Side 1 Hvordan vil en omfattende elektrifisering av transportsektoren påvirke kraftsystemet? NVE-notat Forfattere: Dag Spilde og Christer Skotland Side 2 Innhold 1 Sammendrag ....................................................................................................................... 3 2 Forutsetninger bak analysen ............................................................................................... 5 3 Beskrivelse av transportsektoren ........................................................................................ 6 3.1 Veitransport ................................................................................................................ 7 3.2 Banetransport ............................................................................................................ 10 3.3 Kysttransport og fiskebåter ....................................................................................... 11 3.4 Samlet kraftbehov til transport ved omfattende elektrifisering ................................ 12 4 Beskrivelse av distribusjonsnettet ..................................................................................... 13 5 Lademønster og fordeling mellom ladested ...................................................................... 16 5.1 Lademønster ............................................................................................................. 17 5.1.1 Lading hjemme ................................................................................................. 17 5.1.2 Hurtiglading ...................................................................................................... 18 5.1.3 Lading på jobb .................................................................................................. 19 5.2 Fordeling mellom ladested ....................................................................................... 19 5.3 Samlet ladeprofil for elbiler ...................................................................................... 20 6 Effektscenarier .................................................................................................................. 22 6.1 Sammenlagring ......................................................................................................... 24 7 Utfordringer (kapasitet) i distribusjonsnettet på grunn av elbiler ..................................... 25 7.1 Effektprofil og elbillading ........................................................................................ 25 7.2 Kapasitet og belastning i distribusjonsnettet ............................................................ 28 7.2.1 To distribusjonsnett .......................................................................................... 28 7.2.2 Fordelingstransformatorer fra andre nettselskap .............................................. 31 7.2.3 Tolkning av resultatene ..................................................................................... 32 7.3 Smart lading av elbil ................................................................................................. 32 8 Elektriske varebiler ........................................................................................................... 34 9 Utfordringer i nettet ved elektrifisering av busser og ferjer ............................................. 34 10 Befolkning og reisevaner .............................................................................................. 