Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag

Reinhard Grünwald

Perspektiven eines CO₂- und emissionsarmen Verkehrs

Kraftstoffe und Antriebe im Überblick

TAB-Arbeitsbericht Nr. 111. Berlin 2006, 244 Seiten

Zusammenfassung

Entgegen dem allgemeinen Trend ist der Verkehrsbereich der einzige Sektor, in dem die CO₂-Emissionen im letzten Jahrzehnt weiter angestiegen sind. Indessen ist die Notwendigkeit der Verminderung des CO₂-Ausstoßes und der Schadstoffemissionen im Verkehr unstrittig. Ansatzpunkte bestehen hierfür zum einen in der Einführung neuer Kraftstoffe und Energieträger zur Substitution von Benzin und Diesel und zum anderen bei der Effizienzsteigerung von Antrieben. Da dem Verkehrsbereich zukünftig eine wichtige Rolle beim Klima- und Ressourcenschutz sowie bei der Erreichung von Luftreinhaltezielen zukommen wird, wurde das Büro für Technikfolgen-Abschätzung beim Deutschen Bundestag (TAB) vom Ausschuss für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung des Deutschen Bundestages beauftragt, das Thema »Perspektiven eines CO₂- und emissionsarmen Verkehrs – Kraftstoffe und Antriebe im Überblick« im Rahmen einer Vorstudie zu bearbeiten.

Ziel dieser Vorstudie ist es, die vorhandene aktuelle Literatur zu sichten, auszuwerten und die bisher untersuchten Themenschwerpunkte übersichtlich darzustellen. Zusätzlich wurden zur Quantifizierung von Emissionsminderungspotenzialen und zum Flächenbedarf von Biokraftstoffen weiter gehende Berechnungen durchgeführt. Auf dieser Grundlage werden Forschungslücken identifiziert und Themen vorgeschlagen, die nach Einschätzung des TAB besondere Aufmerksamkeit für weiter gehende vertiefende Analysen verdienen.

Effizienz- und Emissionsminderungspotenziale der Verkehrsträger

Straßenverkehr

Der Straßenverkehr weist nicht nur aufgrund seines Anteils an der gesamten Verkehrsleistung, sondern auch wegen seines bislang erreichten Entwicklungsstandes die größten Potenziale zur Effizienzsteigerung und zur Reduzierung der verursachten Treibhausgase (THG) auf. Deswegen steht er meist im Fokus jeder verkehrlichen Technologiediskussion. Dies zeigen auch die Schwerpunkte der Fachliteratur; die überwiegende Mehrzahl der gesichteten Studien behandelt Technologien zur Effizienzsteigerung und Emissionsminderung im Verkehr aus dem Blickwinkel des Straßenverkehrs. Aus den genannten Gründen folgt auch der vorliegende Bericht weitgehend dieser Betrachtungsweise.

Bahnverkehr

Bahnfahrzeuge werden heutzutage in der Regel mit Elektromotoren oder Dieselmotoren angetrieben. Dabei weisen Elektromotoren heute schon einen relativ hohen Entwicklungsstand mit nur geringen weiteren Einsparpotenzialen auf. Auch die in Bahnfahrzeugen eingesetzten (Groß-)Dieselmotoren haben unter Effizienzkriterien bereits ein hohes Entwicklungsniveau erreicht. Es ist festzustellen, dass die Hersteller aufgrund der geringen Motorenstückzahlen für die bahneigene Entwicklung neuer Antriebstechnologien wenig Anreiz sehen und daher eher Technologien, die sich im Straßenverkehr bewährt haben, mit zeitlichem Abstand auf den Bahnverkehr übertragen.

Zwischen den sehr effizienten Dieselaggregaten und Elektroantrieben mit externer Stromversorgung bestehen für Bahnfahrzeuge wahrscheinlich auch zukünftig nur äußerst schmale Nischen für alternative Antriebstechnologien wie z.B. Brennstoffzellen. Weitere technische Einsparpotenziale liegen vor allem im Bereich der Reduktion der Fahrwiderstände (Roll- und Beschleunigungswiderstand, Aerodynamik) und der Rückgewinnung von Bremsenergie bei Dieselfahrzeugen.

Flugverkehr

Der Flugverkehr weist seit einigen Jahren von allen Verkehrsarten mit Abstand die höchsten Steigerungsraten der Verkehrsleistungen auf. Dieser Trend hält in allen Prognosen auch künftig an. Daher sind Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion und Emissionsminderung im Flugverkehr von hoher Priorität. Gleichzeitig ist aber das Spektrum der hierfür einsetzbaren Technologien begrenzt, was den Problemdruck in diesem Sektor erhöht.

Bei den etablierten Triebwerken existiert ein Zielkonflikt zwischen einer weiteren Steigerung der Turbineneffizienz und der Minimierung der Stickoxidemissionen. Brennstoffzellen sind als alternative Antriebstechnologie im Luftverkehr wegen ihres relativ hohen Gewichts nicht prädestiniert. Zusätzlich entsteht bei Brennstoffzellen als Reaktionsprodukt überwiegend Wasser, was nicht unproblematisch ist. Der Grund ist, dass bestimmte Emissionen (u.a. Wasser) in großer Höhe andere Wirkmechanismen als auf der Erdoberfläche aufweisen. Welche Bedeutung diese sog. »nichtbeständigen Treibhausgase« für den Treibhauseffekt besitzen, ist wissenschaftlich noch nicht abschließend geklärt. Die Bewertung der Umwelteigenschaften alternativer Kraftstoffe (z.B. Wasserstoff) im Luftverkehr wird davon maßgeblich abhängen.

