Fysisk Resursteori, Institutionen för Energi och Miljö, Chalmers 2) IVL Svenska Miljöinstitutet

Transkript

1 Elektrobränslen: ett framtida drivmedel? Vad är elektrobränslen? Varför skulle man vilja göra dessa? Under vilka förutsättningar kan de bli konkurrenskraftiga? Maria Grahn 1, Selma Brynolf 1, Julia Hansson 1,2, Maria Taljegård 1, Roman Hackl 2 1) Fysisk Resursteori, Institutionen för Energi och Miljö, Chalmers 2) IVL Svenska Miljöinstitutet Presentationen baseras på projekt finansierat av Energimyndigheten och The Swedish Knowledge Centre for Renewable Transportation (f3) genom programmet Förnybara drivmedel och system.

2 Olika drivmedelsalternativ från olika energikällor lämpar sig olika bra för olika transportslag Biodrivmedel och elektrobränslen fungerar i alla transportslag Fossila (olja, naturgas, kol) Flytande drivmedel (petro, metanol, etanol, biodiesel ) ICEV, HEV (internal combustion engine vehicles and hybrids) Flyg Sjöfart Biomassa Sol, vind etc Produktion av elektrobränslen CO 2 Elektricitet Metan (biogas, syntetisk metan, naturgas) Vätgas Elektrolys Vatten FCV (fuel cell vehicles) BEV, PHEV (battery electric vehicles) Induktiv och konduktiv elektricitet Väg (kort) (bilar, bussar, distributionslastbilar) Väg (lång) (långfärdsbussar och lastbilar) Spår (tåg, spårvagn) ENERGIKÄLLOR DRIVMEDEL FRAMDRIVNINGSTEKNIKER TRANSPORTSLAG

3 Elektrobränslen har många namn förutom Electrofuels I litteraturen kan man se begreppen: sun-fuels, power-to-gas, power-to-liquid, synthetic natural gas (SNG), e-fuels, e-gas, e-methanol, e-diesel, e-gasoline synthetic fuels from carbon dioxide and water carbon recycling fuels

4 El Vatten (H 2 O) Vätgas (H 2 ) CO 2 från luft eller havsvatten KOLDIOXID Maria Grahn AEC <70% /kw el PEM <75% /kw el SOEC 70-90% (not yet on market) H 2 CO 2 från förbränning Värme Sabatier reactor eller Fischer-Tropsch reactor eller Methanol synthesis reactor Biodrivmedel Elektrobränslen 5-10 /tco 2 CO 2 Metan (CH 4 ) Metanol (CH 3 OH) DME (CH 3 OCH 3 ) Etanol (C 2 H 5 OH) Bensin (C 8 H 18 ) Biodrivmedels - produktion Produktion av elektrobränslen Elektrolys All produktion av biodrivmedel ger överskott på CO 2 Biomassa (C 6 H 10 O 5 )

5 Vulcanol from Iceland and Audi e-gas and e-diesel plants Vulcanol usage: 3% blend in all icelandic gasoline + export to e.g, the Netherlands and Sweden Carbon Recycling International (CRI) Wertle, Germany

6 Varför vill man göra elektrobränslen? Elektrifiering och biodrivmedel räcker eventuellt inte El och vätgas är tveksamma lösningar för flyg och sjöfart. Global storskalig användning av biodrivmedel begränsas av mark- och vattentillgång och riskerar stigande matpriser. Elektrobränslen har potential att öka utbytet av biodrivmedel från samma mängd biomassa. komplettera biodrivmedel och använda samma infrastruktur. lösa två utmaningar samtidigt Drivmedel till transportsektorn (som inte konkurrerar med mat). Utnyttjande av överskottsel från intermittent elproduktion (sol och vind). Utmaningar Lokala utsläpp från förbränningsmotorn kvarstår (NOx, sot mm) Bidrar möjligen till förlängd era av fossila bränslen (vid drop-in). Energibalans och produktionskostnad.

7 Under vilka förutsättningar kan e-bränslen bli en intressant lösning för minskade utsläpp från transportsektorn? Den forskningsfrågan vi försöker belysa från ett flertal olika perspektiv. Våra forskningsresultat, publikationer, så här långt (dagens presentation bygger på Nr 1 och 2): 1) Taljegård M, Brynolf S, Hansson J, Hackl R, Grahn M, Andersson K Electrofuels: a possibility for shipping in a low carbon future. Conference proceedings to Shipping in changing climates, Glasgow, Nov ) Hackl R, Hansson J, Grahn M, Brynolf S (2015). Mapping fossil and biogenic CO2 sources for electrofuel production A case study for Sweden. Scientific paper. Work in progress. 3) Grahn M., Taljegård M., Ehnberg J. et al. (2014). Utilising excess power: the case of electrofuels for transport. In e-book Systems Perspectives on Renewable Power p ISBN/ISSN: Available at: (Chapter 12) 4) Gustafsson T and Johansson A (2015). Comparison between Battery Electric Vehicles and Internal Combustion Engine Vehicles fueled by Electrofuels - From an energy efficiency and cost perspective. Master s thesis in Sustainable Energy Systems, No FRT 2015:02. Supervisor and examiner: Maria Grahn, Chalmers. Available at 5) Rungruengsaowapak Chantat (2015). A feasibility study for electrofuel implementation with waste-to-energy plant. Master s thesis in Sustainable Energy Systems, No FRT 2015:03. Supervisor and examiner: Maria Grahn, Chalmers. Available at 6) Grahn M, Rungruengsaowapak C, Detterfelt L (2016). Cost-analysis utilizing CO2 in industrial flue gases for the production of electrofuels. Scientific paper. Work in progress. 7) Brynolf S, Grahn M, Hansson J, Taljegård M (2016). Electrofuels: a review of cost, efficiency and their potential role in a future sustainable transport system. Scientific paper. Work in progress. 8) Grahn M, Brynolf S, Hansson J, Taljegård M (2016). The cost-effectiveness of electrofuels in comparison to other alternative fuels for transport in a low carbon future. Conference proceedings, EUBCE, Amsterdam, June Work in progress.

8 Publication 1: Electrofuels: a possibility for shipping in a low carbon future Taljegård M, Brynolf S, Hansson J, Hackl R, Grahn M, Andersson K. (2015). Electrofuels: a possibility for shipping in a low carbon future. Conference proceedings to Shipping in changing climates, Glasgow, Nov 2015.

9 Parameters assumed in the cost calculation (base case) Interest rate 5% Economic lifetime 25 years Investment cost 1900 /kw fuel Electricity price (at CF 56 /MWh el 70%, Swe 2014, incl. tax and net tariff) CO 2 capture 10 /tco 2 O&M 4% Water 0.7 /m³ Distribution of methanol 1.6 /MWh Heat (120 C) 0.04 /kwh heat The production cost of e-methanol for different reactor capacity factors Comparison other alterantive fuel options /MWh Heavy fuel oil Marine gas oil Rapeseed methyl ester Fischer-Tropsch biodiesel a Liquefied natural gas Liquefied biogas Methanol (from natural gas) E-methanol * Hydrogen gas (from electrolysis) *) Lower range is future optimistic cost and efficiency using high temperature electrolysis

10 Cost comparison with Maria hydrogen Grahn including the propulsion of the ship Assumptions Engine power (kw) 2400 Tank capacity (GJ) 3500 Lifetime (years) 30 Interest rate 5% Methanol engines cost ( /kw) 540 Hydrogen fuel cell cost ( /kw) 3000 Methanol storage cost ( /GJ) 30 Hydrogen storage cost ( /GJ) 225 Investment cost for hydrogen liquefaction ( /kw) a 880 Distribution of hydrogen ( /MWh) 12 Methanol engine efficiency 40% Hydrogen fuel cell efficiency 45% E-methanol capacity factor 70% EUR/MWh EUR/MWh Results comparison hydrogen: (1) Hydrogen will be less costly, than e-methanol, if the ship is operated more than 100 days per year. (2) E-methanol is favoured from e.g. a lower depreciation time, lower electricity prices, higher conversion efficiency, and higher fuel cell cost. Results comparison BEVs: (1) Small BEVs assuming low battery prices tend to be most costcompetitive. (2) E-methanol in ICEVs tend to be cost competitive to larger BEVs. (3) Assuming e- methanol prod cost in the lower range may show the lowest cost.

11 Publication 2: Mapping fossil and biogenic CO 2 sources for electrofuel production A case study for Sweden. Hackl R, Hansson J, Grahn M, Brynolf S (2015). Work in Progress.

12 Preliminary results on available CO 2 sources in Sweden Tot 45 Mt CO 2 How much fuel can be produced? - 45 MtCO 2 /yr (fossil+renewable) - 30 MtCO 2 /yr is recoverable from biogenic sources =>110 TWh/yr e-methanol Sweden Assuming replacing all bunker fuel (TWh) 22 Electricity demand (TWh) 42 Carbon dioxide (Mton) 6 Current electricity use in Sweden (TWh) 140 RE generation goal 2020 (TWh) 30

13 Conclusions so far, from our analyses on e-fuels Cost-competitiveness It is not likely that e-fuels can compete with current conventional fuels (unless higher taxes on fossil CO2-emissions or assuming future cost-reductions on e-fuel productions). It seems promising that e-fuels may be able to compete with battery electric vehicles and hydrogen used in fuel cells (at least under some circumstances). Resource perspective E-fuels used in combustion engines demand a lot more energy compared to battery electric vehicles and hydrogen used in fuel cells. In a short term, renewable CO2 does not seem to be a limiting factor. Demand of renewable electricity is challenging. Climate perspective A more effective way to lower the atmospheric CO 2 concentration would be if captured CO 2 were stored underground (CCS). However, the technology currently struggling with public acceptance and it is not obvious that CCS will be a large scale available technology. To be determined as a sustainable solution, a large scale use of e-fuels can only exist in an energy system with lots of renewable electricity produced in a sustainable way.

14 Våra reflektioner kring framtidens drivmedel Tre huvudgrupper alternativa drivmedel har potential att komma ner i nästan nollutsläpp: bränslen som innehåller kolatomer (biodrivmedel/ elektrobränslen), el, vätgas Drivmedel som har en fördel är de som kan blandas i konventionella bränslen (alkoholer, biodiesel, elektrobränslen) redan har en utbyggd infrastruktur (E85, metan) satsas på inom EU (el, metan och vätgas). Vilka vinner Flera olika slags biodrivmedel finns redan på marknaden, kan blandas i befintlig infrastruktur och kan efter små justeringar användas i dagens fordon/fartyg. Mycket bra alternativ, men biodrivmedel är ingen storskalig global lösning... El och vätgas ser ut att fungera bra för vägfordon, speciellt mindre fordon, men är inte helt enkelt att applicera på flyg, sjöfart och långväga tunga vägtransporter. Där kan istället icke-fossila kolbaserade drivmedel (biodrivmedel eller elektrobränslen) fylla en viktig funktion indikerar att det inte finns någon enstaka självklar vinnare, så Det är högst sannolikt att det kommer att utvecklas flera parallella lösningar. Vänta inte på den enda rätta lösningen. Viktigt! CO 2 kan minskas med åtgärder för minskat transportbehov och mer energisnåla fordon/fartyg (oavsett drivmedel).

15 The e-fuel team Maria Grahn, Research leader Energy and environment Chalmers University of Technology Selma Brynolf, Post Doc Energy and environment Chalmers University of Technology Julia Hansson, Post Doc Energy and environment Chalmers University of Technology Maria Taljegård, PhD student Energy and environment Chalmers University of Technology Roman Hackl, Researcher IVL Karin Andersson, Professor Shipping and Marine Technology Chalmers University of Technology

16 Extra Maria Grahn

17 Sol och vind varierar över dygnet och över året En stor andel intermittent el kommer att periodvis generera mer el än vad som efterfrågas

18 Not many options for seasonal storage. H2 costly and challenging to store. Pumped hydro and compressed air may be geographically limited. Electricity storage options Electrofuels similar to hydrogen but easier to store. Power.aspx (Chapter 5)

19 Example of an efficient e-methane production option by using excess heat from the methanation to the electrolyzer additional 541 MJ of methane by adding 678 MJ electricity Producing methane (SNG) from carbon dioxide and hydrogen generates a lot of heat (can be used for steam production) From presentation by John B. Hansen - Haldor Topsoe. Conference, Iceland, June 2013

20 Steam: 8019 Mt/d Maria Grahn Doubled methanol output from the same amount of biomass, with and without electrofuels Wood: 1000 Mt/d Methanol: 5230 Mt/d Steam: Mt/d Hydrogen is added Wood: 1000 Mt/d Methanol: Mt/d From presentation by John B. Hansen - Haldor Topsoe. Conference, Iceland, June 2013

21 Two arguments against electrofuels Maria Grahn 1. If CO 2 has been captured it would be beneficial to mitigate climate change if stored (using CCS). Why convert the CO 2 to a fuel that after combustion will release the CO 2 again? What if CCS never will be large scale available (lack of public acceptance)? What if the CCS storage capacity is low? 2. From an energy efficiency persepctive, renewable electricity should be used as electricity (directly or stored in e.g. batteries). Why convert an energy carrier with a high exergy value into a fuel with 50% energy losses and thereafter use the fuel in cumbustion engines with lower efficiency than electric engines? Batteries will not likely be a large-scale solution for aviation, shipping and long-distance road transport. What if electrofuels are shown to be less costly compared to battery electric vehicles, as well as hydrogen used in fuel cells?

22 Varför vill man göra elektrobränslen? Elektrifiering och biodrivmedel kan inte lösa allt Elektrifiering har stor potential men direktöverföring eller lagring i batterier är en tveksam lösning för flyg och sjöfart. Bränslen som innehåller kolatomer är ett rimligt komplement (biodrivmedel och elektrobränslen). Global storskalig användning av biodrivmedel begränsas av mark- och vattentillgång samt dras med risken för stigande matpriser och tveksamt hållbara odlingssätt. Elektrobränslen kan skräddarsys så att de kompletterar de biodrivmedel vi vill satsa på passar i den infrastruktur som vi har eller vill ha Elektrobränslen kan ge biodrivmedelsproducenterna en möjlighet att öka utbytet av kolväten/drivmedel från samma mängd biomassa. Elektrobränslen har potential att lösa två utmaningar samtidigt Drivmedel till transportsektorn som inte konkurrerar med mat Utnyttjande/lagring av överskottsel från intermittent elproduktion (sol och vind).

23 Andra aspekter Lokala utsläpp från förbränningsmotorn kvarstår (NOx, sot mm) Bidrar möjligen till förlängd era av fossila bränslen och användning av förbränningsmotorn genom att elektrobränslen fungerar som drop-in-bränslen. Utmaning kring kostnadsbilden. Investeringskostnaden blir mycket hög per levererat bränsle om anläggningen bara körs delar av året. Oklart hur flexibel produktionen kan bli. Om produktionen inte snabbt kan ökas och minskas har den svårt att fungera som en lagringsteknik för överskottsel. Men start- och stopp-tiden är i storleksordningen som en gasturbin (under timman). Så ingen skillnad mot vad som annars troligen kan använda som peak power. Låg round-trip-efficiency (från el till el) ca 25%

24 Koldioxidutsläpp från transportsektorn kan minskas genom CO 2 utsläpp Energibehov CO 2 utsläpp per energienhet Energibehov per km Antal körda km 1. Energieffektivare fordon/fartyg (ex. el-hybrider, energisnålare motorer) 2. Val av energieffektivare trafikslag (ex. tåg vs flyg, cykel/kollektivtrafik vs bil) 3. Energisnålare körsätt (ex. ecodriving, platooning) 4. Öka antalet passagerare resp mängd gods per fordon/fartyg 5. Skapa transportsnål bebyggelsestruktur 6. Resfria dagar 7. Längre lastbilar och större fartyg. 8. Bryta sambandet mellan transportbehov och ekonomisk tillväxt 9. Fortsatt introduktion av drivmedel med låga CO 2 -utsläpp Viktigaste poängerna: (1) Det behövs många olika slags åtgärder. (2) Åtgärd nr 1 och 9 är de som först och främst påverkar behov av infrastruktur.

25 Cellulosa & Lignin Skog, skogsplantage, svartlut Stärkelse Spannmål, vete, korn, majs mm Socker Alternativa drivmedel från biomassa Förbränning Förgasning Syntesgas bildas Rötning Biogas bildas Maria Grahn Elektricitet Vätgas FT Fischer-Tropsch bränslen DME Dimetyleter biodiesel Metanol Olja Raps, solrosfrön Restflöden från skogsbruk, jordbruk och övr. samhället Jäsning av socker Pressning och esterisering Metan Etanol FAME tex rapsmetylester RME biodiesel Sågspån, halm, sopor, slam, slakteriavfall, gödsel Vätebehandling HVO hydro-treated vegetable oil biodiesel BIOMASSA OMVANDLINGSPROCESSER ENERGIBÄRARE Viktigaste poängerna: (1) Det finns många olika slags biodrivmedel (2) alla utom vätgas, DME och metan kan blandas i konventionell bensin och diesel, dvs inget akut behov av ny infrastruktur, (3) DME visar ofta bästa hållbarhetsvärdena (4), FAME har svårigheter att klara framtida hållbarhetskrav, dvs oklart behov av infra.

26 Viktigaste poängerna: (1) Det finns många olika vägval (2) Elektrifiering har stor potential men direktöverföring eller lagring i batterier är ingen lösning för flyg och sjöfart (3) bränslen som innehåller kolatomer är ett rimligt komplement (biodrivmedel och elektrobränslen) Maria Grahn Olika drivmedelsalternativ från olika energikällor lämpar sig olika bra för olika transportslag Biodrivmedel och elektrobränslen fungerar i alla transportslag Fossila (olja, naturgas, kol) Flytande drivmedel (petro, metanol, etanol, biodiesel ) ICEV, HEV (internal combustion engine vehicles and hybrids) Flyg Sjöfart Biomassa Sol, vind etc Elektricitet Metan (biogas, syntetisk metan, naturgas) Vätgas FCV (fuel cell vehicles) BEV, PHEV (battery electric vehicles) Induktiv och konduktiv elektricitet Väg (kort) (bilar, bussar, distributionslastbil ar) Väg (lång) (långfärdsbussar och lastbilar) Spår (tåg, spårvagn) ENERGIKÄLLOR DRIVMEDEL FRAMDRIVNINGSTEKNIKER TRANSPORTSLAG