Forschungsbericht

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3 Forschungsbericht Entwicklung eines Szenariomodells zur Simulation der zukünftigen Marktanteile und CO 2 -Emissionen von Kraftfahrzeugen (VECTOR21) Peter Mock Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Fahrzeugkonzepte Stuttgart 224 Seiten 128 Bilder 26 Tabellen 399 Literaturstellen

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5 Entwicklung eines Szenariomodells zur Simulation der zukünftigen Marktanteile und CO 2 -Emissionen von Kraftfahrzeugen (VECTOR21) Von der Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Dipl.-Chem.oec. Peter Mock aus Ulm (Donau) Hauptberichter: Prof. Dr. Horst E. Friedrich (Institut für Fahrzeugkonzepte, DLR Stuttgart) Mitberichter: Prof. Dr. Frank Stehling (Institut für Wirtschaftswissenschaften, Universität Ulm) Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart Angefertigt am Institut für Fahrzeugkonzepte, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) e.v. Stuttgart 2010

6 D 93 (Dissertation Universität Stuttgart)

7 Danksagung iii Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Institut für Fahrzeugkonzepte des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Ich bedanke mich herzlich bei Prof. Dr. Horst E. Friedrich, Prof. Dr. Frank Stehling, Dr. Stephan A. Schmid, Dr. Udo Hartmann sowie allen ehemaligen Kollegen des DLR und der Daimler AG für Ihre Unterstützung und Förderung. Stuttgart, im Oktober 2010 Peter Mock

8 Kurzfassung iv Kurzfassung Es wird ein Computermodell entwickelt, welches die Berechnung von Szenarien für die zukünftige Entwicklung des Kraftfahrzeugmarkts in Abhängigkeit einer Vielzahl von Einflussfaktoren ermöglicht. Der Schwerpunkt der Betrachtungen liegt hierbei auf Marktanteilen verschiedener Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffe sowie der damit verbundenen Kohlendioxid-(CO 2 )-Emissionen im Zeitraum 2009 bis 2030 für den Markt von Personenkraftwagen in Deutschland. Grundlage für die Szenariobetrachtungen ist eine umfangreiche Fahrzeug- und Technologiedatenbank. Hierfür werden Instrumente aus der Technikbewertung (z. B. Patent- und Publikationsanalyse) eingesetzt, um die zukünftige Entwicklung von technischen Parametern und Kosten für einzelne Fahrzeugtechnologien abzuschätzen. Die gewonnenen Erkenntnisse werden zu Entwicklungspfaden für Antriebs- und Kraftstoffkombinationen (Otto-, Diesel- und Erdgas- Verbrennungsmotoren, Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie Hybrid- und Range-Extender-Konzepte) zusammengefasst. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf einer Analyse der Entwicklung von Batterie- und Brennstoffzellensystemen. Es werden stark ansteigende Forschungsaktivitäten für die Lithium-Ion Batterietechnologie ermittelt, mit einem Potenzial zur Senkung der Produktionkosten auf ca. 250 $/kwh. Für die Entwicklung der Protonen-Austausch-Membran- Brennstoffzelle werden signifikante Fortschritte (z. B. Absenkung der notwendigen Platinbeladung) demonstriert. Die Produktionskosten eines Brennstoffzellensystems könnten entsprechend auf Basis von Bottom-up-Schätzungen auf ca $/kw für kumulierte Stückzahlen von ca. 1 Mio. Fahrzeugen gesenkt werden. Das entwickelte Computermodell (VECTOR21) simuliert den Entscheidungsablauf von Kunden beim Neufahrzeugkauf und somit die Diffusion von Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffen in den Fahrzeugmarkt. Als wesentliche Grundlage für den Entscheidungsprozess werden die Relevant Cost of Ownership identifiziert. Es erfolgt eine Differenzierung in verschiedene Kundengruppen mit unterschiedlichen Präferenzen und Jahresfahrleistungen. Das Verhalten der Gruppe der Fahrzeugproduzenten wird über die Berücksichtigung von Lernkurven und variablen Margensätzen für die Entwicklung von Produktionskosten und Verkaufspreisen nachgebildet. Der Einfluss bestehender sowie zukünftig denkbarer Steuerinstrumente, beispielsweise CO 2 -Flottenzielwerte und Strafzahlungen, sowie die Entwicklung von Rohstoffpreisen werden ebenfalls berücksichtigt. Ein Vergleich der Modellergebnisse mit der realen Entwicklung des Dieselanteils der Neufahrzeuge in Deutschland in der Vergangenheit ergibt eine gute Übereinstimmung. Die Szenariobetrachtungen bis 2030 demonstrieren bei Annahme optimistischer Eingangsparameter für die Diffusion von Elektromobilität und gleichzeitiger Nutzung regenerativ gewonnener Elektrizität mögliche CO 2 - Einsparungen über den Betrachtungszeitraum in Höhe von ca. 285 Mio. t gegenüber einem Ausgangsszenario. Es wird ein, gegenüber Maßnahmen zur Festsetzung von CO 2 -Flottenzielwerten, verhältnismäßig geringer Einfluß des Rohölpreises auf die Ergebnisse festgestellt.

9 Abstract v Abstract Focus of this thesis is the development of a new computer model to allow calculation of scenarios on the future development of vehicle markets with respect to a variety of influencing factors. The model is applied to simulate the development of market shares of various vehicle technologies and fuels as well as emissions of Carbon Dioxide (CO 2 ) for the German passenger car market for the years 2009 to Basis for all scenario calculations is an extensive database on vehicles and individual technical measures. Technology assessment tools (e. g. patent and publication analysis) are applied for deriving likely future progress of technical parameters as well as costs of specific vehicle technologies. The results for individual vehicle technologies are aggregated to deliver possible pathways of future developments for various combinations of propulsion types and fuels (gasoline, diesel and natural gas internal combustion engines, battery and fuel cell vehicles, hybrid and rangeextender concepts). A spotlight of the analysis is on the improvements of battery and fuel cell systems. Heavily increasing research actitivies for the Lithium-Ion battery technology are found as well as a potential for decreasing production costs to approx. 250 $/kwh at future high volume rates. Significant advancements (e. g. lowering of platinum loading) are demonstrated for the Proton Exchange Membrane Fuel Cell. Production costs of fuel cell systems could be reduced to approx $/kw for a cumulative production volume of approx. 1 million vehicles according to a Bottom-up-analysis. The computer model (VECTOR21) allows simulating customer decision process for the purchase of new vehicles. Hence, it is possible to anticipate the diffusion of vehicle technologies and fuels into the vehicle market using different scenarios. Relevant Cost of Ownership are identified as a crucial basis for customer purchase decision. A range of customer types, each having individual preferences as well as annual miles travelled, is differentiated for the simulations. Behavior of the group of vehicle manufacturers is taken into account by applying learning curves and variable mark-up rates for the development of production costs and sales prices. Furthermore, influencing aspects of existing and likely future policy measures, e. g. CO 2 target values and penalties, as well as development of raw material prices are incorporated. A comparison of model results and actual historical growth of the proportion of new diesel vehicles in Germany shows high conformity. Scenario calculations up to 2030 demonstrate feasible reductions of CO 2 of approx. 285 million tons compared to a baseline scenario if optimistic input parameters for the diffusion of electric vehicles and use of electricity from renewable energy sources are assumed. The impact of crude oil price is found to be relatively minor compared to the effects of CO 2 emission target values and penalties.

