Rapport:2013:115 / Version: 1.0 Bussvei Stavanger Dagens bussmarknad
Dokumentinformation Titel: Bussvei Stavanger Dagens bussmarknad Serie nr: 2013:115 Projektnr: 13181 Författare: Medverkande: Kvalitetsgranskning: Beställare: Stephan Bösch Andreas Nordström PG Andersson PG Andersson Rogaland Fylkeskommune Kontaktperson: Tore Jensen, tel +47 51 51 68 19 Dokumenthistorik: Version Datum Förändring Distribution 0.1 2013-12-18 Första utkast Beställare 0.2 2014-01-20 Mindre justeringar Beställare 1.0 2014-01-23 Slutversion Beställare Åldermansgatan 13 SE-227 64 Lund / Sweden Telefon +46 (0)10-456 56 00 Fax + 46 46 38 65 25 info@trivector.se
Innehållförteckning 1. Bakgrund och inledning 1 2. Dagens bussmarknad 3 2.1 System som ingår i jämförelsen 3 2.2 Bränslen och teknik 4 3. Avslutande diskussion 17 Åldermansgatan 13 SE-227 64 Lund / Sweden Telefon +46 (0)10-456 56 00 Fax + 46 46 38 65 25 info@trivector.se
Åldermansgatan 13 SE-227 64 Lund / Sweden Telefon +46 (0)10-456 56 00 Fax + 46 46 38 65 25 info@trivector.se
1 1. Bakgrund och inledning Bussveien i Stavanger är en cirka 30 kilometer lång bussbana som, med undantag för kortare sträckor i ändarna, kommer att gå på egen bana (se Figur 1-1). Bussprojekt syftar till att erbjuda resenärerna en högkvalitativ kollektivtrafik och denna utredning fokuserar på spörsmål kring hur den framtida fordonsflotta som ska trafikera bussveien och resterande kompletterande linjenät ska se ut. Bussmarknaden har under de senaste 5 till 10 åren utvecklats allt mer i riktning mot alternativa bränslen. Jämte de beprövade systemen som trådbussar, dieseloch gasbussar har inte minst olika hybrid- och helelektiska lösningar fått uppmärksamhet. Inom ramen för detta arbete kommer därför de olika bränsleoch drivsystemen ligga i fokus. Rapporten ger en första inblick i vilka system som finns på marknaden, vilka av dessa som kan anses vara helelektriska, identifierar grundläggande skillnader mellan alternativa tekniska lösningar och avslutningsvis diskuteras marknadsläget för respektive system ser ut idag.
2 Figur 1-1 Bussvei i Stavanger (röda och gröna linjer)
3 2. Dagens bussmarknad I denna del görs en genomgång av Bussmarknaden som den ser ut idag. Utgångspunkten är att jämföra med den senaste typen av dieselbuss Euro 6 med längderna 12, 18 och 24 meter. Med beteckningen Euro 6 menas de skärpta krav på minskade utsläpp som gäller för bilar, bussar och lastbilar med start under 2014. Utsläpp från personbilar mäts i g/km, men för tunga fordon används enheten g/kwh. För motorer anges kraven i Tabell 2-1. Tabell 2-1 EURO 6-krav i jämförelse med tidigare krav (i g/kwh) Kravnivå CO HC NOx PM EURO 4 1.5 0.46 3.5 0.02 EURO 5 1.5 0.46 2.0 0.02 EURO 6 1.5 0.13 0.4 0.01 2.1 System som ingår i jämförelsen Bussmarknaden har tagit fram många flera olika lösningar för hur en buss kan drivas. Det är inte möjligt för enskilda busstillverkare att utveckla och investera i en produktportfölj som innehåller samtliga busskoncept som finns på marknaden, eller är under utveckling, vilket gör att varje tillverkare måste satsa på den teknik som just de tror kommer att vara lönsamt i framtiden. Diesel betraktas även framöver vara ett relevant bränsle, och övriga system benchmarkas i denna studie utifrån dieselbussar som uppfyller EURO 6- standarden. I benchmarkingen ingår: Natur- och biogasbussar (CNG resp. CBG) Etanolbussar Elektriska bussar (tråd- och batteribussar) Hydrogen (som direkt bränsle) Hybridlösningar (el/diesel, el/gas, bränsleceller)
