Elektriska vägar omvärldsbevakning Oscar Olsson, Viktoria Swedish ICT Bakgrund Elfordon har potential till en lovande framtid som ersättare eller komplement till dagens fossilbränsledrivna fordon. Fossilbränslefordon bidrar till bland annat koldioxidutsläpp samtidigt som Sverige har koldioxidsnål elproduktionen från vattenkraft, kärnkraft och vindkraft. Elektrifierade fordon har dessutom i regel en högre verkningsgrad än andra fordon drivna på bensin eller diesel och kräver därför mindre energi. För rena personbilar som går på el är räckvidden i regel ca 10-15 mil och laddning kan ske i princip överallt där det finns ett tillgängligt eluttag. Tiden för att fylla större delen av batteriet varierar mellan 30 minuter och några timmar beroende på batteristorlek och effekttillgång, vilket både kan anses tillräckligt snabbt för dagspendling i stadstrafik men samtidigt opraktiskt lång tid att vänta då man ska längre sträckor. Få kostnadseffektiva och miljövänliga lösningar finns för att öka elbilars räckvidd som är tidsmässigt jämförbara med att tanka bensin eller diesel. Elektrifiering av längre lastbils- eller busstransporter finns i princip inte då ett batteri med tillräcklig kapacitet för att tillgodose behovet skulle utgöra en betydande kostnadsökning och dessutom minska tillgänglig lastkapacitet. I takt med ökad oro för stigande oljepriser och striktare miljömål har intresset blivit större för lösningar för att förse vägar med el som kontinuerligt kan överföras direkt till fordonet. Dessa elvägar skulle kunna sammanbinda städer och förse elektrifierade fordon med el från förnyelsebara energikällor för att kraftigt förlänga räckvidden. Det skulle på så vis bli ett bekvämt alternativ till behovet av att stanna och ladda eller byta batteri. Med väl utbyggda elvägar skulle dessutom batteristorleken kunna minskas och därmed också kostnader, vikt och energiförbrukning per körd kilometer. Elektrifiering av transportkorridorer ingår i den färdplan som presenterades som uppmaning till regeringen för att nå en fossilberoende fordonsflotta år 2030. 1 Bakom färdplanen stod konsortiet Roadmap Sweden som inkluderar över 80 organisationer med anknytning till elfordonsbranschen. Ett exempel på att intresse finns på statlig nivå är att Energimyndigheten och Trafikverket har fått i uppgift att till våren gå ut med en så kallad innovationsupphandling inom området där syftet bland annat är att driva på utvecklingen av nya miljölösningar i transportsektorn. Syfte och potential Ett argument för eldrift är den minskade miljöpåverkan. Nedan är en sammanställning av det genomsnittliga utsläppet för elproduktion i Sverige och Europa under 2011 samt en uppskattning av resulterande utsläppet per km för elfordon jämfört med motsvarande för ett bränslefordon. Siffrorna inom parantes inkluderar även överföringsförluster från källan till fordonet men denna kan variera kraftigt beroende på överföringsmetod och ursprung. Förluster för elöverföringen skulle kunna uppgå till ca 20% och inkluderar överföringsförluster, transformering samt batteriladdning. Förlusterna från fossilbränslet kommer främst från raffinering och leverans men även från utvinningen och uppgår till ca 15%. Motsvarande utsläpp för tyngre lastbilar är svårare att generalisera då den till stor del är beroende av lasten men är i genomsnitt ca sex gånger det nedanstående för lastbilar med en vikt på omkring 40 ton. 2 2011 Elgenerering g/kwh Elektriska bilar g/km Fossilbränslebilar g/km Sverige 20 4 (4.8) 144 (165.6) Europa 450 90 (108) 136,6 (157) Table 1 Gram CO2 utsläpp från elgenerering och för olika fordonsslag. 3,4,5,6 På grund av de låga utsläppen av koldioxid i samband med elgenerering gör Sverige särskilt lämpat för elbilar ur en miljösynpunkt. En reducering med ca 140g koldioxid är möjlig per körd km vid en övergång till elbil om man endast tar hänsyn till energin som krävs för att driva fordonet. Under 2011 i Sverige var den genomsnittliga körsträckan per person 6450 km. Miljövinsten räknat per fordon är ännu högre för tunga fordon då dessa har en förbrukning
