Switching Municipal Vehicles to Natural 

Tom Risley

Gas Fueling – Does It Make SenseTom Risley

Director Energy ProgramsLife Cycle Engineering, Pittsburgh, PA

Study BackgroundFunded by the Heinz EndowmentsFunded by the Heinz Endowments

A Vehicle for ChangeSummer Youth Philanthropy Project

BackgroundBackground• High petroleum fuel (gas 

and diesel) prices have and diesel) prices have resulted from many factors including a finite supply, market pressures, and global conflictconflict.

• As a result interest in alternative fuels has been renewed.

• Some alternatives include: biofuels, liquefied petroleum gas (propane), electric vehicles (EVs), and ( ),natural gas.

• The focus of this study is compressed natural gas.

Background Info

3

The E85 EffectThe E85 Effect• Flex Fuel  

B fit /P iBenefits/Promises– Lower fuel costs– Reduces Reliance on Reduces Reliance on foreign oil

– Agri/Ethanol BoostB tt   i i– Better emissions

• Caveat Emptor– $ per gallon basis – 25 –$ per gallon basis  25 30% mileage reduction

– Environmental trade‐off4

Background Info

About Natural GasAbout Natural Gas• Natural gas is a naturally occurring hydrocarbon 

formed from organic material similar to those formed from organic material similar to those that form petroleum.

• A very appealing alternative fuely pp g– Projected abundance and recent discoveries of shale formations in Southwestern PAImproved exhaust emissions– Improved exhaust emissions

– Relative low cost• Natural gas must be compressed (CNG) or g p ( )

liquefied (LNG) in order to have sufficient energy density to be used as a transport fuel.

Background Info

5

About the fuel ‐ perspective

CNG – Commonly stored at 3,000 or 3,600 psi;  32,400 Btu/gal by volume

LNG C l t d t t h i d 260 °F

Natural Gas – 1,000 Btu per Ft3  ; Therm – 100,000 Btu or 100 Ft3

LNG – Commonly stored at atmospheric pressure and ‐260 °F;  615 times energy of 1 Ft3 of natural gas.

Background Info

6

LexiconLexicon• CNG – compressed natural gas• LNG – liquified natural gas• GGE  ‐ gasoline‐gallon‐equivalentg g q• NGV – natural gas vehicle• Retrofit (Convert) – backfit natural gas systems into existing vehicles• Dedicated – run solely on natural gas• Flex Fuel – run on variety of liquid fuels gas or E85• Bi‐Fuel – run on two fuels – gasoline and cng• Dual Fuel – run with combination of diesel pilot and natural gas simultaneously• OEM – original equipment manufacturer• SVM – small volume manufacturers• QSR  qualified system retrofitters• QSR – qualified system retrofitters• CARB – California Air Resources Board• Energy Density – amount of energy stored per unit volume.  • LHV/HHV – Lower and Higher Heating Value – energy content of fuel

7

Background Info

Natural Gas Vehicles (NGVs)Natural Gas Vehicles (NGVs)

• NGVs have either CNG or LNG fuel storage NGVs have either CNG or LNG fuel storage systems onboard.

• CNG  Natural gas is compressed to ~ CNG  Natural gas is compressed to ~ 3600 psi and stored in certified fuel cylinders.cylinders.

• LNG Natural gas is condensed into a liquid by cooling it to ‐260 oF.  LNG is liquid by cooling it to  260  F.  LNG is stored in certified insulated fuel cylinders.

CNG Chosen to Complete Analysis due to 

Natural Gas Vehicles

8

p ycurrent availability

Converting to CNGConverting to CNG

Gasoline to CNG Diesel to CNGGasoline to CNG• Gasoline engines/vehicles are 

converted to CNG through conversion kits.C i  ki     i h  bi f l 

Diesel to CNG• Diesel engine/vehicles are converted 

to CNG through engine replacements or repowers.E i   l t    d di t d • Conversion kits are either bi‐fuel 

or dedicated.– Bi‐fuel Operates on gasoline or 

CNG.– Dedicated  Operates CNG only.

• Engine replacements are dedicated and repowers are dedicated or dual fuel.‐ Dual Fuel  Operates on diesel and CNG 

simultaneously.‐ Dedicated  Operates on CNG onlyp y ‐ Dedicated  Operates on CNG only

[Source: Honda Civic GX Owner’s Manual] [Source: Cummins Westport][Source: Honda Civic GX Owner s Manual] [Source: Cummins Westport]

Vehicle Conversion Details

9

EPA CertificationEPA Certification

10

CNG Fuel StorageCNG Fuel Storage

• CNG fuel tanks occupy ~ 3 times more space than gasoline or diesel gasoline or diesel tanks.

• In many cases 

[Courtesy of Dept. of Energy]

In many cases vehicle range or onboard storage 

  t b  space must be reduced.

