: Biogas till gasbuss Energiomvandlingskedja 2: Biogas till elbuss via storskalig elproduktion Energiomvandlingskedja 3: Biogas till elbuss via småskalig elproduktion Energieffektivitet Energieffektivitet från rågas till framdrift Jämförelse mellan energiomvandlingskedjor Jämförelse med tidigare studier Kostnadseffektivitet Elproduktionskostnader Kostnad per fordonskilometer Diskussion och slutsatser Referenser Bilaga A: Effektivitet per delsteg Bilaga B: Kostnadsantaganden

5 Sammanfattning I denna studie jämförs olika energiomvandlingskedjor från biogas till framdrift av bussar i stadstrafik. Framför allt jämförs energieffektiviteten för direkt användning av biogas i gasbussar med indirekt användning i elbussar via biogasbaserad elproduktion. En begränsad kostnadsjämförelse mellan alternativen görs också. Annan typ av trafik än stadstrafik, t.ex. regiontrafik, studeras inte. Resultaten visar att energiomvandlingskedjor från biogas via elproduktion till elbuss, i stadstrafik, ger en högre energieffektivitet än kedjor där biogas används direkt i gasbussar. En elbussbaserad kedja beräknas vid småskalig elproduktion från biogas vara runt 2 gånger så effektiv som en gasbussbaserad kedja. Detta innebär att en elbuss från samma ursprungliga mängd biogas i detta fall kommer runt 2 gånger så långt som en gasbuss. Vid storskalig elproduktion från biogas beräknas elbusskedjan vara runt 2,5 gånger så effektiv som gasbusskedjan. Förhållandet mellan olika energiomvandlingskedjors energieffektivitet varierar dock utifrån olika förutsättningar och beroende på hur jämförelsen görs. Ur ett kostnadsperspektiv är skillnaderna mellan kedjorna mindre än ur ett energieffektivitetsperspektiv och resultatet ett annat: studien pekar på en i dagsläget kostnadsmässig fördel för kedjor baserade biogasbussar gentemot kedjor baserade på elbussar. Ingen bedömning av framtida kostnadsutveckling har gjorts. Rapporten diskuterar att behovet av fossilfria alternativ kommer bli stort om ambitiösa mål om utfasning av fossila bränslen inom transportsektorn skall uppnås. Det kan därför finnas behov för såväl el som biogas och andra biodrivmedel i olika delar av sektorn. Ur ett kollektivtrafikperspektiv är det troligt att en kombination av energibärare (biogas, andra biodrivmedel och el) samt av fordonstekniker (elbussar, hybrider och förbränningsmotorbaserade bussar) kan vara gynnsamt beroende på skillnader i lokala förutsättningar och i busslinjers sträckning och trafikering. 5

6 1 Inledning IVL Svenska Miljöinstitutet har fått i uppdrag av Miljöavdelningen och Avdelningen för kollektivtrafik och infrastruktur på Västra Götalandsregionen att jämföra olika vägar från biogas till framdrivning av stadsbussar. Huvuduppgiften är att göra en granskning och analys av energianvändningen i en energiomvandlingskedja som startar med rågas och slutar i drift av elbuss och jämföra med motsvarande för en kedja som startar med rågas och slutar med drift av gasbuss. Uppdraget inkluderar även en begränsad kostnadseffektivitetsanalys för de båda alternativen. Baserat på befintliga underlag och studier från bland annat olika aktörer inom gas- och bussbranschen, forskningsinstitutioner och konsultbolag görs en bedömning av relevanta kedjor för biogas som används som bränsle i bussar jämfört med elbussar som drivs med el producerat av biogas. Studien fokuserar på 2-axliga bussar i stadstrafik, som är den tillämpning där elbuss är ett aktuellt alternativ i dagens situation. De resultat som presenteras skall därför inte ses som en generell jämförelse mellan el och biogas som energibärare i transportsektorn eller busstrafik generellt, utan endast för den specificerade situationen. 2 Studerade energiomvandlingskedjor Tre energiomvandlingskedjor från biogas till framdrift av buss har inkluderats i analysen. Dessa presenteras i avsnitt 2.1 till 2.3. I de fall biogas samdistribueras med naturgas i naturgasnätet eller används för elproduktion får kedjorna ses som principiella, och förutsätter i praktiken någon form av bokföringssystem för inmatad och utmatad mängd biogas respektive biogasbaserad el. 2.1 Energiomvandlingskedja 1: Biogas till gasbuss Kedja 1 representerar direkt användning av biogas i konventionella gasbussar. I denna kedja uppgraderas rågasen, distribueras och används för framdrivning av gasbussar, se figur 1. Gasbussarna drivs av en förbränningsmotorbaserad drivlina. Energieffektiviteten i gasbussar är idag generellt betydligt lägre än för motsvarande dieselbussar. Uppgifter från vissa tillverkare gör emellertid gällande att nya gasmotorer kan nå upp i en effektivitet som ligger närmare dieselmotorns. Biogas (rågas) Uppgradering Gasdistribution Gasbuss Figur 1. Huvudsteg i biogas till gasbuss -kedja 6

