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Februar 2021

Technologiestudie: Erneuerbare Energien im Verkehrssektor

Von Amela Ajanovic, Reinhard Haas und Marlene Sayer (EEG, TU Wien)

Ungefähr ein Drittel der gesamten Treibhausgasemissionen der EU werden durch den Verkehrssektor verursacht. Der Großteil davon kann dem Straßenverkehr und weiterführend dem Individualverkehr in Autos zugerechnet werden. Während die Emissionen in den meisten anderen Sektoren laufend zurückgehen, sind diese im Verkehr seit den 1990er Jahren gestiegen, siehe Abbildung 1.

Abbildung 1: Entwicklung der Treibhausgasemissionen nach Sektoren in Österreich (Quelle: Darstellung TU Wien, nach Umweltbundesamt 2021)

Zusätzlich ist es der Sektor mit dem geringsten Anteil an erneuerbaren Energien. Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) betrug der weltweite Anteil von Biokraftstoffen 1% sowie von erneuerbarem Strom im Verkehrssektor 0,1% am Gesamtenergieverbrauch im Jahr 2017. Zum Vergleich: erneuerbarer Strom sowie Wärme hatten bereits einen Anteil von insgesamt 9,3% am gesamten Endenergieverbrauch (IEA 2018). Die Entwicklung für Österreich ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Entwicklung des Anteils an erneuerbaren Energien im Verkehrssektor in Österreich (Quelle: TU Wien)

Starke Anstrengungen sind notwendig, um die Ziele für ein nachhaltiges Energiesystem erreichen zu können. Dafür ist ein ganzheitliches Konzept zur Verringerung der Treibhausgase im Verkehrssektor notwendig, das eine stärkere Verlagerung von Privatautos zu energieeffizienteren Mobilitätsformen wie dem öffentlichen Verkehr oder Fahrrad beinhaltet. Außerdem ist eine generelle Senkung des Mobilitätsbedarfs durch eine zukunftsfähige Raumordnung und den Umstieg auf effiziente Alternativen zum herkömmlichen Auto mit Verbrennungsmotor wichtig.

Dieser Beitrag soll einen Überblick über mögliche alternative Kraftstoffe wie Biomasse, Strom und Wasserstoff sowie die Wirtschaftlichkeit und Umweltaspekte der genannten Alternativen geben.

Historische Entwicklung

Es wird schon seit vielen Jahren über die Zukunft der Mobilität diskutiert und welche Technologien dabei die treibenden Kräfte sind. In letzter Zeit verstärkt sich diese Diskussion, vor allem aufgrund der immer ambitionierteren Klimaziele der Europäischen Union, sowie auch der österreichischen Bundesregierung. Verschiedene Höhen und Tiefen zeichnen alle Technologien und Kraftstoffe aus, die eine nachhaltige Entwicklung des Verkehrssektors ermöglichen.

Batterie-Elektrofahrzeuge wurden zwischen 1890-1920 sehr populär, diese Popularität nahm dann aber aufgrund technischer und wirtschaftlicher Faktoren rasant ab. Die erste Welle der Wiederbelebung begann in den frühen 1970er Jahren aufgrund der ersten Ölkrise. Brennstoffzellen-Fahrzeuge wurden in den 1960er Jahren zum ersten Mal getestet, das Interesse an ihnen stieg jedoch erst in den 1990er Jahren wieder an und erreichte um 2000 (mit dem Wasserstoff-Bestseller von Jeremy Rifkin) den Höhepunkt an öffentlicher Aufmerksamkeit. Einige Jahre später wurden dann beide als Zukunftstechnologien einer nachhaltigen Mobilität angesehen. Die Marktdurchdringung ließ auf sich warten, vor allem da sich die Batterien nur langsam verbesserten. Aus diesem Grund kam es um 2007 zu einem Hype von Biokraftstoffen. Kurz darauf wurde jedoch klar, dass diese mit Nahrungsmitteln konkurrieren, die Emissionsreduktionen waren ebenfalls nur bescheiden. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts rückten Batterie-Elektrofahrzeuge mit einem neuen Batterietyp, der Lithium-Ionen-Batterie wieder in den Vordergrund.