Im Vordergrund von Kraftstoffeinsparungen beim Flugzeug standen und stehen der Leichtbau und die Aerodynamik. Weitere Fortschritte beim Leichtbau sind vor allem von der Entwicklung neuer Werkstoffe abhängig.

Schiffsverkehr

Als beherrschende Antriebstechnologie hat sich im Schiffsbetrieb der (Groß-)Dieselmotor durchgesetzt. Er wird in der Binnenschifffahrt mit Diesel, in der Hochseeschifffahrt vor allem mit Schweröl angetrieben, was wegen der hohen Schadstoffemissionen aus Umweltgesichtspunkten keine optimale Lösung darstellt. Aufgrund des für den Schiffsverkehr typischen, quasistationären Betriebs kann der Motor kraftstoffsparend ausgelegt und nahe dem Betriebsoptimum gefahren werden.

Als Maßnahmen zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Antriebe kommen prinzipiell dieselben Technologien wie für Straßen- und Bahnfahrzeuge infrage. Brennstoffzellen werden heute schon im militärischen Bereich für Schiffsantriebe verwendet. Eine breite Anwendung in der zivilen Schifffahrt ist in den kommenden Jahren aus Kostengründen jedoch fraglich.

Antriebstechnologien und -Systeme

Trotz ihres hohen Entwicklungsstandes weisen auch die konventionellen Antriebe – vor allem Otto- und Dieselmotoren – noch ein erhebliches Potenzial zur Weiterentwicklung auf. Darüber hinausgehende Potenziale werden von fortgeschritteneren Technologien wie z.B. Hybrid- und Brennstoffzellenantrieben erwartet.

Ottomotor

Die technischen Möglichkeiten, den spezifischen Kraftstoffverbrauch von konventionellen Ottomotoren zu senken, sind sehr vielfältig. Ottomotoren weisen unter Teillast einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf. Viele der Verbesserungen zielen daher darauf ab, den Teillastbetrieb zu optimieren oder aber zu vermeiden.

Kurz- bis mittelfristig einsatzfähige Technologien sind z.B. »downsizing« mit Aufladung (Turbolader), Direkteinspritzung des Kraftstoffs sowie variable Ventilsteuerung, Zylinderabschaltung und Verdichtung. Jede dieser technischen Maßnahmen hat das Potenzial, zur Kraftstoffreduktion mit einigen wenigen bis zu gut 15 % beizutragen (je nach Fahrzeugart und -größe). Allerdings dürfen die Werte der Einzelmaßnahmen nicht einfach aufsummiert werden, da sie zum Teil das gleiche Minderungspotenzial auf unterschiedliche Art und Weise erschließen.

Neben den konventionellen »Benzinern« sind heute bereits Ottomotoren im Einsatz, die mit Erdgas, Ethanol oder Wasserstoff betrieben werden können. Die Technik hierfür ist somit im Prinzip vorhanden; deutliche Verbesserungen werden aber zukünftig noch erwartet. Die Einführung dieser Motorenkonzepte hängt auch von der Verfügbarkeit des jeweiligen Kraftstoffs ab. Mit der Einführung von Erdgas- und/oder Wasserstofffahrzeugen muss der Aufbau einer entsprechenden Tankstelleninfrastruktur einhergehen. Für Erdgas als Kraftstoff ist eine flächendeckende Infrastruktur zzt. im Aufbau.

Dieselmotor

Der Dieselmotor wurde bereits in der Vergangenheit auf einen günstigen Verbrauch hin optimiert und hat in dieser Hinsicht einen relativ hohen Entwicklungsstand erreicht. Deutliche Effizienzsteigerungen konnten vor allem durch die elektronische Direkteinspritzung erzielt werden, deren Entwicklung weitestgehend abgeschlossen ist. Bei Dieselmotoren sind in naher Zukunft nur noch geringe Kraftstoffeinsparungen durch weitere Optimierungen schon angewandter Technologien (z.B. Minimierung der Motorreibung, verbesserte Abgasrückführung) zu erwarten.

Mehr noch als bei Ottomotoren existiert bei der Auslegung von Dieselmotoren ein Zielkonflikt zwischen der Steigerung der Energieeffizienz und den zunehmenden gesetzlichen Anforderungen zur Emissionsreduktion der Luftschadstoffe Kohlenmon­oxid, Kohlenwasserstoffe, Stickoxide und Partikel.

