Institutionen för tillämpad elektronik och fysik 2007-05-29 Simulering & optimering D 5p Simulering av koldioxidutsläpp Kursansvarig: Lars Bäckström Av: Mats Norberg masnog03@student.umu.se Anders Strömberg ansstg03@student.umu.se Sammanfattning Med relativt små åtgärder genom b l a inblandning av biobränsle, så som etanol och FAME, i fossilt drivmedel kan utsläpp av koldioxid minskas. Med kommande EU-direktiv om maximala CO2 utsläpp för personbilar är en minskning nödvändig. Vi har undersökt hur biobränslen i allmänhet påverkar tillskottet av CO2 i atmosfären. Även bränsleförbrukning för en vanlig biltyp har undersökts. 1
Innehållsförteckning Innehållsförteckning... 2 Inledning... 3 Teori... 3 Analys av 2005 års data... 3 Blandning av biobränslen & fossila bränslen... 7 Diskussion/Slutsatser... 10 Referenser... 11 Bilaga... 12 2
Inledning Enligt ett miljömålsförslag från EU-kommisionen gällande utsläpp av koldioxid från fordon ska inga nya personbilar få släppa ut mer än 120g/km. Detta ska isåfall börja gälla från senast 2012 om förslaget blir antaget. Vi har som projekt i kursen simulering & optimering undersökt hur dagens personbilar står sig mot detta krav & undersökt vad som skulle kunna göras för att minska utsläppen genom blandning av drivmedel, byte av drivmedel samt hur mycket bränsleförbrukningen måste minskas för att klara kravet med oblandat bränsle. Teori Med What s best kan bränsleförbrukning och ekonomi optimeras. Beräkningarna är av det enklare slaget och kräver ingen ingående redovisning. De flesta samband är linjära. Som indata används 2005 års värden hämtade från SPI [1] och SCB [2]. Tekniska specifikationer för de bilmodeller vi valt att utföra beräkningarna på kommer från Volvo [3] som är från 2007 och är fabriksuppgifter. Priser för bränslen är hämtade från Statoil [4] och från 2007. Analys av 2005 års data Vid analys och beräkning av 2005 års data från [1] har vi kommit fram till att koldioxidutsläppen orsakade av fordon i Sverige uppgår till 41,35 Miljoner ton där fördelningen över vilka bränslen som orsakar utsläppen kan ses i figur 1 & vilka som förbrukar bränslena kan ses i figur 2. Årliga koldioxidutsläpp 14000000 12000000 10000000 CO2 [ton] 8000000 6000000 4000000 Bränslen 2000000 0 Bensin, lättbensin Diesel Eldnings olja 1 Eldnings olja 2-6 Flygbränsle Bränsle Etanol E85 FAME (RME) Figur 1 visar hur CO2 utsläppen är relaterade till användningen av olika bränsleslag i Sverige. 3
Årlig Förbrukning av bränslen [m3] 12000000 10000000 8000000 6000000 4000000 2000000 Transport inkl privat transport [m3] Industri [m3] 0 Övrig näring [m3] Bostäder [m3] Energi- produktion [m3] Stat, kommun & landsting [m3] Bränsle Jordbruk [m3] Utrikes sjöfart [m3] FAME Etanol Eo 2-6 Eo 1 Diesel Bensin Flygbränsle Lättbensin Figur 2 visar inom vilka sektorer som olika bränsle slag används i Sverige. Utifrån figur 1 kan man utläsa att bensin, diesel & flygbränsle står för de största posterna för koldioxidutsläpp. Figur 2 talar tydligt för att det är transportsektorn som står för den största bränsleförbrukningen. Om vi för enkelhetens skull skulle byta ut 50 % av all bensinanvändning mot t.ex. etanol, där vi då måste räkna med en ökad bränsleförbrukning på 30 %, skulle det årliga utsläppet av koldioxid i transportsektorn se ut som i figur 3. koldioxidutsläpp 42000000 41000000 40000000 CO2 [ton] 39000000 38000000 37000000 36000000 35000000 Data 2005 50% Bensin-E85 Figur 3 visar CO2 utsläppet skulle påverkas om 50 % av bensinanvändningen skulle ersättas med etanol. 4
