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Direkte Elektrifizierung des Verkehrssektors im Kontext der Sektorkopplung

Erstellt am: 05.10.2018 | Stand des Wissens: 05.10.2018
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IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.

Das Konzept der direkten Elektrifizierung des Verkehrssektors ist nach der weit überwiegenden Mehrzahl der Studien ein wichtiger Bestandteil der angestrebten Dekarbonisierung des Verkehrs. Insbesondere für den Pkw-Verkehr, aber auch für leichte Nutzfahrzeuge und Nahverkehrsbusse kommen batterieelektrische Fahrzeuge in Frage. Der größte Vorteil dieser Antriebsoption ist der vergleichsweise hohe Wirkungsgrad. Deshalb ist nach Übereinstimmung der Studienlandschaft ihr Einsatz künftig überall dort unabdingbar, wo es die Anforderungsprofile und technischen Rahmenbedingungen erlauben, vgl. z.B. [Wiet18] oder [BCPr18]. Die verstärkte Nutzung von Pkw-Elektrofahrzeugen in Deutschland führte nach [Wiet18] bis 2030 zu ca. 110 bis 130 TWh und bis 2050 zu 80 bis 120 TWh zusätzlichem Strombedarf. Dem gegenüber stünden Einsparungen von ca. 400 TWh Kraftstoffs aus fossilen Quellen und eine entsprechende Minderung der damit verbundenen CO2-Emissionen, vgl. [ESYS17, S. 28]. Zudem emittieren Elektrofahrzeuge keine Luftschadstoffe; auch das Niveau der Lärmemissionen liegt deutlich unter dem eines Pkw mit konventionellem Verbrennungsmotor.
Die zusätzlichen Strommengen erscheinen für das Energiesystem realisierbar, vgl. [Wiet18]. Allerdings müssen mittelfristig Lastspitzen durch das gleichzeitige Laden vieler Fahrzeuge (z.B. abends) vermieden werden, da sonst lokale Engpässe im Verteilnetz auftreten können. Ein Lösungsansatz für diese Problematik wäre das indirekte (über Preissignale) oder direkt gesteuerte Laden. Falls das Laden der Elektrofahrzeuge strompreisgesteuert geschieht, trüge diese Flexibilisierung zu einer guten Umweltbilanz bei, da dann überwiegend Strom in günstigen Stunden mit hoher Einspeisung erneuerbarer Energien genutzt werden kann, vgl. [Wiet18, S. 38].
Aufgrund der raschen technologischen Entwicklung in den letzten Jahren kann angenommen werden, dass heutige Probleme rein batterieelektrischer Pkw hinsichtlich der Energiedichten, der Batteriekosten, der Batteriehaltbarkeiten und damit zu kurzer Reichweiten in naher Zukunft gelöst sind. Weltweit findet eine sehr dynamische Weiterentwicklung von Batteriezellen und -systemen für die Elektromobilität statt, die sowohl zu einer höheren Leistungsdichte als auch zu signifikanten Kostenreduktionen führt, vgl. etwa [ESYS17, S. 28]. Der Preis je kWh Batterieleistung ist allein im Zeitraum 2010-2016 um 77% gesunken, vgl. [SRU17, S. 111]. Bereits heute erreichen Modelle der Oberklasse wie der Tesla Model S Reichweiten von 450 km mit einer Batterieladung. Auch für die Kompaktklasse haben mehrere Pkw-Hersteller (z.B. Nissan, Skoda, VW) Fahrzeuge mit einer elektrischen Reichweite von rund 500 km für die Jahre 2020 bis 2022 angekündigt, vgl. [ISI17a, S. 43].
Momentan befindet sich unter Förderung der öffentlichen Hand eine flächendeckende Ladeinfrastruktur in Deutschland im Aufbau. Diese ist essentielle Voraussetzung für die künftige Entwicklung der Elektromobilität. Die im Februar 2017 veröffentlichte Förderrichtlinie des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) zielte dabei vorrangig auf öffentlich zugängliche Schnellladeinfrastruktur ab. Das gesamte Förderpaket soll zunächst den Aufbau von bundesweit 15.000 öffentlich zugänglichen Ladestationen ermöglichen, davon 5.000 Schnelllade- und 10.000 Normalladestationen, vgl. [BMVI16t]. Aus Bedarfsschätzungen wurde das Ziel der Bundesregierung abgeleitet, in der Legislaturperiode 2017 bis 2021 ein flächendeckendes Netz von 50.000 Ladepunkten zu errichten, vgl. [BMVI17y, S. 5]. Perspektivisch kann davon ausgegangen werden, dass die Verfügbarkeit geeigneter Ladeinfrastruktur für Elektromobilität keinen Engpass darstellt, vgl. vertiefend [SRU17, S. 140 f.].
