Electrifying AtB’s metro bus line 1 with implementation of megawatt charging system

Abstract

På grunn av politiske avtaler og et felles mål om bærekraftig utvikling har AtB som mål å elektrifisere hele bussparken i Trondheim.

Denne oppgaven har som mål å gjennomføre et mulighetsstudie vedrørende utvikling av en helelektrisk erstatning av ”Metrolinje 1” i Trondheim, uten å redusere passasjerkapasiteten. Oppgaven har også undersøkt energiforbruket til bussen og størrelsen på den nødvendige batteripakken. I tillegg har den evaluert alternativer i en livsløpsanalyse som undersøker miljøpåvirkning. På forespørsel fra Atb er det også undersøkt implementering av et megawatt ladesystem, med 5 minutters lading per endestasjon.

Det er gjort en undersøkelse av energiforbruket til M1 hvor flere variabler er evaluert og en omfattende fysisk modell av kreftene som virker på kjøretøyet er benyttet.

Det undersøkte energilagringssystemet har vært litium-ion batterier og forskjellige batterielektroder har blitt undersøkt for å kunne presentere en tilfredsstillende batteripakke for M1-bussen. Anoden som er brukt i beregningene har vært grafitt, mens katodene har vært NMC111, NCA og LFP.

Resultatene funnet i energiberegningene er presentert som to scenarier. Et scenario som representerer en gjennomsnittlig dag for M1 med tørr asfalt, lav vind og ingen intern oppvarming. Det andre scenarioet representerer et verste scenario for M1 med snø og is på veien, høyere vind og maksimal intern oppvarming. Det er viktig å presentere et worst case scenario da det vil være grunnlaget for beregningene av størrelse og kapasitet til batteriet.

Ved beregning av energiforbruk er det funnet flere feilkilder. Dataen for beregninger er gitt som gjennomsnittsdata mellom hvert stopp og dermed kan unøyaktigheter oppstå i hastighet og antall uventede stopp. Det er ingen registrerte akselerasjons- og de-akselerasjonstall tilgjengelig, og derfor har akselerasjonskraften blitt neglisjert fra energiberegningene. Av denne grunn er det funnet et skaleringstall ved å sammenligne det faktiske energiforbruket fra dieselforbruket med det beregnede forbruket for at resultatene skal reflektere det målte forbruket.

MCS kommer med mulighet til å lade med svært høy effekt (3,75MW), men batteriene er dimensjonert på en måte som åpner for lavere ladeeffekt som også forbedrer levetiden til batteriet.

De endelige resultatene har vist at alle de tre evaluerte batterialternativene, med bruk av et megawatt-ladesystem, vil være mulige løsninger på elektrifiseringen av M1. Alternativet LFP og grafitt har vist seg å være det billigste, tyngste og størst i volum. NMC111 og grafitt-alternativet har vist seg å være den dyreste batteripakken, samtidig som det er mye lettere og mindre i volum sammenlignet med LFP // Gr-alternativet. Alternativet NCA og grafitt er det letteste og minste i volum. Det er billigere enn NMC111 // Gr, men dyrere enn LFP // Gr. Gjennom livsløpsanalysen har LFP vist å gi mest CO$_2$-ekvivalente utslipp på grunn av en høy mengde nødvendig energi under produksjon, selv om kobolten i NMC- og NCA-katoden påvirker miljøet negativt ved slutten av batteriets levetid.

Due to political agreements and a common goal of sustainable development AtB aims to decarbonize their bus fleet. The underlying goal is to obtain a zero-emission state, but from the development and experience of others, electricity seems like the best option.

This thesis has aimed to perform a feasibility study regarding the development of a fully electric replacement of the ”Metrolinje 1” (M1) in Trondheim, without forfeiting passenger capacity. It has also investigated the energy consumption of the bus and sizing of the needed battery pack. In addition, the thesis has evaluated options in a life cycle analysis that investigates environmental impact. On request from AtB the implementation of a megawatt charging system (MCS) has also been investigated, with 5 minute charging per end station.

An investigation into the energy consumption of the M1 has been made where several variables has been evaluated and an extensive physical model of the forces acting on the vehicle has been utilized.

The investigated energy storage system has been lithium ion batteries and different battery electrodes have been investigated in order to present a satisfactory battery pack for the M1 bus. The anode utilized in the calculations has been graphite, while the cathodes have been NMC111, NCA, and LFP.

The results found in the energy consumption calculations have been presented as two cases. A base case representing an average day for the M1 with dry asphalt, low winds and no internal heating. The other case represents a worst case scenario for the M1 with snow and ice on the road, higher winds and maximum internal heating. It is imperative to present a worst case scenario as it will be the basis of the calculations of size and capacity of the battery.

When calculation the energy consumption several sources of error has been found. The data use for calculations are average data between every stop and so inaccuracies in velocity and number of un-expected stops may occur. There are no registered acceleration and de-acceleration numbers available and so the acceleration force has been neglected from the energy calculations. For this reason a scaling number has been found by comparing the actual energy consumption number from diesel consumption with the calculated every consumption in order for the results to reflect the measured consumption.

The MCS comes with the ability to charge at very high power (3.75MW), however, the batteries have been dimensioned in a way that opens for lower power charging that also improves the cycle life.

The final results have yielded that all three evaluated battery options with the use of a mega watt charging system, would be a feasable solution to the electrification of the M1. The LFP and graphite option has shown to be the cheapest, heaviest and largest in volume. The NMC111 and graphite option has shown to be the most expensive battery pack, while also being a lot lighter and smaller in volume compared to the LFP // Gr option. The NCA and graphite option is the lightest and smallest in volume, while being cheaper than NMC111 // Gr but more expensive than LFP // Gr. Through the LCA, the LFP has shown to yield the most CO$_2$ equivalent emissions due to a high amount of needed energy during manufacturing, even though the Cobalt in the NMC and NCA cathode negatively impacts the environment at the end of life.