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 (engl.: 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 (engl.: 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 betrachtet werden: spezifische Treibhausgas-Emissionen, spezifische Gesamtkosten sowie CO₂-Vermeidungskosten und deren Zusammenhang mit einem vorgegebenen Kohlenstoff-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 die technischen Potenziale in Deutschland 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 im Buch gezeigt werden, zu berücksichtigen.

In diesem Kapitel werden die THG-Emissionen im Zuge der Herstellung und des Recyclings repräsentativer Fahrzeuge sowie Well-to-Wheel-Emissionsfaktoren von Energieträgern dargelegt, welche die Grundlage für die Ermittlung der gesamten THG-Emissionen von Automobilen gemäß einer Lebenszyklusanalyse (LCA) bilden. Die Verwendung von spezifischen THG-Emissionen bzw. Emissionsfaktoren ist u. a. für Vergleichszwecke vorteilhaft. 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. Basierend auf diesen Betrachtungen 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 THG-Emissionen identischer Fahrzeugtechnologien zu vergleichen, da die Energiebereitstellung unterschiedlicher Antriebskonzepte sehr verschieden sein kann. Anhand Fahrzeugmessungen leiten sich für verschiedene Antriebskonzepte Verbrauchsfunktionen ab (Willans-Ansatz). Die damit ermittelten TTW-Energieverbräuche für unterschiedliche Fahrprofile, z. B. Stadt- oder Autobahnbetrieb sowie gemischte Anteile, werden für verschiedene Fahrzeugtechnologien in diesem Kapitel vorgestellt.

In diesem Kapitel werden einzelne Bestandteile der Gesamtkosten betrachtet, die in Summe über den Lebensweg eines Fahrzeuges entstehen. Für Referenzfahrzeuge werden jegliche Kosten nach der Total Cost of Ownership (TCO) Methodik in die Gesamtkosten einbezogen. Für Standardfahrzeuge werden diejenigen TCO-Bestandteile berücksichtigt, die kennzeichnend für eine jeweilige Antriebstechnologie sind – als Gesamtkosten (TCO) exkl. Steuern und Versicherungen bezeichnet. Die für die Ermittlung der Energiekosten relevanten Energiepreise werden für verschiedene Energieträger gemäß ihren zugrunde liegenden Kostenbestandteilen dargelegt.

In diesem Kapitel werden Potenziale hinsichtlich des Verbrauchs und der Kosten von Fahrzeugtechnologien dargelegt. Zudem werden mögliche Preisentwicklungen 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 Fahrzeugtechnologien annähern. Dadurch steigt die Bedeutung der Energiekosten. Es ist eine deutliche Reduktion der Energiepreise für erneuerbare Energieträger sowie des Fahrzeugverbrauchs erwartbar.

In diesem Kapitel werden die spezifischen THG-Emissionen gemäß einer Lebenszyklusanalyse (LCA) und die spezifischen Gesamtkosten (Total Cost of Ownership, TCO) für repräsentative Fahrzeuge dargelegt. Anhand dessen wird ersichtlich, welche THG-Emissionen (LCA) und Kosten für PKW mit verschiedenen Antriebstechnologien und Energieträgern hervorgehen. Soweit Technologien einschließlich der verwendeten Energieträger gegenüber einer bestimmten Referenz geringere CO₂-Emissionen jedoch höhere Kosten verursachen, ist die Bestimmung von CO₂-Vermeidungskosten eine häufig herangezogene Vorgehensweise, um die Kosteneffizienz der CO₂-Minderung darzulegen. Es werden hier Benzinfahrzeuge mit fossilem Kraftstoff als Referenz betrachtet, da diese im Jahr 2016 die höchsten THG-Emissionen (LCA) verursachten, jedoch die niedrigsten Gesamtkosten (TCO) aufwiesen. Auf Basis der Auswertung repräsentativer Fahrzeuge werden Empfehlungen an die Politik und Wirtschaft abgeleitet. U. a. wird eine politisches Instrument vorgestellt, mit welchem die Temperaturziele des Abkommens von Paris möglichst treffsicher und kosteneffizient eingehalten werden können.

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Erkenntnisse des Buches zusammengefasst. Es werden THG-Reduktionspfade gezeigt, welche sich auf die Temperaturziele des Abkommens von Paris beziehen. Des Weiteren werden für repräsentative Fahrzeuge die Ergebnisse zum realen Energieverbrauch, zu den THG-Emissionen nach einer Lebenszyklusanalyse, zu den Total Cost of Ownership sowie zu den CO₂-Vermeidungskosten dargelegt. Auf Basis dieser Auswertung werden Empfehlungen an die Politik und Wirtschaft abgeleitet. U. a. wird eine politisches Instrument vorgestellt, mit welchem die Temperaturziele des Abkommens von Paris möglichst treffsicher und kosteneffizient eingehalten werden können.