Advanced

Maximal CO2-reduktion per investerad krona för personbilar: En bred systemanalys

Kollberg, Johan LU (2019) MVKM01 20191
Department of Energy Sciences
Abstract
This study examines the cost efficiency of reducing carbon emissions for personal vehicles by changing from petrol to either liquid bio fuels or electric operation. Based on own simulations of fuel consumption, life cycle-emissions and -production costs are derived based on existing knowledge through previous studies. The results are finally presented as ’SEK per reduced ton of CO2’; a unit that expresses the required additional investment in order to reduce the carbon footprint compared to a reference petrol car. Several sensitivity analyses are then performed in order to study the effects of various parameters on the cost efficiency of reducing carbon emissions, such as a lower vehicle weight or the capacity of the battery pack of an... (More)
This study examines the cost efficiency of reducing carbon emissions for personal vehicles by changing from petrol to either liquid bio fuels or electric operation. Based on own simulations of fuel consumption, life cycle-emissions and -production costs are derived based on existing knowledge through previous studies. The results are finally presented as ’SEK per reduced ton of CO2’; a unit that expresses the required additional investment in order to reduce the carbon footprint compared to a reference petrol car. Several sensitivity analyses are then performed in order to study the effects of various parameters on the cost efficiency of reducing carbon emissions, such as a lower vehicle weight or the capacity of the battery pack of an electric vehicle. A final attempt to maximize cost efficiency is then performed to examine under which circumstances certain methods are preferable.

The outcome of this study is that bio fuels based on biomass from forest industry yields the best result in terms of cost efficiency and total reduction of carbon emissions with a value of 1207 SEK per reduced ton of CO2 for a vehicle run on HVO derived from pine oil. Maximum cost efficiency for combustion cars occurs when vehicle weights and displacement volumes are low, and driving cycles with high top speeds are chosen. After optimization of the HVO vehicle, a cost efficiency of 508 SEK per reduced ton of CO2 were achieved.
Electric drive trains initially have low cost efficiencies compared to other alternatives with a result of 4276 SEK per reduced ton of CO2 for operation on Swedish electricity mix. The higher cost per ton of CO2 is mainly due to high production costs for the vehicle itself. In order to compete with the studied bio fuels, production costs of electric vehicles need to decrease by 20 to 25 % to reach the same level of cost efficiency. Choosing smaller battery packs, driving cycles with urban driving and long assumed life cycle distances however shows a large potential and improvements in the resulting cost efficiency for electric vehicles. After optimization, cost efficiencies were improved to 1570 SEK per reduced ton of CO2.

Further work may be done by acquiring data regarding both production costs and -emissions directly from car manufacturers. Inclusion of additional life cycle phases such as maintenance or recycling are also relevant items for future studies. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Sverige ställer idag allt hårdare krav på utsläpp av växthusgaser, vilket kräver en stor omställning av vår fordonsflotta. För att nå framtida mål såsom en fossiloberoende fordonsflotta till 2030 krävs att fossila drivmedel med höga koldioxidutsläpp fasas ut mot bränslen med lägre utsläpp av växthusgaser. Idag står de fossila drivmedlen för den största delen av energiförsörjningen till transportsektorn, men andelen biodrivmedel har ökat kraftigt de senaste åren. Genom statliga subventioner väntas också andelen el som bränsle öka genom fler elektriska fordon, framförallt för personbilar.

Detta examensarbete undersöker hur kostnadseffektivt det är att reducera koldioxidutsläpp från personbilar genom att driva en bil på antingen... (More)
Sverige ställer idag allt hårdare krav på utsläpp av växthusgaser, vilket kräver en stor omställning av vår fordonsflotta. För att nå framtida mål såsom en fossiloberoende fordonsflotta till 2030 krävs att fossila drivmedel med höga koldioxidutsläpp fasas ut mot bränslen med lägre utsläpp av växthusgaser. Idag står de fossila drivmedlen för den största delen av energiförsörjningen till transportsektorn, men andelen biodrivmedel har ökat kraftigt de senaste åren. Genom statliga subventioner väntas också andelen el som bränsle öka genom fler elektriska fordon, framförallt för personbilar.

