des Endberichts

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des Endberichts

ifeu Institut für Energieund Umweltforschung
Heidelberg GmbH
Ökologische Begleitforschung zum
Flottenversuch Elektromobilität
(FKZ 0325071A)
Endbericht
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung
liegt bei den Autoren.
Heidelberg, Juni 2013 (Revision April 2014)
ifeu Institut für Energieund Umweltforschung
Heidelberg GmbH
Ökologische Begleitforschung zum
Flottenversuch Elektromobilität
(FKZ 0325071A)
Endbericht
Gefördert durch:
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
Autoren:
Hinrich Helms, Udo Lambrecht, Julius Jöhrens, Martin
Pehnt, Axel Liebich, Uta Weiß, Claudia Kämper u.a.
ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH
Wilckensstr. 3, D – 69120 Heidelberg
Tel.: +49/(0)6221/4767-0, Fax: +49/(0)6221/4767-19
E-Mail: ifeu@ifeu.de, Website: www.ifeu.de
Heidelberg, Juni 2013 (Revision April 2014)
Abkürzungsverzeichnis
AC
ADAC
BEV
BMS
BMU
CO2
CtL
DC
DLR
DSM
E-Betrieb/E-Mode
EDW
EE
EEG
EEX
eLCAr
EU
HBEFA
HV
IFEU
IIP
IPCC
ISI
KEA
KIT
LFP
LTO
MiD
NCA
NEFZ
NMC
NMHC
NOx
PHEV
PM10
POCP
PSM
PV
RPA
SOC
THG
TREMOD
TSI
V2G
VCD
VW
ZEV
Wechselstrom (Alternating Current)
Allgemeiner Deutscher Automobilclub
Battery Electric Vehicle
Batteriemanagementsystem
Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
Kohlenstoffdioxid
Coal to Liquids
Gleichstrom (Direct Current)
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Demand Side Management
Batterieelektrischer Fahrzeugbetrieb (nach Fahrstrategie/ vom Nutzer gewählt)
Einwohnerdurchschnittswerte
Erneuerbare Energien
Erneuerbare Energien Gesetz
European Energy Exchange
Electric Car LCA (Ökobilanzmodell des IFEU)
Europäische Union
Handbuch Emissionsfaktoren für den Straßenverkehr
Hochvolt
Institut für Energie- und Umweltforschung
Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion
Intergovernmental Panel on Climate Change
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
Kumulierter Energieaufwand
Karlsruher Institut für Technologie
Lithium-Eisen-Phosphat(-Akku)
Lithium-Titanat(-Anode)
Mobilität in Deutschland
(Lithium-)Nickel-Kobalt-Aluminium(-Akku)
Neuer Europäischer Fahrzyklus
(Lithium-)Nickel-Mangan-Kobalt(-Akku)
Nicht-Methan-Kohlenwasserstoff
Stickoxide (Stickstoffmonoxid + Stickstoffdioxid)
Plug-In Hybrid Vehicle
Particulate Matter (<10µm)
Photochemical Ozone Creation Potential
Permanenterregter Synchronmotor
Photovoltaik
Relative Positive Acceleration
State of Charge
Treibhausgase
Transport Emission Model
Twincharged Stratified Injection
Vehicle to Grid
Verkehrsclub Deutschland
Volkswagen
Zero-Emission-Vehicle
IFEU-Institut
Seite 1
Inhaltsübersicht
Zusammenfassung ............................................................................................................................................ 3 1 Einleitung .................................................................................................................................................. 6 2 Methodische Erläuterungen ...................................................................................................................... 8 3 4 5 6 2.1 Untersuchungsziel.......................................................................................................................... 8 2.2 Untersuchungsgegenstand ............................................................................................................ 8 2.3 Funktionelle Einheit und Bezugsrahmen ...................................................................................... 11 2.4 Betrachtete Umweltwirkungen...................................................................................................... 13 2.5 Realisierung und Datengrundlagen .............................................................................................. 16 Herstellung und Entsorgung von Plug-In-Hybriden ................................................................................. 17 3.1 Bilanzierung des Referenzfahrzeugs ........................................................................................... 17 3.2 Bilanzierung der Plug-In-Hybride ................................................................................................. 19 3.3 Umweltbilanz Fahrzeugherstellung und -entsorgung ................................................................... 22 3.4 Optimierungsmöglichkeiten der Fahrzeugherstellung .................................................................. 25 3.4.1 Batterieeigenschaften .................................................................................................... 25 3.4.2 Werkstoffeinsatz und Recycling ..................................................................................... 26 Der TwinDrive im Flottenversuch ............................................................................................................ 28 4.1 Nutzungsmuster im Flottenversuch .............................................................................................. 28 4.2 Energieverbrauch des TwinDrive im Flottenversuch .................................................................... 31 4.3 Detailbetrachtung der Nebenverbraucher .................................................................................... 33 4.4 Umweltbilanz über einen gesamten Lebensweg .......................................................................... 35 Plug-In-Hybrid Serienfahrzeuge 2020 ..................................................................................................... 40 5.1 Perspektivische Nutzungsmuster von Plug-In-Hybriden .............................................................. 40 5.2 Energieverbrauch von Plug-In-Hybrid-Serienfahrzeugen ............................................................. 42 5.3 Umweltbilanz von Plug-In-Hybrid-Serienfahrzeugen .................................................................... 44 5.4 Chancen und Risiken der Umweltbilanz....................................................................................... 48 Perspektive der Elektromobilität in Deutschland 2030 ............................................................................ 50 6.1 Marktpotenzial für Elektrofahrzeuge............................................................................................. 50 6.2 Potenziale der Luftreinhaltung ..................................................................................................... 52 6.3 Endenergieverbrauch und direkte CO2-Emissionen ..................................................................... 53 6.4 Zukünftige Strombereitstellung für Elektrofahrzeuge ................................................................... 55 6.5 6.4.1 Zusätzlicher Strombedarf und Auswirkungen auf den Kraftwerkspark ........................... 56 6.4.2 Auswirkungen der Elektromobilität auf die Betriebsweise des Kraftwerksparks ............ 58 6.4.3 Zukünftige Klimabilanz der Pkw-Mobilität in Deutschland .............................................. 62 Perspektivische Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen ................................................................. 64 Seite 2
7 IFEU-Institut
Strategische Bewertung der Elektromobilität .......................................................................................... 66 7.1 7.2 Wechselwirkungen mit aktuellen politischen Instrumenten .......................................................... 66 7.1.1 Erneuerbare-Energien-Richtlinie .................................................................................... 66 7.1.2 Emissionshandel ............................................................................................................ 66 7.1.3 CO2-Flottengrenzwerte................................................................................................... 67 7.1.4 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) ............................................................................ 68 Maßnahmen zur Treibhausgasminderung durch Elektromobilität ................................................ 69 7.2.1 Kopplung von Elektrofahrzeugen an erneuerbare Energie ............................................ 70 7.2.2 Regulierung der Energieeffizienz von Fahrzeugen ........................................................ 77 8 Schlussfolgerungen und Handlungsempfehlungen ................................................................................. 80 9 Literaturverzeichnis ................................................................................................................................. 82 10 Anhang .................................................................................................................................................... 87 10.1 Modellierung des Energieverbrauchs von PHEV ......................................................................... 88 10.1.1 Fahrmuster für die Verbrauchsmodellierung .................................................................. 88 10.1.2 Analyse der Verbrauchswerte aus dem Flottenversuch ................................................. 89 10.1.3 Ableitung von Verbrauchswerten für Serienfahrzeuge ................................................... 91 10.2 Bilanzierung der Auspuffemissionen ............................................................................................ 94 10.3 Bilanzierung der Energiebereitstellung......................................................................................... 97 10.3.1 Strombereitstellung ........................................................................................................ 97 10.3.2 Bereitstellung von Kraftstoffen ....................................................................................... 99 10.4 TREMOD Modellierungen der Marktszenarien .......................................................................... 104 10.4.1 Bestandsmodellierung und Fahrleistungsverteilung..................................................... 104 10.4.2 Energieverbrauch und Emissionen .............................................................................. 105 10.5 Erneuerbare Energien entlang von Verkehrsinfrastrukturen ...................................................... 107 10.6 Ergebnistabellen der Umweltbilanzen ........................................................................................ 109 Tabellen und Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................. 112 Tabellenverzeichnis ............................................................................................................................... 112 Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................................... 113 IFEU-Institut
Seite 3
Zusammenfassung
Fahrzeuge mit einem (teil-)elektrischen Antrieb bieten durch ihren effizienten Antriebsstrang und die Rückgewinnung von Bremsenergie die Möglichkeit, sowohl den Endenergieverbrauch als auch die damit verbundenen CO2-Emissionen im Verkehr deutlich zu reduzieren. Im Rahmen des Förderschwerpunkts „Elektromobilität“ des Bundesministeriums
für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) wurde daher von Volkswagen in
den Jahren 2008-2012 das Plug-In-Konzept „TwinDrive“ entwickelt und über ein Jahr mit
20 Fahrzeugen getestet. Um die Umweltvorteile des TwinDrive und von Plug-In-Hybriden
(PHEV) im Allgemeinen zu bewerten sowie die zukünftigen Umweltentlastungspotenziale
von Elektromobilität in Deutschland zu ermitteln, führte das IFEU im Rahmen des Forschungsprojektes „Flottenversuch Elektromobilität“ eine ökologische Begleitforschung
durch. Diese verfolgt einen ganzheitlichen ökobilanziellen Ansatz und bezieht demnach
die Fahrzeugherstellung, -entsorgung sowie die komplette Energiebereitstellungskette in
die Betrachtung ein.
Bei heutigem deutschen Kraftstoff- und Strommix sind die nutzungsbedingten Klimavorteile des TwinDrive im Elektrobetrieb am größten. Hohe elektrische Fahranteile führen also
zu insgesamt niedrigeren Emissionen, die über den Lebensweg auch die zusätzliche Klimawirkung der Herstellung von Batterie und Elektromotor kompensieren können. Gegenüber dem Referenzfahrzeug ergibt sich bei einer Lebensfahrleistung von 150.000 km und
durchschnittlichem elektrischem Fahranteil des Flottenversuchs eine um etwa 5 % niedrigere Klimawirkung pro Kilometer. Für Fahrer mit hohen elektrischen Fahranteilen (> 70 %)
beträgt der Vorteil über 10 %, er kann sich jedoch bei besonders niedrigen elektrischen
Fahranteilen auch umkehren (aufgrund der zusätzlichen Klimawirkung durch die Batterieherstellung und das höhere Fahrzeuggewicht). Eindeutig positiv fällt die Bilanz bereits
heute bei Nutzung zusätzlicher erneuerbarer Energien aus: Hier wird (bei durchschnittlichem Fahr- und Ladeverhalten) eine Reduzierung der Klimawirkung um über 30 % erreicht.
Für zukünftige PHEV-Serienfahrzeuge sind deutlichere Klimavorteile zu erwarten, vor allem aufgrund technischer Optimierungsmöglichkeiten, höherer Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur (und damit größeren elektrischen Fahranteilen) und eines steigenden Anteils
von erneuerbaren Energien im Strommix. Die Abhängigkeit der Umweltvorteile von der
Ladeinfrastruktur und der elektrischen Reichweite der Fahrzeuge wurde dabei anhand
von Beispielen untersucht. Auch wenn weiterhin nur zu Hause geladen werden kann,
steigt durch die verbesserten Randbedingungen bis 2020 der Klimavorteil des betrachteten Serien-Plug-In-Hybrids gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug bereits bei einer niedrigen elektrischen Reichweite von 20 km auf 13 % an. Insbesondere Verbesserungen der
Batterieeigenschaften und -herstellung sowie der deutlich gestiegene Anteil der erneuerbaren Energien im deutschen Strommix spielen hierbei eine Rolle. Eine Erhöhung der
elektrischen Reichweite auf 40 km sowie ein Ausbau der Ladeinfrastruktur können zu einem Klimavorteil von PHEV gegenüber Otto-Pkw um bis zu 25 % führen.
Um die Perspektiven der Elektromobilität in Deutschland für das Jahr 2030 zu beleuchten,
wurden verschiedene Marktszenarien betrachtet, die im Rahmen des Projektes vom
Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt abgeleitet worden waren: Im Szenario der
moderaten Marktentwicklung steigt die Zahl aller Elektrofahrzeuge bis 2030 auf etwa
9 Millionen, im Szenario der forcierten Durchdringung sogar auf fast 22 Millionen Fahrzeuge. Die Bestände wachsen dabei jedoch erst nach 2020 deutlich an. Einen Beitrag zur
Luftreinhaltung können Elektrofahrzeuge daher nur begrenzt leisten, da in diesem Zeit-
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IFEU-Institut
raum auch beim Emissionsverhalten der verbrennungsmotorischen Fahrzeugflotte deutliche Verbesserungen erwartet werden.
Entsprechend kommt es auch erst nach 2020 zu einer relevanten Reduktion des Endenergieverbrauchs und der CO2-Auspuffemissionen durch die Elektromobilität. Im Jahr
2030 würden dann aber die CO2-Emissionen am Fahrzeug bereits um 26 % (moderate
Marktentwicklung) und 40 % (forcierte Durchdringung) niedriger liegen als im Referenzszenario ohne Elektrofahrzeuge. Der Rohölverbrauch in Deutschland sinkt mit Elektrofahrzeugen entsprechend um 6,4 bzw. 10 Mt. Die Höhe des Beitrags zur Minderung der
Treibhausgase im Straßenverkehr hängt dann entscheidend von der Art der Strombereitstellung, also dem zukünftigen Kraftwerkspark, ab.
Das Ziel der Entwicklung sollte die Versorgung von Elektroautos mit zusätzlichem Strom
aus erneuerbaren Energieanlagen sein (siehe Abbildung „100% EE“ in der Abbildung).
Hier sind die Vorteile gegenüber dem Referenzfahrzeug, auch bei ökobilanzieller Betrachtung (also inklusive Fahrzeugherstellung), deutlich. Der für 2030 angenommene Plug-InHybrid liegt in der Klimawirkung etwa 45 % unter dem Otto-Referenzfahrzeug und immer
noch etwa 35 % unter dem Diesel-Referenzfahrzeug.
250
g CO2‐Äquivalente pro km
Verbrennungs‐
motor
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ Plug‐In Hybrid ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
Marginale Strommixe 2030
Mix 2030
EE‐Ziel
200
‐8%
‐11%
‐45%
‐40%
‐22%
150
Fahrzeugentsorgung
100
Wartung
Strombereitstellung
50
direkte Emissionen
Kraftstoffbereitstellung
Fahrzeugherstellung
0
Otto
Diesel
100% EE Letzter
Weg
DSM
DSM‐45*
Referenzfahrzeug PHEV‐Ziel moderate Marktentwicklung
DSM
V2G
DSM+EE V2G+EE Mix 2030
forcierte Durchdringung
PHEV
* Zertifikatspreis: 45€ pro Tonne CO2
Bei hoher Marktdurchdringung müssen jedoch die Rückwirkungen der zusätzlichen Nachfrage durch Elektrofahrzeuge auf die Stromerzeugung betrachtet werden. Hierbei ist auch
die Ladestrategie zu berücksichtigen: Werden die Fahrzeuge im Szenario der moderaten
Marktentwicklung direkt nach dem letzten Weg des Tages geladen (Siehe Abbildung
„Letzter Weg“), kommt es zu diesen Stunden vor allem zu einer höheren Auslastung von
Gaskraftwerken. Ein Lastmanagement (siehe Abbildung „DSM“) kann demgegenüber die
Integration von bisher überschüssigem erneuerbarem Strom verbessern und die Netzstabilität erhöhen. In der Treibhausgasbilanz bringt dies jedoch nur eine geringfügige Verbesserung, weil gleichzeitig mehr Kohlekraftwerke mit niedrigen variablen Kosten zum
Einsatz kommen. Bei niedrigeren CO2-Zertifikatspreisen (siehe Abbildung „DSM-45“) wirkt
sich das Lastmanagement sogar deutlich negativ aus, da es dann wirtschaftlich attraktiv
wird, ältere Braunkohlekraftwerke stärker auszulasten.
Es zeigt sich also, dass ein Lastmanagement allein nicht ausreicht, um eine deutliche
Treibhausminderung durch Elektrofahrzeuge im Verkehr zu erreichen. Vielmehr ist auch
eine Kopplung von Elektrofahrzeugen an erneuerbare Energie anzustreben (z.B.
„DSM+EE“ in der Abbildung). Dies kann einerseits durch Investitionen in zusätzliche er-
IFEU-Institut
Seite 5
neuerbare Energien geschehen. Mögliche Akteure dafür sind entweder die Hersteller von
Elektrofahrzeugen oder sogar die Fahrzeugkäufer. Andererseits ist auch der Bezug von
Fahrstrom aus erneuerbaren Energien („Ökostrom“) möglich. Dabei gibt es jedoch erhebliche Schwierigkeiten, einen tatsächlichen Zubau der erneuerbaren Energien zu garantieren, so dass auch eine Beteiligung der Autohersteller an EEG-Strommengen sinnvoll sein
kann. Ein Ansatz zur Durchsetzung einer Kopplung von Elektrofahrzeugen an erneuerbare Energien wäre, bestimmte Privilegien nur bei Nachweis einer solchen Kopplung zu gewähren. Dies ließe sich über eine Steuerbefreiung oder die Anrechnung der Elektrofahrzeuge als Nullemissionsfahrzeuge im Rahmen der EU-Flottengrenzwerte realisieren.
Obwohl Elektrofahrzeuge konzeptbedingt eine hohe Systemeffizienz aufweisen, muss zudem sichergestellt werden, dass vorhandene Potentiale zur Effizienzsteigerung in Zukunft
auch genutzt werden. Durch die Fokussierung der aktuellen Effizienzbewertung auf die direkten CO2-Emissionen des Fahrzeugs werden die verschiedenen Antriebssysteme strukturell ungleich behandelt. Insbesondere Mischkonzepte wie Plug-In-Hybride können mit
einer Effizienzbewertung anhand der Auspuffemissionen nicht sinnvoll erfasst und verglichen werden. Eine zukünftige Effizienzregulierung sollte insbesondere der Bedeutung und
Varianz der elektrischen Fahrstreckenanteile Rechnung tragen.
Insgesamt zeigen sich große Potenziale für eine Reduktion der Treibhausgasemissionen
des Verkehrs durch Plug-In-Hybride. Die konsequente Weiterentwicklung der Fahrzeuge
und Batterien sowie eine Kopplung von Elektrofahrzeugen an regenerativ erzeugten
Strom sind dafür jedoch notwendig. Hier müssen die politischen Weichen in den nächsten
Jahren entschieden in Richtung einer mit erneuerbaren Energien gespeisten Elektromobilität gestellt werden.
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1
IFEU-Institut
Einleitung
Mobilität ist Voraussetzung für viele wirtschaftliche und private Aktivitäten und damit zentraler Bestandteil unseres Lebens. Der Mobilitätsbedarf in Deutschland wird überwiegend
durch den Straßenverkehr gedeckt. Hier ermöglichen moderne Fahrzeuge und ein gut
ausgebautes Straßennetz individuelle Mobilität in hohem Ausmaß. Studien gehen daher
von einem Anstieg der Fahrleistungen im Pkw-Verkehr um 14 % zwischen 2004 und 2025
aus ([ITP 2007]).
Zum Treibhauseffekt, einem der wichtigsten globalen Umweltprobleme, trägt der Straßenverkehr vor allem mit der Verbrennung fossiler Kraftstoffe bei. Die direkten CO2Emissionen des Verkehrs machten im Jahr 2010 gut 20 % der gesamten CO2-Emissionen
in Deutschland aus ([UBA 2011]) und waren dabei zu gut zwei Dritteln vom Personenverkehr verursacht. Entgegen dem Trend der leicht ansteigenden Verkehrsleistung sind die
CO2-Emissionen des Personenverkehrs auf der Straße in Deutschland seit dem Jahr
2000 leicht rückläufig. Dies liegt an sparsameren Neufahrzeugen und anderen Einflüssen,
wie höheren Kraftstoffpreisen, Konjunkturschwankungen und Tanktourismus. Auch Biokraftstoffe tragen zu diesem Rückgang bei.
Weitere CO2-Reduktionen im Verkehrsbereich sind jedoch unumgänglich um die Klimaschutzziele der Bundesregierung zu erfüllen. Auch die Reduktion und Diversifizierung des
Energieverbrauchs des Verkehrs ist eine große Herausforderung. Laut Energiekonzept
der Bundesregierung soll „im Verkehrsbereich […] der Endenergieverbrauch bis 2020 um
rund 10 Prozent und bis 2050 um rund 40 Prozent gegenüber 2005 zurückgehen“ ([Bundesregierung 2010]).
1600
140
Mrd. Personenkilometer
1400
120
1200
Personenverkehr
100
1000
80
800
Luft
600
Schiene
400
Straße
60
Güterverkehr
40
200
20
0
1990
1995
Quelle: [IFEU 2012a]
Abb. 1:
Mt CO2 pro Jahr
2000
2005
2010
0
1990
1995
2000
2005
2010
IFEU 2013
Personenverkehrsleistung und CO2-Emissionen des Straßenverkehrs in Deutschland
Fahrzeuge mit einem (teil-)elektrischen Antrieb bieten durch ihren effizienten Antriebsstrang und die Rückgewinnung von Bremsenergie die Möglichkeit sowohl den Endenergieverbrauch, als auch die damit verbundenen CO2-Emissionen im Verkehr deutlich zu
reduzieren. Darüber hinaus sind sie während des reinen Elektrobetriebs vor Ort emissionsfrei und haben einen nahezu geräuschlosen Antrieb.
Bereits Plug-In-Hybride ermöglichen das Laden von extern erzeugter Elektrizität und damit auch der Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom im Fahrzeug. Nach Definition des
IFEU-Institut
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Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität der Bundesregierung zählen sie damit zu
den Elektrofahrzeugen, da sie zumindest teilweise direkt mit elektrischem Strom aus dem
Netz geladen werden ([Bundesregierung 2009]). Batterien von Elektrofahrzeugen können
zudem zur temporären Pufferung von Strom und als zeitlich flexible Stromverbraucher im
Rahmen eines Lastmanagements der Stromversorgung verwendet werden. Zudem kann
selbst bei leerer Batterie der Verbrennungsmotor als Generator öfter in seinem effizientesten Lastpunkt betrieben werden.
Herausforderungen des (teil-)elektrischen Antriebs sind die geringe Energiedichte der Batterien, hohe Kosten sowie Sicherheitsaspekte. Auf diesen Gebieten hat es aber in den
letzten Jahren erhebliche Fortschritte gegeben, so dass Elektrofahrzeuge nun eine erstzunehmende Alternative darstellen. Im Rahmen des vom ‚Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit‘ (BMU) geförderten Forschungsvorhaben „Flottenversuch Elektromobilität“ wurde von Volkswagen (VW) das Plug-In-Konzept des TwinDrive
entwickelt und über ein Jahr mit 20 Fahrzeugen bei 26 Nutzern (14 in Wolfsburg und 12 in
Berlin) getestet. In der ersten Phase wurden 2011 zunächst 70.000 km Gesamtstrecke mit
10 Fahrzeugen bei kommerziellen Nutzern zurückgelegt, in der zweiten Phase 2012 weitere 145.000 km mit 20 Fahrzeugen bei privaten Nutzern.
Das IFEU führte im Rahmen des Flottenversuchs eine „ökologische Begleitforschung“
durch. Dabei wurden die Umweltverbesserungspotenziale der im Feldversuch getesteten
Fahrzeuge ermittelt, für zukünftige Serienfahrzeuge fortgeschrieben und auf Deutschland
hochgerechnet. Teilbereiche der Analyse wurden dabei von anderen Projektpartnern des
Konsortiums bearbeitet und sind in die Zusammenführung der Ergebnisse eingeflossen.
Grundlage für die Bewertung der Nutzungsphase sind die Flottenversuchsdaten, die von
Volkswagen umfänglich zur Verfügung gestellt wurden. Zusätzlich eingeflossen sind die
Ableitung von Marktszenarien für Elektrofahrzeuge (DLR Berlin1), die Ermittlung von Potenzialen erneuerbarer Energien (DLR Stuttgart2), die Modellierung der Auswirkungen von
Elektromobilität auf die Entwicklung des Kraftwerksparks (KIT IIP3) und die Strombereitstellung (Fraunhofer ISI4).
1
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verkehrsforschung Berlin
2
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Technische Thermodynamik Stuttgart
3
Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion
4
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung
Seite 8
2
IFEU-Institut
Methodische Erläuterungen
2.1 Untersuchungsziel
Das Ziel der ökologischen Begleitforschung ist eine umfassende vergleichende Umweltbewertung von Plug-In-Hybridfahrzeugen gegenüber konventionellen Fahrzeugen, die allein von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Die Untersuchung soll insbesondere die spezifischen Vor- und Nachteile des Plug-In-Hybrid-Konzeptes berücksichtigen
und folgt dabei einem ökobilanziellen Ansatz, in dem sie den gesamten Lebensweg von
Fahrzeugen betrachtet, also den Material- und Energieeinsatz sowie die Emissionen von
der Fahrzeugherstellung über die Nutzung bis zu Entsorgung. Schwerpunkte der ökologischen Begleitforschung waren daher unter anderem folgende ([IFEU 2008]):

Ermittlung der Umweltauswirkungen der Herstellung/Entsorgung der bei Plug-InHybrid-Fahrzeugen und konventionellen Fahrzeugen sich unterscheidenden Komponenten (siehe Abschnitt 3)
 Analyse des Energieverbrauchs von Plug-In-Hybrid-Fahrzeugen und konventionellen
Fahrzeugen in verschiedenen Nutzungsmustern (Abschnitte 4.2 und 10.1)
 Ermittlung eines Betankungsstrommixes unter Berücksichtigung der zusätzlichen
Stromnachfrage durch Elektrofahrzeuge, einem möglichen Last- bzw. Demand Side
Management und einer optimierten Einbindung erneuerbarer Energien (Abschnitt 6)
 Analyse der Energieaufwendungen und der Emissionen bei der Kraftstoffherstellung
und der Strombereitstellung (Vorkette) (Abschnitt 10.3)
 Zusammenführung und Bewertung in Hinblick auf die Umweltwirkungen im Jahr 2020
[und 2030], Ableitung des CO2-Minderungspotenzials für Deutschland (Abschnitt 5
und 6)
Die dargestellten Ergebnisse der Begleitforschung richten sich insbesondere an Entscheidungsträger aus Politik, Zivilgesellschaft und Wirtschaft. Sie sind zudem zur wissenschaftlichen Weiterverarbeitung geeignet.
2.2 Untersuchungsgegenstand
Gegenstand der Untersuchung ist die Umweltbilanz von Plug-In-Hybriden im Allgemeinen
und des im Flottenversuch eingesetzten TwinDrive im Besonderen, jeweils gegenüber
vergleichbaren Fahrzeugen mit rein verbrennungsmotorischem Antrieb. Plug-In-Hybride
sind bezeichnungsgemäß Hybridfahrzeuge (verfügen also sowohl über einen Verbrennungs- als auch einen Elektromotor), deren Batterien auch über das Stromnetz aufgeladen werden können (Plug-In). Sie können sowohl ausschließlich mit Kraftstoff als auch
ausschließlich mit Strom betrieben werden; zudem sind Betriebsmodi möglich, bei denen
beide Energieträger kombiniert genutzt werden. Durch Verwendung der jeweils günstigeren Antriebsform kann die Gesamteffizienz des Antriebssystems gesteigert werden. Im
englischen, sowie vermehrt auch im deutschen Sprachraum, hat sich die Kurzbezeichnung PHEV für „Plug-In Hybrid Electric Vehicle“ durchgesetzt, die auch in dieser Studie
verwendet wird.
PHEV stehen zwischen herkömmlichen Hybridfahrzeugen, deren primäre Energiequelle
ausschließlich der getankte Kraftstoff ist, und Elektrofahrzeugen, die ausschließlich mit
extern geladenem Strom betrieben werden können. Nach Definition des nationalen Entwicklungsplans der Bundesregierung ([Bundesregierung 2009]) sind PHEV den Elektrofahrzeugen zuzuordnen, da sie zumindest teilweise direkt mit elektrischem Strom aus
IFEU-Institut
Seite 9
dem Netz betrieben werden können. Gegenüber herkömmlichen Hybridfahrzeugen ist die
Batterie größer ausgelegt, so dass auch längere Strecken rein elektrisch zurückgelegt
werden können. Prinzipiell können Plug-In-Hybride also als Elektrofahrzeuge betrieben
werden, die Batterie kann jedoch kleiner sein als bei reinen Elektrofahrzeugen (BEV), da
der Verbrennungsmotor als Reichweitenverlängerer (engl. Range Extender) zur Verfügung steht. Dies wirkt sich dann positiv auf Gewicht, Kosten und Herstellungsaufwand
aus.
Quelle: Eigene Darstellung
Abb. 2:
IFEU 2013
Elektrifizierung des Antriebsstrangs
Fokus vieler Elektromobilitätsprojekte und -untersuchungen waren bisher rein batterieelektrische Fahrzeuge. Ein Range-Extender-Konzept wurde bereits im Rahmen des IFEU
Vorhabens UMBReLA untersucht5, dabei wurden jedoch vereinfachende Annahmen zur
Betriebsstrategie gemacht. Im Folgenden liegt der Fokus daher auf einem Plug-InHybridkonzept und seinen vielfältigen Betriebsmöglichkeiten. Das im Rahmen des Flottenversuchs getestete VW-Konzept des TwinDrive ist in seinen Eckdaten in Tab. 1 zusammengefasst.
Tab. 1:
Fahrzeugdaten der im Flottenversuch eingesetzten Fahrzeuge
Fahrzeugtyp
Modelljahr
Verbrennungsmotor
Elektromotor
Batterien
Referenzfahrzeug
Golf VI
Golf VI
2010
2010
1.4 TSI (85kW)
1.4 TSI (90kW)
Wittenstein PSM (85kW)
Fahrzeuggewicht
Höchstgeschwindigkeit
Twin Drive
1821 kg
1426 kg
begrenzt auf 170 km/h
(E-Mode 120 km/h)
201 km/h
10 Fzg. mit NMC (11,5 kWh)*
10 Fzg. Mit NCA (11,7 kWh)*
* durch Batteriemanagementsystem begrenzt
Quelle: [VW 2012a]
IFEU 2013
Durch die Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor werden verschiedene Betriebsweisen ermöglicht ([VW 2012b]):
5
http://www.emobil-umwelt.de/index.php?option=com_content&view=article&id=102&Itemid=131
Seite 10




IFEU-Institut
Rein Elektrisches Fahren wird bei geringen Leistungen angewendet und kann
über einen E-Drive-Schalter vom Nutzer auch erzwungen werden („E-Mode“).
Gekoppeltes Fahren bedeutet die direkte Energieübertragung vom Verbrennungsmotor aufs Rad und findet vor allem bei Geschwindigkeiten über 50 km/h
statt. Gleichzeitig kann entweder die Batterie bei niedrigem Ladezustand zusätzlich geladen werden oder es kann beim Beschleunigen auch der Elektromotor zugeschaltet werden (Boosten).
Serielles Fahren ist dagegen vor allem bei Geschwindigkeiten unter 50 km/h
sinnvoll, da hier der Verbrennungsmotor sonst im wenig effizienten Teillastbereich
betrieben würde. Daher wird mit dem Verbrennungsmotor über einen Generator
Strom erzeugt und über den Elektromotor an das Rad weitergegeben. Auf diese
Weise kann der Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
Auch das serielle Fahren kann mit Boosten (zusätzliche Energieentnahme aus der
Batterie) und Laden verbunden werden.
Rekuperieren findet beim Bremsen statt und speist einen Teil der Bremsenergie
zurück in die Batterie
Eine exakte Abgrenzung von Plug-In-Hybriden gegenüber Fahrzeugkonzepten, die auf einen überwiegenden elektrischen Betrieb ausgerichtet sind und bei denen ein Verbrennungsmotor lediglich als Reichweitenverlängerer eingesetzt wird (Range Extender Konzept) ist kaum möglich. Die beiden Konzepte unterscheiden sich weniger qualitativ, als
quantitativ in ihrer Auslegung, z.B. hinsichtlich

Batteriekapazität,

Leistung des Verbrennungs- und Elektromotor und

Betriebsweisen (parallel, seriell).
So verfügen beim TwinDrive sowohl der Verbrennungs- als auch der Elektromotor über
eine Leistung von 85 kW (siehe Tab. 1), beide sind damit in der Lage das Fahrzeug eigenständig anzutreiben. Die Batteriekapazität ist liegt mit gut 11 kWh etwa im Mittelfeld
heute gängiger oder angekündigter Plug-In-Hybride (siehe Tab. 2) unter denen der PriusPlug-In mit knapp 5 kWh eine Ausnahme bildet. Die Fahrzeugleergewichte heutiger
Modelle liegen dabei zwischen 1.500 und 2.000 kg und damit ebenfalls in ähnlicher Größendordnung wie beim TwinDrive (1821 kg). Näherungsweise erlaubt die Umweltbilanz
des TwinDrive damit auch Rückschlüsse über die Umweltbilanz von Plug-In-Hybriden im
Allgemeinen.
Tab. 2:
Batteriekapazität und Gewichte aktueller Plug-In-Hybride
kWh
kg
TwinDrive
11,7
1821
Ford Escape
10,0
1769
Opel Ampera / Chevrolet Volt
16,0
1735
PriusPlug-In-Hybrid
4,4
1500
Volvo V70 EV
11,3
1955
IFEU 2013
Freiheitsgrade haben die Hersteller sowohl in der Auslegung der Batteriegröße, als auch
beim Batteriemanagement. So liegt bei der TwinDrive-Batterie der gesamte Nennenergiegehalt der Zellen laut Herstellerfreigabe bei 13,2 kWh, wird aber durch das Batteriemanagementsystem (BMS) auf 11,7 kWh Batteriekapazität begrenzt (siehe Abb. 3). Von diesen
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11,7 kWh werden durch das BMS nur 85 % zur Entladung freigegeben, so dass die tatsächlich nutzbare Kapazität bei 10,5 kWh liegt. Die rein elektrische Reichweite wird durch
den Hybridvorbehalt weiter eingeschränkt. Damit wird Energie „reserviert“, die für einen
effizienten hybridischen Betrieb benötigt wird. Für rein elektrische Fahrten stehen damit
8,4 kWh oder 72 % der als 100 % definierten Batteriekapazität zur Verfügung. Bei anderen aktuellen PHEV liegt dieser Anteil ähnlich, durch deren unterschiedliche Gesamtkapazität ergeben sich jedoch verschiedene Energiemengen, die für rein elektrischen Betrieb
zur Verfügung stehen. Diese liegen zwischen 2,7 kWh (PriusPlug-In) und 9,6 kWh (Opel
Ampera/Chevrolet Volt).
120%
100%
18
12%
18%
18%
100% Kapazität
72%
73%
BMS Begrenzung
20%
0%
2,4
1,5
10
71%
40%
kWh
14
12
80%
60%
16
SOC E‐Fahrten
13%
6%
12%
Hybridvorbehalt
15%
21%
18%
Min. SOC
TwinDrive
Prius PHEV
Ampera/Volt
8
9,6
8,4
6
11,7 kWh
SOC E‐Fahrten
0,7
2,7
4
2
0
1,6
1,7
0,8
TwinDrive
Prius PHEV
0,2
Quelle: Eigene Darstellung nach [VW 2012b]
Abb. 3:
Max. SOC
1,6
Hybridvorbehalt
2,4
Min. SOC
Opel Ampera
IFEU 2013
Begrenzung der Batteriekapazität bei verschiedenen Fahrzeugen
2.3 Funktionelle Einheit und Bezugsrahmen
Die Umweltwirkungen der hier durchgeführten Bilanzen werden auf den Nutzen von weitgehend vergleichbaren Fahrzeugen bezogen, die sogenannte funktionelle Einheit. Dies ist
für die Gesamtbilanz der ‚gefahrene Kilometer‘ der Fahrzeuge. Bei der Analyse von Teilbereichen des Lebensweges werden auch andere Bezugsgrößen verwendet, z.B., wenn
verschiedene Teilaspekte des Lebenswegs miteinander verglichen werden (Batterie,
Fahrzeug, kWh Strom oder MJ Kraftstoff).
Der geographische Bezugsrahmen ist Deutschland. Zeitlich wird sowohl der aktuelle
Stand der Flottenversuchsfahrzeuge abgebildet (Bezugsjahr 2012), als auch – in Szenarien – die Situation für ein optimiertes Serienfahrzeug (Bezugsjahr 2020) und der Ausblick
auf die zukünftigen Entlastungspotenziale (Bezugsjahr 2030). Im Zeitraum bis 2020 werden in den Umweltbilanzen aufgrund der geringen erwarteten Zahl an Elektrofahrzeugen
keine Rückwirkungen auf das Gesamtsystem der Stromerzeugung berücksichtigt. Für das
Bezugsjahr 2030 werden die Auswirkungen der zusätzlichen Stromnachfrage durch Elektrofahrzeuge auf die Strombereitstellung für verschiede Marktszenarien betrachtet.
Trotz des gleichen Fahrzeugrumpfes (Golf VI) sind die betrachteten Fahrzeuge in ihren
Eigenschaften nicht vollständig identisch und können dies aufgrund ihrer unterschiedlichen Antriebskonzepte auch nicht sein: So ermöglicht der elektrische Antrieb ein anderes
Fahrverhalten als konventionelle Fahrzeuge, hat z.B. ein höheres Anfahrdrehmoment
(Stichwort ‚Fahrspaß‘). Auf der anderen Seite haben die Plug-In-Hybride durch den doppelten Antriebsstrang und die Batterie ein deutlich höheres Gewicht. Prinzipiell können
beide Fahrzeuge aber für die gleichen Nutzungsmuster eingesetzt werden, da durch den
Verbrennungsmotor auch beim TwinDrive keine Reichweitenbeschränkung besteht.
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IFEU-Institut
Infrastruktur zu Fahrzeugherstellung, -entsorgung bzw. Energiebereitstellung wird in der
Regel aufgrund der geringen Relevanz in der Gesamtbilanz vernachlässigt, einzige Ausnahme bilden Anlagen zur Erzeugung erneuerbaren Stroms.
Die Umweltbilanzen folgen einem ökobilanziellen Ansatz6, bei dem der gesamte Lebensweg verschiedener Fahrzeugkonzepte betrachtet wird. Dabei werden alle relevanten Phasen des Lebensweges von Elektrofahrzeugen und den jeweiligen Vergleichsfahrzeugen
berücksichtigt:

Zur Herstellung von Fahrzeugen und Batterien wurden detaillierte Informationen zum Materialeinsatz für die Fahrzeuge sowie den mit der Produktion zusammenhängendem Energie- und Transportaufwand verwendet. Zusätzlich wurde die
Entsorgung der Fahrzeuge bzw. das Recycling wichtiger Materialien berücksichtigt.

Der Energieverbrauch der Fahrzeuge in der Nutzungsphase basiert für die aktuelle Situation auf den umfangreichen Daten aus dem Flottenversuch. Für die Szenarien wurde der Energieverbrauch auf Basis differenzierter Annahme zur Verbesserung einzelner Parameter mit einem Verbrauchsmodell berechnet.

