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Direkte Elektrifizierung des Verkehrssektors im Kontext der Sektorkopplung

Erstellt am: 05.10.2018 | Stand des Wissens: 05.01.2024
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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 Personenkraftwagen (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 [Wiet18; BCPr18]. Die verstärkte Nutzung von Pkw-Elektrofahrzeugen in Deutschland führte nach [Wiet18] bis zum Jahr 2030 zu circa 110 bis 130 Terrawattstunden (TWh) und bis zum Jahr 2050 zu 80 bis 120 TWh zusätzlichem Strombedarf. Dem gegenüber stünden Einsparungen von circa 400 TWh Kraftstoffs aus fossilen Quellen und eine entsprechende Minderung der damit verbundenen Kohlenstoffdioxid (CO2)-Emissionen [ESYS17, S. 28]. Zudem emittieren Elektrofahrzeuge keine Luftschadstoffe; auch das Niveau der Lärmemissionen liegt deutlich unter dem eines Pkw mit konventionellem Verbrennungsmotor. Im Jahr 2021 schätzte die Prognos AG im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums den Stromverbrauch für das Jahr 2030 auf zwischen 645-665 Terawattstunden. Dabei werden 14 Millionen Elektro-Pkw, 6 Millionen Wärmepumpen und 30 Terawattstunden Strom für grünen Wasserstoff unterstellt [BMWi21d].
Die zusätzlichen Strommengen erscheinen für das Energiesystem realisierbar [Wiet18]. Allerdings müssen mittelfristig Lastspitzen durch das gleichzeitige Laden vieler Fahrzeuge (zum Beispiel 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 [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 [ESYS17, S. 28]. Der Preis je Kilowattstunde (kWh) Batterieleistung ist allein im Zeitraum 2010 bis 2019 um 77 Prozent gesunken [SRU17, S. 111; Stat21f]. Bereits heute erreichen Modelle der Oberklasse wie der Tesla Model S nach Herstellerangaben Reichweiten bis zu 650 Kilometern (km) mit einer Batterieladung [ADAC21a]. Auch für die Kompaktklasse haben mehrere Pkw-Hersteller (zum Beispiel Nissan, Skoda, VW) Fahrzeuge mit einer elektrischen Reichweite von rund 500 km für die Jahre 2020 bis 2022 angekündigt [ISI17a, S. 43]. Bis 2025 soll die durchschnittliche elektrische Reichweite auf 784 Kilometer ansteigen [HoPa20].
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.
Seit Juni 2015 wird im Rahmen der Förderrichtlinie Elektromobilität des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) der Aufbau von Ladepunkten für geförderte Fahrzeuge mit einem Volumen von 551 Millionen Euro unterstützt. Mit der bis 2025 laufenden Förderrichtlinie wurde bereits die Errichtung von 13.325 Ladepunkten gefördert. Darüber hinaus hat das BMVI mit seinem Förderprogramm Ladeinfrastruktur (2017-2020) in die Errichtung von 30.000 Ladepunkten investiert, von welchen 12.000 Ladepunkte auch schon im Betrieb sind [BMVI21o]. Des Weiteren bestehen Vorhaben zur Offensive Ladeinfrastruktur vor Ort, zu der Errichtung einer Schnellladeinfrastruktur sowie zur Verlängerung des Förderprogramms Ladeinfrastruktur.