4 2.2 Bränslen och teknik Diesel Dieseldriften kan beskrivas som den mest traditionella lösningen. Någon större förklaring om hur denna teknik fungerar anses inte behövs. EURO 6-kraven innebär däremot vissa större anpassningar för att uppnå både lägre utsläpp och minskad bränsleförbrukning. Mercedes har med senaste generationen CITARO-bussar varit framgångsrika med detta genom ändringar i bland annat bränslemodulen, oljekylmedelsmodulen, oljekåpan, turboladdningen med luftoch avgasledning, ventilkåpan med oljedimavskiljare samt placeringen av de remdrivna aggregaten. Så vitt vi har kunnat ta reda på finns det både standardbussar (12m) och ledbussar (18m) som går på diesel samt klarar EURO 6-kraven. Grundläggande drivlinekonfiguration: Bränsletank Motor Växellåda Mekanisk drivlina Några kännetecken: Baslösning, mycket beprövad Verkningsgrad (teoretisk): ca 35 % Fordon finns på marknaden i alla storleksordningar Biogas och naturgas Biogasbaserad fordonsgas är ur miljöhänseende det bästa bränslet som idag finns på marknaden. I Sverige är fordonsgasproduktion det största användningsområdet för biogas, 2010 var andelen av den totala produktionen 44 procent. Biogasbaserad fordonsgas framställs genom en uppgradering av biogas. Det är emellertid inte alltid som fordonsgas till 100 % består av uppgraderad biogas. Oftast består fordonsgasen av en blandning av fossilbaserad naturgas och biogas. Ibland kan till och med källan uteslutande vara fossilbaserad naturgas. År 2010 användes 94 procent av den uppgraderade
5 biogasen som fordonsgas i Sverige. Även i Norge växer gasbussar i populäritet, och liksom i Sverige består fordonsgasen av en blandning av bio- och naturgas. Nedan redogörs kortfattat om skillnaderna mellan bio- och naturgas: Biogas bildas genom en syrefri, organisk nedbrytningsprocess. I huvudsak består gasen av metan och koldioxid, men den innehåller också lite svavelväte och vattenånga. Produktion av biogas sker i första hand i biogasanläggningar, där organiskt material rötas i en rötkammare. Gasens metanhalt ligger vanligtvis omkring 60-70 procent. Biogas produceras också naturligt på deponier med organiskt avfall. Figur 2-1 Gasbuss i Bergen Naturgas utvinns ur fossila källor och är därmed inte förnyelsebar. För både natur- och biogas gäller att de lokala utsläppen är låga medan naturgasens källa i icke-förnyelsebara resurser är en miljömässig nackdel. Två system används för tankning av biogas till bussar, långsam- respektive snabbtankning. Vid långsamtankning är varje buss uppställd vid en ramp och ansluten till var sin tankningsslang under hela natten medan vid snabbtankning sker tankningen under 3-5 minuter ifrån fasta dispensrar vilka kan användas även för tankning av andra gasfordon än bussar. Långsamtankning innebär att kompressorer komprimerar från gasledningen in till aktuellt gastryck i anslutna fordon. Långsamtankning används då bussarna står uppställda på natten.
