Kosteneffiziente und nachhaltige Automobile

Die Fragestellungen, die in diesem Buch untersucht werden, betreffen komplexe Systeme. Daher werden im ersten Kapitel zunächst systemtheoretische Grundlagen bereitgestellt. Der Unterschied von einfachen und komplexen Systemen sowie systemischen und nicht-systemischen Modellen wird erläutert und anhand von Beispielen illustriert. Eine allgemeine Methodik für systemorientiertes Vorgehen und ein systemtheoretischer Aufbau des Gesamtsystems werden vorgestellt. Die Anthroposphäre – d.h. vom Menschen geschaffene Systeme mit Menschen als Akteuren – wird detailliert beschrieben, sowie die Wechselwirkung der Anthroposphäre mit den natürlichen Systemen des Planeten Erde. Im Zuge dessen wird das Klimawandel-Problem detailliert erläutert, und das Kohlenstoff-Budget („carbon budget“) wird als wesentliches Konzept vorgestellt. Aus diesen Grundlagen wird ein detailliertes systemisches Modell des PKW-Sektors als Teil des Transportsektors entwickelt. Formeln für die kumulierten jährlichen Gesamtemissionen, die kumulierten jährlichen Kosten sowie Näherungsmethoden zur Berechnung werden bereitgestellt. Die Methoden „Total Cost of Ownership“ (TCO) und Lebenszyklusanalyse – „Lifecycle Assessment“ (LCA) – werden vorgestellt, und es wird begründet, warum die Methoden innerhalb des systemtheoretischen Gesamtkonzepts vorteilhaft eingesetzt werden können. Die genannten Formeln können auf den gesamten Transportsektor erweitert werden. Das Kapitel endet mit der Vorstellung der folgenden systemisch relevanten Meßgrößen für PKW, die in den darauffolgenden Kapiteln im Detail untersucht werden: spezifische Treibhausgas-Emissionen, spezifische Gesamtkosten sowie CO₂-Vermeidungskosten sowie deren Zusammenhang mit einem vorgegebenen „carbon budget“.

In diesem Kapitel werden repräsentative Fahrzeuge mit unterschiedlichen Antriebstechnologien und Energieträgern dargelegt, die als Untersuchungsgegenstand dienen. Neben den Referenzfahrzeugen, welche einzelne bis 2016 am Markt verfügbare Modelle abbilden, werden zusätzlich synthetische Fahrzeuge betrachtet, die sich nur bezüglich der antriebsspezifischen Eigenschaften unterscheiden und hier als Standardfahrzeuge deklariert werden. Für erneuerbare Kraftstoffe werden inländische Potenziale abgeschätzt, deren Umfang den Einsatz der jeweiligen Kraftstoffe einschränkt. Diese gilt es bei der Bewertung von erneuerbaren Energieträgern, neben deren Kosten und Emissionsfaktoren, die an anderer Stelle in diesem Buch gezeigt werden, zu berücksichtigen.

In diesem Kapitel werden die THG-Emissionen dargelegt, welche für Automobile mit unterschiedlichen Energieträgern und Antriebstechnologien einhergehen. Die Erhebung der THG-Emissionen erfolgt gemäß der Systematik einer Lebenszyklusanalyse (LCA). Die Verwendung von spezifischen THG-Emissionen ist u. a. für Vergleichszwecke vorteilhaft. Spezifische Emissionen werden auch als Emissionsfaktoren bezeichnet. Von besonderer Relevanz ist der Emissionsfaktor von Strom, da sich dieser für alle elektrischen Antriebstechnologien und strombasierten Kraftstoffe signifikant auf die gesamten THG-Emissionen auswirkt, welche mit diesen Technologien einhergehen. Es wird ein erneuerbarer Strombezug definiert, bei welchem nachweislich keinerlei direkte THG-Emissionen durch konventionelle Stromerzeugungsanlagen hervorgehen. Zudem werden bestehende Grünstromprodukte hinsichtlich ihrer Verursachergerechtigkeit bewertet. Letztlich werden die Emissionsfaktoren für unterschiedliche Strombezugsvarianten abgeleitet.

Der Tank-to-Wheel-Verbrauch verbrennungsmotorischer Fahrzeuge, der Battery-to-Wheel-Verbrauch elektrischer Fahrzeuge oder die Kombination bei hybriden Fahrzeugen beinhaltet den energetischen Verbrauch eines chemischen Energieträgers und/oder von Elektrizität ab einem stationären Energiesystem. Tank-to-Wheel- bzw. Battery-to-Wheel-Verbräuche eignen sich nur, um Fahrzeuge mit gleichen Antriebskonzepten zu vergleichen, da die Energiebereitstellung unterschiedlicher Antriebskonzepte sehr verschieden sein kann. Anhand realer Fahrzeugmessungen im WLTP-Zyklus werden in diesem Kapitel für repräsentative Fahrzeuge mit verschiedenen Antriebskonzepten Verbrauchsfunktionen ableitet (Willans-Ansatz). Damit werden reale TTW-Energieverbräuche in Funktion der Antriebsleistung berechnet und unterschiedliche Fahrprofile, wie z. B. reiner Innenstadtbetrieb, Außerorts- oder Autobahnbetrieb sowie gemischte Anteile für verschiedene Fahrzeuge verglichen.