Konvergenz von Otto- und Dieselmotor

Konventionelle Verbrennungsmotoren, gleich ob Otto oder Diesel, haben ein Grund­problem: Durch den Brennraum läuft eine Flammenfront, die diesen in relativ heiße und kalte Bereiche aufteilt mit negativen Auswirkungen auf die Stickoxid- und Rußemissionen. Ein Ziel ist deshalb, ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch an mehreren Stellen im Zylinder selbständig und gleichzeitig ohne Flammenfront und Druckwelle im Zylinder zu entzünden und zu verbrennen. Damit wird der Vorteil des homogenen Luft-Kraftstoff-Gemisches bei Ottomotoren mit dem Selbstzündungsverhalten von Dieselmotoren verbunden. Dieses Verfahren wird homogenisierte Verbrennung (Homogeneous Compression Combustion Ignition, HCCI) genannt. Die Entwicklung dieser Technologie befindet sich gegenwärtig im Stadium von Prüfstandversuchen.

Wechselwirkungen zwischen CO₂-Minderungsmaßnahmen und Schadstoffemissionen

Fahrzeugtechnische Maßnahmen, die der Reduktion von Kraftstoffverbrauch bzw. CO₂-Emissionen dienen, können hinsichtlich der Emissionen von human- und ökotoxischen Schadstoffen kontraproduktiv sein. Umgekehrt kann die Reduktion von Schadstoffen (z.B. Partikelfilter bei Dieselfahrzeugen) zu erhöhtem Verbrauch und einer Steigerung der CO₂-Emissionen führen. Eine Quantifizierung dieser Wechselwirkungen von CO₂- und Schadstoffminderungsmaßnahmen ist jedoch teilweise methodisch schwierig. Hier besteht noch Forschungsbedarf.

Hybridfahrzeuge

Hybridfahrzeuge kombinieren mehrere Energiewandler und Speichersysteme im Fahrzeug. Typischerweise handelt es sich dabei um Verbrennungs- und Elektromotoren mit Kraftstofftank und Batterie. Die Verbrauchsminderung gegenüber konventionellen Fahrzeugen auf gleichem Entwicklungsstand resultiert im Wesentlichen aus folgenden Eigenschaften des Antriebsstranges bzw. der Betriebsweise:

• Rekuperation, d.h. teilweise Rückgewinnung der (insbesondere im Stadtverkehr häufig anfallenden) Bremsenergie,
• optimaler Betriebsbereich der Verbrennungsmotoren, d.h. Vermeidung der niedrigen Wirkungsgrade im Teillastbereich und Nutzung der höheren Wirkungsgrade im mittleren bis oberen Lastbereich,
• »downsizing«, d.h. kleinere Auslegung der Verbrennungsmaschinen.

Die Schwachstellen des Hybridkonzepts können wie folgt charakterisiert werden:

• Komplexität: Durch die größere Anzahl an Komponenten ergeben sich höhere Kosten für Produktion und Wartung sowie Verluste durch zusätzliche Energieumwandlungen, die die Verbrauchsminderungen reduzieren.
• Gewicht: Das zusätzliche Gewicht der hybridspezifischen Komponenten limitiert die Verbrauchsreduktion gegenüber monovalenten Fahrzeugen.

Insgesamt resultiert bei Hybridfahrzeugen damit eine starke Abhängigkeit der Effizienz vom Fahrprofil: Zwar ergeben sich im Stadtverkehr vergleichsweise hohe Einsparungen. Außerorts sind die Effekte jedoch deutlich kleiner; ggf. können bei hohen Geschwindigkeiten sogar Mehrverbräuche durch das Zusatzgewicht auftreten.

Dennoch ist klar, dass das Hybridkonzept bereits heute zur Emissionsminderung beitragen kann und noch erhebliches Entwicklungspotenzial besitzt. Ein wichtiger zusätzlicher Vorteil aller Hybride besteht in der Möglichkeit, vollständig emissionsfrei zu fahren (limitiert durch die Batteriekapazität), etwa in stark belasteten Gebieten wie z.B. im innerstädtischen Bereich.

Brennstoffzellenfahrzeuge

Brennstoffzellenfahrzeuge gelten als zukunftsweisendes Fahrzeugkonzept. Sie befinden sich in der Entwicklungsphase; Serienfahrzeuge existieren bislang nicht. In Bezug auf den eingesetzten Brennstoff können drei Konzepte unterschieden werden:

• Reinwasserstoff (gespeichert als Flüssig- oder Druckwasserstoff),
• Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Brenngases an Bord aus Methanol oder Kohlenwasserstoffen (»on-board reforming«) und
• Direktumsetzung von Methanol in speziellen Brennstoffzellen.

Unter Effizienzaspekten ist Wasserstoff der Brennstoff der Wahl; problematisch sind allerdings die Speicherung an Bord und die fehlende H₂-Infrastruktur. Wasserstoffspeicher sind deutlich schwerer und um ein Vielfaches teurer als Tanks für Methanol oder Benzin.

Entwicklungsbedarf besteht bei allen Komponenten, vor allem unter dem Aspekt der Kostensenkung. Die FuE von Brennstoffzellen findet zum großen Teil im Bereich der Materialwissenschaften (z.B. neue Membranmaterialien für Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen) statt. Eine nennenswerte Marktdurchdringung von Brennstoffzellenfahrzeugen wird – nachdem die Euphorie der 1990er Jahre deutlich abgekühlt ist – gegenwärtig frühestens in 15 bis 20 Jahren erwartet.