6 Tekniskt sett är dagens gasmotorer antingen otto-motorer eller särskilt framtagna gasmotorer. Den begränsade marknaden för gasmotorer gör dock framtida investeringar i vidareutvecklingen av motorer osäker. Grundläggande drivlinekonfiguration: Gastank Motor Växellåda Mekanisk drivlina Några kännetecken: Enkla förändringar gör en dieselbuss till en gasbuss som kan drivas med förnybar biogas Verkningsgrad: lägre än för dieseldrivna bussar Fordon finns upp till 18 meters längd (ledbussar) Stor marknad Etanol Etanol har sedan mitten av 00-talet varit väldigt omtalat. Etanol kan användas som ersättning av bensin och framställs av växter. Efter den första euforin förändrades bilden något då stora markytor krävs för produktionen av etanol, jordbruksmark som istället skulle kunna användas för matproduktion. Fördelen kvarstår dock att etanol är ett fossilfritt bränslealternativ (bortsett transporterna av etanolen). Även i Skandinavien kan etanol tillverkas av skogsbrukens restprodukter, dock handlar det då om samma råvara som även används för tillverkningen av biogas (rötning). I Sverige används etanolbussar i relativt stor utsträckning i Stockholm. I Norge finns enligt våra efterforskningar 18 etanolbussar i Oslo. Etanolen har fördelen att tankanläggningar i stort motsvarar diesel eller bensintankanläggningar. Ett antal punkter bör dock uppmärksammas: Etanol har lägre flampunkt än diesel och ska hanteras som bensin Pumpen måste bli godkänd i samma brandtekniska klass som för bensin Alla ingående komponenter av polymerer (plast) måste undersökas Tanken ska inte målas invändigt eftersom etanol fungerar som lösningsmedel
7 Vid kommersiell användning så kan anläggningen behöva godkännas av ansvarig myndighet Bussarna som drivs av etanol är utrustade med en modifierad dieselmotor (trots att etanolen är mer lik bensin). Enligt vår efterforskning finns det enbart 12 meters standardbussar samt 18 meters ledbussar i etanolutförande. Figur 2-2 Enkelledad etanolbuss i Stockholm Grundläggande drivlinekonfiguration: Bränsletank Motor Växellåda Mekanisk drivlina Några kännetecken:
8 Något bättre verkningsgrad än andra förbränningsmotorer (högre oktantal, men mindre energirik vilket ökar förbrukningen) Mycket begränsad marknad i Europa Finns som 12 och 18 metersbussar Förnyelsebar energikälla Hydrogen Hydrogen produceras med elkraft och vatten, ofta inom depåområdet. Med hjälp av elektricitet kan vattnet delas upp i sina beståndsdelar via elektrolys. Under denna process uppgår dock energiförlusten till cirka 25 %. Ett alternativt sätt att producera hydrogen är att dra nytta av det hydrogen som kan uppstå som en biprodukt i vissa industriella processer. I dessa fall handlar det om hydrogen som restprodukt från fossila källor som, om den inte tas tillvara, istället förbränns. Vid förbränningen av hydrogen bildas vatten. Liksom för direkt eldrivna fordon gäller att elektriciteten måste tillverkas fossilfritt för att denna form av bränsle kan anses vara hållbart. De största kraven på hydrogenets renhet är om bränslecellsbussar skall användas. Då är den säkraste tekniken att producera hydrogen lokalt på plats med en elektrolysör eller att köpa ren hydrogen från gasleverantörer. Finns tillgång till naturgas, och beroende på energipriser, så kan det vara intressant att ha en naturgasreformer (omvandling av naturgas till hydrogen) och producera hydrogen på plats. Det kräver speciell rening av hydrogenet om den skall kunna användas i dagens bränslecellsbussar. Tekniken för detta finns och görs på flera ställen (t.ex. i Madrid och Stuttgart inom HyFleet CUTE-projektet). Figur 2-3 Bräslecellsbuss i Oslo
9 De flesta hydrogendrivna bussar idag fungerar enligt hybridprincipen, dvs. att hydrogenet driver bränsleceller som sedan driver en elmotor. Hydrogen som direkt bränsle är sällsynt för bussar. Bränslecellsbussar finns enbart i mycket liten utsträckning, ofta som del i olika försöksprojekt. I dagsläget finns hydrogendrivna bussar som 12 och 13,5 (Oslo) meters bussar. Grundläggande drivlinekonfiguration för bränslecellsbussar: Balance of Plant (BOP) Batteri Grundläggande drivlinekonfiguration för bussar som använder hydrogen direkt: Gastank Motor Växellåda Högtryckstankar Bränsleceller Elmotor (ev. växellåda) Mekanisk drivlina Bränsleceller Mekanisk drivlina Några kännetecken: Ingen befintlig marknad för direktverkande hydrogen, pilotprojektmarknad för bränslecellsbussar 12 metersbussar har testats på olika platser, 18 och 24 metersvarianter finns som prototyper Verkningsgrad (teoretisk, bränslecellsbuss): ca 50 %.
