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Well-to-Wheel Betrachtung von Hybridfahrzeugen

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

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]. 
CO2-Emissionen Mittelklassewagen 2009Abb. 1: WtW Betrachtung der CO2-Emissionen für Mittelklassewagen im Jahr 2030 [g/km] (Eigene Darstellung nach [BlBr09, S. 77] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

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.

Well-to-Wheel MittelklasseAbb. 3: WtW Betrachtung für Mittelklassewagen 2015 und 2030 [WiBu10, S. 26] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)

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].
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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
[BlBr09] Universität Stuttgart, Blesl, M., Bruchof, D., Hartmann, N., Özdemir, D., Fahl, U., Eltrop, L., Voß, A. Entwicklungsstand und Perspektiven der Elektromobilität, 2009
[Grue06] Grünwald, Reinhard Perspektiven eines CO2- und emissionsarmen Verkehrs- Kraftstoffe und Antriebe im Überblick, 2006
[PlFu15] Patrick Plötz, Simon Funke, Patrick Jochen Real-world fuel economy and CO2 emissions of plug-in-hybrid electric vehicles, 2015
[ReOe14] Martin Redelbach, Enver Doruk Özdemir, Horst E. Friedrich Optimizing battery sizes of plug-in hybrid and extended range electric vehicles for different user types, 2014
[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
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.
Hybrid
Der Ausdruck Hybrid bedeutet "etwas Gebündeltes, Gekreuztes oder Gemischtes". Es stammt ab von dem lateinischen Fremdwort griechischen Ursprunges Hybrida. In der Technik wird ein hybrides System, aus zwei unterschiedlichen Technologien miteinander kombiniert.
PHEV
Plug-in-Hybridfahrzeug; eine Weiterentwicklung der Hybridfahrzeuge. Es besteht die Möglichkeit, die Batterie zusätzlich zum Verbrennungsmotor auch extern über eine Ladebuchse zu laden.
FCHEV Brennstoffzellenhybridfahrzeug; Hybridfahrzeug, in dem anstatt eines Verbrennungsmotors eine Brennstoffzelle als zusätzlicher Antrieb verwendet wird.
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.
HEV Hybridfahrzeug; Ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug, welches mindestens zwei Energiewandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme besitzt, um das Fahrzeug anzutreiben. Dabei sind Energiewandler z.B. Otto-, Diesel- oder Elektromotoren mit ihren jeweiligen Energiespeichersystemen wie Batterien bzw. Kraftstofftanks im Einsatz.
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.
Rekuperation
Rekuperation bezeichnet die Rückführung eines Anteils der von einem elektrisch angebtriebenen Fahrzeug entnommenen Traktionsenergie in die Fahrzeugbatterie oder das Bahnstromnetz. Diese Energie wird beim Bremsvorgang durch den Betrieb des Elektromotors im Generatorbetrieb bzw. durch die elektrodynamische Nutzbremse generiert.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?332896

Gedruckt am Sonntag, 2. Oktober 2022 11:42:28