Für die Strombereitstellung ist eine Vielzahl von Kraftwerkstypen definiert. Damit
können beliebige Kraftwerksparks mit verschiedenen Eigenschaften hinsichtlich
Wirkungsgrad und Emissionsverhalten abgebildet werden. Bei den Kraftstoffen
wurde neben fossilem Ottokraftstoff auch Biokraftstoffe als Beimischung oder
Reinkraftstoff berücksichtigt.
IFEU 2013
Abb. 4:
6
Betrachtete Lebenswegabschnitte der Umweltbilanzen
Es handelt sich dabei jedoch nicht um standardisierte Ökobilanzen nach ISO 14040/14044.
IFEU-Institut
Seite 13
2.4 Betrachtete Umweltwirkungen
Neben dem Verbrauch an Energie und Ressourcen werden in den Umweltbilanzen auch
die Emissionen über den Lebensweg eines Fahrzeugs bilanziert. Diese entstehen sowohl
bei der Fahrzeugherstellung und der Entsorgung bzw. dem Recycling, als auch bei der
Herstellung von Kraftstoff oder Strom, den das Fahrzeug für den Betrieb benötigt. Hier
tragen die sogenannten Treibhausgasemissionen, insbesondere Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Distickstoffmonoxid (N2O, auch Lachgas genannt) zum globalen Treibhauseffekt bei und schädigen dadurch indirekt Mensch und Natur. Zudem werden auch
zahlreiche Substanzen mit direkten negativen Wirkungen auf die Natur und die menschliche Gesundheit emittiert (Schadstoffe).
Wichtige Schadstoffe sind dabei Partikel (Feinstaub, PM), Stickstoffdioxid (NO2, bzw. zusammen mit Stickstoffmonoxid (NO) auch als NOx geführt), Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe (HC) und Schwefeldioxid (SO2). Die Substanzen sind dabei für unterschiedliche - teilweise aber sich überschneidende - Wirkungen verantwortlich. Um diese
Wirkungen bewerten zu können, werden in Ökobilanzen 'Umweltwirkungskategorien‘ verwendet. Dabei werden die einzelnen Schadstoffe zu einem einzigen gewichtet (siehe Tab.
3). Es werden folgende Umweltwirkungen betrachtet:

Die Klimawirkung bzw. der Treibhauseffekt steht für die negative Umweltwirkung
der anthropogen verursachten Erwärmung der Erdatmosphäre durch Treibhausgasemissionen. Die Berechnung des Treibhauseffekts richtet sich nach den Vorgaben des Intergovernmental Panel on Climate Change ([IPCC 2007]) und erfolgt
über das Treibhausgaspotential (Global Warming Potential; GWP) der klimawirksamen Gase mit einem Zeitbezug von 100 Jahren. Um die Klimawirkung von
Treibhausgasen zusammenzufassen, werden CO2-Äquivalente verwendet.

Der Kumulierte Energieaufwand (KEA) wird zur primärenergetischen Bewertung
des untersuchten Bilanzsystems verwendet und in Joule angegeben. Dabei stellt
er nach [Klöpffer & Grahl 2009] nicht im eigentlichen Sinne eine Umweltwirkung,
sondern vielmehr eine Bilanzgröße dar. Diese drückt die Summe der Energiemengen aller im System genutzten Primärenergiequellen aus. Dabei umfasst der ‚KEA
nicht erneuerbar‘ sowohl den ‚KEA fossil‘ (Summe aller Verbräuche fossiler Energieträger) als auch ‚KEA nuklear‘ (Berechnung des Uranverbrauchs über den verbrauchten Atomstrom und einen Wirkungsgrad von 33 %). Der ‚KEA erneuerbar‘
stellt demgegenüber die Summe der Energiemengen aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. Sonne, Wind etc.) dar.
Bei der Berechnung des erneuerbaren KEA von EE-Strom gibt es unterschiedliche
Definitionen. In dieser Untersuchung wird für den erneuerbaren KEA die Energieabgabe der EE-Anlagen ins Stromnetz mit einem angenommenen Wirkungsgrad
von 100% betrachtet, da „erneuerbare Primärenergie“ in Form von Wind und Sonne als gegeben angesehen wird. Die VDI-Richtlinie 4600 ([VDI 1997]) setzt dagegen die physischen Abmessungen der EE-Kraftwerke als Bilanzgrenzen an. Danach zählt bei Windkraftanlagen die Energie des durch den Rotorquerschnitt strömenden Windes, bei Photovoltaikanlagen die auf die Modulfläche einfallende Globalstrahlung als Berechnungsgrundlage. Dies würde jedoch den Vergleich zwischen verschiedenen EE-Kraftwerkstypen stark verzerren.

Versauerung bedeutet eine Absenkung des pH-Wertes und kann sowohl ein natürlicher Prozesse sein, als auch durch menschliche Aktivitäten verursacht oder
beschleunigt werden. Verantwortlich sind dann vor allem Emissionen von Salzsäu-
Seite 14
IFEU-Institut
re, Schwefeloxiden, Schwefelwasserstoffen, Stickoxiden und Ammoniak. Die Versauerung kann sowohl in Gewässern als auch in Böden (saurer Regen) auftreten
und schränkt u.a. das Pflanzenwachstum ein bzw. mindert landwirtschaftliche Erträge. Um die Versauerungswirkung der unterschiedlichen Substanzen für einen
Prozess zusammenfassen, werden SO2-Äquivalente verwendet.

Eutrophierung steht für eine Nährstoffzufuhr im Übermaß. Verantwortlich dafür
sind vor allem Phosphat und Nitrat, die meist vom Menschen ausgebracht werden,
z.B. durch Düngung in der Landwirtschaft. Eine solche Überdüngung bzw. Überernährung von Pflanzen und anderen Organismen (z.B. Algen) hat eine erhöhte
Produktivität zur Folge, die aber auch mit Sauerstoffzehrung verbunden ist. Betrachtet wird hier eine Boden-Eutrophierung (terrestrische Eutrophierung). Dabei wird vereinfachend davon ausgegangen, dass alle luftseitig emittierten Nährstoffe eine Überdüngung des Bodens darstellen. Um die Eutrophierungswirkung
der unterschiedlichen Substanzen für einen Prozess zusammenzufassen, werden
Phosphat-Äquivalente (PO43--Äquivalente) verwendet.

Mit Sommersmog wird eine hohe Konzentration bodennahen Ozons bezeichnet.
Ozon ist ein schädliches Spurengas, das zu Vegetations- und Materialschäden
führt sowie Gesundheitsbeschwerden hervorruft. Die Ozonbildung wird unter anderem durch UV-Strahlung begünstigt, also durch sonniges Wetter – daher der
Name Sommersmog. Die Umweltwirkung Sommersmog wird als POCP (Photochemical Ozone Creation Potential = Photooxidantienbildung) angegeben. Photooxidantien sind reaktive Stoffe und können in der Umwelt vielfache chemische
Reaktionen auslösen, die zur Luftverschmutzung beitragen. Um die Sommersmogwirkung verschiedener Stoffe für einen Prozess zusammenzufassen, wird der
POCP auf die Wirkung des Referenzstoffes Ethen (C2H4) bezogen und in C2H4Äquivalenten angegeben.

Die Feinstaubbelastung wird als Indikator für negative Wirkungen auf die
menschliche Gesundheit herangezogen. Eine Reihe von internationalen Studien
zeigt, dass eine Erhöhung der Feinstaubkonzentration mit einer starken Erhöhung
der Sterblichkeit infolge von Atemwegs- und Herzkreislauferkrankungen einhergeht. Studien international anerkannter Organisationen haben auch ein hohes
Mortalitätsrisiko durch Feinstäube bestätigt ([IIASA 2005]). Feinstaub bezeichnet
dabei Staub, dessen Partikel einen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometer
(µm) aufweisen und wird daher auch als PM10 (Particulate Matter < 10 µm) bezeichnet. Betrachtet werden nur direkte Emissionen aus Verbrennungsprozessen,
nicht aber solche durch Abrieb und Aufwirbelung. Die Feinstaubbelastung wird
durch Summierung der PM10-Emissionen ermittelt.
Die Datenlage für die genannten Wirkungskategorien ist unterschiedlich: Treibhausgasemissionen und Energieaufwand können mit hoher Zuverlässig bilanziert werden. Bei
den Versauerungs- und Eutrophierungsemissionen ist die Datenlage demgegenüber etwas schlechter, mehr noch bei den Sommersmog- und Feinstaubemissionen.
IFEU-Institut
Tab. 3:
Seite 15
Überblick über die betrachteten Wirkungsindikatoren
Wirkungsindikator
Klimawirkung
Versauerung
Eutrophierung
CO2-Äquivalente
SO2-Äquivalente
3-
PO4 -Äquivalente
Sommersmog
C2H4-Äquivalente
Feinstaubbelastung
PM10
Sachbilanzparameter
Wichtungsfaktor
CO2 fossil
1
CH4
27,75
N2O
298
SO2
1
NOx
0,7
NH3
1,88
HCl
0,88
HF
1,6
NOx
0,13
N2O
0,27
NH3
0,35
NMHC
1
PM10
1
IFEU 2013
Seite 16
IFEU-Institut
2.5 Realisierung und Datengrundlagen
Zur umfassenden Bilanzierung der Umweltwirkungen in verschiedenen Szenarien wurde
von IFEU das Ökobilanzmodell eLCAr (Electric Car LCA) aufgebaut. Die Modellierung
wurde mit der Software UMBERTO durchgeführt, die vom Hamburger Institut für Umweltinformatik (ifu) entwickelt wird. Mit UMBERTO ist es möglich, komplexe Stoff- und Energieströme nachzuvollziehen und dabei sämtliche relevanten Parameter zu variieren. Die
stoffliche Datengrundlage bildet in der Regel die Datenbank EcoInvent ([Ecoinvent 2008]),
die vom Swiss Center for Life Cycle Assessment betreut wird.
Im Rahmen der Begleitforschung wurde verschiedene wissenschaftliche Arbeiten und
Modelle verknüpft (siehe Abb. 5). So wurden für die Hochrechnung des Entlastungspotenzials aller Fahrzeuge in Deutschland Verkehrsanalysen des DLR Berlin zugrunde gelegt. Weiterhin sind in den Szenarien für 2030 Ergebnisse zum Kraftwerkszubau vom KIT
Institut für Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion (IIP) und zur Kraftwerksauslastung vom Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) berücksichtigt.
Zusätzlich wurden Primärdaten der Projektpartner von IFEU verarbeitet, insbesondere zur
Fahrzeug- und Batterieherstellung sowie Flottenversuchsdaten zur Nutzung und zum
Energieverbrauch der Fahrzeuge.
Energiewirtschaftliches Modell
PERSEUS
Inputdaten
Langfristige Modellierung des europäischen Strommarktes
KIT‐IIP
 Deutscher Kraftwerkszubau
 CO2‐Zertifikatspreise
 Deutschlands Stromimport und –export
REMIX
DLR‐TT
Verkehrs‐
modell
DLR‐VF
Netz‐
modell
IFHT
 europäische EE‐Kosten‐
Potenzial‐Kurven
 zeitl. & räuml. Penetration & Mobilitätsverhalten von Elektroautos
Fhg‐ISI
Kurzfristige Modellierung des deutschen Strommarktes
 Auslastung des deutschen Kraftwerksparks
Betankungsstrommix
 Netzrestriktionen auf Verteilnetzebene
 Brennstoffpreise
 Stromnachfrage
 EE‐Ausbauziele
 CO2‐Reduktionsziele
 Batteriedaten
 weitere Inputdaten …
PowerACE
 Deutscher Kraftwerks‐
park
In Abhängigkeit von Rahmenbedingungen
Ökobilanz Modell
UMBERTO
Ökobilanz des deutschen Stromsektors
Ökobilanz
von Elektroautos
IFEU
eLCAr
LCA‐Modell von Elektroautos
IFEU
TREMOD
Quelle: [Pehnt et al. 2011]
Abb. 5:
Schema der Interaktion im Rahmen der Begleitforschung
Bilanzierung auf Makroebene
IFEU 2013
IFEU-Institut
3
Seite 17
Herstellung und Entsorgung von Plug-In-Hybriden
Die Fahrzeugherstellung steht am Anfang des Lebenswegs und spielt eine wichtige Rolle
im Lebenszyklus von Fahrzeugen. Dabei ist neben dem Aufwand zur Herstellung und
Entsorgung der Komponenten eines Pkw - die in diesem Abschnitt behandelt werden auch der Einfluss der Material- und Komponentenwahl auf das Fahrzeuggewicht und damit dessen Rückkopplung auf die Nutzungsphase von Bedeutung.
Der Einsatz eines Plug-In-Hybrid-Pkw bedingt, gegenüber dem Referenzfahrzeug mit
konventionellem Otto- oder Diesel-Motor, die Verwendung zusätzlicher oder anderer Aggregate mit entsprechend anderen Umweltwirkungen. Im Rahmen der hier durchgeführten
vergleichenden Umweltbilanz liegt der Fokus auf den zwischen den betrachteten Antriebskonzepten differierenden Komponenten. Hier steht die Lithium-Ionen-Batterie im Fokus der Betrachtung. Zusätzlich wird die Fahrzeugherstellung im Jahr 2020 und 2030 als
Szenario betrachtet.
3.1 Bilanzierung des Referenzfahrzeugs
Bilanziert wird das aktuelle Golf-Modell VI, das als ‚Variant‘ (Kombi-Pkw) dem TwinDrive
zugrunde liegt. Der Golf ist zudem auch ein guter allgemeiner Repräsentant der Kompaktklasse7. Die detaillierte Materialzusammensetzung einzelner Bauteile des Fahrzeugrumpfes wurden auf Basis von Primärdaten von Volkswagen ([VW 2010]), Studien ([UBA
1999]) und eigenen Abschätzungen ermittelt und mit der Materialbilanz nach dem Volkswagen Umweltprädikat ([VW 2008]) abgeglichen. Die Gewichte wurden dabei derart kalibriert, dass sie dem im Flottenversuch als Referenz eingesetzten Fahrzeug (siehe Tab. 1)
entsprechen.
Von Bedeutung ist im Vergleich mit Elektrofahrzeugen der Einsatz der Platingruppenmetalle Platin und Palladium, die in der Abgasnachbehandlung verwendet werden. Hier wurden die Materialanteile für einen mittleren Pkw nach [Öko Institut 2009] zugrunde gelegt
und auf das Fahrzeuggewicht angewendet. Damit ergibt sich der Einsatz von 0,5 g Platin
und 2,5 g Palladium. Die Materialanteile wurden für das Bezugsjahr 2005 (Euro-4) ermittelt, aktuellere Daten für einen Euro-5-Pkw lagen nicht vor.
Energieeinsatz und Transporte für die Fertigung des Fahrzeugs beruhen auf Daten aus
[Ecoinvent 2008] für einen Golf IV. Die Entsorgung des Fahrzeugs wird ebenfalls auf Basis von Ecoinvent Datensätzen für Verbrennungs-Pkw bilanziert. Das Recycling von Materialien des Fahrzeugrumpfes wird dabei als Cut-off-Ansatz abgebildet. Das bedeutet, dass
Sekundärmaterialien (z.B. Stahlschrott) dem System ohne Umweltlasten zugeführt werden, verwertbare Materialien das System auf der anderen Seite ohne Gutschriften verlassen (siehe z.B. [Klöpffer & Grahl 2009]). Diese Vereinfachung ist sinnvoll, da diese Materialien größtenteils beiden betrachteten Antriebskonzepten zugrunde liegen, also im direkten Vergleich eine geringe Rolle spielen, und es sich um eingeschwungene Märkte handelt.
7
Marktanteil von 32 % in 2010 ([KBA 2011])
Seite 18
Tab. 4:
IFEU-Institut
Anteil Sekundärmaterialien
Sekundärmaterialien
Aluminium
Kupfer
Blei
Platin
32 %
44 %
75 %
5%
Quelle: [Ecoinvent 2008]
IFEU 2013
Für Serienfahrzeuge (Stand 2020) und Szenarien bis 2030 sind vielfältige Entwicklungen
denkbar, die aber zum großen Teil beide Antriebskonzepte betreffen (z.B. Leichtbau). In
den Szenarien werden bezüglich der Fahrzeugherstellung daher nur wenige Änderungen
berücksichtigt:

Für die Fahrzeugfertigung wird der jeweils durchschnittliche deutsche Strommix
(siehe Abschnitt 10.3.1 angesetzt), mit einem deutlich höheren Anteil erneuerbarer
Energien, angesetzt. Die Fertigung umfasst dabei die Montage im Werk. Als zusätzliches Szenario (2030+) wird eine ‚grüne‘ Fahrzeug- und Batteriefertigung mit
Strom aus Photovoltaik-Anlagen betrachtet. Der zur Gewinnung und Verarbeitung
der Materialien eingesetzte Strom wird dagegen nicht variiert, da diese Prozesse
nur zum Teil in Deutschland stattfinden.

Die zukünftige Entwicklung des Fahrzeuggewichtes ist noch nicht absehbar. In der
Vergangenheit ist das Fahrzeuggewicht durch steigende Komfort- und Sicherheitsansprüche gestiegen. Zukünftige Anforderungen zur Reduzierung des Energieverbrauchs dürften dem entgegenwirken. Zur besseren Vergleichbarkeit wird
für das Serienfahrzeug in 2020 von der gleichen Bauweise des Fahrzeugs ausgegangen. Für das Bezugsjahr 2030 wird dagegen ein verstärkter Aluminiumleichtbau unterstellt. Das hierdurch geringere Fahrzeuggewicht schlägt sich dann in der
Nutzungsphase in einem niedrigeren Energieverbrauch nieder.
Für den Aluminiumleichtbau wird davon ausgegangen, das etwa 0,6 kg Aluminium ein
1 kg Stahl ersetzen. Für die Karosserie ergibt sich daraus bis 2030 eine Gewichtsdifferenz
von 14 %, was gut mit Angaben in [ika 2003] übereinstimmt, wo das AluLeichtbaupotential eines typischen Mittelklasse-Pkw untersucht wird. Durch das verringerte Fahrzeuggewicht reduziert sich die Belastung einzelner Fahrzeugkomponenten (v.a.
Karosserie und Fahrwerk), bei denen sich somit (sekundäre) Materialeinsparungen realisieren lassen. Die Grundlage für deren Modellierung in eLCAr bilden die Ergebnisse von
[ika 2003]. Insgesamt ergibt sich damit durch primäre und sekundäre Leichtbaumaßnahmen in 2030 eine Gewichtsreduktion um 24 %.
Tab. 5:
Szenarioausprägungen für die Herstellung des Fahrzeugrumpfes
Strommix Fertigung
Fahrzeugrumpf
Flottenversuch
Szenario 2020
Szenario 2030/+
Strommix 2012
Strommix 2020
Strommix 2030/Photovoltaik
Stahl
Stahl
Stahl/Aluminium
IFEU 2013
IFEU-Institut
Seite 19
3.2 Bilanzierung der Plug-In-Hybride
Fokus der Bilanzierung sind die gegenüber dem Referenzfahrzeug differierenden Komponenten, insbesondere die Batterie, aber auch weitere Zusatzbauteile. Es liegen keine genauen Daten für den im Flottenversuch eingesetzten TwinDrive vor, daher wird ein generalisierter Plug-In-Hybrid auf Basis der Golf-VI-Daten bilanziert. Dieser stimmt jedoch in
wesentlichen Parametern (Gewicht, Batteriekapazität etc.) mit dem TwinDrive des Flottenversuchs überein. Das Fahrzeug setzt damit bilanziell auf den gleichen Fahrzeugrumpf
auf wie das konventionelle Fahrzeug. Antriebsbedingt gibt es jedoch eine Reihe von Zusatzbauteilen, es entfallen aber auch einige Bauteile. Daten hierzu stammen von Volkswagen ([VW 2010]), wobei die Materialbilanz des Elektromotors nach [Ecoinvent 2008]
angesetzt wird.
Die Batterie ist die wichtigste zwischen den Fahrzeugkonzepten differierende Komponente. Bei der Bilanzierung wird die Materialherstellung und -verarbeitung sowie die Fertigung
der Zellen und des Batteriemanagements und -gehäuses berücksichtigt. Zusätzlich werden Energieeinsatz und Transportprozesse der Fertigung bilanziert. Der Strom- und
Wärmebedarf der Herstellung hängt dabei vor allem vom Automatisierungsgrad der Fertigung ab. Es wurde von einer modernen Serienfertigung in Deutschland ausgegangen.
Wichtige Grundlage der Bilanzierung der aktuellen Lithium-Ionen-Batterie sind Primärdaten der an dem Projekt beteiligten Batteriehersteller, die jedoch durch Geheimhaltungsvereinbarungen geschützt sind. Es werden daher keine hersteller- oder auch batterietypspezifischen Ergebnisse dargestellt. Die dargestellten Bilanzergebnisse repräsentieren näherungsweise eine mittlere Batterie. Eingesetzt wurden im Flottenversuch NickelKobalt-Aluminium-Batterien (NCA) mit 11,7 kWh Kapazität und Nickel-Mangan-KobaltBatterien (NMC) mit 11,5 kWh Kapazität. Für die Bilanzen wird eine mittlere Kapazität von
11,6 kWh angenommen. Das mittlere Gewicht des Batteriepakets liegt bei 200 kg, die
Energiedichte auf Systemebene damit bei etwa 58 Wh/kg.
Unter diesen Randbedingungen verursacht die Batterieherstellung und Entsorgung heute
etwa 1,8 Tonnen CO2-Äquivalente, der kumulierte Energieaufwand liegt bei etwa 28 GJ.
Der größte Beitrag zur Umweltbelastung wird dabei durch die Materialien der Batteriezellen verursacht, er liegt für die Klimawirkung und den kumulierten Energieaufwand (KEA)
bei etwa 50 %, für die anderen Wirkungskategorien sogar bei etwa 80 %. Dabei haben die
Kathodenmaterialien einen besonders relevanten Beitrag zur gesamten Umweltbilanz der
Batterieherstellung zwischen 10 % und fast 50 %.
Der Energieeinsatz der Batteriefertigung zeigt sich insbesondere bei der Klimawirkung
und beim KEA und ist hier für ein Viertel der Wirkung verantwortlich, während der Beitrag
bei den übrigen Wirkungskategorien deutlich unter 10 % liegt. Grund sind die relativ geringen Schadstoffemissionen der Energieerzeugung in Deutschland. Bei Klimawirkung,
KEA und auch bei der Feinstaubbelastung sind zusätzlich die Materialien des Batteriegehäuses (Stahl) mit knapp 20 % Beitrag relevant. Das Batteriemanagement spielt dagegen
in allen betrachteten Kategorien eine untergeordnete Rolle.
Seite 20
IFEU-Institut
100%
90%
3%
7%
2%
11%
25%
25%
80%
70%
3%
39%
32%
11%
47%
12%
60%
62%
50%
40%
40%
38%
50%
46%
30%
20%
10%
33%
6%
18%
0%
Klimawirkung
4%
8%
5%
5%
10%
9%
Versauerung
Sommersmog
Terr.
Eutrophierung
Fertigung
5%
6%
20%
18%
Feinstaub
KEA
Kathodenwerkstoffe
Zellwerkstoffe (Rest)
Batteriemanagement
Batteriegehäuse
IFEU 2013
Abb. 6:
Anteile verschiedener Prozesse an der Batterieherstellung (2010)
Aufgrund der Relevanz der Batterieherstellung werden die Ergebnisse der Klimawirkung
mit verschiedenen Literaturquellen verglichen (siehe Abb. 7). Da die Studien Batterien unterschiedlicher Kapazität betrachten, werden jeweils die Treibhausgasemissionen pro
kWh Speicherkapazität auf Batterieebene angegeben. Die Bandbreite der Literaturwerte
ist groß; wichtige Faktoren sind dabei der Batterietyp, Energieeinsatz, Energiedichte
(auch abhängig von der Leistungsauslegung) und methodische Ansätze der Bilanzierung.
So liegen die Treibhausgasemissionen der Batterie in [Notter 2010] deutlich niedriger als
in den anderen Quellen. Hier wird die Energiedichte mit 114 Wh/kg jedoch erheblich höher angesetzt und erklärt so zum großen Teil den Unterschied zu den Ergebnissen für einen Versuchsträger in dieser Studie (58 Wh/kg). Auch zwischen verschiedene Kathodentypen zeigen Literaturdaten deutliche Unterschiede, wie die Bilanzierung einer Lithiumeisenphosphat (LFP) und einer Nickel-Cobalt-Aluminium-Batterie (NCA) von [Bauer 2010]
zeigt (Abb. 7). Die IFEU-Ergebnisse für die auch im Flottenversuch verwendete NCABatterie mit Graphit-Anode liegen in fast exakt gleicher Höhe wie von IFEU bilanziert. Für
die LFP-Batterie wurde von Bauer jedoch eine Lithium-Titanat-Anode (LTO) berücksichtigt, die Treibhausgasemissionen der Herstellung liegen damit mehr als doppelt so hoch
wie von IFEU für die Kombination mit Graphit-Anode ermittelt.
IFEU-Institut
400
Seite 21
kg CO2‐Äquivalente pro kWh Batteriekapazität
350
300
250
200
150
100
50
0
IFEU
[Bauer 2010] LFP/LTO [Bauer 2010] NCA/C
[Samaras 2008]
[Notter 2010] LMO
IFEU 2013
Abb. 7:
Quellenvergleich für Treibhausgasemissionen der Batterieherstellung
Bei den Batterien im Jahr 2020 und 2030 wird aufgrund der unsicheren Entwicklung von
den gleichen Zelltypen ausgegangen. Zur Abschätzung der Umweltwirkungen werden jedoch Verbesserungen für die im Fertigungsprozess eingesetzte Energie (Strommix) sowie
bezüglich der Energiedichte und Haltbarkeit der Batterie angenommen:

Energie: Allen Szenarien liegt für die Fertigung der jeweils aktuelle Strommix (2020
und 2030) (siehe Kapitel 10.3.1) zugrunde. Der zukünftig steigende Anteil erneuerbarer Stromerzeugung führt damit zu einer Verringerung der Umweltwirkungen. Für
2030 wird als zusätzliches Szenario (2030+) die ‚grüne‘ Fertigung der Batterie mit
Strom aus Photovoltaik-Anlagen dargestellt.

Lebensdauer: Hersteller garantieren für Batterien heute eine Lebensdauer von bis
zu 160.000 km (z.B. Opel Ampera), aber in der Regel nur in einem Zeitrahmen von
bis zu 8 Jahren. Daher kann sich für die aktuelle Situation (2012) ein Batteriewechsel als notwendig herausstellen. Diese mögliche Wechselbatterie wird in der Wirkungsabschätzung getrennt ausgewiesen. Eine Verbesserung der Dauerhaltbarkeit
der Batterien ist wahrscheinlich. Daher wird angenommen, dass ab 2020 eine Batterie den kompletten Lebensweg des Fahrzeugs abdeckt.

Energiedichte: In Wissenschaft und Entwicklung werden bereits heute Energiedichten von 100 Wh/kg auf Batterieebene für möglich gehalten (siehe z.B. [Köhler 2011],
[Garche et al. 2008]). Dieser Wert wird daher für das Serienfahrzeug in 2020 angesetzt, da im Flottenversuch noch ein prototypischer Aufbau des Systems vorlag. Zukünftig sind theoretisch beim Aktivmaterial Energiedichten von über 400 Wh/kg
möglich (siehe [Garche et al. 2008] und [Friedrich 2010]). In der Praxis kann jedoch
in der Regel auf Systemebene kaum die Hälfte dieser theoretischen Energiedichte
realisiert werden (siehe [Garche et al. 2008], [Beermann et al. 2010]). Für 2030 wird
daher auf Ebene des gesamten Batteriepakets eine konservative Energiedichte von
150 Wh/kg angenommen.
Seite 22
Tab. 6:
IFEU-Institut
Szenarioausprägungen der Batterie- und PHEV-Herstellung
Strom Fertigung
Flottenversuch
Szenario 2020
Szenario
2030/2030+
Strommix 2012
Strommix 2020
Strommix 2030/
Photovoltaik
Materialzusammensetzung
TwinDrive
Energiedichte (Batterieebene)
58 Wh/kg
100 Wh/kg
150 Wh/kg
1-2
1
1
Batteriebedarf (Anzahl) über das
Fahrzeugleben
Ohne Prototypenkomponenten
3.3 Umweltbilanz Fahrzeugherstellung und -entsorgung
Abb. 8 zeigt die mit Herstellung des Referenzfahrzeugs und des TwinDrive verbundenen
Treibhausgasemissionen heute und in den Szenarien für 2020, 2030 und 2030+. Die Klimawirkung liegt heute für das Referenzfahrzeug bei etwa 6 Tonnen CO2-Äquivalenten, für
den TwinDrive bei 9 Tonnen, also etwa 50 % höher. Zusätzlich kann über den Lebensweg
auch eine zweite Batterie notwendig sein.
Der größte Beitrag kommt für beide Fahrzeuge vom Fahrzeugrumpf, beim Plug-In-Hybrid
ist heute auch die Batterie mit etwa 1,8 Tonnen CO2-Äquivalenten relevant und für einen
Großteil der herstellungsbedingten zusätzlichen Klimawirkung verantwortlich. Dieser Beitrag sinkt in den Szenarien auf gut 1 Tonne (2020) bzw. unter 0,8 Tonnen (2030). Dabei
spielt vor allem die höher angenommene Energiedichte der Batterie eine wichtige Rolle.
Zusätzlich verringert der wachsende Anteil erneuerbarer Energien bei der Fertigung die
Klimawirkung. Die Zusatzbauteile führen beim Plug-In-Konzept zu einer etwa 50 % höheren Klimawirkung als beim Referenzfahrzeug, hier spielt das in den vielen elektrischen
Komponenten enthaltene Kupfer eine Rolle, weiterhin tragen Eisen- und Aluminiumteile
zu den Umweltwirkungen bei.
Der steigende Anteil erneuerbarer Energie in der Fertigung des Fahrzeugrumpfes macht
sich in der gesamten Herstellungsbilanz nur geringfügig bemerkbar, erst im Szenario der
‚grünen‘ Fertigung werden deutliche Einsparungen sichtbar. Beim kumulierten Energieaufwand liegt hier der erneuerbare Anteil dann auch deutlich höher. Durch die für 2030
angenommene Aluminium-Karosserie steigen sowohl Energieeinsatz als auch Treibhausgasemissionen deutlich. Auf der anderen Seite sinkt durch das reduzierte Gewicht der
Energiebedarf in der Nutzungsphase.
IFEU-Institut
Seite 23
12
250
200
8
150
6
100
GJ pro Fahrzeug
t CO2‐Äquivalente pro Fahrzeug
10
Zweite Batterie
Fertigung und Transport
Zusatzbauteile
Motor
4
Batterie
50
2
Fahrzeugrumpf
KEA ‐ nicht erneuerbar
KEA ‐ erneuerbar
0
0
2012
2020
2030
2030+
Referenzfahrzeug
2012
2020
2030
2030+
TwinDrive/Plug‐In Hybrid
Quelle: IFEU Berechnung mit eLCAr
Abb. 8:
IFEU 2013
8
Klimawirkung und kumulierter Energieaufwand der Fahrzeugherstellung
Weitere Umweltwirkungen
Die anderen Umweltwirkungskategorien werden in Einwohnerdurchschnittswerten angegeben. Diese entsprechen dem durchschnittlichen jährlichen Beitrag eines Deutschen zu
dieser Umweltwirkung. Damit ist sowohl ein Vergleich zwischen den Szenarien, als auch
eine schnelle Einordnung der Relevanz dieses Beitrags zu den Gesamtemissionen möglich. Es zeigt sich tendenziell ein ähnliches Bild zwischen den Szenarien, der Beitrag der
Komponenten verschiebt sich jedoch:
 Bei Versauerung und Sommersmog haben die Zusatzbauteile einen hohen Anteil,
der auf den Palladium-Einsatz in der für beide Konzepte notwendigen Abgasnachbehandlung zurückgeht.
 Eutrophierung und Feinstaubemissionen werden überwiegend durch die Herstellung des Fahrzeugrumpfes verursacht.
 Bei Verwendung einer Aluminiumkarosserie gehen die Feinstaubemissionen leicht
zurück, während sich die Wirkung in anderen Bereich leicht erhöht.
Die Normierung auf Einwohnerdurchschnittswerte für Deutschland zeigt zudem, dass die
Fahrzeugherstellung in Deutschland vor allem zu den Umweltproblemen Versauerung und
Feinstaubemissionen beiträgt. Der Beitrag zur terrestrischen Eutrophierung und zum
Sommersmog ist mit deutlich unter einem EDW für die Herstellung des Fahrzeugs sehr
gering. Der spezifische Beitrag zum Treibhauseffekt liegt für die Herstellung des TwinDrive bei 0,83 Einwohnerdurchschnittswerten und damit deutlich niedriger als bei Feinstaubemissionen und Versauerung, aber höher als bei terrestrischer Eutrophierung und Sommersmog.
8
Zahlenwerte für die Herstellung sind im Anhang dokumentiert.
Seite 24
IFEU-Institut
PHEV 2030+
Versauerung
PHEV 2030
PHEV 2020
TwinDrive 2012
Referenz PKW 2030+
Referenz PKW 2030
Referenz PKW 2020
Sommersmog
Terrestrische Eutrophierung
Referenz PKW 2012
PHEV 2030+
0,47
PHEV 2030
0,48
Fahrzeugrumpf
PHEV 2020
0,48
Batterie
TwinDrive 2012
0,75
Referenz PKW 2030+
0,36
Referenz PKW 2030
0,37
Referenz PKW 2020
0,33
Referenz PKW 2012
0,34
PHEV 2030+
0,26
PHEV 2030
0,26
PHEV 2020
0,26
TwinDrive 2012
Motor
Zusatzbauteile
Fertigung und Transport
Zweite Batterie
0,40
Referenz PKW 2030+
0,22
Referenz PKW 2030
0,22
Referenz PKW 2020
0,19
Referenz PKW 2012
0,19
PHEV 2030+
PM10 direkt
PHEV 2030
PHEV 2020
TwinDrive 2012
Referenz PKW 2030+
Referenz PKW 2030
Referenz PKW 2020
Referenz PKW 2012
0
1
2
3
4
5
6
Einwohnerdurchschnittswerte Deutschland pro Fahrzeug
Einwohnerdurchschnittswert: Durchschnittlicher jährliche Beitrag eines Deutschen zur entsprechenden Umweltwirkung
Abb. 9:
9
IFEU 2013
Wirkungsabschätzung der Fahrzeugherstellung in Einwohnerdurchschnittswerten für
9
Deutschland pro Fahrzeug
Zahlenwerte für die Herstellung sind im Anhang dokumentiert.
IFEU-Institut
Seite 25
3.4 Optimierungsmöglichkeiten der Fahrzeugherstellung
3.4.1 Batterieeigenschaften
Im Rahmen einer vergleichenden Umweltbilanz spielt die Batterie als wichtigste zwischen
den Konzepten unterschiedliche Komponente eine zentrale Rolle. Grundlegende Batterieeigenschaften beeinflussen die Höhe des Energieverbrauchs und der Emissionen. So sinken der notwendige Materialeinsatz und der Energieeinsatz der Fertigung für eine gegebene Batteriekapazität mit steigender Energiedichte deutlich. Unter der Annahme einer
Verbesserung der Energiedichte auf Systemebene bis 2020 auf 100 Wh/kg halbiert sich
die Klimabilanz der Herstellung einer Batterie gleicher Kapazität nahezu. Auch das Batteriegewicht halbiert sich, mit entsprechend positiven Rückwirkungen auf den Energieverbrauch des Fahrzeugs in der Nutzungsphase.
Die mobilitätsbezogene Umweltbilanz, also die Klimawirkung pro gefahrenem Kilometer,
sinkt zudem mit der vom Fahrzeug erbrachten Gesamtfahrleistung (siehe Abb. 10). Die
Klimawirkung der Batterieherstellung wird dabei auf eine immer größere Fahrleistung abgeschrieben. So liegt der Klimawirkungsbeitrag der im Rahmen des Flottenversuchs eingesetzten Batterien bei Abschreibung auf 50.000 km noch bei etwa 35 g/km, bei
100.000 km jedoch nur noch bei 18 g/km. Zentrale Voraussetzung dafür ist jedoch die
Haltbarkeit der Batterie. Hersteller garantieren heute zwar zwischen 100.000 km (PriusPlug-In) und 160.000 km (Opel Ampera), aber nur in einem Zeitrahmen von 5 bzw. 8
Jahren. Wird nach diesem Zeitpunkt eine zweite Batterie benötigt, so erhört sich dadurch
die herstellungsbedingte Klimawirkung pro gefahrenen Kilometer deutlich (siehe gestrichelte Linie in Abb. 10), auch wenn die Batterie zu diesem späteren Zeitpunkt bereits eine
höhere Energiedichte aufweist.
In der Verbesserung der Batterieeigenschaften hinsichtlich Energiedichte und Dauerhaltbarkeit liegt für die weitere Entwicklung damit ein zentrales Optimierungspotenzial.
IFEU 2013
Abb. 10: Abhängigkeit der batteriebedingten Klimawirkung von Energiedichte und Fahrleistung
Seite 26
IFEU-Institut
3.4.2 Werkstoffeinsatz und Recycling
Bei der Herstellung des Fahrzeugs, und insbesondere der für das Elektrofahrzeug spezifischen Komponenten, spielen die eingesetzten Rohmaterialien eine entscheidende Rolle.
Einen relevanten Beitrag zur Umweltbilanz eines PHEV haben insbesondere Lithium, Nickel, Kupfer, Aluminium und Kobalt. Das verwendete Lithium wird dabei zu etwa 70 % in
der Kathode als Lithiumkarbonat und etwa 30 % als Lithiumhexafluorophosphat im Elektrolyten eingesetzt. Während die mit der Lithiumkarbonatherstellung verbundenen Umweltwirkungen eher gering einzuschätzen sind, ist die Herstellung des Lithiumhexafluorophosphat von großer Relevanz für die Umweltbilanz. Ursachen dafür sind anorganische
Chemikalien wie Fluorwasserstoff (HF), Schwefelsäure, Phosphorpentachlorid (PCl5) und
gelöschter Kalk. Die Herstellungsprozesse sollten daher zukünftig genauer untersucht10
und eventuell alternative Elektrolyten verwendet werden.
Für die oben genannten Werkstoffe mit großem Beitrag zu den Umweltlasten der Batterie
bietet sich ein Recycling zur Verbesserung der Umweltbilanz an. Um die Optimierungspotenziale der Umweltbilanz durch ein Recycling besonders relevanter Materialien abzuschätzen, wurde ein erstes Potenzialscreening für Recycling von Lithium, Nickel, Kobalt,
Kupfer und Aluminium durchgeführt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Datenlage
zum Batterierecycling (Recyclingquoten, -prozesse, -effizienzen) sehr unsicher ist. Die
Ergebnisse dienen daher nur einer ersten Einordnung der Sinnhaftigkeit von Recycling
unter Umweltgesichtspunkten.
30%
Vollständige Erfassung und Verwertung von Lithium, Nickel, Kobalt, Kupfer und Aluminium 20%
Hohe Prozesseffizienz
10%
Niedrige Prozesseffizienz
0%
‐10%
‐20%
‐30%
‐40%
‐50%
Klimawirkung
Versauerung
Sommersmog
Terr.
Eutrophierung
Feinstaub
KEA
IFEU 2013
Abb. 11: Abschätzung des Verbesserungspotenzials der Batterieherstellungsbilanz gegenüber der
Basisvariante durch Recycling
Im Sinne einer Potenzialabschätzung wurde von einer idealen Erfassung und Verwertung
der Rohstoffe ausgegangen. Dafür wurden dann ein Szenario mit minimalem Einsatz von
Energie- und Hilfsstoffen (Hohe Prozesseffizienz) und ein Szenario mit hohem Einsatz
von Energie- und Hilfsstoffen (Niedrige Prozesseffizienz) betrachtet. Es zeigt sich, dass
ein Recycling der betrachteten Werkstoffe vor allem die Umweltbilanz hinsichtlich Versau10
Eine detaillierte Untersuchung von Ressourcenaspekten von Elektrofahrzeugen wird von IFEU
im laufenden UBA-Projekt „Weiterentwicklung und vertiefte Analyse der Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen“ (FKZ 3711 96 113) vorgenommen.
IFEU-Institut
Seite 27
erung, Sommersmog und Feinstaubbelastung, in geringerem Ausmaß auch hinsichtlich
der terrestrischen Eutrophierung verbessern kann. Hier zeigen die Ergebnisse – eine optimale Erfassung und Verwertung vorausgesetzt – auch unter höherem Einsatz von Energie und Hilfsstoffen eine deutliche Verbesserung der Batteriebilanz um bis zu 40 % (siehe
Abb. 11).
Anders stellt sich die Situation bei der Klimawirkung und beim kumulierten Energieaufwand dar: Hier erfolgt nur unter optimalen Bedingungen eine leichte Verbesserung der
Batteriebilanz, auf der anderen Seite besteht sogar das Risiko einer deutlichen Verschlechterung um bis zu 20 %.
Das Verbesserungspotenzial im Szenario der hohen Prozesseffizienz geht im Wesentlichen auf das Nickel- und Kupferrecycling zurück (siehe Abb. 12). Ein Recycling der Batterien im Hinblick auf diese beiden Rohstoffe kann also in einigen Umweltwirkungskategorien wesentlich zur Verbesserung der Batterieherstellung beitragen. Dies gilt jedoch kaum
für die Klima- und Energiebilanz. Hier ist auf effiziente Verfahren zu achten, um die
Klimabilanz leicht zu verbessern oder zumindest nicht zu verschlechtern.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
Aluminium
30%
Kupfer
Lithium
20%
Nickel
10%
Cobalt
0%
Klimawirkung
Versauerung
Sommersmog
Terr.
Eutrophierung
Feinstaub
KEA
IFEU 2013
Abb. 12: Beiträge zur Verbesserung der Umweltbilanz der Batterieherstellung bei Recycling mit hoher
Prozesseffizienz
Seite 28
4
IFEU-Institut
Der TwinDrive im Flottenversuch
4.1 Nutzungsmuster im Flottenversuch
Im Rahmen des Flottenversuchs wurden Daten aus über 214.000 km Fahrleistung mit 20
TwinDrive-Flottenfahrzeugen aufgezeichnet. In der ersten Phase des Flottenversuchs waren dabei von Juli bis Dezember 2011 überwiegend kommerzielle Nutzer im Einsatz, von
Januar bis Juli 2012 dann überwiegend private Nutzer. Die hochgerechnete Jahresfahrleistung der Fahrzeuge im Flottenversuch liegt bei 19.000 km. Zusätzlich fuhren alle Nutzer vor Übergabe des TwinDrive zunächst einen Monat mit einem Referenzfahrzeug. Insgesamt wurden dabei noch einmal 74.000 km zurückgelegt. Die durchschnittlichen Fahrtlängen11 unterscheiden sich dabei nicht signifikant und liegen bei etwa 16 km.
Im Vergleich der beiden Phasen zeigt sich bei den kommerziellen Nutzern ein etwas höherer Autobahnanteil, bei geringerem Landstraßen- und Stadtanteil. Die realisierte Strecke im E-Betrieb ist mit gut 50 % für beide Nutzer jedoch vergleichbar. Da die Stichprobe
zudem nicht als repräsentativ für private bzw. kommerzielle Nutzer angesehen werden
kann, wird bei der Datenauswertung keine Differenzierung von kommerziellen und privaten Nutzern vorgenommen.
Tab. 7:
Übersicht Flottenversuch
Gesamter Flottenversuch
Anzahl PHEV-Flottenfahrzeuge
(TwinDrive 2)
20
Anzahl Nutzer
26
Nutzer Wolfsburg
14
Nutzer Berlin
12
Gesamtfahrleistung PHEV-Flottenfahrzeuge
214.000 km
Phase 1
Phase 2
85.364 km
126.673 km
Anteil Autobahn
54 %
47 %
Anteil Landstraße
14 %
17 %
Anteil Stadt
30 %
35 %
Anteil E-Betrieb
51 %
52 %
Fahrleistung
Quelle: [VW 2012b]
IFEU 2013
Der tatsächlich realisierte elektrische Fahranteil ist ein zentraler Parameter für die Umweltbilanz von Plug-In-Hybriden. Die 26 im Rahmen des Flottenversuchs untersuchten
Nutzer zeigen hier eine große Bandbreite von über 90 % bis unter 30 % (siehe Abb. 13).
Entsprechend des streckenbezogenen elektrischen Fahranteils werden die Nutzer daher
drei verschiedenen Gruppen zugeordnet (siehe auch [VW 2012b]):