[Courtesy of Fyda Energy Solutions Inc.]

CNG Fueling Storage

11

FuelingFueling• Fleet inventory drives fuel requirements

• Fill speed requirements• Right sizing Fill StationsRight sizing Fill Stations• Opportunity timing• Incentives• Power/facility• Power/facility requirements

P.C. McKenzie are recognized experts in U.S. , located in Upper St. Clair and on our team – the are the worldwide Ingersoll Rand fuel station distributor

12

About A Vehicle for Change StudyAbout A Vehicle for Change Study• The results of this study are representative of a “snapshot“ at the time 

the study was conductedthe study was conducted.• Fuels price (gas, diesel, and CNG), conversion kit cost & availability, fueling 

station infrastructure, and technology are constantly evolving.• Moving forward:

Fuel prices will tend increase at their respective rates– Fuel prices will tend increase at their respective rates.– CNG conversion kit costs will tend to lower as their availability 

improves.– CNG fueling infrastructure will improve as more vehicles are converted 

to NGVsto NGVs.– Technology in the natural gas conversion field will advance.

Each of these factors will make conversion   l   f l    i   to natural gas fuel more attractive.  

Study Background

13

About Study (cont.)About Study (cont.)

• Other municipalities considering converting Other municipalities considering converting to CNG should explore their own specific fleet and circumstances before converting.

• Note that this study explores the conversion of municipal vehicles.  Private or commercial fleets which typically pay an additional on‐road fuel tax on their fuel will have a shorter ROI time period given the same vehicle and ROI time period given the same vehicle and consumption.

14Study Background

Study Participants• North Strabane Township• Peters Townshipp• Peters Township Sanitary Authority• Peters Township Ambulance Service• Peters Township Ambulance Service• Township of Upper St. Clair

h b l• Tri‐Community South Ambulance Service

South Hills Sustainable Fleet Study – Is Natural Gas a Fit?

Study Participants

15

Study ApproachStudy Approach• The following was 

f d f   h performed for each municipality in the study:

• Fleet Inventory and Assessment

U ili d  h  V hi l  A  – Utilized the Vehicle Assessment Worksheet to gather vehicle information and assess each fleet.

• Municipal Profile – Created to better understand each 

i   i i l    d unique municipal structure and how its organizations operate within the municipality.

• Maintenance Approach– Identify each municipality's' 

h l hmaintenance philosophy.– Determined facility and training 

requirements.

Study Approach

16

Study Approach (cont.)Study Approach (cont.)• CNG Conversion Evaluation                                                             

(Conducted on a per vehicle (Conducted on a per vehicle basis)

– Determined conversion options for each vehicle.

– Inputs: Conversion Cost, Fuel Consumption, Fuel PriceROI Ti  P i d   V hi l  S i  Lif– ROI Time Period vs. Vehicle Service Life

– Funding and Fuel Price Differential Requirements

• Report Card (Recommendations)B i  C  f  • Business Case for Recommended Vehicle Conversions

– Provided an implementation plan for recommended vehicles as well as savings over a given time periodover a given time period.

• Fueling Station Requirements– Used fuel consumption data to specify a 

fast fueling station and estimate cost.• LPG vs. CNG Comparison Case

– Compared ROI time period and savings – Compared ROI time period and savings between a CNG and Propane vehicle conversion.

Study Approach

17

Business CaseBusiness Case• Tangible

Fuel Cost – Fuel Cost differential

– Carbon Offset Ca bo O se– Maintenance Cost– Conversion Costs

• Intangible– Energy securitygy y– Green operation

18

Upper St. ClairppFleet Summary

Fleet Summary for U  S  Cl i  T hiUpper St. Clair Township

• Organizations include: Ad i i t tiAdministration, Ambulance, Police Dept., and Public Works.

C t i d ithi h• Categorized within each organization by service, fuel, and vehicle type.

A d t il d f• A detailed summary of Upper St. Clair Twp. vehicles is provided in the report.

Upper St. Clair Township Fleet Summary

20

CNG Fill Station Cost Estimate for U  S  Cl i  T hiUpper St. Clair Township

Fuel Consumption S

CNG Fast Fill Station C  E iSummary Cost Estimate

Weekly Monthly Annually

Upper Saint Clair

FuelFuel Consumption (Gal.)

Equipment Qnty Total  CostIngersol Rand Compressor Model# 20H40NGDX 1 $116,385Weekly Monthly Annually

Gasoline 1,057 4,581 54,973Diesel 576 2,496 29,951Total 1,633 7,077 84,924

Inlet Dryer 1 $68,750

CPI ASME Storage Vessels 3 $100,000Tulsa Gas Technology Dual Position Dispenser 1 $54,060Priority Sequential Panel 1 $20,142Verbatim Auto Dialer 1 $2,957

$362,294Total Cost

Note: CNG Fast Fill Station Cost Estimate provided by P.C. McKenzie Corp.