10 Relativt stora frågetecken och kostnader för tankanläggningar med tillräcklig kapacitet. Även bränslecellernas livslängd och ersättningskostnad är relativt svårbedömd. El Elektrisk energi kan framställas på många olika sätt och kan baseras både på fossila och ickefossila källor som exempelvis vind, vatten, sol. De lokala utsläppen blir dock, oberoende om man producerar el fossilfritt eller inte, nära noll. Bussar som går 100 % på el finns i form av trådbussar på många ställen i världen. I Skandinavien finns trådbussar i Landskrona och Bergen. Trådbussar fungerar mycket likt spårvagnar vilket innebär att de har en kontinuerlig tillförsel av elektrisk energi med hjälp av en konduktiv strömöverföring via två spröt. En skillnad jämfört med spårvagnar är att den tillhörande kontaktledningen består av två kontakttrådar eftersom det inte finns några räler som kan fungera som återledare. Elmotorer är mycket effektiva och har en mycket enkel konstruktion som innebär lång livslängd och relativt enkla underhållsåtgärder. Trådbussar finns i alla storleksordningar, från 10m midibuss (Lyon) över 12m standardbuss till 24m dubbelledbuss. Figur 2-4 Dubbelledad trådbuss i Zürich.
11 Figur 2-5 Ny ExquiCity-trådbuss i Parma Grundläggande drivlinekonfiguration för trådbussar: Spröt Hjälpgenerator Elmotor (ev. växellåda) Mekanisk drivlina Några kännetecken: Beprövad teknik med en växande marknad Fordon finns i alla storleksordningar Verkningsgrad: 60 % (mer vid tillvaratagande av bromsenergin) När det gäller rena batteribussar konstateras två grundläggande skillnader avseende hur laddningen utförs:
12 Batteribussar som nattladdas med tillräckligt mycket energi för en hel dags körning Batteribussar som nattladdas och sedan tilläggsladdas under trafikdagen Nattladdning Laddhybrider och olika elbussar nattladdas för att maximera användningen av elmotorn. Laddningen av batterierna sker med likström. Om det finns befintliga trådbuss- och spårvägssystem finns likströmsinfrastrukturen redan på plats. Saknas detta används i princip samma metod som med anslutning till 400 V, 3- fasnät, under förutsättning att laddningen inte överstiger 60 kw (på grund av nätbegränsning). Ofta används traktionsväxelriktare för att ladda batterierna (används som likriktare) om laddningen utförs med 400V. Denna teknik används i de kinesiska bussarna från Build Your Dreams. Tilläggsladdning Relativt många elbussförsök bygger på en kombination mellan en fullständig nattladdning samt kompletterande laddningar under dagen. Här kan två olika ansatser konstateras: Konduktiv Induktiv Figur 2-6 Slide-In trådbuss/batteribuss i Landskrona
13 Med en konduktiv kontakt menas att det finns fysiskt kontakt mellan fordon och energinät via någon form av strömavtagare/kabel. Denna typ av system finns exempelvis i Shanghai och Wien. Även Landskronas försöksprojekt Slide-In där de befintliga trådbussarnas infrastruktur nyttjas för laddningen är ett exempel på detta system. Många system bygger i detta fall på beprövade strömavtagarsystem som vi känner från spårvägar och trådbussar. En induktiv energiöverföring innebär att det inte finns någon direktkontakt mellan energikälla och fordon. Bombardiers Primove-system och KAISTs OLEV-system bygger på denna teknik där bussar laddas via en strömkälla i marken. Laddningen sker enbart då fordonet passerar över energikällan. Grundläggande drivlinekonfiguration för batteribussar (batteriets storlek skiljer sig mellan nattladdade och tilläggsladdade fordon): Laddutrustning Batteri Elmotor (ev. växellåda) Mekanisk drivlina Några kännetecken för batteribussar: Begränsad räckvidd Dyra och tunga batterier, livslängden oklar (ca 5-7 år) Kalla klimat kan begränsa effekten Verkningsgrad: runt 40 % Hybrider Det har under senare åren blivit allt vanligare med bränslekombinationer där el ingår, så kallade hybrider. MalmöExpressen i Malmö (Sverige) kommer exempelvis från juni 2014 bestå av fordon som drivs som gas/el-hybrider. Liknande fordon ska prövas i Bergen hösten 2014. Vid laddning av laddhybrider är likström att föredra. Om spårvagnar eller trådbussar finns i ett befintligt kollektivtrafiksystem är det särskilt intressant att samlokalisera depåer då spårvagnar och trådbussar går på likström vilket innebär att likriktarstationer finns.
