Efter bensinmotorn: en svensk hybrid

Av miljöskäl måste vi byta drivmedel för bilar. Det menar både forskare, fordonstillverkare och bränsleproducenter. De flesta är också överens om att framtidens bil är en elbil, driven med ström från en bränslecell. Men bränsleceller för fordon är fortfarande knappt på prototypstadiet. Det kommer att bli ett gap efter det att bensinen inte längre är önskvärd och innan bilar med bränsleceller är färdiga för serieproduktion. Hur ska vi överbrygga det gapet? Den mest närliggande lösningen är att bygga just en överbryggande bil, en hybridbil.

Oavsett vad man bränner i förbränningsmotorn minskar utsläppen dramatiskt om förbränningsmotorn via en generator får driva en elmotor snarare än hjulen direkt.

Svensk hybridmotor

På Kungl Tekniska Högskolan i Stockholm har Thomas Bäckström byggt motorn till nästa generations hybridbilar. Han kallar sin konstruktion för integrerad energiomvandlare. Det finurliga är att han, tillsammans med Chandur Sadarangani, professor i elkraftsteknik vid KTH, och Stefan Östlund, också vid KTH, har kombinerat en generator och en elmotor i samma enhet. En enhet med små förluster och bra prestanda.

Energiomvandlaren (bild 4) kan steglöst gå från att enbart driva bilen med batterier, när förbränningsmotorn står stilla, till att bara ladda batterierna när hjulen står stilla men förbränningsmotorn arbetar. Med hjälp av varierande växelström styrs energiomvandlaren så att det blir rätt avvägning mellan förbränningsmotor, batteriström och kraft till hjulen.

Problemet med hybridbilar har hittills varit att de innehåller för många delar. De behöver två motorer, en generator, flera batterier och en komplicerad växellåda. Många delar betyder högt pris och mycket som kan gå sönder under bilens livstid. Så är det inte med energiomvandlaren.

Thomas Bäckströms konstruktion finns dock fortfarande bara på laboratoriet. Konstruktionen är patenterad och har övertagits av ABB. Nästa steg är en fungerande prototyp i en bil. Först därefter kan man se om det kan bli ett säljbart alternativ. – Det dröjer nog tyvärr. Mest beror det på miljölagstiftningen när bilar med vår konstruktion kan köpas, tror Thomas Bäckström och menar att det som framför allt kan snabba på utvecklingen är att alternativen blir mer skattemässigt gynnade.

Ett bilföretag som inte väntar på subventioner är den japanska biltillverkaren Toyota. Förra året släppte de världens första serietillverkade hybridbil på marknaden, Prius. Till Sverige kommer bilen sommaren 2000.

Halva bensinförbrukningen

Till skillnad från konstruktionen på KTH drivs Prius av elmotorn och bensinmotorn parallellt. En dator gör var tredje sekund avvägningar mellan energisnålhet och prestanda och bestämmer hur mycket elmotorn ska arbeta, hur mycket bensinmotorn ska köra och hur mycket generatorn ska ladda. Om föraren gasar försiktigt används bara elmotorn, men om gaspådraget ökar hjälper bensinmotorn till. Elmotorer är fantastiskt effektiva just vid låga varv, medan en bensinmotor behövs för att få tillräcklig effekt. På landsväg driver bensinmotorn och laddar samtidigt batterierna via generatorn.

I stadstrafik drar Toyota Prius ungefär hälften av vad en vanlig bensinbil gör, på landsväg är förbrukningen inte så låg men utsläppen fortfarande mycket små.

Det som begränsar försäljningen i Japan är produktionen av de speciella batterier som bilen är utrustad med. Fabriken klarar bara att bygga två tusen sådana i månaden.

I Stockholm rullar just nu också den första etanol-el-hybridbussen. Totalt är sex beställda. En förbränningsmotor drivs här av etanol. Den driver sedan bussen tillsammans med en elmotor.

Från utsläppssynpunkt är det bättre att driva en hybridbil med etanol än med bensin. Men den stora frågan är om hybridfordon alls får ett bredare genomslag, kanske kommer de att bli en litet dyrare marginalprodukt. Och vad ska vi i så fall driva alla andra bilar med?