36 Side 3 1 Sammendrag NVE har i dette notatet gjort en analyse og vurdering av hvordan en omfattende omlegging til elektrisitet i transportsektoren kan påvirke kraft- og effektbehovet i Norge. Vurderingene er gjort med ulike beregningseksempler, gjennom drøfting av resultater og ved å se på forhold som kan påvirke resultatene. Med elektrisk drift menes i dette notatet batterielektriske kjøretøy. Ulike hybridløsninger blir ikke drøftet her. De viktigste funnene i analysen er: - Omfattende elektrifisering av transportsektoren i Norge kan skape utfordringer i dagens distribusjonsnett. Først og fremst for transformatorer. - Eventuell full elektrifisering av transport er normalt ikke fullført før om 20 til 30 år. - I løpet av 20 til 30 år vil mye av dagens transformatorer og kraftledninger i distribusjonsnettet være skiftet ut og således være bedre rustet til å takle full elektrifisering av transport. - Systemer for smart lading og flytting av last kan redusere utfordringer i kraftnettet når mange lader elbilen sin samtidig - Analyser av kraftbalansen i Norge/Norden tyder på at det er nok kraft i det nordiske kraftmarkedet til en omfattende elektrifisering av transport i Norge. Transportsektoren omfatter fire hovedgrupper transportmidler eller transportformer; veitransport, banetransport, kysttransport og lufttransport. Lufttransport blir holdt utenfor analysen fordi tidligere utredninger har konkludert med at det er vanskelig med en omfattende elektrifisering av lufttransport. Innen banetransport går allerede det meste på elektrisitet. Elbiler er en vel utprøvd teknologi innen veitransport. Innen kysttransport er det ferger, passasjerskip og landstrøm til båter i store havner som peker seg ut som mest aktuelt. Full elektrifisering av transportsektoren i Norge vil ta mange år og er nok ikke realistisk å oppnå før tidligst i 2040, så sant det ikke gjennomføres drastiske offentlige tiltak eller det skjer teknologiske og samfunnsmessige endringer som endrer bildet totalt. I dette notatet er det antatt at en eventuell full elektrifisering av transportsektoren først er oppnådd rundt 2050. Full elektrifisering vil da si elektrifisering av dagens transportmidler pluss ekstra kjøretøy som kommer til mot 2050. Voksende befolkning i Norge er den sterkeste driveren for flere personbiler, mens økonomisk utvikling betyr mye for vekst i antall yrkeskjøretøy. Side 4 NVEs beregninger viser at elektrifisering av alle kjøretøy innen veitransport, all banetransport og alle båter og skip kan gi en elektrisitetsbruk på over 20 TWh i 2050. Da er det lagt inn en vekst i antall kjøretøy, mer kollektivtransport og flere båter enn i dag. Dette er gjort på bakgrunn av forventninger om økt befolkning. For deler av veitransporten, som trailere og turbusser, vil det være krevende med batterielektrisk drift, på grunn av tunge kjøretøy, høy energibruk og lange kjørelengder. Tilsvarende problemstillinger kan gjelde for deler av skip- og båttransporten. Dersom man holder langtransport og båter/skip som er mindre egnet for batterielektriske drift utenfor, har NVE beregnet at det kan være behov for rundt 15 TWh elektrisitet til transportsektoren i 2050 ved full elektrifisering. Omfattende elektrifisering av transportsektoren kan føre til overbelastning på transformatorer i distribusjonsnettet. NVE har gjort beregninger av økt effektuttak fra elbiler i to boligområder i og fant at dersom 50 prosent eller mer av elbilene ladet samtidig, ville dette gi overbelastning på mange transformatorer og noen kraftledninger/kabler i de to områdene. Dette gjelder dersom alle bilene i områdene var elektriske. En forespørsel fra NVE til alle nettselskap med distribusjonsnett, viste at dette distribusjonsnettet er bedre/nyere enn gjennomsnittet av distribusjonsnett i landet, slik at kraftledninger og transformatorer kan være enda dårligere andre steder. Selv om dagens distribusjonsnett kan være sårbart ved omfattende elektrifisering av transportsektoren, vil mange transformatorer og store deler av ledningsnettet være skiftet ut og forbedret innen en eventuell full elektrifisering er gjennomført. Dersom det tas høyde for