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Research unit
SFOE
Project number
SI/501311
Project title
ESMOBIL-RED – Realverbrauch konventionell und elektrisch angetriebener Fahrzeuge abbildendes, Energiesystemisches Modell des Schweizerischen Mobilitätssektors zur Bewertung von Nachhaltigkeitsmassnahm

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
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Publications / Results
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Schlussbericht
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Short description
(German)
Der Realverbrauch von konventionell und alternativ angetriebenen Fahrzeugen wird am Prüfstand gemessen und physikalisch modelliert. In Kombination mit statistischen Daten über die Mobilitätsnachfrage und die Flottenzusammensetzung entsteht eine gesamtsystemische Darstellung für die Schweiz, welche zur Quantifizierung der Effektivität verschiedener technischer und politischer Nachhaltigkeitsmassnahmen im Mobilitätsbereich herangezogen werden kann.
Publications / Results
(German)
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Publications / Results
(French)
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Schlussbericht
(German)
ESMOBIL-RED ist ein Modell zur Abschätzung des Energiebedarfs der heutigen und möglicher zukünftiger PW-Flotten der Schweiz. Dazu wurde eine eigens im Projekt betriebene Testflotte verschieden angetriebener Fahrzeuge in Labor- und Feldversuchen charakterisiert.
Die Daten des Laborversuchs dienten zur Kalibration sogenannter Willans-Modelle: sie beschreiben den Gesamtwirkungsgrad als Funktion der mittleren positiven mechanischen Leistung der Vortriebskraft am Rad — fortan «Radlast». ESMOBIL-RED generierte solche Modelle für konventionelle, hybridische und Plug-in hybridische Diesel-, Benzin- und Gasantriebe, sowie Batterie-elektrische- und Brennstoffzellenantriebe. Die Radlast kann für jedes beliebige Fahrzeug in einer beliebigen Fahrsituation berechnet werden. Mit der Möglichkeit die Willans-Modelle verschiedener Antriebsformen gegeneinander auszutauschen entsteht ein universeller Schätzer des Energiebedarfs als Funktion grundlegender physikalischer Eigenschaften des Fahrzeugs (wie seiner Masse) und des Geschwindigkeitsprofils der Fahrt.
Auf nationaler Skala, der Ambition von ESMOBIL-RED, fehlt die Geschwindigkeitsinformation, da nicht jede Fahrt jedes Autos beobachtet werden kann. Deswegen wurde der Feldversuch als Stichprobe des Verbrauchs unter Realbedingungen herangezogen und die Abweichung zum Normwert im WLTC Testzyklus gemessen. Im Mittel lag der Realverbrauch bei allen Antriebsarten 20-30% über dem Normverbrauch. Statistische Analysen zeigten, dass die Berücksichtigung der effektiven Durchschnittsgeschwindigkeit, des Beschleunigungsverhaltens, der Strassentopographie und des Energiebedarfs allfälliger antriebsunabhängiger Nebenaggregate die Varianz einschränken. Aus der Umkehr dieser Erkenntnis entstand das ESMOBIL-RED Realverbrauchsmodell.
Die erste Anwendung war eine virtuelle Flotte auf Basis der in 2015 beobachteten Mobilitätsnachfrage der Schweizer Bevölkerung gemäss dem BFS Mikrozensus Mobilität und Verkehr. Die einzelnen Fahrzeuge widerspiegeln nicht nur die unterschiedlichen täglichen Nutzungsprofile in Distanz und Fahrtzeit, sondern unterscheiden sich auch in Form, Gewicht, Antriebsleistung und damit ihrem Energiebedarf und ihrer Reichweite. So konnte ein Optimierungsmodell für jedes Fahrzeug die (im Betrieb) CO2-ärmste Antriebstechnologie auswählen, unter Berücksichtigung der benötigten Reichweite und der CO2-Emissionen bei der Produktion des benötigten Energieträgers. Es zeigte sich, dass für die spezifischen Randbedingungen der Schweiz Vollelektrifizierung ein wünschenswerter und stabiler Endzustand ist.