Figur 3 visar att om 50 % av all bensinförbrukning skulle ersättas med etanol så skulle utsläppet av koldioxid bli mindre än hälften trots en ökad bränsleförbrukning (ca 30 %) framför allt p.g.a. ett lägre värmevärde. Om vi dessutom tar hänsyn till att etanolen skulle kunna vara producerad från biomassa så skulle nettoutsläppet bli ändå mindre. Hur motsvarande figur 1 & 2 skulle se ut nu kan ses i figur 4 och 5 där figur 4 visar hur stora poster av det totala utsläppet de olika bränsleslagen utgör och figur 5 visar hur stora poster de olika användande sektorerna står för samt vilka bränslen som används. Årliga koldioxidutsläpp 12000000 10000000 8000000 CO2 [ton] 6000000 4000000 Bränslen 2000000 0 Bensin, lättbensin Diesel Eldnings olja 1 Eldnings olja 2-6 Flygbränsle Bränsle Etanol E85 FAME (RME) Figur 4 visar hur CO2 utsläppen är relaterade till användningen av olika bränsleslag i Sverige när 50 % av bensinen ersatts med etanol. 5
Årlig Förbrukning av bränlsen [m3] 12000000 10000000 8000000 6000000 4000000 2000000 Transport inkl privat transport [m3] Industri [m3] 0 Övrig näring [m3] Bostäder [m3] Energi- produktion [m3] Stat, kommun & landsting [m3] Bränsle Jordbruk [m3] Utrikes sjöfart [m3] FAME Etanol Eo 2-6 Eo 1 Diesel Bensin Flygbränsle Lättbensin Figur 5 visar inom vilka sektorer som olika bränsle slag används i Sverige när 50 % av bensinen ersatts med etanol. I figur 4 ser vi att koldioxidutsläppen från bensin har minskat men att utsläppen för etanol inte ökad proportionellt mot minskningen av bensin. Detta talar för att etanol släpper ut mindre koldioxid per förbrukad liter bränsle. Vi ser i figur 5 att förbrukad volym av etanol ökat mer än vad bensin har minskat, detta till följd av den ökade förbrukningen, en av nackdelarna med etanol. Utifrån resultaten vi sett hittills ser vi att det borde vara befogat att göra försök att blanda in biobränslen med dagens fossila bränslen för att uppnå minskade utsläpp av koldioxid. 6
Blandning av biobränslen & fossila bränslen Vi har från [3] hittad data för en Volvo S40 1.8 Flexifuel & en Volvo 1.6 Diesel som vi använt oss av för att simulera effekterna på bränsleförbrukning samt koldioxidutsläpp vid olika bränsle blandningar. Figur 6 visar hur bränsleförbrukning påverkas av inblandning av etanol i vanlig bensin. Figur 7 visar hur utsläppen av koldioxid påverkas. Bränsleförbrukning Volvo 1.8FF Bränsleförbrukning [l/mil] 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,0 50,0 100,0 Andel etanol i bensinen [%] linjäranpassning y = 0,0025x + 0,7398 Series1 Linear (Series1) Figur 6 visar hur bränsleförbrukningen påverkas av etanolhalten i bensin. Utsläpp Volvo 1,8FF Koldioxidutsläpp [g/km] 200 150 100 50 0 0,0 50,0 100,0 Andel etanol i bensinen [%] Series1 Linear (Series1) y = -1,4941x + 177 Figur 7 visar hur utsläppen av CO2 påverkas av inblandning av etanol i bensin. 7
Figurerna 6 & 7 bekräftar redan tidigare konstateranden, att bränsleförbrukningen ökar linjärt & att utsläppen av koldioxid minskar linjärt med inblandningen av etanol i bensin. Om vi i framtiden vill fortsätta köra vår Volvo på ren bensin kan vi se i tabell 1 att vi måste minska förbrukningen från gällande 0,74 l/mil till 0,50 l/mil för att klara kraven på max 120 gco2/km. Ser vi till ren etanol eller E85 skulle vi kunna tillverka motorer som drar mer än i dagsläget. Om vi däremot analyserar figur 6 & 7 för att hitta den inblandning av etanol i bensin som gör att vi precis klarar kravet 120 gco2/km blir bränsleförbrukningen 0,835 l/mil med en etanolinblandning av 38 % som också är den minimala bränsleförbrukningen som kan uppnås samtidigt som utsläppen inte blir för höga. Man kan åstadkomma ännu mindre CO2 utsläpp om mer etanol blandas in vilket skulle öka förbrukningen medan påverkan på priset att köra bilen styrs helt av bränslepriset för etanol och bensin. Med gällande priser från 28/5-2007 enligt [4] skulle den minsta kostnaden för att köra bilen uppnås om man kör på 100 % E85 vilket medför en kostnad på 7,81 kr/mil. Priset på etanol låg på 7,89 kr/l & bensin på 12,19 kr/l. Antingen optimerar man bränsleförbrukningen eller kostnaden för att köra bilen. Dessa resultat återspeglas när vi undersöker hur inblandningen av FAME (RME) i Diesel påverkar CO2 utsläppet, bränsleförbrukningen & ekonomin att köra en Volvo S40 1.6 D. Tabell 1 visar givna data från [3]. Volvo S40 1,8FF [l/mil] andel etanol [%] CO2 [g/km] Bensin 0,74 0 177 E85 0,95 85 50 Etanol 0,99 100 30 EU mål [l/mil] CO2 [g/km] Bensin 0,501695 120 E85 2,28 120 Etanol 3,96 120 Enligt givna data från [3] har vi tagit fram följande figurer där figur 8 visar hur koldioxidutsläppet påverkas av FAME inblandning i diesel & figur 9 visar hur bränsleförbrukningen påverkas. Utsläpp CO2 CO2 [g/km] 140 120 100 80 60 40 20 0 y = -1,04x + 129 0 50 100 150 Andel FAME i dieseln [%] Series1 Linear (Series1) Figur 8 hur bränsleförbrukningen påverkas av FAME i diesel. 8