Während leichte Nutzfahrzeuge ähnliche Charakteristika und Anforderungsprofile wie Pkw aufweisen, einer direkten Elektrifizierung über Batterien also nichts im Wege steht, ist die Situation bei schweren Nutzfahrzeugen (12-40 t zulässiges Gesamtgewicht) anders. Für den Fernverkehr mit schweren Lkw ist derzeit nicht absehbar, dass sich die Technik batterieelektrischer Fahrzeuge zur Marktreife weiterentwickeln lässt. Es ist vielmehr davon auszugehen, dass auch künftig das bisher sehr hohe Volumen und Gewicht der mitzuführenden Batterien einem Einsatz im Langstreckengüterverkehr mit dem Lkw entgegensteht, vgl. etwa [SRU17]. Deshalb beleuchten aktuelle Studien, z.B. [ISI17b], [BCPr18] und [DeEw18], die Möglichkeit der Einführung von Oberleitungen für die wichtigsten Strecken des deutschen Autobahnnetzes. [BCPr18] und auch [DeEw18] orientieren sich dabei an der Machbarkeitsstudie [ISI17b] und unterstellen für ihre Szenarien zwischen 4000 und 8000 km der höchstbelasteten Autobahnstrecken als mit Oberleitungen ausgestattet. Abbildung 1 zeigt beispielhaft für die [DeEw18]-Szenarien, wie dieser Ausbau von statten gehen könnte.
OH_Lkw_Markteinfuehrung_DENA_2018_Teil_B_S_305_klein.pngAbb. 1: Möglicher Aufbaupfad eines Oberleitungsnetzes und zugehörige Entwicklung der Fahrzeugflotte von Oberleitungs-Lkw (Quelle: [DeEw18, S. 305])
Nach aktueller Straßenauslastung würden mit Oberleitungen für Lkw bei 4000 km 64% der Straßengüterverkehrsleistung auf Bundesautobahnen erreicht; bei 8000 km wären 91% der Güterverkehrsleistung abgedeckt. Damit ließen sich zu relativ moderaten Kosten von ca. 7 bis 10 Mrd. EUR für 4000 km Oberleitungen 10-12 Mio. t CO2-Emissionen pro Jahr vermeiden, vgl. [ISI17b]. Die entsprechenden Oberleitungs-Lkw wären Hybridfahrzeuge und verfügten für Strecken abseits der ausgestatteten Autobahnen neben dem direkt versorgten Elektromotor über einen sekundären Antriebsstrang. Dieser könnte entweder über mittelgroße Batterien, vgl. [SRU17, S. 143], oder von einem klassischen Verbrennungsmotor mit aus erneuerbaren Energien erzeugtem Kraftstoff betrieben werden. Erste Teststrecken für Oberleitungs-Lkw sind bereits in Betrieb. Auch für Fernbusse kann diese Technik perspektivisch eine relevante Rolle spielen. [Wiet18] weisen zu Recht darauf hin, dass die Nachfrage nach Oberleitungsstrom durch Lkw-Fernverkehr vermutlich inflexibel sein wird und verweisen auf weiteren Forschungsbedarf zu dem Thema.
Die Schiene ist bereits heute ein energieeffizienter und vergleichsweise klimaverträglicher Verkehrsträger, vgl. auch im Folgenden dazu [SRU17, S. 164 ff.]. Bislang sind ca. 60% des gesamten Schienennetzes der bundeseigenen DB Netz elektrifiziert, auf dem aber rund 90% der Personenverkehrsleistung abgewickelt wird. Das Potential für weitere Elektrifizierung ist vor allem Nebenstrecken zurechnen, die vom Schienenpersonennahverkehr (SPNV) bedient werden. 2016 wurden 240 Mio. Zugkilometer im SPNV per Dieseltraktion erbracht, was circa 36% der Gesamtleistung des SPNV entspricht. Eine rasche und umfassende Elektrifizierung von Nebenstrecken scheint aus klimapolitischen Erwägungen heraus geboten. Unter wirtschaftlichen Aspekten könnten künftig auch alternative Schienenantriebe in Form von batterieelektrischen oder Brennstoffzellenfahrzeugen eine Rolle spielen.
Für den Schiffs- und Luftverkehr werden aufgrund der deutlich geringeren volumetrischen (auf das Volumen bezogenen) und gravimetrischen (auf die Masse bezogenen) Energiedichte von Batterien gegenüber flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren sowie den Spezifika der Verkehrsmittel derzeit kaum Möglichkeiten für den Einsatz elektrischer Antriebe gesehen.
Ansprechpartner
IKEM - Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Ökonomische Herausforderungen der Sektorkopplung (Stand des Wissens: 06.10.2018)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?490049
Literatur
[BCPr18] BCG - The Boston Consulting Group, Prognos, , Studie im Auftrag des Bundesverbandes der Deutschen Industrie (BDI). (Hrsg.) Klimapfade für Deutschland, 2018/09/24
[BMVI16t] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Hrsg.) Nationaler Strategierahmen über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe als Teil der Umsetzung der Richtlinie 2014/94/EU, 2016
[BMVI17y] Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (Hrsg.) Bekanntmachung Förderrichtlinie Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge in Deutschland, 2017/02/13
[DeEw18] Deutsche Energie-Agentur GmbH, ewi Energy Research & Scenarios gGmbH (Hrsg.) dena-Leitstudie Integrierte Energiewende. Impulse für die Gestaltung des Energiesystems bis 2050, 2018/07
