Hybridfahrzeuge (HEV) kombinieren mehrere Energiewandler und Speichersysteme im Antriebsstrang. Typischerweise handelt es sich dabei um Verbrennungs- und Elektromotoren mit Tank und Batterie. Als eine spezielle Systemauslegung kann der Plug-In Hybrid (PHEV) betrachtet werden. Bei dieser Variante kann die Batterie auch aus einer externen Stromquelle aufgeladen werden. Die Möglichkeit, CO₂-Emissionen zu reduzieren, hängt maßgeblich von den Emissionsfaktoren des verwendeten Stroms [Grue06, S. 56] sowie der Fahrzeugnutzung ab, da diese den elektrischen Fahranteil bestimmt [PlFu15]. Ziel ist es, den rein elektrischen Fahranteil zu vergrößern. Wie empirische Analysen zeigen, steigt der elektrische Fahranteil mit steigender Reichweite bis 60 km fast linear an, eine weitere Erhöhung der Reichweite hat einen begrenzten Effekt.

Als Treibstoffe für Hybride kommen alle für Verbrennungsmotoren geeigneten Treibstoffe infrage. Dabei resultieren die Verbrauchsminderungen gegenüber konventionellen Fahrzeugen im Wesentlichen aus dem Betrieb mit Rekuperation, der Realisierung von "Downsizing"-Maßnahmen sowie aus dem Betrieb des Verbrennungsmotors im optimalen Betriebsbereich. Darüber hinaus ist ein wichtiger Vorteil von PHEV die Möglichkeit der vollständigen emissionsfreien Fahrt (limitiert durch die Batteriekapazität), etwa in stark belasteten innerstädtischen Bereichen [Grue06, S. 53].

[BlBr09] betrachten anhand des WtW Gesamtsystems die CO2-Emissionen von Hybridfahrzeugen im Vergleich zu anderen Antriebskonzepten für die Jahre 2009 und 2030. Dazu werden exemplarisch im Fahrzyklus eines durchschnittlichen Pendlers die Hybridkonzepte "mild", "voll" und "Plug-In" mit einem batterieelektrischen Fahrzeug (BEV), einem Brennstoffzellenfahrzeug (FCEV) und einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHEV) verglichen. Diese fahren im TtW System emissionsfrei. Das Referenzfahrzeug stellt einen konventionellen Benzinantrieb dar.

Abbildung 1 zeigt den Vergleich der WtW-CO₂-Emissionen im Mittelklassesegment für das Jahr 2030. Bis zum Jahr 2030 (Abbildung 1) kommt es bei den WtW Emissionen der einzelnen Antriebe gegenüber dem in der Studie untersuchten Basisjahr 2009 teilweise zu deutlichen Veränderungen [BlBr09, S. 45]. Die Emissionen des Referenzfahrzeugs verringern sich aufgrund des reduzierten spezifischen Treibstoffverbrauchs. Die stärkste Reduktion der spezifischen CO2-Emissionen gegenüber dem Jahr 2009 lässt sich beim BEV beobachten. Der Rückgang beruht hauptsächlich auf der in [BlBr09] unterstellten Reduzierung der spezifischen CO2-Emissionen der Stromerzeugung von 173,3 kg/GJ (2009) auf 80,4 kg/GJ im Jahr 2030. Der PHEV profitiert ebenfalls teilweise von dieser Entwicklung. Je nach Nutzerprofil variiert der elektrische (bzw. nicht-elektrische) Fahranteil und somit die WtW Emissionen [BlBr09, S. 46]. 

Zur Veranschaulichung des Effekts der Stromherstellung auf die Treibhausgasemissionen von Plug-In Hybriden (PHEV) zeigt Abbildung 3 das WtW Gesamtsystem für die Jahre 2015 und 2030 aus der Analyse von [WiBu10]. Hier sind die Emissionen von PHEV mit Strom aus Windkraft und dem deutschen Strommix gegenübergestellt. Als Referenz dazu sind Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) und batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) mit den jeweilig denkbaren Wasserstoff- bzw. Stromherstellungsverfahren sowie konventionelle Fahrzeuge aufgeführt.

Insgesamt wird deutlich, dass abhängig von Hybridvariante, Fahrzyklus und Stromentstehung unterschiedliche WtW Bilanzen zum Tragen kommen. Dabei weisen PHEV die geringsten Treibhausgasemissionen auf, wenn die Elektrizität zum Betrieb aus alternativen Energiequellen gewonnen wird.  Durch die Wahl der idealen Batteriegröße, abhängig vom Gebrauch und Fahrverhalten, können Kosten sowie Emissionen optimiert werden [ReOe14].