Elektrifierad citylogistik. Utveckling av elektrifierade distributionsfordon för större tätorter

RAPPORT 2014:1 Elektrifierad citylogistik. Utveckling av elektrifierade distributionsfordon för större tätorter Författare: Sara Sebelius, Peter Bark Sammanfattning Distribution av gods inom större tätorter är en resurs- och energikrävande verksamhet. För tunga distributionsfordon används oftast förbränningsmotorer som drivs med fossilt dieselbränsle, vilket medför utsläpp av växthusgaser och andra föroreningar. I stora tätorter används tunga fordon för distribution av dagligvaror, bryggeri- och mejeriprodukter samt styckegods. Åtgärder såsom en ökad användning av miljöbränslen i de aktuella fordonen har vidtagits. För att minska distributionens miljöpåverkan har användning av alternativa och/eller fossilfria bränslen samt gasdrifter initierats. En utvecklingsinriktning har utgjorts av el- och hybriddrifter samt innefattat lagring av elenergi och parallellhybriddrifter. Eftersom batterier bland annat medför att fordonets vikt ökar och dess lastförmåga minskar, har intresset för dessa lösningar hittills varit begränsat. En bakgrund till denna förstudie är ett intresse av att minska distributionstrafikens miljöpåverkan samt att minska de lokala utsläppen av växthusgaser och andra föroreningar genom att använda eldrift i stora tätorter. Eftersom renodlad eldrift där elenergin, för ett körpass, lagras i batterier inte bedöms som en ekonomiskt hållbar lösning är olika alternativ i form av hybriddrifter med elmatning och laddning under körning respektive laddning när fordonet gör uppehåll av intresse. Idéer har även framlagts om att för distributionsfordon använda spårvägs- och tunnelbanesystem för distribution. Emellertid har användning av spårfordon framstått som kostsamt och förmodats ge dålig flexibilitet. Ett förslag var därför att utnyttja fordon med hybrida eller elektriska drivsystem vilka kan elförsörjas från kontaktledningar, avsedda för trådbussar eller spårvagnar. Eftersom spårvagnar i detta avseende har en dominerande ställning i Sverige förmodades en lösning för elektrifierad distribution utformas så att elmatning kan ske från kontaktledningar för spårvagnar. Ett problem är att dessa ledningar består av en ledare och att återledningen sker genom rälsen. Om fordon med gummihjul används krävs nya system för återledning till spåren. Syftet med förstudien var att kartlägga möjligheterna att med hjälp av distributionsfordon, vilka på olika sätt elektrifieras, minska den miljöbelastning som uppstår vid distribution och insamling av gods i större tätortsområden samt i citykärnor. Ett syfte var även att utreda möjligheter till elmatning av distributionsfordon från kontaktledningar för spårvagnar och/eller trådbussar, under drift, respektive laddning vid uppehåll för lastning och/eller lossning. I förstudien kartlades varuomsättningen i centrala Göteborg respektive Stockholm och hur denna var relaterad till hur den eldrivna kollektivtrafiken i gatumiljö var utbredd på dessa orter. Detta visade att i Göteborg låg 100 % av omsättningen utmed spårvägslinjer med gaturäls medan 45 %