7 2.2 Energiomvandlingskedja 2: Biogas till elbuss via storskalig elproduktion Biogas kan tillsammans med naturgas användas för elproduktion i storskaliga anläggningar, och el kan därefter användas för framdrift av elbussar. I denna kedja antas uppgraderad biogas matas in i naturgasnätet och användas inblandad med naturgas för elproduktion i storskaliga anläggningar, s.k. gaskombikraftverk. I Sverige finns två stycken anläggningar av denna typ: Rya Kraftvärmeverk i Göteborg och Öresundsverket i Malmö (med max elproduktionskapacitet på 261 MW respektive 440 MW). Figur 2 ger en överblick av huvudstegen i denna kedja. Gaskombianläggningar kan användas för antingen ren elproduktion (kondensdrift) eller samtidig produktion av el och värme (kraftvärmedrift). Hur flexibla olika anläggningar är att växla mellan olika driftsfall kan skilja sig åt. Vid kondensdrift får man ut mer el per insatt bränsle än vid kraftvärmedrift, men å andra sidan ingen värme. Kondensdrift ger med andra ord högre elverkningsgrad men lägre totalverkningsgrad. Biogas (rågas) Uppgradering Gasdistribution Storskalig elproduktion Eldistribution Elbuss Figur 2. Huvudsteg i en kedja från biogas till elbuss via storskalig elproduktion. Distribution av biogas i naturgasnät antas i detta fall. Alternativet kräver uppgradering av biogasen. 2.3 Energiomvandlingskedja 3: Biogas till elbuss via småskalig elproduktion Biogas kan också användas för småskalig elproduktion, för vidare eldistribution och användning i fordonet (figur 3). Denna kedja baseras på elproduktion från gasmotorer (storleksordningen MW elproduktion). Till skillnad från storskalig elproduktion i gaskombianläggningar krävs i detta fall ingen uppgradering av biogasen. Det antas att elproduktionen i detta fall sker i nära anslutning till biogasproduktionen och att ingen gasdistribution är nödvändig. Liksom för gaskombianläggningar kan denna småskaliga teknik användas för ren elproduktion eller, om avsättning för värme finns, för samtidig el- och värmeproduktion. Biogas (rågas) Småskalig elproduktion Eldistribution Elbuss Figur 3. Huvudsteg i en kedja från biogas till elbuss via småskalig elproduktion 7

8 3 Energieffektivitet I följande avsnitt presenteras en energieffektivitetsanalys för användning av biogas för bussar i stadstrafik, antingen direkt i gasbussar eller via elproduktion och drift av elbussar. Avsnitt 3.1 redovisar de beräknade energieffektiviteten från biogas till framdrivning av buss för respektive sammansatt energiomvandlingskedja. Avsnitt 3.2 jämför de olika kedjornas energieffektivitet med varandra. Avsnitt 3.3 jämför resultaten med resultat från tidigare studier. I Bilaga A redovisas de identifierade verkningsgraderna i kedjornas olika delsteg samt källor för dessa. 3.1 Energieffektivitet från rågas till framdrift Den beräknade energieffektiviteten från biogas till framdrift av buss för respektive kedja presenteras i figur 4, 5 och 6. I figurerna visualiseras hur mycket av den ursprungliga energimängden som utgår som energiförlust (eller till annan användning än till bussens framdrift) i varje delsteg fram till slutlig energimängd som används för att driva fordonet framåt. Alla energiomvandlingskedjor har stora förluster, men förlusterna uppstår för olika kedjor på olika ställen i kedjan. Som figurerna visar sker energiförluster i flera delsteg såväl innan leverans till fordon (uppgradering, distribution, elproduktion, etc.) som ombord på fordonen (motorförluster, transmissionsförluster, bromsförluster, etc.). Den energi som efter drivlinan överförs till hjulen omvandlas slutligen till värme- och friktionsförluster genom rullmotstånd och luftmotstånd samt i fordonets bromsar (d.v.s. energi bromsas bort) (Holmberg et al., 2014). I stadstrafik är bromsförlusterna betydande för konventionella bussar. Elbussar kan emellertid genom teknik för s.k. regenerativ bromsning återvinna mycket av den energi som annars hade gått till spillo. I jämförelsen mellan konventionella fordon och elektrifierade fordon är det alltså relevant att ta hänsyn till detta, och energieffektivitetsanalysen görs därför från rågas till framdrift av buss efter bromsförluster. För kedja 1 biogas till gasbuss sker den största förlusten i bussens förbränningsmotor (figur 4). Runt 70% av bränsleenergin förloras här i värme- och friktionsförluster. En del av den från motorn levererade energin går åt till att driva bussens hjälpaggregat och kringsystem (AC, etc.). Av den energi som når hjulen bromsas en betydande del bort (ca 40-60%), detta gäller speciellt i stadstrafik. För biogas till gasbuss - kedjan beräknas här 6-11% av den ursprungligen tillförda energimängden i biogasen gå till framdrivning av bussen efter att bromsförluster är borträknade. För elbusskedjorna, kedja 2 och kedja 3, sker den största förlusten i elproduktionen, se figur 5 och 6. Om det finns avsättning för värme, kan el produceras med samtidig produktion av värme (kraftvärmedrift) och det totala energiutbytet ökas. Under sommarhalvåret är emellertid värmebehovet begränsat, och många kraftvärmeverk är i drift endast en del av året (t.ex. Rya Kraftvärmeverk är i drift ca 7-8 månader per år enligt Göteborg Energi). Det kan också finnas geografiska begränsningar mellan lämpliga lokaliseringar för biogas- och/eller elproduktion å ena sidan och värmebehov å andra sidan. Hur stor denna värmepotential är för elbusskedjorna kan därmed variera från fall till fall efter lokala förutsättningar. För elbusskedjorna är förlusterna i fordonsledet förhållandevis små. Detta gäller även för bromsförlusterna som genom s.k. regenerativ bromsning, eller bromskraftåtervinning, är små för elektrifierade fordon. För kedja 2 biogas till elbuss via storskalig elproduktion beräknas 16-25% av den ursprungligen tillförda energimängden i biogasen gå till att framdrivning av bussen efter bromsförluster. För kedja 3 biogas till elbuss via småskalig elproduktion beräknas 14-19% av den ursprungligen tillförda energimängden i biogasen gå till att framdrivning av bussen efter bromsförluster. 8