11
E-Fahrer mit über 70 %elektrischem Fahranteil. Diese haben dabei häufig den
elektrischen Fahrmodus explizit gewählt („E-Mode“).
Hybridfahrer mit elektrischen Fahranteilen zwischen 40 % und 70 %. Diese Fahrer erreichen einen Großteil ihrer elektrischen Fahrten über die Betriebsstrategie
Es wurden nur Fahrten > 1 km berücksichtigt
IFEU-Institut

Seite 29
des Fahrzeugs, der Einsatz des gewählten elektrischen Fahrmodus („E-Mode“) ist
deutlich geringer.
Konventionelle Fahrer mit weniger als 40 % elektrischem Fahranteil und geringer
E-Mode-Nutzung.
100%
Hybrid‐Betrieb
90%
80%
E‐Betrieb
E‐Mode
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Quelle: Auswertung auf Basis [VW 2012c]
IFEU 2013
Abb. 13: Streckenbezogene Anteile der Betriebsmodi verschiedener Nutzer im Flottenversuch
Eine weitergehende Analyse der Nutzertypen zeigt, dass die E-Fahrer im Flottenversuch
durchschnittlich einen deutlich höheren Anteil von fast 50 % der Fahrstrecke im Stadtbereich zurücklegen. Die Bandbreite ist hierbei jedoch sehr groß (siehe Abb. 14), hohe elektrische Fahranteile sind demnach auch außerhalb des Stadtbereichs möglich. Hier spielt
auch der gegenüber den anderen Nutzertypen besonders häufige Einsatz (etwa 80 % der
elektrisch gefahrenen Strecken) des gewählten elektrischen Fahrens (E-Mode) eine Rolle.
Einheitlicher ist das Bild bei den konventionellen Fahrern mit hohem verbrennungsmotorischem Anteil: Hier liegt der mittlere Anteil der Autobahnfahrstrecken bei 65 % und dominiert demnach die Nutzung des Fahrzeugs.
Beim elektrischen Fahranteil ist das Muster dagegen für alle Nutzertypen recht eindeutig
und nur quantitativ nach Nutzertyp abgestuft: Im Stadtverkehr erreichen alle Nutzertypen
den höchsten elektrischen Fahranteil, auf Autobahnen den niedrigsten. Die Unterschiede
zwischen den Nutzertypen sind dabei im Stadtbereich begrenzt, auf Autobahnen jedoch
erheblich. Dies hängt zum einen damit zusammen, dass das Fahrzeug bei flüssiger Autobahnfahrt nur auf expliziten Fahrerwunsch (E-Mode) elektrisch fährt. Im E-Mode ist die
Höchstgeschwindigkeit zudem auf 120 km/h begrenzt. Zum anderen ist die begrenzte
elektrische Reichweite hier ein limitierender Faktor, so dass hohe elektrische Autobahnanteile auch ein diszipliniertes Ladeverhalten voraussetzen.
Seite 30
IFEU-Institut
100%
Autobahn
90%
Landstraße
Stadt
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
IFEU 2013
Abb. 14: Fahrleistungsverteilung verschiedener Nutzer im Flottenversuch
100%
100%
E‐Betrieb
80%
E‐Fahrer
Hybrid‐Fahrer
80%
Konventioneller Fahrer
E‐Mode
60%
60%
40%
40%
20%
20%
0%
E‐Fahrer
Hybrid‐Fahrer Konventioneller
Fahrer
0%
E‐Anteil Stadt
E‐Anteil Landstraße E‐Anteil Autobahn
IFEU 2013
Abb. 15: Elektrische Betriebsweise und elektrische Fahranteile für verschiedene Nutzertypen nach
Straßenkategorie
In diesem Kapitel wird zunächst die Umweltbilanz der Fahrzeuge unter Berücksichtigung
der Nutzungsmuster im Flottenversuch analysiert. Aufgrund der großen Bandbreiten bei
den Verkehrsprofilen und der geringen Anzahl und Repräsentativität der Fahrzeugnutzer
im Feldtest werden in den Umweltbilanzen für Serienfahrzeuge im Jahr 2020 (Abschnitt 5)
jedoch durchschnittliche Fahrprofile angesetzt.
Tab. 8:
Verkehrsprofile der untersuchten Nutzertypen
Stadt
Landstraße
Autobahn
E-Fahrer
46,9 %
17,3 %
34,0 %
Hybrid-Fahrer
33,8 %
18,1 %
46,9 %
Konventioneller Fahrer
23,6 %
10,7 %
64,8 %
IFEU 2013
IFEU-Institut
Seite 31
4.2 Energieverbrauch des TwinDrive im Flottenversuch
Der Energieverbrauch des TwinDrive setzt sich aus dem Kraftstoffverbrauch und dem
Stromverbrauch aus der Batterie zusammen. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsgrade und Bereitstellungsketten hat nicht nur die absolute Höhe des Energieverbrauchs,
sondern auch das Verhältnis beider Energieformen einen wesentlichen Einfluss auf die
Umweltbilanz. Über alle Fahrten des Flottenversuchs lagen der Kraftstoffverbrauch bei
4,3 l pro 100 km und der Stromverbrauch aus der Batterie bei etwa 10 kWh/100 km. Der
Stromverbrauch ist durchschnittlich zu gut einem Viertel (2,6 kWh/100 km) durch die Nebenverbraucher bedingt. Hier gibt es signifikante witterungsbedingte Schwankungen, da
vor allem Heizung und Klimaanlage zum Nebenverbrauch beitragen. Eine detaillierte Betrachtung der Nebenverbraucher erfolgt daher im folgenden Abschnitt 4.3.
Die Bandbreite des Verhältnisses zwischen Strom- und Kraftstoffverbrauch ist entsprechend der Unterschiede bei der Nutzung der Fahrzeuge sehr groß. Trägt man den Stromund den Kraftstoffverbrauch in einem Diagramm gegeneinander auf, so ergibt sich näherungsweise eine lineare Abhängigkeit (siehe Abb. 16). Nimmt man eine fahrleistungsgewichtete Regression als Maßstab, ergibt sich für den TwinDrive des Flottenversuchs (ohne Lade- und Entladeverluste) ein durchschnittlicher, rein elektrischer Verbrauch von
20,3 kWh/100 km bzw. ein rein verbrennungsmotorischer Verbrauch von 8,4 l/100 km.
Der mittlere Kraftstoffverbrauch des Referenzfahrzeugs liegt demgegenüber mit
8,0 l/100 km etwas niedriger, was aber u.a. durch das niedrigere Gewicht des Referenzfahrzeugs gut erklärt werden kann.
Die Zusammensetzung des Energieverbrauchs stellt sich für die betrachteten Nutzertypen
erwartungsgemäß sehr unterschiedlich dar. So verbraucht der E-Fahrer nur noch 1,7 Liter
Benzin auf 100 km, der konventionelle Fahrer dagegen noch fast 6 Liter (siehe Abb. 16).
Verbrauchsprofile (Alle Fahrten)
25
kWh/100km
20
15
10
5
E‐Fahrer: 1,7 l + 16,4
0
0
Hybridfahrer: 4,0 l + 11,1
1
2
3
Konventionelle
Fahrer: 5,8 l + 6,4 kWh
4
Liter/100km
5
6
7
8
IFEU 2013
Abb. 16: TwinDrive Verbrauchsprofile der verschiedenen Nutzer im Flottenversuch (Alle Fahrten)
Unterschiede im Verbrauchsprofil zeigen sich jedoch nicht nur für die verschiedenen Nutzertypen, sondern auch zwischen den einzelnen Straßenkategorien. Die entsprechenden
Verbrauchsprofile sind in Abb. 17 dargestellt. So liegen die Verbrauchswerte im Innerortsbereich für alle Nutzertypen stark im Bereich des elektrischen Antriebs, dieser Anteil verschiebt sich auf Landstraßen und insbesondere Autobahnen deutlich.
Seite 32
IFEU-Institut
Verbrauchsprofile Innerorts
25
kWh/100km
20
15
10
5
E‐Fahrer: 1,2 l + 18,9
0
Konventionelle Fahrer: 3,9 l + 13,4 kWh
0
1
2
3
4
Liter/100km
5
6
7
Verbrauchsprofile Landstraßen
20
18
kWh/100km
16
14
12
10
8
6
4
2
E‐Fahrer: 1,8 l + 14,8
0
0
Konventionelle Fahrer: 3,9 l + 13,4 kWh
1
2
3
4
5
Liter/100km
6
7
8
9
7
8
9
Verbrauchsprofile Autobahn
16
14
kWh/100km
12
10
8
6
4
2
E‐Fahrer: 2,9 l + 11,3
0
0
1
2
3
Konventionelle Fahrer: 6,7l + 3,3 kWh
4
5
Liter/100km
6
Abb. 17: TwinDrive Verbrauchsprofile für unterschiedliche Straßenkategorien
IFEU 2013
IFEU-Institut
Seite 33
Der relativ geringe elektrische Betriebsanteil auf Autobahnen verteilt sich zudem nicht
gleichmäßig auf alle Verkehrssituationen, sondern umfasst vor allem Situationen mit vergleichsweise niedriger Geschwindigkeit (im Mittel etwa 72 km/h12). Diese Situationen sind
daher nicht geeignet, um Rückschlüsse auf einen repräsentativen Energieverbrauch auf
Autobahnen im rein elektrischen Fahrmodus zu ziehen. Vielmehr werden bevorzugt langsame und dynamische Teilstrecken elektrisch gefahren, während bei hohen Geschwindigkeiten der Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Eine derart optimierte Fahrstrategie
ermöglicht die Nutzung der jeweiligen Stärken der Antriebe und maximiert somit die Systemeffizienz des Antriebs.
Zusätzlich zum Stromverbrauch aus der Batterie muss der Ladewirkungsgrad berücksichtigt werden. So kommen von 100 % Strom aus der Steckdose nur 84 % in der Hochvoltbatterie und 1,4 % in der 12 V Bordbatterie an (siehe Abb. 18). Insbesondere im Leistungswandler treten erhebliche Verluste auf. Zusätzlich sind Verluste in der Batterie zu
verzeichnen, die etwa 4 % betragen, der gesamte Lade-Entlade-Wirkungsgrad von der
Steckdose zum Antriebsstrang beträgt damit 80,6 %.
Ƞ = 96 %
Ƞ = 92,7 %
90,6 %
Schuko‐
Steckdose
100 %
Zuleitung
Leistungswandler
84 %
HV‐Batterie
80,6 %
97,8 %
6,6 %
Ƞ = 78 %
5,1 %
Bordnetzwandler
Wärme
3,5 %
Bordnetz
230 V~
HV ‐ DC
0,4 %
2 %
Steuerung
12 V DC
2,2 %
Wärme
2,1 %
Bilanzfehler
1,1 %
Wärme
Quelle: Eigene vereinfachte Darstellung nach [VW 2012b]
1,4 %
0,1 %
12V‐Batterie
Sonstige
Wärme
IFEU 2013
Abb. 18: Energieflussdiagramm für das AC-Laden
4.3 Detailbetrachtung der Nebenverbraucher
Neben der Antriebsenergie brauchen Fahrzeuge heute auch erhebliche Energie für sogenannte ‚Nebenaggregate‘. Die Bandbreite reicht von für den Betrieb des Fahrzeugs unerlässlichen Grundlastaggregaten - Motorelektronik, Einspritzung, Steuergeräte und Kraftstoffpumpe - bis hin zur Komfortausstattung mit Musikanlagen, beheizbaren Außenspiegeln, Sitzheizungen oder einer elektrischen Zusatzheizung.
Viele dieser Verbraucher sind nur temporär im Betrieb (z.B. Licht, Blinker, Scheibenwischer, Servolenkung, Lüftermotor, Heckscheibenheizung, Fensterheber, Klimaanlage).
Der zusätzliche Verbrauch durch die Nebenaggregate schwankt also stark nach Tags-
12
Die mittlere Geschwindigkeiten für die einzelnen Straßenkategorien konnte mit den vorliegenden
Daten nicht ermittelt werden. Daher mussten diese anhand der gesamten Fahrtzeit sowie der Streckenaufteilung auf die Straßenkategorien per Regressionsverfahren bestimmt werden, was mit Unsicherheiten verbunden ist.
Seite 34
IFEU-Institut
und Jahreszeit sowie nach Nutzerverhalten. Dabei ist der zusätzliche Verbrauch von der
Betriebsdauer der Aggregate und nicht von der zurückgelegten Strecke abhängig.
Die Ausstattung mit Nebenverbrauchern hängt auch vom Fahrzeugkonzept ab: So ist die
Kraftstoff- und Einspritzpumpe nur für Verbrennungsmotoren notwendig und entfällt bei
rein elektrischen Fahrzeugen. Auf der anderen Seite ermöglicht die Abwärme von Verbrennungsmotoren eine Beheizung des Innenraums, während bei Elektrofahrzeugen eine
elektrische Zusatzheizung notwendig ist. Der TwinDrive als PHEV benötigt sowohl alle
Aggregate für den Betrieb mit Verbrennungsmotor, als auch eine elektrische Heizung für
den E-Betrieb. Die verwendeten Komponenten werden bereits serienmäßig in anderen
VW-Fahrzeugen verbaut.
Im Rahmen des Flottenversuchs lag die durchschnittliche Leistungsaufnahme für Heizung
und Kühlung bei etwa 800 Watt, die Leistungsaufnahme weiterer Nebenverbraucher bei
durchschnittlich 520 W. Heizung und Klimaanlage werden direkt über das Hochvoltnetz
des Fahrzeugs gespeist. Vom gesamten durchschnittlichen Leistungsbedarf in Höhe von
1276 W können nach [VW 2012c] etwa 60 W als spezifische Prototypenkomponenten
identifiziert werden (Messtechnik u.a.), so dass der durchschnittliche Leistungsbedarf eines Serienfahrzeugs bei 1215 W läge.
Besonders große Unterschiede zeigt der Leistungsbedarf der Heizung und Klimaanlage,
der neben dem Nutzerverhalten vor allem von der Außentemperatur abhängt (siehe Abb.
19). Die durchschnittliche Leistungsaufnahme (dargestellt ist das gleitende Mittel der
Fahrten) zeigt mit etwa 600-700 W ein ausgeprägtes Minimum bei 18-20 C° Außentemperatur. Bei höheren Temperaturen steigt die Leistungsaufnahme deutlich an und beträgt für
Fahrten bei 30 C° Außentemperatur im Mittel fast 2000 W, in Einzelfällen liegt die Kühlungsleistung sogar noch deutlich höher. Die Leistungsaufnahme für die Kühlung ist dabei
für Fahrten im Elektrobetrieb (> 90 % Streckenanteil) ähnlich hoch wie für alle Fahrten.
Leitsungsaufnahme (Ø) Heizung und Klimaanlage
2.500
2.000
E‐Fahrten
alle Fahrten
1.500
1.000
500
‐20
‐10
0
10
20
Außentemperatur (Ø) in C°)
30
40
IFEU 2013
Abb. 19: Leistungsaufnahme durch Heizung und Klimaanlage nach Außentemperatur
Bei niedrigen Temperaturen ist ein ebenfalls deutlicher Anstieg der Leistungsaufnahme
durch die elektrische Heizung zu verzeichnen. Bei Temperaturen unter 0 C° beträgt auch
hier die mittlere Leistungsaufnahme bis zu 2000 Watt. Der zusätzliche Leistungsbedarf ist
dabei für durchschnittliche Fahrten jedoch deutlich geringer als für die überwiegend
(> 90 %) elektrisch absolvierten Fahrten.
IFEU-Institut
Seite 35
Schaut man nur auf den Leistungsbedarf der elektrischen Zusatzheizung bei Fahrten unter 10 Grad Außentemperatur (siehe Abb. 20), so liegt die mittlere elektrische Heizleistung
sehr kurzer Fahrten unabhängig vom Antrieb bei etwa 1.500 W. Bei längeren Fahrten
sinkt jedoch die über die gesamte Fahrt notwendige mittlere Heizleistung bei einem hohem Anteil im verbrennungsmotorischem Betrieb (> 90 %). Grund ist der steigende Beitrag der Motorabwärme. Fahrten mit einer Dauer von einer Stunde im verbrennungsmotorischen Betrieb zeigen einen nur noch halb so hohen Heizleistungsbedarf, wie Fahrten
vorwiegend (> 90 %) im Elektrobetrieb. Im Flottenversuch gab es jedoch nur wenige längere Fahrten, die vollständig verbrennungsmotorisch zurückgelegt wurden. Die Datengrundlage ist daher begrenzt, so dass Abb. 20 lediglich eine Tendenz aufzeigen kann.
IFEU 2013
Abb. 20: Bedarf an Heizleistung bei Fahrten im Elektro- und Verbrennungsantrieb (jeweils > 90 %)
nach Fahrzeit
4.4 Umweltbilanz über einen gesamten Lebensweg
Für die Umweltbilanzen zum Flottenversuch werden die Verbrauchswerte (und damit auch
der Verbrauch durch Nebenaggregate) direkt aus dem Flottenversuch übernommen. Zusätzlich werden die Lade- und Entladeverluste berücksichtigt. Der Energieverbrauch und
das Nutzungsmuster wurden auf eine Lebensfahrleistung von 150.000 km hochgerechnet.
Die Klimawirkung pro gefahrenen Kilometer liegt damit für das Referenzfahrzeug bei etwa
290 g CO2-Äquivalenten pro gefahrenen Kilometer. Für den durchschnittlichen TwinDrive
im Flottenversuch, der mit dem durchschnittlichen deutschen Strommix geladen wird, liegt
die Klimawirkung mit 277 g etwa 5 % niedriger (siehe Abb. 21). Wird während der angenommenen Lebensdauer eine zweite Batterie benötigt, steigt die Klimawirkung auf
289 g CO2-Äquivalente pro km und liegt damit nur noch geringfügig unter dem Referenzfahrzeug. Die zusätzliche Klimawirkung durch die Batterieherstellung kann über den betrachteten Zeitraum also bereits bei diesem prototypischen Versuchsfahrzeug durch den
effizienteren Antriebsstrang kompensiert werden, ebenso wie das höhere Fahrzeuggewicht.
Der elektrische Fahranteil hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf die Klimabilanz (siehe Abb. 21). Der E-Anteil liegt über den gesamten Flottenversuch streckenbezogen bei
etwa 50 %, fällt aber für bestimmte Nutzer auch deutlich höher aus. So haben die E-
Seite 36
IFEU-Institut
Fahrer im Flottenversuch einen mittleren elektrischen Fahrstreckenanteil von etwa 80 %
realisiert, damit verbessert sich die Klimabilanz für diese Gruppe gegenüber dem Referenzfahrzeug um etwa 12 %. Der Nutzertyp des konventionellen Fahrers mit elektrischen
Fahrstreckenanteilen von unter 40 % zeigt demgegenüber (ohne zweite Batterie) eine
dem Referenzfahrzeug ähnliche Klimabilanz.
Der kumulierte Energieaufwand der Fahrzeugkonzepte zeigt eine der Klimawirkung vergleichbare Tendenz. Er liegt für das Referenzfahrzeug bei etwa 4,4 MJ pro Kilometer und
für den TwinDrive im Mittel bei gut 4,2 MJ pro Kilometer (etwa 3 % günstiger). Für den EFahrer zeigt sich gegenüber dem Referenzfahrzeug eine Verbesserung um 10 % auf 4 MJ
pro Kilometer. Insgesamt sind die Vorteile des TwinDrive gegenüber dem Referenzfahrzeug beim kumulierten Energieaufwand etwas weniger deutlich ausgeprägt als bei der
Klimawirkung, da hier auch die erneuerbaren Energien einen relevanten Beitrag leisten,
während deren Erzeugung - jenseits der Klimawirkung durch den Bau der Anlagen selbst
- klimaneutral bilanziert wird.
350
7
300
‐12%
‐4%
250
Fahrzeugentsorgung
5
Wartung
200
4
150
3
100
2
50
1
0
0
MJ pro km
g CO2‐Äquivalente pro km Zweite Batterie
6
‐5%
Strombereitstellung
Auspuffemissionen
Alle
Alle
Referenzfzg.
E‐Fahrer
Hybridfahrer
Fahrzeugherstellung
KEA ‐ nicht erneuerbar
KEA ‐ erneuerbar
Konv. Fahrer
TwinDrive (Strommix Deutschland)
IFEU 2013
Abb. 21: Klimabilanz und kumulierter Energieaufwand des TwinDrive und Referenzfahrzeugs
13
(Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km)
Deutlicher besser stellt sich die Klimabilanz des TwinDrive bei Nutzung von Strom aus
zusätzlichen Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien dar (siehe Abb. 22): Der Vorteil des TwinDrive im Flottenversuch gegenüber dem Referenzfahrzeug liegt bei Nutzung
von Strom aus zusätzlichen Windkraftanlagen bei 33 %. Wird außerdem der Kraftstoffbedarf des TwinDrive mit Bioethanol gedeckt (in Abb. 22 ist das Beispiel einer Herstellung
aus Zuckerrüben dargestellt), steigt der Vorteil sogar auf 59 %. Bei Nutzung von Bioethanol würde sich jedoch auch die kilometerbezogene Klimawirkung des Referenzfahrzeugs
nahezu halbieren, der zusätzliche Vorteil durch die Elektrifizierung wäre daher begrenzt.
Auf der anderen Seite sind mit der Nutzung von Biokraftstoffen auch zahlreiche Probleme
verbunden, wie Nutzungskonkurrenzen (Tank-Teller-Diskussion) und mögliche Landnutzungsänderungen, die in dieser Bilanzierung nicht berücksichtigt sind und die Klimawirkung deutlich erhöhen können. Zudem sind Schadstoffeinträge in Boden, Luft und Wasser
durch intensive Landwirtschaft im Rahmen des Energiepflanzenanbaus problematisch.
13
Zahlenwerte für den hochgerechneten Lebensweg sind im Anhang in Tab. 24 dokumentiert.
IFEU-Institut
Seite 37
Die Nutzung erneuerbaren Stroms stellt unter diesen Aspekten die zielsicherere Alternative zur Minderung der Treibhausgasemissionen dar.
350
300
‐5%
‐33%
250
‐50%
‐59%
200
Zweite Batterie
Fahrzeugentsorgung
150
Wartung
100
Strombereitstellung
Auspuffemissionen
50
Fahrzeugherstellung
0
Referenzfzg.
TwinDrive
(Mix D)
TwinDrive
(EE‐Strom*)
TwinDrive
(EE+Bio**)
Referenzfzg.
(Bio**)
* Strom aus zusätzlichen Windkraftanlagen
** Bioethanol aus Zuckerrüben
(ohne Landnutzungsänderungen)
IFEU 2013
Abb. 22: Klimawirkung des TwinDrive und Referenzfahrzeugs für verschiedene Energieerzeugungen
(Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km)
Einen weiteren Einfluss auf die Klimabilanz hat das Fahrprofil. Die Klimabilanz stellt sich
bei ausschließlicher Innerortsnutzung des TwinDrive bereits für den mittleren Fahrer um
etwa 11 % besser dar als für das Referenzfahrzeug (siehe Abb. 23), für die E-Fahrer sogar um 17 %. Der effiziente Antriebsstrang kann im Innerortsbereich seine Vorteile gegenüber dem vor allem im Teillastbetrieb wenig effizienten Verbrennungsmotor also wie
erwartet voll ausspielen.
400
350
300
Zweite Batterie
250
Fahrzeugentsorgung
200
Wartung
150
Strombereitstellung
100
direkte Emissionen
50
Fahrzeugherstellung
Referenz
TwinDrive (Mix Deutschland)
Innerorts
Referenz
Konv. Fahrer
Hybridfahrer
E‐Fahrer
Alle Fahrer
Alle Fahrer
Konv. Fahrer
Hybridfahrer
E‐Fahrer
Alle Fahrer
Alle Fahrer
0
TwinDrive (Mix Deutschland)
Autobahn
IFEU 2013
Abb. 23: Klimabilanz des TwinDrive und Referenzfahrzeugs für verschiedene Nutzertypen und Straßenkategorien (Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km)
Auf Autobahnen ergibt sich ein anderes Bild: Der Klimavorteil gegenüber dem Referenzfahrzeug liegt für den E-Fahrer nur noch bei etwa 11 %, während sich für die anderen
Nutzertypen eine Verschlechterung der Klimabilanz ergibt. In der Autobahnsituation arbei-
Seite 38
IFEU-Institut
tet der Verbrennungsmotor nahe seinem optimalen Betriebspunkt, der elektrische Antriebsstrang bietet daher nur geringere Vorteile. Zusätzlich liegt das Gewicht des TwinDrive durch den zusätzlichen elektrischen Antriebsstrangs und die Batterie mit etwa 1710 kg
deutlich über dem Referenzfahrzeug (~1315 kg).
Insgesamt zeigt die Umweltbilanz des TwinDrive bereits als Versuchsträger in fast allen
Betrachtungen Vorteile in der Klimawirkung gegenüber dem Referenzfahrzeug. Einzige
Ausnahme bilden Profile mit starker Autobahnnutzung oder sehr geringem elektrischem
Fahranteil. Für zukünftige PHEV-Serienfahrzeuge sind weitere Optimierungen möglich,
die die Vorteile in der Klimawirkung noch weiter steigern können. Diese werden im folgenden Abschnitt anhand von Szenarien behandelt.
Bei den weiteren Wirkungskategorien der Umweltbilanz (Abb. 24) zeigen sich dagegen
auch Nachteile des PHEV-Konzeptes. Zu beachten sind bei der Interpretation der Ergebnisse jedoch die im Vergleich zur Bilanzierung der Treibhausgasemissionen größeren Unsicherheiten.
Die Umweltwirkungen gehen hier vor allem auf die Batterieherstellung zurück. So werden
die Versauerungswirkung und die direkten PM10-Emissionen eindeutig von der Fahrzeugherstellung dominiert, die beim TwinDrive einen Anteil von etwa 60 % (Versauerung) bzw.
über 80 % (PM10) an den Umweltwirkungen über den gesamten Lebensweg des Fahrzeuges hat. Die Versauerungswirkung des TwinDrive liegt nach den vorliegenden Daten mehr
als 20 % über dem Referenzfahrzeug und die PM10-Emissionen liegen mehr als 30 % höher. Bei der Versauerungswirkung hat zusätzlich die Energiebereitstellung einen relevanten Einfluss, für den vor allem die Raffinerien und Kohlekraftwerke verantwortlich sind.
Der Beitrag zum Sommersmog ist stark von den direkten Auspuffemissionen bestimmt, da
der Ottomotor relevante Emissionen an Nicht-Methan-Kohlenwasserstoff (NMHC) hat. Bei
der terrestrischen Eutrophierung zeigen sich für den Euro-5-Motor ebenfalls relevante Beiträge der Auspuffemissionen und zusätzlich durch die Energiebereitstellung (Raffinerien
und Kohlekraftwerke). Für das Nutzungsprofil aller Fahrer im Flottenversuch ergeben sich
hinsichtlich Sommersmog und Eutrophierung aber durch den deutlichen Beitrag der Auspuffemissionen leichte Vorteile für den TwinDrive, der ja auch elektrische Fahranteile aufweist.
Besonders relevant sind nach den vorliegenden Ergebnissen die Beiträge zur Feinstaubbelastung in Deutschland. Über den Lebensweg ist die PHEV-Nutzung mit fast sieben
jährlichen Einwohnerdurchschnittswerten verbunden, beim Referenzfahrzeug liegt die Belastung immer noch bei fünf Einwohnerdurchschnittswerten. Die Belastung geht dabei jedoch im Wesentlichen auf die Fahrzeugherstellung zurück und findet daher nicht zwingend in den bereits durch Auspuffemissionen stark vorbelasteten Innenstädten statt. Zusätzlich ist die Bilanz hier mit besonderen Unsicherheiten verbunden.
Auch die Versauerungsbeiträge sind mit etwas über vier Einwohnerdurchschnittswerten
relevant und etwa vergleichbar mit dem Beitrag zur Klimawirkung mit durchschnittlich 3,8
Einwohnerdurchschnittswerten. Weniger ins Gewicht fallen dagegen die terrestrische Eutrophierung und der Sommersmogbeitrag mit knapp zwei bzw. unter einem Einwohnerdurchschnittswert.
IFEU-Institut
Seite 39
Versauerung
TwinD (Konv. Fahrer)
4,61
TwinD (Hybridfahrer)
4,49
TwinD (E‐Fahrer)
4,30
TwinD (Alle Fahrer)
4,48
Referenz (Alle Fahrer)
3,58
1,98
1,85
Fahrzeugherstellung
TwinD (E‐Fahrer)
1,66
TwinD (Alle Fahrer)
1,85
1,94
Sommersmog
direkte Emissionen
Strombereitstellung
Wartung
1,08
Fahrzeugentsorgung
0,84
TwinD (E‐Fahrer)
0,60
TwinD (Alle Fahrer)
0,88
0,90
PM10 direkt
6,70
6,84
TwinD (E‐Fahrer)
7,00
TwinD (Alle Fahrer)
6,79
4,83
0
1
2
3
4
5
6
7
Einwohnerdurchschnittswerte Deutschland
IFEU 2013
Abb. 24: Umweltwirkungen des TwinDrive und Referenzfahrzeugs im Flottenversuch hochgerechnet
14
auf eine Lebenslaufleistung von 150.000 km für verschiedene Nutzertypen
14
Zahlenwerte für den hochgerechneten Lebensweg sind im Anhang in Tab. 24 dokumentiert.
Seite 40
5
IFEU-Institut
Plug-In-Hybrid Serienfahrzeuge 2020
5.1 Perspektivische Nutzungsmuster von Plug-In-Hybriden
Die verschiedenen Nutzertypen des Feldversuchs haben gezeigt, dass die elektrisch zurückgelegte Fahrstrecke ein wesentlicher Einflussparameter der Umweltbilanz von PHEV
ist. Da bei Personen mit häufiger15 Autonutzung etwa 80 % der täglich zurückgelegten
Strecken unter 50 km liegen, haben Plug-In-Hybride das Potenzial, einen Großteil der
Fahrleistung rein elektrisch zu bewältigen (siehe Abb. 25). Da die Nutzungsprofile des
Flottenversuchs nicht als repräsentativ angesehen werden können, werden für die Betrachtung von Serienfahrzeugen im Jahr 2020 durchschnittliche Mobilitätsmuster betrachtet.
100
90
80
80% der täglich zurückgelegten Strecken liegen unter 50 km
Anteil Personen 70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
Tagesstrecke (km)
100
120
Quelle: IFEU-Auswertung auf Basis [MiD 2008]
140
IFEU 2013
Abb. 25: Tagesstrecken von Personen mit (fast) täglicher/wöchentlicher Nutzung eines Pkw
Der tatsächlich realisierte elektrische Fahrtanteil hängt dann sowohl von der elektrischen
Reichweite der Fahrzeuge (also vor allem von der Batteriekapazität), als auch vom persönlichen Nutzungsprofil des Besitzers ab. Für die Untersuchung dieses Zusammenhangs
werden exemplarisch elektrische Reichweiten von 10 km, 20 km und 40 km angenommen. Zusätzlich werden zwei verschiedene angenommene Stufen des Infrastrukturausbaus untersucht:

15
16
Laden zu Hause: In der Frühphase der Elektromobilität kann das Fahrzeug im
Regelfall nur zu Hause aufgeladen werden. Daher wird die durchschnittliche Verteilung der an einem Tag zurückgelegten Strecke betrachtet: Bei einer elektrischen
Reichweite von 40 km könnten die Deutschen mit häufiger Pkw-Nutzung bereits
fast 50 %16 der täglichen Fahrstrecke rein elektrisch zurückgelegen, auch wenn
nur eine Lademöglichkeit zuhause besteht. Dabei sind auch Urlaubs- und Wochenendfahrten berücksichtigt. Dies entspricht ungefähr dem durchschnittlich im
Personen mit „Nutzungshäufigkeit Auto: (fast) täglich/ wöchentlich“
Hier wurde davon ausgegangen, dass alle Personen mit häufiger Autonutzung immer die ersten
40 km ihrer täglichen Fahrstrecke nach [MiD 2008] elektrisch zurücklegen, den Rest verbrennungsmotorisch.
IFEU-Institut
Flottenversuch realisierten elektrischen Fahranteil bei einer vergleichbaren Reichweite. Für kleinere Reichweiten liegen die Potenziale deutlich niedriger (siehe Tab.
9).
Laden nach jedem Weg: Bei optimalem Infrastrukturausbau kann nahezu überall
geladen werden. Daher wird hier die durchschnittliche Verteilung der einzelnen
Weglängen verwendet. Bereits bei einer Reichweite von 20 km liegt das durchschnittliche elektrische Fahrstreckenpotenzial bei 56 %, bei 40 km Reichweite sogar bei 72 %.

