21/07/2014

1

Emerging Technologies

UNESCAP ‐ UNHABITAT

National Capacity Building Workshop on Sustainable and Inclusive 

Transport Development

3‐4 July 2014, Vientiane, Lao PDR

Abhijit Lokre

Associate Professor

Centre of Excellence in Urban Transport

CEPT University

Content

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Urban Transport and EnvironmentVehicle Technology and Market ScenarioVehicle Technology Choice Vehicle Technology and Environment Fuel Energy ContentComparative Statement – Fuel Technology Cost Factor – Diesel vs CNGChallenges with Adopting TechnologiesSummary

21/07/2014

2

Urban Transport and Environment• Air pollution is a major environmental 

health problem affecting people worldwide

• Traffic is predominant source of air pollution

• Cities manage environment regulations by planning, policies and vehicle technologies

• To regulate CO2 emissions and local pollution, alternate vehicle technology is key.  

Vehicle Technology and Market Scenario

Wide range of alternative fuels & technologies are available in market

• Fuel technology for Buses • Standard Diesel • Ultra Low Sulphur Diesel (ULSD), • Compressed Natural Gas (CNG), • Liquefied Petroleum Gas (LPG), • Biofuel (bio‐methane/bio‐diesel) , • Electricity • Hydrogen Fuel Cell 

• Engine Technology • Internal Combustion Engine (various EURO stages) • Hybrid 

Market Availability

21/07/2014

3

Vehicle Technology and Market Scenario

• Diesel has established market in bus vehicle 

• Needs to compete with other fuel  alternatives innovated R&D on engine / 

propulsion technology with lower emissions   

• CNG over past few decades has established its market 

• Initial infrastructure for refueling & maintenance was created

• Some safety concerns are on potential fire risk exists with CNG

• Hybrid vehicle are growing in market in Mexico and Brazil 

Market Development 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Vehicle Technology Choice 

Factors influencing fuel and vehicle technology type choice

• Policy support, Tax incentives, Funding 

• Life Cycle Cost 

• Availability of fuel and refueling infrastructure 

• Maintenance facilities – Infrastructure and technical expertise 

• Scope of replacement

• Priority to air pollution or green house emissions 

21/07/2014

4

Vehicle Technology and EnvironmentEmission Type

Local Pollutant 

GHG pollutant 

Regulating Regions

CO Y US, Europe, Brazil, India, Mexico

CO2 Y Y US

NOx Y Y US, Europe, Brazil, India, Mexico

Total HC Europe, Brazil, India

Non‐Methane HC

Y US, Mexico

PM Y US, Europe, Brazil, India, Mexico

CH4 Y Europe

SO2 Y US, Europe, Brazil, India, Mexico

Paper: Exhaust emission of Transit Bus ‐ Embarq

Country 2012ppm

Future Target

Location

Brazil 50 10 Major cities

500 50 Metro Area

1800 500 Nationwide

Mexico 15 15 Metro Area

500 50 Nationwide

India 50 Major cities

350 Metro Area

500 Nationwide

US 15 Nationwide

Europe 10 Nationwide

Emission norm followed in various region

Brazil 2013 & UNEP 2012a, 2012b, 2012c

Vehicle Technology and Environment 

Eq. CO2 and CO Emission during life cycle cost of std diesel and CNG – buses. 

CNG and Diesel Transit Bus Emissions in Review ‐ by California Environmental Protection Agency; Air Resource Board

Most CO2 emissions (GHG) are related 

to vehicle operation while CO emission 

is result of material production in life 

cycle cost. 

CNG produces more CO in operations  

21/07/2014

5

Vehicle Technology and Environment 

Eq. NOx and SOx Emission during life cycle cost of std diesel and CNG ‐ heavy vehicle. 