9 Biogas till gasbuss i stadstrafik Energiinnehåll biogas (rågas) Biogas uppgradering Kompression till nät/tank Förbränningsmotor Hjälpsystem Transmissionsförluster Bromsförluster Till framdrivning (rull- och luftmotstånd) [%] Tillgänglig energi Förlust (kumulativ) Figur 4. Energieffektivitet från 100% biogas (överst) till framdrift av biogasbuss i stadstrafik efter bromsförlust (underst). Grå fält visar den sammanlagda (kumulativa) förlusten för aktuellt delsteg och för samtliga föregående steg. Ett delstegs förlust ges av skillnad i stapellängd ( Tillgänglig energi ) för aktuellt delsteg mot det föregående delsteget. Streckade fält indikerar en osäkerhetsmarginal/variation p.g.a. olika driftsförhållanden och förutsättningar. Biogas till elbuss i stadstrafik via storskalig elproduktion Energiinnehåll biogas (rågas) Biogas uppgradering Kompression till nät Elproduktion Eldistribution nät Laddning fordonsbatteri / AC till DC Batteriförluster Hjälpsystem Batteri till motor / DC till AC Elektrisk motor Bromsförluster (med återvinning) Till framdrivning (rull- och luftmotstånd) [%] Tillgänglig energi Fjärrrvärme Förlust (kumulativ) Figur 5. Energieffektivitet från 100% biogas (överst) via storskalig elproduktion till framdrift av elbuss efter bromsförlust (underst). Grå fält visar den sammanlagda (kumulativa) förlusten för aktuellt delsteg och för samtliga föregående steg. Ett delstegs förlust ges av skillnad i stapellängd ( Tillgänglig energi ) för aktuellt delsteg mot det föregående delsteget. Det gula fältet vid delsteget Elproduktion innebär produktion av värme för användning som exempelvis fjärrvärme. Streckade fält indikerar en osäkerhetsmarginal/variation p.g.a. olika driftsförhållanden och förutsättningar. 9

10 Biogas till elbuss i stadstrafik via småskalig elproduktion Energiinnehåll biogas (rågas) Elproduktion Eldistribution nät Laddning fordonsbatteri / AC till DC Batteriförluster Hjälpsystem Batteri till motor / DC till AC Elektrisk motor Bromsförluster (med återvinning) Till framdrivning (rull- och luftmotstånd) [%] Tillgänglig energi Fjärrrvärme Förlust (kumulativ) Figur 6. Energieffektivitet från 100% biogas (överst) via småskalig elproduktion till framdrift av elbuss efter bromsförlust (underst). Grå fält visar den sammanlagda (kumulativa) förlusten för aktuellt delsteg och för samtliga föregående steg. Ett delstegs förlust ges av skillnad i stapellängd ( Tillgänglig energi ) för aktuellt delsteg mot det föregående delsteget. Det gula fältet vid elproduktion innebär produktion av värme för användning exempelvis som fjärrvärme. Streckade fält indikerar en osäkerhetsmarginal/variation p.g.a. olika driftsförhållanden och förutsättningar. 3.2 Jämförelse mellan energiomvandlingskedjor Figur 7 sammanfattar kedjornas slutgiltiga energieffektivitet från biogas till framdrivning av fordon. Figuren redogör också en uppskattning av vad detta motsvarar i körd sträcka (fordonskilometer) utifrån en ursprunglig mängd rågas på 100 MJ (28 kwh). För denna uppskattning har antagits att den framdrivningsenergi (efter bromsförlust) som går åt till rull- och luftmotstånd är lika för respektive bussalternativ (och därmed att bussarna är jämförbara ifråga om storlek och vikt). Uttryckt i bränsleförbrukning (elförbrukning i elbussfallet) motsvarar de antaganden som gjorts för denna beräkning en medelförbrukning (i mitten av spannet i figur 7) på 23.5 MJ/km (6.5 kwh/km) för gasbussar och 4,6 MJ/km (1.3 kwh/km) för elbussar. 10

11 Jämförelse energiomvandlingskedjor, stadstrafik [fkm per 100 MJ rågas] Kedja 1: Biogasbuss fkm % Kedja 2: Elbuss, storskalig elprod fkm 16-25% Kedja 3: Elbuss, småskalig elprod fkm 14-19% [%] Figur 7. Jämförelse av energiomvandlingskedjor. Energieffektivitet från biogas (100%) till bussframdrift (efter bromsförlust) i stadstrafik, samt uppskattad sträcka i fordonskilometer från 100 MJ rågas (28 kwh). Som framgår av figur 7 så varierar den slutgiltiga effektiviteten för varje kedja inom ett intervall. Jämför man den relativa effektiviteten mellan olika kedjor är det därför av betydelse var man lägger sig inom dessa intervall. Figur 8 visar effektiviteten för elbusskedjorna (kedja 2-3) relativt kedja 1, d.v.s. hur mycket längre sträcka man kommer med elbusskedjorna från samma ursprungliga mängd biogas. I figur 8 jämförs de övre, lägre respektive mittvärdena från intervallen i figur 7 med varandra. När de övre gränserna av intervallen för kedja 2 och kedja 1 jämförs, så ges att kedja 2 är ca 2,2 gånger så effektiv som kedja 1 (24.7/11=2,2; se punkt Hög/Hög i figur 8). Jämförelse av de nedre gränserna av intervallen ger att kedja 2 är ca 2,7 gånger så effektiv som kedja 1 (16/5.7=2,7; se punkt Låg/Låg i figur 8). Räknar man på motsvarande sätt ut ett medelfall genom att sätta mittvärdena i intervallen i figur 7 i relation till varandra, ger det att kedja 2 är 2,4 gånger så effektiv som kedja 1. Kedja 3 är för motsvarande fall 1,9 gånger så effektiv som kedja 1 (se punkt Mitt/Mitt i figur 8). Ytterligare större variation av den relativa effektiviteten fås om bästa förhållandet (övre gränsen av intervallet) för den ena kedjan jämförs med sämsta förhållandet (undre gränsen av intervallet) för den andra kedjan (kedja 2 blir ur detta perspektiv 1,4-4,3 gånger så effektiv som kedja 1; kedja 3 blir 1,2-3,3 gånger så effektiv som kedja 1). Dessa punkter redovisas emellertid inte i figur 8. 11

