session 19 sten karlsson

Plug-inhybrider –Plug inhybrider en energieffektiv möjlighet ?

Sten KarlssonSten KarlssonFysisk resursteori

Chalmers

Transportforum Linköping 8-9 jan 2009

Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 1

Plug-inhybrider

• Effektivitet

• Ekonomi

• Databehov• Databehov

Några resultat och reflektioner från Några resultat och reflektioner från egna och andras studier vid Chalmers


Eld ift i ff kti it t ! Eldrift – energieffektivitet !

• Eldriften överlägsen Eldriften överlägsen

iEnergi till bil”TTW”

Verkningsgrad (på EU-körcykeln)

S40 1,6 18 %S40 2 4 15 % (2007 års modeller)TTW S40 2,4 15 % (2007 års modeller)

S40 1,6D 25 %

Verkningsgrad70 –> 100 ! %

Energi till hjul ≈1,2 kWh/mil 70 > 100 ! %

(återvinning avbromsenergi)


eldriftförbränningsmotor

Eldrift – vilken energieffektivitet ? Eldrift – vilken energieffektivitet ?

• Eldriften överlägsen, fast bara på bilnivå

i f

biobränslekolkondens CCS(k li få i )Energi för

hela kedjan ”WTW” kolkondens

olja(kolinfångning)

WTW kolkondens

vindkraft Energi till hjul



Eldrift – vilken effektivitet ? Eldrift – vilken effektivitet ?

• Växthusgasemissioner beror på systemet

i

kolkondens

CO2 i hela kedjan ”WTW”

olja

WTW

vindkraft kolkondens CCSbiobränslen



Eldrift – vilken effektivitet ?

• Kostnadseffektivitet !

• .. för scenarion - hela energisystemet hela energisystemet - globalt- med strikta CO2-mål- begränsade fossilresurser , bioresurser, … - olika förutsättningar: tillförsel, …

- .......


Vilken eldrift ?

• Mellanformer mest intressanta?

i

V-grad 29% (II)

Energi till bil

hybrid HEV (fbrmotor+el)

Toyota Prius III

l i h b id PHEV

y ( )(100% bränsle)

plug-inhybrid PHEV (bränsle + el från nätet)

GM Volt

Energi till hjul


Eldrift – kostnadseffektivitet Eldrift kostnadseffektivitet

• Kostnadseffektivitet för att uppnå strikta globala CO2-mål( b ä d bi / lj / k li få i (CCS) )(+begränsad biomassa/olja/gas, kolinfångning (CCS),… )

Dominerande Favoriserad teknik för CO2-neutral tillförsel bilar på sikt

Sol Plug-inhybrider

Kärnkraft Plug-inhybrider

Kol med CCS Väte i förbr.motor, bränsleceller

• Kostnad för bilen dock viktigaste osäkerheten fortfarande

Hedenus Karlsson Azar Sprei 2008 Electricity or hydrogen for transportation? System interactions


Hedenus, Karlsson, Azar, Sprei, 2008. Electricity or hydrogen for transportation? System interactions between the transportation and stationary sectors in a carbon constrained world. Energi & Miljö, CTH.

Privatekonomisk effektivitet, drift och kapitalPrivatekonomisk effektivitet, drift och kapital

• När är plug-in hybriden (PHEV) mest ekonomisk?Må t (åt i t ) bätt ä h b id! • Måste (åtminstone) vara bättre än hybrid!

ik dEnergikostnad

HEV

PHEV

i lk d


Kapitalkostnad

Privatekonomi: plug inbilar relativt hybrider Privatekonomi: plug-inbilar relativt hybrider

Förutsättningar:g• Framtida teknik och kostnad: EPRI (2001) respektive NREL (2005)• Svenska förhållanden idag (energipriser och körsträckor)

å• För PHEV med olika räckvidd på el + ren elbil

PHEV lönsammast för• EPRI-data: 32 km räckvidd• NREL-data: ingen

Skillnad:• HEV –> PHEV: NREL 6 ggr dyrare än EPRI !

di i i j d k d fö k d• pga dimensionering, utnyttjande, kostnad för kund

Karlsson & Ramírez, 2007. Plug-ins – a viable efficiency option? (In Proceedings to ECEEE


Karlsson & Ramírez, 2007. Plug ins a viable efficiency option? (In Proceedings to ECEEE 2007 Summer Study: Saving energy – just do it! La Colle sur Loup, France 4–9 June 2007.)

Hybrid (HEV) –> Plug-inhybrid (PHEV)

• Krävs större batteri, laddas från nätet

• Li-jon batterier mest aktuella

• Frågetecken idag (Li-jon) ”Mål” Livslängd (bilens livslängd 4 5000 cykler)– Livslängd (bilens livslängd, 4-5000 cykler)

– Utnyttjandegrad (∆SOC) (≥ 80 %)

– Säkerhet (aldrig kunna ta eld/explodera)( g / p )

– Kostnad (≤300 $/kWh)


Livslängd och Utnyttjandegrad: Trade-offLivslängd och Utnyttjandegrad: Trade off

100 %

Utnyttjandegrad( d l k i ) Li-jonbatterier

50 %

%(andel av kapacitet) Li-jonbatterier

100 1000 10000 100000 %

Cykler

Konverterad Prius7 juni 2008:

Säkerhet

7 juni 2008:


Kostnad, Li-jon batterier

• Småceller idag redan 300 $/kWh• Här: Fordonsbatterier 2015: 300-1100 $/kWh vid massproduktion