Technologische Potenziale für Verbrauchssenkung und Emissionsminderung

Um die technologischen Potenziale zur Verbrauchssenkung, d.h. die Effekte fahrzeugseitiger Maßnahmen besser illustrieren zu können, wurden Technologiepakete definiert und zu sechs Beispielkonfigurationen zusammengefasst, deren Minderungen quantifiziert wurden:

• Konventionell: Dies ist ein Fahrzeug, bei dem zusätzlich zu einer deutlichen Verringerung der Fahrwiderstände (Gewicht, Roll-, Luftwiderstand) eine Palette von antriebsseitigen Weiterentwicklungen eher konventioneller Natur realisiert ist.
• Milder Hybrid: Dieses Fahrzeug wird von einem Hybridmotor mit einem kleineren elektrischen Aggregat angetrieben.
• Vollhybrid: Dieser unterscheidet sich vom milden Hybrid durch eine größere Dimensionierung des elektrischen Antriebs.
• Konzept: Dies ist ein visionäres Fahrzeug, bei dem eine extreme Reduktion der Fahrwiderstände mit optimierten Antrieben verknüpft wurde.
• Konzepthybrid: Bei diesem Fahrzeug kommt zusätzlich ein Hybridantrieb zum Einsatz.
• H₂-BZ: Dies ist ein Fahrzeug mit einer wasserstoffbetriebenen Brennstoffzelle.

Das Ergebnis in nachfolgender Übersicht zeigt, dass sich schon bei der Ausschöpfung »konventioneller« Maßnahmen beträchtliche Effizienzpotenziale erschließen lassen. Die größten Reduktionen unter den marktnahen Konfigurationen ergeben sich aber für Hybridkonzepte, dort besonders für Vollhybride. Für die Konzept-PKW und Brennstoffzellen-PKW ergeben sich deutlich niedrigere Verbräuche als für die konventionellen und Hybridneuzulassungen in 2020.

Der Einfluss, den die verschiedenen optimierten Technologiekonfigurationen auf den Gesamtverbrauch der Fahrzeugflotte ausüben können, ist allerdings entscheidend von deren Marktdurchdringung abhängig. Das heißt, dass für deutlichere Reduktionen vor allem die hohen Potenziale noch eher visionärer Konzepte erforderlich sind und/oder eine wesentlich schnellere Marktdurchdringung relativ ausgereifter Maßnahmen.

Alternative Kraftstoffe: ökologische und ökonomische Betrachtung

Derzeit werden international und national schwerpunktmäßig etwa zehn verschiedene alternative Kraftstoffe mit einer Vielzahl möglicher Erzeugungswege in Kombination mit verschiedenen Antriebstechnologien (wie optimierte konventionelle Verbrennungsmotoren oder Brennstoffzellen) bezüglich ihrer potenziellen Beiträge zu einer nachhaltigeren Mobilität diskutiert. Im Fokus der Diskussion liegen neben den konventionellen marktgängigen Biokraftstoffen (Biodiesel, Ethanol aus Zucke/Stärke sowie Biogas) vor allem die Biokraftstoffe, die derzeit in der Entwicklungsphase sind (v.a. Biomass-to-Liquid(BtL)-Kraftstoffe, Ethanol aus Holz, Stroh o.Ä.) sowie Wasserstoff.

Konventionelle Biokraftstoffe

Für die konventionellen Biokraftstoffe Biodiesel (in Deutschland vorwiegend aus Raps hergestellt), Bioethanol aus Getreide, Mais und Zuckerrüben sowie Biogas sind die Technologien zur Herstellung nahezu ausgereift; Optimierungspotenziale bieten vor allem noch die Reduzierung des Düngemitteleinsatzes, die Ertragssteigerung je Hektar und die Verwertung der bei der Kraftstoffherstellung anfallenden Koppelprodukte.

Datenlage: Die Energie- und Treibhausgasbilanzen und die Kosten variieren in der Literatur sehr stark vor allem aufgrund der Annahmen zur landwirtschaftlichen Produktion und der Berücksichtigung der anfallenden Koppelprodukte. Es gibt nur wenige Veröffentlichungen, die die Herstellung von Biogas als Kraftstoff bilanzieren. Je nachdem, ob als Rohstoff Reststoffe oder Anbaubiomasse verwendet wird, können Energie-, Treibhausgas- und Kostenbilanz stark variieren.

Treibhausgasbilanz: Grundsätzlich gilt, dass die Treibhausgasbilanzen von Rapsmethylester und Ethanol aus Weizen oder Zuckerrübe unter Berücksichtigung der direkten Verbrennung des Kraftstoffs im Vergleich mit den Referenzkraftstoffen Diesel und Benzin deutlich günstiger ausfallen, wenn die Koppelprodukte nutzbar sind. Bei optimierter Koppelproduktnutzung können die Treibhausgasemissionen nochmals deutlich gemindert werden. Die Bilanz für Biogas aus Reststoffen ist trotz der eher dürftigen Datenlage als sehr günstig einzuschätzen.

