1. Plug inhybrider
Plug-inhybrider –
en energieffektiv möjlighet ?
Sten Karlsson
Fysisk resursteori
Chalmers
Transportforum Linköping 8-9 jan 2009
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 1

2. Plug-inhybrider
• Effektivitet
• Ekonomi
• Databehov
Några resultat och reflektioner från
egna och andras studier vid Chalmers
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 2

3. Eldrift
Eld ift – energieffektivitet !
i ff kti it t
• Eldriften överlägsen
Energi i Verkningsgrad (på EU-körcykeln)
till bil S40 1,6 18 %
”TTW”
TTW S40 2 4 15 %
2,4 (2007 års modeller)
S40 1,6D 25 %
Verkningsgrad
70 –> 100 ! %
Energi till hjul ≈1,2 kWh/mil (återvinning av
bromsenergi)
förbränningsmotor eldrift
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 3

4. Eldrift – vilken energieffektivitet ?
• Eldriften överlägsen, fast bara på bilnivå
biobränsle
kolkondens CCS
Energi för
if (kolinfångning)
(k li få i )
hela kedjan olja
”WTW”
WTW kolkondens
vindkraft
Energi till hjul
förbränningsmotor eldrift
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 4

5. Eldrift – vilken effektivitet ?
• Växthusgasemissioner beror på systemet
kolkondens
CO2 i
hela kedjan olja
”WTW”
WTW
kolkondens CCS
biobränslen
vindkraft
förbränningsmotor eldrift
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 5

6. Eldrift – vilken effektivitet ?
• Kostnadseffektivitet !
• .. för scenarion
- hela energisystemet
- globalt
- med strikta CO2-mål
- begränsade fossilresurser , bioresurser, …
- olika förutsättningar: tillförsel, …
- .......
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 6

7. Vilken eldrift ?
• Mellanformer mest intressanta?
V-grad 29% (II)
Energi i
Toyota Prius III
till bil
hybrid HEV (fbrmotor+el)
y ( )
(100% bränsle)
plug-inhybrid PHEV
l i h b id GM Volt
(bränsle + el från nätet)
Energi
till hjul
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 7

8. Eldrift – kostnadseffektivitet
• Kostnadseffektivitet för att uppnå strikta globala CO2-mål
(+begränsad biomassa/olja/gas, k li få
( b ä d bi / lj / kolinfångning (CCS)
i (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.
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.
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 8

9. Privatekonomisk effektivitet, drift och kapital
• När är plug-in hybriden (PHEV) mest ekonomisk?
• Må t (åt i t
Måste (åtminstone) vara bätt än hybrid!
) bättre ä h b id!
Energikostnad
ik d
HEV
PHEV
Kapitalkostnad
i lk d
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 9

10. Privatekonomi: plug inbilar relativt hybrider
plug-inbilar
Förutsättningar:
g
• Framtida teknik och kostnad: EPRI (2001) respektive NREL (2005)
• Svenska förhållanden idag (energipriser och körsträckor)
• För PHEV med olika räckvidd på el + ren elbil
å
PHEV lönsammast för
• EPRI-data: 32 km räckvidd
• NREL-data: ingen
Skillnad:
• HEV –> PHEV: NREL 6 ggr dyrare än EPRI !
• pga di
dimensionering, utnyttjande, kostnad för kund
i i j d k d fö k d
Karlsson & Ramírez, 2007. Plug-ins – a viable efficiency option? (In Proceedings to ECEEE
Plug ins
2007 Summer Study: Saving energy – just do it! La Colle sur Loup, France 4–9 June 2007.)
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 10

11. 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 4-5000
– Utnyttjandegrad (∆SOC) (≥ 80 %)
– Säkerhet (
(aldrig kunna ta eld/explodera)
g / p )
– Kostnad (≤300 $/kWh)
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 11