En bild från Volkswagen, baserad på japanska METI, mm http://www.elektromobilitaet2008.de/konferenz/

Möjliga extraintäkter I

• Integrering med elsystemet: Sänkta driftskostnader i elsystemet genom lastutjämning (nattladdning) + flexibilitet

j g

elsystemet genom lastutjämning (nattladdning) + flexibilitet

• Exempel: Vind–värmekraftsystem (25/75%):• Exempel: Vind–värmekraftsystem (25/75%):- sänkta start/stoppkostnader: upp till 300 kr/bil och år sänkta start/stoppkostnader: upp till 300 kr/bil och år - sänkta CO2-utsläpp:upp till 6 %

-10 öre/kWh-56 % PHEV 12% av last

Driftskostnad LastCO2


Göransson, Karlsson, Johnsson, 2008. Integration of plug-in hybrid electric vehicles in a regional wind-thermal power system, Energi & Miljö, Chalmers.

Möjliga extraintäkter IMöjliga extraintäkter I

• CO2-emissioner kan minska pga PHEV integrationå- från tidigare exempel (Västra Danmarks elsystem):

iCO2 i hela kedjan ”WTW” oljaWTW olja

(100 g/km) (92 g/km)El medel

(ner till 45 g/km)El PHEV


PHEV i eldriftförbränningsmotor

Möjliga extraintäkter II

• Integrering med elsystemet: Värde av utnyttjande av

Möjliga extraintäkter II

• Integrering med elsystemet: Värde av utnyttjande av g g y y jbatteriet på reservmarknaden (V2G)

g g y y jbatteriet på reservmarknaden (V2G)

”Best case”: (preliminära resultat)• ”Best case”: (preliminära resultat)- Sverige, störningsreserven: ≈1000 kr/månad- Tyskland: ≈1500 kr/månadTyskland: 1500 kr/månad

• Intäkten överskrider batterikostnaden!

• Begränsat antal dock: Sverige 400 MW ≈ 100 000 bilar

Andersson & Elofsson 2009 Plug-in Hybrid Electric Vehicles on the European


Andersson & Elofsson, 2009. Plug-in Hybrid Electric Vehicles on the European Reserve Power Markets. Pågående examensarbete, Energi & Miljö, Chalmers.

Dimensionering av batterier, PHEV potential

• Hursomhelst: dyrt batteri (även vid uppnådda mål!)

– Rätt dimensionering av batteriet viktigt* Inte för stort, inte för litet!

– Viktig faktor: marginell laddningfrekvens* Dvs, hur många ggr/per år kan du utnyttja hela kapaciteten? * Varierar med bil och ofta också över tid

• Hur stora batterier?Hur stor andel av bilarna?

å


Hur mycket av driften på el?

Dimensionering av batterier, PHEV potential g , p

ExempelE kild bil• Enskild bil

• Laddning max 1 ggr/dag• Förväntade batteripriser dagens svenska energipriser • Förväntade batteripriser, dagens svenska energipriser

Frekvens Marg laddningpendling

Frekvens(dagar/år)

Marg. laddninglönsamhet

150-200 ggr/år

hemma

Bilresor


Daglig körsträcka Räckvidd på el

Dimensionering av batterier

• Alltså: Optimal storlek beror på enskilda bilens • Alltså: Optimal storlek beror på enskilda bilens rörelsemönster och laddningsmöjlighet =>

- individuell batteristorlek ?- ju fler laddningsmöjligheter desto mindre batteri !

• Bilens rörelsemönster varierar över tiden =>

- flexibel batteristorlek ?l f b ?- leasingsystem för batteriet ?


PHEV potential

• Samlade potentialen beror på bilflottans rörelser:

St ti tik fö bil ö l ö t b hö !- Statistik för bilars rörelsemönster behövs!

100

SIKA resvaneundersökningar:• Individer, inte bilar

70

80

90

• Endast en dag • Ej användbara!

“Kö ätt 98”

50

60

“Körsätt 98”:• 30 bilar 2 veckor,

(Västerås hösten -98) 20

30

40

• Ej tillräckliga!

“Lunda-ISA”:0

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

il d i i di [k


• Endast tätort (Lund) Daily driving distance [km

PHEV potential, Dimensionering av batterier p , g

• Användbar statistik för bilars rörelsemönster saknas

• Nödvändigt samla in bilrörelsedataf- Tillräcklig omfattning och urval

- Reslängder- Tidpunkter Tidpunkter - Platstyp - Sociala strata- ….

S d i d i li d lj d d ?? • Samordning med insamling av detaljerade data ?? - hastighet, acceleration, motor, broms för PHEV/HEV dimensionering


för PHEV/HEV dimensionering

Slutsatser plug-inhybriderSlutsatser, plug-inhybrider

• Elektrifiering innebär en mycket hög energieffektivitet i bileng y g g

• Viktigt är dock i vad mån det bidrar till kostnadseffektiv motverkan av klimatförändringar

• Analyser pekar ändå på att PHEV i många fall är en framtida kostnadseffektiv teknik vid strikta klimatmål

• Integrering i elnätet innebär möjligheter till besparingar, både av drifts- och reglerkraftkostnader

• (Bestående) dyrt batteri innebär att dimensioneringen är viktig (individuell och flexibel?)

• Bilrörelsedata, som skulle kunna underlätta dimensionering och bedömning av potentialen av PHEV, saknas och bör tas fram

å d


omgående

session 19 sten karlsson

Documents