Kosten: Die Herstellung von Biodiesel und Ethanol ist im Vergleich zu fossilen Kraftstoffen deutlich kostenintensiver und auch 2010 voraussichtlich nicht unter 20 bis 40 Euro/GJ zu realisieren. Biogas aus Reststoffen ist mit etwa 15 bis 34 Euro/GJ vergleichsweise günstiger. Bei Energiepflanzen scheinen 2-Kulturen-Systeme (Feuchtgutlinien) besonders günstig abzuschneiden.

Biokraftstoffe in der Entwicklungsphase

Perspektivisch interessant sind vor allem Bioethanol aus holzartigen Ausgangsstoffen (Zellulose) und synthetische Kraftstoffe aus der Biomassevergasung (Biomass-to-Liquid, BtL). Zwar ist in den nächsten zehn bis 15 Jahren nicht damit zu rechnen, dass es zu einer nennenswerten Durchdringung des Kraftstoffmarktes mit diesen synthetischen Kraftstoffen kommt. Sie bieten aber aufgrund des im Vergleich zu konventionellen Biokraftstoffen unspezifischen Ausgangsmaterials und der Möglichkeit, Pflanzen als Ganzes zu nutzen, erhebliche Potenziale für die Zukunft. Demonstrationsvorhaben zeigen, dass weiterer verfahrenstechnischer Entwicklungsbedarf besteht, bevor diese Route zur Kraftstoffbereitstellung wirtschaftlich beschritten werden kann. Zu beachten ist, dass für die Rohstoffbereitstellung eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Biomasselogistik aufgebaut werden muss.

Datenlage: Es existieren kaum Veröffentlichungen zur Bilanzierung der Energie- und Treibhausgasemissionen für diese noch in der Entwicklungsphase befindlichen Biokraftstoffpfade.

Treibhausgasbilanz: Grundsätzlich ist auf Basis der vorhandenen Konzeptstudien und Demonstrationsvorhaben zu erwarten, dass sowohl der Energieverbrauch als auch die Treibhausgasemissionen deutlich unter die der konventionellen Biokraftstoffe gesenkt werden können.

Kosten: Die in den verschiedenen Veröffentlichungen dargestellten Kosten variieren erheblich, sodass kein einheitliches Bild abzuleiten ist. Es wird aber allgemein erwartet, dass die Kosten zukünftig deutlich sinken werden. Verschiedentlich werden Kosten von um die 9 Euro/GJ im Jahr 2010 für möglich gehalten.

Wasserstoff

Die Herstellung von Wasserstoff als Kraftstoff in tiefkalt verflüssigter Form oder komprimiert gasförmig ist auf der Basis nahezu aller Primärenergieträger möglich. Die benötigten Technologien sind in den meisten Fällen bereits entwickelt bzw. kommerziell verfügbar. Die Herstellung kann sowohl in zentralen Großanlagen als auch dezentral an den Tankstellen erfolgen.

Datenlage: Die Herstellungspfade von Wasserstoff sind hinsichtlich Energiebedarf und Treibhausgasemissionen vergleichsweise gut untersucht. Weitere Umweltwirkungen (z.B. Versauerungs- und Ozonbildungspotenzial) sind hingegen wenig bis überhaupt nicht untersucht worden. Die existierenden Kostendaten zu den einzelnen Kraftstoffpfaden sind noch sehr wenig belastbar.

Treibhausgasbilanz: Die Treibhausgasbilanz von Wasserstoff hängt entscheidend von der eingesetzten Primärenergie ab. Potenziale für CO₂- und emissionsarme Kraftstoffpfade zur Herstellung von Wasserstoff basieren vor allem auf erneuerbaren Energieträgern. Die (potenziell großen) Treibhausgasreduktionspotenziale bei der Dampfreformierung von Erdgas und Vergasung von Kohle hängen von der technischen und wirtschaftlichen Realisierbarkeit der CO₂-Abscheidung und Lagerung ab. Generell hat die Herstellung von tiefkalt verflüssigtem Wasserstoff, die vor allem durch ökonomische Erwägungen gefördert wird, gegenüber der komprimierten Form unter Klimagesichtspunkten Nachteile durch die hohen energetischen Aufwendungen bei der Verflüssigung.

Kosten: Trotz aller Unsicherheiten weisen die nach dem heutigen Stand des Wissens verfügbaren Daten höhere Kosten im Vergleich zu vielen Biokraftstoffen aus. Die kostengünstigste Variante mit hohen Emissionsminderungspotenzialen stellt die direkte Vergasung von Biomasse dar. Die Potenziale sind vergleichbar mit denen der elektrolytischen Wasserstoffherstellung mit regenerativ erzeugtem Strom, die jedoch mit höheren Kosten verbunden ist.

Infrastrukturanforderungen: Für die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff ist eine wichtige Voraussetzung für die Diffusion entsprechender Fahrzeuge ein flächende­ckendes Netz von Wasserstofftankstellen. Für die Lösung des Problems, ob zuerst das Tankstellenangebot geschaffen werden muss, um die Nachfrage nach Wasserstoff anzukurbeln, oder ob die Nachfrage nach Wasserstoff das Angebot an Tankstellen induzieren kann, gibt es aus heutiger Sicht keinen Königsweg. Am ehesten könnte es sich in der Praxis wohl dadurch lösen lassen, dass durch ein zeitlich eng verzahntes und den Marktphasen angepasstes Investitionsverhalten und Förderinstrumentarium ein jeweils marktfähiges Gleichgewicht erreicht wird. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass in der Pilot- und Einführungsphase Flottenbetreibern eine Schlüsselrolle zukommen könnte.