Diesel produces NOx more than CNG during vehicle operation while higher HC and methane emission is produced in CNG 

CNG and Diesel Transit Bus Emissions in Review ‐ by California Environmental Protection Agency; Air resource Board

Vehicle Technology and Environment 

Eq. PM Emission during life cycle cost of std diesel and CNG ‐ heavy vehicle. 

PM content are most emitted in vehicle assembly and material production  

PM emission is high for diesel but with new technologies it is regulated than CNG. 

CNG and Diesel Transit Bus Emissions in Review ‐ by California Environmental Protection Agency; Air resource Board

21/07/2014

6

Vehicle Technology and Environment 

PM emission vs GHG emission 

Diesel technologies are available with lower GHG emission than CNG and comparable PM emission

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Paper: Exhaust emission of Transit Bus ‐ Embarq

Vehicle Technology and Environment 

PM emission vs NOx emission 

Bio‐diesel benefits over PM as well as NOx over standard diesel technologies whereas CNG better NOx emission

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Paper: Exhaust emission of Transit Bus ‐ Embarq

21/07/2014

7

Vehicle Technology and Environment 

Emission norms for busStage Year CO HC NOx PM

g/kwh

Euro – 1 1992 8.1 1.98 14.40 0.648

Euro – 2 1998 7.2 1.98 12.60 0.270

Euro – 3 2000 3.8 1.19 9.00 0.180

Euro – 4 2005 2.7 0.83 6.30 0.036

Euro – 5 2008 2.7 0.83 3.60 0.036

Euro – 6 2013 2.7 0.23 0.72 0.018

Source: Lindqvist 2012.

Regulation norms have been developed for diesel engine technology

• Local pollutant regulations are existing two decades. 

• Remarkable research in reducing pollutants seen in past decade 

• Regulations of GHG emission are recent considerations 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Fuel Energy Content

Energy content in fuelFuel Type Energy

content

Fuel efficiency

Diesel 128,000 –

130,000 BTU

3.2 mile/DGE

Bio‐diesel 117,000 –

120,000 BTU

3.3 mile/DGE

CNG 33,000 –

44,000 BTU

2.7 mile/DGE

LNG ≈ 73,500 BTU 2.7 mile/DGE

Hydrogen ≈ 6,500 –

16,000 BTU

2.7 mile/DGE

Source: Department of Energy 2012 & TCRP 2011

BTU – British Thermal Unit; DGE – Diesel Gallon Equivalant

Diesel remains as most preferred fuel by urban local authorities / operators as it has high energy density; i.e. more mileage. 

Bio‐diesel also has high energy content 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

21/07/2014

8

Comparative Statement – Fuel Technology  Comparison of Fuel Technology ‐ 1 

Diesel  CNG  Bio‐methane / Biogas

Bio‐diesel / FAME

Non‐renewable Non‐renewable  Renewable fuel Renewable fuel

Fuel price depends on production cycle and supply chain 

Fuel price depends on production cycle and supply chain 

Production volume is relatively smaller to input

Established market & relevant infrastructure 

Established market & relevant infrastructure 

Technology similar to CNG; makeover in market easier 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Extract from Clean Buses – Experiences with Fuel and Technology Options: by‐ clean fleets ‐ 2014

Comparative Statement – Fuel Technology  Comparison of Fuel Technology ‐ 1

Diesel  CNG  Bio‐methane / Biogas

Bio‐diesel / FAME

Major saving in PMand NOx emission compared to diesel 

Significant savings on CO2 emissions PM emission are negligible 30‐80% reduction in NOx compared to diesel

Significant savings on CO2 emissions Significant savings on PM10 emissions 

Higher green house emission

PM2.5 & NOxemission are higher

Safety concern with on‐board fuel 

Safety concern with on‐board fuel 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Extract from Clean Buses – Experiences with Fuel and Technology Options: by‐ clean fleets ‐ 2014

