Frontier-Studie

CO2-ARME KRAFTSTOFFE AUF
ÖKOSTROMBASIS SIND EINE EFFIZIENTE LÖSUNG
FÜR DEN KLIMASCHUTZ

#alternativekraftstoffe

Der Effizienzbegriff in der klimapolitischen Debatte zum Straßenverkehr

Die ambitionierten klimapolitischen Ziele der Bundesregierung erfordern erhebliche Reduktionen der Treibhausgasemissionen in allen energieverbrauchenden Sektoren, einschließlich des Verkehrssektors.
Die Energieeffizienz von Technologien ist in der aktuellen energiepolitischen Debatte eine wichtige Orientierungsgröße für politische Weichenstellungen. Dies gilt in besonderem Maße für die klimapolitische Bewertung verschiedener Antriebstechnologien im Straßenverkehr (wie batterieelektrische Fahrzeuge, BEV und Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, ICEV). Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung möchten wir bisherige methodische Ansätze zur Bestimmung der Effizienz von Antriebstechnologien im Straßenverkehr prüfen und neue Ansätze zur Effizienzbewertung diskutieren. Gerade in dieser wichtigen Phase der Transformation des Energiesystems ist eine solide Informations- und Faktenbasis von größter Bedeutung für die anstehenden politischen Richtungsentscheidungen.

Unser Ziel:
Eine gesamtheitliche Effizienzanalyse von BEVs und mit PtL angetriebenen ICEVs unter Berücksichtigung aller Erzeugungs- und Energieumwandlungsstufen

Ziel der Studie ist es, essenzielle Aspekte einer gesamtheitlichen technischen Effizienzanalyse von Energiepfaden aufzuzeigen, die bei Erneuerbaren Energien (EE) beginnen und bei der Nutzung in verschiedenen Antriebstechnologien enden. Insbesondere fokussieren wir uns auf EE und den daraus erzeugten Strom, der

  • einerseits in batterieelektrischen Fahrzeugen genutzt wird (BEV-Pfad); und

 

  • andererseits zu synthetischen Flüssigkraftstoffen (E-Fuels oder Power-to-Liquids (PtL)) weiterverarbeitet wird, mit denen Verbrennungsmotorfahrzeuge angetrieben werden (ICEV-Pfad).

 

Dabei zeigen wir auf,

  • dass heute oftmals praktizierte Effizienzbetrachtungen (nachfolgend konventionell genannt) limitiert sind und zu Fehlschlüssen führen können, die batterieelektrische Fahrzeuge als einzige Lösungsoption für eine Defossilisierung aufweisen;

 

  • dass für eine faire Gegenüberstellung von Technologien eine gesamtheitliche Effizienzbetrachtung angewendet werden muss und welche Wertschöpfungsstufen dafür zu berücksichtigen sind; und

 

  • dass im Ergebnis einer gesamtheitlichen Betrachtung mit PtL angetriebene ICEVs eine ähnliche Effizienz aufweisen wie BEVs, insbesondere da durch die Importfähigkeit der PtL-Produkte EE-Standorte mit hohen Stromertragseffizienzen nutzbar gemacht werden können.

Derzeitige Effizienzanalysen haben eine beschränkte, nationale Perspektive und lassen wichtige Aspekte außen vor

Die derzeitige Debatte zur Energieeffizienz basiert zu einem großen Teil auf der Vorstellung einer weitgehend nationalen Energieautarkie unter ausschließlicher Nutzung von inländisch erzeugter Erneuerbarer Energie für alle Verbrauchssektoren.

Dieser auf Deutschland fokussierte Blick ignoriert, dass sich PtL– Produkte aufgrund ihrer hohen Energiedichte unter atmosphärischen Umgebungsbedingungen ohne großen technischen und energetischen Aufwand über weitere Distanzen transportieren lassen. PtL-Produkte ermöglichen somit, weltweit vorhandene und im Vergleich zu Deutschland deutlich höhere EE-Erzeugungspotenziale nahezu unabhängig von ihrem geografischen Standort nutzbar zu machen.