som uppskattningsvis kan vara 5 till 10 gånger högre per kilometer. Motsvarande siffra för genomsnittliga Europa är inte lika positiv då mycket kol används för att framställa elenergin. Även om elektrifiering av elfordon i regel bidrar till minskat energibehov så bör marknaden för implementation noga övervägas baserat på tillgänglig miljövänlig elproduktion. 7 Målet att år 2020 ha ett genomsnittligt utsläpp från personbilar på 95g koldioxid/km skulle i princip innebära att endast de länder med ett utsläpp per kwh som är lägre än 2011 års Europa skulle miljömässigt vinna på att övergå till eldrift. Om hela Sveriges fordonsflotta skulle elektrifieras så skulle det uppskattningsvis gå åt 10 TWh för tyngre fordon och 17 TWh för personfordon, 8 en fördelning som även skvallrar om varifrån koldioxidutsläppen kommer ifrån. Ytterligare ett argument för fordonsägaren är minskade kostnader vilket till stor del kan härledas till elmotorns högre verkningsgrad. Den energi som skulle gå åt att köra en elbil en mil är ca 2 kwh vilket ungefär motsvarar dryga 2 kr, jämfört med ca 7 kr för en modern fossilbränslebil. Kostnadsskillnaden för en tung lastbil med ca sex gånger förbrukningen av en personbil blir än mer påtaglig. Ytterligare besparing skulle kunna uppnås om oljepriset antas öka i en snabbare takt jämfört med priset för elektricitet. En fördel med minskat oljeberoende är att energiförsörjningen skulle kunna bli inhemsk och oberoende av andra länder. Hur den minskade skatteintäkten till följd av minskade försäljningen av olja ska kompenseras är också intressant och något som sällan debatteras. När importkostnaden minskar för fordonsägaren så minskar också intäkten för staten. Det som talar emot är ett eventuellt högre pris för själva elfordonet, en kostnad som visserligen skulle kunna minskas med ett mindre batteri. Införandet av ett bonus-malus, system 9 som tidigare införts i Frankrike där bilar med mycket utsläpp bekostar fordon med mindre utsläpp skulle vara ett sätt att reducera priset för ett elfordon. Tekniker som finns Induktiva och konduktiva överföringsmetoder är de mest lovande teknikerna och finns i olika färdighetsgrad, även kapacitiv överföring finns på ett utvecklingsstadium 10. För- och nackdelar med dessa tekniker kan och bör diskuteras för att kunna göra en bedömning vilken som lämpar sig bäst. Konduktiv överföring har funnits en länge tid och då främst för spårbunden trafik och har i sådan trafik visat sig vara driftsäker och ha små förluster. Den induktiva energiöverföringsmetoden, som för industritillämpningar också funnits länge, omnämns ofta då den inte kräver någon fysisk kontakt för att överföra energin och de elektriska ledarna kan därför isoleras och göras petsäkra och väderoberoende. Däremot är inte denna teknik testad i någon större utsträckning i kommersiellt bruk för vägtransporter. Konduktiv laddning Standarder för elektrifierade transporter via luftledning har funnits länge inom järnvägsindustrin både som tåg och spårvagn och hindras därför inte av patent och intellektuella rättigheter. Ytterligare fördelar med en direktkontakt är dessutom den höga överföringseffektiviteten som kan uppnås samt en förhållandevis låg installationskostnad. Siemens och Scania gick nyligen ut med ett pressmeddelande att man har för avsikt att samarbeta för att utveckla tekniken och ta fram ellastbilar för kommersiellt bruk som kan utnyttja kontinuerlig laddning från luftledning under färd. 11 Konceptet för att överföra energin kallas för ehighway som presenterades av Siemens i maj 2012. Skillnaden jämfört med liknande överföring inom spårindustrin är att det måste finnas två ledningar i luften, en