større effektbehov til transport ved fornying av distribusjonsnettet fremover, vil både transformatorer og kraftledninger være bedre rustet til å takle en omfattende elektrifisering av transportsektoren enn dagens nett. Målinger av lading fra elbiler utført av SINTEF og spørreundersøkelser utført av Elbilforeningen, viser i tillegg at det normalt sett ikke vil være så høy samlagringsfaktor som 50 prosent og at mye av ladingen vil komme sent på kvelden og om natten. Dette kommer blant annet av ulike rutiner og reisevaner hos folk. Til slutt kan systemer for smart lading flytte lading av elbiler fra tidspunkt på døgnet med høy belastning i kraftnettet til tidspunkt med lavere belastning. Batterier kan også være en mulighet for å avlaste kraftnettet i forbindelse med lading av elektriske kjøretøy. Ekstreme tilfeller av samlagring kan likevel oppstå i forbindelse med ferier og høytider når mange bileiere må lade samtidig i hytteområder og når de kommer hjem fra ferie. Spenningskvalitet og kortslutningsytelse er ikke analysert i dette notatet og dette kan gi utfordringer enkelte steder når mange lader bilen samtidig. Elektriske varebiler og elektriske busser kan trekke mye effekt rundt sentraler/depot for kjøretøyene og dette kan skape utfordringer for distribusjonsnettet i de aktuelle områdene. Mens busser blir brukt store deler av døgnet og lader mellom rutene, tyder erfaringene fra de som har elektriske varebiler i dag på at disse bilene blir satt til lading når arbeidsdagen er slutt. Maksimallast fra elektriske varebiler kan derfor komme på ettermiddag eller kveld. Side 5 Analyser utført at DNV-GL og Siemens/Bellona viser at det er mulig å elektrifisere opp til halvparten av ferjestrekningene i Norge. Erfaringer fra den batterielektriske ferjen Ampere viser imidlertid at både kraftnett og ladesystemer på båter og på land kan være for svakt til å håndtere de store effektuttakene som er nødvendig for at elektriske ferjer skal fungere optimalt. Dersom halvparten av ferjestrekningene i Norge skal elektrifiseres vil det derfor kreve bedre kraftnett og ladesystemer (for eksempel batteribank på land). Landstrøm til båter i havner kan også økes i forhold til dagens bruk, men forutsetter bedre elektrisk infrastruktur i havnene. 2 Forutsetninger bak analysen For å kunne vurdere hvordan en omfattende omlegging kan påvirke kraft- og effektbehovet i Norge må man lage noen antagelser om hvordan sentrale faktorer vil utvikle seg framover. Omlegging til full eller høy andel av elektriske kjøretøy i transportsektoren vil ta mange år, slik at man i en slik analyse må lage noen anslag på hvordan transportsektoren i Norge vil se ut om 20 til 30 år. I denne utredningen strekker analyseperioden seg frem til 2050. Grunnen til at analyseperioden er så lang som til 2050, er ønsket om å se på konsekvenser for kraftsystemet ved full elektrifisering av transportsektoren. I første halvdel av 2015 utgjorde elbiler 18,4 prosent av nybilsalget av personbiler. Det vil ta noen år før elbiler eventuelt vil stå for hele nybilsalget av personbiler og eventuelt varebiler. Med en antatt levetid på 15 til 20 år for en personbil er det derfor først etter 2040 at det er realistisk med bare elbiler i Norge. Å nå et slikt mål innen 2050 er kanskje det mest realistiske anslaget. Det antas i denne analysen at det er en tett sammenheng mellom antall personbiler og befolkningsutvikling i Norge. Utvikling i befolkning fremover baserer seg på Statistisk sentralbyrå sitt mellomalternativ for befolkningsframskriving. Denne framskrivingen er vist i Tabell 2-1 og viser at SSB forventer en sterk befolkningsvekst frem mot 2030, men at veksten så avtar mot 2050. Det er i denne analysen lagt inn en lignende utvikling i personbilparken mot 2050 som for befolkningen, men med en litt svakere årlig