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Well-to-Wheel Betrachtung von batteriebetriebenen Fahrzeugen

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

Reine batteriebetriebene Elektrofahrzeuge galten lange als Nischenfahrzeuge mit dem Vorteil des emissionsfreien Betriebs (TtW System). Hauptgründe hierfür waren die mit bisherigen Batterietypen geringen erzielbaren Reichweiten bei hohen Herstellungskosten [Grue06, S. 59]. Mit dem technologischen Fortschritt im Konsumgüterbereich (z.B. Laptops oder Mobiltelefone) wurde auch die Verbesserung der Attribute von Fahrzeugbatterien angetrieben. Mittlerweile stellen batteriebetriebene Fahrzeuge für viele eine ernsthafte Alternative zu konventionellen Fahrzeugen dar [HePe10, S. 114]. Trotz der technologischen Verbesserungen stellen die Kosten für die Fahrzeugbatterien einen Großteil der Gesamtkosten für den Antriebsstrang dar [WoLu16]. Batteriekosten sind aber bereits stark gefallen und es wird erwartet, dass diese mittelfristig ein Kostenniveau von 130 bis 180 Euro/kWh (auf Batterie-Systemebene) erreichen, das Elektrofahrzeuge konkurrenzfähig macht [NyNi15, WoLu16].

 Prognose der Kosten von Lithium-Ionen Batterien in ElektrofahrzeugenAbb. 1: Prognose der Kosten von Lithium-Ionen Batterien in Elektrofahrzeugen [NyNi15] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
Aufgrund des lokal emissionsfreien Betriebs von batteriebetriebenen Fahrzeugen sind die Treibhausgasemissionen aus der Stromproduktion (Well to Tank, WtT) ausschlaggebend für die Gesamtbilanz. Somit ist der Beitrag zur Senkung der CO2-Emissionen bei Stromanwendungen im Pkw-Bereich insbesondere dann gegeben, wenn die Herstellung jeweils CO2-frei oder CO2-arm (z. B. über erneuerbare Energieträger) erfolgt. Reine Batteriefahrzeuge sind aufgrund der hohen Gesamteffizienz (Well to Wheel (WtW) bis zu 70 Prozent bei regenerativer Energienutzung, d. h. Faktor 3 gegenüber erdölbasierten Treibstoffen) vielversprechend [WiBu10, S. 10f.].
In [WiBu10] werden WtW-Fahrzeugemissionen für die Jahre 2015 und 2030 analysiert (siehe Abbildung 1). Die ausgewählten Jahre sollen zum einen den Markteintritt der neuen Technologie und zum anderen den eingeschwungenen Zustand darstellen. Weiterhin wird angenommen, dass sich die CO2-Emissionen des deutschen Strommixes bis 2030 im Vergleich zu 2015 fast halbiert haben [WiBu10, S. 17]. Die Analyse setzt ihren Fokus für batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) auf das Kleinwagensegment, hier verglichen mit konventionellen Fahrzeugen und FCEV. Hier ist auch deutlich zu erkennen, dass erhöhte Treibhausgasemissionen in der Herstellung der Kraftstoffe durch die geringen Emissionen während des Betriebs kompensiert werden können.
WtW Betrachtung für KleinwagenAbb. 2: WtW Betrachtung für Kleinwagen 2015 und 2030 [WiBu10, S. 25]. Der Strommix bezieht sich auf Deutschland der jeweiligen Jahre. (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

Die Ergebnisse zeigen, dass BEV generell geringe Treibhausgasemissionen aufweisen, insbesondere wenn erneuerbare Energien zur Stromerzeugung genutzt werden. Im Kleinwagensegment können BEV je nach Stromquelle (deutscher Strommix oder 100 Prozent Windstrom) Treibhausgasemissionen gegenüber Dieselfahrzeugen bei Markteintritt um 38 bis nahezu 100% und langfristig um 56 bis fast 100 Prozent reduzieren [WiBu10, S. 26]. Während konventionelle Kleinwagen mit Verbrennungsmotor im Jahre 2030 trotz unterstellter Effizienzverbesserungen unter Einschluss der Emissionen der Vorkette WtW-Emissionen von 80 bis 85 g CO2/km aufweisen, liegen sie für BEV bei unter 40 g CO2/km bei Verwendung des prognostizierten deutschen Strommix. Bei Verwendung von erneuerbarem Strom liegen die spezifischen Emissionswerte bei nahezu 0 g CO2/km, wenn die Emissionen beim Bau der Anlagen und der Fahrzeuge nicht berücksichtigt werden [WiBu10, S. 11]. Somit stellt das Konzept der BEV, ungeachtet der Reichweitenrestriktionen, hinsichtlich der WtW Bilanz eine vorteilhafte Antriebsvariante dar.
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Antriebstechnologien im Straßenverkehr (Stand des Wissens: 21.01.2019)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?298940
Literatur
[Grue06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs- Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006
[HePe10] Helms, H., Pehnt, M., Lambrecht, U., Liebich A. Electric vehicle and plug-in hybrid energy efficiency and life cycle emissions, 2010
[NyNi15] Björn Nykvist, Måns Nilsson Rapidly falling costs of battery packs for electric vehicles, 2015/03/23
[WiBu10] Wietschel, M., Bünger, U., Weindorf, W. Vergleich von Strom und Wasserstoff als CO2 freie Endenergieträger, 2010, Online-Referenz http://www.isi.fraunhofer.de/isi-de/e/projekte/archiv/bis-2012/h2-vs-wasserstoff-wi2010.php
[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
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.
CO
= Kohlenstoffmonoxid. CO ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff und gehört damit neben Kohlenstoffdioxid zur Gruppe der Kohlenstoffoxide. Es ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas. Kohlenstoffmonoxid beeinträchtigt die Sauerstoffaufnahme von Menschen und Tieren. Schon kleine Mengen dieses Atemgiftes haben Auswirkungen auf das Zentralnervensystem.
Es entsteht bei der unvollständigen Oxidation von kohlenstoffhaltigen Substanzen. Dies erfolgt zum Beispiel beim Verbrennen dieser Stoffe, wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht oder die Verbrennung bei hohen Temperaturen stattfindet. Kohlenstoffmonoxid selbst ist brennbar und verbrennt mit Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Hauptquelle für die CO-Belastung der Luft ist der Kfz-Verkehr.
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.
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.
kWh
= Kilowattstunde. Die Wattstunde (Einheitenzeichen: Wh) ist eine Maßeinheit der Arbeit und damit eine Energieeinheit. Eine Wattstunde entspricht der Energie, welche eine Maschine mit einer Leistung von einem Watt in einer Stunde aufnimmt oder abgibt.

Im Alltag gebräuchlich und verbreitet ist die Kilowattstunde, das Tausendfache der Wattstunde. In ihr werden vor allem Strom-, aber auch Heizwärmekosten abgerechnet.
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.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?332890

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 10:51:13