12 Relativ effektivitet mot kedja 1 IVL-rapport C 171 Analys av biogas till el för bussdrift och biogas som bränsle till bussdrift i stadstrafik 3.0 Relativ effektivitet, stadstrafik (kedja 1=1) Låg/Låg Mitt/Mitt Hög/Hög Kedja 1: Biogasbuss Kedja 2: Elbuss, storskalig elprod. Kedja 3: Elbuss, småskalig elprod. Figur 8. Relativ effektivitet mellan energiomvandlingskedjor. Gasbusskedja är referens och satt till 1. Figuren visar hur många gånger längre sträcka som elbussarna i kedja 2 och 3 kan köra i förhållande till gasbuss i kedja 1 från samma ursprungliga mängd biogas. De olika punkterna anger vilka värden inom osäkerhetsintervallen för respektive kedjas effektivitet som här ställts i relation till varandra, se också figur 7 (lägre intervallgräns= Låg, högre intervallgräns= Hög, mittvärde inom intervall= Mitt ). 3.3 Jämförelse med tidigare studier Några tidigare studier har tittat på liknande frågeställningar relaterat till energieffektiviteten för olika biogas till busskedjor. Här jämförs några resultat från dessa och sätts i relation till beräkningarna i denna studie. I tabell 1 presenteras bränsleeffektiviteten i fordonsledet (ej hela energiomvandlingskedjan) för elbussar i förhållande till gasbussar (vars bränsleeffektivitet har satts till 1). Det i denna studie beräknade medelvärdet för elbuss ligger i linje med flertalet av övriga studier. Tabell 1. Förhållande mellan bränsleeffektivitet i bussar i stadstrafik i olika studier (endast i fordonsledet). Gasbussar satt till 1 (högre värde än 1 innebär högre effektivitet). Gasbuss (referens) Elbuss Volvo a) 1 4,7 e) / 4.9 f) VTT b) 1 4,2 e) E.ON c) 1 3,5 f) WSP d) 1 5,1 e) (medel) Denna studie 1 4,7 f) (medel) a) Anderson, 2014 b) Anderson, 2014 c) Fredriksson Möller, 2015 d) Jonsson, 2014 e) beräknad från bränsleförbrukningsdata f) beräknad från effektivitetsdata 12

13 Tabell 2 redovisar jämförelse för hela kedjorna, från biogas till framdrivning av buss. Urvalet av studier är här mer begränsat, förutom den här gjorda studien är det bara Volvo och E.ON har presenterat helt jämförbara studier. Generellt kan sägas att Volvo visar på en större effektivitetsskillnad mellan elbuss- och gasbusskedjorna medan E.ON på en något mindre. Dock visar båda på en fördel åt elbusskedjan (2,5-3 för Volvo; 1,1-1,9 för E.ON). Som ytterligare jämförelse kan nämnas att VTT i en well-to-wheel analys beräknar att en elbusskedja är ca 1,4-4,4 gånger så effektiv som en naturgasbusskedja (Anderson, 2014). I denna analys är elproduktionen dock inte specifikt baserad på gas utan intervallet representerar olika alternativ. I tabell 2 har bortsetts från ett par alternativ som presenterats av Volvo respektive E.ON och skillnaderna mellan de två är därför mindre än vad som kan tyckas vid en jämförelse av de aktuella rapporterna (Fredriksson Möller, 2015, respektive Anderson, 2014). För Volvo har här exkluderats en kedja där värmeproduktion i kraftvärmeverk har tillgodoräknats elbusskedjan på ett sätt som i denna studie bedöms vara alltför generöst. För E.ON har gasbussar i regiontrafik exkluderats, då här endast bussar i stadstrafik jämförs. Skillnaden som återstår mellan Volvos och E.ONs resultat beror, förutom olika antaganden för effektivitet i fordonsledet (som angetts ovan i tabell 1), bl.a. på skillnader i antaganden för gas- och eldistribution. Gällande gasdistribution har Volvo bortsett från att uppgradering och komprimering av biogasen är nödvändig vid inmatning i naturgasnätet och storskalig elproduktion. E.ON har å andra sidan likställt energiåtgången för distribution och komprimering av biogas mellan storskalig elproduktion och användning som drivmedel (i denna studie görs antagandet att detta skiljer sig åt då olika gastryck används för de olika användningsområdena, se också tabell A1 i bilaga A och däri given referens). Från detta resultatperspektiv ligger denna studies värden för elbusskedjorna ungefär mittemellan Volvos och E.ONs värden. Tabell 2. Förhållande mellan bränsleeffektivitet för olika energiomvandlingskedjor till bussdrift i olika studier. Gasbussar satt till 1 (högre värde än 1 innebär högre effektivitet). Gasbuss (ref) Elbuss, storskalig elproduktion Elbuss, småskalig elproduktion Volvo a) 1 3 2,5 E.ON b) 1 1,9 1,1-1,5 Denna studie 1 2,4 (medel) 1,9 (medel) a) Anderson, 2014 b) Fredriksson Möller, Kostnadseffektivitet I följande avsnitt görs en jämförelse av kostnaden för gasbuss och elbuss. För elbuss baseras elkostnaden på elproduktionskostnaden från elproduktionsalternativ som använder biogas. Avsnitt 4.1 redovisar elproduktionskostnadsberäkningarna och sätter elproduktionskostnad för biogasbaserad produktion i relation mot andra möjliga elproduktionsalternativ. Avsnitt 4.2 presenterar de beräknade kostnaderna per fordonskilometer för gasbuss respektive elbuss. I Bilaga B redovisas viktiga indataantagenden som gjorts för kostnadsberäkningen. Antagna kostnader för biogasproduktion, uppgradering och distribution baseras på Tamm (2015). Kostnaderna angivna av Tamm (2015) bygger ursprungligen på en sammanställning från ett flertal olika källor gjord av Energigas Sverige 13

