Kosteneffiziente und nachhaltige Automobile (eBook)

Bewertung der realen Klimabelastung und der Gesamtkosten - Heute und in Zukunft

Martin Zapf, Hermann Pengg, Thomas Bütler, Christian Bach, Christian Weindl (Autoren)

eBook Download: PDF

2021 | 2. Auflage
XIV, 455 Seiten
Springer Vieweg (Verlag)
978-3-658-33251-8 (ISBN)

Infos

In diesem Buch werden für repräsentative Fahrzeuge mit unterschiedlichen Antriebskonzepten Gesamtkosten und Treibhausgasemissionen vorgestellt. Die Gesamtkosten sind zum einen aus Kundensicht, aber auch unabhängig von der nationalen Steuerbelastung ermittelt. Es werden sowohl fossile als auch erneuerbare Energieträger betrachtet. Auf Basis systemtheoretischer Grundlagen und wissenschaftlicher Erkenntnisse zum Klimawandel wird die Vorgehensweise entwickelt. Es kommen beispielsweise folgende Methoden zum Einsatz: Lebenszyklusanalysen, Total-Cost-of-Ownership, CO₂-Vermeidungskosten und Verbrauchswerte, die Realverbräuche besser widerspiegeln als Normverbrauchswerte. Letztere sind anhand von Verbrauchsfunktionen (Willans-Ansatz) für unterschiedliche Fahrprofile modelliert. Es wird zudem ein politisches Instrument vorgestellt, mit welchem die Temperaturziele des Abkommens von Paris möglichst treffsicher und kosteneffizient eingehalten werden können.

Martin Zapf ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Hochspannungstechnik, Energiesystem- & Anlagendiagnose der Hochschule Coburg.

Dr. Hermann Pengg ist Geschäftsführer der Audi e-gas Betreibergesellschaft mbH, Ingolstadt.

Thomas Bütler war ehemals Gruppenleiter in der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme der Empa - Material Science and Technology, Dübendorf, Schweiz.

Christian Bach ist Leiter der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme der Empa - Material Science and Technology, Dübendorf, Schweiz

Prof. Dr. Christian Weindl ist Leiter des Instituts für Hochspannungstechnik, Energiesystem- & Anlagendiagnose der Hochschule Coburg.