Fossila bränslen måste bort

Magnus Blinge vid Institutionen för transportteknik vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg har nyligen doktorerat på att jämföra drivmedlens effekt på miljön. – Det viktigaste är att vi går över till biobaserade drivmedel. Men jag kan inte säga vilket som är bäst.

Mycket talar för att det inte blir ett enda helt dominerande drivmedel, utan flera. Redan i dag har vi olika fordonsbränslen på marknaden: diesel och bensin. Framtidens bränslestation kommer kanske att erbjuda ett smörgåsbord av drivmedel: biogas för bussar och lastbilar, etanol för taxibilar, el för privatbilister i städerna, raps för lantbrukare och vanlig blyfri bensin för privatbilister på landsbygden. – Vi kan se fram mot ett årtionde av ganska stor förvirring, tror Per Kågeson, miljödebattör och ordförande i föreningen Gröna bilister.

Han vill framför allt göra skillnad mellan vilket drivmedel som har möjlighet att bli framgångsrikt för alla fordon och de drivmedel som kan användas i speciella fordonsflottor, för t ex åkerier, taxi och budföretag. Organisationer med stora fordonsflottor kan göra upphandlingar av specialfordon och ordna med egna tankstationer. Därmed minskar kravet på subventioner och landsomfattande tillgänglighet, vilket gör att nischbränslen och speciella motorlösningar har lättare att göra sig gällande.

Här försöker bland andra Stockholms stad vara ett föredöme. I dag är 480 av stadens 1 500 egna bilar ersatta av biogas-, etanol- och eldrivna fordon. Och siktet är inställt på att hälften av bilarna ska drivas med något annat än bensin eller diesel. – Det stora problemet med alternativdrivmedlen är produktionskostnaden, menar Sören Bucksch på Kommunikationsforskningsberedningen, KFB. Men vi måste också satsa utvecklingskostnader på fordon för biodrivmedel. – När vi väl har en låg produktionskostnad måste det ju finnas något att köra det nya bränslet på.

Bensinmotorn utvecklas mer än någonsin

Det annars tydligaste tecknet på att bensin- och dieselmotorerna är hotade är den accelererande tekniska utvecklingen av dem. Forskare på Lunds Tekniska Högskola har t ex utvecklat en motor vars kväveoxidutsläpp räknas i promille mot dagens motorer. Den drar dessutom bara hälften så mycket bensin.

Tricket i maskinen från Lund är att spruta in bränsleblandningen i motorn vid precis rätt ögonblick. Blandningen antänds sedan, liksom i en dieselmotor, av trycket i cylindern och inte av ett tändstift, som i en bensinmotor. Det borgar för en jämn förbränning i hela cylindern.

Historien upprepar sig. Segelskeppen utvecklades som mest när ångfartyget kom, och gaslamporna likaså när elektriciteten kom. Nu är det bensin- och dieselmotorns tid att briljera för att sedan marginaliseras. Det är också efter den linjen man arbetar på Saab i Trollhättan. – Vi jobbar med finputsning av bensinmotorn, säger Karl Marforio, ansvarig för forskning och utveckling av motorer på Saab. Vi kommer att få leva med bensin under lång tid framöver.

Med tekniska framsteg som variabla ventiltider, mindre förluster i kraftöverföringen och bensin med ytterligare sänkt svavelhalt och lägre halter av polyaromatiska kolväten kommer utsläppen att bli acceptabla, tror Karl Marforio.

Den tekniska utvecklingen gäller i första hand en förbättring av miljön just där avgaserna släpps ut. Utsläppen lokalt är dock bara en liten del av problemen med bensin och diesel, även om de lokala utsläppen ger upphov till betydande hälsoproblem. Och fortfarande är det osäkert hur stort problemet är med utsläpp av små partiklar, från framför allt dieselfordon.