14 och avser mediankostnaden från denna sammanställning. För rågasproduktion motsvarar denna kostnad 62 öre/kwh. Då biogas kan produceras från ett flertal olika råvaror med olika kostnad varieras denna kostnad i följande avsnitt med +-20%. 4.1 Elproduktionskostnader Baserat på antagna biogaskostnader (se också Bilaga B, tabell B1) presenteras resulterande elproduktionskostnader i figur 9. För att sätta biogasbaserad produktion i relation till annan elproduktion presenteras även kostnaderna för en rad andra alternativ, förnyelsebara alternativ som vind, biomassa (träråvara), och vatten men också för fossil naturgas. Kostnaderna som presenteras är med styrmedel, d.v.s. inklusive relevanta skatter och avgifter, inkomst från gröna elcertifikat för förnybara alternativ, och kostnad för CO2 utsläppsrätter för naturgas. Beräkningarna är gjorda med hjälp av ett verktyg som tillhandahålls av Elforsk (ingår nu i Energiforsk) och som är tillgängligt online (se Elforsk, 2014). Förutom biogaskostnaderna, har alla indata valts enligt Elforsks grundfall vilka finns tillgängliga i beräkningsapplikationen (se Elforsk, 2014) såväl i rapportform (Nohlgren et al., 2014). För indata för elproduktionsberäkningarna hänvisas till dessa källor. För biogasalternativen faller småskalig elproduktion i gasmotorer bättre ut än storskalig elproduktion i gaskombianläggningar. Faktorer som inverkar på detta är skillnader i biogaskostnaden då uppgradering inte behövs i gasmotorfallet (se tabell B1, i bilaga B) men också skillnader i värdering av den värme som produceras vid samtidig el- och värmeproduktion (KVV). Småskalig el- och värmeproduktion i gasmotorer jämförs här med annan småskalig värmeproduktion för vilken alternativkostnaden är högre än för storskalig värmeproduktion (se vidare Nohlgren et al., 2014). Generellt visar biogasalternativen förhållandevis höga elproduktionskostnader i jämförelse med andra elproduktionsalternativ. Vid låga biogaskostnader är småskalig produktion från gasmotorer emellertid konkurrenskraftig med småskalig kraftvärmeproduktion baserad på fast biomassa. 14

15 Gaskombikondens, Naturgas Gaskombi-KVV 40, Naturgas Gaskombi-KVV 150, Naturgas Gasmotor 0,1, Naturgas Gasmotor 1, Naturgas Gaskombikondens, Biogas Gaskombi-KVV 40, Biogas Gaskombi-KVV 150, Biogas Gasmotor 0,1, Biogas Gasmotor 1, Biogas Vattenkraft 5 Vattenkraft 90 Vind Land 10 Vind Land 150 Vind Hav 144 Vind Hav 600 Sol Park Bio-KVV 5 Bio-KVV 10 Bio-KVV 30 Bio-KVV 80 Avfall [öre/kwh, el] IVL-rapport C 171 Analys av biogas till el för bussdrift och biogas som bränsle till bussdrift i stadstrafik 200 Elproduktionskostnader (med styrmedel) Figur 9. Elproduktionskostnader (inklusive styrmedel som skatter, avgifter, elcertifikat, och utsläppsrätter) för olika teknikalternativ. Siffror i teknikbeteckningarna anger anläggningsstorlek i MW. Den indikerade variationen för biogasbaserade alternativ motsvarar +-20% på produktionskostnaden för biogas (rågas). 4.2 Kostnad per fordonskilometer De beräknade kostnaderna per fordonskilometer för biogasbuss och gasbuss presenteras i figur 10. Under givna kostnadsantaganden visar beräkningarna på lägre kostnader per fordonskm för biogasbuss i jämförelse med elbuss. Beräkningarna har inkluderat ett spann för biogaskostnaden (enligt tabell B1) samt gällande bussarnas energieffektivitet (enligt tidigare avsnitt och Bilaga A), vars resultat i figuren redovisas som en variation kring ett medelfall för respektive busstyp. Elkostnaden för elbussfallet baseras på biogasbaserade produktionsalternativ, se avsnitt 4.1. Skillnaden i totalkostnad är för medelfallet 14% till biogasbussens fördel. Med högt biogaspris (+20% på rågaskostnad) och hög energiförbrukning i fordonsledet (enligt avsnitt 3 och Bilaga A) sjunker skillnaden till 7%. För motsatt fall med lågt biogaspris och låg energiförbrukning är skillnaden 21%. Den totala kostnaden redovisas i figuren uppdelat på de viktigaste kostnadsposterna: leasing och underhåll av bussar, förarkostnad, energikostnad och distributionskostnad inkl. tank/laddstationskostnader. Kostnadsposternas betydelse skiljer sig åt mellan de båda alternativen. Energikostnaden är betydlig större för gasbussen och effekten av variationer i denna blir därför större än för elbussen. För elbussen är laddinfrastrukturen och fordonskostnaden betydande poster. Under antagna förutsättningar i medelfallet når elbussen en likvärdig totalkostnad per fordonskilometer med gasbussen om kostnaden för laddinfrastruktur och fordon minskar med ca 22% mot antagna värden. 15