Stand August 2023 waren der Bundesnetzagentur 101.421 öffentlich zugängliche Ladepunkte gemeldet, davon 19.859 Schnellladepunkte [BNetzA]. Perspektivisch kann davon ausgegangen werden, dass die Verfügbarkeit geeigneter Ladeinfrastruktur für Elektromobilität keinen Engpass darstellt [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 bis 40 Tonnen 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 [SRU17]. Deshalb beleuchten aktuelle Studien [WiGn17; BCPr18; DeEw18], die Möglichkeit der Einführung von Oberleitungen für die wichtigsten Strecken des deutschen Autobahnnetzes. [BCPr18] und auch [DeEw18] orientieren sich dabei an der Machbarkeitsstudie [WiGn17] 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 [DeEw18, S. 305]
Nach aktueller Straßenauslastung würden mit Oberleitungen für Lkw bei 4000 km 64 Prozent der Straßengüterverkehrsleistung auf Bundesautobahnen erreicht; bei 8000 km wären 91Prozent der Güterverkehrsleistung abgedeckt. Damit ließen sich zu relativ moderaten Kosten von circa 7 bis 10 Milliarden EUR für 4000 km Oberleitungen 10 bis 12 Millionen t CO2-Emissionen pro Jahr vermeiden [WiGn17]. 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 [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 [SRU17, S. 164 ff.]. Im Jahr 2019 waren circa 63 Prozent des gesamten Schienennetzes der bundeseigenen DB Netz elektrifiziert, auf dem aber rund 74 Prozent aller Zugkilometer abgewickelt wurden. Im Güterverkehr wurden 2019 annähernd 90 Prozent, im Fernverkehr 97,5 Prozent aller Zugkilometer elektrisch zurückgelegt. Das Potential für weitere Elektrifizierung ist vor allem Nebenstrecken zuzurechnen, die vom Schienenpersonennahverkehr (SPNV) bedient werden. 2019 wurden 240 Millionen Zugkilometer im SPNV per Dieseltraktion erbracht, was circa 36 Prozent der Gesamtleistung des SPNV entspricht [BMVI21p]. Eine rasche und umfassende Elektrifizierung von Nebenstrecken scheint aus klimapolitischen Erwägungen heraus geboten. Unter wirtschaftlichen Aspekten können künftig auch alternative Schienenantriebe in Form von batterieelektrischen oder Brennstoffzellenfahrzeugen eine Rolle spielen [DENA18a].. Um das Ziel einer hundertprozentigen Elektrifizierung aller gefahrenen Zugkilometer bis 2050 zu erreichen, hat das BMVI das Anfang 2019 verabschiedete Elektrifizierungsprogramm für die Schiene weiterentwickelt. Das Programm besteht aus vier Investitionsschwerpunkten, siehe Abbildung 2 [BMVI21p].Mit Stand 2020 sind 61 Prozent der bundeseigenen Schienenwege elektrifiziert [NOW20b]. 
Elektrifizierungsprogramm.pngAbb. 2: Investitionsschwerpunkte des Elektrifizierungsprogrammes [BMVI21p] (Grafik zum Vergrößern bitte anklicken)
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: 05.01.2024)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?490049
Literatur
[ADAC21a] Allgemeiner Deutscher Automobil-Club e. V. (ADAC) (Hrsg.) Tesla Model S: 1020 PS gefällig?, 2021/06
[BCPr18] BCG - The Boston Consulting Group, Prognos, , Studie im Auftrag des Bundesverbandes der Deutschen Industrie (BDI). (Hrsg.) Klimapfade für Deutschland, 2018/09/24
[BMVI21o] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (Hrsg.) Ladeinfrastruktur, 2021
[BMVI21p] Bundesministerium für Digitales und Verkehr (Hrsg.) Mit der Elektrobahn klimaschonend in die Zukunft: Das Bahn-Elektrifizierungsprogramm des Bundes, 2021
[BMWi21d] Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (Hrsg.) Abschätzung des Stromverbrauchs 2030, 2021/07/12
[BNetzA] Bundesnetzagentur (Hrsg.) Elek­tro­mo­bi­li­tät: Öf­fent­li­che Ladein­fra­struk­tur, 2023/02/02
[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
[DENA18a] Deutsche Energie-Agentur GmbH (Hrsg.) Einsatzgebiete für Power Fuels - Nicht elektrifizierter Schienenverkehr, 2018/08
[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
[HoPa20] Horvath & Partners (Hrsg.) Horvath & Partners Faktencheck E-Mobilität 2020, 2020
[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
[NOW20b] NOW GmbH Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (Hrsg.) Marktanalyse alternativer Antriebe im deutschen Schienenpersonennahverkehr, 2020/09
[SRU17] Sachverständigenrat für Umweltfragen (SRU) (Hrsg.) Umsteuern erforderlich: Klimaschutz im Verkehrssektor, 2017/11
[Stat21f] Statista (Hrsg.) Weltweite Preisentwicklung für Lithium-Ionen-Akkus in ausgewählten Jahren von 2010 bis 2019 und eine Prognose bis 2025, 2021
[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
[WiGn17] Martin Wietschel, Till Gnann, André Kühn, Patrick Plötz, Cornelius Moll, Daniel Speth, Jan Buch, Tobias Boßmann, Sebastian Stütz, Maximilian Schellert, David Rüdiger, Werner Balz, Helmut Frik , Volker Waßmuth, Daniela Paufler-Mann, Anne Rödl, Wolfgang Schade, Simon Mader 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
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).
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.
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.
BMDV
Bundesministerium für Digitales und Verkehr (bis 10/2005 BMVBW, bis 12/2013 BMVBS und bis 11/2021 BMVI)
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieform umgewandelt wird, und beschreibt damit die Effizienz beispielsweise einer technischen Anlage.
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.
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 oder Personen) und der durch diese zurückgelegten Strecke gebildet. In der Verkehrswissenschaft sind die Einheiten Personenkilometer pro Jahr [Pkm/a] oder 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 Mittwoch, 29. Mai 2024 04:55:30