80
35%
70
30%
60
25%
50
20%
Otto‐Strecke
40
E‐Strecke (40km Reichweite)
30
E‐Strecke (10km Reichweite)
20
Anteil
15%
10%
Streckenhäufigkeit
Mittlere Wegstrecke in km
Seite 41
5%
10
0%
0
2‐5km
5‐10km
10‐25km
25‐100km
>100km
Streckenkategorie
Quelle: Auswertung auf Basis [MiD 2008]
IFEU 2013
Abb. 26: Verteilung der Weglängen von Personen mit häufiger Pkw-Nutzung und Anteil potenzieller EStrecken
Eine wesentliche Erweiterung der Infrastruktur wäre bereits durch Bereitstellung einer Ladeinfrastruktur am Arbeitsplatz gegeben (siehe auch [DLR 2011a]), da die Parkzeiten hier
wahrscheinlich auch ohne Schnellladung ausreichend für eine Vollladung wären. Zudem
werden diese Wegstrecken von vielen Pkw-Nutzern nahezu täglich zurückgelegt und bilden damit eine wichtige Grundlage der Entscheidung für ein Antriebskonzept und seine
Konfiguration, also insbesondere die gewählte Batteriekapazität. Geht man von einer Lademöglichkeit am Arbeitsplatz aus, kann bereits mit einer Reichweite von 20 km auf dem
Arbeitsweg ein elektrischer Fahrstreckenanteil von 51 % erreicht werden, bei 40 km
Reichweite liegt dieser Anteil bereits bei 70 %.
Das elektrische Fahrstreckenpotenzial für die Arbeits- und Dienstwege liegt damit schon
deutlich über dem Potenzial des täglichen Ladens zu Hause und nur geringfügig unter
dem Potenzial für Laden nach jedem Weg. Für den ebenfalls relevanten Anteil der Freizeitwege werden die Lademöglichkeiten mittelfristig wahrscheinlich beschränkt sein. Auf
der anderen Seite ist hier auch eine Anpassungsmöglichkeit des Nutzungsverhaltens
wahrscheinlicher, z.B. die Wahl geeigneter Ausflugsziele oder das Ausweichen auf ein
anderes Verkehrsmittel bei besonders langen Strecken.
Bei Personen mit einem besonders geeigneten Mobilitätsprofil kann das Potenzial für
elektrische Fahranteile auch noch höher liegen als bei den auf Basis dieser durchschnittlichen Verteilung abgeleiteten Fahranteilen. Da sich ein hoher elektrischer Fahrstreckenan-
Seite 42
IFEU-Institut
teil positiv auf die Vollkostenrechnung eines Fahrzeugs auswirkt17, wurde z.B. im Rahmen
der Marktpotenziale ([DLR 2012a]) davon ausgegangen, dass vornehmlich solche Personen PHEV kaufen, deren Nutzungsprofil hohe elektrische Fahrstreckenanteile ermöglicht.
Tab. 9:
Durchschnittliche elektrische Fahrstreckenpotenziale in Deutschland
Reichweite 10 km
Reichweite 20 km
Reichweite 40 km
Laden zuhause (täglich)
17 %
30 %*
48 %*
Laden nach jedem Weg
38 %
56 %*
72 %*
Laden am Arbeitsplatz
(nur Arbeits-/Dienstwege)
32 %
51 %
70 %
Quelle: Auswertung auf Basis [MiD 2008]
* Betrachtung im Rahmen von Umweltbilanzen
IFEU 2013
5.2 Energieverbrauch von Plug-In-Hybrid-Serienfahrzeugen
Im vorangegangenen Kapitel wurden auf Grundlage von durchschnittlichen Mobilitätsprofilen Potentiale für den elektrischen Fahranteil von PHEV abgeleitet (unter Annahme verschiedener elektrischer Reichweiten und Ausbaustufen der Ladeinfrastruktur). Die Auswertung des Flottenversuchs hat gezeigt, dass es für den Energieverbrauch auch von Bedeutung ist, in welchen Fahrsituationen die elektrischen Fahranteile zurückgelegt werden.
Für die Berechnung des Energieverbrauchs im elektrischen sowie im hybridischen Betriebsmodus müssen die elektrischen Fahranteile daher zusätzlich auf die einzelnen Straßenkategorien aufgeteilt werden. Abb. 27 illustriert die zugrundeliegende Methodik.
IFEU 2013
Abb. 27: Methodik zur Berechnung des elektrischen Fahrstreckenanteils
Für die Durchschnittsbetrachtung eines Pkw mit 150.000 km Lebensfahrleistung wird dabei insgesamt die Fahrleistungsaufteilung mittelgroßer Pkw aus TREMOD ([IFEU 2012a])
übernommen: Etwa 30 % der Gesamtfahrleistung wird im Innerortsbereich, 40 % im Außerortsbereich und 30 % auf Autobahnen erbracht. Für den Innerortsbereich wird generell
ein hoher elektrischer Fahranteil von im Mittel 80 % unterstellt, da die Reichweite hier die
geringste Rolle spielt und bei städtischen Fahrprofilen die Effizienzvorteile des Elektroantriebs voll zum Tragen kommen. Das entspricht etwa dem elektrischen Innerortsfahranteilen der E- und Hybridfahrer im Flottenversuch (zwischen 70 % und 90 % E-Anteil im Innerortsbereich). Weiterhin wird angenommen, dass der elektrische Fahranteil im Außer17
Dies geht u.a. auf die Unterschiede in den Energiepreisen zurück, die auch durch die gegenüber
der Stromsteuer deutlich höhere Mineralölsteuer bedingt sind.
IFEU-Institut
Seite 43
ortsbereich doppelt so hoch ist wie auf der Autobahn, was ebenfalls in etwa der Situation
im Flottenversuch entspricht. Die sich aus diesen Annahmen ergebenden Anteile des EBetriebs für die einzelnen Straßenkategorien sind in Tab. 10 dargestellt.
Tab. 10: Elektrische Fahranteile auf den einzelnen Straßenkategorien18
Laden zu Hause
E-Reichweite
Laden nach jedem Weg
10 km
20 km
40 km
20 km
40 km
Innerorts
80%
80%
80%
80%
80%
Außerorts
23%
53%
80%
10%
40%
Autobahn
16%
36%
53%
7%
27%
IFEU 2013
Im nächsten Schritt wurden die elektrischen Fahranteile innerhalb der Straßenkategorien
einzelnen Verkehrssituationen zugewiesen. Dabei wurde davon ausgegangen, dass bei
einem vorgegebenen Streckenanteil im E-Betrieb stets diejenigen Fahrsituationen
elektrisch gefahren werden, bei denen das Verhältnis zwischen Stromverbrauch im Elektrobetrieb und Kraftstoffverbrauch im Hybridbetrieb besonders günstig ist (Ziel einer intelligenten Betriebsstrategie für PHEV). Dies sind vor allem die Situationen bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie nicht zu hoher Dynamik. Weitere Erläuterungen zur Simulation einer Verbrauchsoptimierung finden sich im Anhang (Abschnitt 10.1).
Die Berechnung des Energieverbrauchs der Serien-PHEV erfolgte mit dem IFEUFahrzeugmodell „eLCAr“, das zuvor mit den im Flottenversuch gemessenen Energieverbräuchen abgeglichen wurde (siehe Abschnitt 10.1.2). Die Details der Verbrauchsberechnung sowie die verwendeten Parameter für die Szenarien 2020 und 2030 sind ebenfalls
im Anhang dokumentiert (Abschnitt 10.1.3). Die Verbrauchswerte für Serienfahrzeuge in
2020 sind in Abb. 28 dargestellt.
Stromverbrauch (kWh/100km)
18
16
14
12
10
8
6
Vorteil durch
Hybridisierung
4
2
Diesel 2020
Otto 2020
0
0
1
2
3
4
5
Kraftstoffverbrauch (l/100km)
Quelle: Berechnung mit eLCAr
6
7
8
IFEU 2013
Abb. 28: Abgeleitete Verbrauchswerte für Serienfahrzeuge in 2020
18
Berechnet unter der Annahme eines durchschnittlichen Fahrprofils für mittlere Pkw nach [IFEU
2012a]: 30 % Innerorts, 40 % Außerorts, 30 % Autobahn)
Seite 44
IFEU-Institut
5.3 Umweltbilanz von Plug-In-Hybrid-Serienfahrzeugen
Die Umweltbilanz von Serienfahrzeugen wird für optimierte Fahrzeuge und Batterien betrachtet (siehe Abschnitt 3), dabei werden verschiedene Ausbauentwicklungen der Infrastruktur und verschiedene elektrische Reichweiten (20 und 40 km) unterschieden (siehe
Abschnitt 5.1). Für die Lebensfahrleistung von 150.000 km wird für die Serienfahrzeuge
nur eine Batterie über den Lebensweg angesetzt. Die Batteriekapazität der angenommenen Reichweiten wird sowohl in der Bilanz der Fahrzeugherstellung als auch bei der Berechnung des spezifischen Energieverbrauchs (Gewicht) berücksichtigt.
Dabei zeigt sich insgesamt, bei Berücksichtigung des durchschnittlichen deutschen
Strommix für 2020 nach der ‚Leitstudie 2011‘ ([DLR et al. 2012]), eine verbesserte Bilanz
für den Plug-In-Hybrid gegenüber den Referenzfahrzeugen. Auch wenn weiterhin nur die
tägliche Lademöglichkeit zu Hause besteht, liegt der PHEV mit einer Reichweite von
20 km in der Klimawirkung bereits 13 % günstiger als das Otto-Referenzfahrzeug und
gleichauf mit dem Diesel-Referenzfahrzeug19 (siehe Abb. 32). Bei einer Reichweite von
40 km steigt der Vorteil in der Klimawirkung gegenüber der Otto-Referenz auf 17 % an.
Der Grund liegt neben dem zukünftig geringeren Herstellungsaufwand der Batterie und
Verbesserungen des Antriebsstrangs vor allem im auf etwa 40 % gestiegenen Anteil erneuerbarer Energien am deutschen Strommix.
Eine Verbesserung der Ladeinfrastruktur kann sich dabei – eine gute Ladedisziplin vorausgesetzt – noch viel deutlicher im elektrischen Fahranteil und damit in der Klimabilanz
des PHEV niederschlagen. Selbst bei einer niedrigen Reichweite von 10 km kann bei hypothetischer Ladung nach jedem Weg bereits ein Klimavorteil von 17 % gegenüber dem
Otto-Referenzfahrzeug erreicht werden. Hier wird die Bilanz auch vom geringen Herstellungsaufwand der kleinen Batterie begünstigt. Bei 20 km beträgt der Vorteil gegenüber
dem Otto-Referenzfahrzeug bereits 22 % und steigt bei 40 km Reichweite nur noch geringfügig auf etwa 25 % an.
Der kumulierte Energieaufwand zeigt eine den Treibhausgasemissionen vergleichbare
Tendenz. Die relativen Vorteile gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug für 2020 sind etwas niedriger als bei den Treibhausgasemissionen. Grund ist der hohe Anteil erneuerbarer Energien, die dem Energieaufwand ohne Verluste zugerechnet werden.
19
Das Diesel-Referenzfahrzeug wurde in weitgehender Analogie zum Otto-Referenzfahrzeug bilanziert (siehe auch [IFEU 2011b]). Modellierung und Verbrauchswerte sind in Kap. 10.1.3 dokumentiert.
IFEU-Institut
250
Seite 45
g CO2 Äqivalente pro Fzg. km
‐ 13%
‐ 17%
‐ 17%
‐ 22%
‐ 25%
200
150
Fahrzeugentsorgung
100
Wartung
direkte Emissionen
Strombereitstellung
50
Fahrzeugherstellung
0
Otto
Diesel
Referenzfahrzeuge
5
20km
40km
PHEV ‐ Laden zu Hause
10km
20km
40km
PHEV ‐ Laden nach jedem Weg
MJ pro Fzg. km
4
‐ 11 %
‐ 14 %
‐ 15 %
‐ 19 %
‐ 20 %
3
2
1
0
Otto
Diesel
Referenzfahrzeuge
20km
40km
PHEV ‐ Laden zu Hause
10km
20km
40km
PHEV ‐ Laden nach jedem Weg
IFEU 2013
Abb. 29: Klimabilanz und kumulierter Energieaufwand für Referenz- und PHEV-Serienfahrzeuge der
20
Kompaktklasse in 2020 (Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km)
Für die übrigen Wirkungskategorien ergibt sich eine ähnliche Tendenz wie in den Bilanzen
zum Flottenversuch. Versauerung und direkte PM10-Emissionen werden weiterhin von der
Fahrzeugherstellung dominiert. Die Versauerungswirkung der PHEV-Mobilität ist im günstigsten Fall nun nahezu vergleichbar mit dem Otto-Pkw, bleibt aber geringfügig höher als
die Versauerungswirkung des Diesel-Pkw. Bei den PM10-Emissionen bleibt es bei Nachteilen für den PHEV. Vorteile gibt es für den PHEV weiterhin bei der terrestrischen Eutrophierung und beim Sommersmog, zumindest gegenüber dem Otto-Pkw. Der Ausstoß von
Nicht-Methan Kohlenwasserstoffen ist beim Diesel-Pkw dagegen deutlich geringer. Bei
der Versauerung und terrestrischen Eutrophierung nimmt der Anteil der direkten Emissionen beim Euro-6-Referenzfahrzeug gegenüber dem Euro-5-Referenzfahrzeug im Flottenversuch weiter ab. Die Unterschiede zwischen Otto- und Diesel-Pkw sind dabei gering.
20
Zahlenwerte für den Lebensweg sind im Anhang dokumentiert.
2020
2020
2020
2020
Referenzf
2020
Laden
2020
Laden
2020
Laden
2020
Laden
zg.
Laden überall zuhause Referenz Laden überall zuhause Referenz Laden überall zuhause Referenz Laden überall zuhause
PM10 direkt
Sommersmog
Versauerung
Seite 46
IFEU-Institut
RW 40 km
RW 20 km
RW 40 km
RW 20 km
RW 10 km
Diesel
Otto
RW 40 km
1,49
RW 20 km
1,62
RW 40 km
1,27
RW 20 km
1,36
RW 10 km
1,51
Diesel
1,90
Fahrzeugherstellung
Otto
1,88
RW 40 km
0,49
direkte Emissionen
RW 20 km
0,49
Strombereitstellung
RW 40 km
0,46
RW 20 km
0,45
RW 10 km
0,46
Diesel
Wartung
Fahrzeugentsorgung
0,27
Otto
RW = Elektrische Reichweite
0,74
RW 40 km
RW 20 km
RW 40 km
RW 20 km
RW 10 km
Diesel
Otto
0
1
2
3
4
5
Einwohnerdurchschnittswerte Deutschland
6
IFEU 2013
Abb. 30: Umweltwirkungen von Serien PHEV und Referenzfahrzeugs 2020 hochgerechnet auf eine Lebenslaufleistung von 150.000 km für verschiedene Reichweiten21
21
Zahlenwerte für den Lebensweg sind im Anhang dokumentiert.
IFEU-Institut
Seite 47
Insgesamt verbessert sich die Umweltbilanz des Plug-In-Hybrid gegenüber den konventionellen Referenzfahrzeugen damit tendenziell in der Zukunft (siehe Abb. 31). Effizienzverbesserungen sind bei beiden Fahrzeugkonzepten zu erwarten. Zusätzlich ist jedoch
von stärker steigenden Anteilen erneuerbarer Energien in der Stromerzeugung auszugehen. Daher wächst der Vorteil bei der Klimawirkung gegenüber dem OttoReferenzfahrzeug deutlich. Ebenso wächst der Vorteil des kumulierten Energieaufwands,
da die Produktion erneuerbarer Energie als verlustfrei angenommen wird. Außerdem wird
auch die zusätzliche Umweltlast durch die Batterieherstellung in Zukunft sinken. Dies wirkt
sich insbesondere auf die Versauerungswirkung und die Partikelemissionen der PHEVMobilität aus. Während der PHEV Nachteil gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug bezüglich der PM10-Emissionen zwischen 2012 und 2020 von fast 40 % auf gut 20 % zurückgeht, verschwindet der Nachteil bei der Versauerungswirkung unter den getroffenen Annahmen vollständig.
Beim Sommersmog und der der terrestrischen Eutrophierung zeigten sich bereits für den
aktuellen Stand leichte Vorteile des TwinDrive gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug.
Diese Vorteile steigen unter den für 2020 getroffenen Annahmen auf über 30 % an.
GWP
2012
2020
KEA‐gesamt
2012
2020
40%
PM10 direkt
Sommersmog
Terrestrische
Eutrophierung
Versauerung
2012
2012
2012
2012
2020
2020
2020
2020
Vorteil ggü. Otto‐Referenzfahrzeug
30%
20%
10%
0%
‐10%
‐20%
‐30%
‐40%
Nachteil ggü. Otto‐Referenfahrzeug
Quelle: IFEU Auswertung mit eLCAr
IFEU 2013
Abb. 31: Vor- und Nachteile des PHEV gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug in verschiedenen Umweltwirkungskategorien
Seite 48
IFEU-Institut
5.4 Chancen und Risiken der Umweltbilanz
Recycling wichtiger Materialien
Die schlechtere bzw. ausgeglichene Bilanz des PHEV im Bereich der Versauerung und
der Partikelemissionen könnte zukünftig durch Recycling wichtiger Materialien der Batterie
deutlich gemindert werden. Das Verbesserungspotenzial durch Materialrecycling von Lithium, Nickel, Kupfer, Aluminium und Kobalt wurde in Abschnitt 3.4.2 überschlägig analysiert. Bezogen auf die gesamte Batterieherstellung liegt das maximale Verbesserungspotenzial für die Versauerung im Bereich von über 40 % und für die Partikelemissionen im
Bereich von 30 % bis 40 %. Zentrale Beiträge liefern hier das Nickel- und Kobaltrecycling.
Auch bei der terrestrischen Eutrophierung und beim Sommersmog kann die Umweltbilanz
durch Recycling nochmal verbessert werden. Bei konsequentem Recycling können die in
Abb. 31 gezeigten Nachteile reduziert und die Vorteile weiter ausgebaut werden.
Die Datenlage bezüglich der Recyclingprozesse ist derzeit jedoch noch unsicher, die Verfahren sollten daher noch näher untersucht werden. Zu beachten sind auch mögliche negative Wechselwirkungen mit den Treibhausgasemissionen. Nur besonders effiziente Recyclingverfahren können wahrscheinlich eine Klimaneutralität bzw. sogar einen leichten
Klimavorteil im Rahmen der Umweltbilanz sicherstellen (siehe Abschnitt 3.4).
Kraftstoffe aus unkonventionellen Ölvorkommen
Zukünftig ändert sich nicht nur die Strombereitstellung, sondern auch der Kraftstoffmix.
Für die Bilanzen im Jahr 2020 wird nach [IFEU 2012a] beim Ottokraftstoff bereits eine Biokraftstoffbeimischung von 10 %, bei Dieselkraftstoff von 13 % angesetzt. Aktuell werden
jedoch zunehmend unkonventionelle Ölvorkommen erkundet und gefördert. Sogenannte
Teer- oder Ölsande können nahe der Oberfläche im Tagebau, in tieferen Lagerstätten
durch Verflüssigung unter Dampfdruck (in situ) gefördert und zu Kraftstoff verarbeitet werden.22 Zusätzlich bietet sich auch die Möglichkeit der Herstellung von Dieselkraftstoff
durch Kohleverflüssigung u.a. mit dem Fischer-Tropsch-Verfahren. Die Kategorie der daraus entstehenden Kraftstoffe wird dann als „Coal to Liquid“ (CtL) bezeichnet.
Die Herstellung von Kraftstoffen aus Ölsanden oder durch Kohleverflüssigung ist jedoch
mit erheblichen zusätzlichen Umweltlasten verbunden ([Schimpf 2010]). Wird das OttoFahrzeug mit ölsandbasiertem Ottokraftstoff anstelle des Kraftstoffmix 2020 betrieben,
ergibt sich, auch bei Betrachtung des gesamten Lebenswegs, eine um 16 % höhere Klimawirkung (siehe Abb. 32). Ähnlich sind die Nachteile für ein Dieselfahrzeug, welches mit
ölsandbasiertem Dieselkraftstoff betrieben wird. Beim Plug-In-Hybrid bleibt diese Erhöhung der Klimawirkung durch den elektrischen Fahranteil jedoch begrenzt: Im Beispiel
des PHEV mit 40 km Reichweite und weitreichenden Lademöglichkeiten liegt der Nachteil
in der Lebenswegbetrachtung bei 6 %. Die Diversifizierung der Energieträger mindert damit die Risiken neuer Kraftstoffe aus unkonventionellen Vorkommen. Die Kohleverflüssigung ist gegenüber den Ölsanden mit nochmals deutlich erhöhter Klimawirkung verbunden: Hier verdreifacht sich die Klimabilanz des Dieselreferenzfahrzeugs. Durch CO2Abscheidung und Speicherung kann diese Bilanz verbessert werden. Das Verfahren ist in
Deutschland jedoch umstritten und wird derzeit noch nicht im großen Maßstab eingesetzt.
22
Bei der Erdgasförderung haben entsprechende Verfahren speziell in Amerika bereits heute eine
große Bedeutung
IFEU-Institut
Seite 49
700
+ 216%
600
500
400
Fahrzeugentsorgung
300
Wartung
+ 16%
+ 6%
200
+ 15%
direkte Emissionen
Strombereitstellung
100
Fahrzeugherstellung
0
Mix 2020
Ölsand
Ölsand Mix 2020 Ölsand
Ölsand Mix 2020 Ölsand
Ölsand
(Bergbau) (in situ)
(Bergbau) (in situ)
(Bergbau) (in situ)
Referenzfahrzeug‐Otto
PHEV‐Otto (40km Reichweite)
Referenzfahrzeug‐Diesel
CtL*
* ohne CO2‐Abscheidung und ‐Speicherung IFEU 2013
23
Abb. 32: Umweltbilanz des PHEV-40 und von Referenzfahrzeugen unter Berücksichtigung verschiedener Bereitstellungsketten für fossilen Kraftstoff
23
Angesetzt wurde der PHEV mit einer Lebensfahrleistung von 150.000 km, 40 km Reichweite und
Lademöglichkeit nach jedem Weg.
Seite 50
6
IFEU-Institut
Perspektive der Elektromobilität in Deutschland 2030
6.1 Marktpotenzial für Elektrofahrzeuge
Das Marktpotenzial für Elektrofahrzeuge wurde im Rahmen der Begleitforschung vom
Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) auf Basis eines Kostenansatzes (TCO
= total cost of ownership) ermittelt. Zusätzlich wurden beschränkende Faktoren wie
Reichweite, Produktionskapazitäten und Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur berücksichtigt. Auf dieser Basis wurden die Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen, differenziert
nach den neuen Antriebskonzepten (BEV, PHEV), den ersetzten Antriebskonzepten (Otto,
Diesel) und Größenklassen (klein, mittel, groß), in drei verschiedenen Marktszenarien
(siehe Tab. 11) ermittelt:



Das „Nischenszenario“ ohne explizite politische Förderung von Elektromobilität
ist gekennzeichnet durch langsame technologische Entwicklung. Der Kaufpreis
von Elektrofahrzeugen bleibt daher hoch, die Marktdurchdringung gering. Im
Energiesektor werden „… ausschließlich bereits heute beschlossene Klimaschutzziele verfolgt“ ([DLR 2011a]).
Das Szenario „Moderate Marktentwicklung“ geht ebenfalls von den bereits heute
beschlossenen Klimaschutzzielen aus, unterstellt jedoch eine deutlich positivere
technologische Entwicklung und eine erweiterte Infrastruktur (z.B. Lademöglichkeiten am Arbeitsplatz).
Das Szenario „Forcierte Durchdringung“ betrachtet zusätzlich größere strukturelle Änderungen, wie z.B. „… die Umsetzung ambitionierter Ausbauziele der Erneuerbaren Energien, große Fortschritte bei Technologien in Verbindung mit der
Elektromobilität sowie staatliche Förderung der Elektromobilität durch Kaufanreize
und veränderte Besteuerung“ ([DLR 2011a]).
Tab. 11: Szenarioparameter für das Marktpotenzial von Elektrofahrzeugen
Nische
Moderate
Entwicklung
Forcierte
Durchdringung
Ladeinfrastruktur
Nur zu Hause
Zu Hause & Arbeitsplatz
(fast) überall
Batteriepreise
268 €2005/kWh
200 €2005/kWh
160 €2005/kWh
keine
keine
2012-2015: 2000-3000 €
2014-2018: 1000-1500 €
Kraftstoffkosten Benzin /
Diesel (€2005 pro Liter)
1,71 / 1,67 €
1,71 / 1,67 €
2,50 / 2,55 €
Dienstwagenbesteuerung
Wie bisher
Egalisierung des geldwerten Vorteils ggü.
konv. Neufahrzeugen
Abschaffung des geldw.
Vorteils, aber Verbot von
Kraftstoffschenkungen24
Wiederverkaufswert Fzg.
niedrig
mittel
Hoch
Spez. Energieverbrauch
hoch
mittel
niedrig
Parameter
Staatliche Förderung
(€ pro Fahrzeug)
Quelle: [DLR 2011a]
IFEU 2013
Dabei stellen die Szenarien „Nische“ und „forcierte Durchdringung“ Rand- bzw. Extremszenarien dar, während das Szenario „moderate Marktentwicklung“ für eine mögliche mittlere Entwicklung steht. Während der Neuzulassungsanteil der Elektrofahrzeuge im Nischenszenario bis 2030 bei unter 1 % bleibt, steigt dieser im Szenario der moderaten
24
Verbot des Treibstoffkaufs durch den Arbeitgeber bei privat genutzten Dienstwagen
IFEU-Institut
Seite 51
Marktentwicklung bis 2030 auf fast 50 % an, im Szenario der forcierten Durchdringung
sogar auf fast 90 %. Dabei dominieren die Plug-In-Hybride, während der Anteil der rein
batterieelektrische Fahrzeuge an den Neuzulassungen der gesamten Elektrofahrzeugen
sowohl im moderaten, als auch forcierten Szenario bei unter 10 % bleibt.
Für die perspektivische Betrachtung der Umweltauswirkungen von Elektromobilität in
Deutschland wurden die Neuzulassungszahlen in das ‚Transport Emission Model‘ (TREMOD) des IFEU implementiert und mit den dort hinterlegten Szenarioannahmen für die
Gesamtentwicklung des Straßenverkehrs in Deutschland sowie weiteren Annahmen für
Elektrofahrzeuge verknüpft (siehe Abschnitt 10.4). Die Bestandsentwicklung stellt sich für
Elektrofahrzeuge damit wie in Abb. 33 dar: Während der Bestand an Elektrofahrzeugen in
2030 mit etwa 200.000 Fahrzeugen im Nischenszenario vernachlässigbar klein bleibt,
steigt dieser bei moderater Marktentwicklung auf gut 9 Millionen, bei forcierter Durchdringung sogar auf fast 22 Millionen Fahrzeuge an.
In beiden Fällen dominiert der Bestand der Plug-In-Hybridfahrzeuge (gestrichelte Linie in
Abb. 33). Damit kommt der Frage nach dem elektrischen Fahrstreckenanteil der Plug-InHybride eine Schlüsselbedeutung bei der Umweltbewertung zu. Das Ziel der Bundesregierung ([Bundesregierung 2009]), bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen zu bringen, wird im Nischenszenario deutlich verfehlt und auch bei moderater Marktentwicklung erst 2022 erreicht. Dagegen wird hier das Ziel von 6 Millionen Fahrzeugen bis 2030 mit über 9 Millionen Elektrofahrzeugen sogar deutlich übertroffen. Die
dynamische Marktentwicklung entfaltet sich in den betrachteten Szenarien also erst nach
2020, so dass nur bei politisch forcierter Marktdurchdringung bereits 2020 die Marke von
1 Million Elektrofahrzeugen erreicht wird. Auch eine spürbare Umweltentlastung wird damit erst nach 2020 eintreten und 2030 einen relevanten Effekt beisteuern können.
10
Millionen Elektrofahrzeuge
9
8
7
Nischenszenario
PHEV (Nische)
moderate Marktentwicklung
PHEV (moderat)
forcierten Durchdringung
PHEV(forciert)
6
5
4
BEV
3
PHEV
2
1
0
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
Quelle: Berechnung mit TREMOD ([IFEU 2012a]) auf Basis von [IFEU 2012b] und [DLR 2012b]
Abb. 33: Bestandsentwicklung von Elektro-Pkw in Deutschland
2030
IFEU 2013
Seite 52
IFEU-Institut
6.2 Potenziale der Luftreinhaltung
Bei den Schadstoffemissionen ist bereits im rein konventionellen Szenario (nur Fahrzeuge
mit Verbrennungsmotor) ein deutlicher Rückgang zu erwarten. So gehen die NOxEmissionen zwischen 2012 und 2022 um mehr als die Hälfte zurück (siehe Abb. 34).
Grund ist die steigende Verbreitung von Fahrzeugen nach den strengeren Euro-6Grenzwerten im Bestand. Erst nach 2022 kann auch Elektromobilität zu einer darüber
hinausgehenden Reduktion relevant beitragen. 2030 lägen unter den für den elektrischen
Fahranteil getroffenen Annahmen (siehe Abschnitt 10.4) die direkten NOx-Emissionen gegenüber dem konventionellen Szenario bei moderater Marktentwicklung 33 % niedriger.
Bei forcierter Marktentwicklung würden die direkten NOx-Emissionen gegenüber dem
konventionellen Szenario sogar mehr als halbiert.
250
kt direkte NOx‐Emissionen 200
150
100
Konventionell
50
‐ 33 %
‐ 53%
0
2012
9
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
kt direkte Partikelemissionen 8
7
6
5
4
Konventionell
3
2
‐ 23 %
‐ 36%
1
0
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
IFEU 2013
Abb. 34: Entwicklung der NOx- und Partikelemissionen des Pkw-Verkehrs in Deutschland
Der relativ hohe NOx-Rückgang durch Elektrofahrzeuge geht auf den überproportional
hohen Anteil an Diesel-Pkw zurück, die in den Marktszenarien nach [DLR 2012b] durch
Elektrofahrzeuge ersetzt werden. Bei den Partikelemissionen ist der Emissionsrückgang
IFEU-Institut
Seite 53
im Straßenverkehr im konventionellen Szenario noch deutlicher. Die zwar in relativer Betrachtung relevante zusätzliche Minderung durch Elektromobilität (23 % im moderaten und
36 % im forcierten Szenario) fällt in absoluter Höhe 2030 damit wahrscheinlich zu gering
aus um für die Schadstoffbelastung von Bedeutung zu sein.
So findet die zusätzliche Minderung an lokalen Schadstoffemissionen durch Elektromobilität allgemein bereits auf recht niedrigem Niveau statt. Elektromobilität kann zu den aktuellen Problemen der Luftreinhaltung daher wahrscheinlich wenig beitragen. Langfristig ist
nur bei den NOx-Emissionen ein relevanter zusätzlicher Beitrag zu erwarten.
6.3 Endenergieverbrauch und direkte CO2-Emissionen
Eine wichtige umweltpolitische Motivation der Einführung von Elektrofahrzeugen ist die
Reduktion der Treibhausgasemissionen. In der Nutzungsphase kommt hier einerseits der
energieeffiziente Antriebsstrang zum Tragen, andererseits die Möglichkeit zur Nutzung
von erneuerbaren Energiequellen. Neben einer vollständigen Vermeidung der direkten
CO2-Emissionen ist mit dem elektrischen Antrieb dabei auch eine deutliche Minderung
des Endenergieverbrauchs verbunden.
Unter den für den elektrischen Fahranteil getroffenen Annahmen (siehe Abschnitt 10.4)
zeigt sich für die Pkw in Deutschland im Szenario der moderaten Marktentwicklung 2030
ein um 13 % niedrigerer Endenergieverbrauch im Vergleich zum rein konventionellen
Szenario und im Szenario der forcierten Durchdringung eine Absenkung um 19 %. Damit
kann Elektromobilität auch zur Erreichung von verkehrsspezifischen Endenergiezielen der
Bundesregierung beitragen. Für einen relevanten Beitrag zur Erreichung des Ziels für
2020 (10 % Minderung gegenüber 2005 nach [Bundesregierung 2010]) kommt die Elektromobilität allerdings zu spät (siehe Abb. 35), denn erst nach 2020 steigt die Zahl der
Elektrofahrzeuge deutlich.
2500
PJ Endenergie
Ziel Verkehr: ‐10% bis 2020 (gegenüber 2005)
1500
Ziel Verkehr: ‐40% bis 2050 (gegenüber 2005)
Straßengüterverkehr
Straßenverkehr konventionell
moderate Marktentwicklung E‐Pkw
forcierte Durchdringung E‐Pkw
Güterverkehr
1000
Personenverkehr
2000
500
0
2005
2010
2015
2020
2025
2030
IFEU 2013
Abb. 35: Entwicklung des Endenergieverbrauchs im Straßenverkehr in Deutschland
Vor dem Hintergrund der nach 2020 erwarteten dynamischen Entwicklung könnten Elektrofahrzeuge jedoch einen relevanten Beitrag zur Erreichung des Langfristziels von 40 %
Minderung des Endenergieverbrauchs im Verkehr bis 2050 leisten. Aufgrund der mit
Elektrofahrzeugen verbundenen deutlichen Verschiebung des Energieaufwands in den
Seite 54
IFEU-Institut
Stromsektor, ist die Definition eines Endenergieziels am Fahrzeug jedoch grundsätzlich in
Frage zu stellen (siehe hierzu auch Abschnitt 7.2.2).
In den Szenarien bleibt Elektromobilität bisher weitgehend auf den Personenverkehr beschränkt. Hier geht der Endenergieverbrauch auf der Straße bereits seit etwa 2000 leicht
zurück. Im Güterverkehr steigt der Endenergieverbrauch im TREMOD-Szenario dagegen
weiter an, was auch die Erreichung zukünftiger Ziele gefährden könnte. Hier fehlt es insbesondere im Fernverkehr noch an energieeffizienten Alternativen auf Basis erneuerbarer
Energiequellen. Neben Brennstoffzellen-Lkw werden auch Oberleitungs-Hybrid-Busse
diskutiert (siehe [Siemens 2012]). Diese sind aber nicht Bestandteil der vorliegenden Untersuchung.
Der Rückgang des Endenergieverbrauchs im Straßenverkehr ist mit einem Rückgang des
Rohölbedarfs verbunden (siehe Abb. 36). So werden im Szenario der moderaten Marktentwicklung 2030 etwa 6,4 Mt und im Szenario der forcierten Durchdringung etwa 40 Mt
Rohöl eingespart (siehe Abb. 36). Das entspricht nahezu 7 % bzw. 11 % der Rohöleinfuhren nach Deutschland in 2012 ([BAFA 2013]).
40
Rohölbedarf (Mt)
30
‐ 6,4 Mt
(‐ 25%)
20
‐ 10 Mt
(‐ 40%)
Konventionell
10
0
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
Quelle: Berechnung mit TREMOD ([IFEU 2012a]) auf Basis von [IFEU 2012b],
[DLR 2012b] und [Ecoinvent 2008]
2028
2030
IFEU 2013
Abb. 36: Entwicklung des Rohölbedarfs von Pkw in Deutschland
Die direkten Treibhausgasemissionen des Straßenverkehrs gehen durch die Einführung
von Elektrofahrzeugen noch deutlicher zurück als der Endenergieverbrauch, da deren direkte Emissionen im Elektrobetrieb vollständig vermieden werden. Bei moderater Marktentwicklung beträgt der Rückgang bis 2030 26 %, bei forcierter Durchdringung sogar
40 %.
IFEU-Institut
120.000
Seite 55
kt direkte CO2‐Emissionen
100.000
80.000
‐ 26 %
60.000
Konventionell
40.000
‐ 40 %
20.000
0
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
IFEU 2013
Abb. 37: Entwicklung der direkten CO2-Emissionen von Pkw in Deutschland
Die tatsächlich realisierte Gesamtminderung der Treibhausgasemissionen durch Elektrofahrzeuge hängt darüber hinaus von der zukünftigen Strombereitstellung für Elektrofahrzeuge ab. Nur bei Nutzung zusätzlicher erneuerbarer Energiequellen für Elektrofahrzeuge
werden die oben dargestellten CO2-Minderungen nahezu auch über die gesamte energetische Bereitstellungskette realisiert. Der tatsächlich für die ‚Betankung‘ von Elektrofahrzeugen anzurechnende Strommix ist jedoch auch von Wechselwirkungen zwischen Fahrzeugflotte und Stromwirtschaft abhängig.
6.4 Zukünftige Strombereitstellung für Elektrofahrzeuge
Die Einführung der Elektromobilität ist auf der einen Seite mit einer Reduktion des Endenergieverbrauchs im Verkehr verbunden, geht aber auch mit einer Verlagerung der
Energiebereitstellung hin zum Stromsektor einher. Die daraus resultierende zusätzliche
Stromnachfrage führt perspektivisch (2030) zu relevanten Wechselwirkungen mit der
Stromwirtschaft, sowohl langfristig hinsichtlich der Entwicklung des Kraftwerksparks (siehe 6.4.1) als auch kurzfristig über den konkreten Bereitstellungsmix (siehe 6.4.2).
Im Strombereich existiert keine direkte physische Kopplung zwischen erzeugtem und
verwendetem Strom, wie z.B. bei Kraftstoffen. Die Betrachtung eines Ladestrommixes ist
daher vor allem eine Frage der Anrechnung im Sinne von Ursache und Wirkung.
Bei Elektrofahrzeugen handelt es sich um einen neuen – also zusätzlichen – Stromverbraucher. So lange nur wenige Elektrofahrzeuge genutzt werden, kann der Einfluss auf
die Zusammensetzung der Stromerzeugung vernachlässigt werden, wie in der Betrachtung des Flottenversuchs und der Serienfahrzeuge 2020. Steigt der zusätzliche Stromverbrauch, müssen entweder neue Kraftwerke gebaut werden oder es gelangen Kraftwerke
zum Einsatz, die sonst nicht zur Stromerzeugung herangezogen worden wären. Diese
sogenannten „marginalen Kraftwerke“ (oder Grenzkraftwerke) können beispielsweise ältere Steinkohlekraftwerke oder auch neue effiziente Gaskraftwerke sein. Zusätzlich haben
Ladestrategien Einfluss auf die zeitliche Abnahme des Stroms.
Neben dem durchschnittlichen deutschen Strommix wird für das Bezugsjahr 2030 daher
auch der Strommix des zusätzlichen Strombedarfs durch Elektroautos betrachtet (‚Margi-
Seite 56
IFEU-Institut
nalbetrachtung‘). Um diesen „Ladestrommix“, also den Kraftwerkspark, der zur Betankung
von Elektrofahrzeugen unter sonst gleichen Bedingungen tatsächlich in Anspruch genommen wird, zu quantifizieren, wurden im Rahmen des Projektes verschiedene Modelle
miteinander gekoppelt, konkret ein lang- und ein kurzfristiges energiewirtschaftliches Modell (PERSEUS ([Rosen 2008]) und PowerACE ([Sensfuss 2008])). Damit wurden sowohl
langfristige strukturelle Änderungen im Kraftwerkspark als auch kurzfristige Markteinflüsse
für die verschiedenen Szenarien modelltechnisch berücksichtigt. Die Kostenpotenziale für
erneuerbare Energie, die in das Optimierungsmodell PERSEUS eingehen, wurden im
Rahmen des Projektes vom DLR Stuttgart in einem Unterauftrag ermittelt ([DLR 2011b])
und für alle Szenarien gleich angesetzt. Variiert werden in den Szenarien dagegen die
Rohstoffpreise, die politischen EE-Ausbau- sowie CO2-Reduktionsziele, die Elektrizitätsnachfrage ohne Elektrofahrzeuge sowie Ladesteuerung und Ladeleistung (siehe Tab. 12).
Tab. 12: Szenarioparameter für die Energiebereitstellung
Parameter
Rohstoffpreise nach World
Energy Outlook ([IEA 2010])
Fortschreibung EEAusbauziele nach 2020
EU-CO2-Reduktionsziel/
-Cap
Elektrizitätsnachfrage D
2030 nach ([BMWi 2010])
Ladesteuerung
Ladeleistung
Nische
Moderate
Entwicklung
Current Policies Scenario
25
Moderat (~ 50 %
-20 %
EE in 2030)
Forcierte
Durchdringung
New Policies Scenario
Ambitioniert
(~ 60 % EE in 2030)
-20 %
Referenzszenario (495 TWh)
-30 %
Szenario IIA (461 TWh)
Ungesteuert
DSM
DSM+V2G
Haushaltsteckdose (~3,5 kW)
Drehstrom
(~10,5 kW)
Schnell(st)ladung
(≥ 60 kW)
Quelle: [DLR 2011a]
IFEU 2013
6.4.1 Zusätzlicher Strombedarf und Auswirkungen auf den Kraftwerkspark
Die zusätzliche Stromnachfrage durch Elektromobilität steigt nach 2020 im Szenario der
moderaten Marktentwicklung und forcierten Durchdringung deutlich an. 2030 beträgt die
zusätzliche Stromnachfrage bei moderater Marktentwicklung mit 34 TWh fast 7 % der Gesamtlast von 495 TWh im Referenzszenario und bei forcierter Marktdurchdringung mit
53 TWh über 11 % der Gesamtlast von 461 TWh im Referenzszenario.
Die Auswirkungen der Einführung von Elektromobilität auf die Investitionsentscheidungen
im Kraftwerkspark bis 2030 wurden über Modellrechnungen mit dem am KIT ‚Institut für
Industriebetriebslehre und Industrielle Produktion‘ (IIP) entwickelten Energiemodell PERSEUS ermittelt. Europaweit wurde im Szenario der moderaten Marktentwicklung eine zusätzliche Stromnachfrage durch Elektrofahrzeuge in Höhe von fast 400 TWh, im Szenario
der forcierten Durchdringung von etwa 470 TWh angenommen ([IIP 2012]), das entspricht
gut 10 % bzw. gut 12 % der Bruttostromnachfrage in der EU. Die Energierohstoffpreise
sind in Anlehnung an den ‚World Energy Outlook 2010‘ ([IEA 2010]) definiert. Damit
kommt es in Europa nach [IIP 2012] bis 2030 zu einem Zubau von Gaskraftwerken und
Anlagen zur Erzeugung erneuerbar Energien. Im Szenario der moderaten Marktentwicklung wird auch die Kernenergie- und Steinkohlekapazität ausgebaut.
25
Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch in Deutschland [%]
IFEU-Institut
60
Seite 57
TWh Strombedarf
50
40
30
Nische
20
10
0
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
IFEU 2013
Abb. 38: Strombedarf von Elektro-Pkw in verschiedenen Marktszenarien
In Deutschland entwickelt sich der Kraftwerkspark in den Szenarien stärker in Richtung
erneuerbarer Energien (siehe Abb. 39). Neue fossile Kapazitäten sind ausschließlich
Gaskraftwerke, während der Ausstieg aus der Kernenergie gemäß Ausstiegsbeschluss
vollzogen wird und die Leistung der Kohlekraftwerke trotz zusätzlicher Nachfrage durch
Elektrofahrzeuge stark zurückgeht. Insbesondere die installierte Leistung der Windkraftanlagen (on- und off-shore) steigt in dem Szenario mit moderater Marktentwicklung der
Elektromobilität von heute knapp 30 GW auf nahezu 100 GW im Jahr 2030. Bei forcierter
Marktdurchdringung von Elektrofahrzeugen kommt es zu einem weiteren Ausbau. Im zusätzlich berechneten Szenario der forcierten Marktentwicklung mit gleichzeitigem Zubau
erneuerbarer Kapazitäten in Höhe der zusätzlichen Stromnachfrage durch Elektrofahrzeuge (EE-Zubau) werden neben zusätzlichen Windkraftanlagen auch Photovoltaikkraftwerke zugebaut.
Einen wesentlichen Einfluss auf den Erzeugungsmix haben über den Kraftwerkspark hinaus die CO2-Zertifikatspreise, die sich aus den Modellrechnungen mit Perseus ergeben
und in die Erzeugungsmixe des folgenden Abschnitts als vorgegebene Größe einfließen.
Die Modellrechnungen mit Perseus berücksichtigen dabei sowohl die europäischen Klimaschutzziele nach EU-Direktive 2009/29/EC als auch den Ausstieg aus der Kernenergie.
Die Zertifikatspreise steigen unter diesen Randbedingungen bis 2030 im moderaten Szenario auf knapp 60 € pro Tonne CO2, bei der forcierten Entwicklung sogar auf fast 70 €
pro Tonne CO2 ([IIP 2012]). Insgesamt hat die Entwicklung der Elektromobilität dabei nur
einen geringen Einfluss auf die Entwicklung der Zertifikatspreise ([IIP 2012]), jedoch einen
deutlichen Einfluss auf den Erzeugungsmix (siehe Abschnitt 6.4.2). Vor dem Hintergrund
der aktuell sehr niedrigen Zertifikatspreise und der noch unsicheren politischen Entwicklung wurde für den Erzeugungsmix der moderaten Marktentwicklung ein Zertifikatspreis
von 45 € pro Tonne als Sensitivität betrachtet.
Seite 58
Quelle: Auswertung von [ISI 2012]
IFEU-Institut
IFEU 2013
Abb. 39: Entwicklung des Kraftwerksparks in Deutschland in verschiedenen Szenarien
6.4.2 Auswirkungen der Elektromobilität auf die Betriebsweise des Kraftwerksparks
Ausgehend von den durch die EE-Ausbauziele vorgegebenen und von PERSEUS optimierten Berechnungen für den Bestand an Kraftwerken muss in einem zweiten Schritt untersucht werden, wie sich der zeitaufgelöste zusätzliche Strombedarf für Elektromobilität
auf die Betriebsweise und die Auslastung der Kraftwerke in Deutschland auswirkt. Dies
wurde mit dem Modell PowerACE des Fraunhofer ISI durchgeführt.
Eine stündlich aufgelöste Grenzkostenbetrachtung des Kraftwerksparks sowie die Einspeisung von erneuerbaren Energien wurden für drei verschiedene Ladestrategien betrachtet:

Tanken nach dem letzten Weg: Ein Szenario, in dem die Fahrzeuge unmittelbar
und ohne weitere Steuerung nach ihrem letzten Weg, also beispielsweise abends
nach der Heimkehr, aufgeladen werden (Szenario „Letzter Weg“).

