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Well-to-Wheel Betrachtung der Antriebstechnologien

Erstellt am: 04.11.2010 | Stand des Wissens: 19.10.2017
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel

Eine akkurate Bewertung von konventionellen und alternativen Antriebstechnologien bedarf einer vollständigen Analyse der Gewinnung und Bereitstellung eines Treibstoffs bzw. Energieträgers bis zur Umwandlung in Bewegungsenergie, der sogenannten Well-to-Wheel (WtW) Analyse [BrWa05, S. 15]. Ihr Hauptfokus liegt in der Ermittlung aller direkten und indirekten Emissionen über den kompletten Pfad der Bereitstellung eines Energieträgers [WoLu16]. Relevante Gase sind in diesem Fall Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Stickoxide (NxO) [WeBu09, S. 204].


WtWTheorie.jpgAbb. 1: Umfang des Well-to-Wheel Gesamtsystems (Eigene Darstellung nach [BrWa05, S. 11])


Abbildung 1 zeigt den Umfang einer typischen WtW Analyse. Für spezifische Analysen werden die Resultate oft in zwei Systeme aufgeteilt: Well-to-Tank (WtT) und Tank-to-Wheel (TtW). Das WtT System beginnt mit der Gewinnung von Rohstoffen für die Treibstoffproduktion und endet mit dem fertigen Treibstoff im Fahrzeugtank. Hier existiert eine Vielzahl an Treibstoffvorketten, die aus unterschiedlichen Rohstoffen (z.B. Rohöl, Erdgas oder Biomasse) und Produktionstechniken zu unterschiedlichen Treibstoffen (z.B. Benzin, Wasserstoff oder Elektrizität) kombiniert werden können. Das TtW System hingegen umfasst den Betrieb des jeweiligen Fahrzeuges. Die Umwandlung des Treibstoffs in Bewegungsenergie erfolgt je nach Fahrzeugtechnologie (z.B. Ottomotor, Elektrofahrzeug) sehr unterschiedlich und der Wirkungsgrad der einzelnen Fahrzeuge unterscheidet sich ebenfalls stark [BrWa05, S. 11]. Schließlich können Analyseergebnisse sehr unterschiedlich ausfallen, da betreffende ISO 14040 und 14044 lediglich Bilanzierungsstandards definieren [WoLu16].

Durch die WtW Analyse werden die Unterschiede in den Treibhausgasemissionen der Fahrzeuge und die Effizienz von Elektrofahrzeugen, auch bei Betrachtung des europäischen Strommix, sichtbar. Abbildung 2 zeigt Fahrzeugemissionen in Abhängigkeit des Energiebedarfs von Pkw der unteren Mittelklasse für verschiedene Antriebstechnologien.


Well-to-Wheel 2010Abb. 2: Well-to-Wheel Treibhausgasemissionen und Energieanforderungen von Personenkraftfahrzeugen in 2010 mit Nutzung verschiedener Antriebsstoffe. Für Hybridfahrzeuge ist jeweils ein Wert für den Betrieb mit Diesel und mit Benzin dargestellt [WoLu16]. (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)


Bei Elektrofahrzeugen ist vor allem der angewandte Strommix von Bedeutung, da WtW Emissionen direkt mit den Emissionen der Stromproduktion skalieren.  Würde man z.B. beim Elektrofahrzeug statt des europäischen Strommix als Energiequelle Windenergie einsetzen, so würden sich sehr geringe WtW Emission ergeben (Tabelle 1). Biotreibstoffe hingegen setzen bei der Verbrennung Emissionen frei, die wiederum vorher durch die zur Biotreibstoffherstellung verwendeten Pflanzen gebunden wurden und somit Teil eines sehr viel kürzeren Emissionszyklus als fossile Brennstoffe sind. Betrachtet man diesen treibhausgasneutralen Effekt, ergeben sich für Biotreibstoffe geringere Emissionen als für konventionelle Treibstoffe.


WtW Betrachtung AntriebstechnologienTabelle 1: WtW Betrachtung verschiedener Antriebstechnologien (Eigene Darstellung nach [Daim10]) (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Insgesamt gilt es, den gesamten Treibstoffzyklus zu betrachten, um das Emissionspotenzial von alternativen Antriebsarten bewerten zu können. Während WtT Emissionen von Treibstoffen für die einzelnen Treibstoffe und Entwicklungspfade gegeben sind, sind kilometerspezifische TtW Emissionen von der Fahrweise abhängig. Effekte des individuellen Fahrverhaltens oder möglicher Rebound-Effekt können in den dargestellten Durchschnittswerten nicht abgebildet werden [WoLu16].

Die Energieintensität der Fahrzeugherstellung wird in WtW-Analysen oftmals nicht einbezogen. Dabei weist die Fahrzeugstellung bei allen alternativen Antriebsarten mit 41 bis 51 g CO2-Äquivalent / km höhere Emissionswerte auf, als die konventionellen Antriebe mit 29 g CO2-Äquivalent / km, was aus dem Umstand folgt, dass die Herstellung der BEV, PHEV und FCEV in aller Regel Energie- und CO2-intensiver ist [NoMe14, Mich13]. Die Erhöhungen sind jedoch im Vergleich zu den Abgasemissionen von konventionellen Fahrzeugen gering und können leicht durch die Verwendung von Strom und Wasserstoff aus sauberen Quellen überkompensiert werden. Der Ausstoß von Schwefeloxiden ist jedoch bis zu vierfach höher, kann aber möglicherweise durch Recycling von Fahrzeugbatterien begrenzt werden [DuGa14].