16 [kr/fkm] IVL-rapport C 171 Analys av biogas till el för bussdrift och biogas som bränsle till bussdrift i stadstrafik 45 Kostnad per fordons-km Biogasbuss Leasing och underhåll bussar Distribution (laddinfrastruktur) Hög/låg effektivitet och energikostnad Elbuss Driftskostnader - Förare Driftskostnader - Energi Figur 10. Kostnad per fordonskilometer för biogasbuss och elbuss. Osäkerhetsmarginal anger skillnaden vid högt och lågt biogaskostnad samt vid hög och låg effektivitet i fordonsledet. Osäkerhet i kostnader för fordon eller infrastruktur har inte inkluderats. Använda kostnadsindata och relaterade parametrar för fordonsledet baseras på en konsultrapport från WSP för vilka kostader för busslinjer i Stockholm har beräknats för olika alternativ (Jonsson, 2014). Dessa indata återges i Bilaga B (tabell B2 och B3). För nya tekniker som inte producerats i större skala är kostnader generellt osäkra. Detta gäller också elbussar och relaterad infrastruktur. Lithium-ion batterier är en central, och också kostsam, komponent i elbussar som har genomgått en kraftig kostnadsreduktion under det senaste årtiondet. En studie pekar på att kostnadsuppskattningar för batteripaket sjunkit från över 1000 USD/kWh till ca 410 USD/kWh mellan 2007 och 2014 och menar att kostnaden fortsätter att sjunka (Nykvist och Nilsson, 2015). Inom ramen för denna studie görs dock ingen bedömning av framtida kostnadsutveckling för ingående tekniker. 5 Diskussion och slutsatser I denna studie har olika energiomvandlingskedjor från biogas till framdrift av bussar i stadstrafik jämförts, med fokus på energieffektiviteten för direkt användning av biogas i gasbussar med indirekt användning via biogasbaserad elproduktion och användning i elbussar. En begränsad kostnadsjämförelse mellan biogasdrivna gasbussar och elbussar drivna av el producerad av biogas har också gjorts. Nedan sammanfattas och diskuteras studiens resultat och slutsatser: För stadstrafik uppvisar energiomvandlingskedjor från biogas till elbuss via elproduktion en högre energieffektivitet än energiomvandlingskedjor där biogas används direkt i gasbussar. Detta resultat stämmer överens med liknande studier. Skillnaden mellan genomförda studier ligger istället i hur mycket effektivare elbussbaserade kedjor är. Denna studie pekar på att, i stadstrafik, så är en 16

17 elbussbaserad kedja vid småskalig elproduktion från biogas (gasmotoranläggning) runt 2 gånger så effektiv som en gasbussbaserad kedja, det vill säga en elbuss kommer från samma ursprungliga mängd biogas i detta fall runt 2 gånger så långt som en gasbuss. Vid storskalig elproduktion från biogas (gaskombiverk) beräknas elbusskedjan vara runt 2,5 gånger så effektiv som gasbusskedjan. Förhållandet mellan olika energiomvandlingskedjors energieffektivitet varierar dock utifrån olika förutsättningar och beroende på hur jämförelsen görs. Förklaringen till den högre effektiviteten för elbussalternativet ligger i den stora effektivitetsskillnaden i fordonsledet, vilken mer än uppväger förlusten som uppstår i elproduktionsledet. Elmotorns verkningsgrad är hög också i stadstrafik och bromsförlusterna blir låga genom teknik för regenerativ bromsning (bromskraftåtervinning). Förbränningsmotorbaserade drivlinor presterar förhållandevis dåligt i stadstrafik förbränningsmotorn har i trafik med frekventa start och stopp svårt att nå sin högsta verkningsgrad och mycket energi går också till spillo i bromsförluster. Beroende på lokala förutsättningar för värmeavsättning kan man genom samtidig produktion av el och värme (kraftvärme) i vissa fall ytterligare öka utbytet av nyttig energi i elbusskedjorna. Om förutsättningar för kraftvärmeproduktion finns kan alltså en del av den energi som annars till stor del går till värmeförluster i elproduktionsledet tas till vara. Dock ökar självfallet inte sträckan som elbussen kommer från en viss ursprunglig mängd biogas på grund av detta. Från ett kostnadsperspektiv är det idag sannolikt mer effektivt med kedjor baserade på biogasbussar än kedjor baserade på elbussar. Kostnadseffektivitet och energieffektivitet är olika saker och går inte alltid hand i hand. Studiens kostnadsanalys visar på en mindre skillnad mellan gasbussar och elbussar än energieffektivitetsanalysen men på ett annat resultat. Ur ett kostnadsperspektiv pekar studien på en i dagsläget kostnadsmässig fördel för biogasbussar gentemot elbussar. Under givna kostnadsantaganden beräknas skillnaden för ett medelfall till 14% av totalkostnaden, eller ca 5 kr per fordonskilometer. Beräkningarna inkluderar inga uppskattningar av så kallade externa kostnader, exempelvis indirekta kostnader för buller eller emissioner. Fordonskostnaden och laddinfrastrukturkostnaden utgör betydande poster för elbussalternativet och är huvudorsaken till att elbussalternativet visar högre kostnader. Samtidigt är detta poster som kan komma att minska i framtiden med en ökad produktion, men i vilken grad är naturligtvis osäkert. Någon bedömning av framtida kostnadsutveckling har emellertid inte inkluderats i denna studie. Gashybrider har inte inkluderats i studien, men bör i vissa fall kunna utgöra ett intressant alternativ för att utnyttja både en del av elektrifieringens fördelar och befintlig gasinfrastruktur. Biogas kan vara ett mer fördelaktigt alternativ som drivmedel i andra delar av transportsektorn än i städers busstrafik. Ur ett energieffektivitetsperspektiv är den optimala användningen av biogas inte i konventionella gasstadsbussar då elbussar här är ett fördelaktigt alternativ. I andra delar av transportsektorn kan dock förutsättningarna vara annorlunda och i många fall är el inte ett tillgängligt alternativ i dagsläget, t.ex. för långväga tung trafik. Kraftfulla åtgärder kommer att krävas i transportsektorn om ambitiösa mål om utfasning av fossila bränslen skall uppnås (exempelvis målet om en reduktion av fossila bränslen med 80% till 2030 inom vägtransportsektorn som preciseras i Fossilfrihet på väg -utredningen (SOU, 2013)). Ett flertal olika åtgärdsalternativ kommer sannolikt därför behövas i transportsektorn, såväl energieffektivisering och elektrifiering men också olika typer av biodrivmedel. I detta perspektiv är utbudet 17