för matning och en för återledning, på samma sätt som för trådbussar, då strömmen inte kan återmatas genom metallhjul till räls. Siemens anser sig ha en mogen teknik efter flera år av praktiska tester och det är inte otroligt att den snart kommer användas i Växjö och i så fall bli den första demonstrationssträckan för elvägar i befintlig trafikmiljö. Teknikbolagen Svenska Elvägar och Projekengagemang som länge arbetat för en konduktiv matning via luftledning har tillsammans med Posten som kund visat intresse för en ca 2 km lång sträcka där. 12 2 MEUR per km är en uppskattad kostnad för elvägar baserat på luftledningar. 13 Kostnaden beror på vad som inkluderas i själva installationen såsom exempelvis ombyggnation av väg, eltillförsel och säkerhetsåtgärder. Motsvarande kostnad är halverad här 14 där den även jämförs med andra typer av elvägstekniker för elöverföring underifrån fordonet och priset varierar mellan 4 MSEK per km till 15 MSEK per km. En stor fördel för tekniker som överför energin underifrån fordonet är att den även då blir tillgänglig för personfordon som inte skulle
kunna nå en luftledning på samma sätt som en lastbil, vilket gör att flera fordon kan dela på kostnaderna och att den potentiella nyttan blir större. Företaget Elways arbetar för att överföra energin till fordonet från vägbanan. För att komma åt energin i vägen monteras en släpande arm på fordonet som har kontakt med skenor i marken. I princip påminner lösningen med överföring ovanifrån men med energiöverföring underifrån tillkommer problematiken att skenorna blir exponerade för snö, is och objekt på vägbanan samt att man riskerar att öka faran för människor och djur på vägen. Elways har valt att segmentera skenorna som är nedsänkta i marken så att endast skenorna under ett fordon i hög fart överför energi. På så vis anses elvägen vara lika säker som en vanlig väg då fordonet i sig skulle innebära en lika stor fara som elen för någon som skulle råka befinna sig på vägen. Man har även patenterat flera lösningar som påstås göra att man kan hantera både snö, is och objekt på vägen. Projektet har beviljats 9 miljoner i stöd för att bygga en demonstrationsbana på Test Track som ligger inom Airport City Stockholm. 15 Ytterligare ett projekt i Sverige, kallat Slide-in, pågår för att utveckla och utvärdera konduktiva elvägar och det leds av Volvo AB med teknik från franska Alstom. 16 Även i detta fall är det teknik som ursprungligen utvecklats för att förse spårvagnstrafik med ström underifrån, kallad APS, som anpassats för vägfordon. APS har använts i kommersiell trafik under närmare 10 år i Frankrike. Fordonen kommer i samtliga fall behöva vara utrustade med ett energilagar, lämpligen ett batteri, så att fordonet kan fälla upp strömavtagaren för att kunna hantera omkörningar och komplicerade vägavsnitt som inte lämpar sig för elektrifiering. Exempel på motsvarande utveckling av kontinuerlig konduktiv elöverföring underifrån vägen till fordon som sker utanför Sverige är svårt att finna. Vad detta beror på är svårt att sätta fingret på men en gissning skulle kunna vara att man vill utreda induktiv överföring först där man slipper fysisk kontakt samt visuell påverkan på vägen. Induktiv laddning Många företag arbetar med att ta fram en teknik för att induktivt överföra energi till stillastående fordon för att på så vis undvika behovet av en fysik kontakt. Detta beskrevs tydligt i tidigare utskick av Henrik Engdahl och det finns flera exempel på samarbeten mellan fordonstillverkare och tillverkare av den induktiva tekniken varav nedan följer en handfull länkar för den som är intresserad. 17,18,19,20,21,22,23 Laddning av elfordon har länge dominerats av konduktiv laddning men i takt med att verkningsgrad, vikt och tillförlitlighet för induktiv överföring förbättrats börjar flera projekt planera för att övergå från demonstration till test av induktiv teknik under verkliga förhållanden. Att tekniken har blivit tillräckligt kompakt för att få plats i personbilar har antagligen också haft positiv inverkan. Ett exempel på demonstrationsprojekt är gjort av Ampium. 