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Ressourcenverbrauch und antriebsartspezifische Treibhausgasemissionen

Erstellt am: 08.11.2023 | Stand des Wissens: 08.11.2023
Synthesebericht gehört zu:

Neben dem Dieselmotor gibt es weitere, alternative Antriebsformen für den Lkw. Diese unterscheiden sich neben ihrer technischen Ausgestaltung hinsichtlich der verursachten Treibhausgasemissionen und ihres Energieverbrauchs. Neben den Emissionen, die durch die Energieumsetzung während des Transports (Tank-to-Wheel, kurz TtW) ausgestoßen werden, müssen auch die Emissionen und der Ressourcenverbrauch für Energiegewinnung, -verarbeitung, -speicherung und -bereitstellung (Weel-to-Tank, kurz WtT) betrachtet werden. Nur eine solche Bewertung der gesamten Lebenszyklen von Treibstoffen und der Energieketten (Well-to-Wheel, kurz WtW) lässt einen validen Vergleich von Antriebskonzepten zu [Sma23].
Die Tabelle 1 zeigt den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) der derzeit verfügbaren Antriebskonzepte. Die Werte beziehen sich jeweils auf einen Sattelzug mit einem zulässigen Gesamtgewicht von 40 Tonnen sowie den Strommix des Jahres 2015. Der Anteil klimaneutraler Energiequellen am deutschen Strommix und somit die Effizienz der strombasierten Fahrzeuge werden sich in den kommenden Jahren weiter erhöhen. In der Folge werden sich die THG-Emissionen und der Ressourcenverzehr von strombasierenden Antrieben (Brennstoffzelle, Oberleitung, Batterieelektrik) deutlich reduzieren [Küh18].
Energieverbrauch und THG-Emissionen der AntriebskonzepteTabelle 1: Energieverbrauch und THG-Emissionen der Antriebskonzepte (eigene Darstellung in Anlehnung an Küh18)
Brennstoffzellenfahrzeuge erzeugen keine direkten Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) während der Fahrt (Tank-to-Wheel), allerdings ist die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sehr energieintensiv. Die benötigte Energie wird durch den deutschen Strommix bereitgestellt, welcher immer noch zu großen Teilen aus fossilen Energiequellen besteht. Dies hat zur Folge, dass Brennstoffzellenfahrzeuge in der Well-to-Wheel-Perspektive einen doppelt so hohen Kohlenstoffdioxid (CO2)-Ausstoß wie Dieselfahrzeuge verursachen. Wie beschrieben ist zu erwarten, dass sich dieser Ausstoß in Zukunft durch die geplante Dekarbonisierung des Strommixes reduzieren wird. Dies trifft auch auf die übrigen strombasierten Antriebskonzepte mittels Oberleitung und Batterieelektrik zu. In Bezug auf Brennstoffzellenfahrzeuge muss jedoch darauf geachtet werden, dass diese Technologie erst in der Zukunft mit einem intensiven Ausbau der erneuerbaren Energien zu einer nachhaltigen Alternative und emissionsärmer im Vergleich zum Diesel-Lkw werden kann [Küh18].
Liquified Natural Gas (LNG)-Lkw bieten ebenfalls keine nennenswerten Verbesserungen gegenüber Diesel-Lkw. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der positive Effekt von verringerten CO2-Emissionen durch die Emission anderer Treibhausgase (unter anderem Methan oder Lachgas) aufgehoben wird. Das Minderungspotenzial der Emissionen wird auf lediglich 8 Prozent geschätzt [UBA20ai]. Um eine wesentlichen Reduktion der Klimawirkungen zu erreichen, ist die Beimischung von Biomethan auf Basis erneuerbarer Energie sowie Gülle, Stroh und Bioabfällen unerlässlich. In einigen Ländern wird LNG außerdem immer noch mit dem sogenannten Fracking-Verfahren über Tiefbohrungen gewonnen, welches zu Grundwasserverschmutzungen führen kann [UBA23n]. Fracking kann zu Verunreinigungen des Grundwassers führen und erhöht die seismische Aktivität [Gro17].