Globala hotet svårast

Värst är ändå de globala problemen, med utsläpp av växthusgasen koldioxid. Här spelar det ingen större roll var utsläppen sker, eftersom koldioxiden fördelas med tiden i atmosfären och kan vara boven i en global temperaturhöjning på jorden. Det är också därför som Magnus Blinge menar att vi måste överge de fossila bränslena som bensin, diesel och naturgas.

Visserligen är forskarna inte helt överens om effekterna av en höjning av mängden koldioxid i atmosfären. Det finns de som menar att risken är betydligt överdriven (se F&F 5/97). Men i väntan på bättre vetenskapliga belägg har politiker enats internationellt om att minska koldioxidutsläppen.

För de globala miljöproblemen är inte bara utsläppet från det enskilda fordonet intressant, utan de totala utsläppen från det att bränslet börjar tillverkas till dess att det är helt förbrukat. För att kunna jämföra den totala miljöbelastningen hos olika bränslen använder Magnus Blinge en metod som kallas livscykelanalys.

Bränslets hela liv

Metoden är mycket enkel i teorin: man summerar alla de utsläpp som ett visst bränsle ger upphov till under sin livstid. I praktiken kan det dock vara mycket svårt att göra en rättvis avvägning. Det är t ex svårt att sätta gränserna för vad man menar med ett bränsles livstid eller livscykel. Vid beräkningen av utsläpp för bensin bör man antagligen ta med utsläppen från tankfartyg som fraktar olja, men ska man också ta med utsläppen under tillverkningen av tankfartyget?

För att kunna jämföra dagens drivmedel med framtida möjliga alternativ måste man också uppskatta hur snabb den tekniska utvecklingen kommer att vara. Man gör det genom att ta fram uppgifter för den bästa kända tekniken, alltså den som finns på försöks- och prototypstadiet. Hela livscykelanalysen blir därför ingen exakt utsläppsbarometer utan snarare en kvalificerad uppskattning.

Magnus Blinge har gått igenom samtliga fossila bränslen och flera av de vanligaste biobaserade alternativen, som etanol, biogas, metanol och rapsolja. Det visar sig att utsläppen av fossilt koldioxid från ett biobaserat drivmedel är betydligt lägre, bara 10-15 procent av utsläppen från ett fossilt bränsle. Det är något bättre att använda naturgas än bensin, men inte mycket.

Mer noggrant går det att räkna på utsläppen från enbart fordonet. Då missar man dock möjligheten att jämföra helhetsbilden av olika bränslen. Man mäter fortfarande inte i verkligheten, utan i en laboratoriemiljö, men man mäter på riktiga fordon som körts i verkligheten. I ett sådant test med tunga biogasfordon i Linköping visade sig då t ex värdena på kväveoxider öka ju mer fordonen användes. Halterna var visserligen inte lika höga som för dieselfordon, men betydligt högre än väntat. Det visar att alternativen fortfarande kräver teknisk utveckling för att hålla de ideala värden som kan nås i laboratoriet.

Skatterna ger fel signaler

Eftersom alternativen fortfarande produceras i liten skala för fordonsdrift blir de ofta orimligt dyra. För att stimulera alternativen är de dock till viss del gynnade skattemässigt. Vid en närmare betraktelse visar sig dock gynnandet inte vara helt konsekvent.

Förmånsbeskattningen, till exempel, utgår från bilens pris. För bensinbilar är detta rimligt eftersom förmånen då beskattas efter graden av lyx. Men för alternativbilar betyder det raka motsatsen. Experimentbilar och korta serier driver upp priset och därmed motverkar skatten förnyelsen.

Konsultbolaget Inregia har på uppdrag av Stockholms stad undersökt vad som krävs för att få fler att gå över till alternativbränsle i sina bilar. Det visar sig att det inte räcker med att locka med fri parkering och möjlighet att köra i kollektivtrafikfilerna. – Staten måste sluta att ekonomiskt missgynna dem som vill använda en bil som inte drivs på bensin eller diesel, tycker Sirje Pädam på Inregia.

Diesel redan gynnat

Allra bäst vore det kanske om staten gjorde det förmånligt för de tunga fordonen att byta bränsle, eftersom det skulle ge störst miljöeffekt. Men eftersom tunga fordon drivs med diesel, och det är lägre beskattat än bensin, vinner dieselfordonsägare mindre på att byta.