vekst. Dette gjelder spesielt mot slutten av perioden. Bakgrunnen for dette er en antagelse om at en høyere andel av befolkningen reiser kollektivt framover og at det dermed blir færre bilreiser. Høyere kollektivandel av antall reiser har vært en trend i Norge siden 2005 og myndighetene ønsker å legge til rette for at dette skal fortsette. Spesielt gjelder dette byene. Dette medfører også at det forventes en relativt sterk vekst i kollektivtransport som buss og bane mot 2050. Et annet poeng med å bruke en lang analyseperiode er at det i denne analysen skal ses på utfordringer i kraftnettet ved elektrifisering av transportsektoren. Det tar ofte mange år fra utfordringer i nettet identifiseres til ferdige linjer/kabler og transformatorer er installert. Når man bygger nye linjer må man også bygge med tanke på utvikling i elektrisk effekt mange år frem i tid. De kraftlinjene som planlegges i dag, og de neste årene, bør derfor være dimensjonert for antatt elbruk og effekt langt frem i tid. Side 6 Tabell 2-1 Sammenheng mellom befolkningsutvikling og personbiler i Norge. Norge 2014 2030 2040 2050 Millioner Millioner Millioner Millioner Befolkning SSB MMMM 5,1 5,9 6,3 6,6 Personbiler 2,5 2,9 3,1 3,3 Varebiler1 0,5 0,6 0,65 0,7 1 Varebiler og kombibiler inntil 7,5 tonn. Økende befolkning vil også gi behov for mer varetransport. Antallet varebiler i Norge har økt mye de siste 15 årene, sannsynligvis på grunn av flere folk og bedre økonomi. Den siste befolkningsframskrivingen til Statistisk sentralbyrå antyder noe lavere vekst i befolkning framover enn det historisk har vært de siste 15 årene og Finansdepartementet spår i Perspektivmeldingen fra 2013 en lavere vekst i norsk økonomi framover enn det har vært de siste 20 til 30 årene. Dette taler for noe lavere vekst i varetransport framover enn den veksten som har vært siden årtusenskiftet. Det er likevel lagt inn en betydelig vekst i antall varebiler i Norge mot 2050 i dette notatet. En annen viktig forutsetning som er lagt inn i denne analysen, er at ved full elektrifisering vil fremtidens elbilpark ligne dagens fossile elbilpark. Det betyr at elbilen blir bil nummer en for mange familier og dette vil føre til at den gjennomsnittlige elbil vil ha en årlig kjørelengde som tilsvarer dagens fossile biler. Det er lagt inn noe avtagende årlig kjørelengde mot 2050, på grunn av antagelsen om høyere kollektivandel i trafikken. Teknologisk utvikling kan gjøre motorene til elektriske kjøretøy mer effektive og dette er illustrert i tabellene i notatet ved en høy og lav kraftbruk per kilometer. Kraftbruk per kilometer og årlig kjørelengde er to variabler som påvirker samlet forbruk av elektrisitet til transport mye. 3 Beskrivelse av transportsektoren Transportsektoren kan deles inn i fire hovedgrupper; Veitransport, banetransport, kysttransport og luftfart. I tillegg brukes det bensin og diesel til maskiner og redskaper. Se Tabell 3-1. Veitransport omfatter personbiler, varebiler, busser, lastebiler, trailere, tankbiler, mopeder og motorsykler. Den største gruppen både i antall og forbruk av drivstoff er private personbiler, men trailere og busser bruker i snitt seks til syv ganger så mye energi per kilometer som personbiler og kjører flere ganger så langt per år som personbiler og dette fører til et betydelig samlet forbruk av drivstoff hos disse store kjøretøyene. Tabell 3-1 viser at det 2014 ble brukt diesel og bensin tilsvarende 40,6 TWh til veitransport. Side 7 Kysttransport omfatter ferger, innenriks kysttransport og fiskebåter. Det ble i 2014 brukt fossile drivstoff tilsvarende 14,6 TWh innen kysttransport. Utenriks skipsfart blir ikke analysert eller omtalt i dette notatet. Banetransport omfatter tog, T-bane og trikk. Tabell 3-1 viser at det meste av banetransporten ble drevet av strøm i 2014. Maskiner