Möglichkeiten alternativer Kraftstoffe

Abbildung 3 gibt einen Überblick über die Möglichkeiten und Technologien der alternativen Kraftstoffe Biomasse, Strom und Wasserstoff. Bei Kraftstoffen auf Basis von Biomasse ist es jeweils sehr wichtig die konkreten Ressourcen zu nennen, da diese sehr unterschiedlich sind. Ein Großteil der europäischen Bioethanolproduktion beruht auf Weizen als Ausgangsmaterial, gefolgt von Gerste, Mais und Roggen. Biodiesel in der EU wird hauptsächlich aus Rapsöl hergestellt, 18% aus Sojabohnenöl und 3% aus Sonnenblumenöl. Strom wird in verschiedenen Ländern aus unterschiedlichen Erzeugungstechnologien gewonnen. Während zum Beispiel Norwegen im Jahr 2019 93% des Stroms aus Wasserkraft erhielt, kam der Strom in Polen zu 74% aus Kohlekraftwerken, aufgrund unterschiedlicher Topographien. Wasserstoff wird momentan vorwiegend aus Erdgas oder Kohle hergestellt, nur 1% der Wasserstoffproduktion des Jahres 2019 wurde durch Elektrolyse unter Verwendung von Strom aus verschiedenen Quellen erzeugt.

Abbildung 3: Möglichkeiten und Technologien zur Verwendung von alternativen Kraftstoffen (Quelle: TU Wien)

Wirtschaftlichkeit

Die Wirtschaftlichkeit von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen wird maßgeblich von der zukünftigen Entwicklung der Investitionskosten abhängen. In den letzten Jahren sind die Investitionskosten von Brennstoffzellenfahrzeugen bereits deutlich gesunken, von ca. 120.000 € im Jahr 2010 auf ca. 53.000 € (inkl. 20% MwSt.) im Jahr 2018. Bei Elektrofahrzeugen wurde ebenfalls eine 40%ige Investitionskostensenkung von 2009 bis 2019 beobachtet. Neben den Investitionskosten sind außerdem die Betriebs- und Wartungskosten sowie die Kraftstoffkosten von Bedeutung. Wie in Abbildung 4 ersichtlich ist, spielen diese Kosten bei Batterie-Elektrofahrzeugen eine untergeordnetere Rolle, da Strom günstiger als Treibstoff und die Batterien sehr wartungsintensiv sind.

Abbildung 4: Gesamtkosten der Mobilität mit verschiedenen Kraftstoffen und Antrieben 2018 (Quelle: TU Wien)

Bis 2050 werden voraussichtlich mithilfe von technologischem Lernen und Economies of Scale die Investitionskosten beider Fahrzeugtypen sowie die Herstellungskosten von Wasserstoff sinken und die Kraftstoffpreise durch CO2-Steuern steigen. Kombiniert mit politischen Maßnahmen könnte dies zum wirtschaftlichen Erfolg beider Fahrzeugtypen beitragen. In Abbildung 5 sind die zukünftigen Kosten von herkömmlichen Benzin-Fahrzeugen, Benzin-Hybrid-Fahrzeugen sowie Batterie-Elektrofahrzeugen und Brennstoffzellenfahrzeugen im Jahr 2050 dargestellt.

Abbildung 5: Gesamtkosten der Mobilität mit verschiedenen Kraftstoffen und Antrieben 2050 (Quelle: TU Wien)

Der wirtschaftliche Einsatz von Biomasse als Kraftstoff wird sehr stark davon abhängen, ob es gelingt diese Kraftstoffe nachhaltig einzusetzen und den momentanen Wettbewerb von Futtermitteln, Lebensmitteln, Biomaterialen, Ökosystemen und Bioenergie durch ein gesamtheitliches Konzept zu verbinden.

Umweltaspekte

Einer der wichtigsten Gründe für die verstärkte Nutzung von Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen ist die Reduzierung der lokalen und globalen Emissionen. Ob und in welchem Umfang die Reduktion der globalen Emissionen in der Praxis erreicht wird, hängt fast ausschließlich vom Stromerzeugungsmix des jeweiligen Landes ab. Abbildung 6 zeigt den Erzeugungsmix von Europa, der USA, China sowie Norwegen. Während in China 70% des Stroms in Kohlekraftwerken hergestellt wird, ist die Hauptquelle in den USA Erdgas, was zu geringeren spezifischen Emissionen führt. In Europa ist der Mix ausgewogener, mit einem größeren Teil von erneuerbaren Energien. Ein weiterer Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung ist eine der Prioritäten der europäischen Energiepolitik und wird alternative Fahrzeugtypen umweltfreundlicher machen. Ein außergewöhnliches Land ist Norwegen, das hier gezeigt wird, weil es etwa 98% erneuerbare Energien zur Stromerzeugung nutzt.