Inhalt

Inhaltsverzeichnis 5
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis 10
1: Systemtheoretische Grundlagen zur Klimawandel-Problematik mit spezieller Berücksichtigung von PKW 14
1.1 Einführung 14
1.2 Systemwissenschaft und ihre Bedeutung für die Problemstellung 16
1.2.1 System 17
1.2.2 Komplexe Systeme 18
1.2.3 Modelle 21
1.2.4 Systemische Modelle und nicht-systemische Modelle – Eine Veranschaulichung anhand der CO2-Regulierung für PKW in Europa 23
1.3 Eine Methodik für systemorientiertes Vorgehen 30
1.3.1 Beschreibung des Vorgehens 30
1.3.2 Festlegung von Systemgrenzen des größten involvierten Systems 31
1.4 Modelle und Forschungsergebnisse zum Klimawandel 32
1.4.1 Metaphorisches Modell – Reis-Metapher 32
1.4.2 Was sind die Ursachen und Folgen des Klimawandels? Ergebnisse von gesamtsystemischen Analysen des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 35
1.4.3 Global Carbon Law – Wie stark müssen die jährlichen THG-Emissionen reduziert werden, um den Klimawandel wirksam zu reduzieren? 43
1.5 Abgrenzung und Messgrößen des Transportsektors – als Teilsystem der Anthroposphäre 48
1.5.1 Abgrenzung relevanter Teilsysteme 48
1.5.2 Abgrenzung von Wirtschafts- und Technologiesystemen innerhalb der Anthroposphäre 50
1.5.3 Qualität und Preis als zentrale Messgrößen von Wirtschafts- und Technologiesystemen 53
1.5.4 Externe Effekte 53
1.5.5 Total Cost of Ownership (TCO) 55
1.6 Lebenszyklusanalyse als Werkzeug zur Analyse der Umweltwirkungen von Technologien 57
1.6.1 Was ist eine Lebenszyklusanalyse? 59
1.6.2 Festlegung des Ziels und des Untersuchungsrahmens 60
1.6.3 Erstellung einer Sachbilanz 60
1.6.4 Wirkungsabschätzung – Klimaänderung 61
1.6.5 Nicht berücksichtigte Wirkungskategorien – u. a. Stickoxid- und Feinstaubemissionen sowie Ressourcenbewertung 62
1.6.5.1 Stickoxide und Feinstaub 63
1.6.5.2 Ressourcenbewertung bei Elektrofahrzeugen im Vergleich zu verbrennungsmotorischen Fahrzeugen 67
1.6.6 Exkurs: Planetary Boundaries 68
1.6.7 Exkurs: Sustainable Development Goals 68
1.7 Modelle zum Personenverkehrssektor sowie für PKW 69
1.7.1 Personenverkehr als kleinste Einheit (Zelle) des betrachteten Systems 69
1.7.2 Rigoroses Modell für die Gesamtemissionen des Personenverkehrssektors 72
1.7.3 Rigoroses Modell für repräsentative Technologievergleiche und Sensitivitätsanalysen für PKW 74
1.8 Messgrößen für PKW-Vergleiche 81
1.8.1 Spezifische THG-Emissionen und Gesamtkosten 82
1.8.2 Bewertungsmethode für die Kompatibilität von Teilsystemen des Wirtschafts- und Technologiesystems mit dem Global Carbon Law 84
1.8.3 CO2-Vermeidungskosten und sektorübergreifende Technologievergleiche 86
Literatur 92
2: Auswahl und Modellierung repräsentativer Fahrzeuge mit unterschiedlichen Antriebskonzepten und Energieträgern 99
2.1 Antriebskonzepte und Energieträger 99
2.2 Arten und Potenziale von erneuerbaren Kraftstoffen 102
2.3 Referenzfahrzeuge 108
2.4 Standardfahrzeuge 111
2.4.1 Konfiguration eines Standard-Benzinfahrzeuges 111
2.4.2 Konfiguration von Standardfahrzeugen mit alternativen Antriebstechnologien 115
2.4.2.1 Datenbasis 115