Die Entwicklung einer Wasserstoffinfrastruktur wäre zum heutigen Zeitpunkt verfrüht, da einige Technologieentscheidungen mit Schlüsselbedeutung noch nicht getroffen sind bzw. getroffen werden können, z.B. die Art der Speicherung von Wasserstoff im Fahrzeug. Daher sind eine verstärkte internationale Kooperation in Forschung und Entwicklung, die Weiterentwicklung von Infrastrukturkonzepten sowie von Normen und Standards unverzichtbar.

Emissionsminderungspotenziale Well-to-Wheels

Zur Quantifizierung der technologischen Emissionsminderungspotenziale des Verkehrssektors ist eine integrierte Betrachtung erforderlich, die die Potenziale bei der Kraftstoffbereitstellung (Well-to-Tank, WtT) und diejenigen im Fahrzeug selbst (Tank-to-Wheels, TtW) zu einer Well-to-Wheels(WtW)-Perspektive zusammenführt. Im Gegensatz zur Literatur, in der diese Diskussion meist anhand eines willkürlich gewählten Referenzfahrzeugs geführt wird, wird im vorliegenden Bericht der gesamte Fahrzeugpark in den Bezugsjahren 2010 und 2020 abgebildet.

WtW-Betrachtung 2010

Einige Ergebnisse der WtW-Betrachtung für das Jahr 2010 zeigt die Übersicht, in der die Emissionen von CO₂-Äquivalenten je gefahrenem Fahrzeugkilometer für eine Reihe von Motor/Kraftstoffkombinationen dargestellt sind.

Es wird deutlich, dass aufgrund der im Trend unterstellten Effizienzmaßnahmen die Treibhausgasemissionen der konventionell angetriebenen PKW verglichen mit dem Basisjahr 2004 um etwa 14 % abnehmen. Wie bereits erwähnt, zeigt sich auch die starke Abhängigkeit der Treibhausgasemissionen von Biokraftstoffen von der Anrechnung von Gutschriften in deren Vorketten. Besonders auffällig ist dies im Falle von Biodiesel (Rapsmethylester, RME), dessen Minderungspotenzial je nach Nutzung der Koppelprodukte gegenüber der Nutzung von fossilem Dieselkraftstoff zwischen 20 und 80 % liegen kann. Insgesamt zeigt sich, dass auch die konven­tionellen Biokraftstoffe (RME und Bioethanol auf Basis von Weizenkörnern oder Zuckerrüben) in jedem Fall einen Vorteil gegenüber den fossilen Kraftstoffen bezüglich der Treibhausgasemissionen aufweisen.

Unter Aspekten der Treibhausgasminderung sehr interessant erscheint in diesem Fall Biogas, das aus Gülle, einer Mischung von Gülle und Mais oder aber auch aus Bioabfall oder Feuchtgut (2-Kulturen-Systeme) hergestellt werden kann. Gegenüber Erdgas fossilen Ursprungs kann z.B. aus Bioabfall hergestelltes methanreiches Gas die Treibhausgasemissionen um rund 90 % mindern.

WtW-Betrachtung 2020

Unter den hier betrachteten Rahmenbedingungen und Annahmen zur technologischen Entwicklung resultiert eine Minderung der Treibhausgasemissionen allein durch Effizienzverbesserung des durchschnittlichen PKWs im Jahr 2020 bezogen auf das Basisjahr 2004 von etwa 25 %. Bei Einsatz eines auf minimalen Verbrauch hin optimierten Konzepthybrid-PKWs kann die Minderung der Treibhausgasemissionen um weitere 25 % gesteigert werden.

Aufgrund von Lernkurveneffekten bei der Herstellung von Biokraftstoffen sind auch die Treibhausgasemissionen (WtW) bei Nutzung von konventionellen Biokraftstoffen im Jahr 2020 niedriger als im Jahr 2010. Besonders günstig schneiden die Biokraftstoffe der sog. »zweiten Generation« ab, die sich momentan noch in der Entwicklungsphase befinden, 2020 aber voraussichtlich einen Beitrag zum Kraftstoffmarkt in Deutschland leisten werden. Mit diesen Kraftstoffen sind Minderungen der Treibhausgasemissionen von über 80 % gegenüber den fossilen Energieträgern möglich. Bei Anrechnung von Koppelprodukten, z.B. dem Stromüberschuss bei der Herstellung von FT-Diesel, sind in einigen Fällen sogar negative Treibhausgasemissionen möglich. Auch im Jahr 2020 erscheinen verschiedene Herstellungspfade von Biogas mit Treibhausgasminderungen von 65 bis 90 % gegenüber Erdgas interessant.