18 av konkurrenskraftiga biodrivmedel starkt begränsat och det är troligt att det finns ett behov också för biogas att användas som drivmedel i transportsektorn. Ur ett kollektivtrafikperspektiv rekommenderas en vidare analys där inte bara innerstadstrafik studeras, utan även exempelvis trafik i städernas ytterområden samt regiontrafik. Även andra potentiella drivmedelsalternativ bör inkluderas i en sådan analys. Det är troligt att en kombination av energibärare (biogas, andra biodrivmedel och el) samt av fordonstekniker (elbussar, hybrider och förbränningsmotorbaserade bussar) kan vara gynnsamt beroende på skillnader i lokala förutsättningar och i busslinjers sträckning och trafikering. Därutöver bör kostnadsanalysen fördjupas, bland annat avseende möjlighet till kostnadsreduktioner för elbussar. Även påverkan av externa kostnader (exempelvis från buller och lokala emissioner) är av relevans att studera ytterligare. Referenser Anderson, S., Energianvändning i gasbussar Nuläge och prognos consulting. Tillgänglig på: 20V%C3%A4st/Rapporter/Rapport%20Energieffektiviteten%20i%20gasbussar_inkl%20bilagor_dec2014. pdf ( ) Bauer, F., Hulteberg, C., Persson, T., Tamm., D., Biogas upgrading Review of commercial technologies. SGC rapport 2013:270. Malmö. Benjaminsson, J., Nilsson, R., Distributionsformer för biogas och naturgas i Sverige. Grontmij. Tillgänglig på: ( ) Elforsk, Elforsks webbaserade beräkningsapplikation för att beräkna och jämföra elproduktionskostnaden för nya och framtida elproducerande anläggningar. Tillgänglig på: ( ) Fredriksson Möller, B., On the efficiency of gas and electric buses. E.ON, memo. Malmö. Holmberg, K., Andersson, P., Nylund, N-O., Mäkelä, K., Erdemir, A., Global energy consumption due to friction in trucks and buses. Tribology International 78, Hörndahl, R., Scania. Info via mail. Jobson, City solutions. Electrified Public Transport seminar, Göteborg, Jonsson, L., Konsekvenser av elbussar i Stockholm. WSP. Tillgänglig på : ( ) Kushnir, D., Sandén, B., Multi-level energy analysis of emerging technologies: a case study in new materials for lithium ion batteries. Journal of Cleaner Production 19,

19 Lajunen, A., Energy consumption and cost-benefit analysis of hybrid and electric city buses. Transportation Research Part C 38, Nerhagen, L., Johansson, H., Andelius, C., Marginalkostnadsberäkning av luftburna föroreningar från fordon problem med differentiering interdependens och variabilitet. Väg och transportforskningsinstitutet VTI. Nohlgren, I., Herstad Svärd, S., Jansson, M., Rodin, J., El från nya och framtida anläggningar Elforsk rapport 14:40, Stockholm. Nykvist, B., Nilsson, M., Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles. Nature Climate Change 5, Pihlatie, M., Kukkonen, S., Halmeaho, T., Karvonen, V., Nylund, N.-O., Fully electric buses the viable option. IEEE International Electric Vehicle Conference, December 2014, Florence. SOU, Fossilfrihet på väg. SOU 2013:84, Miljö- och energidepartementet, Stockholm. Tamm, D., PM Fordonsgas- eller elproduktion från biogas. Biomil AB. 19

20 Bilaga A: Effektivitet per delsteg Tabell A1-A4 redovisar energieffektivitet (verkningsgrad) per delsteg för relevanta processer från biogas till framdrift av buss: kompression och distribution av biogas (tabell A1), produktion och distribution av el (tabell A2), framdrift av biogasbuss (tabell A3), och framdrift av elbuss (tabell A4). Tabellerna anger också vilken källa respektive värde är baserad på. I en del fall har här anpassning av originaldata skett (då de angivits i annan form eller i delvis annat sammanhang). Några aspekter kan påpekas i relation till tabellerna: Tabell A1: Olika produktionsalternativ för biogas behandlas inte inom ramen för denna studie utan vi förutsätter här att gasen redan är producerad och jämför nedströms användningsalternativ. Biogas som distribueras i naturgasnätet behöver komprimeras. Dock inte till lika högt tryck som vid användning som CNG i fordon. Energiförlusten för komprimering blir i det senare fallet därför något högre. Tabell A2: Som tidigare angetts kan el produceras från biogas på olika sätt. Här har vi valt två typer av tekniker gaskombianläggning (storskalig) och gasmotoranläggning (småskalig). Båda dessa tekniker kan användas för enskild produktion av el eller för samtidig produktion av el och värme (kraftvärmedrift). De valda verkningsgraderna för storskalig produktion i gaskombianläggning är representativa för de två anläggningar som finns i Sverige idag (Öresundsverket och Rya Kraftvärmeverk). Tabell A3-A4: Till skillnad från tidigare studier av Volvo och E.ON (Anderson, 2014; Fredriksson Möller, 2015) men i likhet med andra studier av bland annat VTT (Pihlatie et al., 2015; Holmberg et al., 2014) anges för transparens i denna studie explicit antaganden om energiåtgång i bussens hjälpsystem samt energiförlust vid bromsning då detta är viktiga faktorer i verklig drift. Samtidigt finns för dessa aspekter stora skillnader mellan olika förhållanden och de är därför förknippade med viss osäkerhet. Tabell A3-A4: I tillägg till effektivitet för respektive delsteg anges också olika sammansatta systemverkningsgrader (tank till hjul, etc.). Som framgår kan verkningsgraden skilja signifikant beroende på vilken avgränsning som görs och vilka delsteg som inkluderas. Tabell A4: Uppströms energiåtgång, t.ex. vid produktion av fordon, tas ej med för någon av de ingående teknikerna. Mest betydelse har denna avgränsning sannolikt för elbussar, då batteriproduktionen är förhållandevis energiintensiv (se Kushnir och Sandén, 2011). 20