Mest lönar det sig dock att byta från bensin eller diesel till ingenting, dvs att effektivisera och minska på transporterna. Det är det miljövänligaste och billigaste alternativet men samtidigt det minst troliga. – Det finns 750 bilar per 1 000 invånare i USA men bara 4 per 1 000 invånare i Kina. Och det är inte Kina som är förebilden, säger Magnus Blinge och menar att vi snarare står inför en explosion av transporter, särskilt i utvecklingsländerna.

Etanol bara i Sverige

Ett sätt att långsamt fasa ut bensin och diesel är att blanda ut det med ett annat bränsle. Det går t ex utmärkt att blanda mindre mängder etanol i bensinen utan att motorn behöver justeras. I USA har myndigheterna försökt lansera något som kallas ”gasohol”, bensin med 10 procent etanol. I Stockholm finns det för närvarande 9 bensinstationer där man kan tanka gasohol till samma pris som 95 oktanig bensin. De allra flesta bilmodeller med motorer som har katalysator kan köra med upp till 15 procent etanol i bensinen. Utan katalysator tål bilen upp till 5 procent etanol.

Med en inblandning av etanol kan man minska utsläppen av koldioxid utan att behöva byta ut vare sig bränsledistributionssystemet eller bilparken. För äldre bilar kan dock etanolen skapa högre utsläpp av kväveoxider.

Det stora problemet är kostnaden. Om det inte ska kosta samhället miljardbelopp måste en låginblandning av etanol vänta på att produktionskostnaderna sjunker dramatiskt.

I dag kostar det cirka 4 kronor per liter att producera etanol. Det är en kostnad som enligt KFB måste ner till 2,50 kronor per liter. De mest optimistiska forskarna tror att det kan dröja fem år. Enligt KFB är det dubbla nog mer realistiskt. Men det räcker inte för att etanolen ska bli lönsam att producera, för det krävs dessutom att koldioxidskatten trefaldigas.

Energiskog blir etanol

Svensk etanol till fordon produceras i dag från vin. I framtiden är det tänkt att skogsavfall ska utgöra basen. För att köra etanol i en bensinbil brukar man blanda 15 procent bensin i etanolen. Dessutom måste man justera och byta ut en del detaljer i motorn eftersom etanol sliter mer än bensin. Rätt anpassade kan etanolbilar köras på både etanol och bensin. Även dieselbilar kan köras på etanol, men kräver då tändstift.

Brasilien föregångare

I Brasilien har man länge haft så mycket som 22 procent etanol i bensinen. Det är ett lyckat exempel på hur väl bensinmotorerna klarar av etanol. Där tillverkas etanol från sockerrör, vilket är billigare och enklare än från träavfall, som planeras i Sverige. Men Brasilien är trots det ett exempel på att etanol är dyrt. Stephen Wallman på avdelningen för produktstrategier vid Volvo personvagnar påstår till och med att Brasiliens etanolprojekt är på väg att haverera. Det är för dyrt även där. En svensk satsning tror han inte mycket på. – Sverige är i dag det enda land i världen som talar om etanol producerat från skogsavfall, säger Stephen Wallman. Det är ineffektivt och har inte någon som helst möjlighet att bli självbärande.

Ett skäl till att etanol är så dyrt att framställa är de stora förlusterna. Verkningsgraden när man producerar etanol från rester från skogsbruket är bara mellan 25 och 30 procent. Det blir dock stora mängder energirikt avfall vid tillverkningen. Får producenten avsättning för det, kan processen plötsligt bli mer konkurrenskraftig.

Få tror på metanol

På skogsavfall kan man också göra metanol, dvs träsprit. Men metanol kan man också tillverka från naturgas. Möjligheten att använda naturgas under en övergångsperiod är ett argument för metanolen. Det är också mindre energikrävande att tillverka metanol än etanol. Ytterligare ett argument för metanolen är att bränsleceller kan drivas med metanol. Det betyder att om Sverige bygger ut en infrastruktur för att producera och distribuera metanol så kan den användas i förbränningsmotorer under en övergångsperiod och sedan för att försörja bränsleceller.