12. Livslängd och Utnyttjandegrad: Trade-off
Trade off
Utnyttjandegrad 100
% Li-jonbatterier
(andel k
( d l av kapacitet)
i )
50 %
0%
100 1000 10000 10000 Cykler
Säkerhet Konverterad Prius
7 juni 2008:
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 12

13. 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/
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 13

14. Möjliga extraintäkter I
j g
• Integrering med elsystemet: Sänkta driftskostnader i
elsystemet genom lastutjämning (nattladdning) + flexibilitet
• Exempel: Vind–värmekraftsystem (25/75%):
- sänkta start/stoppkostnader: upp till 300 kr/bil och år
- sänkta CO2-utsläpp:upp till 6 %
-56 % -10 öre/kWh PHEV 12% av last
CO2 Driftskostnad Last
Göransson, Karlsson, Johnsson, 2008. Integration of plug-in hybrid electric vehicles in a
regional wind-thermal power system, Energi & Miljö, Chalmers.
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 14

15. Möjliga extraintäkter I
• CO2-emissioner kan minska pga PHEV integration
- från tidigare exempel (Västra Danmarks elsystem):
å
CO2 i
hela kedjan
”WTW”
WTW olja
(100 g/km) El medel (92 g/km)
El PHEV (ner till 45 g/km)
förbränningsmotor PHEV i eldrift
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 15

16. Möjliga extraintäkter II
• Integrering med elsystemet: Värde av utnyttjande av
g g y y j
batteriet på reservmarknaden (V2G)
• ”Best case”: (preliminära resultat)
- Sverige, störningsreserven: ≈1000 kr/månad
- Tyskland: ≈1500 kr/månad
1500
• Intäkten överskrider batterikostnaden!
• Begränsat antal dock: Sverige 400 MW ≈ 100 000 bilar
Andersson & Elofsson 2009 Plug-in Hybrid Electric Vehicles on the European
Elofsson, 2009.
Reserve Power Markets. Pågående examensarbete, Energi & Miljö, Chalmers.
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 16

17. 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?
Hur mycket av driften på el?
å
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 17

18. Dimensionering av batterier, PHEV p
g , potential
Exempel
• E kild bil
Enskild
• Laddning max 1 ggr/dag
• Förväntade batteripriser dagens svenska energipriser
batteripriser,
pendling
Frekvens Marg.
Marg laddning
(dagar/år) lönsamhet
150-200 ggr/år
hemma
Bilresor
Daglig körsträcka Räckvidd på el
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 18

19. Dimensionering av batterier
• 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 ?
-lleasingsystem f batteriet ?
för b
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 19

20. PHEV potential
• Samlade potentialen beror på bilflottans rörelser:
- St ti tik fö bil
Statistik för bilars rörelsemönster behövs!
ö l ö t b hö !
100
90
SIKA resvaneundersökningar:
80
• Individer, inte bilar
70
• Endast en dag
60
• Ej användbara!
50
“Körsätt 98”:
“Kö ätt 98” 40
• 30 bilar 2 veckor, 30
(Västerås hösten -98) 20
• Ej tillräckliga! 10
0
“Lunda-ISA”: 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Daily driving distance [km
il d i i di [k
• Endast tätort (Lund)
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 20

21. PHEV potential, Dimensionering av batterier
p , g
• Användbar statistik för bilars rörelsemönster saknas
• Nödvändigt samla in bilrörelsedata
- Tillräcklig omfattning och urval
f
- Reslängder
- Tidpunkter
- Platstyp
- Sociala strata
- ….
• S
Samordning med i
d i d insamling av detaljerade d
li d lj d data ??
- hastighet, acceleration, motor, broms
för PHEV/HEV dimensionering
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 21

22. Slutsatser,
Slutsatser plug-inhybrider
• Elektrifiering innebär en mycket hög energieffektivitet i bilen
g 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
omgående
å d
Sten Karlsson, Transportforum Linköping 8-9 jan 2009 Bild 22