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Postfossile Energieversorgungsoptionen für einen treibhausgasneutralen Verkehr im Jahr 2050: Eine verkehrsträger-übergreifende Bewertung

Herausgeber/Institute:

UBA, INFRAS, Quantis

Datum:

April 2015

Autoren:

Martin Schmied et al.

Art der Veröffentlichung:

Studie

Auftraggeber/Förderer:

UBA

Themenbereiche:

Energiesysteme
Umwelt + Soziales

Schlagwörter:

Verkehr, Treibhausgase, Klimaschutz, Speicher, Elektromobilität

Seitenzahl:

115

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Zielsetzung und Fragestellung

Die Studie zeigt, welche Energieversorgungsoptionen (Kombination aus Antriebssystemen und Kraftstoffen) den Verkehr in Deutschland bis zum Jahr 2050 treibhausgasneutral machen könnten. Auf Basis bestehender Forschungsarbeiten und Studienergebnisse bietet die Studie einen systematischen Überblick über die verschiedenen nicht-fossilen Energieträger, Antriebstechniken und Verkehrsträger. Die Autoren bewerten die verschiedenen Energieversorgungsoptionen anhand ihres Beitrags zur Treibhausgasminderung und weiterer ökologischer, ökonomischer, technischer, infrastruktureller sowie systemischer Aspekte.

Zentrale Ergebnisse

Direkte Stromnutzung am besten; Entwicklung strombasierter Kraftstoffe notwendig

Die direkte Nutzung von Strom als Antriebsenergie im Fahrzeug sei am effizientesten, ökologischsten und meistens auch ökonomischsten. Allerdings sei das nicht immer möglich, vor allem nicht bei Flugzeugen und Seeschiffen im internationalen bzw. Langstreckenverkehr. Letztlich müssten alle verfügbaren postfossilen Energieversorgungsoptionen (Elektromobilität, stromgenerierte ...

Direkte Stromnutzung am besten; Entwicklung strombasierter Kraftstoffe notwendig

Die direkte Nutzung von Strom als Antriebsenergie im Fahrzeug sei am effizientesten, ökologischsten und meistens auch ökonomischsten. Allerdings sei das nicht immer möglich, vor allem nicht bei Flugzeugen und Seeschiffen im internationalen bzw. Langstreckenverkehr. Letztlich müssten alle verfügbaren postfossilen Energieversorgungsoptionen (Elektromobilität, stromgenerierte ...

Direkte Stromnutzung am besten; Entwicklung strombasierter Kraftstoffe notwendig

Die direkte Nutzung von Strom als Antriebsenergie im Fahrzeug sei am effizientesten, ökologischsten und meistens auch ökonomischsten. Allerdings sei das nicht immer möglich, vor allem nicht bei Flugzeugen und Seeschiffen im internationalen bzw. Langstreckenverkehr. Letztlich müssten alle verfügbaren postfossilen Energieversorgungsoptionen (Elektromobilität, stromgenerierte Kraftstoffe und Biokraftstoffe der 2. Generation) zum Einsatz kommen, auch wenn sie (vor allem in der Einführungsphase) oftmals teurer als konventionelle Kraftstoffe seien. Sonst sei das Ziel einer treibhausgasneutralen Mobilität im Jahr 2050 nicht erreichbar.

Wesentliche Nachteile bei der Herstellung strombasierter Kraftstoffe seien die damit verbundenen Energieverluste und hohen Produktionskosten. Aus ökologischer Sicht dürfe nur Strom aus Erneuerbaren Energien eingesetzt werden. Strom aus Erneuerbaren Energien könne zwar in den nächsten Jahren in anderen Anwendungsbereichen effizienter genutzt werden, trotzdem sei kurz- bis mittelfristig ein politischer Rahmen zu schaffen, um die notwendigen Kapazitäten und Konzepte für eine breite Markteinführung bis 2050 zu entwickeln.

Biokraftstoffe der 2. Generation sowie strombasierte Kraftstoffe vor allem für Flugverkehr und Seeschifffahrt

Für den Flugverkehr und die internationale Seeschifffahrt, aber auch für die Verbrennungsmotoren von Plug-in-Hybriden würden weiterhin flüssige Kraftstoffe benötigt. Gasförmige Kraftstoffe seien zwar für Hybride prinzipiell auch denkbar, aufgrund des aufwändigeren Energiespeichers in Kombination mit dem relativ großen und schweren Batteriespeicher jedoch eine unwahrscheinliche Lösung. Für den Lkw-Fernverkehr kämen Brennstoffzellen oder Oberleitungs-Lkw in Betracht. Erstere erforderten einen hohen technischen Anpassungsbedarf bei Fahrzeugen und Versorgungsinfrastruktur. Oberleitungs-Lkw hätten zwar ökologische und ökonomische Vorteile, es erscheine jedoch unwahrscheinlich, dass große Teile des europäischen Autobahnnetzes elektrifiziert würden. Welche Option insgesamt am besten sei, könne noch nicht eindeutig gesagt werden, rein batterieelektrische oder Plug-in-Varianten kämen jedoch auch bis 2050 nicht in Frage.