I Sverige har metanolen dock inte många förespråkare. Ett skäl kan vara att metanol är svår att hantera eftersom den är giftig för människor. Ett annat att metanol tillverkad från naturgas inte ger några större miljövinster. Ett tredje skäl skulle kunna vara att vi i Sverige har fokuserat forskningen så hårt på det konkurrerande etanolbränslet.

Det är betydligt fler som tror på gas som tillverkas av biologiskt avfall. Biogas produceras i dag på flera håll i landet, men i mycket liten skala. I Stockholm räcker den t ex bara till två hundra bilar. Stockholms stad planerar att dramatiskt höja produktionen, så att samtliga reningsverk i huvudstaden producerar maximalt med biogas. Ändå kommer mängden bara att räcka till 3 000-4 000 bilar. Bland Stockholms 300 000 bilar är det knappt märkbart. Eller som miljödebattören Per Kågeson uttrycker det: – Biogasen är det bästa förnybara bränslet. Det har låga partikelutsläpp och låga kväveutsläpp. Egentligen är det svårt att hitta någon nackdel med bränslet i sig. Men vi kan aldrig tillverka mer än så att det täcker behovet hos 10 procent av bilarna i Sverige. Jordbrukstekniska Institutet, JTI, i Uppsala räknar ännu lägre. Om det ska vara ekonomiskt försvarbart ligger gränsen under 5 procent, eller 140 000 bilar. Då räknar JTI bara med biogasanläggningar i de 36 kommuner där det finns tillräckligt goda ekonomiska förutsättningar för rötning av matrester, industriellt avfall samt slam från avloppsrening. Att odla för att producera biogas är inte lönsamt.

Ytterligare ett argument mot biogasen är den nya infrastruktur som måste byggas för att tanka gas. Bilar som kan köra på biogas kan dock också drivas på naturgas. Om Sverige väljer att ersätta kärnkraften med naturgas, och vi därför bygger upp ett landsomfattande naturgasnät, försvagas dock infrastrukturargumentet. Även om det fortfarande krävs nya tankstationer kan distributionen till dem lösas inom ramen för naturgassatsningen. Biogasen blir i så fall ett lokalt producerat bränsle, och naturgasen det som garanterar att det finns tillräckligt med drivmedel.

Volvo tror mest på metan – Vår strategi är att sälja det som kunden efterfrågar, säger Stephen Wallman, men vi tror mest på metangas.

Med metangas syftar Stephen Wallman på både biogas och naturgas. Han tror på gas dels för att den tekniskt sett är det mest lovande, dels för att man kan producera den lokalt och miljövänligt, men också globalt i form av naturgas. Problemet för Volvo är att kostnaderna för gasbilen är för stora. På önskelistan ligger därför subventioneringar under den period då man bara kan tillverka små volymer. Långsiktigt menar Stephen Wallman att det kommer att bära sig. – Men vi är brända. Tidigare satsningar på t ex gasol visade sig bara vara kortsiktiga. Skatterna åker ner och upp. Vi måste ha långsiktiga regler som harmonierar med åtminstone övriga EU.

Avlopp blir biogas

Biogas bildas när avloppsslam, matrester, gödsel eller slakteriavfall bryts ner utan syre av bakterier. Gasen består till två tredjedelar av metan. Om gasen ska användas för fordonsdrift måste den renas så att den innehåller minst 97 procent metan. Den renade gasen är lik naturgas.

Elbil ständig nischbil

Om meningarna går isär om biogas är de flesta dock eniga om att den helt batteridrivna elbilen kommer att förbli en nischbil. Problemet är batterierna. De är tunga, skrymmande och har dålig verkningsgrad. Elbilarna har dålig räckvidd, låg topphastighet och är oftast tunga och små. Av ett rent misstag befinner sig dessutom elbilar i fel miljöklass. Elbilen får inte samma skattebonus som de miljövänligaste bensinbilarna.