10 Inhaltsverzeichnis vi Inhaltsverzeichnis Danksagung... iii Kurzfassung... iv Abstract... v Inhaltsverzeichnis... vi Tabellenverzeichnis... x Abbildungsverzeichnis... xi Abkürzungsverzeichnis... xvii Verzeichnis der Einheiten... xx 1 Einleitung Ausgangssituation Stand des Wissens Zielsetzung der Arbeit Aufbau der Arbeit Grundlagen der Technikbewertung Das Konzept der Technikbewertung Der Technologielebenszyklus und das S-Kurven-Konzept Patent- und Publikationsanalyse Analyse von Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen Analyse technischer Parameter Abschätzungen von Technologiekosten Simulationsmethoden Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffe Reduktion des Fahrwiderstands Rollwiderstand Luftwiderstand Gewichtsreduktion Verbrennungsmotoren Übergreifende Maßnahmen Ottomotoren Dieselmotoren Hybridisierung... 39

11 Inhaltsverzeichnis vii Zusammenfassung Batteriefahrzeuge Batterietypen Patente Publikationen Forschungsaufwendungen Entwicklung technische Schlüsselparameter Produktionskosten Definition von Szenariofahrzeugen Brennstoffzellenfahrzeuge Brennstoffzellentypen Marktumfeld von Brennstoffzellen im Verkehrsbereich Patente Publikationen Forschungsausgaben Technische Entwicklungen auf Zellebene Technische Entwicklungen auf Stackebene Technische Entwicklungen auf Fahrzeugebene Produktionskosten Definition von Szenariofahrzeugen Kraftstoffe Ottokraftstoff Dieselkraftstoff Erdgas und Autogas Wasserstoff Elektrizität Entwicklung eines Szenariomodells Das System des Pkw-Markts in der Realität Nachfrager Produzenten Politik Weitere Einflussfaktoren Zusammenfassung

12 Inhaltsverzeichnis viii 4.2 Abstraktion und Modellierung Nachfrageseite Angebotsseite Politik Zusammenfassung Technische Umsetzung Technische Anforderungen und Entwicklungsumgebung Ablaufschema des Modells Festlegung der Basisparameter Struktur der Neuzulassungen Eigenschaften der Kundengruppen Parameter des Altfahrzeugbestands Verifizierung des Modells und Analyse der Sensitivitäten Historische Eingangsdaten Vergleich der Berechnungsergebnisse mit der realen Entwicklung Analyse von Sensitivitäten Berücksichtigung von Komforteinschränkungen Szenariobetrachtungen Szenario 1 Ausgangsbasis Eingangsdaten und Annahmen Ergebnisse Neuzulassungen Ergebnisse Fahrzeugbestand Szenario 2 Verstärkte Anstrengungen zum Klimaschutz Eingangsdaten und Annahmen Ergebnisse Neuzulassungen Ergebnisse Fahrzeugbestand Analyse der Sensitivitäten Szenario 1a: verstärkter Anstieg des Rohölpreises Szenario 2a: verstärkter Anstieg des Rohölpreises Szenario 1b: verringerte Anstrengungen zum Klimaschutz, optimistische Entwicklung der Dieseltechnologie Szenario 2b: optimistische Batterieentwicklung Vergleich der Szenarioergebnisse

13 Inhaltsverzeichnis ix 5.4 Vergleich mit früheren Untersuchungen Shell Pkw-Szenarien Analysen zur Entwicklung des europäischen Markts Zusammenfassung Szenarienvergleich Fazit und Ausblick Fazit Ausblick Anhang Anhang A: Definition der Szenariofahrzeuge Anhang B: Patent- und Publikationsanalyse Anhang C: Übersicht Modellstruktur Literaturverzeichnis Lebenslauf

14 Tabellenverzeichnis x Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Betrachtete Antriebs-/ Kraftstoffkombinationen Tabelle 2: Abschätzung zukünftiger Preise von Li-Ion-Batterie-Kathoden Tabelle 3: Definition der betrachteten elektrische Fahrzeugvarianten Tabelle 4: Forschungsaktivitäten Brennstoffzellenfahrzeuge (nur Pkw) nach Hersteller Tabelle 5: Vergleich eigene Annahmen Kostenmodell mit TIAX-Annahmen Tabelle 6: Produktionskosten Brennstoffzellensystem nach eigener Abschätzung für große Stückzahlen Tabelle 7: Ableitung von Lernkurvenfaktoren für Brennstoffzellensysteme Tabelle 8: Definition der betrachteten Varianten von Brennstoffzellen- Hybridfahrzeugen Tabelle 9: Marktanteile und jährliche Laufleistungen Neufahrzeuge Pkw Deutschland Tabelle 10: Vergleich Marktanteile Neufahrzeuge Pkw Deutschland verschiedene Quellen Tabelle 11: Entwicklung der Kraftstoffpreise an deutschen Tankstellen Tabelle 12: Fahrzeugneupreise für ausgewählte Modelle Tabelle 13: Pkw-Neuzulassungen 2006 nach Hubraumklassen Tabelle 14: Jährliche durchschnittliche Kfz-Steuer-Beträge Tabelle 15: Kraftstoffverbrauch Neufahrzeuge Deutschland (Testverbräuche) [l/100 km] Tabelle 16: Parametereinstellungen für Variationsrechnung Tabelle 17: Durchschnittliche Tankstellenpreise CNG Tabelle 18: Szenario 1 Zusammenfassung relevanter Annahmen Tabelle 19: Szenario 2 Zusammenfassung relevanter Annahmen Tabelle 20: Szenario 1a Änderungen der Annahmen gegenüber Szenario Tabelle 21: Szenario 2a Änderungen der Annahmen gegenüber Szenario Tabelle 22: Szenario 1b Änderungen der Annahmen gegenüber Szenario Tabelle 23: Szenario 2b Änderungen der Annahmen gegenüber Szenario Tabelle 24: Vergleich der Mehrkosten und CO 2 -Reduktion gegenüber Szenario Tabelle 25: Vergleich Szenarioergebnisse für das Jahr Tabelle 26: Vergleich Szenarioergebnisse für das Jahr