Abbildung 6: Stromerzeugungsmix in verschiedenen Ländern (Quelle: Darstellung TU Wien, Daten von IEA 2021)

Da der Strommix jedoch nicht der einzige Faktor ist, können die Umweltwirkungen nur anhand von Lebenszyklusanalysen (LCA) bestimmt werden, um alle Aspekte von Produktion, Nutzung, Entsorgung und Verwertung berücksichtigen zu können. Batterie-Elektrofahrzeuge haben zum Beispiel höhere Umweltauswirkungen bei der Produktion im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen, werden sie jedoch mit erneuerbarem Strom betrieben, wird dieser höhere Produktionseinfluss schnell wieder kompensiert. Es ist auch wichtig zu betrachten wofür zum Beispiel Elektrofahrzeuge angeschafft werden. Laut einer Studie von Gerfried Jungmeier ersetzen diese vorrangig öffentliche Transportmittel, Fahrräder und Gehen und werden häufig als zweites und drittes Auto in Haushalten eingesetzt.

In Bezug auf die Biokraftstoffproduktion gibt es auch Umweltprobleme wie Bodenerosion und Wasserverschmutzung durch Düngemittel und Pestizide. Selbst bei einer Nutzung von allen verfügbaren Biomassepotentialen (Pflanzen, Wälder und Gräser) würde dies nicht ausreichen, um unabhängig von fossilen Brennstoffen zu werden.

Ausblick in die Zukunft

Eine Kombination aller diskutierten alternativen Kraftstoffe wird notwendig sein, um die Klimaziele auch im Verkehrssektor zu erreichen. Die direkte Stromnutzung in Form von Elektroautos ist momentan die technologisch effizienteste Option, damit sie jedoch wirtschaftlich wird, muss der Ausbau der Infrastruktur durch Fördermaßnahmen unterstützt werden. Der Einsatz von Brennstoffzellenfahrzeugen wird sehr stark von der Kostenentwicklung der Elektrolyse abhängen. Unsere Annahme ist, dass Wasserstoff hauptsächlich in großen Fahrzeugen im Verkehrssektor eingesetzt wird, wo Strom zu große und teure Batterien erfordern würde, zum Beispiel in Lokomotiven, an Bahnstrecken ohne Anschluss ans Stromnetz, Schiffe, LKWs und eventuell in Flugzeugen.

 

Am 21.01.2021 fand zu diesem Thema eine online ExpertInnen-Diskussion mit Reinhard Haas (TU Wien), Theresia Vogel (Klima- und Energiefonds), Amela Ajanovic (TU Wien) und Gerfried Jungmeier (Joanneum Research) statt.

Dieser Beitrag entstand aus dem Forschungsprojekt „Technologiebewertung historisch und Szenarien 2030/2050“ , welches im Rahmen des Schwerpunktes Energy Transition 2050 aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert wird. 

Quellen:

  • Ajanovic, Amela (2011): Biofuels versus food production: Does biofuels production increase food prices? In: Energy 36 (4), S. 2070–2076. DOI: 10.1016/j.energy.2010.05.019.
  • Ajanovic, Amela; Glatt, Anne (2020): Wirtschaftliche und ökologische Aspekte der Elektromobilität. In: Elektrotech. Inftech. 137 (4-5), S. 136–146. DOI: 10.1007/s00502-020-00812-x.
  • Ajanovic, Amela; Haas, Reinhard (2019): Economic and Environmental Prospects for Battery Electric‐ and Fuel Cell Vehicles: A Review. In: Fuel Cells 19 (5), S. 515–529. DOI: 10.1002/fuce.201800171.
  • Amela Ajanovic (2021): Renewables in Transport. TU Wien, 21.01.2021.
  • Gerfried Jungmeier (2021): What are sustainable fuels? – The life cycle environmental balance of renewable fuels. TU Wien, 21.01.2021.
  • IEA (2015): Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells.
  • IEA (2019): The Future of Hydrogen. Seizing today’s opportunities.
  • IEA (2021): Data & Statistics – IEA. Online verfügbar unter https://www.iea.org/data-and-statistics, zuletzt aktualisiert am 25.02.2021, zuletzt geprüft am 25.02.2021.
  • Theresia Vogel (2021): RTD & Renewables in Transport. TU Wien, 21.01.2021.
  • Umweltbundesamt (2021): Treibhausgas-Emissionen in Österreich. Online verfügbar unter https://www.umweltbundesamt.at/, zuletzt aktualisiert am 26.02.2021, zuletzt geprüft am 26.02.2021.