Demand Side Management (DSM): Ein Szenario mit Lastmanagementanreiz, der
sich an den Börsenpreisen orientiert. Dadurch werden Ladevorgänge verstetigt
und in Zeiten verlagert, in denen z.B. das Windenergieangebot besonders hoch
und die Stromnachfrage gering ist (Szenario „DSM“).

Vehicle to Grid (V2G): Ein Szenario in dem Elektrofahrzeuge nicht nur flexibel laden, sondern auch zur Pufferung von Lastspitzen dienen. Der Strom kann dann
bei Bedarf wieder ins Netz zurück gespeist werden (Szenario „V2G“).

Erneuerbare Energien (EE): Ein Szenario, in dem zusätzlich zum Lastmanagement und/oder Rückspeisemöglichkeit so viel erneuerbare Energiekapazität zugebaut wird, wie für die jährliche Erzeugung an Fahrstrom erforderlich ist (Szenario
„DSM+EE“ bzw. „V2G+EE“).
IFEU-Institut
Seite 59
Werden die Elektrofahrzeuge im Szenario der moderaten Marktentwicklung ohne jede
weitere Steuerung direkt nach dem letzten Weg geladen, steigt insbesondere der Anteil
moderner Gaskraftwerke am Erzeugungsmix auf Kosten der erneuerbaren Energiequellen
(„Letzter Weg“ in Abb. 40). Dies zeigt sich besonders deutlich im Marginalmix, also dem
Strommix, der konkret der ‚Betankung‘ von Elektrofahrzeugen zugeordnet werden kann,
wenn man annimmt, dass diese unter sonst gleichen Bedingungen als zusätzliches
Marktsegment dazu stoßen. Der Durchschnittsmix, also die Stromerzeugung des Kraftwerksparks im Jahresdurchschnitt, ist deutlich weniger abhängig davon. Der zusätzliche
Erzeugungsanteil moderner Gas und Dampfkraftwerke beträgt bei Betankung nach dem
letzten Weg etwa 66 %.
Bei den sehr hoch angenommen Zertifikatspreisen von knapp 60 € bleibt dieser Anteil bei
einem Lastmanagement (DSM) etwa konstant, zusätzlich wird der Anteil der Gasturbinen
zugunsten der Stromerzeugung in modernen Steinkohlekraftwerken zurückgefahren. Liegt
der Zertifikatspreis jedoch niedriger, eine Perspektive die aus heutiger Sicht wahrscheinlich erscheint, werden durch das Lastmanagement vor allem ältere Braunkohlekraftwerke
stärker ausgelastet (siehe „DSM-45“ in Abb. 40). Parallel steigt durch das Lastmanagement in beiden Fällen die Einbindung überschüssiger erneuerbarer Energien von 5 % auf
fast 10 %. Zusätzlich wird die Spitzenlast um etwa 12 GW reduziert.
Differenz ggü. Referenz
100%
Integration von EE‐Strom
90%
80%
Geothermie
Biogas
EE
70%
50%
66%
60%
Biomasse
Wasser
Wind (off‐shore)
67%
Wind (on‐shore)
50%
Photovoltaik
MVA
40%
12%
30%
16%
GuD modern
15%
16%
GuD mittel
11%
Gasturbine
20%
Braunkohle (modern)
Braunkohle (alt)
10%
Steinkohle (modern)
Steinkohle (alt)
0%
Leistung
(kW)
Kapazität
Referenz Letzter Weg DSM‐60*
Durchschnittsmix (kWh)
DSM‐45* Letzter Weg DSM‐60*
DSM‐45*
Marginalmix (kWh)
* Zertifikatspreis jeweils 60 € oder 45 € pro Tonne CO2
IFEU 2013
26
Abb. 40: Durchschnitts- und Marginalmix
für Elektrofahrzeuge bei moderater Marktentwicklung
Bei forcierter Marktdurchdringung der Elektromobilität kommt es mit Lastmanagement neben einer höheren Auslastung moderner Gaskraftwerke auch zu einer höheren Auslastung moderner Steinkohlekraftwerke. Weiterführende Systemdienstleistungen wie Rück-
26
Marginalmix = Differenz zwischen dem Erzeugungsmix der Elektromobilitätsszenarien und dem
Referenzfall ohne Elektromobilität
Seite 60
IFEU-Institut
speisung (Vehicle-to-Grid = V2G) haben auf den Bereitstellungsmix nur einen geringen
Einfluss. Durch die weitere Verstetigung der Strombereitstellung kann der mit hohen variablen Kosten verbundene Einsatz von Gasturbinen reduziert werden, dies zeigt sich wieder deutlich im Marginalmix.
Der Anteil des zusätzlich integrierten erneuerbaren Stroms liegt mit etwa 20 % deutlich
höher als bei moderater Marktentwicklung und steigt durch Rückspeisungsmöglichkeit sogar noch etwas an. Durch den angenommenen Rückgang der Elektrizitätsnachfrage (siehe Tab. 12) bei gleichzeitigem Ausbau der erneuerbaren Erzeugungskapazitäten werden
im Referenzszenario der forcierten Durchdringung 2030 gut 20 TWh EE-Strom abgeregelt, etwa doppelt so viel wie bei moderater Marktentwicklung. Dieser Strom kann dann
durch die nahezu flächendeckende Ladeinfrastruktur von Elektrofahrzeugen fast zur Hälfte genutzt werden.
Durch Zubau von zusätzlicher erneuerbarer Erzeugungskapazität in Höhe des Strombedarfs von Elektrofahrzeugen (EE-Zubau) steigt der erneuerbare Anteil am marginalen Ladestrommix auf über 80 %: Die Elektromobilitätsnachfrage von 53,3 TWh wird beim intelligenten Laden durch 44,5 TWh und beim intelligenten Laden inklusive Rückspeisung
(54,2 TWh Nachfrage) durch 48,3 TWh an regenerativer Elektrizität gedeckt ([ISI 2012]).
Dabei kommt es auch zu einer geringfügig niedrigeren Auslastung der Steinkohlekraftwerke.
IFEU 2013
27
Abb. 41: Durchschnitts- und Marginalmix
für Elektrofahrzeuge bei forcierter Markentwicklung 28
27
Marginalmix = Differenz zwischen dem Erzeugungsmix der Elektromobilitätsszenarien und dem
Referenzfall ohne Elektromobilität
28
EE-Zubau bedeutet, dass EE-Anlagen in Höhe des zusätzlichen Strombedarfs durch Elektromobilität zugebaut werden
IFEU-Institut
Seite 61
Die Klimawirkung der Strombereitstellung in den verschiedenen Szenarien ist sowohl für
den Erzeugungsmix, als auch für den Marginalmix in Abb. 42 dargestellt. Während die Kilowattstunde in Deutschland erzeugten Stroms heute noch mit etwa 600 g CO2Äquivalenten verbunden ist, halbiert sich diese Klimawirkung bis 2030 im Referenzszenario der moderaten Marktentwicklung nahezu. Dies liegt an dem starken Ausbau der erneuerbaren Energien, die im Referenzszenario 2030 für gut 60 % des erzeugten Stroms
verantwortlich sind. Gleichzeitig kommt es zu einer Verschiebung der fossilen Stromerzeugung von Kohle zu Gas. Die zusätzliche Stromnachfrage durch Elektromobilität muss
dann jedoch zum großen Teil durch fossile Kapazitäten (insbesondere Gas) gedeckt werden, so dass die durchschnittliche Klimawirkung des Erzeugungsmix in Deutschland
durch Elektrofahrzeuge leicht ansteigt. Dies zeigt sich besonders deutlich im Marginalmix
aller Szenarien.
Das Lastmanagement (DSM) bringt gegenüber dem Laden nach dem letzten Weg trotz
der Integration von bisher überschüssigem erneuerbaren Stroms nur eine geringfügige
Verbesserung, weil gleichzeitig mehr Kohlekraftwerke mit niedrigen variablen Kosten zum
Einsatz kommen. Bei niedrigeren Zertifikatspreisen (DSM-45) wirkt sich das Lastmanagement sogar deutlich negativ aus. Durch die niedrigeren Zertifikatspreise kommt es
hier durch das Lastmanagement zu einer höheren Auslastung auch älterer Braunkohlekraftwerke. Die Klimawirkung des für die Elektrofahrzeuge zusätzlich erzeugten Stroms
liegt dann mit gut 600 g CO2-Äquivalenten pro kWh ähnlich hoch wie heute.
100
200
300
400
500
600
2012
0
622
Mix
314
Letzter Weg
325
DSM
324
DSM‐45*
Marginal
Referenz
g CO2‐Äquivalente pro kWh
336
Letzter Weg
477
DSM
453
DSM‐45*
602
Mix
Referenz
211
DSM
241
V2G
237
DSM
Marginal
700
514
V2G
470
DSM+EE
V2G+EE
114
68
Quelle: eLCAr Rechnung auf Basis von [ISI 2012]
IFEU 2013
Abb. 42: Klimawirkung der Strombereitstellung als durchschnittlicher Mix für Deutschland und als
Marginalbetrachtung für Elektrofahrzeuge in verschiedenen Szenarien
Im Szenario der forcierten Durchdringung liegt der Anteil von EE-Strom sogar bei über
67 %, die durchschnittliche Klimawirkung der Stromerzeugung ist daher mit 211 g CO2Äquivalenten im Referenzszenario niedriger als bei der moderaten Marktentwicklung.
Seite 62
IFEU-Institut
Durch Einführung der Elektromobilität werden einerseits erhebliche Mengen überschüssigen EE-Stroms integriert, es verdoppelt sich aber auch der Anteil des Stroms aus Steinund Braunkohle. Durch Rückspeisung (V2G) kann die Auslastung von Gasturbinen zwar
gesenkt und die Integration überschüssigen EE-Stroms noch einmal verbessert werden,
die Klimawirkung liegt jedoch im Marginalmix mehr als doppelt so hoch wie im Referenzfall.
Durch Zubau von zusätzlicher erneuerbarer Erzeugungskapazität in Höhe des Strombedarfs von Elektrofahrzeugen sinkt die Klimawirkung auch im Marginalmix deutlich (siehe
Abb. 42 (DSM+EE und V2G+EE), denn dieser EE-Strom kann dann auch konkret den
Elektrofahrzeugen zugeordnet werden.
6.4.3 Zukünftige Klimabilanz der Pkw-Mobilität in Deutschland
Verknüpft man die marginalen Erzeugungsmixe für Elektromobilität mit den Verkehrsszenarien der Markteinführung (siehe 10.4), zeigen sich fast durchwegs Vorteile für die Elektromobilitätsszenarien. In den Szenarien werden dabei nur die mit der Nutzung zusammenhängenden direkten (Auspuff) und indirekten (Energiebereitstellung) CO2-Emissionen
berücksichtigt. Die Fahrzeugherstellung bleibt in diesen Szenarien noch unberücksichtigt.
Hatte der Pkw-Verkehr in Deutschland 2012 noch primäre CO2-Emissionen (Well-toWheel, also inklusive Emissionen der Energiebereitstellung) in Höhe fast 120 Mt, wird
auch im konventionellen Szenario bis 2030 ein Rückgang auf etwa 80 Mt pro Jahr erwartet. Verantwortlich dafür sind insbesondere Effizienzverbesserung bei den Otto- und Diesel-Pkw. Im Szenario der moderaten Marktentwicklung können diese Emissionen in den
untersuchten Szenarien um etwa 6 Mt pro Jahr (bei Ladung nach dem letzten Weg bzw.
Lademanagement bei hohen Zertifikatspreisen) reduziert werden. Bei niedrigeren Zertifikatspreisen (DSM-45) zeigt sich dagegen nur eine minimale Reduktion um knapp 1,5 Mt.
Die Emissionen durch die Bereitstellung und den Verbrauch von Otto-Benzin bleiben dabei nahezu unverändert, während es einen Rückgang der Emissionen durch Bereitstellung und Verbrauch von Dieselkraftstoff gibt. Dies liegt daran, dass in den Szenarien zahlreiche Diesel-Pkw durch Plug-In-Hybride mit Otto-Motor ersetzt werden.
Für die forcierte Durchdringung ergeben sich ohne Zubau von zusätzlichen erneuerbaren
Erzeugungskapazitäten Minderungen in einer ähnlichen Größenordnung von etwa 5,5 Mt
CO2 (DSM) und knapp 8 Mt CO2 (V2G) pro Jahr. Wird jedoch erneuerbare Energieerzeugung in Höhe des Strombedarfs von Elektrofahrzeugen zugebaut, fahren Elektrofahrzeuge besonders klimaschonend. Es ergibt sich eine Reduktion der Well-to-Wheel-CO2Emissionen der Pkw in Deutschland um etwa 30 Mt Kohlendioxid pro Jahr.
Es zeigen sich in dieser Well-to-Wheel-Betrachtung also keine Nachteile für die Elektromobilitätsszenarien. Auf der anderen Seite ist die Herstellung von Elektrofahrzeugen mit
relevanten zusätzlichen CO2-Emissionen durch die Batterieherstellung verbunden. Zusätzlich zeigt sich die Sensitivität der Ergebnisse gegenüber dem CO2-Zertifikatspreis.
Liegt dieser noch unter der angenommenen Sensitivität von 45 € pro Tonne CO2 ist ohne
Zubau von Kraftwerken zur Erzeugung erneuerbaren Stroms auch eine negative Klimabilanz der Elektromobilität denkbar.
IFEU-Institut
140.000
Seite 63
kt CO2‐Emissionen (WtW)
Strombereitstellung
120.000
Gas (Direkt + Vorkette)
Diesel (Direkt + Vorkette)
100.000
Benzin (Direkt + Vorkette)
80.000
15.702
‐ 37%
16.525
20.858
28.254
60.000
25.845
6.284
3.738
DSM+EE
V2G+EE
40.000
20.000
0
2012
2030
Konventionell
Letzter Weg
DSM
DSM‐45
Moderate Marktentwicklung
DSM
V2G
Forcierte Durchdringung
IFEU 2013
Abb. 43: Well-to-Wheel-CO2-Emissionen der Pkw-Verkehrs in Deutschland 2030 auf Basis verschiedener marginaler Ladestrommixe für Elektrofahrzeuge
Seite 64
IFEU-Institut
6.5 Perspektivische Umweltbilanz von Elektrofahrzeugen
Für die perspektivische Gesamtbilanz über den Lebensweg werden die Strombereitstellungsdaten mit einem hinsichtlich Fahrzeug- und Batterieeigenschaften (siehe Abschnitt
3) sowie Energieeffizienz (siehe 10.1.3) für 2030 fortgeschriebenen Beispiel-PHEV verknüpft. Die Fahrzeugherstellung berücksichtigt dabei einen Aluminiumleichtbau sowie eine hohe Energiedichte der Batterie von 150 Wh/kg, zusätzlich wurde für die Fertigung der
deutsche Strommix in 2030 angesetzt (siehe Abschnitt 3). Kraftstoff- und Energieverbrauch wurden von IFEU modelliert (siehe Abschnitt 10.1). Beim Verbrennungsmotor
wurde dabei eine weitere Effizienzsteigerung und auch beim konventionellen Beispielfahrzeug eine Hybridisierung unterstellt29. Eine weitere Verbrauchssenkung resultiert für beide
Fahrzeuge durch den Leichtbau. Die Batterie wurde für 40 km Reichweite ausgelegt und
es wurde dementsprechend das Nutzungsmuster aus Abschnitt 5.1 für eine 40 km Reichweite mit einem elektrischen Fahranteil von 72 % und einer Lebenslaufleistung von
150.000 km angenommen.
250
Verbrennungs‐
motor
‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ Plug‐In Hybrid ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐
Marginale Strommixe 2030
Mix 2030
EE‐Ziel
200
‐9%
‐12%
‐45%
‐41%
‐31%
150
Fahrzeugentsorgung
100
Wartung
Strombereitstellung
50
Auspuffemissionen
Fahrzeugherstellung
0
Otto
Diesel
100% EE Letzter
Weg
DSM
DSM‐45*
Referenzfahrzeug PHEV‐Ziel moderate Marktentwicklung
DSM
V2G
DSM+EE V2G+EE Mix 2030
PHEV
IFEU 2013
Abb. 44: Umweltbilanz von Kompaktklasse Referenzfahrzeugen und Plug-In-Hybriden in 2030 mit verschiedenen Strommixen (Lebenslaufleistung 150.000 km)
Das Ziel der Entwicklung ist die Versorgung von Elektroautos mit zusätzlichem Strom aus
erneuerbaren Energieanlagen. Hier sind die Vorteile gegenüber dem Referenzfahrzeug
deutlich, der als Beispiel definierte Plug-In-Hybrid liegt in der Klimawirkung etwa 45 % unter dem Otto-Referenzfahrzeug und immer noch etwa 36 % unter dem DieselReferenzfahrzeug.
Als Ergebnis der Grenzbetrachtung hängt die Ökobilanz jedoch davon ab, ob lediglich intelligent geladen wird und damit erneuerbarer Überschussstrom eingesetzt wird (moderate Marktentwicklung), oder ob auf zusätzliche Kapazität aus erneuerbaren Energieanlagen
zurückgegriffen werden kann (EE-Szenarien im Szenario der forcierten Durchdringung).
Ohne Zubau erneuerbarer Energieanlagen zeigen sich durch die höhere Auslastung fossiler Kraftwerke deutlich geringere Vorteile gegenüber dem Otto-Pkw und tendenziell sogar
29
Konventionelle Hybridfahrzeuge (also solche ohne Möglichkeit zur Betankung aus dem Stromnetz) waren kein Fokus des Projektes. Die Hybridisierung wurde hier daher in der Fahrzeugherstellung nur überschlägig mit einem Elektromotor und einer Batterie mit 1,3 kWh berücksichtigt.
IFEU-Institut
Seite 65
Nachteile gegenüber dem Diesel-Pkw. Im moderaten Szenario verschwindet der Klimavorteil mit einem Lastmanagement bei niedrigem Zertifikatspreis (DSM-45) fast vollständig. Deutliche Vorteile ergeben sich erst für die Szenarien mit einem Zubau erneuerbarer
Erzeugungskapazitäten (DSM+EE und V2G+EE). Hier wird das Ziel der vollständig erneuerbaren Elektromobilität fast erreicht, der Vorteil gegenüber dem OttoReferenzfahrzeug beträgt dann gut 40 %.
Betrachtet man zum Vergleich die Bilanz unter Berücksichtigung des durchschnittlichen,
im Szenario der forcierten Durchdringung für 2030 ermittelten Strommix, dann zeigt das
PHEV ebenfalls deutliche Vorteile von gut 30 % gegenüber der Otto-Referenz. Langfristig
werden durch die steigenden Anteile erneuerbarer Stromerzeugung die CO2-Emissionen
der Durchschnittsbetrachtung und der Grenzbetrachtung zu niedrigen CO2-Emissionen
konvergieren.
Seite 66
7
IFEU-Institut
Strategische Bewertung der Elektromobilität
Die Einführung von Elektromobilität wird unter anderem aufgrund verschiedener ökologischer und ökonomischer Ziele verfolgt: Zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen
Brennstoffen, des Schadstoffausstoßes und der Lärmemissionen, aber insbesondere
auch zur Verringerung der mit dem Verkehr verbundenen Treibhausgasemissionen.
Die Modellierungsergebnisse haben gezeigt, dass die Versorgung mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen entscheidend für eine eindeutig positive Klimabilanz der Elektromobilität ist. Dabei gibt es schon heute einige Regelungen, die den Einsatz erneuerbarer
Energien in der Elektromobilität fördern oder unterstützen. Außerdem gibt es Wechselwirkungen mit übergreifenden Zielen hinsichtlich der CO2-Emissionen und des Endenergieverbrauchs, ebenso durch die Verknüpfung zwischen Verkehrs- und Stromsektor, die
durch die Elektromobilität entsteht.
7.1 Wechselwirkungen mit aktuellen politischen Instrumenten
7.1.1 Erneuerbare-Energien-Richtlinie
Die europäische Erneuerbare-Energien-Richtlinie 2009/28/EG ([EU 2009a]) gibt ein Ziel
für den Anteil von Endenergie aus erneuerbaren Quellen für alle Verkehrsträger vor, mit
Ausnahme des Luftverkehrs. Danach müssen die Verkehrsträger im Jahr 2020 zehn Prozent ihres Endenergieverbrauchs aus erneuerbaren Quellen decken. Im Verkehr genutzter und erneuerbar erzeugter Strom wird auf das Ziel angerechnet. Elektrofahrzeuge genießen dabei sogar eine besondere Regelung, denn der verbrauchte Strom wird bei der
Anrechnung für die zugeführte Energie aus erneuerbaren Quellen mit dem Faktor 2,5 multipliziert ([EU 2009a]). Außerdem trägt der geringere Endenergieverbrauch von Elektrofahrzeugen im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen zum Endenergieausbauziel der
Richtlinie bei.
Der aus erneuerbaren Energien erzeugte Strom kann in diesem Zusammenhang potentiell sowohl auf das Ziel von erneuerbaren Energien im Verkehrssektor als auch auf das
EEG-Ziel über den Anteil erneuerbar erzeugten Stroms angerechnet werden. [Pehnt
2010] schlug daher vor, dass
a. eine Übererfüllung des EEG-Ziels keine Anpassung in anderen Sektoren hervorrufen sollte und
b. auf sogenannte „statistischen Transfers“ nach der EE-Richtlinie verzichtet wird.
Die zuletzt genannten Transfers erlauben es Mitgliedsstaaten, die ihre nationalen Ziele
übererfüllt haben, die über das Ziel hinausgehenden Mengen zur Anrechnung an ein anderes Land zu verkaufen. Als Lösung schlägt [Pehnt 2010] vor, dass die EEStrommengen, die für die Elektromobilität genutzt werden, nur für das Ziel der Verkehrsträger, nicht aber für das EEG oder für das Endenergieziel der EE-Richtlinie angerechnet
werden dürfen. Daraus würde eine faktische Selbstverpflichtung Deutschlands resultieren,
das EEG-Ziel um die von Elektroautos benötigten Strommengen zu überschreiten.
7.1.2 Emissionshandel
Die zukünftige Ausgestaltung des Emissionshandels ist derzeit angesichts der zusammenbrechenden Zertifikatspreise Gegenstand grundsätzlicher Diskussionen. Unterschiedliche Strategien zur Belebung des Emissionshandels werden diskutiert. Neben der Einfüh-
IFEU-Institut
Seite 67
rung einer generellen Stromsteuer wird auch das sogenannte „Backloading“ in Betracht
gezogen. Gemeint ist eine Absenkung der Gesamtmengen durch Erhöhung der Treibhausgas-Reduktionsziele, Berücksichtigung von niedrigem Wirtschaftswachstum, Effizienzmaßnahmen und dem Ausbau erneuerbarer Energien. Vor diesem Hintergrund ist eine Bewertung der zukünftigen Wirkungen des Emissionshandels auf Elektromobilität nicht
möglich.
Elektromobilität „verwischt“ aber auf jeden Fall die Grenzen zwischen Emissionen des
Verkehrssektors und der Energiewirtschaft. Die CO2-Emissionen der Stromerzeugung
sind durch die Emissionsobergrenze (Cap) langfristig festgelegt. Erzeugen nun Elektroautos eine zusätzliche Stromnachfrage, so steigen die Zertifikatspreise und damit auch der
finanzielle Anreiz, in den vom Emissionshandel abgedeckten Bereichen die Treibhausgasemissionen zu mindern. Insofern erzeugt der zusätzlich für die Elektromobilität bereitgestellte Strom – eine vollständige Funktionstüchtigkeit des Emissionshandels vorausgesetzt – keine weiteren Emissionen, die über das Cap hinausgehen. Bei steigenden Zertifikatspreisen ist jedoch mit politischen Interventionen zu rechnen, die eine Erhöhung des
Caps um die aus dem Verkehrssektor verschobenen Emissionen verlangen.
Hinzu kommen die als Emissionsminderung bis zu einem gewissen Anteil anerkannten
flexiblen Mechanismen, wie Projekte in Entwicklungsländern im Rahmen des „Clean Development Mechanism“. Fehlfunktionen dieses Marktsegments führen zu einer weiteren
Aufweichung der derzeitigen Klimaschutzwirkung des Emissionshandels.
7.1.3 CO2-Flottengrenzwerte
Nach der europäischen CO2-Pkw-Verordnung ([EU 2009b]) darf die Neuwagenflotte im
Jahr 2015 im Durchschnitt maximal 130 g CO2/km ausstoßen, Elektroautos werden dabei
grundsätzlich mit 0 g/km angerechnet, unabhängig von ihrer Stromherkunft. Als Konsequenz dürfen die übrigen Fahrzeuge entsprechend mehr CO2 pro Kilometer ausstoßen;
die Hersteller erreichen den Zielwert also mit geringeren Anstrengungen. Diese Regelung
wiegt die Wirkung der Emissionsobergrenze im Stromsektor daher in Teilen wieder auf.
Als weitere Ziele sind für das Jahr 2020 95 g CO2/km für die Neuzulassungen anvisiert, ab
2025 hat sich der Umweltausschuss des EU-Parlaments nun auf einen Vorschlag im Bereich von 68 bis 78 g CO2 pro gefahrenen Kilometer geeinigt ([EU 2013]).
Um diesen Wert zu erreichen sind sogenannte Supercredits geplant, Mehrfachanrechnungen von besonders sauberen Fahrzeugen. So können Fahrzeuge mit unter 50 g CO2
pro km zunächst 3,5fach und ab 2016 immer noch 1,5fach angerechnet werden ([EU
2013]). Damit ist auch ein zusätzlicher Anreiz gegeben Elektrofahrzeuge in den Markt zu
bringen. Erst ab 2024 entfallen diese Supercredits vollständig. Der Erhöhung eines Herstellerspezifischen Grenzwertes durch Supercredits wird dabei jedoch auf maximal 2,5 g
CO2/km beschränkt.
Die vorgesehene Regelung wird von Umweltverbänden kritisch diskutiert ([Euractiv
2013]). Effektiv wird das Ziel von 95 g in 2020 damit auf jeden Fall aufgeweicht, konventionellen Fahrzeugen wird faktisch ein höherer CO2-Ausstoß erlaubt. Auch im Gesamtsystem kommt es dabei kaum zu einer effektiven Minderung der Klimawirkung des Verkehrs,
solange Elektrofahrzeuge nicht mit zusätzlichen erneuerbaren Energien betankt werden.
Vom Öko-Institut wurden die möglichen Wechselwirkungen zwischen Elektromobilität und
Flottengrenzwert im Rahmen einer Extrembetrachtung einer Entwicklung mit und ohne
Elektrofahrzeuge quantifiziert ([Öko-Institut 2011]): Der Endenergiebedarf von konventionellen Pkw läge bei Verrechnung der Elektrofahrzeuge in 2020 1,6 % höher als ohne Be-
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IFEU-Institut
rücksichtigung von Elektrofahrzeugen im Flottengrenzwert und die CO2-Emissionen lägen
dann 1,3 % höher. Das heißt, dass „… bei unveränderten Annahmen zur Ausgestaltung
der europäischen CO2-Emissionsnorm für Pkw-Neuzulassungen […] die Gesamtemissionen des Pkw-Bestands für das Szenario Elektromobilität über denen einer Alternativentwicklung ohne Elektrofahrzeugen liegen könnten“ ([Öko-Institut 2011]).
7.1.4 Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
Erneuerbare Energien müssen bis 2020 mindestens 35 % des Stromverbrauchs decken.
Dieses Ziel setzt das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG). Steigt also der Stromverbrauch durch den breiten Einsatz von Elektroautos, so muss automatisch mehr Strom aus
erneuerbaren Quellen erzeugt werden. Rechnerisch werden somit 2020 mindestens 35 %
des Stromverbrauchs der Elektromobilität aus erneuerbaren Energien bereitgestellt. Auf
der anderen Seite besteht kein Handlungsbedarf für einen zusätzlichen Ausbau der Erneuerbaren, falls die Ziele ohnehin übererfüllt werden. Allerdings sei darauf hingewiesen,
dass das EEG zwar Investitionssicherheit liefert, den Zubau von Erneuerbaren Energien
jedoch nur unscharf steuern kann. Viele Szenarien gehen von einer Übererfüllung des
EEG-Ziels aus, so auch die aktuellen Langfristszenarien der ‚Leitstudie 2011‘ ([DLR et al.
2012). Nicht zuletzt weisen auch die derzeitigen Ausbauziele der Bundesländer in Richtung einer Übererfüllung.
Allerdings lässt sich heute nicht abschätzen, welchen Einfluss die geplante Weiterentwicklung des EEG ausüben wird. Die derzeit diskutierte Strompreissicherung hebelt zumindest
in Teilen das Prinzip der Investitionssicherheit des EEG aus und könnte die Ausbaudynamik empfindlich bremsen. Auch lassen die Schwierigkeiten beim Ausbau der OffshoreWindenergie vermuten, dass der Anteil der auf See erzeugten Windenergie in 2020 deutlich geringer sein wird als in den Szenarien angenommen. Eine Kompensation dieser
Strommengen an Land erfordert jedoch einen kontinuierlichen Ausbau der OnshoreWindenergie in großen Teilen Deutschlands.
IFEU-Institut
Seite 69
7.2 Maßnahmen zur Treibhausgasminderung durch
Elektromobilität
Elektromobilität soll die CO2-Emissionen des Verkehrs senken und den Übergang zu einem auf erneuerbaren Energien beruhendem System erleichtern. Dabei verknüpft Elektromobilität den Strom- mit dem Verkehrssektor und soll dabei die Energiewende im Verkehr unterstützen. Wie in Kapitel 6 beschrieben gibt es dafür grundsätzlich zwei Wege:
1) Zum einen sorgt eine direkte Kopplung der Elektromobilität mit einem Zubau an erneuerbaren Energien rechnerisch für Fahrstrom aus erneuerbaren Energien.
2) Zum anderen kann Elektromobilität aber auch einen Beitrag zur Systemintegration
leisten. Diesen Beitrag zeigen die untersuchten Szenarien, wo zusätzlich aufgenommene, andernfalls überschüssige Mengen an Strom aus Erneuerbaren in den Marginalmix eingehen.
Angesichts der CO2-Emissionen des Kraftwerksparks kann eine deutliche Verbesserung
der CO2-Emissionen des Verkehrs nur gelingen, wenn Elektromobilität an erneuerbare
Energien gekoppelt wird. Die untersuchten Szenarien haben gezeigt, dass auf mittlere
Sicht auch mit einem Stromsystem, das in erheblichem Maße auf erneuerbaren Energien
fußt, ein großer Teil des zusätzlichen Ladestroms für Elektroautos von fossilen Kraftwerken bereitgestellt wird. In einer marginalen Betrachtung haben fossile Kraftwerke sogar
den größten Anteil. Um die gewünschte Emissionsminderung zu erbringen, muss also sichergestellt sein, dass der Fahrstrom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird.
In einem Energiesystem, das zu großen Teilen auf Erneuerbaren beruht, gibt es erhebliche Anteile fluktuierender Energien. So gehen die aktuellen Langfristszenarien des Bundesumweltministeriums (‚Leitstudie 2011‘) davon aus, dass erneuerbare Energien in 2050
über 80 % des Energiebedarfs decken, aber nur 13 % bis 15 % der gesicherten Leistung
stellen ([DLR et al. 2012]). Fossile Kraftwerke weisen in der Regel eine gewisse Mindestlast auf („Must-Run-Kapazität“), die kurzfristig nicht unterschritten werden kann. In windund sonnenreichen Zeiten entstehen daher Erzeugungsüberschüsse, während in Flauten
oder Zeiten geringer Sonneneinstrahlung Erzeugungslücken auftreten können. Diese
Schwankungen können zu einem Teil durch Importe und Exporte über das europäische
Verbundnetz ausgeglichen werden. Überschüsse treten zum Teil auf, weil die Last unterhalb der Erzeugung liegt, zum Teil aber auch, weil die örtlichen Stromnetze nicht den
Transport der gesamten Erzeugung erlauben. In diesen Fällen ist die Abregelung von EEAnlagen („Einspeisemanagement“) eine Lösung. Es liegt aber nahe, dass eine Verschiebung von Lasten, sogenanntes Lastmanagement, die Nutzung der erneuerbaren Stromerzeugung optimieren könnte.
Elektromobilität birgt hier ein großes Lastmanagementpotenzial, das in einem ersten
Schritt überschüssige Strommengen aufnehmen könnte („Tanken, wenn der Wind weht“).
Dies zeigen auch die Modellierungsergebnisse in diesem Projekt (siehe Abschnitt 6.4).
Diese Funktion hebt auch der Nationale Entwicklungsplan Elektromobilität hervor, nachdem die Elektromobilität im Rahmen des Lastmanagements anderweitig nicht nutzbaren
Strom aus fluktuierenden Energien aufnehmen soll ([Bundesregierung 2009]).
In einem zweiten Schritt könnten die Fahrzeuge sogar in windund sonnenarmen Zeiten
Strom in das Netz zurückspeisen („Vehicle to grid“). So könnten die Fahrzeugbatterien als
mobile Speicher für das Energiesystem genutzt werden und Systemdienstleistungen erbringen. Dabei erfordert die Rückspeisung von Strom aus den Fahrzeugen in das Netz eine breit verfügbare Ladeinfrastruktur. Diese ist jedoch erst als langfristige Weiterentwick-
Seite 70
IFEU-Institut
lung im Rahmen eines Verkehrssystems mit signifikanten Anteilen von Elektromobilität zu
sehen.
Vor dem Hintergrund, dass viele aktuelle Szenarien von einer Übererfüllung der aktuellen
Ausbauziele ausgehen, kommt der Rolle einer Unterstützung der Systemintegration erneuerbarer Energien eine immer größere Bedeutung zu, während die Bedeutung eines
weiteren Zubaus abnimmt. Auch steigen in diesem Fall die Überschüsse an Strom aus
erneuerbaren Energie an, für die Elektromobilität eine willkommene Abnahmequelle darstellt. Hinzu kommt, dass der Ausgleich der fluktuierenden Energien über das europäische
Verbundnetz in einigen Nachbarländern Deutschlands neben Strom zu günstigen Preisen
auch Belastungen schafft, die zu Kritik an der deutschen Energiewende führen können.
Auch in diesem Zusammenhang spielen Maßnahmen zur Systemintegration eine wichtige
Rolle.
7.2.1 Kopplung von Elektrofahrzeugen an erneuerbare Energie
Damit es zu einer eindeutigen CO2-Minderung kommt, erscheint ein zusätzlicher Kopplungsmechanismus zwischen Elektromobilität und erneuerbaren Energien erforderlich. Ein
solcher Kopplungsmechanismus sollte zugleich glaubwürdig, wirkungsvoll und unbürokratisch sein. Zu unterscheiden ist bei der Analyse der Mechanismen der Adressat, also

der Besitzer oder Nutzer des Fahrzeugs;

der Fahrzeug-Hersteller;