2.4.2.2 Methodik zur Generierung von Standardfahrzeugen in der Leistungsklasse 81–100 kW 120
2.4.3 Plausibilitätsprüfung der Standardfahrzeugkennzahlen 123
2.4.3.1 Kundenverbrauch 123
2.4.3.2 Herstellkosten bzw. Differenzkosten je Antriebstechnologie 124
Literatur 131
3: Treibhausgasemissionen nach einer Life-Cycle-Analysis (LCA) 134
3.1 Well-to-Tank Emissionsfaktoren fossiler Kraftstoffe 135
3.2 Well-to-Tank Emissionsfaktoren von Biokraftstoffen 138
3.2.1 Gesetzgebung zur Minderung der THG-Emissionen von Kraftstoffen 138
3.2.1.1 Europäische Regelungen 138
3.2.1.2 Nationale Regelungen 140
3.2.1.3 Fortschreibung der Regelungen zu Biokraftstoffen und erneuerbaren Strom 141
3.2.2 Emissionsfaktoren von Biokraftstoffen 143
3.2.3 Beimischung erneuerbarer Kraftstoffe 145
3.3 Well-to-Tank Emissionsfaktoren von SNG und Wasserstoff 146
3.4 Well-to-Tank Emissionsfaktoren von Strom 148
3.4.1 Erneuerbarer Anteil der Stromerzeugung 151
3.4.2 Erneuerbarer Anteil des individuellen Strombezugs aus Systemperspektive 152
3.4.2.1 Erneuerbare-Energien-Gesetz 153
3.4.2.2 Grünstromvermarktung 154
3.4.2.3 Exkurs: Beeinflussung des zukünftigen erneuerbaren Anteils durch die Ausgestaltung des Markt- und Regulierungsdesigns 155
3.4.2.4 Exkurs: Einschränkungen hinsichtlich der Verursachergerechtigkeit von Ausbauanreizen 156
3.4.2.5 Exkurs: Beeinflussung des erneuerbaren Anteils der Stromerzeugung mit einer Eigenverbrauchsoptimierung 157
3.4.3 THG-Emissionen beim individuellen Strombezug 159
3.4.3.1 EU-Emissionshandelssystem und Effort Sharing Agreements 161
3.4.3.2 Emissionsfaktoren je Stromerzeugungsanlage 164
3.4.3.3 Grenzbetrachtung zusätzlicher Verbraucher – Consequential LCA 164
3.4.3.4 Durchschnittsbetrachtung zusätzlicher Verbraucher – Attributional LCA 170
3.4.4 Emissionsfaktoren für strombasierte Antriebskonzepte 171
3.4.4.1 Elektromobilität 171
3.4.4.2 Synthetische Gase und der Betrieb von Gastankstellen 172
3.5 Well-to-Wheel Emissionsfaktoren je Energieträger 173
3.6 Treibhausgasemissionen bei der Herstellung und dem Recycling von Fahrzeugen 176
3.6.1 Referenzfahrzeuge 176
3.6.2 Studien bezüglich synthetischer Fahrzeuge 176
3.6.3 Spezifische THG-Emissionen der Batterieherstellung 178
3.6.4 Standardfahrzeuge 183
3.6.5 Fahrzeuggewicht je nach Leistungsklasse 185
Literatur 186
4: Tank-to-Wheel-Verbrauchswerte gemäß Prüfstandsmessungen sowie aus Kundensicht – der Willans-Ansatz 193
4.1 Das Reglementarische Messverfahren 193
4.1.1 Verbrauchsberechnung verbrennungsmotorischer Fahrzeuge 195
4.1.2 Energiebedarfsberechnung elektrischer Fahrzeuge 198
4.1.3 Verbrauchsberechnung von Plug-in-Hybrid Fahrzeugen 200
4.2 Prüfstandsmessungen als Basis der Verbrauchsberechnung nach dem Willans-Ansatz 203
4.3 Ableitung des Kundenverbrauchs 204
4.3.1 Berechnung des Kundenverbrauchs anhand des Willans-Ansatzes 204
4.3.2 Realverbrauchsermittlung gemäß ADAC EcoTest 208
4.3.3 Realverbrauchsdaten von Spritmonitor 209
4.3.4 Referenzfahrzeuge – Kundenverbrauchsfaktor 210
4.3.5 Synthetische Standardfahrzeuge 214
4.3.6 Energiefluss am Beispiel des synthetischen BEV 217