15 Abbildungsverzeichnis xi Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: CO 2 -Emissionen der EU-15 (2004), Gesamtmenge: 3,15 Gt... 1 Abbildung 2: Fahrleistungen und Emissionen des Straßenverkehrs in Deutschland... 1 Abbildung 3: Schematische Darstellung eines idealen Technologielebenszyklus Abbildung 4: Schematische Darstellung eines S-Kurven-Verlaufs für technische Eigenschaften Abbildung 5: Idealisierte Lernkurve Abbildung 6: Idealisierte Lernkurve in doppelt-logarithmischer Auftragung Abbildung 7: Einflussgrößen auf den Energiebedarf und die CO 2 -Emissionen eines Fahrzeugs Abbildung 8: Historische Entwicklung des Luftwiderstandsbeiwerts (c w ) (45 Pkw-Modelle) Abbildung 9: Historische Entwicklung der Stirnfläche (A) (45 Pkw-Modelle) Abbildung 10: Überblick Einzelmaßnahmen mit Kosten für mittlere Ottound Dieselfahrzeuge Abbildung 11: Energie- und Leistungsdichten von Batterietechnologien (Ragone-Darstellung) Abbildung 12: Jährliche Patentanmeldungen (PFS 3000) bzw. Offenlegungen (ISI/Scopus) Abbildung 13: Jährliche Patentanmeldungen Batterie-/Hybrid- /Brennstoffzellenfahrzeuge Abbildung 14: Anmelder von Patenten zu Batterie-/Hybrid- /Brennstoffzellenfahrzeugen Abbildung 15: Prozentualer Anteil aller Patentanmeldungen zu Batterien nach Typen Abbildung 16: Anteil Publikationen zu Batterie-/Hybrid-/ Brennstoffzellenfahrzeugen Abbildung 17: Herkunftsländer Autoren von Publikationen zu Themenbereichen Abbildung 18: Anzahl an Publikationen, NiMH-Technologie Abbildung 19: Anzahl an Publikationen, Li-Ion-Technologie Abbildung 20: Prozentualer Anteil an jährlichen Fördersummen Batterieforschung Abbildung 21: Kumulierte Summen Forschungsförderung Batterien (international)... 53

16 Abbildungsverzeichnis xii Abbildung 22: Historische Entwicklung Energiedichten Li-Ion Einzelzellen Abbildung 23: Screenshot Berechnung Zellkosten High-Energy-Li-Ion Zelle Abbildung 24: Vergleich Produktionskosten High-Energy Lithium-Ion Batterien Abbildung 25: Entwicklung Stückzahlen von Brennstoffzellenfahrzeugen (nach Typ) Abbildung 26: Entwicklung Stückzahlen von Brennstoffzellenfahrzeugen (nach Regionen) Abbildung 27: Patentoffenlegungen nach Typ bezogen auf Gesamtzahl Patente Abbildung 28: Ballard Power Systems, Anzahl Patente bezogen auf Brennstoffzellenpatente Abbildung 29: Brennstoffzellen allgemein: Anteil Anmelder an Gesamtzahl Anmelder Abbildung 30: Jährliche Patentanmeldungen zur AFC-Brennstoffzelle (kumuliert) Abbildung 31: Patentanmeldungen zu PEM-Brennstoffzellen (Fortschreibung) Abbildung 32: Jährliche Anzahl Veröffentlichungen zu Brennstoffzellen Abbildung 33: Jährliche Veröffentlichungen zu Brennstoffzellentypen (ISI Web of Knowledge) Abbildung 34: Anteil geografische Herkunft Brennstoffzellen-Publikationen Abbildung 35: Jährliche staatliche Förderung von BZ-Forschung (Deutschland, Bundesebene) Abbildung 36: Jährliche staatliche Förderung von Brennstoffzellenforschung (Japan) (NEDO) Abbildung 37: Jährliche staatliche Förderung von PEM-Brennstoffzellenforschung (USA) Abbildung 38: Kumulierte Patentanmeldungen vs. Forschungsaufwendungen (Ballard) Abbildung 39: Entwicklung Platinbeladung PEM-Brennstoffzellenstacks Abbildung 40: Entwicklung Leistungsdichte von PEM-Brennstoffzellen/-stacks Abbildung 41: Nennleistung Brennstoffzellen-stacks/-module (zeitliche Entwicklung) Abbildung 42: Nennleistung Brennstoffzellen-stacks/-module (in Abhängigkeit Aufwand) Abbildung 43: Volumetrische Leistungsdichte Brennstoffzellenstacks/-module (zeitliche Entw.)... 83

17 Abbildungsverzeichnis xiii Abbildung 44: Gravimetrische Leistungsdichte Brennstoffzellenstacks/-module (zeitliche Entw.) Abbildung 45: Power-to-Weight-Ratio von konventionellen und BZ-Fahrzeugen Abbildung 46: Höchstgeschwindigkeit von konv. und Brennstoffzellen-Fahrzeugen Abbildung 47: Wirkungsgradvergleich ICE und Brennstoffzellenfahrzeug im NEFZ Abbildung 48: Entwicklung maximaler Wirkungsgrad von Brennstoffzellensystemen Abbildung 49: Anteile von Wasserstoffspeichertypen an Fahrzeugmodellen Abbildung 50: Vergleich der Energiedichten verschiedener Energiespeicher Abbildung 51: Platin Angebot nach Weltregionen Abbildung 52: Platin weltweite Nachfrage nach Anwendungen Abbildung 53: Platin Bedarf für Fahrzeugkatalysatoren (Anteil Recycling) Abbildung 54: Platin Historische Entwicklung Preis in Abhängigkeit v. Angebot und Nachfrage Abbildung 55: Stackkosten Ergebnisverteilung nach Monte-Carlo-Simulation Abbildung 56: Stackkosten Tornado-Diagramm mit Einflussstärke der Parameter Abbildung 57: Kostenschätzung Brennstoff-zellenstack vs. kumulierte Stückzahlen Abbildung 58: Kostenschätzung Brennstoff-zellensystem vs. kumulierte Stückzahlen Abbildung 59: Brennstoffzellensystem Kostenaufteilung für niedrige Stückzahlen Abbildung 60: Brennstoffzellensystem Kostenaufteilung für hohe Stückzahlen Abbildung 61: Entwicklung CNG-Tankstellennetz in Deutschland inkl. Ziel Abbildung 62: Regionale Verteilung CNG-Tankstellen in Deutschland Abbildung 63: Entscheidungskriterien beim Fahrzeugkauf (an erster Stelle genannt) Abbildung 64: Schematische Darstellung des betrachteten Systems in der Realität Abbildung 65: Schematische Darstellung Kaufentscheidungsprozess im Modell für spezifisches Betrachtungsjahr und Kundengruppe Abbildung 66: Schematische Darstellung von Adoptergruppen und ihren Anteilen Abbildung 67: Einteilung in Kundengruppen im Modell

18 Abbildungsverzeichnis xiv Abbildung 68: Schematische Darstellung Bildung von Fahrzeugvarianten im Modell Abbildung 69: Schematische Darstellung Preisbildung für konventionelle Technologien im Modell Abbildung 70: Schematische Darstellung Preisbildung für neuartige Technologien im Modell Abbildung 71: Schematische Darstellung der Modellabstraktion Abbildung 72: Vereinfachtes Ablaufschema des Modells Abbildung 73: Fahrleistung Pkw Deutschland nach Anpassung der Daten Abbildung 74: Beispielhafte Überlebenskurve Abbildung 75: Modellberechnung vs. Realdaten Entwicklung Dieselanteil nach Segmenten Abbildung 76: Modellberechnung vs. Realdaten Entwicklung Dieselanteil über alle Segmente Abbildung 77: Modellberechnung vs. Realdaten Dieselanteil nach Segmenten mit Verzögerung Abbildung 78: Modellberechnung vs. Realdaten Dieselanteil alle Segmente mit Verzögerung Abbildung 79: Sensitivitätsbetrachtung Berechnungszeitraum des Kunden Abbildung 80: Sensitivitätsbetrachtung Zahlungsbereitschaft des Kunden Abbildung 81: Modellberechnung vs. Realdaten Anteil Erdgasfahrzeuge in Deutschland Abbildung 82: Modellberechnung vs. Realdaten Anteil Erdgasfahrzeuge mit Einschränkungen Abbildung 83: Vergleich historische Entwicklung Rohölpreis mit Szenario- Annahmen Abbildung 84: Korrelation von Kraftstoff- und Rohölpreis (Beispiel Superbenzin) ( ) Abbildung 85: Szenario 1 Annahmen zur Preisentwicklung Kraftstoffe im Verkehr Abbildung 86: Szenario 1 Annahmen zur Entwicklung CO 2 -Emissionen von Kraftstoffen Abbildung 87: Annahmen zum spezifischen Energiebedarf der betrachteten Fahrzeuge Abbildung 88: Annahmen zu den anfänglichen Produktionskosten der betrachteten Fahrzeuge