Um den zeitlichen Verzug bis zum Erreichen der Vollelektrifizierung zu beleuchten, kam ein dynamisches Kohortenmodell der Flotte zum Einsatz. Es beschreibt die allmähliche Veränderung des Fahrzeugbestandes über den jährlichen Zufluss aus dem Neuwagenmarkt, sowie die Ausmusterung älterer Fahrzeuge als Funktion ihres Alters. Damit ist das imponierte Wachstum des Marktanteils der einzige limitierende Faktor der Elektrifizierung der Flotte. Unter der Annahme, die aktuellen CO2-Ziele für PW werden eingehalten (und in Zukunft konsequent weitergeführt), ergeben sich die Marktanteile konkurrierender Technologien. Bewertet wurden die kumulierten CO2-Emissionen bis zum Erreichen einer vollständig CO2-neutralen Flotte. In allen Fällen auffällig war die grosse «eingeschlossene» CO2-Emissionen der vor Beginn der Analyse verkauften, konventionellen Fahrzeuge. Eine schnelle Dekarbonisierung bedingte deswegen einen beschleunigten Rückgang der spezifischen Emissionen. Dies kann über einen erhöhten Marktanteil von Elektro- und Hybridfahrzeugen (d.h. Förderung), eine Beschleunigung der Substitutionsdynamik z.B. über «Abwrackprämien» oder den zusätzlichen Eintrag CO2-armer Energievektoren wie «e-fuels» oder Biotreibstoffe erfolgen.
Die Fallbeispiele illustrieren wie der ESMOBIL-RED Ansatz Analysen rund um die Energieintegration zukünftiger Antriebssysteme eröffnet. Die wichtigsten Methodikbausteine wurden in 3 wissenschafltichen Publikationen einem Fachpublikum unterbreitet.
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Schlussbericht
(English)
Project ESMOBIL-RED developped an assessment methodology of the energy demand of the Swiiss fleet of passenger cars, comprising its current and potential future propulsion technologies. To that end, a small fleet of test vehicles was characterised in laboratory and field tests.
The laboratory test data served to calibrate so-called «Willans» models for all propulsion systems investigated during ESMOBIL-RED, namely conventional, hybrid and plug-in hybrid powertrains fuelled by diesel, gasoline or natural gas, as well as battery electric and fuel cell electric systems. A Willans-model describes the total efficiency of a propulsion system as an affine relationship of the mean positive propulsion load. The latter can be computed for any car, given certain technical and operational characteristics (such as the effective mass and a speed profile). It is independent of the propulsion system, as the Willans-line is independent of the car. The model can thus be used to describe any car using any propulsion system.
The data of the field tests were used to estimate the real-world energy demand under road conditions. It was expressed as a correction factor relative to the norm consumption as defined by the legislative “WLTP” procedure. The variance of the factor value could be partially explained by the average velocity, the average positive acceleration, the experienced road topography and the load of auxiliary devices such as lighting or the cabin heating system. On average, the specific energy demand of all propulsion systems was 20-30% elevated in real-world conditions.
The consumption model was then applied to the entirety of the Swiss fleet. Its daily driving requirements were quantified by using the Swiss “Mikrozensus Mobilität und Verkehr” by the Swiss Federal Office for Statistics. Then an optimizer selected the mix of propulsion technologies yielding minimal CO2 emissions over the entire fleet. It accounted for the effectively required autonomy range (using the microcensus data) and the CO2 emissions of providing the potentially required alternative energy carriers. For the specific boudnary conditions of Switzerland, full electrification of the fleet was shown to be an effective and robust decarbonisation strategy: it is robust against fluctuations of the CO2-intensity of the average consumer electricity mix; of course the reduction effect is directy propotional to that CO2-intensity.
There is a delay between the introduction of electric propulsion technologies in the market and the achievement of full electrificatino of the fleet. This was explored using a dynamic cohort model. It describes the natural renewal of the fleet as new vehicles entering the fleet through the market and old vehicles leaving the fleet as a function of their age. Postulating that the market share is the limiting factor of vehicle electrification, we developed a series of scenarios reflecting the current decarbonisation strategy of the Swiss respectively EU governements. To evaluate the scenarios, we used the resulting cumulative CO2 emissions until reaching full electrification in a sufficiently distant future. The results highlight the important role of vehicles sold before and shortly after the beginning of the analysis in 2019: they stay in the fleet for over a decade, locking in large amounts of CO2. For a fast and effective decarbonisation, it is thus paramount to quickly reduce the specific emissions as much as possible. Practically, this can be achieved by influencing the market share of hybrid and battery-electric vehicles (e.g. through subsidies), or by addressing vehicles in the fleet, either through accelerating the substitution dynamics (through scrapping subsidies) or by providing drop-in replacement fuels such as “e-fuels” or biofuels.