Es ist zweifelhaft, ob eine auf einer konventionellen Effizienzanalyse basierende Vergleichsaussage tragfähig ist: Hierbei bleiben standortspezifische Faktoren der EE-Erzeugung und die damit einhergehende Ertragseffizienz der erneuerbaren Stromgewinnung unberücksichtigt. Für einen fairen Technologienvergleich ist dagegen eine gesamtheitliche Effizienzanalyse über Ländergrenzen hinweg erforderlich.

 

Daneben bleiben in den konventionellen Effizienzanalyse häufig unberücksichtigt:

  • Energieverluste beim Transport;
  • Verluste bei der Energiespeicherung;
  • Ladeverluste bei batterieelektrischen Fahrzeugen; sowie
  • Energiebedarf zur Klimatisierung der Fahrzeuge, insbesondere zur Heizung des Innenraumes bei kühlen Temperaturen.

Bei einer gesamtheitlichen Beurteilung weisen mit PtL angetriebene ICEVs eine ähnliche Effizienz auf wie BEVs, insbesondere da durch die Importfähigkeit der PtL-Produkte EE-Standorte mit hohen Stromertragseffizienzen nutzbar gemacht werden

 

Wir berücksichtigen in dieser Studie die in Abbildung 3 illustrierten Aspekte einer gesamtheitlichen Effizienzbetrachtung. Dabei liegt die technische Effizienz von mit erneuerbarem Strom betriebenen Elektrofahrzeugen und mit grünem PtL betriebenen Verbrennern auf einem ähnlichen Niveau: Abweichend von der in bisherigen konventionellen Analysen ausgewiesenen technischen Effizienz von ca. 70% beträgt die gesamtheitliche Effizienz batterieelektrischer Fahrzeuge ca. 13-16%. Dies liegt in einer ähnlichen Größenordnung wie die gesamtheitliche Effizienz von mit PtL angetriebenen ICEVs von 10 – 13% (vgl. Abbildung 4).

 

Derzeit:

Die Wirkungsgradverluste verteilen sich dabei auf unterschiedliche Stufen der Wertschöpfungskette (vgl. Abbildung 5).

 

  • Bei BEVs ergeben sich im Vergleich zur konventionellen Effizienz zusätzliche Effizienzverluste hauptsächlich durch die geringe Ertragseffizienz der EE-Anlagen in Deutschland (Minderertrag Stromerzeugung), aber auch durch saisonalen Speicherbedarf und Mehrverbrauch durch Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums (enthalten in der Wertschöpfungsstufe „Mobilität“).

 

  • Bei mit PtL betriebenen ICEVs sind die Haupttreiber die Umwandungsverluste (Elektrolyse und Fischer-Tropsch Synthese) neben der Motoreneffizienz, die bei konventionellen Effizienzanalysen bereits abgedeckt werden.

"Der Betrieb eines Pkw mit grünem PtL erfordert rechnerisch eine PV-Kapazität von 6 kW in Nordafrika, ein Pkw mit Batterie mit 5,7 kW fast ebenso viel in Deutschland"

Auch die zu installierenden EE-Kapazitäten unterscheiden sich abhängig von den Standortbedingungen – für BEVs in Deutschland und für ICEVs/PtL in bspw. Argentinien/Patagonien oder Nordafrika/Marokko

Die Implikationen eines umfassenden Effizienzbegriffs lassen sich auch daran ablesen, wie viele  Windräder und Solaranlagen zu errichten sind, um eine bestimmte Anzahl an Pkw zu betreiben. Um
den jährlichen Bedarf eines durchschnittlichen Pkw in Deutschland zu bedienen, bedarf es bspw. bei der Stromerzeugung aus Solarenergie einer Leistung von

  • 6 kW je mit PtL betriebenem ICEV (EE-Standort (PV) in Nordafrika/Marokko) und
  • 5,7 kW je BEV (EE-Standort (PV) in Deutschland).

