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Well-to-Wheel Betrachtung des Dieselmotors

Erstellt am: 04.11.2010 | Stand des Wissens: 21.01.2019
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Dieselmotoren haben bei der Betrachtung des TtW Systems gegenüber vergleichbaren Benzinmodellen einen Verbrauchsvorteil. Zusätzlich wurde der Dieselmotor bereits in der Vergangenheit auf einen günstigen Verbrauch hin optimiert und hat in dieser Hinsicht einen relativ hohen Entwicklungsstand erreicht. Daher sind motorseitig in naher Zukunft nur geringe Treibstoffeinsparungen zu erwarten [Grue06, S. 48f.]. Zukünftig bieten eher Maßnahmen am Gesamtfahrzeug, wie die Einführung der Euro-Norm, Gewichts- und Widerstandsreduktionen oder die Start-Stopp-Automatik, Einsparpotenziale für Treibstoff und Emissionen [Grue06, S. 124ff.].

Die Emission von Treibhausgasen im TtW System wird u.a. durch die Wahl des eingesetzten Treibstoffes maßgeblich beeinflusst. Dieseltreibstoff etwa kann mit alternativen Treibstoffen wie Rapsmethylester (RME) oder Fischer-Tropsch (FT) Dimethyl Ether (DME) substituiert werden. Beide bewirken eine erhebliche Verbesserung der Treibhausgasemissionsfaktoren: Gegenüber Diesel mit einem Treibhausgasemissionsfaktor von 74,0 (Gramm CO2-Äquivalenz pro MJ) weisen die Alternativen Faktoren von 0,8 auf [Grue06, S. 136]. Neben diesen Einflüssen aus dem TtW System fließen auch die Aspekte der Gewinnung und Aufbereitung der verschiedenen Treibstoffe in die WtW Betrachtung ein. In [Grue06] werden zur Analyse der WtW Gesamtsysteme Kombinationen der WtT und TtW Teilsysteme über die Jahre 2010 und 2020 gebildet. Für das Jahr 2010 werden die Treibhausgasemissionen für den Pkw-Mix dieses Jahres für verschiedene fossile und alternative Treibstoffoptionen dargestellt. Bei den für diesen frühen Zeitpunkt relevanten alternativen Treibstoffen handelt es sich um die Biotreibstoffe der ersten Generation.  Biotreibstoffe der zweiten Generation umfassen Biogas-to-Liquid mit der Fischer-Tropsch Synthese sowie die Entwicklung von Dimethyl Ether (DME) von Pyrolyseprozessen [EdLa13].
Abbildung 1 zeigt, dass aufgrund der unterstellten Effizienzmaßnahmen bei Kraftfahrzeugen die Treibhausgasemissionen der konventionell angetriebenen Pkw verglichen mit dem Basisjahr 2004 um etwa 14% abnehmen. Bei der WtW Betrachtung zeigt sich die starke Abhängigkeit der Treibhausgasemissionen von Biotreibstoffen von der Anrechnung der Gutschriften in deren Vorketten [Grue06, S. 138]. Per Gutschriftenverfahren wird der anfallende Energie- und Kostengewinn anteilig dem Endprodukt und den jeweiligen Koppelprodukten zugeschrieben [Grue06, S. 79]. Besonders auffällig ist dies im Falle von Rapsmethylester (RME), dessen Emissions-Minderungspotenzial je nach Nutzung der Koppelprodukte (Extraktionsschrot substituiert Sojaschrot als Futtermittel; Glyzerin wird zum Beispiel als Pharmagrundstoff eingesetzt) gegenüber der Nutzung von fossilem Dieseltreibtstoff zwischen 20 und 80 Prozent liegen kann. Insgesamt zeigt sich, dass auch die Biotreibstoffe der ersten Generation (RME) einen Vorteil gegenüber den fossilen Treibstoffen bezüglich der Treibhausgasemissionen aufweisen [Grue06, S. 138].