14 Det finns system med både serie- och parallellhybrider i flera europeiska länder, och tekniken har utvecklats under relativt lång tid. Seriehybrider I en seriehybrid drivs fordonet av elmotorn. Förbränningsmotorn saknar mekanisk koppling med drivhjulen och används till att driva en generator som alstrar elström, vilket i sin tur via ett batteri driver elmotorn som är kopplad till drivhjulen. I fordon med seriehybriddrift är förbränningsmotorns effekt lägre än för motsvarande i ett konventionellt fordon utan hybridteknik, vilket även medför att denna kan göras något mindre. Förbränningsmotorns belastning kan hållas tämligen konstant vilket skapar förutsättningar för låga emissioner och låg bränsleförbrukning. En seriehybrid kan konstrueras för att köras emissionsfritt begränsade sträckor. Seriehybrider kräver batterier med hög effekttäthet då en stor del av effekten hämtas ur batterierna. Verkningsgraden från förbränningsmotor till bakhjul är lägre än för en konventionell drivlina eller en parallellhybrid på grund av förluster vid omvandling till och från elektrisk energi. Batterierna bidrar till hög vikt och höga kostnader för drivsystemet. Figur 2-7 Seriell dieselhybrid i Metz Grundläggande drivlinekonfiguration för seriella hybrider:
15 Batteri Bränsletänk Motor Generator Elmotor (ev. växellåda) Mekanisk drivlina Parallellhybrider Parallellhybrider drivs av både förbränningsmotorn och elmotorn, och till skillnad från seriehybrider finns en mekanisk koppling även mellan förbränningsmotorn och drivhjulen. Vid körning kan fordonet drivas med förbränningsmotorn och batterier antingen tillsammans eller var för sig. Elmotorn drivs av kraft från batterier som laddas från energi som kan återvinnas ur bussens system för bromskraftåtervinning. Figur 2-8 Parallellhybrid i Göteborg. På den högra sidan i bilden syns även laddstolpen för laddhybriden som testas i Göteborg Fördelningen mellan el- och förbränningsmotorn kan anpassas för att uppnå maximal verkningsgrad och prestanda.