Die WtW-Bilanzierung für wasserstoffbetriebene Brennstoffzellenfahrzeuge hängt entscheidend von der Herkunft des Wasserstoffs ab. Es zeigt sich, dass – aufgrund der hohen Emissionen in der Kraftstoffvorkette – aus Erdgas bereitgestellter Wasserstoff keinen signifikanten Treibhausgasvorteil gegenüber den herkömmlichen fossilen Kraftstoffen aufweist. Wird Wasserstoff über Elektrolyse auf der Basis des europäischen Strommixes erzeugt und dann in Brennstoffzellenfahrzeugen eingesetzt, so fällt die Bilanz gegenüber der Nutzung von fossilen Kraftstoffen und konventionellen Verbrennungsmotoren eindeutig negativ aus. Wird der Wasserstoff dagegen aus regenerativem Strom per Elektrolyse hergestellt, so hat er vergleichsweise niedrige Treibhausgasemissionen. Hier ist jedoch zu beachten, wie weiter unten ausgeführt, dass die Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom zum Antrieb von Fahrzeugen in Konkurrenz zum stationären Sektor steht.

Falls die CO₂-Abscheidung technisch so weit optimiert werden kann, dass sie auch unter ökonomischen Gesichtspunkten konkurrenzfähig ist, und ausreichend Speicherkapazitäten für die Deponierung zur Verfügung stehen, könnten auch die Wasserstoffpfade »Reformierung von Erdgas« und »Kohlevergasung« für die Erreichung von Klimaschutzzielen im Verkehrsbereich interessant werden.

Biokraftstoffe – Mengenpotenzial und Flächenbedarf

Neben der technologischen Einsatzreife, den spezifischen Emissionsminderungspotenzialen und den Kosten von Biokraftstoffen ist die Frage, welche Menge von Biokraftstoffen auf der vorhandenen Fläche hergestellt werden kann, zur Gesamtbewertung ihrer Relevanz für die Substitution fossiler Kraftstoffe und das Erreichen von Klimaschutzzielen von maßgeblicher Bedeutung.

Ausgehend von Grundannahmen zum landwirtschaftlichen Ertrag und Wirkungsgraden der einzelnen Herstellungsverfahren einschließlich Steigerungen aufgrund von Lernkurveneffekten werden in einigen Szenarien die Flächenbedarfe berechnet, die sich bei der Substitution einer bestimmten Menge fossiler Kraftstoffe ergeben.

Eine Maximalbetrachtung verdeutlicht, dass eine Fläche von über 18 Mio. ha benötigt würde, um den gesamten Kraftstoffbedarf des PKW-Sektors 2010 durch konventionelle Biokraftstoffe (RME, Bioethanol aus Weizen) zu decken. Dies ist offensichtlich durch heimische Produktion nicht zu realisieren. Als unter umweltpolitischen Restriktionen maximal verfügbare Anbaufläche für Energiepflanzen in Deutschland im Jahr 2010 werden in der Literatur etwa 1,6 Mio. ha angegeben.

Der Flächenbedarf, um das vorläufige EU-Ziel von 10 % Biokraftstoffanteil im Jahr 2020 zu realisieren, läge beim Einsatz von RME und Bioethanol auf Weizenbasis bei 1,6 Mio. ha. Damit wären Treibhausgasminderungen von etwa 7 Mio. t/a verbunden. Würde das EU-Ziel durch Biokraftstoffe der sog. zweiten Generation realisiert, betrüge der Flächenbedarf zur Substitution von Dieselkraftstoff 1,1 Mio. ha, wenn BtL aus Holz von Kurzumtriebsplantagen zum Einsatz käme. Der Flächenbedarf von Bioethanol aus Lignozellulose kann hier nicht quantifiziert werden, da die notwendigen Daten nicht zur Verfügung stehen. Die Treibhausgasminderungen würden sich auf etwa 12,3 Mio. t/a belaufen.

Erweiterung der Ressourcenbasis durch Importe

Aus den Analysen zu den Mengenpotenzialen von Biokraftstoffen wird klar, dass bei anspruchsvollen Mengenzielen der resultierende Flächenbedarf beträchtlich ist. Somit erscheint die Option interessant, neben den heimischen Potenzialen zur Bereitstellung von Biomasse für die energetische Nutzung auch exogene Potenziale durch Importe von Bioenergieträgern (Brenn- und Kraftstoffe) zu nutzen.

In Europa liegen beispielsweise erhebliche und bislang ungenutzte Potenziale in Polen und Rumänien. Noch wesentlich umfangreicher erscheinen die Importpotenziale aus Schwellen- und Entwicklungsländern. Die globalen Bioenergiepotenziale liegen aufgrund der klimatischen Bedingungen und der Flächenverfügbarkeit zu einem erheblichen Anteil – mindestens 50 % – in heutigen Schwellen- und Entwicklungsländern.

Unter Nachhaltigkeitsaspekten ist dabei wesentlich, dass mögliche Exporte von Biokraftstoffen nicht zu Nachteilen für die Umwelt (z.B. Urwaldrodung, Umwandlung von extensiven Flächen zu Bioenergieplantagen) oder sozialen Problemen (z.B. Enteignung oder Vertreibung) führen und die Nahrungsmittelsicherheit nicht nachteilig beeinflusst wird.