av omsättningen i Stockholm låg utmed en spårvägslinje med gaturäls. Vidare kartlades olika körmönstrer vid leveranser av dagligvaror respektive styckegods i centrala Stockholm och olika leveransplatsers samt terminalers lokalisering och utformning. Detta visade på stora skillnader i uppläggen för distribution av styckegods respektive dagligvaror där fordon som distribuerar styckegods gör många och korta stopp medan fordon som distribuerar dagligvaror gör ett fåtal mer långvariga uppehåll. Detta medförde att studien inriktades mot två olika leveransstrukturer i form av frekventa och korta uppehåll för lossning och lastning respektive få och långa uppehåll. Vidare kartlades vilka slag av hybrida och/eller elektrifierade drivsystem som kunde bli aktuella för en elektrifierad citylogistik i främst centrala Stockholm. Av kartläggningen framgick att de mest kostnadseffektiva lösningarna kunde uppnås genom att utgå från de parallellhybridsystem som marknadsförs av större fordonstillverkare samt att komplettera fordonen med energilager samt strömförsörjningssystem av olika slag. Detta skulle möjliggöra att fordonen i normalfallet drivs med el i stadsmiljö och i vissa fall kan komma att använda förbränningsmotordrift på vissa tillfartsleder, när omlastningsterminalerna är lokaliserade på stort avstånd från stadskärnan. Fordon för dagligvarudistribution kan utformas så att de kan laddas när de står vid terminaler samt mellanliggande lossningsplatser respektive varumottag. En förutsättning är att fordonen ges en tillräcklig batterikapacitet och att laddutrustningar med en hög effekt installeras vid terminaler och varumottag. Den lägsta merkostnaden för ett dagligvarufordon av detta laddhybridutförande, jämfört med ett standardfordon, har beräknats till 40 %. En sammanräkning av merkostnader relaterat till minskade energikostnader, visar vid dagligvarudistribution på återbetalningstider på mellan 3 och 10 år för denna fordonslösning. Högre kostnader och längre återbetalningstider uppstår om fordonen förses med ombordladdare och automatiska anordningar för laddanslutning. I samband med distribution och insamling av styckegods är det svårare att ladda fordonen under uppehåll eftersom uppehållen är korta samt ofta sker på platser där laddning inte är möjlig. Detta medför att dessa fordon i större omfattning än fordon som används vid dagligvarudistribution måste drivas med förbränningsmotorer såtillvida att de inte kan elförsörjas under drift. Studier visade att laddning under färd kan ske genom utnyttjande av spårvägarnas kontakledningsnät. I studien undersöktes olika sätt att utforma tekniken för elöverföring under drift samt kartlades vilka kostnader som var förenade med olika alternativ. För strömavtagning var den billigaste lösningen strömavtagare för trådbussar. Eftersom inga trådbussystem finns att tillgå i de aktuella storstäderna inriktades studien istället mot olika alternativ för strömavtagning från spårvagnarnas kontaktledningssystem. En utveckling fordras här beträffande system för återledning av ström till spåren, vilket kunde ske genom spårvägshjul eller släpskenor/strömåterföringsarmar. En lägsta merkostnad för ett styckegodsfordon med ett laddhybridsystem som kan elförsörjas under drift har beräknats till 100 %. Högre kostnader uppstår om fordonet förses med intelligenta strömavtagare eller utrustas med spårvägshjul för strömåterföring samt styrning av fordonet. Sammanräkningar av de merkostnader på fordon för styckegodsdistribution som var förenade med dessa lösningar, relaterat till minskade energikostnader genom en billigare eldrift, visade på återbetalningstider mellan 9 och 11 år för ett laddhybridsystem av detta slag. Den genomförda studien har visat att det utifrån ett tekniskt och ekonomiskt perspektiv är möjligt att skapa en elektrifierad citylogistik genom en utveckling av elektrifierade distributions-

fordon för större tätorter. Av studien framgår även att stora andelar av varuförsäljningen och handeln i centrala Göteborg respektive Stockholm sker i närhet till spårväg med gatuspår. En slutsats av förstudien är att en huvudstudie avseende en elektrifiering av citylogistiken i de största svenska städerna bör inledas. En första del bör omfatta citydistribution av daglivaror där förutsättningarna att skapa ett system och fordonskoncept, baserat på en laddhybridlösning, för i huvudsak eldrivna transporter av dagligvaror in till stadens centrala delar, utvecklas. I detta bör innefattas system för laddning av fordon vid terminaler och lossningsplatser samt utveckling av teknik för laddning respektive laddanslutning av fordon ur ett arbetsmiljöperspektiv. Denna konceptutveckling bör följas av en demonstration som innefattar att ett prototypfordon tas fram. Av intresse är vidare att i en huvudstudie, för främst styckegodstransporter, utveckla system för laddning av fordon under drift från i första hand kontaktledningssystem för spårvagnar. Ett sådant system har en stor potential men kräver fortsatta utvecklingsinsatser kring tekniska frågor såsom strömöverföring från kontaktledning respektive strömåterledning. I detta ingår vidare studier av infrastrukturlösningar såsom elektrifiering av tillfartsleder, såsom Norra och Södra länken samt hur detta i ett större perspektiv kopplas till en utbyggnad ett elvägnät för tung trafik. Förutom de tekniska lösningar som berördes i förstudien bör en fördjupad utvärdering ske av olika hybrida drivsystem. I en fortsättningsstudie är det av intresse att till exempel utvärdera vad elektrifierad citydistribution innebär för distributörer med omlastningsterminaler lokaliserade på olika avstånd från distributionszonerna, det vill säga städernas centrala delar. Summary Distribution of goods in urban areas is a costly and energy consuming activity. For heavy-duty distribution vehicles, fossil fuel combustion engines are most commonly used, resulting in the emission of greenhouse gases and other pollutants. In large urban areas, heavy-duty vehicles are used for distribution of non-durable consumer products, brewery- and dairy products and general cargo. Actions for increased use of renewable fuels in these vehicles have been taken. To reduce the environmental impact of distribution, the use of alternative, non-fossil or gas fuels has been initiated. One approach is the development towards electric and hybrid drives including electric energy storage and parallel hybrid drives. Because of the increase in vehicle weight and decrease in load capacity caused by batteries, the interest in these solutions has so far been limited. A background to this pre study is an interest in reducing the environmental impact of distribution of goods and to reduce local emissions of greenhouse gases and other pollutants using electric power in urban areas. As electric drives, where electric energy for a whole driving session, is stored in batteries is not assessed as an economically viable solution, alternatives such as hybrid drive, electric supply and charging while driving as well as charging at stops are of interest. Ideas to use tram and subway systems for distribution have been presented. However, the use of rail vehicles appeared to be costly and to give a poor flexibility. One proposal raised is whether it is possible that in urban areas where trolley bus or tram service runs provide distribution vehicles with electricity from the power supply system created for that traffic. Since the tramway, in this respect, has a dominant position in Sweden, a solution for electrified distribution is assumed to