 

Im Ergebnis zeigt sich, dass im Referenzszenario ein BEV und ein ICEV sowohl bei der gesamtheitlichen Effizienz als auch bei der installierten Leistung sehr nahe beieinander liegen. Außerdem ist zu  berücksichtigen, dass die Flächenverfügbarkeit in dünn besiedelten Regionen wie Nordafrika deutlich besser ist als in dicht besiedelten Ländern wie Deutschland.

Technische Effizienzen hängen in der Realität von einer Vielzahl von Faktoren ab

Sensitivitätsanalysen bestätigen die geringen Effizienzunterschiede der Referenzszenarien zwischen den Antriebstechnologien

 

Die Variation einzelner oder mehrerer Einflussfaktoren führt zu einer weiteren Streuung der Ergebnisse für die gesamtheitliche Effizienz der Antriebstechnologien der Pkw. Variiert werden hierbei

  • neben den Standorten der EE-Erzeugung die Nutzungssituation der Pkw (Stadt/Land),

 

  • das Nutzungsverhalten der Verbraucher (z.B. Schnellladung vs. Ladung mit  Standardgeschwindigkeit bei BEVs),

 

  • klimatische Bedingungen während der Nutzung (Variationender Außentemperaturen) und

 

  • mögliche zukünftige Technologieoptionen (z.B. Wirkungsgrade verschiedener Elektrolyseverfahren) (vgl. Abbildung 8).

In bestimmten Sensitivitäts-Konstellationen weisen mit PtL betriebene ICEVs eine höhere Effizienz auf als mit EE-Strom betriebene BEVs. Treiber sind hierbei neben den unterschiedlichen Erträgen der EE-Anlagen (Standort Deutschland bei BEVs, Nordafrika/Südamerika bei ICEVs) der Energiespeicherbedarf, Batterieladeverluste und der energetische Aufwand für die Fahrzeuginnenraum-Klimatisierung.

 

Über alle Szenarien hinweg betrachtet (Abbildung 9) zeigt sich, dass

  • die Ertragseffizienz der EE-Stromerzeugung die Ergebnisse stark beeinflusst – diese fällt bei ICEVs aufgrund der Vorteile von internationalen EE-Standorten durchgängig höher aus (etwa 75% bis 95%) als bei BEVs, die mit EEStrom aus Deutschland geladen werden (30% bis max.
    40%); und
  • damit die gesamtheitliche Effizienz für BEVs und ICEVs in eine annähernd gleiche Größenordnung rückt (in einen Bereich zwischen ca. 10% und 20%).

Eine durch die Effizienzanalyse motivierte politische Vorselektion ist weder zugunsten des BEV noch des mit PtL betriebenen ICEV zielführend – Politische Rahmenbedingungen müssen für die Defossilisierung mit beiden Antriebssystemen offen sein

 

Der Begriff der technischen Effizienz wird in der bisherigen klimapolitischen Debatte stark eingeschränkt verwendet. Die EEStromerzeugung innerhalb Deutschlands als alleinigen Ausgangspunkt der üblichen Effizienzanalysen anzusetzen, führt zu technologisch irreführenden Ergebnissen. Dieser Vergleich führt an der energiewirtschaftlichen Realität vorbei, da nicht nur die mit einer umfassenden direkten Elektrifizierung im Inland einhergehenden Herausforderungen unberücksichtigt bleiben, sondern auch die in großem Maßstab technisch realisierbaren Möglichkeiten von Energieimporten von strombasierten Kraftstoffen aus Weltregionen mit weitaus höheren EE-Ertragspotenzialen und günstigeren Stromgestehungskosten als in Deutschland.