4.3.7 Einfluss von unterschiedlichen Autobahngeschwindigkeiten 218
Literatur 220
5: Gesamtkosten nach der Total Cost of Ownership Methodik (TCO) – Differenzierung nach antriebsspezifischen Kosten 222
5.1 Annuitätenmethode 223
5.2 Anschaffungskosten 225
5.3 Energiekosten 226
5.3.1 Fossile Kraftstoffe 226
5.3.2 Biokraftstoffe 228
5.3.3 SNG und Wasserstoff 231
5.3.3.1 Strombezugsvarianten im Inland 231
5.3.3.2 Gasgestehungskosten 233
5.3.3.3 Sonstige Kosten für die Gasbereitstellung an der Tankstelle 235
5.3.4 Stromkosten für Elektrofahrzeuge 235
5.3.4.1 Heimladen mit Strommix – Haushaltsstromtarif 237
5.3.4.2 Strompreise an öffentlichen und halböffentlichen Ladesäulen 241
5.3.4.3 PV-Eigenversorgung 241
5.3.4.4 Heimladen – Smart Charging Windstrom 244
5.3.5 Gegenüberstellung der Marktpreisbestandteile einzelner Kraftstoffe 246
5.4 Versicherungskosten 247
5.5 Wartungskosten 248
5.6 Nationale Steuern 249
Literatur 252
6: Potenziale und Entwicklungsperspektiven verschiedener Technologien 257
6.1 Optimierung des Kundenverbrauchs 257
6.1.1 Fahrwiderstände 257
6.1.2 Verbrennungsmotorische Fahrzeuge 260
6.1.3 Batterie-elektrische Fahrzeuge 261
6.1.4 Hybridfahrzeuge 264
6.1.5 Wasserstofffahrzeuge 264
6.1.6 Kundenverbrauch je Betrachtungsjahr und Fahrprofil 265
6.2 Potenziale der CNG-Mobilität 267
6.2.1 Verbrauchsoptimierung 267
6.2.2 Erhöhung des Wasserstoffanteils 269
6.2.3 Anschaffungspreise 270
6.2.4 CNG-Tankstellenbetrieb und -Bereitstellungskosten 271
6.3 Fossile Kraftstoffpreise 275
6.4 Strombezug durch die Elektromobilität 279
6.4.1 Netzbelastungen und -kosten durch die Elektromobilität 279
6.4.2 Infrastrukturkosten 281
6.4.2.1 Netzentgelte 281
6.4.2.2 Ladeinfrastruktur inkl. Messsystem für Heimladesysteme 281
6.4.2.3 Öffentliche Ladesäulen 283
6.4.3 Strombereitstellungskosten 284
6.5 Kosten synthetischer Kraftstoffe 286
6.5.1 National 287
6.5.2 International 289
6.5.2.1 „Die zukünftigen Kosten strombasierter synthetischer Brennstoffe“ 290
6.5.2.2 „Status und Perspektiven flüssiger Energieträger in der Energiewende“ 297
6.5.2.3 „dena-Leitstudie Integrierte Energiewende“ 297
6.5.2.4 „Defossilisierung des Transportsektors: Optionen und Voraussetzungen in Deutschland“ 297
6.5.2.5 Studien der Lappeenranta University of Technology School of Energy Systems 298
6.6 Wasserstoffbereitstellungskosten 302
6.7 Produktbeschaffungskosten sowie Kosten für Verteilung und Verkauf je Energieträger 306
6.8 Anschaffungspreise bzw. Herstellkosten 308
6.8.1 Batterie-elektrische Fahrzeuge sowie HEV und HFCEV 308
6.8.2 Verbrennungsmotorische Fahrzeuge 310
6.8.3 Listenpreise sowie monatliche Gesamtkosten je Betrachtungsjahr 312
Literatur 313
7: Treibhausgasemissionen und Gesamtkosten je Antriebstechnologie und Energieträger für repräsentative Fahrzeuge 319
7.1 Referenzfahrzeuge 322
7.1.1 Kosten und THG-Emissionen 2016 323
7.1.2 CO2-Vermeidungskosten 329
7.1.3 Zusammenfassende Erkenntnisse 332
7.2 Standardfahrzeuge 334
7.2.1 Betrachtungsjahr 2016 335
7.2.1.1 Standard-Fahrprofil 336
7.2.1.2 Sensitivitätsanalyse 339
7.2.1.3 Autobahn- und City-Fahrprofil 350