19 Abbildungsverzeichnis xv Abbildung 89: Szenario 1 Neuzulassungen der Fahrzeuggrößenklasse Klein Abbildung 90: Szenario 1 Neuzulassungen der Fahrzeuggrößenklasse Mittel Abbildung 91: Szenario 1 Neuzulassungen der Fahrzeuggrößenklasse Groß Abbildung 92: Szenario 1 Neuzulassungen über alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 93: Szenario 1 Durchschnittliche CO 2 -Emissionen der Neufahrzeugflotte Abbildung 94: Szenario 1 Durchschnittliche Kosten aus Kundensicht (RCO) Abbildung 95: Szenario 1 Staatliche Subventionen für neue Antriebstechnologien Abbildung 96: Szenario 1 Kosten und Umsatz aus Herstellersicht Abbildung 97: Szenario 1 Veränderung der Marktstruktur, Beispiel mittlere Ottofahrzeuge Abbildung 98: Szenario 1 Fahrzeugbestand über alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 99: Szenario 1 CO 2 -Emissionen des Pkw-Bestands Abbildung 100: Szenario 1 Energiebedarf des Pkw-Bestands nach Kraftstoffen Abbildung 101: Szenario 2 Annahmen zur Preisentwicklung Kraftstoffe im Verkehr Abbildung 102: Szenario 2 Annahmen zur Entwicklung CO 2 -Emissionen von Kraftstoffen Abbildung 103: Szenario 2 Neuzulassungen der Fahrzeuggrößenklasse Klein Abbildung 104: Szenario 2 Neuzulassungen der Fahrzeuggrößenklasse Mittel Abbildung 105: Szenario 2 Neuzulassungen der Fahrzeuggrößenklasse Groß Abbildung 106: Szenario 2 Neuzulassungen über alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 107: Szenario 2 Durchschnittliche CO 2 -Emissionen der Neufahrzeugflotte Abbildung 108: Szenario 2 Durchschnittliche Kosten aus Kundensicht (RCO)

20 Abbildungsverzeichnis xvi Abbildung 109: Szenario 2 Staatliche Subventionen für neue Antriebstechnologien Abbildung 110: Szenario 2 Kosten und Umsatz aus Herstellersicht Abbildung 111: Szenario 2 Kosten-/Preis-Entwicklung am Beispiel HEV_Component Abbildung 112: Szenario 2 Fahrzeugbestand über alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 113: Szenario 2 CO 2 -Emissionen des Pkw-Bestands Abbildung 114: Szenario 2 Energiebedarf des Pkw-Bestands nach Kraftstoffen Abbildung 115: Szenario 1a Neuzulassungen, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 116: Szenario 1a Fahrzeugbestand, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 117: Szenario 2a Neuzulassungen, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 118: Szenario 2a Fahrzeugbestand, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 119: Szenario 1b Neuzulassungen, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 120: Szenario 1b Fahrzeugbestand, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 121: Szenario 2b Neuzulassungen, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 122: Szenario 2b Fahrzeugbestand, alle Fahrzeuggrößenklassen Abbildung 123: Alle Szenarien Durchschn. CO 2 -Emissionen der Neufahrzeugflotte Abbildung 124: Alle Szenarien Durchschnittliche Kosten aus Kundensicht (RCO) Abbildung 125: Alle Szenarien Staatliche Subventionen für neue Antriebstechnologien Abbildung 126: Alle Szenarien Summe der Herstellermargen für alle Technologien Abbildung 127: Alle Szenarien Einsparungspotenzial CO 2 vs. Szenario Abbildung 128: Alle Szenarien durchschnittl. Kosten je eingesparter Menge CO

21 Abkürzungsverzeichnis xvii Abkürzungsverzeichnis A AC AFC AGR APEX BEV BIP BMBF BMWi BMU BMW BtL BRD CARB CH 2 CNF CNG CO CO 2 c W D DC DIW DLR DMFC DOE EC EEG EPA EREV EU Stirnfläche Alternating Current (Wechselstrom) Alkaline Fuel Cell (Alkalische Brennstoffzelle) Abgasrückführung Oracle Application Express Battery Electric Vehicle (Batterie elektrisches Fahrzeug) Bruttoinlandsprodukt Bundesministerium für Bildung und Forschung Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Bayerische Motorenwerke Biomass to Liquid Bundesrepublik Deutschland California Air Resource Board Compressed Hydrogen Carbon-Nanofaserspeicherung Compressed Natural Gas Kohlenmonoxid Kohlendioxid Strömungswiderstandskoeffizient Diesel-Fahrzeug Direct Current (Gleichstrom) Deutsches Institut für Wirtschaftsforschung Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Direct Methanol Fuel Cell (Direktmethanol-Brennstoffzelle) U. S. Department of Energy European Commission (Europäische Kommission) Erneuerbare-Energien-Gesetz U. S. Environmental Protection Agency Extended Range Electric Vehicle European Union (Europäische Union)

22 Abkürzungsverzeichnis xviii FCV FE FPBEV FTP F&E G GDL GDP GM H 2 HC HCCI HEV ICE IEA ifeu IPC IPCC KBA LH 2 Li LNG LPG MCFC MEA METI MH MiD MwSt MWV Na NASA Fuel Cell Electric Vehicle (Brennstoffzellenfahrzeug) Fuel Economy (hier im Sinne Spritsparpaket ) Full Power Battery Electric Vehicle (s. BEV) Federal Test Procedure Forschung und Entwicklung Gasoline (Otto-) Fahrzeug Gas Diffusion Layer Gross Domestic Product (Bruttoinlandsprodukt) General Motors Wasserstoff Kohlenwasserstoff Homogeneous Charge Compression Ignition Hybrid Electric Vehicle (Hybridfahrzeug) Internal Combustion Engine (Verbrennungsmotor) International Energy Agency Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH International Patent Classification (Internationale Patentklassifizierung) Intergovernmental Panel on Climate Change Kraftfahrtbundesamt Liquid Hydrogen Lithium Liquefied Natural Gas Liquefied Petroleum Gas Molten Carbonate Fuel Cell (Schmelzkarbonatbrennstoffzelle) Membrane Electrode Assembly (Membran-Elektroden-Einheit) Ministry of Economy, Trade and Industry (Japan) Metallhydrid Mobilität in Deutschland Mehrwertsteuer Mineralölwirtschaftsverband Natrium National Aeronautics and Space Administration