og redskaper omfatter alt fra traktorer, anleggsmaskiner, militære kjøretøy til gressklippere og motorsager. Maskinene går på diesel, mens redskapene bruker bensin. Luftfart i Tabell 3-1 er innenriks flytrafikk. Rapporter fra Miljødirektoratet og Avinor tilsier at det er lite sannsynlig med en storstilt elektrifisering av fly mot 2030. Elektrifisering av fly blir derfor ikke analysert i denne rapporten. Tabell 3-1 Energi til transport i 2014. Kilde SSB – energibalansen. Sum Bensin/ Marin1 Jet- LNG Strøm Bio energi diesel gassolje parafin TWh TWh TWh TWh TWh TWh TWh Veitransport 42,3 40,5 0,2 0,1 1,5 Kysttransport2 13,0 0,5 11,3 1,2 Luftfart 4,8 4,8 Banetransport 0,9 0,2 0,7 Maskin/redskap Ca. 7 7 Sum Transport 68 48,2 11,3 4,8 1,4 0,8 1,5 1 Omfatter her også tungolje. 2 Inkluderer fiskebåter 3.1 Veitransport Innen veitransport er det mest aktuelt å elektrifisere personbiler, varebiler og busser. Elektriske personbiler og varebiler finnes det allerede mange av og elektriske bybusser er også en utprøvd teknologi. Turbusser, trailere og tankbiler som kjører over store avstander vil ha større utfordringer med elektriske motorer. Kombinasjon av høyt drivstofforbruk og lange kjøreavstander gir behov for svært store og tunge batteri for denne typen langtransport. Ulike kombinasjoner av hybridteknologier kan være aktuelt for trailere og busser som skal gå over Side 8 store avstander. Motorsykler, mopeder og elsykler har vi sett bort fra i denne analysen, da det antas at disse vil bruke begrenset med elektrisitet ved elektrifisering, samt at de hovedsakelig brukes i sommerhalvåret og derfor ikke vil være kritisk for kraftnettet i Norge. I Tabell 3-2 er det laget anslag på hvor mye elektrisitet det er behov for dersom all veitransport i Norge skulle gått på elektrisitet. Dersom alle registrerte biler, busser, lastebiler og motorsykler i 2014 var elektriske, har NVE anslått at de ville trenge nærmere 12 TWh elektrisitet. Dersom all veitransport skal elektrifiseres vil dette ta minst 20 til 30 år. I Tabell 3-2 er det derfor også gjort et anslag på antall kjøretøy og elbruk til veitransport i 2050. Anslaget på antall kjøretøy framover er gjort med utgangspunkt i SSBs befolkningsframskrivinger. Det er også på nivå med det Miljødirektoratet har brukt i sin rapport om utslippsbaner mot 2030 (M-386 - 2015). Dette anslaget på kjøretøy gir et beregnet behov på 14,6 TWh elektrisitet i 2050, dersom alle kjøretøy skal elektrifiseres. Det er viktig å understreke usikkerheten i disse anslagene på elektrisitet til transport. Teknologisk utvikling, samfunnsmessige endringer og politiske føringer kan endre bildet og gi en annen elbruk framover enn det som er anslått her. Tabell 3-2 Anslag på elbruk til veitransport dersom alt elektrifiseres. 2014 2050 anslag Kjøretøy Elbruk Anslag1 Kjøretøy Elbruk Anslag per km elbruk per km elbruk 1 000 kWh/km TWh 1 000 kWh/km TWh Personbiler 2 555 0,2 6.8 3 300 0,2 7,9 Varebiler 472 0,25 1,8 650 0,25 2,6 Busser 17 1,2 0,7 20 1.2 1,0 Lastebil, trailere 79 1,2 2,4 100 1.2 3,0 Motorsykler 207 0,1 0,1 250 0,1 0,1 Sum 11,8 14,6 1 Kjørelengder per kjøretøy er hentet fra SSBs transportstatistikk. En faktor som betyr mye for samlet elbruk til veitransport er elbruk per kilometer. Det er store forskjeller i elbruk per kilometer mellom sommer og vinter og mellom ulike kjørestiler. Figur 3-1 viser minimum og maksimum elbruk per kilometer for et utvalg personbiler, basert på tall som NAF, Forbrukerrådet og Elbilforeningen har hentet inn. For en Nissan Leaf kan elbruken per kilometer variere fra 0,12 kWh/km til 0,30 kWh/km. Lignende forskjeller er det for de andre Side 9 bilmodellene i Figur 3-1. For å kunne gjøre beregninger av samlet elbruk til personbiler ved omfattende elektrifisering er det nødvendig med et gjennomsnittstall og ut fra