Detta examensarbete undersöker hur kostnadseffektivt det är att reducera koldioxidutsläpp från personbilar genom att driva en bil på antingen biodrivmedel eller el. Genom en bred systemanalys studeras koldioxidutsläpp från driftsfasen såväl som från produktion av både bränslet och fordonet. Detta gör det möjligt att att beräkna och jämföra hur mycket koldioxid som släpps ut från ett fordon under hela dess livscykel, beroende på vilket bränsle fordonet drivs på. Utöver koldioxidutsläpp beräknas också produktionskostnader under livscykeln. Dit räknas både kostnaden för fordonet och produktionskostnaden av det bränsle som fordonet drivs på. I examensarbetet har även en simulering av bränsleförbrukningen för en bensin-, diesel- och elbil gjorts för att direkt kunna jämföra de tre drivlinorna i en identisk bil.

Totalt tio bränslen har studerats, där bensin och diesel använts som fossila alternativ. Alkoholerna bio-etanol och bio-metanol har sedan antagits ersätta den fossila bensinen, där etanol kan produceras med antingen spannmål eller sockerbeta som råvara och bio-metanolen har antagits vara baserad på skogsråvara. Som ersättning till den fossila dieseln har HVO från tallolja och RME baserat på raps studerats. Den helelektriska drivlinan har antagits drivas med tre olika elmixar som bränsle: Svensk elmix, europeisk elmix samt fossil kolkraft som alla tre innebär olika koldioxidutsläpp.

Kostnadseffektiviteten beräknas till sist som ’kronor per reducerat ton CO2’, och beskriver hur mycket pengar som krävs för att reducera koldioxidutsläpp med ett ton jämfört med en bensinbil. De första resultaten baseras på en livscykel där körsträckan är 20 000 mil, och pekar på att en dieselbil med HVO som bränsle ger högst kostnadseffektivitet av alla undersökta drivmedel (1 207 kronor per reducerat ton CO2). Resultaten från de olika biodrivmedlen skiljer sig dock, och vete-etanol sträcker sig upp till 2 037 kronor per reducerat ton CO2. Detta bränsle har den lägsta kostnadseffektiviteten av de biodrivmedel som undersökts. Vidare innebär en elbil som drivs med svensk elmix ett värde av 4 276 kronor per ton, en betydligt högre siffra än för alla biodrivmedel. Den låga kostnadseffektiviteten för denna elbil jämfört med biodrivmedel beror till stor del på den höga produktionskostnaden för fordonet självt. Om bilen istället drivs med kolkraft höjs denna siffra till väldiga 13 785 kronor per ton. Detta på grund av att elbilen är både betydligt dyrare, och samtidigt har höga utsläpp av växthusgaser.
För att undersöka hur en förbättring av kostnadseffektiviteten skulle kunna genomföras för både biodrivmedel och elektricitet har flera känslighetsanalyser utförts. En parameter har varierats i taget (såsom vikt av fordon eller batterikapacitet för elbilen) och ändringen i kostnadseffektivitet har studerats. Resultaten från känslighetsanalysen pekar mot att den totala körsträckan under ett fordons livscykel har mycket stor inverkan på resultatet av studien, där långa körsträckor är speciellt gynnsamt för elbilar. Elbilar har idag höga kostnader och koldioxidutsläpp kopplade till produktionen av fordonen, men låga kostnader och koldioxidutsläpp när man väl kör dem. När en elbil väl är byggd innebär detta att den bör utnyttjas så länge som möjligt. Vidare pekar känslighetsanalysen mot att om elektriska drivlinor skall kunna nå samma kostnadseffektivitet som biodrivmedel, behöver produktionskostnaden bli 20 till 25% lägre för fordonet självt.