Erste Studienergebnisse z.B. der Welternährungsorganisation (FAO) weisen in die Richtung, dass kein direkter Zusammenhang zwischen möglichen Bioenergieimporten aus Entwicklungsländern und der Ernährungssicherheit besteht. Wünschenswert wäre allerdings die Entwicklung von verbindlichen Kriterien für die »Nachhaltigkeit« von Biokraftstoffexporten aus Entwicklungsländern.

Nutzungskonkurrenzen

In Studien zur Nutzung von Biokraftstoffen erfolgen Potenzialbetrachtungen oft in der Art, dass 100 % der verfügbaren Biomasse dem Kraftstoffsektor zugeordnet werden. Bei einer solchen Vorgehensweise werden Nutzungskonkurrenzen außer Acht gelassen, die auf verschiedenen Ebenen wirksam sind. Nutzungskonkurrenzen sind geprägt durch Zielkonflikte und z.T. sich widersprechende Restriktionen einerseits und durch das Verhältnis zwischen – begrenzten – Ressourcen (Potenzialen) und Nachfrage andererseits.

NutzungsZwecke von Flächen

Eine grundlegende Konkurrenzsituation besteht darin, dass unterschiedliche Nutzungsformen – z.B. Land- und Forstwirtschaft, Siedlung und Verkehr sowie Natur- und Landschaftsschutz bzw. Erholung – um die vorhandene Fläche konkurrieren. Kommen neue Nutzungsansprüche – wie der Anbau von Energiepflanzen für Biokraftstoffe – hinzu oder verändern sich die Nutzungsmuster, können sich die Nutzungskonkurrenzen verschärfen. Die Bestimmung der Fläche, die für den Biomasseanbau zur Verfügung steht, ist damit methodisch insofern schwierig, als Abwägungen über die Priorität der verschiedenen Nutzungsansprüche erfolgen müssen (z.B. Biomasse vs. Naturschutz).

Mobil oder stationär?

Eine weitere fundamentale Konkurrenzsituation liegt in der Frage begründet, welcher Nutzung die gewonnene Biomasse bzw. der erzeugte Strom zugeführt werden soll: Ist die Nutzung im Verkehrsbereich oder die im stationären Sektor zu bevorzugen? Geeignete Kriterien zur umweltökonomischen Bewertung sind hier die erzielbaren CO₂-Minderungen und die Vermeidungskosten.

Unbestritten ist, dass die rohstoffliche Nutzung von Biomasse prioritär sein sollte, da sie in der Nutzungskette der Stoffe quasi vorgeschaltet werden kann. Vorausgesetzt, dass die Materialien nach der stofflichen Nutzungsphase in logistisch unaufwendiger Form erfasst und gesammelt werden können, sind sie daran anschließend energetisch bzw. als Kraftstoff nutzbar.

Bei der Bewertung, ob die mobile oder stationäre Nutzung (also z.B. Umwandlung von Holz zu BtL-Diesel oder Verbrennung von Holzpellets zur Wärme- und Stromerzeugung) zu bevorzugen ist, kommen die meisten aktuellen Studien in der Tendenz zum Ergebnis, dass die stationäre Nutzung unter dem Blick der Treibhausgasvermeidungskosten effizienter ist als die Biomassenutzung im mobilen Sektor. Ebenso wird die Einspeisung erneuerbaren Stroms in das Netz als effizienter eingeschätzt als die Herstellung von Wasserstoff via Elektrolyse für den mobilen Einsatz. Allerdings kann eine belastbare Aussage zu den zukünftigen Treibhausgasvermeidungskosten durch »stationäre« oder »mobile« Nutzung ohne eine detaillierte Modellierung konsistenter Szenarien mit entsprechenden Mengengerüsten, Kostenentwicklungen und Berücksichtigung von Sättigungseffekten nicht getroffen werden.

Prioritärer Untersuchungsbedarf für die Technikfolgenabschätzung

Aus dem in diesem Bericht herausgearbeiteten Gesamtüberblick über den gegenwärtigen Wissens- und Diskussionsstand in den Themenbereichen Verkehrsträger und Antriebstechnologien sowie Kraftstoffe wurde eine Reihe von untersuchungsbedürftigen Fragestellungen identifiziert, die nach Einschätzung des TAB besondere Aufmerksamkeit verdienen, da sie einerseits für die Realisierung von Emissionsminderungen im Verkehrsbereich zentrale Bedeutung besitzen und andererseits erhebliche Forschungslücken in diesen Feldern zu konstatieren sind. Prioritärer Untersuchungs­bedarf wird auf folgenden Gebieten gesehen:

Verkehrsträger und Antriebstechnologien

• Potenziale zur Emissionsminderung der Verkehrsträger Schiene, Wasser, Luft
• Problembereich Güterverkehr – technologische Potenziale

Kraftstoffe

• Biokraftstoffe der sog. zweiten Generation (Well-to-Wheels-Analysen)
• CO₂-Abscheidung und -Lagerung bei der Herstellung von Kraftstoffen
• Importe von Biokraftstoffen
• Globale Biomassepotenziale und Nutzungskonkurrenzen
• Einführungsstrategien für alternative Kraftstoffe