Oberleitungs-Lkw bieten Potenzial zur Minderung von CO2-Emissionen. Hier ist zwischen Oberleitung-Dieselhybrid (OH) und Oberleitung-Batterieelektrik (O-BEV) zu unterscheiden. Es wird von einer Minderung von bis zu 15 Prozent durch OH-Lkw und 32 Prozent durch O-BEV-Lkw gegenüber dem Diesel bis zum Jahr 2030 ausgegangen [Küh18].
Der Elektroantrieb stellt damit die effizienteste Antriebslösung dar. Demnach bieten elektrisch angetriebene Lkw einen Wirkungsgrad von 73 Prozent. Der Diesel-Lkw hat dagegen einen Wirkungsgrad von nur 21 Prozent. Die Nutzung erneuerbarer Energien vorausgesetzt, bieten Batterieelektrische Fahrzeuge (englisch Battery Electric Vehicle, kurz BEV) die Möglichkeit zur vollständigen Dekarbonisierung des Transports. Das Emissionsminderungspotenzial in Bezug auf den Ersatz von Verbrennern durch BEV gegenüber dem Jahr 2020 beträgt 28 Prozent bis zum Jahr 2025 und 34 Prozent bis zum Jahr 2030 [Küh18].
Ansprechpartner
Technische Universität Hamburg, Institut für Verkehrsplanung und Logistik, Prof. Dr.-Ing. H. Flämig
Zugehörige Wissenslandkarte(n)
Alternative Antriebe als Klimaschutzmaßnahme im Straßengüterverkehr (Stand des Wissens: 20.11.2023)
https://www.forschungsinformationssystem.de/?577534
Literatur
[Gro17] Grotzinger, John, Jordan, Thomas Press/Siever Allgemeine Geologie, Ausgabe/Auflage 7., Springer Spektrum, Berlin/Heidelberg, 2017, ISBN/ISSN 978-3-662-48341-1
[Küh18] Kühnel, Sven, Hacker, Florian, Görz, Wolf Oberleitungs-Lkw im Kontext weiterer Antriebs- und Energieversorgungsoptionen für den Straßengüterfernverkehr, 2018/09/13
[Sma23] Smart Freight Centre (Hrsg.) The GLEC Framework, 2023
[UBA20ai] Umweltbundesamt (Hrsg.) Flüssigerdgas-Lkw haben kaum einen Klimavorteil, 2020
[UBA23n] Umweltbundesamt Fracking, 2023
Glossar
O2
= Sauerstoff. Im Normzustand ist Sauerstoff ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Es ist sehr reaktiv, fast jedes chemische Element, abgesehen von Edelgasen, reagiert mit Sauerstoff, um Verbindungen zu bilden.
Sauerstoff ist von großer Bedeutung, weil er wesentlich an den Atmungsprozessen der meisten lebenden Zellen und an Verbrennungsprozessen beteiligt ist. Es ist das am häufigsten vorkommende Element der Erdkruste. Die Luft besteht zu fast einem Fünftel (Volumen) aus Sauerstoff. Ungebundener gasförmiger Sauerstoff besteht normalerweise aus einem zweiatomigen Molekül (O2), es gibt ihn aber auch in dreiatomiger Form (O3,) besser bekannt unter dem Begriff Ozon.
Strommix Der Strommix gibt an, zu welchen Anteilen der Strom aus welchen Energieträgern stammt. Als Energieträger gelten dabei fossile Rohstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas, daneben Kernenergie und auch erneuerbare Energien. Dazu kann eine regionale Abgrenzung vorgenommen werden, z.B. nach deutschem oder europäischem Strommix.
LNG
Liquified natural gas = Flüssigerdgas (CH4) wie es zum Beispiel in Fahrzeugen getankt werden kann. Durch Abkühlen auf -164 Grad Celsius schrumpft das Volumen auf ein sechshundertstel des Normvolumens. Damit erhöht sich der Energiegehalt bezogen auf das Volumen und somit zum Beispiel die Reichweite eines Fahrzeuges bei gleichem Tankvolumen. Für die aufwendige Verflüssigung werden circa 10 bis 25 Prozent der im Erdgas gespeicherten Energie aufgewendet, daher findet man im Straßenverkehr hauptsächlich compressed natural gas = komprimiertes Erdgas (CNG).
CH4
= Methan. Es ist ein farbloses, geruchloses und leicht brennbares Gas, das zu Kohlendioxid und Wasser verbrennt. Methan ist Hauptbestandteil von Erdgas, Biogas, Deponiegas und Klärgas. Als Erdgas dient es hauptsächlich der Beheizung von Wohn- und Gewerberäumen, als industrielle Prozesswärmeenergie, zur elektrischen Stromerzeugung und in kleinem Umfang als Treibstoff für Kraftfahrzeuge.