Well-to-Wheel Dieselmotor

Abb. 1: WtW Betrachtung für Pkw mit Dieselmotor 2010 [Grue06, S.139] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Der Marktanteil von Biotreibstoffen wird auf weniger als 20 Prozent im Jahre 2020 geschätzt. Durch die in [WoLu16] im Trendszenario antizipierte Effizienzverbesserung der Pkw und aufgrund von Lernkurveneffekten bei der Herstellung von Biotreibstoffen sind auch die Treibhausgasemissionen von Biotreibstoffen der ersten Generation im Jahr 2020 niedriger als im Jahr 2010. Besonders günstig schneiden die Biotreibstoffe der zweiten Generation ab. Mit diesen Treibstoffen sind Minderungen der Treibhausgasemissionen von über 80 Prozent gegenüber den fossilen Energieträgern möglich. Pkw mit FT-Diesel (bei Anrechnung der Koppelprodukte) können negative Treibhausgasemissionen aufweisen. Begründet ist dies durch den Stromüberschuss, der bei der Herstellung des FT-Diesels anfällt und der bei der Bilanzierung gutgeschrieben werden kann [Grue06, S. 141]. Aufgrund begrenzter Potenziale und der Nutzungskonkurrenz um Biomasse, die auch zur Strom- oder Wärmegewinnung geeignet ist, ist das Potenzial der Biomasse jedoch limitiert [WiAr10, S. 313].

Laut [Grue06] liegt im Jahr 2020 die Minderung der Treibhausgasemissionen allein durch die Effizienzverbesserung des durchschnittlichen Pkws bezogen auf das Basisjahr 2004 bei etwa 25 Prozent (siehe Abbildung 2). Diese sind mit einer Hybridisierung des Antriebsstrangs verbunden.

Voraussichtliche Treibhausgasemissions- und EnergieverbrauchsänderungAbb. 2: Voraussichtliche Treibhausgasemissions- und Energieverbrauchsänderung verschiedener Antriebsstränge. Unausgefüllte Punkte representieren Werte von 2010, gefüllte Punkte Werte von 2020 [WoLu16]. (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
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Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[EdLa13] Edwards, Robert, Larivé, Jean-François, Rickeard, David, Weindorf, Werner Well-To-Tank Report 4.0
Well-To-Wheels Analysis of Future Automotive Fuels and Powertrains in the European Context, veröffentlicht in JRC Scientific and Technical Reports, Luxemburg, 2013, Online-Referenz http://iet.jrc.ec.europa.eu/about-jec/sites/about-jec/files/documents/report_2013/wtt_report_v4_july_2013_final.pdf
[Grue06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs- Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006
[WiAr10] Wietschel, Martin , Arens, Marlene , Dötsch, Christian , Herkel, Sebastian , Krewitt, Wolfram, Markewitz, Peter , Möst, Dominik , Scheufen, Martin (Hrsg.) Energietechnologien 2050 - Schwerpunkte für Forschung und Entwicklung, 2010
[WoLu16] Paul Wolfram, Nic Lutsey Electric vehicles: Literature review of technology costs and carbon emissions, 2016/07/15, Online-Referenz http://www.theicct.org/lit-review-ev-tech-costs-co2-emissions-2016
Glossar
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.
FT-Diesel Fischer-Tropsch Diesel; Noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium befindlicher synthetischer Kraftstoff. Grundlage ist die Fischer-Tropsch-Synthese, die aus Kohle, Erdgas oder Biomasse synthetische Kraftstoffe erzeugt (Coal to Liquid, CtL, Gas to Liquid, GtL, und Biomass to Liquid, BtL).
Start-Stopp-Technik Die Start-Stopp-Technik ist eine Funktion von durch Verbrennungsmotoren angetriebenen Fahrzeugen, die das Ab- und wieder Anschaltung des Motors automatisch regelt. In Phasen des Fahrzeugstillstands oder eines verminderten Antriebsbedarfs wird damit der Motor ausgeschaltet. Im Falle von Mehrmotoren-Fahrzeugen können während der Fahrt die temporär überflüssigen Motoren deaktiviert werden, um den Energiebedarf und die Emissionen zu reduzieren.
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.
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.
Ether Ether wie MTBE, ETBE, DIPE oder TAME sind sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffverbindungen, in denen eine CH2-Gruppe durch ein Sauerstoffatom ersetzt ist. Sie zeichnen sich u. a. durch hohe Oktanzahlen (ROZ über 100, MOZ bei 100) und niedrigen Dampfdruck aus. Die Herstellung von Ether erfolgt durch Reaktion von Alkoholen mit verzweigten Olefinen. Die Klopffestigkeit von Ottokraftstoffen wird durch die Zugabe von Ethern verbessert. Ether sind als sauerstoffhaltige Kraftstoffkomponenten gut mit Kohlenwasserstoffen mischbar, weisen keine Dampfdruckanomalie wie etwa Ethanol auf und sind wenig wasseraffin. Zudem ist die Materialverträglichkeit als Mischkomponente im Ottokraftstoff gegeben. Bei den Abgasemissionen macht sich der Sauerstoffanteil positiv bemerkbar, da er zu einer Gemischabmagerung und damit zur Emissionssenkung beiträgt.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?332879

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 12:01:11