23 Abkürzungsverzeichnis xix NEDO NEFZ NGO NHTSA NRC NiCd NiMH NO x PGM O 2 PM OECD OEM PAFC PEMFC PHEV PNGV Pkw R&D RCO ROZ S SCR TCO THG UBA UN UNFCCC USABC VW ZEV New Energy and Industrial Technology Development Organization (Japan) Neuer Europäischer Fahrzyklus Non-governmental organization (Nichtregierungsorganisation) U. S. National Highway Traffic Safety Administration National Research Council Nickel-Cadmium Nickel-Metallhydrid Stickoxid Platin Group Metals Sauerstoff Particulate matter (Feinstaub) Organisation for Economic Co-Operation and Development Original equipment manufacturer Phosphoric Acid Fuel Cell (Phosphorsäure-Brennstoffzelle) Proton Exchange Membrane Fuel Cell / Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (Protonen-Austausch-Membran-Brennstoffzelle) Plug-in Hybrid Electric Vehicle Partnership for a New Generation of Vehicles Personenkraftwagen Research and Development Relevant Cost of Ownership Research-Oktanzahl Schwefel Selective Catalytic Reduction Total Cost of Ownership Treibhausgas Umweltbundesamt United Nations United Nations Framework Convention on Climate Change United States Advanced Battery Consortium Volkswagen Zero Emission Vehicle

24 Verzeichnis der Einheiten xx Verzeichnis der Einheiten c/l Cent je Liter $ U. S. Dollar $/kg U. S. Dollar je Kilogramm $/kwh U. S. Dollar je Kilowattstunde Euro /GJ Euro je Gigajoule /ha Euro je Hektar /kwh Euro je Kilowattstunde /l Euro je Liter /t Euro je Tonne GJ/ha Gigajoule je Hektar Gt Gigatonnen C Grad Celsius kg Kilogramm km Kilometer kw Kilowatt kw/l Kilowatt je Liter kw/kg Kilowatt je Kilogramm kwh Kilowattstunden kwh/l Kilowattstunden je Liter kwh/kg Kilowattstunden je Kilogramm cm³ Kubikcentimeter l Kraftstoffäq. /ha Liter Kraftstoffäquivalente je Hektar mg/cm² Milligramm je Quadratzentimeter MJ Megajoule mw/cm² Milliwatt je Quadratzentimeter l Liter % Prozent t Tonnen Wh/l Wattstunden je Liter Wh/kg Wattstunden je Kilogramm

25 Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Ausgangssituation Nach jüngsten Berichten des United Nations Intergovernmental Panel on Climate Change (UN IPCC) ist eine Erwärmung des Weltklimas eindeutig feststellbar. Ein Großteil der beobachteten Effekte kann laut IPCC mit hoher Wahrscheinlichkeit auf einen Anstieg der anthropogenen Treibhausgas-(THG)-konzentrationen zurückgeführt werden (IPCC, 2007, S. 41). Um den zukünftig zu erwartenden weiteren Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur auf maximal 2 C über vorindustriellem Niveau zu begrenzen, verfolgt die Europäische Union (EU) das Ziel, ihre THG-Emissionen bis zum Jahr 2020 um mindestens 20 % bezogen auf das Ausgangsjahr 1990 zu reduzieren. Sofern sich weitere Industrieländer zu vergleichbaren Reduktionsverpflichtungen bekennen, sollen die Anstrengungen der EU auf eine Reduktion von 30 % ausgedehnt werden. Dadurch sollen die Auswirkungen des Klimawandels und die Wahrscheinlichkeit einer massiven und unwiderruflichen Störung des Ökosystems, begrenzt werden (EC, 2007a; EC, 2008). Abbildung 1: CO 2 -Emissionen der EU-15 (2004), Gesamtmenge: 3,15 Gt Abbildung 2: Fahrleistungen und Emissionen des Straßenverkehrs in Deutschland Industrie 22% Haushalte 12% Elektrizität, Wärme 34% Sonst. 8% Verkehr 24% Pkw, Vans 17% Trucks, Busse: 6% Sonstige: 1% 700% Fahrleistung [Fzg-km] 600% 500% CO 2 [t] 400% PM 300% NO x [t] 200% 100% CO [t] HC [t] 0% Der Verkehrsbereich ist für einen signifikanten Anteil der Kohlendioxid-(CO 2 )- Emissionen, und somit auch der THG-Emissionen, verantwortlich (Abbildung 1). Etwa 24 % der Gesamtemissionen in Europa in Höhe von ca. 3,15 Gt (EU-15) entfallen auf den Bereich Verkehr (UNFCCC, 2007), hiervon ein Anteil von mehr als 90 % auf den Straßenverkehr (UNFCCC, 2007; TREMOVE, 2008) 1. In der Vergangenheit ist es in Deutschland gelungen, die Emissionen der limitierten Abgasstoffe von der kontinuierlich ansteigenden Entwicklung der 1 Entsprechend der Berechnungsmethodik des Kyoto-Protokolls wird der Luftverkehr (Anteil an den Emissionen des Verkehrs in Europa ca. 2,6 %) nach dem Territorialprinzip bewertet. Für Deutschland bedeutet dies, dass je nach Betrachtungsjahr lediglich ca % des in Deutschland abgesetzten Kerosins für eine Berechnung der nationalen Emissionen berücksichtigt werden (vgl. hierzu UBA, 2009, S. 157).