be designed with electric supply from the tramway system catenaries. One problem is that these catenaries consist of one current conductor and the current return takes place through the rail. If vehicles with rubber tires are used, new systems for current return to the rail will be required. The aim of the pre study was to investigate alternative ways to electrify distribution vehicles, in order to reduce the environmental impact from distribution of goods in major urban areas and in city centers. One aim was also to investigate the opportunities for power supply of distribution vehicles from overhead lines for trams and/or trolley buses, during operation as well as charging at the stops for loading or unloading of goods. In this pre study, commodity turnover were mapped in central Gothenburg and Stockholm, and also compared to the location of the electrical public transport in street environment. This showed that in Gothenburg 100 % of the commodity turnover was located along tram routes with street rail, while 45 % of the commodity turnover in Stockholm was located along a tram route with street rail. Patterns of non-durable consumer products and general cargo deliveries were also mapped for central Stockholm as well as loading platforms and loading bays and terminals location. This revealed significant difference in the structure for distribution of general cargo and non-durable consumer products where vehicles for general cargo distribution make frequent and short stops for loading and unloading while vehicles for non-durable consumer product distribution made a few long-time stops. This made the study focus on two different delivery structures; frequent and short stops respectively a few and long-time stops. Furthermore, the categories of hybrid and/or electric drive systems that could be candidates for electrified city logistics in primarily central Stockholm, was identified. The survey showed that the most cost effective solutions could be achieved by starting from the parallel hybrid system marketed by the major automotive or commercial vehicle manufacturers, in addition with energy storage and power supply systems of various designs. This would make it possible for the vehicles to run on electricity in urban areas and in some cases use internal combustion engines when operating on freeways, if the terminals are located at a long distance from the city center. Non-durable consumer product distribution vehicles could be designed for charge at terminals and intermediate loading platforms at goods receptions. One condition is that vehicles are given sufficient battery capacity and that charging equipment with high power is installed at terminals and loading bays. The minimum additional cost for a plug-in hybrid non-durable consumer product vehicle, compared to a standard vehicle, has been estimated to 40 %. A calculation of the additional costs related to reduced energy costs, shows for plug-in hybrid vehicle, payback times of between 3 and 10 years for this vehicle solution. Higher costs and longer payback times occur on vehicles equipped with onboard charger and automatic devices for load connection. During distribution and collection of general cargo it is more difficult to charge the vehicles at intermediate loading bays and platforms because the stops are short and often occurs in places where charging is not possible. This means that these vehicles more extensively than vehicles used in non-durable consumer product distribution must be powered by internal combustion engines unless they can be supplied by electricity during run. Studies showed that charging while driving can be made by use of the tramway catenaries. The study examined different technologies for power supply during run and estimated the costs that were associated with

different alternatives. The cheapest solution was pantographs for trolleybuses. Since trolleybus systems are not present in the big cities in Sweden, the study instead focused on alternatives for current collection from tram catenary systems. However, a development of systems for current return to rail is required. This could be achieved by tramway wheels or current return arms. The additional cost for a general cargo vehicle equipped with a plug-in hybrid drive system and supplied by electricity during run is calculated to about 100 %. Higher costs arise if the vehicle is equipped with an intelligent pantograph or tramway wheels for current return and guidance of the vehicle to the rails. Calculations of additional costs for these solutions at general cargo distribution vehicles, related to reduced energy costs through the cheaper electric drive, indicated payback times between 9 and 11 years for a plug-in hybrid system of this kind. The current study has shown that, from a technical and economic perspective it is possible to create electrified city logistics and distribution systems by developing electrified distribution vehicles for urban areas. The study also shows that a large part of the sale of goods in central Gothenburg and Stockholm occurs close to street tramways. One conclusion of the pre study is that a main study, on electrification of city logistics in major Swedish cities, should be initiated. A first part should include city distribution of non-durable consumer products where the potential to create a system and vehicle concept, based on a solution for plug-in hybrids, mainly for electric transport of non-durable consumer products into the city center, is developed. This should include systems for charging vehicles at terminals and loading bays and loading platforms, and also a development of technology for charge and charge connections of vehicles from a work perspective. This concept development should be followed by a demonstration that will include the creation of prototype vehicles. Of interest in a main study is also to develop systems for general cargo transport, for charging vehicles during run from primarily tramway systems. Such a system has a large potential but require further development work on technical issues such as power supply from overhead catenaries and current return. This includes further study of infrastructure solutions such as electrification of access freeway routes and tunnels like Norra and Södra länken and how this in a larger perspective could be linked to a development of electric roads for heavy-duty transports. In addition to the technical solutions mentioned in the pre study, an extended evaluation of a number of hybrid powertrain systems should be done. In a main study, it is of interest to, for example, evaluate what effect electrified city distribution would have to distributors with terminals located at different distances from the distribution zone, i.e. the city center.