In diesem Kapitel werden die einzelnen Bestandteile der Gesamtkosten analysiert, die in Summe über den Lebensweg eines Fahrzeuges entstehen. Es werden die Kostenbestandteile nach der Total Cost of Ownership (TCO) Methodik für die Referenzfahrzeuge betrachtet. Für Standardfahrzeuge werden diejenigen Kostenbestandteile einer TCO-Analyse untersucht, welche als kennzeichnend für eine Antriebstechnologie gelten, als Gesamtkosten (TCO) exkl. Steuern und Versicherungen bezeichnet. Neben Steuern und Versicherungszahlungen beinhalten diese Gesamtkosten auch keine Entsorgungs- bzw. Recyclingkosten. Die Energiepreise je Energieträger werden detailliert analysiert, aufgetrennt in die Kosten für Produktbeschaffung, Verteilung und Verkauf sowie Steuern. Die Energiekosten je Antriebstechnologie ergeben sich aus den Energiepreisen und dem Energieverbrauch der Fahrzeuge.

Die zukünftigen Entwicklungen hinsichtlich des Verbrauchs und der Kosten von Fahrzeugen mit unterschiedlichen Antriebstechnologien werden an dieser Stelle untersucht. Zudem werden Preisprognosen für verschiedene Energieträger vorgestellt. Ein besonderer Fokus wird auf die zukünftigen Gasgestehungs- und Tankstellenkosten von Wasserstoff und synthetischem Methan wie auch auf die Stromkosten gelegt. Es wird gezeigt, dass sich vermutlich zukünftig die Herstellkosten von Fahrzeugen verschiedener Antriebstechnologien annähern. Dadurch steigt die Bedeutung der Energiekosten. Diesbezüglich wird eine deutliche Reduktion der Energiepreise für erneuerbare Energieträger sowie des Fahrzeugverbrauchs erwartet.

In diesem Kapitel werden die spezifischen THG-Emissionen gemäß einer Lebenszyklusanalyse (LCA) und die spezifischen Gesamtkosten mittels der Total Cost of Ownership (TCO) Methodik für repräsentative Fahrzeuge dargelegt. Anhand dessen wird ersichtlich, welche THG-Emissionen (LCA) und Kosten für PKW mit verschiedenen Antriebstechnologien in Kombination mit bestimmten Energieträgern hervorgehen. Soweit Technologien einschließlich der verwendeten Energieträger gegenüber einer bestimmten Referenz geringere THG-Emissionen jedoch höhere Kosten verursachen, ist die Bestimmung der CO2-Vermeidungskosten eine geeignete Vorgehensweise, um die Kosteneffizienz der THG-Minderung darzulegen. Die CO2-Vermeidungskosten entsprechen der Höhe eines CO2-Preises, der notwendig ist, damit für eine Alternative und der Referenz Kostenparität resultiert. Es werden Benzinfahrzeuge mit fossilem Kraftstoff als Referenz im PKW-Sektor betrachtet, da diese die höchsten THG-Emissionen (LCA) verursachen, jedoch die niedrigsten Gesamtkosten (TCO) aufweisen. Die in diesem Kapitel dargelegten CO2-Vermeidungskosten bilden für eine Alternative gegenüber der Referenz die Mehrkosten im Verhältnis zur THG-Einsparung ab. Auf Basis der Auswertung repräsentativer Fahrzeuge werden letztlich Empfehlungen an die Politik und Wirtschaft abgeleitet. U. a. wird eine politisches Instrument vorgestellt, mit welchem die Temperaturziele des Pariser Übereinkommens sicher und kosteneffizient eingehalten werden.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Erkenntnisse des Buches zusammengefasst. Es werden THG-Reduktionspfade gezeigt, welche sich auf die Temperaturziele des Pariser Übereinkommens beziehen. Des Weiteren werden die Ergebnisse zum realen Energieverbrauch, zu den THG-Emissionen nach einer Lebenszyklusanalyse, zu den Total Cost of Ownership sowie zu den CO₂-Vermeidungskosten dargelegt. Aus den Erkenntnissen werden Empfehlungen an Politik und Wirtschaft abgeleitet. Insbesondere wird ein politisches Instrument vorgestellt, mit welchem die Temperaturziele des Pariser Übereinkommens sicher und kosteneffizient eingehalten werden.