För att förbättra resultatet ytterligare kan även batteritillverkningen förändras, då lägre batterikapacitet och förnyelsebar el i tillverkningen av batterierna innebär mycket lägre utsläpp av växthusgaser. För fordon som istället drivs på biodrivmedel finns istället mycket att vinna i att välja mindre fordon viktmässigt, men också i form av mindre motorer med lägre slagvolymer. Dessa två åtgärder innebär lägre bränsleförbrukningar och därför också en ökad kostnadseffektivitet för alla undersökta biodrivmedel. Vid storskalig produktion av biodrivmedel kan man också hoppas på lägre produktionskostnader för biodrivmedlen, vilket kan förbättra kostnadseffektiviteten ännu mer.

Sammanfattningsvis finns det mycket stora möjligheter att öka kostnadseffektiviteten för både biodrivmedel och elbilar. Stor potential finns i att motverka dagens trend, nämligen att bensin- och dieselbilar idag blir allt större, och att elbilar säljs med allt större batterier. Att göra smarta (och framförallt medvetna) val är viktigt för att reducera koldioxidutsläppen från transportsektorn, och samtidigt göra det med en hög kostnadseffektivitet. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Kollberg, Johan LU
supervisor
organization
course
MVKM01 20191
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
biodrivmedel, elbil, koldioxid, CO2, växthusgas, livscykelanalys, batteri, bränsleförbrukning, kostnad, produktion, bio fuels, electric vehicles, carbon dioxide, greenhouse gas, life cycle analysis, battery, fuel efficiency, cost, production
report number
LUTMDN/TMHP-19/5433-SE
ISSN
0282-1990
language
Swedish
id
8975814
date added to LUP
2019-05-17 08:00:09
date last changed
2019-08-08 14:42:44
@misc{8975814,
  abstract     = {This study examines the cost efficiency of reducing carbon emissions for personal vehicles by changing from petrol to either liquid bio fuels or electric operation. Based on own simulations of fuel consumption, life cycle-emissions and -production costs are derived based on existing knowledge through previous studies. The results are finally presented as ’SEK per reduced ton of CO2’; a unit that expresses the required additional investment in order to reduce the carbon footprint compared to a reference petrol car. Several sensitivity analyses are then performed in order to study the effects of various parameters on the cost efficiency of reducing carbon emissions, such as a lower vehicle weight or the capacity of the battery pack of an electric vehicle. A final attempt to maximize cost efficiency is then performed to examine under which circumstances certain methods are preferable.

The outcome of this study is that bio fuels based on biomass from forest industry yields the best result in terms of cost efficiency and total reduction of carbon emissions with a value of 1207 SEK per reduced ton of CO2 for a vehicle run on HVO derived from pine oil. Maximum cost efficiency for combustion cars occurs when vehicle weights and displacement volumes are low, and driving cycles with high top speeds are chosen. After optimization of the HVO vehicle, a cost efficiency of 508 SEK per reduced ton of CO2 were achieved.
Electric drive trains initially have low cost efficiencies compared to other alternatives with a result of 4276 SEK per reduced ton of CO2 for operation on Swedish electricity mix. The higher cost per ton of CO2 is mainly due to high production costs for the vehicle itself. In order to compete with the studied bio fuels, production costs of electric vehicles need to decrease by 20 to 25 % to reach the same level of cost efficiency. Choosing smaller battery packs, driving cycles with urban driving and long assumed life cycle distances however shows a large potential and improvements in the resulting cost efficiency for electric vehicles. After optimization, cost efficiencies were improved to 1570 SEK per reduced ton of CO2.

Further work may be done by acquiring data regarding both production costs and -emissions directly from car manufacturers. Inclusion of additional life cycle phases such as maintenance or recycling are also relevant items for future studies.},
  author       = {Kollberg, Johan},
  issn         = {0282-1990},
  keyword      = {biodrivmedel,elbil,koldioxid,CO2,växthusgas,livscykelanalys,batteri,bränsleförbrukning,kostnad,produktion,bio fuels,electric vehicles,carbon dioxide,greenhouse gas,life cycle analysis,battery,fuel efficiency,cost,production},
  language     = {swe},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Maximal CO2-reduktion per investerad krona för personbilar: En bred systemanalys},
  year         = {2019},
}