Det som talar för elbilen är storstadsbilistens resvanor. Undersökningar gjorda i bland annat Stockholm och Malmö visar att i ungefär 90 procent av alla bilresor är det bara en person i bilen, resorna är högst 6 mil långa och bilen körs inte snabbare än 70 kilometer i timmen. Det är ideala förhållanden för en elbil.

Problemet är förstås att vi vill ha en bil som klarar samtliga resor, inte bara 90 procent.

Mercedes bränslecellsbil först

Elbilens belackare, och de är många, påpekar gärna att elbilarna inte är utsläppsfria. I värsta fall flyttar de bara utsläppen från fordonet till den plats där elen produceras. Eftersom elbilarna är få drar de el som produceras på marginalen, s k marginalel. Ett sätt att ta hänsyn till marginalel är att räkna utsläppet för den anläggning som behöver sättas igång om lite mer el ska produceras. På vintern kan det vara ett sotande kolkraftverk, och i så fall är inte mycket vunnet med elbilen, mer än lokalt. Men det är också tänkbart att elen produceras av vattenkraft eller kanske ett nybyggt vindkraftverk, och då är miljöproblemen begränsade till kasserade batterier.

Det minst miljöbelastande alternativet av dem alla, och den hägrande framtidslösningen, är en elbil som får sin ström från bränsleceller. Bränslecellen kan beskrivas som ett batteri som inte laddas utan tankas. Liksom ett batteri ger den ström direkt. Men liksom en motor förbrukar den bränsle, nämligen väte och syre. Avgaserna är koldioxid och vatten.

Det finns fungerande bränsleceller i drift. Problemet är att de är dyra att tillverka och att vätgas på grund av explosionsrisken är en olämplig gas att köra runt med i tankarna. Men på sista tiden har kostnaden sjunkit dramatiskt, och dessutom har amerikanska forskare demonstrerat en bränslecell som drivs direkt på metanol i stället för vätgas.

Vilket företag som får fram den första serietillverkade bränslecellsbilen återstår att se. Mercedes vill vara först och har aviserat sin bränslecellsdrivna A-klassbil till år 2004. Toyota, som blev först med hybridbilen, tror sig ha en bil med bränslecell i produktion år 2005. Om det verkligen blir bilar med rimligt pris återstår att se.

Målet är vätgas

Visionen är att i framtiden producera vätgas med solceller och driva en bränslecell med vätgasen. Verkningsgraden när bränslecellen drivs med metanol är betydligt lägre än när man kan tanka vätgas direkt. Problemet är dock både att konstruera tillräckligt effektiva solceller och att lagra vätgasen säkert. – Förr eller senare är det solen direkt vi måste komma åt, menar Magnus Blinge. Det känns som en omväg att gå över biomassa. Å andra sidan är det kanske effektivt i Sverige, där vi har relativt dåligt med solljus en stor del av året.

I väntan på lösningar av dessa problem är det fortfarande relativt effektivt att låta skogen ta upp solenergin och sedan omvandla träden till alkohol, som i bilen omvandlas till vätgas i en reaktor innan gasen matas in i bränslecellen. Det är åtminstone så Mercedes tredje experimentbil, Necar 3, fungerar. Fortfarande finns inga långtidstester med bränsleceller i bilar, och ännu finns inga bränslecellsbilar att köpa.

Historien går igen

För hundra år sedan, i bilismens föregångsland USA, var ångbilarna och kanske också elbilarna fler än bensinbilarna.

30 år senare hade hälften av hushållen fått tillgång till bil, en bensinbil. Det berodde inte på att bensinbilen var den tekniskt bästa lösningen. Troligen var både el- och ångbilar tekniskt likvärdiga. Stor roll spelade i stället förväntningar hos köparna och kommersiell mognad hos tillverkarna. Vad som kommer att avgöra denna gång är lika oförutsägbart.

Thomas Bäckströms, Chandur Sadaranganis och Stefan Östlunds forskning har finansierats av NUTEK och Energimyndigheten. Magnus Blinges forskning har finansierats av Kommunikationsforskningsberedningen, KFB, och Göteborg Energis forskningsstiftelse.