Verschärfte Emissionsvorgaben führen zu steigenden Kosten für konventionelle Antriebsformen. Darüber hinaus begrenzt der hohe Entwicklungsstand konventioneller Antriebe das Potenzial für weitere Effizienzsteigerungen. Mit den steigenden Kosten für konventionelle Diesel- und Ottomotoren und sinkenden Kosten für alternative Antriebsformen werden batteriebetriebene Fahrzeuge mittelfristig auch in der breiteren Anwendung konkurrenzfähig sein. Die fallenden Kosten alternativer Fahrzeuge sind zu einem großen Teil der steigenden Kosteneffizienz der Batterie- und Brennstoffzellenproduktion zuzuschreiben [WoLu16]. Die Emissionen von alternativen Antrieben werden aufgrund eines sich ändernden Strommix weiter fallen. Mit alternativen Antrieben sind bei Nutzung dieses Strommix deutliche Emissionsreduktionen zu erwarten, die mit konventionellen Fahrzeugen nicht erreicht werden können.
Ansprechpartner
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 19.10.2017)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[BrWa05] Norman Brinkman, General Motors Corporation, Michael Wang, Argonne National Laboratory, Trudy Weber, General Motors Corporation, Thomas Darlington, Air Improvement Resource, Inc. Well-to-Wheels Analysis of Advanced Fuel/Vehicle Systems - A North American Study of Energy Use, Greenhouse Gas Emissions, and Criteria Pollutant Emissions, 2005
[Daim10] Daimler AG - RESEARCH AND TECHNOLOGY Well-to-Wheel Betrachtung der Energieeffizienz von Pkw-Antrieben, 2010
[DuGa14] J. B. Dunn, L. Gaines, J. C. Kelly, C. James, K. G. Gallagher The significance of Li-ion batteries in electric vehicle life-cycle energy and emissions and recycling's role in its reduction, 2014
[Mich13] Julia Michaelis Vergleich alternativer Antriebstechnologien Batterie-, Plug-in Hybrid- und Brennstoffzellenfahrzeug, 2013
[NoMe14] Anders Nordelöf, Maarten Messagie, Anne-Marie Tillman, Maria Ljunggren Söderman, Joeri Van Mierlo Environmental impacts of hybrid, plug-in hybrid, and battery electric vehicles - what can we learn from life cycle assessment?, 2014
[WeBu09] Weindorf, W., Bünger, U. Introduction to energychain analysis, veröffentlicht in The Hydrogen Economy opportunities and challenges, 2009
[WoLu16] Paul Wolfram, Nic Lutsey Electric vehicles: Literature review of technology costs and carbon emissions, 2016/07/15
Glossar
TtW Tank-to-Wheel; Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen des Fahrzeugbetriebs erfasst.
WtT Well-to-Tank, Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen der Kraftstoffvorketten erfasst.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
WtW Well-to-Wheel; Analyseverfahren, das zur Bewertung und zum Vergleich von konventionellen und alternativen Antriebstechnologien die vollständigen Kraftstoffzyklen erfasst. Das Gesamtsystem besteht aus den Teilsystemen Well-to-Tank und Tank-to-Wheel.
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jede Chemikalie, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an den Verbrennungprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), aber es gibt ihn auch in dreiatomiger Form O3 besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
Strommix Der Strommix gibt an, zu welchen Anteilen der Strom aus welchen Energieträgern stammt. Als Energieträger gelten dabei fossile Rohstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas, daneben Kernenergie und auch erneuerbare Energien. Dazu kann eine regionale Abgrenzung vorgenommen werden, z.B. nach deutschem oder europäischem Strommix.
Biomasse Biomasse umfasst:
  • Reststoffe wie z.B. Restholz, organische Abfälle (Biomüll, Gülle etc.), Stroh sowie
  • Energiepflanzen wie z.B. Raps, schnell wachsende Baumarten, Energiegetreide, Miscanthus.
CH4 = Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge. Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.) Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
Pkw
Personenkraftwagen (Pkw): Pkw sind nach der Richtlinie 70/156/EWG Fahrzeuge mit mindestens vier Rädern und dienen der Beförderung von maximal 9 Personen (inklusive Fahrzeugführer). Pkw dürfen nur auf den dafür vorgesehenen Verkehrsflächen geführt werden.
PHEV Plug-In Hybridfahrzeug; eine Weiterentwicklung der Hybridfahrzeuge. Es besteht die Möglichkeit, die Batterie zusätzlich zum Verbrennungsmotor auch extern über eine Ladebuchse zu laden.
CO2 Kohlenstoffdioxid. Ein Gas, welches zu ca 0,4% in der Erdatmosphäre vorkommt, bildet den Grundstock für pflanzliches Leben und pflanzliche Biomasse. Es entsteht z.B. bei der Verbrennung (Oxidation) von Kohlenstoff mit Sauerstoff. Durch seine Wirkung als Treibhausgas und der massiven Freisetzung bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist es mit hoher Wahrscheinlichkeit der Auslöser des Klimawandels.
FCEV Brennstoffzellenfahrzeug; Die Brennstoffzelle fungiert als Energiewandler, der chemische in elektrische Energie umwandelt und damit die Batterie, bzw. indirekt den Elektromotor betreibt. Der optimale Energieträger ist Wasserstoff, der eine lokale emissionsfreie Mobilität ermöglicht.
BEV Vollständige batteriebetriebenes Fahrzeug ohne Verbrennungsmotor.
CO2-Äquivalent Das CO2-Äquivalent berücksichtigt die unterschiedliche Klimaschädlichkeit von Klimagasen und wird durch das Global Warming Potential (GWP) ausgedrückt. Methan (CH4) beispielsweise hat ein 21-fach höheres globales Erwärmungspotenzial als Kohlenstoffdioxid und dementsprechend ein CO2-Äquivalent von 21.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?332825

Gedruckt am Samstag, 21. Juli 2018 07:57:05