21/07/2014

9

Comparative Statement – Fuel Technology  Comparison of Fuel Technology – 2  

Diesel‐electric hybrid

Plug‐in electric hybrid  Electric bus  Hydrogen fuel cell 

Emission can reduce to 30% of traditional diesel 

Significant savings on CO2 emissions 

Zero emission  Significant savings on CO2 emissions zero tailpipe emission 

Flexibility to operate in EV mode in environment sensitive areas

Minimum noise pollution 

Cost of acquiringtechnology is 50% more than standard diesel bus

Relatively immature technology with limited experience 

Relatively immature technology with high cost 

Relatively immature technology; used only on trial 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Extract from Clean Buses – Experiences with Fuel and Technology Options: by‐ clean fleets ‐ 2014

Comparative Statement – Fuel Technology  Comparison of Fuel Technology – 2  

Diesel‐electric hybrid

Plug‐in electric hybrid  Electric bus  Hydrogen fuel cell 

Diesel is non‐renewable 

Lower energy consumption compared to diesel‐electric bus

Emission depend on origin of electricity 

Dependent onelectric motor use, topography, congestion, vehicle load and driving 

Need for recharging can limit flexibility 

Safety concern on hydrogen as fuel 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Extract from Clean Buses – Experiences with Fuel and Technology Options: by‐ clean fleets ‐ 2014

21/07/2014

10

Cost Factor

In the 2006 New York transit study regular diesel buses averaged 2.33 miles pergallon while the hybrid buses averaged 3.44miles per gallon for a 35% increase infuel economy.

Fuel Economy

NREL Technical Report: NREL/TP‐540‐38843, Jan‐2006

CNG has low mileage (1.7 miles per gallon) compared to alternate fuels.

Only marginal cost difference in fuel consumption (CNG is cheaper)   

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

Cost Factor – Diesel vs CNG

Clean Diesel Cost Factor 

Capital:Bus purchase Regular fuel station installation 

Operations:Fuel cost (+ $0.04/mile) Annual maintenance Regular replacement of ‘plugged units’ ‐ (5.0 – 7.5 % per year) 

CNG Cost Factor 

Capital:Bus purchase, CNG tanks and piping High pressure compressor Depot safety modifications 

Operations:Fuel cost (+ $0.11/mile) ‐ Cost of compression and ‐ lower fuel economy Annual maintenance (+ $0.20/mile)‐ Engine: lower reliability  Fuel station maintenance Compared to std diesel, CNG costs more

Compared to std diesel, clean diesel costs more

Life Cycle Cost 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

DEER Conference 2003: Comparison of clean diesel buses to CNG buses by‐ New York city transit department of buses 

21/07/2014

11

Challenges with Adopting TechnologiesChallenges with demand and supply:

Fuels in demand are non‐renewable

Availability of fuel type is under regulation Balance in demand and supply 

Challenges to convert existing technologies:  Changes / replacement in technologies under dynamic regulation norms before completion of life‐cycle of vehicle Operation & maintenance: availability of technical expertise 

Challenges to create / recreate infrastructure: Creating infrastructure for fueling Investment in bus industry Financial implications 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

SUMMARY

• No single fuel is best in all parameters of emissions 

• All technologies require exhaust after‐treatment 

• CNG has inherent emission advantage 

• Competition in fuel alternate increase R&D for lower emissions 

• New technologies in diesel has reduced emissions; minimizing the gap with CNG 

• New technology in diesel increases cost but still lower than CNG

• Emission depend on engine technology in regulation  

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

21/07/2014

12

SUMMARY

• Propulsion Technology to be regulated

• Enforcement to regulation 

• Sharing of technological research on global welfare 

• Fuel alternate should not be imposed rather flexibility should be allowed 

• It encouraged R&D in technology 

• Achieve balance in fuel demand & supply  

• Allow fuel price elasticity (avoiding fuel monopoly) 

• Control on non‐renewable fuel resources 

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University 

. . . Thank You              

Centre of Excellence in Urban Transport, CEPT University