Power-to-Transport – Energy storage for sustainable regional development: Optimized integration of renewables in smart transport systems

• Research unit: SFOE
• Project number: SI/502070

Short description (German)

Die Verwendung von variabel produzierter Elektrizität aus PV für ein Transportsystem wird untersucht und optimiert. Das untersuchte System besteht aus Batteriespeicher, Elektrolyse und Methanisierung sowie Elektro- und Gasbussen. Es werden Modelle entwickelt, um techno-ökonomische Bewertungen und Klimaauswirkungen für verschiedene Betriebsstrategien zu quantifizieren. Die Werkzeuge können angepasst und auf andere Regionen in anderen Ländern angewendet werden. Das Konsortium besteht aus den Anwendern ("need owner") "Region Uppsala" und "Uppsala Wasser" in Schweden sowie aus Schweizerischen und Schwedischen akademischen Partnern, welche die Arbeiten ausführen. Das Projekt hat das Potential, die Anzahl elektrischer Busse um 30% zu erhöhen, 50% mehr Methan für den Transportsektor zu produzieren, was 25% weniger Treibhausgasen entspricht verglichen mit aktuellen Szenarien.

Short description (English)

The project intends to assess electric storage with batteries, conversion to e-methane via electrolysis of water and methanation of H2 at a bus terminal in order to optimize the utilization of variably produced electricity from solar PV cells in a transport system with electric and gas vehicles. Specific methods and models will be developed for techno-economic evaluations and climate impact assessment for optimization of different operational strategies. The tools are developed to be adaptable and used in other regions in different countries. The Uppsala Region and Uppsala Vatten in Sweden are “need owners” and academic partners from Switzerland and Sweden will be main performer of the work plan, thus including academia and public companies in the consortium. The project has the potential to increase the number of electric buses by 30%, and to allow an increase by 50% in CH4 production for transport sector, resulting in 25% less greenhouse gas emissions than the current scenario.

Publications / Results (German)

Die Energiepolitik der Schweiz fokussiert auf die Probleme des eigenen Landes. Ausländische Erfahrungen können hierbei helfen, geeignete Wege in Richtung einer erneuerbaren und effizienten Energieversorgung ausfindig zu machen. Ein Forschungsprojekt mit Beteiligung der Ostschweizer Fachhochschule (OST) hat untersucht, wie sich die Busflotte im schwedischen Uppsala mit zusätzlichem Biomethan aus lokaler Produktion betreiben lässt. Die Ergebnisse sind auch für die Schweizer Versorgung mit Biomethan von Bedeutung.

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• Fachartikel_B. Vogel [PDF] 2'186 kB

Publications / Results (English)

The energy policies of any country are focused on solving their own energy problems – this includes Switzerland. Nevertheless, experiences from other countries can help identify suitable paths toward a renewable and efficient energy supply. A research project involving the Eastern Switzerland University of Applied Sciences (OST) examined how the bus fleet in Uppsala, Sweden, could be operated with additional locally produced biomethane. The results are also relevant for Switzerland’s biomethane supply.

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• Specialised article_B. Vogel [PDF] 2'165 kB

Publications / Results (French)

La politique énergétique suisse se concentre sur les problèmes internes au pays. Mais les expériences internationales peuvent aider à identifier les méthodes appropriées pour un approvisionnement en énergie renouvelable et efficace. Un projet de recherche, auquel participe la Haute école spécialisée de Suisse orientale (OST), a étudié la possibilité de faire fonctionner la flotte de bus d’Uppsala, en Suède, avec du biométhane supplémentaire issu de production locale. Les résultats sont également pertinents pour l’approvisionnement en biométhane en Suisse.

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• Article spécialisé_B. Vogel [PDF] 2'168 kB

Final report (German)

In diesem transnationalen Projekt soll die beste Option für die Defossilisierung einer Busflotte durch die Nutzung von Sonneneinstrahlung und biogenen Abfällen als Primärenergiequellen ermittelt werden. Es wurden spezifische Methoden und Modelle entwickelt, um eine techno-ökonomische Bewertung der Optionen sowie eine Bewertung der Treibhausgasemissionen durchzuführen. Obwohl diese Methoden im Rahmen dieses Projekts auf eine spezifische Fallstudie angewandt werden, sind sie flexibel und allgemein und könnten auf jeden geografischen Standort angewendet werden. 

Um die Busflotte zu defossilisieren werden zwei Szenarien vorgeschlagen: Erhöhung der Anzahl der Elektrofahrzeuge und Erhöhung der Menge an kohlenstoffneutralem Methan, das in den gasbetriebenen Bussen verwendet wird.  Um diese Szenarien umzusetzen sind zusätzliche Geräte zur Ergänzung der bestehenden Infrastrukturen erforderlich. Die Region Uppsala hat vor kurzem eine PV-Anlage auf dem Dach des Busdepots installiert, aber um die Schwankungen der Sonneneinstrahlung zu bewältigen, konzentriert sich ein Teil der Fallstudie auf die Festlegung einer optimalen Speicher- und Betriebsstrategie. Gleichzeitig wird mehr als die Hälfte des von der Busflotte verbrauchten Biomethans in den Anlagen von Uppsala Vatten produziert, einem Abfallentsorgungsunternehmen, das bei der Aufbereitung von Abwässern und der Vergärung organischer Abfälle Rohbiogas erzeugt. Das Projekt untersucht, wie das in die Luft abgegebene CO₂ mit Wasserstoff kombiniert werden könnte, um erneuerbares Methan zu erzeugen (Power-to-Gas).