der Energielieferant oder

die Bundesregierung, die auf nationaler Ebene dafür verantwortlich ist, die Zusätzlichkeit erneuerbarer Energien sicherzustellen (Makroebene).
Außerdem kann die Kopplung aus verschiedenen Gründen gefordert werden. Den Kauf
eines Elektrofahrzeugs generell an Bedingungen zu knüpfen, ist zwar möglich, aber unwahrscheinlich; ebensowenig würde man den Kauf eines Fernsehers an „ÖkostromBedingungen“ knüpfen. Denkbar ist aber beispielsweise, dass die Mechanismen als Voraussetzung für gewisse Privilegien eingeführt werden (z. B. eine finanzielle Förderung,
freies Parken, die Benutzung von Busspuren etc.). Auch ist ein Zusammenhang mit der
Bestimmung des CO2-Faktors für eine eventuelle „Straßenstromsteuer“30 oder des CO2Faktors im Rahmen der Pkw-Richtlinie (siehe Abschnitt 7.1.3) denkbar.
Ansatzpunkte zur Verknüpfung von erneuerbaren Energien mit Elektromobilität können
entweder auf Investitionen in neue Anlagen abzielen oder auf die Fahrstromversorgung.
Im ersteren Fall könnte man also in dem Maße Anlagen zubauen, dass die erwartete Erzeugung dem ungefähren jährlichen Bedarf der Fahrzeuge entspricht. Im zweiten Fall
könnte man Anforderungen an den Strombezug der Fahrzeuge stellen, zum Beispiel
durch den Bezug von Ökostrom. Auch Bedingungen an die Systemintegration der Elektrofahrzeuge könnten eine möglichst hohe Verbindung zur Stromerzeugung aus Erneuerbaren sicherstellen.
30
Eine in Analogie zur Mineralölsteuer zu erhebende Fahrstromsteuer könnte zu einem späteren
Entwicklungszeitpunkt auf den fossil-nuklearen Anteil im Stromprodukt erhoben werden. Tankt ein
Fahrzeugnutzer ein definiertes Ökostromprodukt (siehe oben), so ist dieses steuerbefreit. Dadurch
wird eine verstärkte Nachfrage nach dem Ökostromprodukt geschaffen. Die Zusätzlichkeit ergibt
sich aus den Eigenschaften des Ökostromproduktes.
IFEU-Institut
Quelle: [Pehnt 2010]
Seite 71
IFEU 2013
Abb. 45: Verschiedene Kopplungsmechanismen zwischen erneuerbaren Energien und
Elektromobilität
Im Rahmen dieses Projektes wurde dahingehend ein tarifbasierter Ansatz zur Systemund Netzintegration verfolgt. Die Kunden erhalten einen Tarif, der einen Anreiz schafft, zu
Starkwind- und Schwachlastzeiten zu laden. Das oben als „Szenario DSM“ beschriebene
intelligente Betanken wurde im „Flottenversuch Elektromobilität“ durch einen zeitvariablen
Tarif realisiert. Der zugrundeliegende Tarif wurde auf Basis von Grenzkosten durch das
PowerACE-Modell errechnet. Eine hohe Einspeisung von erneuerbaren Energien führt
dabei zu tiefen Preisen (siehe Abb. 46), während bei Flaute und hoher Last mehr für den
Strom gezahlt werden muss.
Quelle: Fraunhofer ISI in [Pehnt et al. 2011]
IFEU 2013
Abb. 46: Beispielhafte Wirkung der Einspeisung von erneuerbaren Energien auf den genutzten Tarif
Durch diesen variablen Tarif wird die Integrationsfähigkeit für Windstrom erhöht und die
Spitzenlast gesenkt; zugleich wird (wie in Abschnitt 6 beschrieben) die Auslastung fossiler
„Mittellast“-Kraftwerke erhöht, wenn keine zusätzlichen erneuerbare Energieerzeugungseinheiten installiert werden.
Parallel zu den Optionen zur konkreten Verknüpfung von Erneuerbaren Energien und
Elektromobilität kommt den übergeordneten Zielen der Bundesregierung eine entscheidende Bedeutung zu. Angesichts der oben dargestellten Wechselwirkungen mit bestehenden Instrumenten geht es hier vorrangig um die Frage, ob die Ausbauziele für Erneu-
Seite 72
IFEU-Institut
erbare angepasst werden und das Cap des Emissionshandels im Strombereich in gleicher
Höhe erhalten bleibt.
Zur Bewertung der verschiedenen Optionen bieten sich drei Kriterien an:
1. Ökologischer Vorteil:
Findet ein echter Zubau von erneuerbaren Energien statt?
2. Verteilungseffekte:
Wer zahlt? Trägt der Nutzer des EE-Stroms die Kosten oder werden andere belastet? Falls andere als der Nutzer die Kosten tragen, könnte man unter ökologischen
Gesichtspunkten von einer verursachergerechten Allokation sprechen?
3. Umsetzbarkeit:
Ist die Lösung technisch und wirtschaftlich sinnvoll zu realisieren?
7.2.1.1 Übergeordnete Zielsetzungen der Bundesregierung
Auswirkungen der derzeitigen politischen Rahmenbedingungen ohne Anpassung durch
zusätzliche Maßnahmen
Voraussetzungen sind, dass die Ausbauziele des EEG sowie das CO2-Cap des Emissionshandels beibehalten werden. In diesem Fall wächst die absolute Stromerzeugung aus
erneuerbaren Energien automatisch durch den steigenden Strombedarf aus der Elektromobilität. Aus ökologischer Sicht passiert Folgendes: Das CO2-Cap verhindert zusätzliche
Emissionen durch Verlagerung von Emissionen des Verkehrs in den Stromsektor. Der Anteil erneuerbarer Energien am Fahrstrom entspricht dem Anteil der Stromerzeugung und
bleibt damit auf absehbare Zeit deutlich unter 50 %. Falls die Ausbauziele des EEG ohnehin übererfüllt werden, findet kein zusätzlicher Ausbau erneuerbarer Energien für die
Elektromobilität statt.
Falls in dieser Situation erneuerbare Energien für den Bedarf der Elektromobilität zugebaut werden, trägt die Allgemeinheit der umlagepflichtigen Stromverbraucher über die
EEG-Umlage die Kosten des Ausbaus. Bei einer hohen Marktdurchdringung der Elektromobilität und dementsprechend steigender Stromnachfrage steigt theoretisch der Druck
auf die Zertifikatspreise – auch wenn diese sich zurzeit auf sehr niedrigem Niveau bewegen. In diesem Fall werden die zusätzlichen Zertifikatskosten, die in die Strompreise eingehen dürften, ebenfalls von der Allgemeinheit der Stromverbraucher getragen. Aus Verteilungsgesichtspunkten findet also eine Verlagerung von Kosten aus dem Verkehrssektor
in den Stromsektor statt. Dies kann man kritisieren, wünschenswert wäre eine verursachergerechte Kostenverteilung, welche die entstehenden Kosten im Verkehrssektor belässt.
Die Bundesregierung könnte die ökologische Wirkung der Zielsetzung erheblich verbessern, wenn die Ausbauziele des EEG so angepasst würden, dass der Strombedarf der
Elektromobilität direkt auf die Ziele aufgeschlagen wird. Auch in diesem Fall fände kein
zusätzlicher Ausbau statt, wenn der Strombedarf der Elektromobilität ohnehin durch eine
Übererfüllung der Ziele gedeckt würde. Es wäre aber sichergestellt, dass der Fahrstrombedarf durch – bezogen auf die Ausbauziele zusätzliche – erneuerbare Energien gedeckt
wird. Allerdings würden auch hier die Kosten auf alle EEG-umlagepflichtigen Stromverbraucher verteilt. Es wäre daher zu überlegen, diese Lösung mit anderen Mechanismen
zu kombinieren, sodass z.B. Elektroauto-Kunden oder -Hersteller in die Pflicht genommen
werden und die EEG-Kosten für andere Verbraucher sinken.
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7.2.1.2 Maßnahme 1: Investitionen in (zusätzliche) Erneuerbare Energien
Als naheliegende Möglichkeit können für den Strombedarf der Elektromobilität entsprechende Anlagen zur Stromerzeugung aus Erneuerbaren zugebaut werden. Dieser Zubau
könnte entweder durch den Fahrzeughersteller oder durch den Kunden erfolgen.
Ein Modell zur Verpflichtung der Fahrzeughersteller diskutiert [Pehnt 2010]. Das Modell
leitet sich aus der Tatsache ab, dass Elektroautos über die CO2-Pkw-Richtlinie mit
0 g CO2 angerechnet werden. Um diesen Wert zu erreichen sind sogar Mehrfachanrechnungen (sogenannte Supercredits) geplant: Damit können Elektrofahrzeuge zunächst 3,5fach und ab 2016 immer noch 1,5-fach angerechnet werden ([EU 2013]). Erst ab 2024
entfallen diese Supercredits vollständig. Als Bedingung für die Anerkennung der CO2Freiheit (oder für die Nutzung der Mehrfachanrechnungen) könnten die Hersteller verpflichtet werden, entsprechend dem geschätzten Energieverbrauch des Fahrzeugs und
seiner Lebensdauer EE-Anlagen zu errichten. Alternativ könnten Hersteller einen festgelegten Betrag in einen europaweiten Fonds einzahlen, der die Installation erneuerbarer
Energieanlagen ausschreibt, oder aber eine Strafzahlung leisten. Jährlich würde festgestellt werden, wie viele Elektroautos zugelassen werden. Daraus leitet sich ein erforderlicher Zubau an Erneuerbaren-Energien-Anlagen ab, um den Fahrstrombedarf der Autos
zu decken, den die jeweiligen Hersteller decken müssten. Ein solcher Zubau ist auch entlang vorbelasteter (Verkehrs-)Infrastrukturen möglich (siehe hierzu Exkurs in Abschnitt
10.5).
Ein ökologischer Mehrwert dieses Modells ergibt sich, wenn die installierten Anlagen zusätzlich zu erneuerbaren Energieanlagen, die ohnehin gebaut würden, entstehen. Bei Anlagen, die im Rahmen der Förderung des EEG gebaut werden, ist dies schwer feststellbar. Hier lässt sich das Argument begrenzter Flächen anführen, nach dem Anlagen, die
auf einer Fläche gebaut werden, in Konkurrenz zu anderen Anlagen stehen, die dort hätten gebaut werden können. Außerdem muss man von begrenzten Mitteln ausgehen: liegt
der Zubau dauerhaft oberhalb eines gewissen Korridors, so wird in der Regel die Vergütung für Neuanlagen gesenkt. Diese Reaktion ist allerdings im Fördersystem des EEG
nicht zielgenau. Allein für den Fall, dass die Ausbauziele auf Grund zu niedriger Vergütungen verfehlt werden, ließe sich hier eine Zusätzlichkeit feststellen, die über das reine
Initiierungsmoment hinausgeht.
Auch Anlagen, die außerhalb der Förderregelungen des EEG gebaut werden, tragen zur
Erfüllung der EE-Ausbauziele bei. Strenggenommen ist ohne Anpassung der Ziele auch
bei diesen Anlagen die Zusätzlichkeit auf das „Initiierungsmoment“ beschränkt. Indirekt
leisten diese Anlagen allerdings einen Beitrag zum Fortbestand des EEG, indem sie die
EEG-Kasse entlasten. Zudem ist angesichts fehlender Zielgenauigkeit von Systemen mit
fester Einspeisevergütung durchaus von einer gewissen Zusätzlichkeit auszugehen.
Aus Verteilungsgesichtspunkten werden Kosten für Investitionen in EEG-geförderte Anlagen mehrheitlich von den umlagepflichtigen Stromverbrauchern getragen. Auch hier gibt
es also eine (unerwünschte) Verschiebung von Kosten aus dem Verkehrssektor in den
Stromsektor. Wenn die Anlagen jedoch außerhalb des EEG durch Autohersteller finanziert werden und nur die Verkaufspreise für den Strom an der Börse erhalten, würden Akteure des Verkehrssektors die zusätzlichen Kosten tragen. Allerdings ist unter heutigen
Regelungen davon auszugehen, dass derartige Anlagen die Privilegien des Eigenverbrauchs nutzen. Das bedeutet, dass für Strom aus diesen Anlagen weder Netznutzungsentgelte noch EEG-Umlage anfallen. Das heißt, dass auch bei Verzicht auf die EEGVergütung in gewissem Umfang Kosten sozialisiert werden.
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Vorteilhaft an der Investition in EEG-Anlagen ist ihre einfache Umsetzung. Eine Vielzahl
von Planungsbüros bietet „schlüsselfertige“ EEG-Anlagen an. Anlagen außerhalb der
EEG-Förderung sind heute nicht in gleicher Weise auf dem Markt erhältlich. Es ist jedoch
davon auszugehen, dass sich bei einer entsprechenden Verpflichtung der Hersteller Geschäftsmodelle ergeben würden. Allerdings muss man davon ausgehen, dass Hersteller
die Investitionskosten für Erneuerbare auf die Verkaufspreise der Elektrofahrzeuge umlegen: Angesichts der Tatsache, dass Elektroautos derzeit noch erheblich teurer sind als
konventionelle Fahrzeuge, erschwert eine Verteuerung ihren Absatz.
Als Alternative zur Verpflichtung der Fahrzeughersteller, in erneuerbare Energien zu investieren, wäre auch eine Investition durch die Fahrzeugkunden denkbar. Ein Vorteil wäre
hier die hohe Identifikation mit der Anlage, zum Beispiel durch eine Anlage auf oder in direkter Nähe des Wohnhauses. Beispiele hierfür sind etwa ein solarer Carport oder das
„Effizienzhaus Plus“ des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung. In
diesem Modellhaus wird die aus PV-Anlagen erzeugte Energie in Hochleistungsbatterien
gespeichert und über die eigene Ladestation an Elektrofahrzeuge abgegeben ([BMVBS
2013]). Von der Umsetzung her ist eine Investitionsverpflichtung, die an den Kauf eines
Produkts gekoppelt ist, allerdings nur schwer denkbar. Hier wäre daher eher auf freiwillige
Maßnahmen durch die Kunden zu setzen. Da die Stromerzeugung durch PV-Anlagen auf
Wohnhäusern in der Regel nicht mit den Ladezeiten zusammenfallen dürfte, würden sich
eher PV-Anlagen am Arbeitsplatz oder an Ladesäulen anbieten.
7.2.1.3 Maßnahme 2: Bezug von Fahrstrom aus erneuerbaren Energien
Die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit, eine Versorgung mit Fahrstrom aus erneuerbaren Energien sicherzustellen, ist der Abschluss eines Ökostromvertrages durch
Autobesitzer oder Ladesäulenbetreiber.
Stromversorger haben häufig auch eigene erneuerbare Strommengen, zum Beispiel aus
alten Wasserkraftwerken, mit denen sie die Versorgung aus erneuerbaren Energien sicherstellen können. Eine Belieferung durch Ökostrom sichert zum Beispiel RWE mit dem
Konzept e-Mobility zu ([RWE 2013]). Eine derartige Stromversorgung sorgt zwar rechnerisch für einen Fahrzeugbetrieb mit Strom aus erneuerbaren Energien. Ökologisch vorteilhaft ist sie in der Regel jedoch nicht. Meistens werden bei Ökostromprodukten ohnehin
vorhandene Strommengen, die nicht über das EEG gefördert werden, bilanziell verschoben.
Das bedeutet, dass anderweitig Kunden, die gewöhnlichen Strom beziehen, einen höheren Anteil fossilen Stroms erhalten, im System ändert sich jedoch nichts. Einige
Ökostromlabel versuchen daher, durch Qualitätskriterien einen Zubau von erneuerbaren
Energien sicherzustellen. So darf etwa ein bestimmter Anteil der Anlagen, auf die sich der
Ökostrom bezieht, ein gewisses Alter nicht überschreiten. Angesichts der geringen Beträge von weit unter einem Cent pro kWh für Herkunftsnachweise für Strom aus entsprechenden EE-Anlagen tragen Ökostromkunden jedoch nicht nennenswert zur Finanzierung
neuer Anlagen bei; allenfalls kann hier ein Mitnahmeeffekt festgestellt werden. Andere
Ökostromlabel zielen auf die Initiierungswirkung beim Bau neuer Anlagen ab, die dann
durch das EEG gefördert werden. Auch hier bleibt fraglich, ob diese Anlagen nicht ohnehin gebaut worden wären.
Verteilungseffekte sind bei der Fahrstromversorgung mit Ökostrom nicht relevant. Die
Umsetzbarkeit ist hoch, insbesondere angesichts geringer bis nicht vorhandener Zusatzkosten. Die fehlenden Kosten sind allerdings auch der Kernpunkt des Problems dieser
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Lösung: Investitionen in erneuerbare Energien amortisieren sich kaum über die gegenwärtigen Marktpreise, dies zeigt sich auch an der aktuellen Diskussion über die Kosten
des EEG. Ohne einen gewissen finanziellen Beitrag ist daher auch kein ökologischer Nutzen zu erwarten.
Angesichts der Schwierigkeiten, eine ökologische Zusätzlichkeit bei Ökostrom zu garantieren wäre eine denkbare Möglichkeit, dass Autohersteller sich für den erwarteten Strombezug der Fahrzeuge, der pauschaliert werden kann, an EEG-Strommengen beteiligen.
Hersteller könnten sich zum Beispiel über einen Berechnungsalgorithmus für die erwarteten Strommengen ihrer Fahrzeuge an den EEG-Differenzkosten beteiligen.
Die ökologische Vorteilhaftigkeit eines solchen Modells ist hoch, wenn der Strombedarf
der Elektromobilität auf die Ausbauziele aufgeschlagen wird. Falls die Ziele ohnehin übererfüllt werden, findet kein zusätzlicher Ausbau statt. Darüber hinaus wäre eine Beteiligung
an EEG-Kosten ein Beitrag zum Fortbestand des EEG und zum weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien. Für den Fahrzeugnutzer wäre ein Bezug von „echtem Ökostrom“
mit erwiesener Ausbauwirkung sichergestellt.
Aus Verteilungsgesichtspunkten ist dieses Modell positiv zu bewerten: Die Kosten dieses
Modells tragen die Hersteller und indirekt über den Kaufpreis die Fahrzeugkunden. Falls
die EEG-Ziele übererfüllt werden und kein zusätzlicher Ausbau für die Elektromobilität
stattfindet, verschieben sich allerdings Kosten aus dem Stromsektor in den Verkehrssektor. Die EEG-Kasse und darüber die umlagepflichtigen Stromverbraucher werden entlastet, ihnen werden dann aber auch weniger Strommengen aus erneuerbaren Energien zugeschrieben.
Hingegen ist die Umsetzbarkeit der Verwendung von EEG-geförderten Mengen für die
Elektromobilität angesichts der hohen damit verbundenen Kosten schwierig. Insbesondere ist davon auszugehen, dass Hersteller die Kosten für die EE-Strommengen auf den
Kaufpreis aufschlagen. Bei Preisen, die ohnehin schon deutlich über den Verkaufspreisen
konventioneller Fahrzeuge liegen, ist fraglich, inwieweit sich ein derartiges Vorgehen am
Markt durchsetzen ließe. Etwas abschwächen ließe sich diese Schwierigkeit eventuell
durch einen Vertrieb im Rahmen von Leasingverträgen mit ‚EEG-Kilometer-Paketen‘, bei
denen die Kosten über die Laufzeit des Vertrages verteilt anfielen.
7.2.1.4 Maßnahme 3: Systemintegration von erneuerbaren Energien
Als dritte grundsätzliche Möglichkeit zur Kopplung von Elektromobilität mit erneuerbaren
Energien bieten sich Maßnahmen zur Systemintegration an. Dies bringt auch eine verstärkte Nutzung von erneuerbaren Energien mit sich. Elektroautos könnten zum Lastmanagement und damit zum Ausgleich fluktuierender Energien beitragen.
Aus ökologischer Sicht ist dieser Beitrag langfristig vorteilhaft, weil er den Übergang zu
einem Energiesystem, das überwiegend auf erneuerbaren Energien beruht, vereinfacht.
Lastmanagement erlaubt die Integration größerer Mengen EE-Stroms. Kurz- und mittelfristig führt Lastmanagement – auch bei Elektroautos – jedoch zu einer stärkeren Auslastung sogenannter Grund- und Mittellastkraftwerke. In Deutschland sind dies neben den
Atomkraftwerken, die schrittweise vom Netz gehen, vorwiegend Braun- und Steinkohlekraftwerke. Diese vorübergehende Verschlechterung der mit der Elektromobilität verbundenen Emissionen sollte jedoch akzeptiert werden, um langfristig zu einem nachhaltigen
System zu gelangen. Zur Sicherstellung einer ausschließlichen Stromversorgung aus erneuerbaren Energien für die Elektromobilität eignet sich Lastmanagement jedoch nicht.
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Verteilungseffekte spielen bei dieser Option keine relevante Rolle. Die Umsetzbarkeit
hängt von den technischen Fähigkeiten der Fahrzeuge ab. Außerdem müssen zeitvariable
Tarife zur Verfügung stehen, die einen ausreichenden Anreiz zur Lastverlagerung bieten.
Schließlich muss eine Ladeinfrastruktur zur Verfügung stehen, die auch regelmäßiges Laden zum Beispiel am Arbeitsplatz oder in der Innenstadt erlaubt. Damit dürfte diese Option vor allem relevant werden, wenn große Absatzzahlen von Elektroautos auch die Infrastruktur weiter vorantreiben. In diesem Fall ist Lastmanagement auch besonders wichtig,
damit Elektroautos nicht noch zusätzliche Lastspitzen schaffen, die dann vom Stromsystem ausgeglichen werden müssen.
Operationell kann dies geschehen, indem beispielsweise die grundlegende Ausstattung
von Elektroautos mit einer Steuerung zum intelligenten Laden gefordert wird. Die eigentliche Nutzung dieser Steuerung würde sich im Markt ergeben. Am naheliegendsten ist
hierbei die Ausgestaltung eines flexiblen Preissignals, das ein Führungssignal als preissetzende Größe verwendet. Durch die Liberalisierung des Zählerwesens und die Diskussion über eine Einführung zeitvariabler Tarife wird dieser Mechanismus erheblich vereinfacht. Verschiedene Preissignale bieten sich an, wie die Bindung des Strompreises an die
EEX-Börse. Die EEX-Preise werden von vielen Faktoren bestimmt, beispielsweise Lastschwankungen, Verfügbarkeit von Erzeugungskapazitäten (z. B. Kraftwerksstörfälle oder revisionen), volatile Erzeugungs-, CO2-Zertifikats- und Brennstoffkosten.
Da in den EEX-Preis auch verschiedene andere Faktoren eingehen, ist dies allerdings
nicht im engkausalen Sinn ein „Integrationssignal“. Durch ein solches Signal könnte
gleichermaßen ein Anreiz ausgehen, nachts zu tanken und damit die Auslastung von
thermischen Kraftwerken zu erhöhen. Allerdings dürfte durch den steigenden Anteil an
fluktuierender Einspeisung zukünftig die Bindung zwischen Börsenpreis und EE-Anteil
stark zunehmen, noch bevor nennenswerte Anteile von Elektroautos verfügbar sind.
Langfristig löst sich die Trennung zwischen Grund-, Mittel- und Spitzenlast-Kraftwerken
auf.
Alternativ hierzu könnten andere Führungsgrößen wie die sogenannte Residuallast (Differenz aus Systemlast und fluktuierender Einspeisung aus erneuerbaren Energien) herangezogen werden. Zusätzlich zu deutschlandweiten Tarifen könnte man auch eine weitere
Preiskomponente vorsehen, die mögliche regionale Netzengpässe abbildet. Beispielsweise wäre es denkbar, wenn der regionale Netzbetreiber einen EEX-abhängigen Tarif um
eine Netzkomponente ergänzt. Droht beispielsweise die Abregelung von Anlagen auf
Grund einer Situation mit schwacher Last bei starkem Wind, könnte der Betankungsstrom
deutlich günstiger zur Verfügung gestellt werden.
Ein solcher Tarif hat, wie oben quantifiziert, drei Effekte zugleich (siehe Tab. 13). Er senkt
die Spitzenlast („Leistungseffekt“), er vermeidet die Abschaltung „nicht nutzbaren“ Stroms
aus fluktuierenden EE-Anlagen („Integrationseffekt“) und er erhöht die Auslastung und
Wirtschaftlichkeit von Mittellast-Kraftwerken (Auslastungseffekt).
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Tab. 13: Effekte des intelligenten Betankungstarifs
Senkt Spitzenlast durch Verringerung der Gleichzeitigkeit der Nachfrage
Leistungseffekt
und bessere Synchronisierung mit Angebot
Vermeidet die Abschaltung fluktuierender erneuerbarer Energieträger
Integrationseffekt
(Wind/Solar) und erhöht dadurch die Integrationsfähigkeit für Erneuerbare
Auslastungseffekt
31
Erhöht u. U. die Auslastung von „Mittellast“-Kraftwerken, in Deutschland
insbesondere Steinkohle
7.2.2 Regulierung der Energieeffizienz von Fahrzeugen
Bei konventionellen Fahrzeugen, die mit fossilen Kraftstoffen betankt werden, entstehen
etwa 85 % der gesamten Treibhausgasemissionen bei der Verbrennung der Kraftstoffe im
Fahrzeug ([IFEU 2012a]); nur etwa 15 % entfallen auf die Vorkette, also die Ölförderung,
Raffinierung und Distribution.
Bei Elektrofahrzeugen entstehen während der Fahrt dagegen keinerlei Treibhausgase
(THG). Hier liegen die Umweltwirkungen vollständig in der Vorkette. Oft werden solche
Fahrzeuge daher als „Zero-Emission-Vehicles“ (ZEV) bezeichnet, was freilich die Vorkette
in der Regel nicht einschließt: Wird beispielsweise ein batterieelektrisches Fahrzeug mit
Kohlestrom betrieben, so ist die THG-Bilanz „Well-to-Wheel“, also von der Energieerzeugung bis zum gefahrenen Kilometer, nicht besser als für ein konventionelles Fahrzeug.
Eine besonders wichtige Rolle spielt in diesem Zusammenhang das Plug-InHybridfahrzeug (PHEV). Hier hängt das Verhältnis zwischen Auspuff- und Vorkettenemissionen stark vom Anteil rein elektrischen Betriebs und damit vom Nutzungsprofil ab. Den
Marktszenarien in Abschnitt 6.1 zufolge dürfte der Markt für alternative Antriebe mittelfristig von PHEV dominiert werden.
Doch auch in der Vorkette von Benzin- und Dieselkraftstoff verändert sich etwas: Laut
Prognosen der Internationalen Energieagentur wird sich der Anteil sogenannter unkonventioneller Ölvorkommen an der globalen Ölproduktion bis 2035 auf über 10 % erhöhen
([IEA 2010]). Bei diesen Vorkommen handelt es sich beispielsweise um Ölschiefer und
Teersande, bei denen die THG-Emissionen bei der Rohölgewinnung deutlich höher sind
als für konventionelles Rohöl. Bei Biokraftstoffen entstehen ebenfalls höhere CO2Emissionen in der Vorkette, bedingt durch den Aufwand für Anbau, Düngung und Verarbeitung der Biomasse. Allerdings wird das bei Verbrennung von Biomasse im Fahrzeug
entstehende CO2 beim Wachstum der Energiepflanzen aus der Atmosphäre entnommen,
durch den Verbrennungsprozess entstehen also keine zusätzlichen CO2-Emissionen in
die Atmosphäre.
Die derzeitige CO2-Gesetzgebung basiert auf den direkten Emissionen der Fahrzeuge
Um die THG-Emissionen des Straßenverkehrs zu senken, wurden sowohl auf nationaler
wie auch auf europäischer Ebene verschiedene Ziele und Instrumente beschlossen. Den
Instrumenten auf Fahrzeugebene liegen dabei durchweg die CO2-Auspuffemissionen zugrunde (EU-Flottengrenzwerte, Pkw-Effizienzlabel und Kfz-Steuer). Diejenigen Maßnahmen, die auf den Energieverbrauch abzielen, geben lediglich ein Gesamtziel für den Verkehrssektor vor. Im Falle des Ziels der Erneuerbare Energien-Richtlinie ist zu erwarten,
31
Vor allem mittelfristig relevant. Bei sehr hohen Anteilen von Erneuerbaren sinkt die Bedeutung
dieses Effektes.
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dass es weitgehend technologieneutral durch Beimischung von Biokraftstoffen umgesetzt
werden kann ([Kampman 2012]). Die Vorgaben des Energiekonzepts der Bundesregierung sind als politische Absichtserklärungen dagegen nicht verbindlich.
Zusätzlich gibt es diverse Rankings von Nichtregierungsorganisationen, von denen der
EcoTest des Allgemeinen Deutschen Automobilclubs (ADAC) und die Auto-Umweltliste
des Verkehrsclubs Deutschland (VCD) die bekanntesten sind (Tab. 14). Diese beziehen
zum Teil auch die Energiebereitstellung mit ein, basieren dabei jedoch weiterhin auf den
CO2-Emissionen und nicht auf dem Energieverbrauch. Die Einbeziehung der Vorketten
wirft zudem methodische Probleme auf: so kann sich der Kraftstoff-/Strombezug im Laufe
der Zeit ändern, und der Versorgungsmix ist im Allgemeinen regional verschieden.
Tab. 14: Ansätze zur Regulierung und Bewertung der Energieeffizienz und CO2-Emissionen (Auswahl)
Regulierung
Bereich
Gegenstand der Regulierung / Kennzeichnung
Grenzwert / Klassifizierung
Flottengrenzwerte
EU
CO2-Auspuffemissionen
< 130 g/km im Flottendurchschnitt bis 2015 (gewichtsabhhängig)
ErneuerbareEnergien-Richtlinie
EU
Anteil Erneuerbarer Energie am Endenergiebedarf des Verkehrssektors
10 % bis 2020
Pkw-Effizienzlabel
D
(staatlich)
Effizienzklassen A+
(gewichtsabhängig)
CO2-abhängige
Kfz-Steuer
D
(staatlich)
2 € für jedes zusätzliche g CO2
pro km ab derzeit 110 g / km
Energiekonzept
der Bundesregierung
D
(staatlich)
Endenergiebedarf im Verkehr
Reduktion bis 2020 um 10 %
und bis 2050 um 40 % (jeweils
gegenüber 2005)
EcoTest
Auto-Umweltliste
ADAC
VCD
CO2-Emissionen
Schadstoffe)
Well-to-Wheel
CO2-Emissionen
(+Schadstoffe + Lärm)
(+
Well-to-Wheel
bis
G
1 bis 5 Sterne
Ranking
IFEU 2013
Verschiedene Antriebssysteme werden durch die Regulierung der Auspuffemissionen strukturell ungleich behandelt
Die relevanten Regulierungen blenden durch ihren Bezug auf die CO2-Auspuffemissionen
die Vorkette durchweg aus. Alternative Antriebe, bei denen die Emissionen ganz oder
teilweise in der Vorkette entstehen, werden so strukturell begünstigt. Im Rahmen der Flottengrenzwerte können solche Fahrzeuge die höheren Emissionen anderer Fahrzeuge in
der Neuwagenflotte eines Herstellers kompensieren. Diese Möglichkeit wurde gesetzlich
noch dadurch erweitert, dass Fahrzeuge mit niedrigen Emissionen (< 50 g/km) bis 2015
mehrfach für die Berechnung der Flottenemissionen berücksichtigt werden können. Die
Anreize zur Optimierung konventioneller Fahrzeuge sinken dadurch tendenziell.
Langfristig müssen die Effizienzpotentiale aller Antriebe ausgeschöpft werden
Diese Bevorzugung von alternativen Antrieben ist in der gegenwärtigen Markthochlaufphase politisch durchaus gewünscht. Mittelfristig ist jedoch zu befürchten, dass diese
Strategie auch bei diesen Antrieben zu einem Mangel an Anreizen führt, die Effizienz zu
verbessern. Dies ist aber aus folgenden Gründen geboten:
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


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Alternative Antriebe werden nicht automatisch mit alternativen Energien betrieben. Mit Kohlestrom betriebene Elektroautos verbessern die THG-Bilanz
gegenüber konventionellen Fahrzeugen nicht. Woher die Energie kommt, mit
der ein Fahrzeug getankt bzw. geladen wird, hängt dabei nicht nur von den
energiepolitischen Rahmenbedingungen (Versorgungsmix) ab, sondern auch
vom Nutzerverhalten (bspw. Kauf von Ökostrom).
Vor allem beim Strom ist eine Zuordnung zu erneuerbaren Quellen äußerst
komplex und in vielen Fällen fragwürdig, selbst wenn es sich um zertifizierten
Ökostrom handelt.
Die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien ist zwar nicht durch das natürliche
Angebot, aber durch die installierte Kapazität sowie logistische Fragen (Beispiel Transportnetze) begrenzt; das wird sich mittelfristig nicht grundlegend
ändern. Demzufolge hat eingesparte erneuerbare Energie im Prinzip das Potential, andernorts konventionelle Energie zu ersetzen und deren CO2Emissionen einzusparen.
Mischkonzepte wie Plug-In-Hybride können mit einer Regulierung der Auspuffemissionen nicht sinnvoll erfasst werden
Gegenwärtig werden die CO2-Emissionen von PHEV nach einem komplexen Verfahren
bestimmt, das einen Fahrtbeginn mit vollgeladener Batterie vorsieht. Der erste Teil des
Prüfzyklus erfolgt rein elektrisch, sobald der Verbrennungsmotor anspringt, werden noch
weitere 20 km gefahren, um die Fahrt zur nächsten Lademöglichkeit zu simulieren. Je
größer die Batterie, desto größer die elektrische Reichweite und demzufolge auch der
elektrisch gefahrene Anteil im Zyklus, was zu niedrigeren CO2-Emissionen im Zyklus führt.
Folgendes wird dabei jedoch nicht berücksichtigt:


Über die reale Nutzung von PHEV, insbesondere die Aufteilung der Betriebsmodi,
liegen nur wenige Informationen vor, da es bislang kaum Fahrzeuge gab. Die Berücksichtigung elektrischer Fahranteile im Prüfzyklus entbehrt somit einer empirischen Grundlage.
Der bei der Typgenehmigung erhobene Energieverbrauch ist daher wenig aussagekräftig, so dass der Fahrzeugkäufer auch die möglichen Betriebskosten nicht
zuverlässig abschätzen kann.
Ein Paradigmenwechsel von einer emissionsseitigen (Output-)Regulierung zu einer
energieseitigen (Input-)Regulierung ist notwendig
Ziel muss es dabei nicht zwingend sein, die emissionsbasierte Regulierung zu ersetzen,
sondern ihre Defizite mithilfe einer Regulierung der Energieeffizienz gezielt zu adressieren. Diese soll so weit wie möglich von konkreten Antrieben unabhängig und damit einfach und transparent anzuwenden sein. Überdies sollte sie im Rahmen des etablierten
Typgenehmigungsverfahrens umsetzbar sein, sich also auf dort erhobenen Fahrzeugparametern stützen.
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Schlussfolgerungen und Handlungsempfehlungen
Über den Lebensweg betrachtet können die im Flottenversuch eingesetzten Prototypen
den Treibhausgasausstoß gegenüber dem Referenzfahrzeug senken – bei heutigem
deutschen Strommix um etwa 5 %. Für zukünftige PHEV-Serienfahrzeuge sind weitere
Optimierungen möglich, was die Klimavorteile erheblich steigert. Dabei zeigt sich eine
große Abhängigkeit vom rein elektrischen Fahranteil der Fahrzeuge, der sowohl vom
Ausbau der Ladeinfrastruktur als auch von der elektrischen Reichweite des Fahrzeugs
beeinflusst wird. Auch wenn lediglich zu Hause eine Lademöglichkeit besteht, kann der
PHEV als Serienfahrzeug im Jahr 2020 mit einer angenommenen Reichweite von 20 km
gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug etwa 13 % Treibhausgasemissionen über den
Lebensweg einsparen. Er liegt damit etwa gleichauf mit dem Diesel-Referenzfahrzeug.
Dies liegt neben dem geringer angenommenen Material- und Herstellungsaufwand für die
Batterie vor allem am deutlich gestiegenen Anteil der erneuerbaren Energien im deutschen Strommix. Besteht eine Lademöglichkeit fast überall, steigt der Klimavorteil gegenüber dem Referenzfahrzeug bei gleicher elektrischer Reichweite auf 22 %, vorausgesetzt
es werden auch alle Lademöglichkeiten genutzt. Eine Verdoppelung der elektrischen
Reichweite auf 40 km bringt dann nur eine geringfügige Verbesserung. Auch bei niedrigeren elektrischen Reichweiten sind also bei verbreiteter Ladeinfrastruktur bereits hohe
elektrische Fahranteile und damit Klimaentlastungen möglich.
Bei einer hohen Marktdurchdringung der Elektromobilität müssen jedoch auch die Rückwirkungen der zusätzlich generierten Stromnachfrage durch Elektrofahrzeuge betrachtet
werden. Bereits bei moderater Marktentwicklung beträgt der zusätzliche Strombedarf
durch Elektrofahrzeuge 2030 etwa 35 TWh, bei forcierter Marktdurchdringung bereits über
50 TWh. In einer Betrachtung der Auswirkungen auf den Stromsektor ist auch die Ladestrategie zu berücksichtigen: Werden die Fahrzeuge direkt nach dem letzten Weg geladen, kommt es vor allem zu einer höheren Auslastung von Gaskraftwerken. Ein Lastmanagement bringt demgegenüber, trotz der Integration von bisher überschüssigem erneuerbarem Strom, nur eine geringfügige Verbesserung, weil gleichzeitig mehr Kohlekraftwerke mit niedrigen variablen Kosten zum Einsatz kommen. Bei niedrigeren CO2Zertifikatspreisen wirkt sich das Lastmanagement sogar deutlich negativ aus, da es zu einer höheren Auslastung von älteren Braunkohlekraftwerken kommt. Deutliche Vorteile ergeben sich erst für die Szenarien mit einem Zubau erneuerbarer Erzeugungskapazitäten.
Hier wird das Ziel der vollständig erneuerbaren Elektromobilität nahezu erreicht.
Zwar ist ein Lastmanagement des Ladevorgangs bei einer wachsenden Flotte an Elektrofahrzeugen wichtig um Netzstabilität zu gewährleisten, es reicht aber allein nicht aus um
eine relevante Treibhausgasminderung im Verkehr durch Elektrofahrzeuge zu erreichen.
Vielmehr ist auch eine Kopplung von Elektrofahrzeugen an regenerativ erzeugten Strom
anzustreben. Hierzu wurde eine Reihe von Maßnahmen in Abschnitt 7.2 diskutiert. Diese
Maßnahmen sind einer weiteren detaillierten, insbesondere juristischen Analyse zu unterziehen. Die folgende Kombination aus Maßnahmen wird aufgrund der bisherigen Erkenntnisse als sinnvoll erachtet:
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1. Zunächst sollte der Emissionshandelsdeckel auch in der Periode nach 2020 nicht
um die Strommengen korrigiert werden, die Elektroautos in den vom Emissionshandel erfassten Sektor einbringen.
2. Ferner gilt es die Ausbauziele des EEG zu erhalten. Das EEG-Ziel von 35 % erneuerbaren Stroms in 2020 sorgt dafür, dass mindestens dieser Anteil der zusätzlichen Stromnachfrage durch Elektrofahrzeuge aus erneuerbaren Energieträgern
gedeckt wird. Wenn das Ziel jedoch ohnehin – also auch ohne Elektrofahrzeuge übererfüllt wird, entfällt der Anreiz neue Anlagen zur Erzeugung erneuerbaren
Stroms zu bauen.
3. Die CO2-Pkw-Verordnung sollte daher dahingehend überarbeitet werden, dass
Elektroautos nur dann als CO2-frei gelten, wenn die Fahrzeughersteller nachweisen können, dass sie in zusätzliche EE-Kraftwerke investiert haben. Zu beachten
ist, dass diese neuen Anlagen dabei nicht in Brennstoff- oder Standort-Konkurrenz
zu ohnehin geplanten Kraftwerken treten. Ist diese Voraussetzung nicht gegeben,
sollte die Bewertung von Elektroautos (ähnlich wie im kalifornischen Low Carbon
Fuel Standard) durch Multiplikation des mittleren europäischen CO2-Faktors mit
dem Endenergiebedarf erfolgen.
4. Weiterhin sollten die Energieversorger zeitvariable Betankungstarife einführen, die
die Leistungsspitzen der Elektromobilität abmildern und am Angebot fluktuierender
Energieträger orientiert sind. Dabei ist auch sicherzustellen, dass Elektroautos
derart ausgestattet sind, dass sie ein solches lastvariables Tanken ermöglichen.
Auch wenn dadurch - wie in dieser Studie gezeigt - in einer Übergangszeit fossile
(Mittellast-)Kraftwerke bevorzugt ausgelastet werden, ist dies ein erforderlicher
Schritt, um die Spitzenlast zu senken und die Integration fluktuierender erneuerbarer Energieträger zu erleichtern.
5. Zusätzlich können Fahrzeugnutzer dazu aufgefordert und angereizt werden, freiwillig geeignete (Ökostrom-)Produkte zu beziehen, die ihnen einen noch höheren
Umweltnutzen versprechen.
Diese Mechanismen könnten einen Beitrag dazu leisten, die Weichen in Richtung
einer mit erneuerbaren Energien gespeisten Elektromobilität zu stellen.
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IFEU-Institut
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IFEU-Institut
10 Anhang
Seite 87
Seite 88
IFEU-Institut
10.1 Modellierung des Energieverbrauchs von PHEV
Die Datenlage zum Energieverbrauch von PHEV im Realbetrieb heute und in Zukunft ist
lückenhaft, die Rahmenbedingungen und Fahrzeuge sind zudem sehr unterschiedlich. Zur
besseren Vergleichbarkeit der Verbrauchswerte wurde eine Modellierung des Energieverbrauchs vorgenommen. Das Modell wurde hierzu zunächst an den im Flottenversuch erhobenen Energieverbräuchen kalibriert. Anschließend wurden die relevanten Parameter
für Serienfahrzeuge transparent fortgeschrieben und so Optimierungspotenziale für den
Energieverbrauch berücksichtigt.
Bei der Modellierung wird zunächst der physikalische Energiebedarf am Rad auf Basis
verschiedener Fahrzeugparameter (z.B. Gewicht, Rollwiderstand etc.) berechnet. Zur Bestimmung der notwendigen Antriebsenergie des jeweiligen Antriebskonzeptes müssen
dann zusätzlich die Energieverluste im Antriebsstrang sowie die zahlreichen Nebenverbraucher berücksichtigt werden.
IFEU 2013
Abb. 47: Energiefluss verschiedener Antriebsstränge (schematisch)
10.1.1 Fahrmuster für die Verbrauchsmodellierung
Fahrmuster spiegeln das sekundenfeine Geschwindigkeitsprofil eines Fahrzeugs wider.
Sie hängen sowohl von der Straßenkategorie (z.B. Innerorts vs. Autobahn) als auch von
der jeweiligen Fahrweise ab (z.B. sportliche Fahrweise vs. Ecodriving). In den Messdaten
des Flottenversuchs wurden als Straßenkategorien Innerorts- und Außerortsstraßen sowie Autobahnen differenziert erfasst. Die genauen Geschwindigkeitsprofile der einzelnen
Fahrten standen dem IFEU nicht zur Verfügung, können aber näherungsweise über die
Durchschnittsgeschwindigkeit beschrieben werden.
Herstellerangaben zum Energieverbrauch sowie den Emissionen von Pkw beziehen sich
in der Regel auf das Typgenehmigungsverfahren und sind demnach im standardisierten
‚Neuen Europäischen Fahrzyklus‘ (NEFZ) ermittelt worden. Die Repräsentativität des
NEFZ für das Fahrverhalten auf der Straße wird in der Fachwelt jedoch kritisch diskutiert
(siehe z.B. [Zallinger & Hausberger 2009]), so dass hier zur Ermittlung des Energieverbrauchs zukünftiger Serienfahrzeuge auf die Fahrmuster des ‚Handbuch Emissionsfakto-
IFEU-Institut
Seite 89
ren für den Straßenverkehr‘ (HBEFA) in der Version 3.1 zurückgegriffen wird ([INFRAS
2010]). Die Fahrprofile wurden im realen Verkehr im Rahmen umfangreicher Messprogramme aufgezeichnet. Durch ihre Verwendung ist - im Gegensatz zu standardisierten
Zyklen wie dem NEFZ - die Abbildung eines weitgehend realen Fahrverhaltens gewährleistet.
Auswertungen der Flottenversuchsfahrten zeigen, dass das Fahrmuster eines PHEV im
elektrischen Betrieb insbesondere auf Autobahnen und Außerortsstraßen deutlich vom
mittleren Pkw-Fahrprofil abweicht (siehe Durchschnittsgeschwindigkeiten in Tab. 15). Im
elektrischen Betrieb werden dabei insbesondere auf der Autobahn vorwiegend dynamische Situationen bei geringen Geschwindigkeiten absolviert, denn in diesem Teillastbetrieb ist der Wirkungsgradvorteil des Elektromotors gegenüber dem Verbrennungsmotor
besonders groß. Bei hohen und weitgehend konstanten Geschwindigkeiten arbeitet dagegen auch der Verbrennungsmotor mit vergleichsweise hoher Effizienz.
Bei Fahrten mit geringer Geschwindigkeit bewirkt die Betriebsstrategie des Fahrzeugs
daher einen höheren Anteil elektrischen Betriebs. Ob die Eigenschaften des Fahrzeugs
(z.B. die mögliche Wahl des Betriebsmodus durch den Fahrer) umgekehrt auch einen Einfluss auf das Fahrprofil haben (ob also der Fahrer bewusst langsamer gefahren ist, um einen höheren Elektroanteil zu erreichen bzw. seine Reichweite im E-Betrieb zu steigern),
kann auf Grundlage der Flottendaten allerdings nicht beantwortet werden.
Durch die optimierende Betriebsstrategie können sowohl Fahrprofil als auch Verbrauch für
den E-Betrieb von PHEV auf Außerortsstraßen und Autobahnen deutlich von rein batterieelektrischen Fahrzeugen abweichen, die das gesamte Fahrprofil über den elektrischen
Antrieb bewältigen müssen. Aus diesem Grund werden für die Analyse der elektrischen
Verbrauchswerte aus dem Flottenversuch und auch für die Ableitung der Verbrauchswerte zukünftiger PHEV-Serienfahrzeuge unterschiedliche Gewichtungen der einzelnen Verkehrssituationen vorgenommen, so dass die Durchschnittsgeschwindigkeiten der Fahrzeuge im jeweiligen Betriebsmodus adäquat abgebildet werden.
Neben der Durchschnittsgeschwindigkeit hängt der Energieverbrauch am Rad von der
Dynamik des Fahrprofils ab. Hierfür ist die relative positive Beschleunigung32 (relative positive acceleration, RPA) ein guter Indikator. Die von VW hierzu bereitgestellten Daten
konnten jedoch nicht mit den Geschwindigkeitsangaben in Einklang gebracht werden.
Deshalb mussten für die Analyse der Fahrten des Flottenversuchs beim RPA generische
Werte aus HBEFA entsprechend der Fahranteile auf den einzelnen Straßenkategorien
angenommen werden. Eventuelle antriebsbedingte Abweichungen sind hier somit nicht
berücksichtigt.
10.1.2 Analyse der Verbrauchswerte aus dem Flottenversuch
Die in Abschnitt 4.2 dargestellten Verbrauchswerte sollen in diesem Abschnitt über eine
Modellierung nachvollzogen werden. Die grundlegenden Fahrzeugparameter wie Fahrzeuggewicht, Luft- und Rollwiderstandsbeiwert sowie Frontfläche wurden dazu aus VWDaten ([VW 2012a]) übernommen (siehe Tab. 16). Der Wittenstein-Permanent-SynchronMotor wurde auf hohes Drehmoment (ca. 600 Nm) optimiert und zudem mit sehr unterschiedlichen Lastprofilen betrieben. Der mittlere Wirkungsgrad liegt daher nach VWAngaben bei etwa 80 % ([VW 2012d]) und damit deutlich niedriger als zuvor auf Basis der
32
Der RPA berechnet sich als Integral des Produktes von Geschwindigkeit und positiver Beschleunigung über die Zeit, geteilt durch die Fahrtstrecke: RPA = (Int (v*a+) dt) / s
Seite 90
IFEU-Institut
Literatur (dort häufig auf Basis von Daten für stationär laufende Motoren angegeben) angenommen.
Insbesondere für niedrige Drehzahlbereiche zeigt das Kennfeld von Elektromotoren aber
auch niedrige Wirkungsgrade, daher wurde für die elektrischen Innerortsfahrten mit einer
Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 30 km/h ein mittlerer Wirkungsgrad von 77 % angenommen, für die elektrischen Außerorts- und Autobahnfahrten, dagegen ein Wirkungsgrad von 84 %. Die weiteren Verluste im elektrischen Antriebsstrang werden auf 3 % abgeschätzt. Lade- und Entladeverluste in Batterie, Ladegerät und Zuleitungen wurden in
den Messwerten noch nicht berücksichtigt. Der Ladewirkungsgrad wurde von VW für das
AC-Laden im Flottenversuch auf insgesamt 80,6 % beziffert (siehe Abb. 18 in Abschnitt
4.2).
Die potenziell rekuperierbare Energie in den einzelnen Fahrsituationen errechnet sich aus
der Verzögerung (negativen Beschleunigung) abzüglich der in diesen Phasen durch Rollund Luftwiderstand vernichteten Energie. Die Bremsenergie wird dabei jedoch nicht komplett rekuperiert, ein Teil der kinetischen Energie des Fahrzeugs wird beim Bremsvorgang
von den mechanischen Bremsen aufgenommen. Dieser Anteil liegt bei etwa 30 % [Guttenberg 2004] und ist vom Fahrmuster abhängig. Eine Korrelation konnte jedoch mit den
vorliegenden Daten auf Fahrtenebene nicht hergestellt werden. Daher wird pauschal davon ausgegangen, dass 30 % der kinetischen Energie durch mechanisches Bremsen in
Wärme umgewandelt wird. Konsequenterweise werden entlang des Antriebsstrangs für
die Rückgewinnung von Bremsenergie die gleichen Wirkungsgrade wie für den Antrieb
verwendet. Messtechnisch gesehen stellt die Rekuperation im Flottenversuch einen Unsicherheitsfaktor dar. Die Energiebilanz der Batterie wurde über ein StromSpannungsintegral bestimmt, daher sind die Verluste beim Wiedereinspeisen der Bremsenergie in die Batterie nicht in den Messwerten enthalten.
Tab. 15: Vergleich von Verbrauchswerten aus dem Flottenversuch mit einer Verbrauchsmodellierung
E-Verbrauch (Flottenversuch)
V_mean* (E-Fahrten)
V_mean (HBEFA)
V_mean (HBEFA adaptiert)
33
E-Verbrauch (Modell)
Innerortsfahrten
Außerortsfahrten
Autobahnfahrten
22,1 kWh/100km
19,0 kWh/100km
17,6 kWh/100km
30 km/h
68 km/h
72 km/h
35 km/h
79 km/h
106 km/h
30 km/h
68 km/h
72 km/h
21,71 kWh/100km
19,24 kWh/100km
17,48 kWh/100km
* Anmerkung zur Berechnung: Die mittlere Geschwindigkeiten für die einzelnen Straßenkategorien konnte
mit den vorliegenden Daten nicht ermittelt werden. Daher mussten diese anhand der gesamten Fahrtzeit sowie der Streckenaufteilung auf die Straßenkategorien per Regressionsverfahren bestimmt werden, was mit
Unsicherheiten verbunden ist.34
IFEU 2013
Mit den in Tab. 16 zusammengefassten Fahrzeugparametern und Wirkungsgraden für
den TwinDrive können die im Flottenversuch gemessen Stromverbrauchswerte an der
33
Die Fahrprofile des HBEFA für die Straßenkategorien „innerorts“, „außerorts“ und „Autobahn“
setzen sich jeweils aus einzelnen Verkehrssituationen zusammen. Diese wurden für die Abbildung
der Elektrofahrten im Fahrzeugmodell neu gewichtet, um die vom HBEFA abweichende Durchschnittsgeschwindigkeit im Flottenversuch widerzuspiegeln.
34
Da die in den Flottendaten enthaltenen Stillstandszeiten deutlich länger sind als in den Fahrzyklen des HBEFA, wurden für die Berechnung der mittleren Geschwindigkeit die Fahrzeiten (v > 0)
herangezogen und um die Stillstandszeit nach den Standardzyklen des HBEFA korrigiert.
IFEU-Institut
Seite 91
Batterie im elektrischen Betrieb unter den genannten Einschränkungen gut nachvollzogen
werden (Tab. 15).
10.1.3 Ableitung von Verbrauchswerten für Serienfahrzeuge
Im vorherigen Abschnitt wurde gezeigt, dass eine Verbrauchsmodellierung auf Basis von
Fahrzeugparametern und Wirkungsgraden den Energieverbrauch der Flottenversuchsfahrzeuge transparent nachvollziehen kann. Auf dieser Grundlage können nun die Verbrauchswerte für Serienfahrzeuge im Jahr 2020 und 2030 mittels Parameterannahmen für
diese Jahre abgeleitet werden.
Die Fahrzeuggewichte der Serienfahrzeuge 2020 und 2030 ergeben sich aus den Materialbilanzen. Für das Serienfahrzeug in 2020 wurde das Fahrzeuggewicht um die Prototypenkomponenten der Versuchsfahrzeuge reduziert (ca. 150 kg nach [VW 2012d]), zusätzlich wurde eine höhere Energiedichte von 100 Wh/kg für die Batterie angenommen. Da
das Serienfahrzeug 2020 für verschiedene Reichweiten bilanziert wird, schwankt das Gesamtgewicht der bilanzierten Fahrzeuge zwischen 1350 kg und 1430 kg. Für 2030 wurde
eine nochmals höhere Energiedichte der Batterie von 150 Wh/kg sowie Leichtbau mit
Aluminium angenommen, das Fahrzeuggewicht sinkt damit bei einer angenommenen
Reichweite von 40 km auf 1244 kg
Die weiteren Fahrzeugparameter wie Frontfläche sowie Roll- und Luftwiderstandsbeiwert
wurden zur besseren Vergleichbarkeit vom TwinDrive übernommen, da hier Verbesserungen auch mit einer Einschränkung von Komfort oder Fahrzeugdesign verbunden sein
können. Die Wirkungsgrade der Energieübertragung vom Elektromotor zum Rad sowie für
die Batterie wurden bereits für den TwinDrive sehr hoch angenommen und werden daher
ebenfalls konstant fortgeschrieben.
Tab. 16: Fahrzeugeigenschaften für Serienfahrzeuge 2020 und 2030
TwinDrive
Fahrzeuggewicht
1675 kg
PHEV 2020
1350 - 1430 kg
PHEV 2030
35
1244 kg
Frontfläche
2,2 m2
2,2 m2
2,2 m2
Rollwiderstandsbeiwert
0,0083
0,0083
0,0083
Luftwiderstandsbeiwert
0,311
0,311
0,311
Abgasnorm
Euro-5
Euro-6
Euro-6
Ladewirkungsgrad
85 %
88 %
90 %
Batteriewirkungsgrad
96 %
96 %
96 %
77 %-84 %
85 %
88 %
97 %
97 %
97 %
1165 / 1420 W
1100/1350 W
1100/1350 W
Ø Wirkungsgrad E-Motor
Wirkungsgrad
Antriebsstrang
Nebenverbraucher
(Hybridbetrieb/E-Betrieb)
IFEU 2013
Für die relevanten Ladeverluste findet sich in der Literatur eine große Bandbreite an Angaben von 15 % (z.B. [Engel 2007]), die auch im Flottenversuch gemessen wurden, bis zu
5 % ([Mazza & Hammerschlag 2005], [ZSW 2007]). Bei der für Ladegeräte notwendigen
35
Abhängig von der angenommen Fahrzeugreichweite bzw. Batteriekapazität
Seite 92
IFEU-Institut
Leistungselektronik werden für die Serienfertigung noch Effizienzpotentiale unterstellt, eine weitere Effizienzsteigerung ist z.B. von Gleichstromladeverfahren zu erwarten. Gegenüber dem im Flottenversuch praktizierten AC-Laden werden daher Verbesserungen auf
88 % in 2020 und 90 % in 2030 angenommen. Weitere relevante Verluste treten beim
TwinDrive am Elektromotor auf, auch hier sind jedoch Steigerungen des Wirkungsgrads
möglich und wahrscheinlich. Für das Serienfahrzeug in 2020 wird daher ein mittlerer Wirkungsgrad von 85 % angesetzt, für 2030 von 88 %.
Als Nebenaggregate sind im TwinDrive bereits Serienkomponenten verbaut, so dass für
das Serienfahrzeug 2020 nur geringe Verbesserungen erwartet werden. Die mittleren
Verbrauchswerte wurden daher abgerundet. Für 2030 wurden die Werte beibehalten, da
mögliche Effizienzsteigerungen in der Vergangenheit häufig durch eine umfangreichere
Ausstattung kompensiert wurden.
Einen wichtigen Einfluss auf den Verbrauch von PHEV hat die Betriebsstrategie des
Fahrzeugs, deren Aufgabe es ist, das Zusammenspiel der verschiedenen Antriebskomponenten im Sinne einer größtmöglichen Systemeffizienz zu steuern. Die möglichen Betriebsmodi des TwinDrives wurden im Abschnitt 2.2 erläutert. Laut VW-Angaben wird bei
etwa 50 km/h zwischen seriellem und durchgekoppeltem Hybridbetrieb umgeschaltet, die
genaue Betriebsstrategie des Fahrzeugs wurde von VW jedoch nicht offengelegt. Bei den
Verbrauchsberechnungen für 2020 wird daher davon ausgegangen, dass bei einem vorgegebenen Streckenanteil im E-Betrieb (der im Wesentlichen durch die Reichweite des
Fahrzeugs im E-Betrieb bestimmt wird) stets diejenigen Fahrsituationen elektrisch gefahren werden, bei denen das Verhältnis zwischen Stromverbrauch im Elektrobetrieb und
Kraftstoffverbrauch im Hybridbetrieb besonders günstig ist. Dies sind vor allem die Situationen bei niedrigen Geschwindigkeiten sowie nicht zu hoher Dynamik.
IFEU 2013
Abb. 48: Umsetzung der PHEV-Betriebsstrategie in eLCAr (am Beispiel des Außerorts-Fahrprofils)
Um die für den E-Betrieb günstigen Fahrsituationen zu identifizieren, wurden zunächst für
sämtliche Verkehrssituationen des HBEFA getrennt die Strom- bzw. Kraftstoffverbräuche
ermittelt (jeweils unter Annahme vollständigen Elektro- bzw. Hybridbetriebs). Anschließend wurden die Verkehrssituationen nach dem Verhältnis zwischen Strom- und Kraftstoffverbrauch sortiert (siehe Abb. 48). Die Anwendung der nach Straßenkategorie differenzierten E-Anteile (siehe Tab. 10) ergab schließlich für jede betrachtete Kombination
aus Reichweite und Infrastrukturverfügbarkeit ein spezifisches Fahrmuster sowohl für den
E-Betrieb als auch für den Hybridbetrieb. Dies wurde zugrunde gelegt, um nun die Energieverbräuche der betrachteten Fahrzeuge zu berechnen. Die für die verschiedenen Szenarien resultierenden Gesamtverbrauchswerte sind in Abb. 49 dargestellt.
IFEU-Institut
Seite 93
Stromverbrauch (kWh/100km)
18
16
14
PHEV 2030
12
10
8
6
Vorteil durch
Hybridisierung
4
2
Diesel 2030
0
0
1
2
Diesel 2020/
Otto 2030
3
4
5
Kraftstoffverbrauch (l/100km)
Otto 2020
6
7
8
IFEU 2013
Abb. 49: Abgeleitete Verbrauchswerte für Serienfahrzeuge 2020 und 2030
Durch die oben beschriebene „intelligente“ Verteilung der Elektroanteile auf die Fahrsituationen kann eine erhebliche Senkung des spezifischen Strombedarfs erreicht werden,
während der spezifische Kraftstoffverbrauch in etwa gleich bleibt. Abb. 50 zeigt die Änderungen der spezifischen Verbräuche gegenüber einer Gleichverteilung des Elektrobetriebs
auf alle Verkehrssituationen. Bei einer geringen elektrischen Reichweite werden bereits
die für den Verbrennungsmotor besonders ineffizienten Fahrsituationen (insbesondere
Stop & Go) durch den Elektromotor übernommen, so dass in diesem Fall zusätzlich zu einer starken Senkung des Strombedarfs auch eine leichte Minderung des spezifischen
Kraftstoffverbrauchs erreicht werden kann. Bei hohen Anteilen des E-Betriebs kommt der
Verbrennungsmotor dann zunehmend nur noch in Situationen hoher Leistungsanforderung zum Einsatz, also insbesondere bei Konstantfahrten mit hoher Geschwindigkeit.
Aufgrund der hohen Fahrwiderstände in diesen Situationen bleibt der spezifische Kraftstoffverbrauch in etwa gleich, obwohl der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors in diesem Leistungsbereich höher ist. Der Stromverbrauch kann auch in diesem Fall deutlich
reduziert werden, allerdings muss der E-Betrieb nun auch vergleichsweise „ungünstige“
Situationen übernehmen (v.a. höhere Geschwindigkeiten), weswegen der spezifische
Elektroverbrauch durch die Optimierung weniger stark sinkt.
Es ist zu berücksichtigen, dass Abb. 50 lediglich Aussagen über die Änderung der kilometerbezogenen Verbräuche durch die Optimierung der Betriebsstrategie macht. In der Praxis ist mit einer Senkung des spezifischen Stromverbrauchs allerdings auch eine Steigerung der Reichweite und damit des elektrischen Fahranteils verbunden. Letztendlich dürfte die Optimierung daher in der Regel zu einer entsprechenden Senkung des Kraftstoffverbrauchs führen.
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IFEU-Institut
IFEU 2013
Abb. 50: Energieeinsparungen durch optimierte Betriebsstrategie nach elektrischer Reichweite
10.2 Bilanzierung der Auspuffemissionen
Beim Betrieb von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entsteht neben den direkt mit dem
Kraftstoffverbrauch zusammenhängenden CO2-Emissionen auch eine Vielzahl weiterer
Schadstoffemissionen. Diese hängen vor allem von der Abgasbehandlung und der Kraftstoffqualität ab. Europäische Standards (Euro-Normen) begrenzen den Ausstoß dieser
Schadstoffe und wurden in den letzten Jahren deutlich verschärft (siehe Abb. 51). Insbesondere bei Diesel-Pkw sind die Grenzwerte bei Stickoxiden seit 2000 um über 60 % und
bei Partikeln sogar um 90 % gesunken. Bei Otto-Pkw wird derzeit (Euro-5) erstmals ein
Partikelgrenzwert eingeführt.
0,6
0,06
NOx in g/km
Partikel in g/km
0,5
0,05
NOx‐Emissionen
0,4
0,04
Partikelemissionen
0,3
0,03
0,2
0,02
0,1
0,01
0
Euro 3
(ab 2000)
Euro 4
(ab 2005)
Euro 5
(ab 2011)
Otto
Euro 6
(ab 2015)
Euro 3
Euro 3
(ab 2000)
(ab 2000)
Euro 4
Euro 5
(ab 2005) (ab 2011)
0
Euro 6
(ab 2015)
Diesel
Quelle: [EU 2002] und [EU 2007]
Abb. 51: Stickoxid- und Partikel-Grenzwerte verschiedener Fahrzeuggenerationen
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Seite 95
Die Grenzwerte müssen im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) eingehalten werden,
in der Praxis kommt es jedoch häufig zu höheren Emissionen. Insbesondere die NOx–
Emissionen bei Diesel-Pkw lagen nach [INFRAS 2010] deutlich über den Grenzwerten.
Mit der Einführung des Partikelfilters (ab Euro 4 bei vielen Fahrzeugen) sanken die Diesel-Partikelemissionen auf ein sehr niedriges Niveau. Mit der Einführung der Euro-6Grenzwerte wird eine deutliche Reduktion der NOx-Emissionen erwartet (siehe Beispiel
für den Innerortsbereich in Abb. 52).
Emissionsdaten von Pkw und leichten Nutzfahrzeugen werden ebenfalls im Rahmen der
Fahrzeugzulassung gemessen. Wie auch bei den Verbrauchsdaten sind keine Nebenverbraucher berücksichtigt und das zugrundeliegende Fahrprofil des NEFZ weist nur eine geringe Dynamik auf.
Den Umweltbilanzen in diesem Bericht werden daher die Daten aus dem Handbuch
Emissionsfaktoren (HBEFA) zu Grunde gelegt. Neben den Emissionen des warmen Motors liegen dabei differenzierte Emissionsfaktoren für den Kaltstart sowie bei Kohlenwasserstoffen auch für die Verdunstungsemissionen (Betankung, Tankatmung) vor. Die Differenzierung kann den betrachteten Fahrzeugtypen, Nutzungsmustern und Szenarien zugeordnet werden:

Emissionsstufe

Antriebsart

Größenklasse des Fahrzeugs (Klein, Mittel, Groß)

Straßenkategorie (Innerorts-, Außerortsstraßen, Autobahn)
Während das Referenzfahrzeug und der TwinDrive im Flottenversuch der Emissionsstufe
Euro-5 entsprechen, wird für 2020 Euro-6 angesetzt. Unterschiede gibt es dabei vor allem
bei den NOx-Emissionen von Diesel-Pkw. Bis 2030 ist auch eine über Euro-6 hinausgehende Reduktion der Emissionen denkbar. Dazu gibt es aber derzeit noch keine konkreten Vorschläge. Nach [IFEU 2012a] wird für alle Bilanzen ein Schwefelgehalt von 8 ppm
unterstellt.
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Stickoxide (NOx)
Kohlenmonoxid
4
0,8
g / km
3
0,6
2
0,4
1
0,2
0
g / km
0,0
Euro 5
Euro 6
Euro 5
Otto
Euro 6
Euro 5
Diesel
Euro 6
Otto
NMHC
0,8
Euro 5
Euro 6
Diesel
Feinstaub (PM10)
3
g / km
0,6
mg / km
2
0,4
1
0,2
0,0
0
Euro 5
Euro 6
Otto
Euro 5
Euro 6
Diesel
Euro 5
Euro 6
Otto
Quelle: [INFRAS 2010]
Abb. 52: Emissionsfaktoren (innerorts) ausgewählter Schadstoffe nach HBEFA
Euro 5
Euro 6
Diesel
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10.3 Bilanzierung der Energiebereitstellung
Die Energiebereitstellung ist ein wichtiger Bestandteil der Ökobilanz, insbesondere bei einem Vergleich von Antriebskonzepten mit teilweise unterschiedlichen Energiequellen. In
Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren werden überwiegend fossile Ottound Dieselkraftstoffe genutzt, die aber einen steigenden Anteil an Biokraftstoffen enthalten. Der Plug-In-Hybrid verwendet zusätzlich Strom aus dem Netz. Die zur Herstellung
des Kraftstoffs und Stroms notwendigen Aufwendungen von den Lagerstätten bis zum
Tank bzw. bis zur Batterie (Well-to-Tank) werden in den Umweltbilanzen berücksichtigt.
Dazu gehört die Förderung von Rohstoffen, deren Transport und Verarbeitung in Raffinerien oder Kraftwerken sowie die weitere Verteilung bis zum Fahrzeug (siehe Abb. 53). Um
unterschiedliche Rahmenbedingungen und Entwicklungen der Stromerzeugung in Szenarien abbilden zu können, erfolgt die Bilanzierung der Strombereitstellung nach Kraftwerken differenziert. Zukünftige Änderungen in der Kraftstoffzusammensetzung (Biokraftstoffe und Kraftstoffe aus unkonventionellen Vorkommen) werden ebenfalls berücksichtigt.
Abb. 53: Überblick Well-to-Wheel-Emissionen
10.3.1 Strombereitstellung
Zur Bilanzierung der Strombereitstellung wird ein hochdifferenziertes Ökobilanzmodul zur
Berechnung von Strombereitstellungsketten verwendet. Darin sind die grundsätzlichen
Energieträger- und Kraftwerksarten als einzelne Module hinterlegt. Dieses Strommodul
wird standardmäßig in allen IFEU-Ökobilanzen verwendet.
Der Energieträgermix und wesentliche technische Kenngrößen der Energieanlagen können frei eingestellt werden. Die Systemgrenze des IFEU-Strommaster umfasst die gesamte Well-to-Tank-Kette, also

die Brennstoffvorketten (Steinkohle, Braunkohle, Erdgas, Kokerei- und Hochofengas,
Kernbrennelemente, Biomasse)

die Kraftwerksprozesse zur Stromerzeugung mit Stein- und Braunkohle, Erd-, Koksund Hochofengas, Biomasse, sowie Kern-, Wasser- und Windkraft.

die Verteilung des Stroms bis zum Verbraucher mit entsprechenden Leitungs- und
Umspannverlusten.
Die Aufwendungen der Herstellung von Anlagen werden bei der fossilen und nuklearen
Stromerzeugung vernachlässigt und nur bei den Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer
Seite 98
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Energien berücksichtigt. Hier stellen sie aufgrund der als gegeben angenommen Primärenergie der erneuerbaren Quellen die einzige Quelle von Umweltbelastungen dar. Betrachtet wird dann die Bereitstellung der bedeutendsten Baustoffe (Stahl in verschiedenen
Legierungsstufen, div. NE-Metalle, Kunststoffe, Zement, Beton, Bitumen u.a.) sowie die
Energieaufwendungen zur Fertigung der Anlagen (Daten nach [Ecoinvent 2008]).
Abb. 54: Module des IFEU-Strommaster
Abb. 54 gibt eine Übersicht der einzelnen Module im IFEU-Strommaster: Brennstoffvorketten, Kraftwerkstypen und Netzebenen. Die Systemgrenze der Vorketten erstrecken
sich vom Abbau bis zum Werktor des jeweiligen Kraftwerks und umfassen Transport, Aufbereitungs- und ggf. Raffinationsschritte. Berücksichtigt sind auch die Hilfs- und Betriebsstoffverbräuche wie auch die Beseitigung von entstehenden, nicht verwertbaren Abfällen.
Die Systemgrenze jedes Kraftwerksmoduls umfasst dann die eigentlichen Kraftwerksprozesse zur Stromerzeugung, die Vorketten der Hilfs- und Betriebsstoffe (z.B. Kalksteinmehl, Ammoniak) und die Beseitigung von entstehenden, nicht verwertbaren Abfällen auf
Inertstoff- (z.B. Aschen, Granulate) oder Sonderabfalldeponien (z.B. REA-Schlamm).
Altersstruktur und Technologien der Kraftwerke unterscheiden sich deutlich, daher werden
alte und moderne Kraftwerke unterschieden. Dabei wird für moderne Kraftwerke von einer
Reduktion der NOx-Emissionen gegenüber dem heutigen Bestand von 20 % ausgegangen (dies kann z.B. durch Rauchgaswäsche nach neuestem Stand der Technik erreicht
werden). Zusätzlich kann der Wirkungsgrad der Kraftwerke frei eingestellt werden und ist
für den aktuellen Kraftwerkspark im IFEU-Strommaster voreingestellt. Für die Strommixe
in 2030 werden die mittleren Wirkungsgrade von Perseus ermittelt (siehe Abschnitt 6.4.1)
und direkt in eLCAr eingespeist. Für 2020 wurden zwischen diesen beiden Werten interpolierte Wirkungsgrade angesetzt.
Weiterhin werden Umspann- und Leitungsverluste berücksichtigt. Die Höhe dieser Verluste hängt vom Spannungsniveau des nachgefragten Stroms ab. Als mittlere Netzverluste
werden 6,1 % angenommen.
Braun- und Steinkohle- und Gaskraftwerke erzeugen heute noch etwa 50 % des Stroms in
Deutschland (siehe Tab. 17). Der für 2020 angesetzte Strommix orientiert sich an der
Leitstudie 2011 ([ISI et al. 2012]), dadurch sinkt der Erzeugungsanteil von Kohlekraftwerken bis 2020, während Gaskraftwerke ihren Anteil fast verdoppeln. Der Anteil der Kern-
IFEU-Institut
Seite 99
energie sinkt von heute etwa 17 % auf 12 %, während der Anteil erneuerbarer Energien
von heute etwa 23 % auf über 40 % in 2020 ansteigt.
Tab. 17: Strommix und mittlerer Wirkungsgrad der Strombereitstellung in Deutschland 2012 und 2020
Strommix 2012
1)
Strommix 2020
2)
Anteil
Wirkungsgrad (netto)
Anteil
Wirkungsgrad
Gas
11,7 %
51,1 %
20,7 %
55,4 %
Steinkohle
20,3 %
39,7 %
11,0 %
42,2 %
Braunkohle
27,7 %
35,9 %
14,7 %
38,9 %
Kernenergie
17,1 %
33,0 %
11,9 %
33,0 %
Wasserkraft
3,5 %
NA
4,2 %
NA
Windkraft
7,8 %
NA
20,6 %
NA
Photovoltaik
4,9 %
NA
8,0 %
NA
Biogas-BHKW
7,0 %
25 %
8,8 %
25 %
Quellen:
1)
[AGEB 2013],
2)
[ISI et al. 2012]
IFEU 2013
Für den durchschnittlichen Strommix in Deutschland ergibt sich damit heute für jede bereitgestellte Kilowattstunde eine Klimabelastung von 622 g CO2-Äquivalenten, welche bis
2020 auf 388 g CO2-Äquivalenten zurückgeht (siehe Tab. 18). Dies wird vor allem durch
den höheren Anteil erneuerbarer Energien und eine Verschiebung der fossilen Energieerzeugung hin zu Graskraftwerke bestimmt.
Tab. 18: Umweltwirkungen der durchschnittlichen Strombereitstellung in Deutschland 2012 und 2020
2012
2020
Klimawirkung (g/kWh)
622
388
KEA nicht erneuerbar (MJ/kWh)
8,3
5,6
KEA erneuerbar (MJ/kWh)
0,7
1,4
Versauerung (g/MJ)
1,2
0,7
Terr. Eutrophierung (mg/MJ)
90
58
Sommersmog (mg/MJ)
50
32
PM10 (mg/MJ)
87
53
IFEU 2013
10.3.2 Bereitstellung von Kraftstoffen
In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren (Diesel- und Otto-Pkw, Plug-In-Hybride und
Fahrzeugen mit Range Extender) werden heute vorwiegend die erdölbasierten Dieselund Otto-Kraftstoffe eingesetzt. Aufgrund der EU-Biokraftstoffrichtlinie 2003/30/EC ([EU
2003]) und der in Deutschland bis 2007 wirksamen Steuerbefreiung von Biokraftstoffen
hat sich der Anteil der Biokraftstoffe in den letzten Jahren in Deutschland stark erhöht. Biokraftstoffe verbessern in der Regel die Klimabilanz konventioneller Fahrzeuge, da der
enthaltene Kohlenstoff zuvor durch Wachstum der Biomasse aus der Atmosphäre entnommen wurde.
Es muss davon ausgegangen werden, dass vor dem Hintergrund knapper werdender
konventioneller Erdölfelder auch die Nutzung unkonventioneller Ölvorkommen (z.B. Ölsande) zunimmt. 2035 könnte der Anteil an der weltweiten Ölproduktion nach [IEA 2010]
bereits über 10 % betragen. Daher werden hier betrachtet:
Seite 100
IFEU-Institut

Benzin und Dieselkraftstoff aus deutschen Raffinerien

Biokraftstoffe (Bioethanol, Biodiesel)

Neue fossile Kraftstoffpfade (Ölsande, Ctl)
Die betrachten Kraftstoffe unterscheiden sich dabei z.T. erheblich hinsichtlich ihrer Dichte
und ihres Energiegehaltes (siehe Tab. 19). Die Ergebnisdarstellung erfolgt daher energiebasiert pro Energieinhalt (MJ).
Tab. 19: Kraftstoffeigenschaften
Benzin fossil
Bioethanol
Diesel fossil
Biodiesel
Energiegehalt (kJ/kg)
43.543
26.917
42.960
37.242
Dichte (kg/l)
0,742
0,782
0,832
0,879
Quelle: [IFEU 2012a]
IFEU 2013
10.3.2.1 Datengrundlagen für die Kraftstoffbereitstellung
Benzin und Dieselkraftstoff
Die Modellierung der Raffinierprozesse erfolgt in UMBERTO mit einem am IFEU entwickelten Raffinerie-Modell, das in verschiedenen IFEU-Projekten entwickelt und eingesetzt
wurde (insbesondere [UBA 2004]). Zudem wird die Bereitstellung der Energieträger (vom
Bohrloch bis zur Raffinerie) berücksichtigt. Die wesentlichen Basisdaten gehen zurück auf
[Hedden & Jess 1994] und [FZ Jülich 1994], den Mineralölwirtschaftsverband ([MWV
2001]) und zahlreiche von IFEU direkt recherchierte Unternehmensdaten.
Die Zurechnung auf das Kuppelprodukt Heizöl erfolgt nach massenbasierter Allokation.
Der Aufwand von Crackprozessen, die zur Minimierung schwerer Rückstände dienen,
wird nicht auf die danach verbleibenden Rückstände angerechnet.
Biokraftstoffe
Die Basisdaten zur Bereitstellung der hier betrachteten Biokraftstoffe basieren auf den Ergebnissen eines Forschungsvorhabens im Auftrag der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik und dem Umweltbundesamt ([IFEU 2011a]). Die Berechnungsweise der
Treibhausgaswerte für die betrachteten Biokraftstoffe folgt dabei den Regeln der Erneuerbare Energie Richtlinie ([EU 2009a]) und wurde um die klassischen Luftschadstoffe sowie
Primärenergie erweitert. Landnutzungsänderung können zu einer gravierenden Änderung
der Umweltbilanz von Biokraftstoffen führen, sind aber methodisch schwer zu erfassen.
Da Biokraftstoffe kein Fokus dieser Studie sind, werden Landnutzungsänderungen in den
verwendeten Werten nicht berücksichtigt
Die Daten für Luftschadstoffe wurden dabei nach der gleichen methodischen Vorgehensweise und den analogen Basisdaten, die den „typischen Werten“ für THG-Emissionen
nach Anhang V der Richtlinie 2009/28/EG entsprechen, errechnet. Dabei wurden zunächst die Daten- und Modellstruktur der Herstellungsketten herangezogen, wie sie im
von der EU geförderten Projekt BioGrace36 zu Grunde gelegt wurden, um die „typischen
Werte“ für THG-Emissionen nach Anhang V der Richtlinie 2009/28/EG ([EU 2009a]) exakt
nachzuberechnen. So wurden z.B. zu den entsprechenden Strom-, Dünger-, DieselVorkettenwerten die Datenwerte zu Emissionen und Primärenergie aus den dort verwendeten Datenquellen in ein Umberto-Netz eingepflegt. Lagen in den Originaldatenquellen
36
Siehe: http://biograce.net/
IFEU-Institut
Seite 101
nur Treibhausgaswerte vor, so wurden die Daten von IFEU nach Maßgabe höchstmöglicher Analogie zu den Originaldaten ergänzt.
Neue fossile Kraftstoffpfade
Neben Benzin und Diesel aus Ölsanden wird der Pfad „Coal to Liquid“ (CTL) betrachtet.
Die Bilanzierung beider Prozessketten basiert auf [Schimpf 2010], wobei die folgenden
Prozessstufen berücksichtigt wurden:

Rohstoffgewinnung (z. B. Kohlebergbau, Erdölförderung),

Rohstoff-Transport (z. B. Hydrotransport des Ölsands zur Extraktionsanlage),

Produktion des Kraftstoffs (z. B. CtL-Werk, Extraktionsanlage und Upgrading
bei Ölsanden, Raffinerie),

Transport und Verteilung des Kraftstoffs,
Vernachlässigt wurden die Herstellung und Entsorgung der Infrastruktur (Maschinen, Betriebsstätten, Transportmittel, Straßen), Wasserentnahmen sowie Umweltwirkungen durch
Unfälle.
Kraftstoffmixe
In der Praxis kommen heute in der Regel Kraftstoffe mit einer Beimischung an Biokraftstoffen zum Einsatz. Die Änderungen des Beimischungsanteils werden in den Szenarien
betrachtet. Die weitere Entwicklung wird hinsichtlich des Kraftstoffmixes als Szenario abgebildet, die Bereitstellungsprozesse werden dabei jedoch unverändert übernommen.
Zwar sind zusätzliche Kraftstoffpfade (z.B. Biokraftstoffe der so genannten zweiten Generation) und weitere Prozessoptimierung denkbar. Eine detaillierte Modellierung dieser
Entwicklungen ist jedoch nicht Fokus dieser Studie.
Der in den Umweltbilanzen angenommene Biokraftstoffanteil (siehe Tab. 20) basiert für
Deutschland auf TREMOD ([IFEU 2012a]). Für 2012 und 2020 wird Biodiesel vollständig
aus Raps (RME) und Bioethanol aus Weizen angenommen. Für 2030 wird Bioethanol zu
gleichen Teilen aus Weizen und Zuckerrohr und Biodiesel aus Raps und Palmöl angenommen.
Tab. 20: Durchschnittlicher energetischer Kraftstoffmix in Deutschland 2010 und Szenarien für 2030
2010
2020/2030
Benzin
Diesel
Benzin
Diesel
Fossil (Raffinerie)*
95 %
91,3 %
90 %
87 %
Biokraftstoffe (Gesamt)
5%
8,7 %
10 %
13 %
Quelle: [IFEU 2009]
IFEU 2013
10.3.2.2 Wirkungsabschätzung der Kraftstoffbereitstellung
Die mit der Herstellung eines MJ Kraftstoffs verbundenen Treibhausgasemissionen (Tab.
21 und Tab. 22) liegen für Otto-Kraftstoff aus konventionellen Ölvorkommen bei etwa 18 g
CO2-Äquivalenten/MJ, für Diesel bei etwa 12 g CO2-Äquivalenten/MJ. Diese Treibhausemissionen betragen damit für Otto-Kraftstoff etwa 25 % und für Diesel etwa 16 % der
CO2-Emissionen die durch Verbrennung der Kraftstoffe entstehen.
Die Treibhausgasemissionen der Bereitstellung von Kraftstoffen aus Ölsanden sind etwa
doppelt so hoch. Besonders hohe Emissionen sind mit Coal-to-Liquids (CtL) verbunden,
diese liegen etwa 20x höher als bei Dieselkraftstoff aus konventionellen Ölvorkommen.
Seite 102
IFEU-Institut
Die Bereitstellung von Biokraftstoffen ist mit deutlich höheren Treibausgasemissionen
verbunden als die Herstellung von Kraftstoffen aus fossilen Rohstoffen. Diese resultieren
hauptsächlich aus den landwirtschaftlichen Prozessen (z.B. Düngung). Es entsteht jedoch
keine weitere Klimabelastung aus der Kohlenstoffverbrennung in der Nutzungsphase, da
der enthaltene Kohlenstoff vorher der Atmosphäre entnommen wurde. In der Gesamtbetrachtung (Well-to-Wheel) stehen Biokraftstoffe (ohne Berücksichtigung von Landnutzungsänderungen) daher in der Regel deutlich besser da als fossile Kraftstoffe.
Auch in den übrigen Wirkungskategorien zeigen sich deutliche Unterschiede:

Kraftstoffe aus konventionellen Ölvorkommen schneiden im Herstellungsprozess neben den Treibhausgasemissionen auch bei Umweltwirkungen wie Versauerung, terrestrischer Eutrophierung und Feinstaubbelastung am besten ab.