Bränsleförbrukning CO2 [g/km] 0,55 0,54 0,53 0,52 0,51 0,5 0,49 0,48 y = 0,0005x + 0,49 Series1 Linear (Series1) 0 50 100 150 Andel FAME i dieseln [%] Figur 9 visar hur utsläppen av CO2 påverkas av inblandning av FAME i diesel. Att döma av figur 8 & 9 ökar förbrukningen medan utsläppet av koldioxid minskar när FAME blandas med diesel. I tabell 2 ses hur förbrukningen ser ut samt skulle kunna se ut när gällande krav träder i kraft. Den optimala bränsleförbrukningen blir 0,494 l/mil om 8,65 % FAME blandas med dieseln. Den optimala kostnaden att köra bilen blir 5,64 kr/mil om bilen körs på 100% FAME enligt gällande priser 28/5-2007 [4]. Som tabell 2 visar måste bränsleförbrukningen minskas från 0,49 l/mil till 0,46 l/mil som man i fortsättningen ska kunna köra på endast diesel och ändå klara gällande krav på utsläpp medan förbrukning kan ökas 5 gånger om man vill köra på ren FAME. Tabell 2 visar givna data från [3]. Volvo S40 1,6d [l/mil] Andel FAME [%] CO2 [g/km] 1.6D Diesel 0,49 0 129 1.6D FAME 0,54 100 25 EU mål [l/mil] CO2 [g/km] Diesel 0,455814 120 FAME 2,592 120 9
Diskussion/Slutsatser De slutsatser som kan dras av vårt första försök att byta ut bensin mot etanol skulle förmodligen kunna spegla resultat med försök att byta FAME mot diesel. Vi ansåg inte det nödvändigt att genomföra sådana försök. Andelen fordon av flexifueltyp räcker i dagsläget inte till för att förbruka etanol och FAME istället för bensin och diesel. Däremot skulle moderna bilar med liknande bränsleförbrukning med viss konvertering kunna köras på en blandning av ca 40 % E85 i bensinen vilket skulle motsvara 120 gco2/km. Samma gäller dieselmotorer fast där blir inblandningen av FAME 8-9 %. Att döma av hur pass mycket bränsleförbrukning kan tillåtas öka om ren etanol eller ren FAME används som drivmedel så borde även tunga fordon klara EUs mål för personbilar med modernisering och effektivisering av nuvarande teknik. Med ren bensin skulle en personbil kunna klara gränsen på 120 gco2/km om bränsleförbrukningen understiger 0,5 l/mil. Dock så kvarstår en nettoökning av CO2 i atmosfären. Den diesel vi räknat på måste minska sin förbrukning med motsvarande ca 10 % av nuvarande förbrukning vilket inte bör vara orimligt. Dieselbilen är både förbruknings- och utsläppsmässigt närmare kravet än bensinbilen. Vi kan inte anta att det är lika rimligt i bensinbilens fall. Vi har inte tagit någon hänsyn till produktionsbegränsningar av etanol eller FAME eftersom båda drivmedlen konkurrerar om råvaran med andra energiproducenter samt om utrymmet för livsmedelsproduktion. 10
Referenser [1] Svenska Petroleum Institutet: www.spi.se [2] Statistiska Centralbyrån: www.scb.se [3] Volvo cars: www.volvocars.se [4] Statoil: www.statoil.se 11
Bilaga Volvo S40 1.8 Flexifuel 125 Hk/Volvo S40 1.6 D Diesel 109 Hk Mil 1500 Fabriksuppgift Utsläpp Bränsletyp Bränsle förbrukning Bränslepris Pris/mil Utsläpp CO2 CO2 Utsläpp 1500 1500 1500 blandad körning [l/mil] [kr/l] [g/km] [g CO2/l] [gco2] [liter] kr 1.8FF Bensin 0,74 11,55 8,547 177 2391,892 2655000 1110 12820,5 1.8FF E85 0,95 8,5 8,075 50 526,3158 750000 1425 12112,5 1.6D Diesel 0,49 11,08 5,4292 129 2632,653 1935000 735 8143,8 [l/mil] andel etanol [%] CO2 [g/km] Årliga förbrukningar Bensin 0,74 0,00 177 E85 0,95 85,00 50 Bensin 5508000 [m3] Etanol 0,99 100,00 E85 [m3] Diesel 3743 [m3] RME [m3] FAME-Diesel [m3] 12