26 Einleitung 2 Gesamtfahrleistungen zu entkoppeln (Abbildung 2). Mit Einführung von geregelten Katalysatoren in den 1980er Jahren konnten die Emissionen von Kohlenwasserstoffen (HC) und Kohlenmonoxid (CO) sowie mit fortschreitender Entwicklung der Abgasnachbehandlungssysteme und der Einführung von Partikelfiltern, von Stickoxiden (NO x ) und Partikeln (PM) deutlich reduziert werden (TREMOD, 2006). Im Gegensatz hierzu ist für die Emissionen von CO 2 aus dem Verkehrsbereich bislang keine eindeutige Trendwende erkennbar. Somit sind verstärkte Anstrengungen nötig, um internationale Verpflichtungen zur Reduktion von THG-Emissionen auch im Verkehrsbereich erfüllen zu können. Hinzu kommen weitere Zielsetzungen, wie eine Reduktion der Verwendung von Erdölbasierten Kraftstoffen, um die Effekte möglicher zukünftiger Preisanstiege und Lieferabhängigkeiten abzumildern. Zur Steigerung der Energieeffizienz sowie der Reduktion der Absolutemissionen von Personenkraftwagen (Pkw) existieren zahlreiche technische Möglichkeiten, wie beispielsweise der Einsatz von Energiespartechnologien, alternativen Antriebssystemen und regenerativen Kraftstoffen. Ihre Erfolgsaussichten in der Zukunft sind abhängig von einem komplexen Gesamtsystem, welches unter anderem beeinflusst wird von der zukünftigen Entwicklung von Technologie- und Energiekosten, fiskalischen Maßnahmen sowie der Kaufentscheidung der Fahrzeugkäufer. Eine Bewertung der Vielzahl an Entwicklungsoptionen hinsichtlich potenzieller Marktanteile in der Zukunft sowie ihres Einflusses auf den Energie- bzw. Kraftstoffbedarf und die CO 2 -Emissionen ist notwendig, um fundierte Investitionsund Handlungsentscheidungen für Industrie und Politik zu ermöglichen. Aufgrund der Fülle an Einflussfaktoren können solche Entscheidungen nicht intuitiv getroffen werden, sondern bedürfen einer systematischen Unterstützung von Seiten der Technikbewertung. 1.2 Stand des Wissens Zur Dokumentation der vergangenen Entwicklung von CO 2 -Emissionen des Verkehrs bzw. zu deren Fortschreibung in die Zukunft existieren bereits seit einigen Jahren anerkannte Computermodelle. Das deutsche Modell TREMOD (TREMOD, 2006) erlaubt nach exogener Vorgabe von Fahrleistungsentwicklungen, Kraftstoffverbräuchen und -eigenschaften (Emissionsfaktoren) die Darstellung der Entwicklung von CO 2 -Emissionen sowie verschiedener limitierter und nicht-limitierter Abgasstoffe. Hierbei kann nach einzelnen Fahrzeugschichten differenziert werden, d. h. nach Fahrzeuggröße, Alter und Emissionsstandard der betrachteten Fahrzeuge. Eine Differenzierung nach einzelnen Fahrzeugtechnologien sowie die Berücksichtigung alternativer Antriebssysteme und Kraftstoffe für die Zukunft ist derzeit nicht vorgesehen. Ebenso sind keinerlei ökonomische Betrachtungen zu den Kosten zukünftiger Entwicklungen integriert. Eine Berücksichtigung des Käuferverhaltens findet nicht statt, zukünftige Marktanteile von Fahrzeugschichten müssen somit exogen vorgegeben werden.

27 Einleitung 3 Das europäische Modell TREMOVE (TREMOVE, 2008) berechnet zukünftige Fahrleistungen aufgegliedert nach Verkehrsträgern (modal split) modellintern anhand von Nachfragefunktionen. Mit Hilfe exogen vorgegebener Kraftstoffverbräuche und -eigenschaften wird, wie bei TREMOD, die Entwicklung von CO 2 sowie verschiedener Abgasstoffe über der Zeit berechnet. Eine Differenzierung nach Fahrzeugschichten, insbesondere anhand der zugrunde liegenden Emissionsstandards, ist möglich, eine detaillierte Berücksichtigung von Fahrzeugtechnologien findet jedoch nicht statt, ebenso wenig wie eine Modellierung der Konkurrenzsituation zwischen verfügbaren Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffen. Der Schwerpunkt beider Modelle liegt auf der Dokumentation von Gesamtemissionen für eine Reihe von Abgasbestandteilen aus dem Verkehrsbereich, z. B. im Rahmen der Berichterstattung zum Kyoto-Protokoll. Technologieszenarien für zukünftige Entwicklungen unter Berücksichtigung einer Vielzahl von Einflussfaktoren und Konkurrenzen sind nicht vorgesehen. Neben den genannten, auf Länder- und Technologieebene hoch aggregierten Untersuchungen, existieren ferner zahlreiche detaillierte Analysen der technischen Potenziale und Produktionskosten einzelner Technologien, jedoch ohne Berücksichtigung von Weiterentwicklungen konkurrierender Systeme. Beispielhaft ist eine regelmäßig im Auftrag des U. S. Department of Energy (DOE) aktualisierte Untersuchung der Produktionskosten von Protonen-Austausch-Membran- Brennstoffzellen (PEMFC) anhand eines Bottom-up Ansatzes (Carlson, Kopf et al., 2005). Ansätze zu einer Verknüpfung beider Herangehensweisen, d. h. einer detaillierten Analyse von Einzeltechnologien sowie einer aggregierten Betrachtung der Gesamtemissionen eines Landes bzw. einer Region, existieren bislang lediglich vereinzelt. Hierfür ist die Verwendung detaillierter Daten zu Entwicklungspotenzialen und Kosten von Einzeltechnologien sowie gleichzeitig die Berücksichtung einer Vielzahl externer Einflussfaktoren und Konkurrenzen notwendig. Zwei europäische Studien (Brink, Skinner et al., 2005; Edwards, Larivé et al., 2007a) bündeln Daten zu CO 2 -Reduktionspotenzialen sowie Kosten von Fahrzeugtechnologien und -kraftstoffen, untersuchen jedoch keinerlei Szenarien hinsichtlich zukünftiger Marktanteile und möglicher Kostendegressionen der betrachteten Systeme. Zudem bleibt der Zeithorizont der Analysen beschränkt auf die Jahre bis etwa Eine Betrachtung des Verhaltens von Neufahrzeugkäufern und damit ihres Einflusses auf die Diffusion von Fahrzeugtechnologien in den Markt wurde bislang lediglich exemplarisch für Konkurrenzsituationen mit wenigen beteiligten Technologien bzw. Kraftstoffen durchgeführt (COWI, 2002; Santini, Vyas, 2005; Kellner, 2007). Eine Studie der Unternehmensberatung McKinsey unterscheidet mehrere Zukunftsszenarien zur Einführung neuer Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffe, unter

28 Einleitung 4 Berücksichtigung der Kosten aus Nutzersicht, jedoch wenig transparent und auf eine geringe Zahl an Einzeltechnologien beschränkt (McKinsey, 2006). 1.3 Zielsetzung der Arbeit Ziel dieser Arbeit ist es, fundierte Aussagen hinsichtlich zukünftiger Marktanteile von Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffen im Pkw-Bereich sowie deren Auswirkungen auf die CO 2 -Emissionen des Verkehrs zu treffen. Hierzu sind zunächst eine umfassende Charakterisierung der zur Verfügung stehenden Technologieoptionen sowie eine Identifizierung der für eine Marktdurchdringung relevanten Einflussgrößen notwendig. Ein neu entwickeltes Computermodell soll schließlich dabei helfen, die Komplexität des betrachteten Systems nachzubilden und Zukunftsszenarien abzuleiten. Im Rahmen der Analyse wird bereits bestehendes technisches Wissen genutzt, um durch Verknüpfung mit ökonomischen sowie sozialen Einflussparametern neue Erkenntnisse zu gewinnen. Im Unterschied zu bereits bestehenden Untersuchungen werden hierbei die folgenden Bereiche neu bearbeitet: Anwendung von Methoden der Technikbewertung (z. B. Patent- und Publikationsanalyse, Analyse der Forschungsaufwendungen, Bottom-up- Kostenmodelle, Lernkurvenansatz), um das zukünftige technische Entwicklungspotenzial sowie zukünftig zu erwartende Kosten für eine Reihe von Fahrzeugtechnologien, insbesondere Batterie- und Brennstoffzellen- Technologien, abzuschätzen und hieraus Technologiebausteine sowie Weiterentwicklungsoptionen abzuleiten. Aufbau eines neuartigen benutzerfreundlichen und erweiterbaren Computermodells, um eine automatisierte Berücksichtigung einer Vielzahl an vorher identifizierten Technologiebausteinen und Weiterentwicklungsoptionen, auch für konventionelle Fahrzeugantriebe und Kraftstoffe, zu ermöglichen und bestehende sowie zukünftige Konkurrenzen zwischen Technologieoptionen realistisch widerspiegeln zu können. Einbezug eines idealisierten Kundenverhaltens zur modellinternen Ableitung von Absatz, Marktanteilen und Diffusionsgeschwindigkeiten von Einzeltechnologien, unter Berücksichtigung exogen vorgegebener Einflussfaktoren (z. B. Technologieund Kraftstoffkosten, Fahrleistungen, Zahlungsbereitschaften). Modellierung des Einflusses von Rohstoffpreisen auf Technologie- und Nutzungskosten und damit auf das Kundenverhalten beim Fahrzeugkauf sowie Modellierung von Kostendegressionseffekten (Lernkurven) mit Hilfe von Rückkopplungen zwischen Kundenverhalten und Fahrzeugangebot, um eine dynamische Preisentwicklung innerhalb der Modellberechnungen zu ermöglichen. Abschätzung der mittel- und langfristigen CO 2 -Reduktionspotenziale der Pkw- Neufahrzeugflotte sowie des Gesamt-Pkw-Bestands, mit Hilfe des zuvor entwickelten Computermodells. Hierbei Berücksichtigung der CO 2 -Emissionen