Biokraftstoffe zeigen bei der terrestrischen Eutrophierung und bei der Versauerung die
höchsten Umweltwirkungen der betrachteten Kraftstoffe. Dies liegt vor allem am Einsatz von Düngemitteln.

Ölsande haben in fast allen Wirkungskategorien Nachteile gegenüber Kraftstoff aus
konventionellen fossilen Vorkommen, die beim Sommersmog besonders deutlich sind.
Tab. 21: Umweltwirkungen der Ottokraftstoffbereitstellung
Ölsande (in situ)
Bioethanol (Weizen)
Bioethanol (Zuckerrohr)
Bioethanol (Zuckerrübe)
2012
2020
2030
Kraftstoffmix
Ölsande (Bergbau)
Biokraftstoffe
Raffinerie Deutschland
Fossil
Klimawirkung (g/MJ)
17,9
33,7
39,3
52,0
24,3
32,8
19,7
21,4
20,0
KEA (MJ/MJ)
(nicht erneuerbar)
1,3
1,9
2,0
0,4
0,2
0,4
1,2
1,2
1,2
KEA (MJ/MJ)
(erneuerbar)
0,0
0,0
0,0
2,1
2,0
1,3
0,1
0,2
0,2
Versauerung (g/MJ)
0,10
0,12
0,12
0,29
0,54
0,15
0,11
0,12
0,13
5,1
6,3
5,1
59,1
70,3
30,4
7,8
10,5
11,1
Sommersmog (mg/MJ)
4,3
8,2
8,1
3,2
14,7
2,3
4,2
4,2
4,8
PM10 (mg/MJ)
4,7
5,0
3,7
6,0
21,9
5,4
4,8
4,8
5,6
IFEU 2013
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Seite 103
Tab. 22: Umweltwirkungen der Dieselkraftstoffbereitstellung
Biodiesel (Raps)
Biodiesel (Palmöl)
2012
2020
2030
Klimawirkung (g/MJ)
12,0
28,4
34,0
263,6
51,8
36,8
15,4
17,1
16,2
KEA (MJ/MJ)
(nicht erneuerbar)
1,2
1,8
1,9
4,0
0,6
0,6
1,1
1,1
1,1
KEA (MJ/MJ)
(erneuerbar)
0,0
0,0
0,0
0,0
1,6
3,6
0,14
0,21
0,34
Versauerung (g/MJ)
0,1
0,1
0,1
0,2
0,3
0,3
0,08
0,09
0,10
4,1
5,2
4,0
16,1
65,2
49,4
9,4
12,1
11,0
Sommersmog (mg/MJ)
2,8
6,0
6,0
14,0
3,2
7,5
2,9
2,9
3,2
PM10 (mg/MJ)
3,6
3,7
2,5
8,5
7,7
13,3
4,0
4,1
4,5
CtL
Ölsande (in situ)
Kraftstoffmix
Ölsande (Bergbau)
Biokraftstoffe
Raffinerie D
Fossil
IFEU 2013
Seite 104
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10.4 TREMOD Modellierungen der Marktszenarien
10.4.1 Bestandsmodellierung und Fahrleistungsverteilung
Basis der Bestandsmodellierung sind die Anzahl der jährlichen Neuzulassungen und das
Überlebensverhalten der Fahrzeuge im Zeitverlauf. In TREMOD wird für jedes Fahrzeugsegment (beschrieben durch Antriebsart und Größenklasse) und jedes Zulassungsjahr das weitere Überlebensverhalten mit einer Überlebenskurve beschrieben, die für alle
Folgejahre die im Bestand verbliebenen Fahrzeuge bezogen auf die Neuzulassungen beschreibt.
3.500.000
3.500.000
Pkw Neuzulassungen in Deutschland (Moderate Marktentwicklung)
3.000.000
3.000.000
2.500.000
2.500.000
sonstige
2.000.000
Pkw Neuzulassungen in Deutschland (Forcierte Durchdringung)
sonstige
2.000.000
PHEV
PHEV
BEV
BEV
1.500.000
Diesel
1.500.000
Diesel
Otto
Otto
1.000.000
1.000.000
500.000
500.000
0
0
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
2012
Quelle: [DLR 2012b], [IFEU 2012a]
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
2028
2030
IFEU 2013
Abb. 55: Szenarien der Pkw-Neuzulassungen in Deutschland
Die jährlichen Neuzulassungen waren durch die Marktszenarien des DLR ([DLR 2012b])
in 5-Jahresschritten vorgegeben, die Zwischenjahre wurden interpoliert. Die Überlebenskurven für konventionelle Pkw wurden für die Vergangenheit aus der KBA-Statistik für
Benzin- und Diesel-Pkw der drei Größenklassen abgeleitet, indem über mehrere Jahre die
Veränderung im Bestand beobachtet und daraus mittlere Überlebenswahrscheinlichkeiten
abgeleitet wurden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sie nicht nur das rein technische
Überleben der Fahrzeuge beschreiben, sondern deren Verbleib in der deutschen Fahrzeugstatistik. Genau dies ist jedoch auch die relevante Größe für eine territoriale Emissionsberechnung.
Für die neuen Fahrzeugkonzepte gibt es bisher keine Anhaltspunkte für ihre mögliche Lebensdauer. Bisherige Studien beziehen sich meist auf einen angenommenen Fahrzeugbestand in einem bestimmten Jahr und machen daher keine Aussagen. Es gibt jedoch
auch keine belastbaren Informationen, die zur Ableitung eines wesentlich anderen Überlebensverhaltens der neuen Fahrzeugkonzepte geeignet wären (z.B. Einfluss der Batterielebensdauer). Daher wurde die Annahme getroffen, dass Elektrofahrzeuge das gleiche
Überlebensverhalten haben wie die konventionellen Fahrzeuge, die sie ersetzen. PHEV
werden daher mit den gleichen Überlebenskurven fortgeschrieben, wie die ersetzten Benzin- und Dieselfahrzeuge der entsprechenden Größenklasse. Bei den BEV wurde angenommen, dass sie das Überlebensverhalten von mittleren Benzin-Pkw haben.
Die Fahrleistungsrelationen berücksichtigen die unterschiedlichen mittleren Fahrleistungen der unterschiedlichen Fahrzeugkonzepte und werden in TREMOD je Straßenkategorie angegeben. Sie sind normiert auf kleine Benzin-Pkw (100%). Ist der Wert für ein anders Fahrzeugsegment höher, fährt ein mittleres Fahrzeug dieses Segments entsprechend mehr als ein mittlerer kleiner Benzin-Pkw. Eine weitere Relation beschreibt die Ab-
IFEU-Institut
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hängigkeit der Fahrleistung vom Fahrzeugalter. Diese ist je Fahrzeugsegment und Straßenkategorie unterschiedlich.
Basis aller Relationen sind v.a. Fahrleistungserhebungen, die 1993 und 2002 durchgeführt wurden. Im Wesentlichen werden dadurch die folgenden Fahrleistungseigenschaften
abgebildet:




Diesel-Pkw haben eine höhere Jahresfahrleistung als Benzin-Pkw
Große Pkw haben eine höhere Jahresfahrleistung als kleine Pkw
Neue Pkw haben eine höhere Jahresfahrleistung als ältere Pkw
Pkw mit einer höheren Jahresfahrleistung haben einen höheren Fahrleistungsanteil auf Autobahnen als andere.
Die bisher abgeleiteten Verteilungen für konventionelle Fahrzeuge wurden auch für PHEV
mit prinzipiell ähnlichen Nutzungsmöglichkeiten angenommen. Für BEV werden die Annahmen modifiziert. Dabei werden die folgenden Randbedingungen der Nutzung zugrunde gelegt:



BEV werden aufgrund der hohen Fahrzeugkosten nur in größerer Stückzahl gekauft, wenn sie viel genutzt werden. Die mittlere Jahresfahrleistung der BEV sollte
daher höher sein als die von konventionellen Benzin-Fahrzeugen.
Aufgrund der eingeschränkten Reichweite erfolgt der Einsatz von BEV vor allem
auf kurzen und mittleren Strecken und damit häufiger im städtischen Bereich und
dessen Umgebung.
Um diese Annahmen abzubilden, werden folgende Fahrleistungsrelationen für
BEV definiert:
o Die Innerortsfahrleistung eines BEV ist um 80 % höher als die eines Benzin-Pkws gleicher Größe
o Die Außerortsfahrleistung ist um 30 % höher
o Die Autobahnfahrleistung ist gleich
o Die Relation der Fahrleistung nach Alter entsprechen denjenigen der Benzin-Pkws
PHEV-Fahrzeuge können sowohl im Elektro- als auch im Verbrennungsbetrieb gefahren
werden. Es wird angenommen, dass die Nutzer der ersten Stunde besonders viele Strecken im elektrischen Betrieb zurücklegen. Nach einer verstärkten Marktdurchdringung ist
davon auszugehen, dass sich die mittlere Fahrzeugnutzung dem Durchschnitt annähert.
Dies bedeutet, dass anfangs der Anteil im Elektrobetrieb höher ist als in späteren Jahren.
Daher wird angenommen, dass der mittlere Anteil der Fahrleistung im Elektrobetrieb bei
80 % liegt und später auf 60 % absinkt. Für die Modellierung in TREMOD werden diese
Annahmen weiter nach Straßenkategorien aufgeteilt, dabei ist der Anteil auf Innerortsstraßen am höchsten, auf Autobahnen am niedrigsten. Diese Anteile werden für alle Größenklassen und Antriebsarten (d.h. PHEV Benzin und Diesel) angenommen.
10.4.2 Energieverbrauch und Emissionen
In TREMOD ist der Energieverbrauch und der Emissionsfaktor für jede Fahrzeugschicht
nach Verkehrssituationen differenziert hinterlegt. Basis ist das HBEFA 3.1 [INFRAS 2010].
Die verwendeten Faktoren sollen den Verbrauch und die Emissionen im realen Fahrbetrieb abbilden. Sie werden auf Basis umfangreicher europaweiter Messprogramme in verschiedenen Fahrzyklen ermittelt. Dabei wird nicht nur der gesetzliche Typprüfzyklus verwendet sondern verschiedene, auf Basis des realen Fahrverhaltens abgeleitete Fahrzyklen.
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IFEU-Institut
Die Aufbereitung der Messergebnisse und Überführung in realistische und repräsentative
Emissions- und Verbrauchsfaktoren je Verkehrssituation erfolgt mit dem Modell PHEM
(Passenger Car and Heavy Duty Emission Model) der TU Graz [TU Graz 2009].
Die abgeleiteten Kennzahlen repräsentieren die durchschnittliche europäische Fahrzeugflotte. Beim Kraftstoffverbrauch der Pkw wirken sich jedoch länderspezifische Unterschiede in der Flottenzusammensetzung deutlich auf den mittleren Kraftstoffverbrauch eines
Fahrzeugsegments (z.B. Benzin, Größenkasse „mittel“) aus. Aus diesem Grund werden
die Pkw-Verbrauchsfaktoren im HBEFA auf Basis des europäischen CO2-Monitorings länderspezifisch angepasst. Hierzu wird der NEFZ-Verbrauch der neuzugelassenen Fahrzeuge im Bezugsjahr 2002 für jedes Land mit dem Verbrauch der im HBEFA zugrunde
liegenden Fahrzeugflotte (Referenz: Euro-3 Fahrzeuge, Baujahr 2002) auf Ebene der
Fahrzeugsegmente verglichen und korrigiert. Ausgehend von diesen korrigierten Basiswerten wird der zeitliche Verlauf der Verbrauchsentwicklung der Neufahrzeuge anhand
der Ergebnisse des CO2-Monitoring für die einzelnen Länder als relative Entwicklung fortgeschrieben.
In TREMOD wird die zeitliche Entwicklung der neuzugelassenen Pkw anhand der neuesten Monitoring-Ergebnisse, die in Deutschland vom KBA aufbereitet werden, jährlich aktualisiert. Dabei wird nach den Antriebsarten, den drei Größenklassen und nach Straßenkategorien differenziert. Basis für die Fortschreibung in den Szenarien waren hier die Monitoring-Ergebnisse bis zum Jahr 2010.
Die Annahmen für die Entwicklung der Energieeffizienz der konventionellen Pkw in den
Szenarien lehnen sich an das aktuelle Basisszenario von TREMOD an. Dieses unterstellt,
dass der für die EU diskutierte Flottenzielwert von 95 g/km für 2020 in Europa erreicht
wird, berücksichtigt aber, dass die deutschen Neuzulassungen im Mittel deutlich über dem
europäischen Durchschnitt liegen. Der mittlere Flottenwert der Neuzulassungen in
Deutschland im NEFZ für das Jahr 2020 beträgt damit 108 g CO2/km. Für die Jahre nach
2020 wird eine weitere jährliche Minderung von 1,2 % pro Jahr angenommen.
Die Annahmen werden für die Szenarien in dieser Studie mit einer Änderung übernommen: Da das TREMOD-Basisszenario noch keine alternativen Antriebe berücksichtigt,
wird angenommen, dass durch die Einführung von BEV und PHEV die Anforderungen an
die Effizienzsteigerung bei konventionellen Pkw weniger anspruchsvoll sein müssen.
Nimmt man für das Jahr 2020 einen Bestand von 1 Mio. BEV und PHEV an, die im
Prüfzyklus mit deutlich geringeren bzw. Null CO2-Emissionen angerechnet werden, könnten die CO2-Emissionen der neue zugelassenen konventionellen Pkw im Jahr 2020 um
7% höher liegen, während die Gesamtflotte trotzdem den Grenzwert einhält. Diese Annahme wird hier übernommen.
Für die BEV wurden die im Rahmen dieses Projektes abgeleiteten vorläufigen Verbrauchswerte übernommen ([IFEU 2010]. Werte für PHEV lehnen sich zum einen an die
Werte der konventionellen Fahrzeuge, zum anderen an die der reinen BEV an. Die Verbräuche der BEV werden direkt für den Elektrobetrieb der PHEV übernommen. Für den
Verbrennungsbetrieb werden die Verbräuche der konventionellen Verbrenner mit folgenden Korrekturfaktoren übernommen: Im Innerortsverkehr wird ein um 10 % geringerer
Verbrauch angenommen, für Autobahnen um 5 % höher. Außerorts wird der gleiche Verbrauch wie bei konventionellen Fahrzeugen unterstellt.
Die übrigen Emissionsfaktoren werden wie im TREMOD-Basisszenario auf Basis des
HBEFA 3.1 übernommen. Dabei wird angenommen, dass die PHEV im Verbrennungsbetrieb das gleiche Emissionsverhalten haben, wie die konventionellen Fahrzeuge mit glei-
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chem Emissionsstandard. Die Emissionsstandards sind bisher bis zur Stufe Euro-6 berücksichtigt. Eine weitergehende spezifische Minderung der Emissionen nach 2014 wird
hier nicht angenommen.
10.5 Erneuerbare Energien entlang von Verkehrsinfrastrukturen
Ein starker weiterer Zubau der Windenergie in Deutschland ist von großer Bedeutung für
die Erreichung der ehrgeizigen Klimaschutzziele der Bundesregierung. Auch zur Umsetzung einer ökologisch nachhaltigen Elektromobilität ist dieser Ausbau geboten. Allerdings
fallen bei derzeitiger Ausweisungspraxis sinnvolle Flächen entlang von Infrastrukturtrassen wie beispielsweise Autobahnen in der Regel schon ohne Vorprüfung in der Regionalplanung als Tabuflächen weg. Diese stehen auf der Ebene der Bauleitplanung dann nicht
mehr zur Verfügung.
Entlang der Autobahntrassen sind die Standortmöglichkeiten für Windenergieanlagen bisher nur gering genutzt und die wohnwirtschaftliche sowie gewerbliche Bebauung gering.
Das Landschaftsbild ist durch die Trassen schon stark verändert und umweltbeeinträchtigende Wirkungen sind bereits vorhanden. Die Vorbelastungen sind bei Autobahnen in der
Regel so hoch, dass die zusätzlichen negativen Einwirkungen durch Windenergieanlagen
entweder vernachlässigbar gering sind, oder aber ganz in der bereits vorherrschenden
Belastung untergehen. Die fachlichen und raumordnerischen Kriterien, welche gegen die
Windenergienutzung sprechen, könnten hier relativiert werden, um „Suchräume“ für den
weiteren Ausbau der Windkraft zu erschließen. Weiterhin könnten die Randbereiche von
vorbelasteten Infrastrukturtrassen auch verstärkt für andere Formen der Gewinnung erneuerbarer Energien genutzt werden. So können PV-Anlagen an Lärmschutzwänden und
Einhausungen sowie auf Freiflächen entlang der Trasse positioniert werden.
Autobahnen bieten mit einer Gesamtlänge von über 12.800 km ungenutzte Flächenpotenziale und ideale Voraussetzungen für die kostenoptimierte Errichtung von Anlagen zur
Produktion von Strom aus erneuerbaren Energien. Analog könnten auch stark befahrene
Bundesstraßen, Eisenbahntrassen und Hochspannungsfreileitungen in Betracht gezogen
werden. In einer vorsichtigen Prognose rechnen [Günnewig et al. 2009] für ganz Deutschland mit einem Potenzial von bis zu 27.800 MW installierbarer Leistung entlang von Autobahnen, anderen Straßen und Eisenbahnlinien mit hohem Verkehrsaufkommen sowie
Hochspannungsfreileitungen. In diese Berechnungen fließen Unwägbarkeiten und
Hemmnisse der verschiedenen raumordnerischen Planungsebenen mit ein.
Auch das Potenzial der symbolischen Wirkkraft ist hoch. Durch die hohe Anzahl und
Stromausbeute der Anlagen, ihre Sichtbarkeit für die Verkehrsteilnehmer und ihre Verbindung durch die Autobahntrasse entstünde „ein Großbauwerk moderner Energietechnik,
das nicht weniger symbolträchtig wäre als die Autobahn selbst“ [Scheer 2009]. [Scheer
2009] geht bei seiner Potenzial-Berechnung für die A 7 von einer Errichtung der Windenergieanlagen innerhalb eines Bandes zwischen 300 und maximal 700 m Abstand jeweils links und rechts von der Trasse aus. [Günnewig et al. 2009] versuchen dagegen,
möglichst näher an die Trasse heran zu gehen. Damit soll bewirkt werden, dass die zusätzlichen Beeinträchtigungen möglichst vollkommen in der vorhandenen Vorbelastung
aufgeht.
Die Möglichkeit der Zulassung von neuen Windenergieanlagen ist in Deutschland über die
verschiedenen Planungsebenen der Raumordnung geregelt. Zwar herrschen im Einzelnen große Unterschiede zwischen den verschiedenen Bundesländern, zentrale Entscheidungsebene ist aber die Raumordnungsplanung (auf Länderebene) sowie die Regional-
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planung (auf regionaler Ebene). In der untergeordneten Bauleitplanung wird zwar unter
Maßgabe der gesetzlichen Bestimmungen die Einzelfallgenehmigung erteilt oder verwehrt. Die Ebenen der Raumordnung bzw. der Regionalplanung determinieren aber über
verbindliche Festlegungen zunehmend die eigentlich recht hohen Spielräume der Bauleitplanung.
Auf der Ebene der Bundesländer könnte eine solche Relativierung initiiert werden, indem
im Landes-Raumordnungsplan folgende Vorgaben gemacht werden:



methodische Vorgaben für eine Modifizierung der Suchraumfindung
Vorgabe der gezielten Prüfung von Autobahntrassen in einem raumordnerischen
Grundsatz
Festschreibung quantitativer Ziele für die Positivausweisung von Windenergiestandorten gegenüber einzelnen Regionalplänen (und damit Schaffung eines Anreizes zur genauen Prüfung auch von Infrastrukturtrassen)
[Günnewig et al. 2009] kommen zu dem Schluss, dass das Landesplanungsrecht „aus
fachlicher Sicht als der systematisch am besten geeignete Ort für entsprechende Regelungen“ erscheint. Die Raumordnung ist zwar größtenteils Hoheitsgebiet der Länder und
Kommunen. Dennoch kann auch auf Bundesebene Einfluss genommen werden. Ob dabei
eine Festschreibung der oben genannten drei Punkte auch schon auf Ebene des Raumordnungsgesetzes aussichtsreich ist, kann zu diesem Zeitpunkt nicht abschließend geklärt
werden. Inzwischen hat der Bund zwar eine Vollkompetenz zur Regelung der Raumordnung, darf diese allerdings nur nutzen, wenn eine Bundesregelung erforderlich ist. Wann
dies gegeben ist, ist juristisch nicht geklärt. Zusätzlich gibt es auch eine sogenannte Abweichungskompetenz der Länder.
Neben einer breit angelegten Informationskampagne, die gezielt über behördliche Spielräume zur Ausweisung solcher Gebietstypen entlang von Infrastrukturtrassen aufgeklärt,
kann das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung ein entsprechendes
Vorhaben in der in § 26 des Raumordnungsgesetzes benannten Ministerkonferenz für
Raumordnung einbringen. Diese Konferenz könnte dann in einem politischen Vertrag
festhalten, dass alle Bundesländer entlang der Trassen beidseitig ausreichend breite
Streifen als Vorranggebiete (ohne Ausschlusswirkung) oder Vorbehaltsgebiete für die
Windenergienutzung ausweisen, indem die Länder sich verbindlich verpflichten, ihre jeweiligen Raumordnungspläne schnellstmöglich anzupassen. Die Möglichkeit einer solchen vertraglichen Vereinbarung ist in §13 Abs. 2 Nr. 1 Raumordnungsgesetzes geregelt.
10.6 Ergebnistabellen der Umweltbilanzen
Tab. 23: Ergebnistabelle für die Fahrzeugherstellung - Umweltwirkung der Referenzfahrzeuge und PHEVs pro Fahrzeug
Referenzfahrzeug Wirkungskategorie Treibhausgaspotential Fahrzeugrumpf Batterie Motor Zusatzbauteile Fertigung und Transport Kumulierter Energieaufwand Fahrzeugrumpf Batterie Motor Zusatzbauteile Fertigung und Transport Versauerung Fahrzeugrumpf Batterie Motor Zusatzbauteile Fertigung und Transport Sommersmog Fahrzeugrumpf Batterie Motor Zusatzbauteile Fertigung und Transport Terrestrische Eutrophierung Fahrzeugrumpf Batterie Motor Zusatzbauteile Fertigung und Transport PM10 direkt Fahrzeugrumpf Batterie Motor Zusatzbauteile Fertigung und Transport Einheit kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. MJ MJ MJ MJ MJ kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. 2012 2020 3636 0 527 553 1456 3636 0 527 553 1240 62745 0 8853 9712 22084 1,1 0,0 0,1 0,2 0,2 6,0 0,0 0,8 1,1 0,2 1,1 0,0 0,1 0,2 0,2 6,0 0,0 0,8 1,1 0,2 5,4 0,0 0,8 1,1 0,2 5,4 0,0 0,8 1,1 0,1 1,8 0,5 0,4 1,4 0,1 1,2 0,3 0,2 0,5 0,1 5,5 1,3 1,3 1,9 0,2 23,1 10,4 5,0 25,7 1,2 1,8 0,5 0,4 1,4 0,1 1,0 0,4 0,2 0,5 0,2 6,1 2,5 1,3 1,9 0,2 76825 11760 13378 19792 14810 23,1 10,6 5,0 25,7 1,9 1,4 0,8 0,4 1,4 0,1 1,1 0,8 0,2 0,5 0,2 4585 604 792 1162 378 76825 11884 13378 19792 15288 17,2 15,7 5,0 25,7 2,2 1,6 1,4 0,4 1,4 0,1 1,3 0,0 0,1 0,2 0,1 2030+ 4585 774 792 1162 1034 57683 16384 13378 19792 17403 19,4 29,0 5,0 25,7 2,7 2,0 0,0 0,2 1,0 0,1 1,3 0,0 0,1 0,2 0,1 2030 3320 1079 792 1162 1240 64273 28225 13378 19792 22084 26,3 0,0 2,3 19,4 1,2 2,0 0,0 0,2 1,0 0,1 2020 3712 1812 792 1162 1456 86471 0 8853 9712 14810 26,3 0,0 2,3 19,4 1,9 1,6 0,0 0,2 1,0 0,1 PHEV 2012 5197 0 527 553 378 86471 0 8853 9712 15288 18,9 0,0 2,3 19,4 2,2 1,6 0,0 0,2 1,0 0,1 2030+ 5197 0 527 553 1034 62745 0 8853 9712 17403 18,9 0,0 2,3 19,4 2,7 TwinDrive 2030 1,2 0,3 0,2 0,5 0,1 4,8 0,9 1,3 1,9 0,2 4,8 0,9 1,3 1,9 0,1 IFEU 2013 Tab. 24: Ergebnistabelle für den Flottenversuch – Umweltwirkungen des Referenzfahrzeugs und TwinDrive über eine Fahrleistung von 150.000 km
Referenzfahrzeug Wirkungskategorie Treibhausgaspotential Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Kumulierter Energieaufwand Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Versauerung Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Sommersmog Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Terrestrische Eutrophierung Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung PM10 direkt Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Einheit kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. MJ MJ MJ MJ MJ MJ kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. Alle Fahrer TwinDrive 2012 Alle Fahrer 6172 7924 0 28364 761 406 E‐Fahrer 8859 4164 12420 14930 731 406 103394 533124 0 0 20445 2069 146225 381599 120205 0 19935 2069 81 21 24 10 3 0 4,8 0,3 1,7 2,2 0,2 0,0 8859 5672 7906 20340 731 406 146225 263420 208853 0 19935 2069 81 9 37 4 3 0 4,8 0,9 1,0 6,9 0,2 0,0 Konventioneller Fahrer 8859 3915 13738 14034 731 406 146225 109493 316340 0 19935 2069 81 23 22 11 3 0 3,0 1,7 0,0 9,2 0,2 0,0 8859 1627 20809 5830 731 406 146225 280179 188826 0 19935 2069 43 43 0 22 4 0 Hybridfahrer 81 31 14 15 3 0 4,8 0,8 1,1 6,1 0,2 0,0 4,8 1,2 0,7 9,9 0,2 0,0 1,6 3,2 0,0 4,1 0,2 0,0 2,8 1,7 2,0 2,0 0,2 0,0 2,8 0,7 3,4 0,8 0,2 0,0 2,8 1,6 2,2 1,9 0,2 0,0 8,1 1,9 0,0 0,3 0,3 0,0 11,9 1,0 1,6 0,1 0,3 0,0 11,9 0,4 2,8 0,1 0,3 0,0 11,9 0,9 1,8 0,1 0,3 0,0 2,8 2,3 1,3 2,8 0,2 0,0 kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. 11,9 1,4 1,0 0,1 0,3 0,0 IFEU 2013 Tab. 25: Ergebnistabelle für Serienfahrzeuge 2020 – Referenzfahrzeuge und PHEV über einen Lebensweg von 150.000 km
Referenzfahrzeug Wirkungskategorie Treibhausgaspotential Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Kumulierter Energieaufwand Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Versauerung Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Sommersmog Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Terrestrische Eutrophierung Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung PM10 direkt Fahrzeugherstellung Kraftstoffbereitstellung Strombereitstellung direkte Emissionen Wartung Fahrzeugentsorgung Einheit kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. kg CO2 Äq. MJ MJ MJ MJ MJ MJ kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg SO2 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg C2H4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PO4 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. kg PM10 Äq. Otto Laden zuhause Diesel 5956 6711 0 20816 761 406 RW 10 6022 4534 0 18608 761 406 98713 433838 0 0 20445 2069 42,9 36,7 0,0 20,0 3,6 0,4 8,1 1,5 0,0 0,2 0,3 0,0 8,2 1,4 0,0 0,3 0,3 0,0 9,5 1,0 0,5 0,2 0,3 0,0 4,1 0,4 0,8 1,7 0,2 0,0 2,1 1,4 1,1 1,6 0,2 0,0 9,2 0,9 0,6 0,2 0,3 0,0 66,4 10,3 17,2 5,8 3,2 0,4 3,7 0,6 0,6 2,0 0,2 0,0 2,0 2,0 0,7 2,3 0,2 0,0 10,2 0,8 0,8 0,2 0,3 0,0 125199 122435 172164 0 19935 2069 57,8 15,7 12,7 8,8 3,2 0,4 3,5 0,8 0,4 2,4 0,2 0,0 2,3 1,7 0,9 1,9 0,2 0,0 7631 1894 9547 5871 731 406 116291 185860 127228 0 19935 2069 53,9 21,6 8,4 12,2 3,2 0,4 4,1 0,7 0,5 2,2 0,2 0,0 2,1 2,3 0,6 2,5 0,2 0,0 RW 40 7044 2875 7055 8908 731 406 112168 256138 84040 0 19935 2069 65,6 18,7 11,0 10,3 3,2 0,4 3,7 0,9 0,3 2,6 0,2 0,0 1,6 2,9 0,0 3,7 0,2 0,0 RW 20 6772 3962 4660 12274 731 406 124417 221131 109889 0 19935 2069 57,7 24,5 6,7 13,6 3,2 0,4 2,7 1,0 0,0 0,4 0,2 0,0 1,6 3,4 0,0 3,7 0,2 0,0 RW 10 7579 3421 6094 10597 731 406 116144 289895 67119 0 19935 2069 38,2 30,0 0,0 19,1 3,6 0,4 3,0 1,3 0,0 7,0 0,2 0,0 7034 4485 3722 13890 731 406 99889 459648 0 0 20445 2069 Laden überall RW 20 2,3 1,0 1,4 1,1 0,2 0,0 9,5 0,6 1,0 0,1 0,3 0,0 10,3 0,4 1,3 0,1 0,3 0,0 Seite 112
IFEU-Institut
Tabellen und Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Fahrzeugdaten der im Flottenversuch eingesetzten Fahrzeuge ................................................................9 Tab. 2: Batteriekapazität und Gewichte aktueller Plug-In-Hybride ....................................................................... 10 Tab. 3: Überblick über die betrachteten Wirkungsindikatoren .............................................................................. 15 Tab. 4: Anteil Sekundärmaterialien....................................................................................................................... 18 Tab. 5: Szenarioausprägungen für die Herstellung des Fahrzeugrumpfes .......................................................... 18 Tab. 6: Szenarioausprägungen der Batterie- und PHEV-Herstellung................................................................... 22 Tab. 7: Übersicht Flottenversuch .......................................................................................................................... 28 Tab. 8: Verkehrsprofile der untersuchten Nutzertypen ......................................................................................... 30 Tab. 9: Durchschnittliche elektrische Fahrstreckenpotenziale in Deutschland ..................................................... 42 Tab. 10: Elektrische Fahranteile auf den einzelnen Straßenkategorien ................................................................. 43 Tab. 11: Szenarioparameter für das Marktpotenzial von Elektrofahrzeugen .......................................................... 50 Tab. 12: Szenarioparameter für die Energiebereitstellung ..................................................................................... 56 Tab. 13: Effekte des intelligenten Betankungstarifs................................................................................................ 77 Tab. 14: Ansätze zur Regulierung und Bewertung der Energieeffizienz und CO2-Emissionen (Auswahl) ............. 78 Tab. 15: Vergleich von Verbrauchswerten aus dem Flottenversuch mit einer Verbrauchsmodellierung ................ 90 Tab. 16: Fahrzeugeigenschaften für Serienfahrzeuge 2020 und 2030................................................................... 91 Tab. 17: Strommix und mittlerer Wirkungsgrad der Strombereitstellung in Deutschland 2012 und 2020 ............... 99 Tab. 18: Umweltwirkungen der durchschnittlichen Strombereitstellung in Deutschland 2012 und 2020 ................ 99 Tab. 19: Kraftstoffeigenschaften ........................................................................................................................... 100 Tab. 20: Durchschnittlicher energetischer Kraftstoffmix in Deutschland 2010 und Szenarien für 2030 ............... 101 Tab. 21: Umweltwirkungen der Ottokraftstoffbereitstellung .................................................................................. 102 Tab. 22: Umweltwirkungen der Dieselkraftstoffbereitstellung ............................................................................... 103 Tab. 23: Ergebnistabelle für die Fahrzeugherstellung - Umweltwirkung der Referenzfahrzeuge und PHEVs
pro Fahrzeug .......................................................................................................................................... 109 Tab. 24: Ergebnistabelle für den Flottenversuch – Umweltwirkungen des Referenzfahrzeugs und
TwinDrive über eine Fahrleistung von 150.000 km ................................................................................ 110 Tab. 25: Ergebnistabelle für Serienfahrzeuge 2020 – Referenzfahrzeuge und PHEV über einen
Lebensweg von 150.000 km................................................................................................................... 111 IFEU-Institut
Seite 113
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Personenverkehrsleistung und CO2-Emissionen des Straßenverkehrs in Deutschland .............................6 Abb. 2: Elektrifizierung des Antriebsstrangs ...........................................................................................................9 Abb. 3: Begrenzung der Batteriekapazität bei verschiedenen Fahrzeugen .......................................................... 11 Abb. 4: Betrachtete Lebenswegabschnitte der Umweltbilanzen ........................................................................... 12 Abb. 5: Schema der Interaktion im Rahmen der Begleitforschung ....................................................................... 16 Abb. 6: Anteile verschiedener Prozesse an der Batterieherstellung (2010) .......................................................... 20 Abb. 7: Quellenvergleich für Treibhausgasemissionen der Batterieherstellung .................................................... 21 Abb. 8: Klimawirkung und kumulierter Energieaufwand der Fahrzeugherstellung ................................................ 23 Abb. 9: Wirkungsabschätzung der Fahrzeugherstellung in Einwohnerdurchschnittswerten für Deutschland
pro Fahrzeug ............................................................................................................................................ 24 Abb. 10: Abhängigkeit der batteriebedingten Klimawirkung von Energiedichte und Fahrleistung .......................... 25 Abb. 11: Abschätzung des Verbesserungspotenzials der Batterieherstellungsbilanz gegenüber der
Basisvariante durch Recycling ................................................................................................................. 26 Abb. 12: Beiträge zur Verbesserung der Umweltbilanz der Batterieherstellung bei Recycling mit hoher
Prozesseffizienz ....................................................................................................................................... 27 Abb. 13: Streckenbezogene Anteile der Betriebsmodi verschiedener Nutzer im Flottenversuch ........................... 29 Abb. 14: Fahrleistungsverteilung verschiedener Nutzer im Flottenversuch ............................................................ 30 Abb. 15: Elektrische Betriebsweise und elektrische Fahranteile für verschiedene Nutzertypen nach
Straßenkategorie ...................................................................................................................................... 30 Abb. 16: TwinDrive Verbrauchsprofile der verschiedenen Nutzer im Flottenversuch (Alle Fahrten) ...................... 31 Abb. 17: TwinDrive Verbrauchsprofile für unterschiedliche Straßenkategorien ...................................................... 32 Abb. 18: Energieflussdiagramm für das AC-Laden ................................................................................................. 33 Abb. 19: Leistungsaufnahme durch Heizung und Klimaanlage nach Außentemperatur ......................................... 34 Abb. 20: Bedarf an Heizleistung bei Fahrten im Elektro- und Verbrennungsantrieb (jeweils > 90 %) nach
Fahrzeit .................................................................................................................................................... 35 Abb. 21: Klimabilanz und kumulierter Energieaufwand des TwinDrive und Referenzfahrzeugs
(Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km) .................................................................................... 36 Abb. 22: Klimawirkung des TwinDrive und Referenzfahrzeugs für verschiedene Energieerzeugungen
(Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km) .................................................................................... 37 Abb. 23: Klimabilanz des TwinDrive und Referenzfahrzeugs für verschiedene Nutzertypen und
Straßenkategorien (Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km) ...................................................... 37 Abb. 24: Umweltwirkungen des TwinDrive und Referenzfahrzeugs im Flottenversuch hochgerechnet auf
eine Lebenslaufleistung von 150.000 km für verschiedene Nutzertypen ................................................. 39 Abb. 25: Tagesstrecken von Personen mit (fast) täglicher/wöchentlicher Nutzung eines Pkw ............................... 40 Abb. 26: Verteilung der Weglängen von Personen mit häufiger Pkw-Nutzung und Anteil potenzieller EStrecken ................................................................................................................................................... 41 Abb. 27: Methodik zur Berechnung des elektrischen Fahrstreckenanteils ............................................................. 42 Seite 114
IFEU-Institut
Abb. 28: Abgeleitete Verbrauchswerte für Serienfahrzeuge in 2020 ...................................................................... 43 Abb. 29: Klimabilanz und kumulierter Energieaufwand für Referenz- und PHEV-Serienfahrzeuge der
Kompaktklasse in 2020 (Angenommene Lebenslaufleistung 150.000 km) .............................................. 45 Abb. 30: Umweltwirkungen von Serien PHEV und Referenzfahrzeugs 2020 hochgerechnet auf eine
Lebenslaufleistung von 150.000 km für verschiedene Reichweiten ......................................................... 46 Abb. 31: Vor- und Nachteile des PHEV gegenüber dem Otto-Referenzfahrzeug in verschiedenen
Umweltwirkungskategorien....................................................................................................................... 47 Abb. 32: Umweltbilanz des PHEV-40 und von Referenzfahrzeugen unter Berücksichtigung verschiedener
Bereitstellungsketten für fossilen Kraftstoff .............................................................................................. 49 Abb. 33: Bestandsentwicklung von Elektro-Pkw in Deutschland ............................................................................ 51 Abb. 34: Entwicklung der NOx- und Partikelemissionen des Pkw-Verkehrs in Deutschland................................... 52 Abb. 35: Entwicklung des Endenergieverbrauchs im Straßenverkehr in Deutschland ........................................... 53 Abb. 36: Entwicklung des Rohölbedarfs von Pkw in Deutschland .......................................................................... 54 Abb. 37: Entwicklung der direkten CO2-Emissionen von Pkw in Deutschland ........................................................ 55 Abb. 38: Strombedarf von Elektro-Pkw in verschiedenen Marktszenarien ............................................................. 57 Abb. 39: Entwicklung des Kraftwerksparks in Deutschland in verschiedenen Szenarien ....................................... 58 Abb. 40: Durchschnitts- und Marginalmix für Elektrofahrzeuge bei moderater Marktentwicklung .......................... 59 Abb. 41: Durchschnitts- und Marginalmix für Elektrofahrzeuge bei forcierter Markentwicklung ............................ 60 Abb. 42: Klimawirkung der Strombereitstellung als durchschnittlicher Mix für Deutschland und als
Marginalbetrachtung für Elektrofahrzeuge in verschiedenen Szenarien .................................................. 61 Abb. 43: Well-to-Wheel-CO2-Emissionen der Pkw-Verkehrs in Deutschland 2030 auf Basis verschiedener
marginaler Ladestrommixe für Elektrofahrzeuge ...................................................................................... 63 Abb. 44: Umweltbilanz von Kompaktklasse Referenzfahrzeugen und Plug-In-Hybriden in 2030 mit
verschiedenen Strommixen (Lebenslaufleistung 150.000 km) ................................................................. 64 Abb. 45: Verschiedene Kopplungsmechanismen zwischen erneuerbaren Energien und Elektromobilität ............. 71 Abb. 46: Beispielhafte Wirkung der Einspeisung von erneuerbaren Energien auf den genutzten Tarif .................. 71 Abb. 47: Energiefluss verschiedener Antriebsstränge (schematisch) ..................................................................... 88 Abb. 48: Umsetzung der PHEV-Betriebsstrategie in eLCAr ................................................................................... 92 Abb. 49: Abgeleitete Verbrauchswerte für Serienfahrzeuge 2020 und 2030 .......................................................... 93 Abb. 50: Energieeinsparungen durch optimierte Betriebsstrategie nach elektrischer Reichweite .......................... 94 Abb. 51: Stickoxid- und Partikel-Grenzwerte verschiedener Fahrzeuggenerationen .............................................. 94 Abb. 52: Emissionsfaktoren (innerorts) ausgewählter Schadstoffe nach HBEFA ................................................... 96 Abb. 53: Überblick Well-to-Wheel-Emissionen ....................................................................................................... 97 Abb. 54: Module des IFEU-Strommaster ................................................................................................................ 98 Abb. 55: Szenarien der Pkw-Neuzulassungen in Deutschland ............................................................................. 104 ifeu – Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH,
Wilckensstr. 3, D-69120 Heidelberg; Tel. 06221-4767-0; Fax -4767-19;
E-Mail: verkehr@ifeu.de; Internet: www.ifeu.de

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