Um die Ziele des Projekts zu erreichen, wurden verschiedene Modellierungsinstrumente entwickelt: Zur Schätzung der Netzstrompreise sowie seiner Emissionsfaktoren und für die optimale Auslegung und den Betrieb einer Power-to-X-Anlage. Die Ergebnisse zeigen, dass die Defossilisierung der Busflotte technisch machbar ist, die wirtschaftliche Machbarkeit jedoch eine Herausforderung darstellt. Tatsächlich ist es für erneuerbare Gase (Wasserstoff, erneuerbares Methan oder Biogas) noch schwierig, mit fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig zu sein, insbesondere aufgrund der stark schwankenden Strompreise. Darüber hinaus erschweren politische Unsicherheiten wie das mögliche Verbot aller Verbrennungsmotoren in der EU eine langfristige Verpflichtung für die Wirtschaftsakteure.

Final report (English)

This transnational project intends to define the best option to defossilize a bus fleet by using solar irradiation and biogenic waste as primary energy sources. Specific methods and models have been developed to perform techno-economic evaluations of the solutions, as well as an assessment of greenhouse gas emissions. Although in the framework of this project these methods are applied to a specific case study, they are flexible, generic and could be applied to any geographic location. 

To defossilize the bus fleet, two scenarios are suggested and evaluated in the project: increase the number of electric vehicles and increase the amount of carbon-neutral methane used in the gas-fuelled buses.  To implement these scenarios, additional units are required in completion to the existing infrastructures. Region Uppsala recently installed a PV plant on the roof of the bus depot, but to cope with the intermittence and seasonality of solar irradiation, part of the case study focuses on defining an optimal storage and operation strategy. Concurrently, more than half of the biomethane used by the bus fleet is produced at the facilities of Uppsala Vatten, a waste-management company that produces raw biogas while treating wastewater and digesting organic waste. The project investigates how the CO₂ emitted into the air by the process could be combined with hydrogen to produce renewable methane (power-to-gas).

With these goals in mind, different modelling tools have been developed. To forecast the grid electricity prices, estimate its emission factors, and optimize the design and operation of a power-to-X plant. The results of the study show that the defossilisation of the bus fleet is technically feasible, however, the economic feasibility is a challenge. It is indeed currently still difficult for renewable gas (hydrogen, renewable methane or biogas) to compete with fossil fuels, especially with highly volatile electricity prices. In addition, politic uncertainties such as the possible ban of all internal combustion engines in the EU makes it difficult for stakeholders to invest in the long-term future.

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• Final report [PDF] 2'823 kB

Final report (French)

Ce projet transnational vise à définir la meilleure option pour défossiliser une flotte de bus en utilisant les ressources primaires disponibles comme l'irradiation solaire et les déchets verts. Des méthodes et des modèles spécifiques ont été développés pour réaliser des évaluations techno-économiques ainsi qu'une évaluation de l'impact sur le climat. Bien que dans le cadre de ce projet, ces outils soient appliqués à un cas spécifique, ils sont flexibles, généraux et pourraient être appliqués à n'importe quelle localisation géographique.

Pour défossiliser la flotte de bus, deux scénarios sont proposés : augmenter le nombre de véhicules électriques et accroître la quantité de méthane neutre en carbone utilisé dans les bus fonctionnant au gaz. Pour mettre en œuvre ces scénarios, des équipements supplémentaires sont nécessaires pour compléter les infrastructures existantes. La région d'Uppsala a récemment installé une centrale photovoltaïque sur le toit du dépôt de bus, mais pour faire face à l'intermittence et au caractère saisonnier du photovoltaïque, une partie de l'étude de cas se concentre sur la définition d'une stratégie optimale de stockage et d'exploitation. Parallèlement, plus de la moitié du biométhane utilisé par la flotte de bus est produit dans les installations d'Uppsala Vatten, une entreprise de gestion des déchets qui produit du biogaz brut en traitant les eaux usées et en digérant les déchets organiques. Le projet étudie comment le CO₂ rejeté dans l'air pourrait être combiné à de l’hydrogène pour produire du méthane renouvelable (power-to-gas).

Pour atteindre les objectifs du projet, différents outils de modélisation ont été développés. Pour estimer les prix de l'électricité du réseau ainsi que ses facteurs d'émission, et pour la conception et l'exploitation optimales d'une centrale power-to-X. Les résultats montrent une bonne faisabilité technique des différentes mesures à prendre pour parvenir à une défossilisation complète de la flotte de bus, mais une faisabilité économique qui représente un défi. En effet, il est encore difficile pour les gaz renouvelables (hydrogène, méthane renouvelable ou biogaz) de concurrencer les combustibles fossiles, notamment en raison de prix de l’électricité très volatiles. En outre, les incertitudes politiques telles que la possible interdiction de tous les moteurs à combustion dans l’UE rendent un engagement à long terme difficile pour les acteurs économiques.