29 Einleitung 5 aus Kraftstoffnutzung sowie Vorkette (well-to-wheel). Ermittlung des zukünftig resultierenden Bedarfs an Kraftstoffen und Energie. Ausweisung der resultierenden Kosten-/ Nutzeneffekte für mit Hilfe des Computermodells berechnete Szenarien aus Sicht der beteiligten Hauptakteure (Kunden, Produzenten und Staat). Verknüpfung einer ingenieurwissenschaftlichen Betrachtung von Fahrzeugtechnologien und Kraftstoffen mit ökonomischen, ökologischen, soziologischen sowie politischen Einflussfaktoren. Detailanalyse von Einzeltechnologien bei gleichzeitiger Aggregierbarkeit auf ein gesamtwirtschaftliches Niveau. Zu beachten ist, dass es sich bei den resultierenden Berechnungen um Szenarien für zukünftige Entwicklungspfade handelt. Diese ermöglichen eine anschauliche Analyse von Wirkzusammenhängen in einem komplexen System sowie das Aufzeigen von Handlungsoptionen. Sie sind nicht als quantitative Zukunftsprognosen zu verstehen. Die erarbeiteten Erkenntnisse richten sich insbesondere an Produzenten von Fahrzeugen (OEM) und Zulieferer, Energieversorger und Mineralölkonzerne, Politik und Nichtregierungsorganisationen (NGO). Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell ist seiner Form nach übertragbar auf beliebige Fahrzeugtypen, geografische Regionen und Zeiträume. In der vorliegenden ersten Version soll jedoch eine Einschränkung auf den deutschen Pkw- Markt bis zum Jahr 2030 vorgenommen werden. Zudem soll der Fokus der Betrachtungen auf den Emissionen von CO 2 sowie dem Bedarf an Kraftstoffen und Energie liegen. 1.4 Aufbau der Arbeit In Kapitel 2 wird das Konzept der Technikbewertung zunächst theoretisch erläutert. Hierfür werden nach einer grundsätzlichen Definition des Begriffs Methoden der Technikbewertung, die im Rahmen dieser Arbeit auf einzelne Fahrzeugtechnologien angewendet werden sollen, näher erläutert. Zu den genutzten Methoden zählen das Konzept des Technologielebenszyklus und der S-Kurven, die Patent- und Publikationsanalyse, die Analyse von Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen, die Analyse technischer Parameter, die Abschätzung von Technologiekosten mit Hilfe von Lernkurven, Top-down und Bottom-up Kostenmodellen sowie die Nutzung von Simulationsmethoden. In Kapitel 3 werden die erläuterten Methoden der Technikbewertung praktisch angewendet, um die zukünftigen Entwicklungspotenziale und Produktionskosten von Pkw-Fahrzeugtechnologien bewerten zu können. Der Schwerpunkt der Analysen liegt hierbei auf Antrieben mit Nutzung von Batterien bzw. Brennstoffzellen. Technologien zur Reduktion des Fahrwiderstands sowie zur Optimierung von Verbrennungsmotoren werden in erster Linie anhand von Literaturangaben bewertet. Es wird unterschieden zwischen übergreifenden Möglichkeiten zur Reduktion des

30 Einleitung 6 Fahrwiderstands (Reduktion von Rollwiderstand, Luftwiderstand und Gewicht) sowie spezifischen Maßnahmen für Otto- und Dieselfahrzeuge. Technische Möglichkeiten zur Hybridisierung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren werden ebenfalls erläutert. Zur Bestimmung der zukünftigen Entwicklungspotenziale von Batteriefahrzeugen, speziell beim Einsatz von Lithium-Ion Batterien, wird zunächst eine Analyse historischer und aktueller Forschungsaktivitäten durchgeführt. Hierfür werden die Instrumente Patent- und Publikationsanalyse sowie Analyse der Forschungsaufwendungen angewandt. Anschließend wird die Entwicklung relevanter technischer Kenngrößen aufgezeigt und mit Hilfe von Trendextrapolation und Expertenschätzungen unter Berücksichtigung der aktuellen Forschungsaktivitäten eine Abschätzung der zukünftigen Entwicklung vorgenommen. Für eine Analyse zukünftiger Produktionskosten werden zunächst die relevanten Rohstoffe hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit sowie ihrer Preisentwicklung untersucht. Mit Hilfe eines Bottomup-Kostenmodells werden schließlich die zukünftigen Produktionskosten bei Massenproduktion errechnet und Lernkurvenfaktoren abgeleitet. Für Fahrzeuge mit Brennstoffzellentechnologie wird ein analoges Vorgehen wie für Batteriefahrzeuge angewandt. Abschließend wird das Weiterentwicklungspotenzial verschiedener Kraftstoffvarianten anhand einer Zusammenstellung von Literaturangaben beurteilt. Kapitel 4 beschreibt den Aufbau eines neuartigen Computermodells. Hierfür wird zunächst das betrachtete System des Pkw-Markts in Deutschland in der Realität anhand der relevanten Akteure charakterisiert. Für die Gruppe der Nachfrager werden der Ablauf der Kaufentscheidung, Präferenzen beim Fahrzeugkauf sowie verschiedene Käufertypen definiert. Es folgt eine Charakterisierung der Gruppe der Produzenten, der Gruppe der Politik sowie weiterer Einflussfaktoren (z. B. Infrastruktur, Rohstoff- und Energiepreise). Das beschriebene System in der Realität wird in einem nächsten Schritt abstrahiert, um eine Modellierung vornehmen zu können. Hierfür werden zunächst verschiedene Modellierungsansätze verglichen, bevor die Abfolge des Entscheidungsprozesses beim Fahrzeugkauf im Modell festgelegt wird. Wichtige Kriterien sind demnach Relevant Cost of Ownership (RCO), die Unterscheidung von Kundengruppen, die Preisgestaltung der Anbieter sowie Einflussmöglichkeiten der Politik. Es erfolgt schließlich eine Beschreibung der technischen Umsetzung in einem Computermodell einschließlich einer Differenzierung der einzelnen Module innerhalb des Modells. Nach Festlegung der notwendigen Basisparameter erfolgt eine Verifizierung des Modells sowie eine Analyse der Sensitivitäten. Hierfür wird das historische Fallbeispiel der Entwicklung des Anteils an Diesel-Pkw in Deutschland zwischen 1994 und 2008 gewählt. In Kapitel 5 erfolgt die praktische Anwendung des Modells durch Untersuchung von zwei Zukunftsszenarien. Hierfür werden zunächst die Eingangsdaten der zu untersuchenden Szenarien definiert. Es wird unterschieden zwischen einem Basisszenario sowie einem Alternativszenario mit verstärkten Umweltschutzanforderungen von Seiten der Politik. Nach einer Darstellung der Berechnungsergebnisse erfolgt eine Abschätzung von Sensitivitäten. Unterschiede zwischen den betrachteten Handlungsoptionen hinsichtlich CO 2 -Emissionen, Kraftstoffbedarf und Kosten aus Sicht einzelner Interessensgruppen werden