7.2.2 Betrachtungsjahr 2030 – Zukunftsszenario Low Oil Price 351
7.2.2.1 Standard-Fahrprofil 351
7.2.2.2 Sensitivitätsanalyse 355
7.2.2.3 Autobahn- und City-Fahrprofil 361
7.2.2.4 Standard-Fahrprofil – fossile Kraftstoffpreise gemäß New Policies Szenario 363
7.2.3 Betrachtungsjahr 2050 – Zukunftsszenario Low Oil Price 363
7.2.3.1 Standard-Fahrprofil 364
7.2.3.2 Sensitivitätsanalyse 369
7.2.3.3 Autobahn- und City Fahrprofil 369
7.2.3.4 Standard-Fahrprofil – fossile Kraftstoffpreise gemäß New Policies Szenario 369
7.2.4 Entwicklung der spezifischen Gesamtkosten und THG-Emissionen zwischen 2016 und 2030 – Zukunftsszenario Low Oil Price 371
7.2.5 Entwicklung der spezifischen Gesamtkosten und THG-Emissionen zwischen 2030 und 2050 – Zukunftsszenario Low Oil Price 376
7.2.6 Standardfahrzeuge mit fossilen Kraftstoffen – Zukunftsszenario New Policies 379
7.2.7 Analyse der Energiekosten je Betrachtungsjahr 381
7.3 Fazit und Empfehlungen an Politik und Wirtschaft 385
7.3.1 Zusammenfassende Erkenntnisse 385
7.3.2 Zukünftige Individualmobilität mittels PKW 391
7.3.3 Gasinfrastrukturen für den PKW-Sektor 394
7.3.4 Optimierungsmöglichkeiten regulatorischer Eingriffe 395
7.3.4.1 CO2-Regulierung für PKW 395
7.3.4.2 Energie- und Stromsteuer 396
7.3.4.3 Weltweiter CO2-Preis bzw. weltweites CO2-Handelssystem 397
Literatur 404
8: Executive Summary 408
8.1 Notwendige THG-Einsparungen und das Global Carbon Law 409
8.2 Realer Energieverbrauch im Vergleich zum am Prüfstand gemessenen Verbrauch 411
8.3 Technologievergleiche nach einer Life-Cycle-Analysis (LCA) sowie nach der Total Cost of Ownership Methode (TCO) 412
8.4 Empfehlungen an Politik und Wirtschaft 420
8.5 Optimierungsmöglichkeiten regulatorischer Eingriffe 423
Literatur 426
Anhang 427
Vergleich Benzin-Diesel 427
Vergleich Benzin-CNG 429
Vergleich Benzin-BEV 430
Vergleich Benzin-Hybrid 431
Vergleich Benzin-PHEV 432
Sensitivitätsanalyse: Standardfahrzeuge im Jahr 2030 beim Standard-Fahrprofil – Low Oil Price 433
Sensitivitätsanalyse: Standardfahrzeuge im Jahr 2050 beim Standard-Fahrprofil – Low Oil Price 437
Übersicht der Methodik 448
Gesamte anthropogene THG-Emissionen (Gt /Jahr) nach Wirtschaftssektoren im Jahr 2010 [1] 449
Verschiedene Power-to-X Prozesse, Endprodukte und Anwendungsbeispiele [2] 450
Literatur 451
Stichwortverzeichnis 452

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 30.8.2021
• Zusatzinfo: XIV, 450 S. 184 Abb., 172 Abb. in Farbe.
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Sachbuch/Ratgeber ► Natur / Technik ► Natur / Ökologie
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Geowissenschaften
• Themenwelt: Technik ► Fahrzeugbau / Schiffbau
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Themenwelt: Wirtschaft
• Schlagworte: 978-3-658-33250-1 • Antriebsleistung • Benziner • Elektroauto, Elektromobil • Erdgasfahrzeug, Erdgasauto • Hybridantrieb • Kosteneffiziente und nachhaltige Automobile • Kraftstoffe • Kraftstoffverbrauchswerte • Lebenszyklusanalyse • Peng Hermann • reale Emissionen • Zapf Martin
• ISBN-10: 3-658-33251-4 / 3658332514
• ISBN-13: 978-3-658-33251-8 / 9783658332518