24 Universiteten KAIST i Korea annonserade nyligen att deras teknik OLEV ska användas i kommersiell trafik från och med juli 2013. Totalt kommer en stäcka på 24 km elektrifieras och beräknas kosta 48 miljarder Won eller motsvarande dryga 27 miljoner SEK, ett förhållandevis väldigt lågt kilometerpris jämfört med vad som uppskattats ovan. 25,26 Även Bombardier kommer med start under 2013 att genomföra tester i verklig miljö då man planerar för totalt fyra anläggningar i Tyskland och Belgien. 27 Gemensamt för projekten är att man valt att inrikta sig endast på bussar vilka trafikerar en förbestämd rutt och elvägen kommer alltså till en början inte vara kommersiellt tillgänglig att utnyttja för personfordon. Induktiv laddning under färd har länge varit förknippat med höga kostnader, höga förluster samt rädsla för påverkan från elektromagnetiska fält. KAIST har annonserat att man har en överföringseffektivitet på 75 % vilket anses tillräckligt för kommersialisering. Bombardier har uppnått en överföringseffektivitet på 95 % under tester. 28 Resterande energi blir till förluster i form av värme i fordonet och vägen vilken måste ledas bort. För att minska installationskostnaden väljer man dessutom att fördela laddningen så att den inte sker konstant utan snarare på utvalda platser och då med högre effekt. Det kommer därför krävas
batterier med stor lagringskapacitet på dessa fordon som klarar den höga effektöverföringen och en del av totalkostnaden kommer därför att överföras till fordonet. Ytterligare en anledning att endast erbjuda så kallad opportunity charging på speciella platser är att man där kan kontrollera så att de magnetiska fälten som skapas endast aktiveras då det är ett fordon förberett för att ta upp effekten närvarande och inte andra fordon som saknar skydd för den elektromagnetiska strålningen. Ytterligare två projekt som har för avsikt att demonstrera induktiva elvägar är E-way som leds av O.I.E och Fabric 29 som leds av Fiat med omkring 30 partners. Det senare har en total budget på hela 14.3 MEUR och förväntas pågå under 48 månader. Dessa projekt är ännu i uppstartsfasen där konsortium och projektomfång fortfarande är under diskussion. I det tidigare nämnda Slide-in-projektet innefattas även ett samarbete mellan Scania och kanadensiska Bombardier för att utvärdera systemet Primove för kontinuerlig induktiv laddning för bilar och lastbilar under färd. Även Primove har ursprungligen utvecklats till kollektivtrafik. Sammanfattande kommentarer En induktiv lösning är estetiskt tilltalande och förmodligen även robust på grund av dess oberoende av fysisk kontakt och därmed funktionalitet oavsett väderförhållanden. Att överföra energin konduktivt minskar risken för elektromagnetisk strålning samt effektförluster men den exponerade tekniken för överföring från marknivå behöver bevisas vara säker under dåliga väderförhållanden och för människor och djur på vägen. Utöver säkerhet kommer hög tillförlitlighet och låga förluster förmodligen vara viktiga krav oavsett teknik och en lösning som till liten grad påverkas av väder är nog ett måste, särskilt för att tillåta transporter även under nordiska vinterhalvåret. Ett bevis på problematiken är tågtrafiken som trots sin långa historia med ström från luftledning fortfarande har vissa problem med driftssäkerheten. Teknik för överföring av ström underifrån behöver dessutom ta hänsyn till tjälskjutning vilket kräver att vägen är byggd på ett tillräckligt sätt. Det är tydligt att företag som tillverkar tyngre fordon går i bräschen för elvägar. Fiat och Nissan som ingår i Fabric-konsortiet är två av de få exempel på personbilstillverkare