Vor diesem Hintergrund ergeben sich folgende Schlussfolgerungen
als Basis für politische Leitlinien:

 

  • Die Effizienzvergleiche verschiedener Technologien sollten vom Windrad bzw. der PV-Anlage ausgehen und damit die standortabhängige Ertragseffizienz der Anlagen mitberücksichtigen. Somit sollte die gesamtheitliche technische Effizienzanalyse an die Stelle bisheriger konventioneller Effizienzbetrachtungen treten.
  • Die gesamtheitliche Effizienzanalyse begründet keine Bevorzugung einer einzelnen Technologie. Die
    gesamtheitliche Analyse der Energieketten und deren Wirkungsgradverluste zeigt auf, dass unter realen Bedingungen die technische Effizienzbewertung keine politische Vorselektion einer einzelnen Antriebstechnologie im Straßenverkehr gegenüber einer anderen begründet:
    weder zugunsten batterieelektrischer Fahrzeuge, noch zugunsten von Verbrennungsmotoren, betrieben mit grünen PtL-Kraftstoffen.

 

Die gesamtheitliche technologische Effizienz liefert eine Erkenntnisgrundlage für klimapolitisch motivierte Technologiebewertungen, aber nicht die alleinige: Für technologiebezogene politische Entscheidungen sollte ergänzend zur gesamtheitlichen technischen Effizienz eine Zuordnung zu
einer umfassenderen, systemischen Effizienzbetrachtung vorgenommen werden. Diese systemische Effizienz umfasst z.B. auch die

 

  • ökonomischen Effizienzen (Maß für erreichbare Klimaschutzeffekte pro eingesetzter Geldeinheit) und
  • ökologischen Effizienzen (Maß für Umfang und Stabilität von technologischen Maßnahmen gegen den Klimawandel).

 

Hierbei erfahren z.B. energetische Verluste und CO2-Emissionen  eine Bewertung, und es wird nicht nur auf kWh abgestellt. So nimmt die Relevanz der technischen Energieeffizienz vor dem Hintergrund
großer weltweit verfügbarer Mengen an EE ab, während die Bedeutung der Bereitstellung klimafreundlicher Energie am richtigen Ort zur richtigen Zeit mit der erforderlichen Leistung massiv an Bedeutung gewinnt.

Technologiewahl findet zudem nicht auf der grünen Wiese und unter Ausschluss der Anwender statt: In diesem Zusammenhang sollten Aspekte wie die Verfügbarkeit bestehender
Infrastrukturen (Speicher, Transport- und Verteilinfrastruktur, Fahrzeugbestand) und Anwenderpräferenzen und -bedürfnisse in den Blick genommen werden. Auch in diesem Zusammenhang erscheint eine politische Fokussierung auf eine oder wenige bestimmte Technologien auf Basis eines eng verstandenen technischen Effizienzbegriffs nicht als zielführend.

Statt also auf eine oder wenige bestimmte Technologien zu setzen, sollten alle Technologiepfade zur Defossilisierung des Straßenverkehrs zukunftsoffen verfolgt werden – unter Nutzung aller zukünftigen Beschaffungsoptionen für EE: Eine zukunftsgerichtete Klimapolitik im Verkehrssektor sollte auf die Nutzung und das Offenhalten aller möglichen Defossilisierungstechnologien abzielen. Dabei muss auch die internationale Perspektive eingenommen werden: Importe von EE, z.B. als flüssiger grüner Kraftstoff, werden essenziell, um bedarfsgerecht und bezahlbar klimaneutrale Energie in Deutschland – für alle Wirtschaftszweige und Privathaushalte zur Verfügung zu stellen.

SCHLUSSFOLGERUNGEN DER STUDIE:

Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor, die mit klimafreundlichen Kraftstoffen (PtL) angetrieben werden (ICEVs), weisen bei einem ganzheitlichen Effizienzvergleich für Produktion und Nutzung eine ähnlich gute Energie-Gesamtbilanz auf wie batteriegetriebene Fahrzeuge (BEVs). Das ist das zentrale Ergebnis der vorliegenden Untersuchung.

Die in bisherigen, konventionellen Analysen ausgewiesene Effizienz der Nutzung von Ökostrom in BEVs von rund 70 % schrumpft in der ganzheitlichen Analyse auf 13 bis 16 % und liegt damit in einer vergleichbaren Größenordnung wie die von Pkw, die mit Verbrennungsmotor und PtL betrieben werden, deren Effizienz je nach Szenario bei 10 bis 13 % liegt.