Unter den Biokraftstoffen betrachten die Autoren solche der 2. Generation, die aus Restholz und -stroh gewonnen werden, als postfossile Option. Sie könnten jedoch im günstigsten Fall weltweit lediglich 13 bis 19 Exajoule (= 3.611 bis 5.278 Terawattstunden) Energie im Jahr 2050 zur Verfügung stellen, während der globale Endenergieverbrauch des Verkehrs auf 100 bis 170 Exajoule (= 27.778 bis 47.222 TWh) im Jahr 2050 geschätzt werde. Biokraftstoffe der 2. Generation erfüllten damit zwar die mengenmäßige Mindestanforderung, um in der Studie detaillierter untersucht zu werden, könnten aber den Verkehr nur zu einem Bruchteil allein versorgen. Aufgrund des begrenzten Biokraftstoffpotenzials sei die Einführung von mittels Strom erzeugten Kraftstoffen (Power-to-Gas, Power-to-Liquid) zwingend erforderlich.

Keine Biokraftstoffe der 1. und 3. Generation

Biokraftstoffe der 1. und 3. Generation kommen aus Sicht der Autoren als postfossile Energieversorgungsoption nicht in Frage. Sie werden bereits bei der Vorauswahl von der weiteren Untersuchung ausgeschlossen, da die Nutzung von Anbaubiomasse zu geringe Treibhausgasminderungen bewirke und zu hohe ökologische Folgewirkungen in anderen Bereichen habe. Geeignete Reststoffe seien hingegen in zu geringen Mengen verfügbar und daher lediglich in Nischenmärkten einsetzbar. Biokraftstoffe der 3. Generation sehen die Autoren als technisch zu unausgereift hinsichtlich der Herstellungsverfahren, weshalb ein großtechnischer Einsatz bis 2050 unwahrscheinlich sei. Zudem könnten Kraftstoffe aus Algen nach aktuellem Wissensstand die geforderte Treibhausgasminderung im Jahr 2050 nicht erbringen."

Zentrale Annahmen und Thesen

Anforderungen an postfossile Energieversorgungsoptionen

Die Autoren stellen fest, dass der Umfang der Treibhausgasreduktion durch die postfossilen Energieversorgungsoptionen nicht ausreicht, um die Optionen umfassend zu bewerten. Daher beziehen sie weitere ökologische, ökonomische, technische, infrastrukturelle sowie systemische Aspekte in die Untersuchung ein. Daher definieren sie vier Kriterien für Energieversorgungsoptionen, bevor sie in die engere Wahl für eine postfossile Versorgung des Verkehrs im Jahr 2050 kommen und einer Detailbewertung unterzogen werden:

  • Die postfossilen Optionen ...

Anforderungen an postfossile Energieversorgungsoptionen

Die Autoren stellen fest, dass der Umfang der Treibhausgasreduktion durch die postfossilen Energieversorgungsoptionen nicht ausreicht, um die Optionen umfassend zu bewerten. Daher beziehen sie weitere ökologische, ökonomische, technische, infrastrukturelle sowie systemische Aspekte in die Untersuchung ein. Daher definieren sie vier Kriterien für Energieversorgungsoptionen, bevor sie in die engere Wahl für eine postfossile Versorgung des Verkehrs im Jahr 2050 kommen und einer Detailbewertung unterzogen werden:

  • Die postfossilen Optionen ...

Anforderungen an postfossile Energieversorgungsoptionen

Die Autoren stellen fest, dass der Umfang der Treibhausgasreduktion durch die postfossilen Energieversorgungsoptionen nicht ausreicht, um die Optionen umfassend zu bewerten. Daher beziehen sie weitere ökologische, ökonomische, technische, infrastrukturelle sowie systemische Aspekte in die Untersuchung ein. Daher definieren sie vier Kriterien für Energieversorgungsoptionen, bevor sie in die engere Wahl für eine postfossile Versorgung des Verkehrs im Jahr 2050 kommen und einer Detailbewertung unterzogen werden:

  • Die postfossilen Optionen müssen den Treibhausgasausstoß unter Berücksichtigung der Kraftstoff- und Fahrzeugherstellung mindestens um 50 % gegenüber konventionell angetriebenen Verkehrsmitteln senken.
  • Die Nutzung von Anbaubiomasse wird aufgrund erheblicher ökologischer Folgewirkungen generell als nicht nachhaltig bewertet und daher ausgeschlossen.
  • Der Kraftstoff muss mengenmäßig in der Lage sein, mindestens 10 % des weltweiten Endenergiebedarfs des Verkehrs im Jahr 2050 zu decken.
  • Die postfossile Energieversorgungsoption muss 2050 großtechnisch einsetzbar sein. Ökologische, ökonomische und sonstige Bewertungskriterien

Für die detaillierte Bewertung der Energieversorgungsoptionen im Verkehr betrachten die Autoren als ökologische Kriterien die Treibhausgaswirkungen, Energieeffizienz, Primärenergiebedarf, Luftschadstoff- und Lärmemissionen, den Verbrauch kritischer Metalle, Wasser- und Flächenverbrauch sowie Auswirkungen auf die Biodiversität. Zu den untersuchten ökonomischen Aspekten gehören die Anschaffungs- und Energiekosten der verschiedenen Optionen sowie Kostenabschätzungen zur notwendigen Infrastruktur wie Tankstellen, Ladestationen oder Oberleitungen. Weitere Gesichtspunkte sind Reichweiten, Anpassungsbedarf bei Fahrzeugen, Versorgungs- und Verkehrsinfrastruktur, Realisierbarkeit bis 2050 und die Einbindung ins Verkehrs- und Energiesystem.

Methodik

Als postfossile Kraftstoffe im Verkehr werden regenerativer Strom, daraus hergestellte Kraftstoffe wie Power-to-Gas (Wasserstoff, Methan) und Power-to-Liquid (PtL) sowie Biokraftstoffe betrachtet. Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählen die Autoren Bioethanol, Biodiesel, Pflanzenöle und Biogas aus Anbaubiomasse und Reststoffen. Zu Biokraftstoffen der 2. Generation rechnen sie zum Beispiel Zellulose-Ethanol, Biomass-to-Liquid (BtL), Synthetic Natural Gas (Bio-SNG). Die Produktion dieser Biokraftstoffe aus Restholz und -stroh stehe nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion oder ...

Als postfossile Kraftstoffe im Verkehr werden regenerativer Strom, daraus hergestellte Kraftstoffe wie Power-to-Gas (Wasserstoff, Methan) und Power-to-Liquid (PtL) sowie Biokraftstoffe betrachtet. Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählen die Autoren Bioethanol, Biodiesel, Pflanzenöle und Biogas aus Anbaubiomasse und Reststoffen. Zu Biokraftstoffen der 2. Generation rechnen sie zum Beispiel Zellulose-Ethanol, Biomass-to-Liquid (BtL), Synthetic Natural Gas (Bio-SNG). Die Produktion dieser Biokraftstoffe aus Restholz und -stroh stehe nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion oder ...

Als postfossile Kraftstoffe im Verkehr werden regenerativer Strom, daraus hergestellte Kraftstoffe wie Power-to-Gas (Wasserstoff, Methan) und Power-to-Liquid (PtL) sowie Biokraftstoffe betrachtet. Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation zählen die Autoren Bioethanol, Biodiesel, Pflanzenöle und Biogas aus Anbaubiomasse und Reststoffen. Zu Biokraftstoffen der 2. Generation rechnen sie zum Beispiel Zellulose-Ethanol, Biomass-to-Liquid (BtL), Synthetic Natural Gas (Bio-SNG). Die Produktion dieser Biokraftstoffe aus Restholz und -stroh stehe nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion oder stofflichen Nutzung. Biokraftstoffe der 3. Generation würden unabhängig von Kulturflächen aus Algen gewonnen.

Bei den Antriebstechniken betrachten die Autoren Verbrennungsmotoren, Elektromotoren in batteriegetriebenen Fahrzeugen oder solchen mit Oberleitungsversorgung, Hybridfahrzeuge sowie Brennstoffzellen. Zu den untersuchten Verkehrsträgern gehören Pkw, Lkw, Linienbus, Flugzeug und Seeschiff. Da es für die Bahn mit regenerativem Strom eine treibhausgasneutrale Option gebe, die lediglich weiter ausgebaut werden müsse, wird dieses Verkehrsmittel nicht näher betrachtet. Geographisch fokussiert die Untersuchung auf Deutschland, nimmt jedoch die internationale Perspektive ein für Verkehrsträger wie Flugzeug und Schiff sowie für die Betrachtung der Biokraftstoffe.

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