21 Tabell A1. Biogas, kompression och distribution Delsteg Effektivitet Baserat på: Rågas från produktion Uppgradering biogas a) SGC b) Kompression och distribution, gasbuss a) Grontmij c) Kompression och distribution, elproduktion (storskalig) 0.97 a) Grontmij c) a) Energiåtgången vid dessa processer är i form av el men har här räknats om till gasåtgång. b) Bauer et al., 2013 c) Benjaminsson och Nilsson, 2009 Tabell A2. El, produktion och distribution (exkl. laddning av fordon) Delsteg Effektivitet Baserat på: Storskalig elproduktion Gaskombianläggning Elverkningsgrad Elforsk a) Värmeverkningsrad Elforsk a) Totalverkningsgrad Elforsk a) Småskalig elproduktion Gasmotoranläggning Elverkningsgrad Elforsk a) Värmeverkningsrad 0-53 Elforsk a) Totalverkningsgrad Elforsk a) Eldistribution nät E.ON, Volvo b) a) Nohlgren, et al., 2014 b) Anderson, 2014 Tabell A3. Gasbuss, stadstrafik Delsteg Effektivitet Baserat på: Förbränningsmotor VTT, Scania, Volvo a) Hjälpsystem 0.86 VTT b) Transmission 0.75 VTT b) Bromsar VTT b) VTI c) Verkningsgrader Tank till hjul, exkl. hjälpsystem och bromsförlust Tank till hjul, exkl. bromsförlust Tank till hjul, inkl. bromsförlust a) Antar dieselmotorverkningsgrad för stadsbuss på 0.39 (Holmberg et al., 2014) och 15-30% lägre för gasmotorverkningsgrad. Scania uppger att energiåtgången i Scanias nya gasmotorer i snitt är ca 15% högre än diesel (Hörndahl, 2015). Volvo indikerar runt 30% högre energiåtgång för gas i jämförelse med diesel (Anderson, 2014). b) Holmberg et al., 2014 c) Nerhagen et al.,

22 Tabell A4. Elbuss Delsteg Effektivitet Baserat på: Laddning batteri / AC till DC Chalmers b), Volvo c) Batteriförluster a) Chalmers b), Volvo c) Hjälpsystem Aalto Univ. d) Batteri till motor / DC till AC 0.95 Volvo c) Elektrisk motor 0.92 Volvo c) Bromsar (med regenerativ bromsning) 0.80 VTT e) Verkningsgrader Batteri till hjul, exkl. hjälpsystem och bromsförlust Laddning till hjul, exkl. hjälpsystem och bromsförlust Laddning till hjul, exkl. bromsförlust Laddning till hjul, inkl. bromsförlust a) Avser direkta batteriförluster vid drift. Energiåtgång vid produktion tas här ej hänsyn till. b) Kushnir och Sandén, 2011 (batteriförluster: lägre effektivitet) c) Anderson, 2014 (batteriförluster: högre effektivitet) d) Lajunen, Antar 20% av insatt energi. e) Pihlatie et al.,

23 Bilaga B: Kostnadsantaganden Antagna kostnader för biogasproduktion, uppgradering och distribution återges i tabell B1 och baseras på Tamm (2015). Använda kostnader och relaterade parametrar för fordonsledet presenteras i tabell B2 och B3 för elbuss respektive gasbuss. Antagandena är baserade på en rapport från WSP för vilka kostnader för busslinjer i Stockholm har beräknats för olika alternativ (Jonsson, 2014). Indata är i några fall inte explicit angiven i denna rapport och därför har här en viss omarbetning av data gjorts. De intervall som har beräknats utifrån WSP-rapporten återges i tabellfotnötterna. Tabell B1. Kostnadsantaganden biogas Kostnadspost Kostnad [öre/kwh] Testat intervall Rågasproduktion % Uppgradering 17,5 - Distribution (inkl. tankstationskostnader) 25,5 - Total per användningsområde: Biogaskostnad, gasbuss (inkl. distribution) 105,0 +-12,4 öre/kwh Biogaskostnad, storskalig elproduktion 79,5 +-12,4 öre/kwh Biogaskostnad, småskalig elproduktion 62,0 +-12,4 öre/kwh Baserad på BioMil AB (Tamm, 2015). Tabell B2. Kostnadsantaganden elbuss Parameter Värde Leasing och underhåll, kostnad per år kr/buss a) Körsträcka per buss och år km b) Förarkostnad per fordonskilometer 16,40 kr/km Laddningsinfrastruktur, investering och underhåll per station och år kr/laddstation Uppskattat täthet för laddstationer, laddstation per elbuss 0,3 c) Indataantaganden är baserade på WSP (Jonsson, 2014). I vissa fall är valda indata tagna ur ett intervall (som härletts utifrån specifika busslinjer i denna referens): a) 0,95-1,2 Mkr/buss, år b) km/år c) 0,18-0,50 Tabell B3. Kostnadsantaganden gasbuss Parameter Värde Leasing och underhåll, kostnad per år kr/buss a) Körsträcka per buss och år km b) Förarkostnad per fordonskilometer 16,40 kr/km Indataantaganden är baserade på WSP (Jonsson, 2014). I vissa fall är valda indata tagna ur ett intervall (som härletts utifrån specifika busslinjer i denna referens): a) 0,53-0,74 Mkr/buss, år b) km/år 23

24 IVL Svenska Miljöinstitutet AB, Box , Stockholm Tel: Fax: