27 oktober 2017 The E39 as a renewable European electricity hub Maria Taljegård, Mikael Odenberger & Filip Johnsson maria.taljegard@chalmers.se, filip.johnsson@chalmers.se Department of Space, Earth and Environment, Energy Technology, Chalmers S 412 96, Göteborg
Forskningsteamet på Energiteknik 27 oktober 2017
27 oktober 2017 Forskningsteamet - Energiteknik Ferjefri E39 / The E39 Coastal highway route (Maria Taljegård) Projekt relaterade till E39: FoI plattform för elvägar - Arbetspaket 1, AP1 (Ludwig Thorson) Sustainable European Energy Systems North European Power Persepctive - NEPP Phd student (E39) Maria Taljegård Prof. Filip Johnsson Dr. Mikael Odenberger Dr. Lisa Göransson Phd student (Sverige) Ludwig Thorson
Forskningsteamet - Energiteknik 27 oktober 2017 Maria Grahn, m.fl Efuels teamet - Chalmers
Artiklar Publications 27 oktober 2017 I. Taljegard, M., Göransson, L., Odenberger, M., & Johnsson, F. (2017). Spacial and dynamic energy demand of the E39 highway Implications on electrification options. Applied Energy, 195, 681-692. II. III. IV. Taljegard, M., Thorson, L., Odenberger, M., & Johnsson, F. (2017) Large-scale implementation of electric road systems: associated costs and the impact on CO 2 emissions. Submitted to Transportation research Part D: Transport and Environment. Taljegard, M., Goransson, L., Odenberger, M., & Johnsson, F. (2017) Integration of an electrified transport sector in a Scandinavian electricity system model. Submitted to Applied Energy. S.Brynolf, M.Taljegard, M.Grahn and J. Hansson (2017) Electrofuels for the transport sector: a review of production costs. Journal of Sustainable reviews. Konferensbidrag I. Taljegard, M., L. Goransson, M.Odenberger and F.Johnsson (2016) Charging strategies implications on the interaction between an electrified road infrastructure and the stationary electricity system. EVS29 Symposium. Montreal. Published in World Electric Vehicle Journal. II. III. B. Adl-Zarrabi, B. Ebrahimi, M. Hoseini, J.Johnsson, R.Mirzanamadi & M.Taljegard (2016) Safe and Sustainable Coastal Highway Route E39. 6th European Transport Research Conference. Warszawa. Taljegard, M., L. Thorson, M.Odenberger and F. Johnsson (2017) Electric road systems in Norway and Sweden impact on CO 2 emissions and infrastructure cost. To be submitted to IEEE International Transportation Electrification Conference and Expo 2017.
Mål och syfte 27 oktober 2017
The E39 as a renewable European electricity hub Mål: Undersöka hur en elektrifiering av E39 och en utbyggnad av förnyelsebar energi längs E39 kan interageras med det regionala, Nordiska och Europeiska elsystemet. 27 oktober 2017
27 oktober 2017 Statens Vegvesen relaterat till energi Goal: Before 2040 should more than 40% of the road transport be electric and/or hydrogen vehicles Self-sufficient in electricity (pumps, lighting, transport, etc.) Storage and electricity balance with more renewable energy generation in connection to the road Electric roads/electrification of the road or building a hydrogen infrastructure Different charging strategies (including inductive charging of vehicles) Location of renewable energy Transmission of electricity to and from the road
Frågeställning I. Vilka olika klimatneutrala alternativ finns det i transportsektorn? Vad är fördelar och nackdelar ur ett transportperspektiv resp. elsystem perspektiv? II. Vad innebär en elektrifiering av transporterna på E39an i form av effekt och energi? III. Vilken roll kan elvägar (exempelvis E39an) få i framtida transportsektor? Vad innebär det för olika aktörer? IV. Går det att göra E39an självförsörjande på energi? Är elbilen en klimatbov? (lagring av energi vid mer förnyelsebar energi)
0 TWh Elproduktion New links and new opportunities for actors like NPRA? 27 oktober 2017 Bränsle/laddning av fordon 5000 4000 2010 5000 4500 4000 3500 Other Other renew Wind MtCO 2/year 3000 2000 3000 2500 2000 1500 1000 Biomass and waste Natural gas CCS Natural gas Oil Coal/Biomass cofire CCS Coal CCS 1000 500 0 Coal convent Nuclear Hydro 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 Year Infrastruktur (vägar och elnät)
Status: Energisystemet idag 27 oktober 2017
27 oktober 2017 Kol, olja och gas 515 GtC Dåtida utsläpp 209 GtC CO 2 -budgeten 2007-2050 om vi ska uppnå 2 C målet (>25% sannolikhet) 760 GtC Fossil reserves Fossil reserves + 30% of resource base 4600 GtC 1 Meinshausen M., 2009. Greenhouse gas emission targets for limiting global warming to 2 C. Letters to Nature Vol 458, April 30, 2009
MtCO 2 /year 27 oktober 2017 EU CO 2 emissioner Historisk trend and framtida klimatmål 2010 5000 4000 3000 Transport Industry Power and heat 2000 1000 0 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 Data sources: [Boden et al., 2010; EC-JRC/PBL, 2009; European Commission 2011; EEA, 2015]
27 oktober 2017 CO 2 -utsläpp för olika sektorer, EU-28 EU 65% minskning i transportsektorn till 2050 jämfört med 1990 Norge 80-95% minskning av alla växthusgaser & sektorer till 2045 Sverige 85% minskning av alla växthusgaser & sektorer till 2045 70% minskning av utsläppen från transporter till 2045 Source: http://ec.europa.eu/clima/policies/transport/index_en.htm
Norska transportsektorn + 27% sedan 1990 Stabilisering sedan 2007 CO 2 emissioner från norska fordonsflottan 1990-2012 27 oktober 2017 E39 0.7 Mton CO 2 /yr ~7% av de nationella utsläppen från transporter 23% av utsläppen från de regionala vägtransporterna. Vägtransporter
27 oktober 2017 CO 2 emissioner från vägtransporter på E39 +50% + 90% +3% Förnyelsebara bränslen? Based on data from traffic analysis: Nielsen et al. 2010 16
Begränsa den globala temperaturökningen med 2ºC: 80-95% minskning av globala CO 2 utsläpp till år 2050 Minskad energianvändning - Befolkning - Teknik - Välstånd och livsstil - Effektivisering Byta bränsle/teknik - Förnybart - Kärnkraft? - Kol till gas 27 oktober 2017 Vi behöver allt! Fånga in och lagra/återvinna koldioxid (stor betydelse för fördelning av resurser!) - Från stora punktkällor (kraftverk, industrier, vätgasproduktion) - Kolfixering - markanvändning (Land Use Change and Forestation- LUCF)
27 oktober 2017 Hur kommer elsystemet att se ut 2050? Transportation sector Hur kommer transportsektorn att se ut 2050? Wave power Wind power Biomass Tidal power Coal power with CCS DSM Storage Wave power Nuclear power Distribution capacity Solar power Hydropower Transmission capacity Scenario Heat sector
Vad finns det för alternativ transportsektorn? 27 oktober 2017
27 oktober 2017 Olika vägar att minska CO 2 utsläppen från transporter Energieffektivisera (mindre energi per fordons km) Minska antalet transporter Byta bränsle
27 oktober 2017 Transportsektorns olika bränsle möjligheter Fossila (olja, gas, coal) Biomassa Kärnkraft Sol, vind,etc Raffinaderier CO 2 Power-to-gas H 2 O Elektrolys Flytande bränslen Gas-bränslen (biogas, synthetic methane, LNG) Vätgas Verkningsgrad: ca 20% Förbrännings motor Bränslecell Elmotor Elvägar Flyg sjöfart Bil, lätt lastbil Tung lastbil Elektricitet Tåg ENERGY SOURCES ENERGY CONVERSION ENERGY CARRIERS VEHICLE TECHNOLOGIES TRANSPORT MODES
27 oktober 2017 Transportsektorns olika bränsle möjligheter Fossila (olja, gas, coal) Biomassa Kärnkraft Sol, vind,etc Raffinaderier CO 2 Power-to-gas H 2 O Elektrolys Flytande bränslen Gas-bränslen (biogas, synthetic methane, LNG) Vätgas Verkningsgrad: 73-77% Förbrännings motor Bränslecell Elmotor Elvägar Flyg sjöfart Bil, lätt lastbil Tung lastbil Elektricitet Tåg ENERGY SOURCES ENERGY CONVERSION ENERGY CARRIERS VEHICLE TECHNOLOGIES TRANSPORT MODES
27 oktober 2017 Transportsektorns olika bränsle möjligheter Fossila (olja, gas, coal) Biomassa Kärnkraft Sol, vind,etc Raffinaderier CO 2 Power-to-gas H 2 O Elektrolys Flytande bränslen Gas-bränslen (biogas, synthetic methane, LNG) Vätgas Verkningsgrad: 24% Förbrännings motor Bränslecell Elmotor Elvägar Flyg sjöfart Bil, lätt lastbil Tung lastbil Elektricitet Tåg ENERGY SOURCES ENERGY CONVERSION ENERGY CARRIERS VEHICLE TECHNOLOGIES TRANSPORT MODES
27 oktober 2017 Transportsektorns olika möjligheter Fossila (olja, gas, coal) Biomassa Kärnkraft Sol, vind,etc Raffinaderier CO 2 Power-to-gas H 2 O Elektrolys Flytande bränslen Gas-bränslen (biogas, synthetic methane, LNG) Vätgas Verkningsgrad ca 17% Förbrännings motor Bränslecell Elmotor Elvägar Flyg sjöfart Bil, lätt lastbil Tung lastbil Elektricitet Tåg ENERGY SOURCES ENERGY CONVERSION ENERGY CARRIERS VEHICLE TECHNOLOGIES TRANSPORT MODES
Fördelar och nackdelar 27 oktober 2017 Transportlösning Fördelar Nackdelar Diesel (olja) Biobränslen Elektrobränslen (P2G) Vätgas Elfordon (batterier) Elvägar Billigt, etablerad infrastruktur, etablerad infrastruktur och fordon, snabbt att tanka, alla transportslag etablerad infrastruktur och fordon, snabbt att tanka, alla transportslag snabbt att tanka, tyst, noll emissioner från fordonet Effektiv, tyst, noll emissioner från fordonet, Effektiv, tyst, noll emissioner från fordonet, tunga och lätta fordon Miljösässigt dåligt, Låg effektivitet Låg effektivitet, konkurrens om resursen Låg effektivitet, konkurrerar med koldioxidlagring, mycket el, partiklar Ny infrastruktur, mycket el, krånglig/ny energibärare Körsträckan är (idag) kortare än andra alternativ, lite ny infra, ej tunga transporter Ny infrastruktur, tekniska utmaningar med (induktiva) tekniken
Transportsektorns olika möjligheter 27 oktober 2017 Bioenergi / elektrobränslen (n=20%) Elbilar (n=70%) Vätgas/Hydrogen (n=24%) Elvägar (ERS) (n=17%) 4-5 TWh/år 1 TWh/år 0.5 TWh/år Transporter ökar behovet av el flyttar emissionerna till elsektorn Ladda hemma + batteri Snabbladda (ultra-fast) + batteri Kontinuerlig elförsörjning under körning Producera ett bränsle som kan lagras (electrofuels, hydrogen) 26
Olika laddningsstrategier och deras energibehov Olika laddningsstrategier och deras laddprofil ELBILAR 27 oktober 2017 Energibehov per år (E39) Elfordon ladda (hemma/jobbet) Elväg Vätgas Power-to-gas 0.5 TWh/år 1 TWh/år 4 GWh/år 5 GWh/år ELVÄGAR
Elbehovet för olika laddninsstrategier i Scandinavien 27 oktober 2017
Elbehovet för E39 olika strategier Elfordon (hemma/jobbet) E39 elbehov TWh/år Fordonskategori 0.5 Bilar, lättlastbil, stadsbuss Elväg 1 Bilar, lastbil och bussar Vätgas 4 Bilar, lastbilar och fartyg Power-to-gas 5 Alla transportslag Mogenhet Lagringstid Pik-behov Kommersiell skala Demonstration sskala Kommersiell skala/demo Demonstration /kommersiell timmar Minuter/timme Timmar till veckor Timmar till veckor Nattetid (övrig last är liten) På eftermiddagen flexibel flexibel
E39ans tidsliga och geografiska energi- och effektbehovet 27 oktober 2017
Mätpunkter för timdata 27 oktober 2017
Simuleringsmodell av bränsleförbrukningen längs en väg 27 oktober 2017 Genomsnittlig dygnstrafik E39 basic vehicle energy consumption model based on overcoming: Rolling resistance Air resistance road inclination Regeneration through braking Genomsnittlig veckotrafik Modellen är accepterad för publikation i Applied Energy Taljegard, M., L. Goransson, M. Grahn, M.Odenberger and F. Johnsson (2017) Spacial and dynamic energy demand of the E39 highway implications on electrification options. Applied Energy.
Elbehovet för E39 27 oktober 2017 Alla årets timmar Topp effekten: 370 MWh/h Betydande variationer: (i) Natt och dag (ii) Helg och vardag (iii) Lovvecka och vanlig vecka Regelbundet elbehov! Taljegard, M., L. Goransson, M. Grahn, M.Odenberger and F. Johnsson (2017) Spacial and dynamic energy demand of the E39 highway implications on electrification options. Applied Energy.
27 oktober 2017 Elbehovet för E39 om E39 är en elväg Genomsnittliga toppeffekten: 250 MWh/h Högst elbehov kl 15-16 Veckodag Lördag Effektbehovet i Norge för elväg En elväg på alla huvudvägar i Norge ökar effektbehovet i genomsnitt med 10%. När ska man ladda? Elsystemets uppbyggnad Flexibilitet i elsystemet Systemgränser
27 oktober 2017 Energi vs. antal fordon Stavanger Bergen
3 Feb 2015 Årlig Elbalans Elektrifiering med ELVÄG har en mindre betydelse för elbalansen. Men det finns båda geografiska variationer och tidsvariationer! 50 51.3 53.3 E39-regionen: Vest-Agder, Rogaland, Hordaland, Sogn og Fjordane, Møre og Romsdal och Sør-Trøndelag
Rollen av elvägar? Är det en bra ide? 27 oktober 2017
Historiskt exempel: Elektrifiering av järnvägen 27 oktober 2017 1890: Boxholm (industri) var försti sverige med en järnväg på el Malmbanan på 1920-talet var den första långre järnvägen på el 1931: Elektrifierad järnväg mellan alla stora städer Ny infrastruktur tar tid! Bättre verkningsgrad Tyst, inga utsläpp till luft Lång livslängd på elmotorn Lägre rörliga kostnader höga investeringskostnader initialt! Elvägar i framtiden?
Elvägar olika tekniker 27 oktober 2017
Elvägar olika tekniker 27 oktober 2017 Bild: RISE
Bild: from Rise
27 oktober 2017 Elvägar- demonstrationer Sandviken overhead lines (2 km) Arlanda Elways rail (2 km) Lund/Mariestad Elonroad (300m) Södertälje induktiv laddning (stillastående) Tyskland luftledningar 2018 (6km)
27 oktober 2017 Elvägars roll Storskalig implementering o Europa och nationella vägar Störst potential o Ekonomiskt och miljömässigt Effekten av ERS på miljön The Swedish and Norwegian main road network 43
27 oktober 2017 Resultat The Swedish and Norwegian main road network 44
27 oktober 2017 Results - Traffic volumes 25% of the busiest main roads Delar av E39an 45
27 oktober 2017 Results - Traffic volumes 50% of the busiest main roads 46
27 oktober 2017 Results - Traffic volumes 75% of the busiest main roads 47
27 oktober 2017 Maximala potentialen av Elvägar på störra vägar ~ 50% av CO2 emissionerna Tunga fordon står för 50% av CO 2 ~20-40% av vägsträckan innefattar mesta dels av trafiken 48
27 oktober 2017 Elvägars kostnader E39an total infrastruktur kostnad ~ 5-60 (15) miljarder NOK (1100 km) Cost per vehicle km (infra): ~0.3-0.9 NOK/vkm Total cost per vehicle km (truck): ~ 2.5-5 NOK/vkm Total cost per vehicle km (car): ~ 0.8-1.4 $/vkm 25% 49
27 oktober 2017 Hur stor roll spelar infrastrukturen? Lönsamheten beror på: - Dimensioneringen av elvägen - Framtida trafikflöde - Priser på bränsle - Kostnad för batterier - Övrig utbyggnad av elnätet - Övrig teknikutveckling Connolly, D., eroads: A comparison between oil, battery electric vehicles, and electric roads for Danish road transport in terms of energy, emissions, and costs, Aalborg University, 2016.
27 oktober 2017 Scenarier kort och långsikt Korta perspektivet Större pilotprojekt Ett par km upp till ett par mil Långa perspektivet ERS som en del i transportlösningen för framtiden Flera vägar Flera fordonskategorier
Elvägar- olika nivåer 27 oktober 2017 Integrated main road > 10 Billion ton km Single main road 1 Billion ton km Demonstration Million ton km Pilot Technical Organizational Market Year: 2015 2030 2050 Short Medium Long term
Elvägars roll- bra ide? En liten andel av vägnätet kan täcka en stor andel av trafiken o Vart behöver vi elväg? När städerna mesttrafik? Binda samman stora städer. Hur manga vägar för att få fördelarna av elvägar? All trafik eller bara tunga fordon? o o o Kostnad för andra alternative jämfört med elvägar (range extender) Personbilar kommer kräva ett större utbyggt nätverk av elväg 95% of private trips are shorter than 50 km and 33% of the vkm were driven during a trip that was longer than 50 km (Sweden statistics) Future studies: o o A detailed outlining of the initial implementation of ERS looking at entire roads (not only segments). The benefit of charging the vehicle battery on ERS 53
27 oktober 2017 Utbyggnad av förnyelsebar energi Hur kan transportsystemet och elsektorn samverka?
Lagring Transmissions nät Lagring av el minska kostnaderna vid självförsörjande E39 som en självförsörjande väg 27 oktober 2017 Nivå av självförsörjande som en funktion av investerad Nkr
Vindkraft 27 oktober 2017 Minskar klimatpåverkan av elsystemet Elproduktionen beror på vindhastigheten Vindhastigheten är svår att förutspå
27 oktober 2017 Hantera flexibilitet Vattenkraft Termiskkapacitet Spilla vindkraft Lagring (korttid, långtid) DMS Handel av el Linkages to other sectors (transport and heat)
SMART laddning 1. Mer vindkraft 2. Minska CO 2 från elsystemet 3. Minska kostnaderna per energienhet 4. Även små bilbatterier gör stor nytta Vattenkraft Vindkraft
Mycket saker på gång även för vätgas och electrobränslen 27 oktober 2017
Exempel på nuvarande anläggningar 27 oktober 2017 Audi (Tyskland) June, 2013 6 MW anläggning 1500 bilar, 15 000 km/yr E.ON Deutschland (Tyskland) 2 MW anläggning 360 m3 hydrogen Carbon Recycling International (Island) 2012 5 miljoner liter yr Methanol
Vätgas Utveckling av elektrolysörer (kostnad och effektivitet) Utbyggnad av infrastruktur
27 oktober 2017 Sammafattningsvis Årliga elbehovet från E39an är jämförbart med en större industry (1 TWh/år) Elväg på E39 kommer med dagens trafikflöde öka effektbehovet 1-2% i genomsnitt under pik-timman. Ej tagit med att fordon laddar när de kör! Tunga fordon utgör 12% av antal fordonskilometer men 50% av energin och utsläppen. Elvägar på alla Europavägar och Nationella vägar i Norge kommer öka effektbehovet med minst 10%. Elväg på E39 skulle kosta ca. 5-60 miljarder och har potential att minska utsläppen till noll (inga utsläpp från elsystemet) En utbyggnad av mer förnyelsebart längs E39 är kostnadseffektivt att kombinera med ev. Vätgas/electrobränsleproduktion (lagring) och smartladdning av elfordon.
Sammanfattningsvis 27 oktober 2017 Teknik tar tid att utveckla liksom det tar tid att bygga ny infrastruktur - vi måste börja nu även med det som inte är lågt hängande frukt! Biobränslen är den billigaste lösningen men kommer inte att räcka till alla ändamål. P2G och vätgas intressant komplement men kräver stora mängder el. Vi kan idag inte plocka ut en vinnare olika lösningar har olika fördelar och nackdelar och kommer sannolikt att behövas. Effektiviteten är inte allt utan också när transportsektorn konsumerar el spelar stor roll Elfordon kämpar med kostnader/körsträcka medans vätgasen kräver ny infrastruktur för att ta fart. Elvägar är ett intressant alternativ för att minska behovet av batterier och inkluderar tunga transporter kräver mycket ny infrastruktur! Stora mängder intermittent kraft integrera vilket ger både möjligheter och utmaningar för transportsektorn. Smartladdning av elbilar är en nyckel.
0 TWh Elproduktion New links and new opportunities for actors like NPRA? 27 oktober 2017 Bränsle/laddning av fordon 5000 4000 2010 5000 4500 4000 3500 Other Other renew Wind MtCO 2/year 3000 2000 3000 2500 2000 1500 1000 Biomass and waste Natural gas CCS Natural gas Oil Coal/Biomass cofire CCS Coal CCS 1000 500 0 Coal convent Nuclear Hydro 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 Year Infrastruktur (vägar och elnät)