som driver denna typ av utveckling. Det är tillverkare av lastbilar och bussar som är mest intresserade av lösningen förmodligen till följd av att ett kostnadseffektivt energilager där man exempelvis laddar under natten saknas för dessa fordon. Dessutom ägs dessa fordon till större del av företag som kan kontrollera vilka rutter som trafikeras och därmed lämpligen elektrifieras. Elektrifiering av vägnätet är i dagsläget relativt kostsamt och skulle utöver miljövinsten till största delen möjliggöra ekonomisk lönsamhet för fordonsägare och åkeriföretag. Det är inledningsvis därför rimligt att anta att småskaliga satsningar bör genomföras, och till viss del redan görs, gemensamt av dessa företag och myndigheter på sträckor där elektrifiering i dagsläget kan anses lönsamt. Om kontinuerlig energiöverföring till fordon också på längre sikt påvisar en ekonomisk genomförbarhet, även till kommersiella fordon, så kan det leda till att fler vågar följa trenden. Större implementationssatsningar kommer förmodligen ske där kombinationen av fordonsdensitet, väderförhållanden och typ av elgenerering är som mest gynnsam. Förhoppningsvis sker också innan dess en överenskommelse kring vilken teknik man ska satsa på, eller kompabilitet, olikt för stationär laddning av elfordon. 1 http://www.bilsweden.se/kalender/aktiviteter/roadmap-sweden-bjuder-in 2 http://www.trafikverket.se/pagefiles/25435/pm_vagtrafikens_utslapp_120509.pdf 3 http://www.scb.se/pages/standard 313065.aspx 4 http://www.svenskenergi.se/sv/om-el/miljo-och-klimat/klimatpaverkan/ 5 http://www.acea.be/news/news_detail/tough_co2_targets_for_auto_industry_in_difficult_eco nomic_times/ 6 http://www.trafikverket.se/privat/miljo-och-halsa/klimat/klimatbarometer/ 7 http://www.iea.org/co2highlights/co2highlights.pdf
8 http://www.ifsfluid.se/seminarium%20hybriddrifter/slidein%20-%20mats%20alakula.pdf 9 http://klimatsmart.se/index.php?page=news&cat=1&sub=06&id=17995 10 http://www.tut.ac.jp/english/newsletter/archive/no3/tech_overtures/index.html 11 http://www.nwe.siemens.com/sweden/internet/se/press1/affarspress/affarspress/pages/130 311-Siemens-och-Scania-i-samarbete-om-eldrivna-lastbilar.aspx 12 http://www.transport.se/transportarbetaren/start/nyheter1/eldrivna-postbilar-i-vaxjo/ http://www.rt-forum.com/iuware.aspx?pageid=108278&ssoid=164428 13 http://e-mobilitynsr.eu/fileadmin/user_upload/events/2012_conference_gothenburg/09_pr_e-mobility-nsrconference-2012-10-25-d.pdf. 14 http://elways.se/teknik-for-matning/ 15 http://elways.se/pressmeddelanden/forsok-banar-vag-for-billiga-langresor-med-elbil/ 16 http://e-mobilitynsr.eu/fileadmin/user_upload/events/2012_conference_gothenburg/11_ffi_lindholmen_sci ence_park_-_slide-in_overview.pdf 17 http://green.autoblog.com/2011/09/27/mitsubishi-witricity-ink-wireless-charging-deal/ 18 http://witricityhotspot.com/content/audi-work-witricity-wirelessly-power-e-tron-range 19 http://www.greencarcongress.com/2011/04/toyota-and-witricity-form-wireless-chargingalliance.html 20 http://www.greencarcongress.com/2011/05/volvo-20110517.html 21 http://www.nissan-global.com/en/technology/overview/wcs.html 22 http://www.qualcomm.com/media/releases/2012/07/24/qualcomm-and-renault-announcememorandum-understanding-wireless-electric 23 http://www.expertreviews.co.uk/car-tech/1293679/renault-qualcomm-team-up-on-halowireless-electric-vehicle-charging 24 http://www.ampium.co.uk/ampium/news_files/17%20sept%202012%20press%20release% 20for%20website.pdf 25 http://www.kaist.ac.kr/english/01_about/06_news_01.php?req_p=bv&req_bidx=10&req_b NM=ed_news&pt=17&req_VI=4039 26 http://www.electric-vehiclenews.com/2013/02/wireless-electricity-transmission-being.html 27 http://de.bombardier.com/en/press_release_20120919.htm 28 http://primove.bombardier.com/en/references/augsburg/ 29 ftp.polito.it/people/upmvisit/visit_upm_polito_smart_city/fabric_spessa_polito.pptx