Methan gehört zu den klimarelevanten Treibhausgasen. Methan entsteht bei allen organischen Gär- und Zersetzungsprozessen, wie z.B. in Sümpfen, Nassreisfeldern und Massenviehhaltung. (Der Verdauungstrakt von Wiederkäuern produziert Methan.)
Nach Kohlendioxid ist Methan mit einem Anteil von knapp 20 Prozent wichtigster Verursacher des Treibhauseffekts, wobei es ein 20- bis 30-mal wirksameres Treibhausgas als CO2 ist. Die weltweiten Methanemissionen werden auf 500 Mio. Tonnen/Jahr geschätzt, davon gehen rund 70 Prozent auf menschliche Aktivitäten zurück.
Lkw Lastkraftwagen (Lkw) sind Kraftfahrzeuge, die laut Richtlinie 1997/27/EG überwiegend oder sogar ausschließlich für die Beförderung von Gütern und Waren bestimmt sind. Oftmals handelt es sich dabei um Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse zwischen 3,5 und 12 Tonnen. In Einzelfällen kann die zulässige Gesamtmasse diese Werte jedoch auch unter- beziehungsweise überschreiten, sofern das Kriterium der Güterbeförderung gegeben ist. Lastkraftwagen können auch einen Anhänger ziehen.
Treibhausgase Diese in der Atmosphäre sich befindlichen Gase verhindern, dass langwellige Infrarotstrahlung auf direktem Weg von der Erdoberfläche ins Weltall gelangt. Sie verhalten sich wie Glasscheiben eines Treibhauses und heizen die Atmosphäre auf. Natürliche Treibhausgase:
  • Wasserdampf
  • Kohlendioxid
  • Ozon
  • Methan
  • Stickoxid
Vom Menschen gemachte Treibhausgase:
  • FKW
  • HFKW
  • FCKW
  • SF6
TtW Tank-to-Wheel; Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen des Fahrzeugbetriebs erfasst.
WtT Well-to-Tank, Teilsystem der Well-to-Wheel Analyse, die die Treibhausgasemissionen der Kraftstoffvorketten erfasst.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der zugeführten Energie bei einer Umwandlung in die gewünschte Energieform umgewandelt wird, und beschreibt damit die Effizienz beispielsweise einer technischen Anlage.
H2 Wasserstoff ("H2" = grch.-lat. für hydrogenium "Wassererzeuger") ist das chemische Element mit der Ordnungszahl 1. Wasserstoff stellt sowohl bezogen auf die Masse (75%) als auch bezogen auf die Zahl der Teilchen (91%) das häufigste aller im All vorkommenden Elemente dar. Wasserstoff ist ein farb- und geruchloses Gas welches in der Natur aufgrund der hohen Reaktivität nicht in seiner elementaren Form vorkommt. Wasserstoff liegt gebunden in Form von Erdöl und Erdgas, in Mineralien, in Biomasse, aber vorwiegend in Form von Wasser vor. Wasserstoff ist somit ein Sekundärenergieträger (Energiespeicher)und muss erst aus den oben genannten fossilen oder nicht fossilen Primärenergieträgern unter Einsatz von zusätzlicher Energie hergestellt werden.
N2O = Distickstoffoxid (Lachgas). Ein farb- und geruchloses, leicht süßlich schmeckendes und chemisch reaktionsträges Gas. Lachgas ist ein Treibhausgas, dessen Treibhauswirksamkeit 298-mal so groß ist wie die von CO2. Menschenverursachte Emissionen stammen hauptsächlich aus der Landwirtschaft.
WtW Well-to-Wheel; Analyseverfahren, das zur Bewertung und zum Vergleich von konventionellen und alternativen Antriebstechnologien die vollständigen Kraftstoffzyklen erfasst. Das Gesamtsystem besteht aus den Teilsystemen Well-to-Tank und Tank-to-Wheel.

Auszug aus dem Forschungs-Informations-System (FIS) des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur

https://www.forschungsinformationssystem.de/?576596

Gedruckt am Dienstag, 28. Mai 2024 18:49:27