Fueling Station

21

CNG Conversions Available for FleetCNG Conversions Available for Fleet

• Minimal new OEM CNG hi l il bilit GMvehicle availability – GM 

Savana/Express Cargo 

• Dealer/OEM send from lot t ito conversion

• Conversions – all EPA Certified

• Costs obtained from SVMs and up‐fitters.

C d if b lk b• Cost advantage if bulk buy or pool buying 

Upper St. Clair Township Fleet Summary

22

Build Cost Case by VehicleBuild Cost Case by Vehicle

Upper St. Clair Township Fleet Summary

23

Conversion Recommendations f  U  S  Cl i  T hifor Upper St. Clair Township

Organization Category Model & ID YearCNG 

Convert Options 

CNG Engine Prep 

Emissions Service Life       (Yrs.)

Maint. & Facilities

Conversion Grade

Patrol       Crown Victoria  2007

New  Not 3

Cert. &  Service Life>Year to Reach ROI          

Years to Reach ROI

2 0Car     (306)

2007only Avail. Reduction

3Training See notes (1).

Explorer (305) 2008 4.5 5.4New only

Not Avail. Reduction

5Cert. & Training

Service Life > Year to Reach ROI         See notes (1)(2).

Expedition (301)

2010 1.6 2.0New only

Not Avail. Reduction

5Cert. & Training

Servie Life > Years to Reach ROI         See note (1)

SUV

Police     Dept.

2.0

• Conversion recommendations were based on several factors: Available Conversion Options, Years to Reach ROI vs. Service Life, CNG Engine Prep, Emissions, & Maintenance.

• Vehicles not shown were not recommended for conversion.

• See report for detailed report card.

Upper St. Clair Township Fleet Summary

24

Business Case for Recommended VehiclesRecommended Vehicles

Fiscal Year 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022

SUV Budget Cost                            (301 & 305)($35K ea.) $70K $0K $0K $0K $0K $70K $0K $0K $0K $0K

P t l C B d t C t (306)Patrol Car Budget Cost (306)       ($30K ea.) $30K $0K $0K $30K $0K $0K $30K $0K $0K $30K

New SUV w/CNG ($46K ea.)        (301 & 305) ‐$92K $0K $0K $0K $0K ‐$88K $0K $0K $0K $0K

New Patrol car w/ CNG (306)($40K ea.) ‐$40K $0K $0K ‐$38K $0K $0K ‐$38K $0K $0K ‐$38K

Annual Fuel Savings (301) $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K $5 55K

POLICE     DEPT.

Annual Fuel Savings (301)  $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K $5.55K

Annual Fuel Savings (305)  $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K $2.02K

Differential, (‐)Loss, (+) Savings (301 & 305) ‐$14.4K ‐$6.9K $.7K $8.3K $15.9K $5.8K $13.4K $21.K $28.6K $36.1K

Annual Fuel Savings (306) $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K $4.96K

Differential,(‐)Loss, (+) Savings (301 305 &306)

• Used annual municipal budgets and vehicle replacement schedules to provide an implementation plan for recommended vehicle conversions.

(301, 305, &306) ‐$19.5K ‐$6.9K $5.6K $10.1K $22.7K $17.6K $22.1K $34.6K $47.2K $51.7K

• An initial investment in the conversion is required that would be recovered over time in fuel cost savings.

• Business case accounts for next generation vehicle conversions 

Business Case

25

Price Differential/Augmentationg

Business Case

26

ConclusionsConclusions• Given the low usage most of the municipal vehicles were not 

recommended for conversion to CNGrecommended for conversion to CNG.• 175  vehicles were evaluated between each municipality – only 8 vehicles 

recommended • 5 Police Vehicles, 1 Ambulance Van, 1 Fire Department SUV, and 

Sanitary Authority SUV made the cutSanitary Authority SUV made the cut• Results combination of fleet turnover, high cost of conversion, low 

mileage, and smaller municipal fuel cost differential• Cost of Fast Fill Station not included in ROI as fleet size was so small –

need to bundle station between municipalities/school bus fleets and need to bundle station between municipalities/school bus fleets and also make use of growing commercial CNG facilities

• Conversion recommendations are based on a snapshot of when this study was conducted.  Recommendations are subject to change based on the dynamics of factors such as fuel price  conversion kit cost & the dynamics of factors such as fuel price, conversion kit cost & availability, and supplemental funding.

Study Conclusions

27

QuestionsQuestions

• ????????????

F h  I f iFurther Information:Tom Risley

412‐253‐8380 ext. 3001 (office)412‐352‐3224 (cell)412 352 3224 (cell)trisley@LCE.com