31 Einleitung 7 erläutert. Die Szenarioergebnisse werden mit früheren Untersuchungen anderer Forschungsgruppen verglichen. Kapitel 6 fasst die Erkenntnisse der Arbeit zusammen. Hierbei wird auf die Möglichkeiten und Grenzen des entwickelten Computermodells hingewiesen sowie ein Ausblick auf zukünftige Weiterentwicklungsmöglichkeiten gegeben.

32 Grundlagen der Technikbewertung 8 2 Grundlagen der Technikbewertung Für Aussagen über die Zukunftsfähigkeit einer Technologie ist es erforderlich, diese hinsichtlich ihrer technischen, ökonomischen und ökologischen Eigenschaften und Potenziale zu analysieren und eine vergleichende Bewertung mit Konkurrenztechnologien durchzuführen. Im folgenden Kapitel sollen das entsprechende Konzept der Technikbewertung (Kapitel 2.1) sowie die im Rahmen dieser Arbeit angewandten Methoden der Technikbewertung (Kapitel ) zunächst theoretisch erläutert werden, bevor in den anschließenden Kapiteln die praktische Anwendung auf das Gebiet der Pkw-Fahrzeugtechnologien erfolgt. 2.1 Das Konzept der Technikbewertung Gesellschaftliche und unternehmerische Urteile über Techniken und ihre Wirkungen prägen seit langem in Form einer informellen Technikbewertung das Marktverhalten (Ropohl, 1996, S ). Doch erst seit einigen Jahren gibt es Ansätze zu einer Systematisierung dieser Prozesse in Form einer formellen und systematischen Technikbewertung. Definition Eine Richtlinie des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) definiert den Begriff der Technikbewertung als das planmäßige, systematische, organisierte Vorgehen, das den Stand einer Technik und ihrer Entwicklungsmöglichkeiten analysiert, unmittelbare und mittelbare technische, wirtschaftliche, gesundheitliche, ökologische, humane, soziale und andere Folgen dieser Technik und möglicher Alternativen abschätzt, aufgrund definierter Ziele und Werte diese Folgen beurteilt oder auch weitere wünschenswerte Entwicklungen fordert, Handlungs- und Gestaltungsmöglichkeiten daraus herleitet und ausarbeitet, so dass begründete Entscheidungen ermöglicht und gegebenenfalls durch geeignete Institutionen getroffen und verwirklicht werden können (VDI, 2000, S. 2-3). Eine Technikbewertung ist oftmals Teil des Gesetzgebungsprozesses. In den USA unterstützt seit 1973 das Office of Technology Assessment Abgeordnete des Kongresses mit systematisierten Informationen und Beurteilungen zu anstehenden technischen Entwicklungen. In Deutschland wurde zur Beantwortung von Fragen der Abgeordneten 1989 das Büro für Technikfolgen-Abschätzung des Deutschen Bundestages gegründet (Ropohl, 1996, S ). Zu beachten ist, dass die beiden Begriffe Technik und Technologie im heutigen Sprachgebrauch häufig synonym verwendet werden. Streng genommen bezeichnet der Begriff der Technik die Anwendung von Methoden und Prinzipien, um bestimmte

33 Grundlagen der Technikbewertung 9 Wirkungen zu erzielen. Dahingehen meint der Begriff der Technologie das Wissen um eine bestimmte Technik (Ropohl, 1996, S ; Höcherl, 2000, S. 9). Klassifikation Es wird unterschieden zwischen einer probleminduzierten Technikbewertung, deren Ziel es ist, für gesellschaftlich vorgegebene Aufgaben geeignete technische Lösungen zu ermitteln und diese hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile miteinander zu vergleichen, und einer technikinduzierten Technikbewertung, bei der eine bereits vorhandene oder produktionsreife Technik bewertet wird (VDI, 2000, S ). Ferner spricht man von einer innovativen Technikbewertung, wenn Forschung und Entwicklung noch wesentlich verändert werden können, und einer reaktiven Technikbewertung, wenn Richtungswechsel nur noch schwer realisierbar sind (VDI, 2000, S. 27). Die vorliegende Arbeit ist in diesem Zusammenhang als eine Kombination einer problem- und technikinduzierten Technikbewertung zu sehen. Einerseits steht die Ableitung von Handlungs- und Gestaltungsempfehlungen zur Lösung der Problematik ansteigender CO 2 -Emissionen im Pkw-Verkehrsbereich im Vordergrund. Andererseits werden hierfür bereits existierende oder in der Entwicklung befindliche Technologien sowie deren Entwicklungspotenziale analysiert, Folgen abgeschätzt und bewertet. In jedem Fall ist der Ansatz dieser Arbeit einer innovativen Art der Technikbewertung zuzurechnen, da die Entwicklungen der kommenden Jahre im Bereich der Fahrzeugtechnologien noch wesentlich beeinflusst werden können. Methoden Aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge zwischen Technik, Natur und Gesellschaft, die je nach betrachteter Fragestellung stark variieren, lässt sich Technikbewertung nicht durch Anwendung einer einzelnen standardisierten Methode erreichen. Man ist stets auf eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden angewiesen, die je nach Lage des Falles kombiniert anzuwenden sind (VDI, 2000, S. 26). In der Literatur werden beispielhaft ausgewählte Methoden dokumentiert (Bright, 1968; Martino, 1983; Twiss, 1993, S. 273; Ropohl, 1996, S ; VDI, 2000, S ; Hall, 2002, S. 41). Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzten Methoden der Technikbewertung sind: eine Analyse von Patenten, Publikationen, Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen sowie technischen Weiterentwicklungen, verbunden mit Trendextrapolation und historischer Analogiebildung sowie teilweise unter Anwendung des S-Kurven-Konzeptes (als spezielle Form der Trendextrapolation und der historischen Analogiebildung), ökonomische Betrachtungen, unter Verwendung von Bottom-up und Top-down Kostenmodellen und Lernkurven,