The results shown in this report prove the usefulness of the ESMOBIL-RED approach in investigating various questions around the energy integration of future propulsion systems. The most important methodological elements were made public in 3 specific scientific publications.
Schlussbericht
(French)
ESMOBIL-RED modélisait la consommation d’énergie de toutes les voitures dans la flotte Suisse, tant pour sa composition courante que des flottes hypothétiques comprenent des systèmes à traction électrique. Pour ce faire, une flotte d’expérimentation de 5 voitures a été characterisée par des essais de laboratoire et des essais pratiques sur la route.
Les données des essais de laboratoire servaient à calibrer des modèles « Willans » pour tous les systèmes de traction investigés pendant le projet, notamment des systèmes conventionnels, hybrides et hybrides rechargeables à diesel, essence ou gaz, ainsi que des systèmes à batterie électrique et à l’hydrogène. Le modèle « Willans » décrit l’efficacité d’un système de propulsion comme une fonction affine de la charge moyenne positive de propulsion. Celle ci peut être calculée pour n’import quelle voiture, indépendamment de son système de propulsion, pourvu que certaines données techniques (comme sa masse) et opérationelles (notamment un profil de vitesse) soient connues. La modélisation est donc universelle pour toute voiture et système de propulsion.
Les données des essais pratiques servaient à estimer la consommation d’énergie réelle. Elles déionissent un facteur correctif entre la consommation réelle et la consommation normée indiquée par la procédure « WLTP ». Le facteur a été parametrisé comme fonction de la vitesse moyenne, de l’accélération positive moyenne, de la topographie du réseau routier et l’intensité de charges auxiliares, comme le système d’éclairage ou le chauffage de la cabine. Cette dernière a été particulièrement important. En moyenne, la consommation réelle excédait la consommation normée à 20-30%.
Le modèle de consommation fut ensuite appliquée à la flotte de voitures Suisse. La demande de mobilité journalière était relevée par le microcensement sur les transports 2015 de l’OFS. Ensuite, un optimiseur determinait le mix de technologies minimisant les émissions de CO2 à travers toute la flotte, tenant compte de l’autonomie requise et des émissions de CO2 pendant la disposition des carburants. Pour le context Suisse, l’électrification enitère de la flotte présentait une stratégie efficace et robuste : le mix de technologies était insensible contre les variations du mélange d’électricité consomméee, bien que l’effet de reduction y était directement proportionel.
En pratique, il y a un délai entre la commercialisation d’un produit et sa pénétration complète de la flotte. Pour ce comprendre, nous utilisions un modèle de cohorte. Il décrit l’entrée de nouveau voitures emergeant du marché, et la sortie d’anciennes voitures en fonction de leur âge. Postulant que le facteur limitant de l’électrification est son succès dans le marché, pluseirus scénarios ont été developpés reflètant la politique Europénne. Nous évaluions les scénarios par leur emissions de CO2 cumulées jusqu’à une décarbonisation totale dans un future suffisement distant. Les résultats montraient la grande quantitée de CO2 associée aux voitures vendues avant le début de l’analyse (2019), indépendemment du succès commercial des voitures électriques. Pour une décarbonisation efficace il est donc important de réduire les émissions spécifiques le plus vite possible. Ceci peut ce faire par l’augmentation du taux de marché (par example par un subside), à traver une accélération de la dynamique de substitution ou à travers l’introduction de carburants substitutifs comme les « e-fuel » ou biogéniques.
Les examples fournis démontrent l’utilité pratique est la flexibilité de l’approche ESMOBIL-RED pour des études concernant l’intégration énergétique de nouvelles formes de propulsion. Les modules de méthodologie les plus importants ont été mis à dispositon d’un public spécialisé dans trois publications scientifiques.