[ESYS17] Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, aca-tech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften (Hrsg.) Sektorkopplung - Optionen für die nächste Phase der Energiewende, 2017/11
[ISI17a] Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Technische Universität Wien, Consentec GmbH, M-Five, TEP Energy GmbH (Hrsg.) Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland. Modul 10.a: Reduktion der Treibhausgasemissionen Deutschlands um 95% bis 2050., 2017/05
[ISI17b] Fraunhofer Institut Materialfluss und Logistik (IML), Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung, Prof. Dr. M. Wietschel , PTV Planung Transport Verkehr AG, TU Hamburg-Harburg - IUE, M-Five (Hrsg.) Machbarkeitsstudie zur Ermittlung der Potentiale des Hybrid-Oberleitungs-Lkw. Studie im Rahmen der wissenschaftlichen Beratung des BMVI zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung, 2017/02
[SRU17] Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.) Umsteuern erforderlich: Klimaschutz im Verkehrssektor, 2017/11
[Wiet18] Wietschel, M., Plötz, P. , Pfluger, B. , Klobasa, M. , Eßer, A. , Haendel, M., Müller-Kirchenbauer, J., Kochems, J., Hermann, L., Grosse, B., Nacken, L. / , Küster, M., Pacem, J., Naumann, D., Kost, C., Kohrs, R., Fahl, U., Schäfer-Stradowsky, S., Timmermann, D., Albert, D. Sektorkopplung - Definition, Chancen und Herausforderungen, 2018
Glossar
Traktion Unter Traktion versteht man im Schienenverkehrsbereich die kraftgetriebene Fortbewegung von Triebfahrzeugen. Bei der Art des Antriebssystems unterscheidet man heutzutage i. d. R. Triebfahrzeuge mit dieselelektrischen oder -hydraulischen bzw. rein elektrischen Aggregaten zur Kraftübertragung (auch: Diesel- bzw. Elektrotraktion).  Die Traktionsart Dampf wird hierzulande nur noch im Bereich von Museumsbahnen eingesetzt. Mehrere gekoppelte Triebfahrzeuge bilden eine sog. Mehrfachtraktion. Üblicherweise werden diese nach der Anzahl der eingesetzten Triebfahrzeuge benannt (z. B. Doppel- oder Dreifachtraktion).
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
Schienenpersonennahverkehr
Gemäß Regionalisierungsgesetz (RegG) § 2 handelt es sich bei einer auf der Schiene erbrachten Beförderungsdienstleistung um ein Angebot des Nahverkehrs, "wenn in der Mehrzahl der Beförderungsfälle [...] die gesamte Reiseweite 50 Kilometer oder die gesamte Reisezeit eine Stunde nicht übersteigt" [RegG, § 2]. Zur Erfüllung der Daseinsvorsorge wird der Schienenpersonennahverkehr (SPNV) von den Ländern bestellt und unterstützt. Der SPNV ist eine Sonderform des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV). Der ÖPNV ist juristisch im Personenbeförderungsgesetz (PBefG) definiert, der SPNV zusätzlich noch im Allgemeinen Eisenbahngesetz (AEG).
BMVI Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (bis 10/2005 auch BMVBW und bis 12/2013 BMVBS)
Elektromobilität
Die Elektrifizierung der Antriebe durch Batterie- und Brennstoffzellentechnologien. Im Kontext des "Nationalen Entwicklungsplans Elektromobilität" wird der Begriff auf den Straßenverkehr begrenzt. Hierbei handelt es sich insbesondere um Personenkraftwagen (Pkw) und leichte Nutzfahrzeuge, ebenso werden aber auch Zweiräder (Elektroroller, Elektrofahrräder) und Leichtfahrzeuge einbezogen.
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.
Verkehrsleistung Die Verkehrsleistung gibt Auskunft über die Inanspruchnahme von Ressourcen. Als Verkehrsleistung wird die auf eine Zeiteinheit t (zum Beispiel ein Jahr) bezogene Verkehrsarbeit definiert und als Quotient dargestellt. Die Verkehrsarbeit wird dabei als Produkt von Verkehrseinheiten (zum Beispiel Güter, Personen) und der durch diese zurückgelegten Strecke gebildet. In der Verkehrswissenschaft sind die Einheiten Personenkilometer pro Jahr [Pkm/a] bzw. Tonnenkilometer pro Jahr [tkm/a] gebräuchlich.
Szenarien Ein Szenario ist ein Bild der Zukunft, das sich aus einer bestimmten Kombination von relevanten Einflussfaktoren und Rahmenbedingungen entwickelt. Das grundsätzliche Anliegen von Szenarien besteht darin, verschiedene Handlungsoptionen zu verdeutlichen und ihre Folgewirkungen transparent zu machen.

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

https://www.forschungsinformationssystem.de/?489956

Gedruckt am Montag, 30. November 2020 09:14:50