Konventionelle Vergleichsstudien zur Effizienz von Elektromobilität und erneuerbaren Kraftstoffen lassen wichtige Parameter eines sachgerechten Vergleichs außer Acht.

 

  • Vor allem wird stets von einem rein inländischen Strombezug sowohl für BEVs als auch für die Produktion synthetischer Kraftstoffe ausgegangen und damit ein wesentlicher Vorteil der importfähigen PtL-Produkte vernachlässigt: Die Möglichkeit internationale Standorte mit hohen Stromerträgen aus Erneuerbaren Energien zu nutzen.
  • Zudem fließen Energieverluste in der Elektromobilität beim Stromtransport, bei der Energiespeicherung und beim Laden sowie der teils erhebliche zusätzliche Energiebedarf zur Klimatisierung der Fahrzeuge (Wärme/Kälte) nicht in die konventionellen Studien ein (vgl. Abbildung 1).

 

In weiteren Szenarien werden die einzelnen Parameter variiert, sodass in bestimmten Fällen mit PtL betriebene Autos sogar eine höhere Effizienz aufweisen können.

 

Besonders anschaulich wird das Ergebnis, wenn man vergleicht, wie viele Windräder und Solaranlagen errichtet werden müssen, um den jährlichen Energiebedarf eines durchschnittlichen Pkw in Deutschland zu bedienen. Der Betrieb eines Pkw mit grünem PtL benötigt rechnerisch eine PV-Kapazität von 6 kW in Nordafrika, ein BEV mit 5,7 kW fast ebenso viel PV-Kapazität in Deutschland (vgl. Abbildung 2). Bei der Stromerzeugung aus Wind müssen für einen Pkw mit grünen PtL 3 kW in Argentinien/ Patagonien und immerhin 2,3 kW in Deutschland installiert werden. Allerdings ist die Verfügbarkeit von Flächen mit hohen EE-Potenzialen und geringer Bevölkerungsdichte in Regionen wie Nordafrika oder Patagonien deutlich höher als hier zu Lande, die Kosten und Akzeptanzhürden sind niedriger.

 

Für politische Entscheidungen sollten auch Kosten und Klimawirkung der jeweiligen Antriebsart herangezogen werden. Hierbei erfahren z.B. energetische Verluste und CO2-Emissionen eine Bewertung. So nimmt die Bedeutung der bisher immer wieder herangezogenen technischen Energieeffizienz vor dem Hintergrund großer weltweit verfügbarer Mengen an Ökostrom ab, während die Bedeutung der Bereitstellung klimafreundlicher Energie zur richtigen Zeit am richtigen Ort mit der erforderlichen Leistung massiv an Bedeutung gewinnt.

Die politische Vorselektion von Antriebstechnologien allein anhand technischer Effizienzbegriffe vernachlässigt weitere Aspekte wie die Verfügbarkeit bestehender Infrastrukturen einschließlich des Fahrzeugbestandes und die Anwenderbedürfnisse. Ebenso ist eine internationale Perspektive wichtig: Importe von Ökostrom als flüssiger grüner Kraftstoff werden essenziell, um bedarfsgerecht und bezahlbar klimaneutrale Energie in Deutschland zur Verfügung zu stellen, sowohl für die Wirtschaft als auch für Verbraucher.

 

Die Untersuchungen zeigen, dass eine zukunftsgerichtete Klimapolitik im Verkehrssektor auf die Nutzung und das Offenhalten aller klimazielkonformen Technologien abzielen sollte. Bei den legislativen Rahmenbedingungen besteht sowohl auf europäischer wie auch auf nationaler Ebene überarbeitungsbedarf. Dies sollte schnellstmöglich erfolgen, da die Transformation des Energiesystems in Richtung Erneuerbarer Energien angesichts des fortschreitenden Klimawandels zunehmend an Dringlichkeit gewinnt.

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