de nevnte erfaringstallene, kan 0,2 kWh per kilometer virke som et rimelig gjennomsnittstall for sommer og vinterkjøring. Elbruk per kilometer for et utvalg elbiler VW e-Golf Tesla Model S 85D Renault ZOE Max Nissan Leaf Min Mitsubishi i-MiEV BMW i3 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 kWh/km Figur 3-1 Elbruk per kilometer for utvalgte biltyper. Kilde NAF og Teknisk Ukeblad. Varebiler i Tabell 3-2 består av et stort utvalg ulike kjøretøy, fra små varebiler til store kombinerte biler på inntil 7,5 tonn. Gjennomsnittlig elbruk per kilometer vil nok derfor være noe høyere for denne kjøretøygruppen enn for personbiler. I dette notatet brukes 0,25 kWh per kilometer som en gjennomsnitt for varebiler. En elbruk per kilometer på 1,2 kWh for busser og lastebiler er også et grovt estimat som kan diskuteres. I Stavanger er det to batterielektriske busser som går mellom Stavanger og Sandnes og tekniske data viser at disse bussene bruker ca. 1 kWh per kilometer om sommeren og 1,4 kWh om vinteren. Utprøving av de samme bussene i Finland viste enda lavere elbruk per kilometer, men på grunn av begrenset erfaring med batterielektriske busser for nordiske forhold, velger NVE å forholde seg til forbrukstallene fra bussene i Stavanger og bruker 1,2 kWh per kilometer som gjennomsnittlig elbruk i elektriske busser over året. En elbruk per kilometer på 1,2 kWh er også i tråd med det Miljødirektoratet bruker i sin rapport om utslippsbaner mot 2030. I dette scenariet for veitransport mot 2050 er det antatt at elbruken vil øke som følge av flere kjøretøy. Det er imidlertid flere forhold som vil begrense veksten i elbruk til veitransport. For Side 10 det første er det myndighetenes mål at en høyere andel av transportbehovet i Norge skal tas via banetransport, kysttransport, sykling eller til fots. Dersom dette lykkes kan det veksten innen veitransport bli mindre enn det som er antatt i denne beregningen. Tilsvarende kan ny og bedre teknologi redusere elbruken per kilometer for de ulike kjøretøyene og bidra til å begrense den samlede bruken av elektrisitet til veitransport. Det siste forholdet som kan begrense bruken av elektrisitet innen veitransport er utfordringene med batterielektrisk drift innen langtransport. Tunge biler, ofte tung last og lange transportavstander vil medføre behov for store og tunge batterier i trailere, tankbiler og turbusser. Dette kan gi så store utfordringer at det ikke er gjennomførbart å elektrifisere disse kjøretøyene de nærmeste årene. Store kraftige hurtigladestasjoner langs de mest brukte transportveiene kan likevel gjøre det praktisk mulig å bruke batterielektrisk drift til langtransport en gang i fremtiden. I Tabell 3-3 er anslag på elbruk til veitransport avgrenset til de typer kjøretøy som det er mest aktuelt å elektrifisere med batteridrift. Totalt kan dette gi en samlet etterspørsel etter elektrisitet til veitransport på over 12 TWh vedd full elektrifisering i 2050. Tabell 3-3 Anslag på elbruk til veitransport det er mest aktuelt å elektrifisere med batteridrift. 2014 2050 anslag Kjøretøy Elbruk Anslag Kjøretøy Elbruk Anslag per km elbruk per km elbruk 1 000 kWh/km TWh 1 000 kWh/km TWh Personbiler 2 555 0,2 6.8 3 300 0,2 7,9 Varebiler 472 0,25 1,8 650 0,25 2,6 Bybusser 10 1,2 0,5 12 1,2 0,6 Lette lastebiler 1,2 1,0 1,2 1,2 Sum 10,1 12,3 3.2 Banetransport Banetransport omfatter tog, trikk og T-bane. Til sammen ble det brukt 0,7 TWh elektrisitet til banetransport i 2014. Mens trikk og T-bane utelukkende går på elektrisitet, blir 20 prosent av togtrafikken drevet av diesel. Det er planer om å elektrifisere gjenværende dieselstrekninger. Miljødirektoratet har beregnet at dette vil øke bruken av elektrisitet med 0,06 TWh. Flere folk og høyere andel som reiser med bane i Norge vil ventelig øke elektrisitetsbruken til