16 Parallellhybrider är vanligen utrustade med större förbränningsmotor och mindre elmotor än för motsvarande fordon med seriehybriddrift. Förbränningsmotorn i en parallellhybrid påverkas mer av körcykeln än seriehybrider, vilket kan påverka emissionerna från fordonet negativt. Samtidigt kan mindre batterier innebära lägre totalvikt för fordonet vilket bidrar till lägre bränsleförbrukning. Parallellhybridtekniken medger att förbränningsmotorn stängs av när bussen angör hållplatslägen. Bussen kan sedan starta med endast elmotorn, och först när bussen nått upp i 15-20 km/h startar förbränningsmotorn. Lösningen kan, beroende på bränsle, ge minskade avgasemissioner i städerna och ytterligare positiva effekter är att passagerare, fotgängare, närboende och medtrafikanter exponeras för lägre støynivåer. Grundläggande drivlinekonfiguration för parallella hybrider: Bränsletank Motor Växellåda Mekanisk drivlina Batteri Elmotor Några kännetecken: Finns i mindre utsträckning på marknaden Seriella hybrider verkar mycket lovande (eventuellt med laddfunktion) Seriella hybrider finns i alla storleksordningar Verkningsgrad: ca 30 % - 35 % (inkl. återmatning av bromsenergi till batteriet)
17 3. Avslutande diskussion Det är onekligen så att bredden på olika busslösningar är stor. Utan att beröra kostnaderna för de olika lösningarna kan vissa egenskaper av de behandlade fordonskoncepten sammanfattas. Tabell 3-1 ger en överblick över de olika systemen. Det bör tilläggas att vi gjort antaganden om att el tillverkas från förnyelsebara källor samt att hydrogen tillverkas med hjälp av elektrolys som använder sig av el som tillverkas från förnyelsebara källor. Tabell 3-1 Sammanställning över fordonskonceptens egenskaper. Fordonskoncept Støy Lokala utsläpp Utsläpp av växthusgaser Utvecklingsnivå Drivlineenheter med osäker livslängd Förnybart/ Icke förnybart bränsle Diesel Hög Hög Hög Serie Inga Ickeförnybar Biogas* Mellan-hög Hög Låg Serie Inga Förnybar Naturgas* Mellan-hög Hög Hög Serie Inga Ickeförnybar Trådbuss Låg Låg Låg Serie Inga Förnybar Batteribuss ar, tilläggsladdning Låg Låg Låg Små flottor Batteri Förnybar Låg Låg Låg Små flottor Batteri Förnybar Etanolbuss Hög Hög Låg Enstaka flottor Hydrogen, direkt Seriehybrid ** Batteribuss, nattladdning Bränslecellsbuss Parallellhybrid** Laddhybrid ** Inga Låg Låg Låg Små flottor Bränslecell er, batteri Förnybar Förnybar Hög Låg Låg Inga fordon Okänt Förnybar Mellan Mellan-låg Mellan Medelstora flottor Batteri Delvis/helt förnybar Mellan-hög Mellan Mellan-hög Medelstora Batteri Delvis/helt förnybar Mellan Mellan-låg Mellan Små flottor Batteri Delvis/helt förnybar
18 * Biogas och naturgas säljs oftast inte separerade utan i en blandning med benämningen fordonsgas. Liksom vid inköp av el är det osäkert hur stora andelar förnyelsebart bränsle man verkligen får även om man avtalar om att enbart köpa förnyelsebar energi. ** Alla dessa hybrider har någon form av förbränningsmotor. Om denna motor går på exempelvis biogas eller etanol är alla bränslekällor tillgängliga som förnybara bränslen. Använder man sig dock av diesel i kombination med el är enbart en del av bränslet tillgänglig som förnyelsebar variant (el). Det kan konstateras att lösningar med höga utsläpp och støynivåer är de mest beprövade, och fordonskoncept med låga utsläppsnivåer uppvisar frågetecken kring delenheters livslängd (batterier, bränsleceller) samt att det ofta enbart handlar om prototyper eller små fordonsflottor. Undantaget är trådbussen som är beprövad, finns som seriefordon och som har låga utsläpp. Som mellanlösningar hittas olika hybridvarianter (undantaget bränslecellsbussar). Dessa verkar bilda en brygga mellan full elektrisk drift utan tråd och traditionell drift med diesel eller gas. Etanolbussar och bussar som använder hydrogen som direkt bränsle är något olika. Etanolbussar är visserligen i drift i större antal i Sverige (framförallt Stockholm) men det verkar vara svårt att hitta köpare för etanolbussar på marknaden i Europa (enbart Scania som koncentrerar sig på etanolbussar). Direktverkande hydrogenbussar tillverkas för närvarande inte (fanns ett fordon i München i slutet av 1990-talet). Istället har man koncentrerad sig på hydrogen som bränsle i bränslecellsbussar (t.ex. Mercedes, VDL, Van Hool).