Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom,? Energieträger und Antriebssysteme für den Bus 2020+

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1 Martin Schmied, Bereichsleiter Verkehr und Umwelt Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom,? Energieträger und Antriebssysteme für den Bus Fribourg, 22. Mai 2014

2 Agenda 1. Ausgangspunkt 2. Treibstoffe der Zukunft 3. Busantriebe der Zukunft 4. Gesamtbewertung und Schlussfolgerungen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 2

3 Diskussion um alternative Antriebe und Treibstoffe für Busse hängen vom Zeitpunkt Kurzfristige Entscheidungen zu Antrieben und Treibstoffen können anders aussehen als Entscheidungen, die für den Zeithorizont getroffen werden Heutige Entscheidungen müssen auch in mittelfristige Strategie passen Präsentation fokussiert auf Zeitraum ab 2020 INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 3

4 als auch von den der Entscheidung zugrunde gelegten Kriterien ab Bedeutung für Zeitraum 2020+? Treibhausgase Luftschadstoffe Energieverbrauch Ökologische Aspekte Flächenverbrauch Ressourcenverbrauch Lärm Investitions-/ Betriebskosten Total Cost of Ownership Infrastrukturkosten Ökonomische Aspekte Externe Kosten Energieversorgungssicherheit Technologische Aspekte Wertungsaufwand Kapazität/Plätze Zuverlässigkeit INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 4

5 Beispiel Luftschadstoffe: Problematik wird sich in den nächsten Jahren entschärfen Entwicklung der Emissionsgrenzwerte für schwere Nutzfahrzeuge Bedeutung der Luftschadstoffe nimmt in den nächsten Jahren stark ab INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 5

6 Schwerpunktthemen für die Diskussion um Busantriebe und Treibstoffe für Schwerpunkt der Diskussion Treibhausgase Luftschadstoffe Energieverbrauch Ökologische Aspekte Flächenverbrauch Ressourcenverbrauch Lärm Investitions-/ Betriebskosten Total Cost of Ownership Infrastrukturkosten Ökonomische Aspekte Externe Kosten Energieversorgungssicherheit Technologische Aspekte Wertungsaufwand Kapazität/Plätze Zuverlässigkeit INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 6

7 Alternativer Antrieb Diesel PtG- H2 Konventioneller Antrieb Welche Antriebs- und Treibstoffoptionen stehen für Linienbusse zur Verfügung Konzepte im Überblick: Elektromotor Busse mit Verbrennungsmotor inkl. Hybridisierung bei Nutzung von konventionellen, stromgenerierten sowie Biotreibstoffen Trolley-Busse, rein batterieelektrische Busse sowie Plug-in- Hybrid-Electric- Vehicle (PHEV) Brennstoffzellenbusse Anmerkung: PtG = Power-to-Gas INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 7

8 Agenda 1. Ausgangspunkt 2. Treibstoffe der Zukunft 3. Busantriebe der Zukunft 4. Gesamtbewertung und Schlussfolgerungen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 8

9 Biotreibstoff ist nicht gleich Biokraftstoff: Unterschiede der Generationen Art der Biotreibstoffe Beschreibung Beispiele Verfügbarkeit 1. Generation aus landwirtschaftlichem Anbauoder Abfallbiomasse Herstellung mit konventionellen Technologien (z.b. Vergärung, Ölextraktion) 2. Generation aus Holz oder schnell wachsender, zellstoffreicher Biomasse (idealerweise aus Stroh- und Restholz, da nur dann nachhaltig) Herstellung durch biochemische oder physikalisch-chemische Umsetzung in Kraftstoffe 3. Generation aus Algen unabhängig von Kulturflächen Biodiesel Ethanol Altspeisemethylester (AME) Biogas Biomass-to- Liquid (BtL) Zellulose-Ethanol Bio Synthetic Natural Gas (Bio- SNG) Treibstoffe aus Algen Verfügbar, aus Abfallbiomasse aber beschränkte Kapazitäten bisher nur Pilotprojekte, mittelfristige Option nach 2020 Langfristige verfügbar INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 9

10 Treibhausgasemissionen von Biotreibstoffen (ohne indirekte Landnutzungsänderungen) Kurz- bis mittelfristig sind nur Biotreibstoffe der 1. Generation verfügbar hohe THG-Minderung nur bei Biotreibstoffen basierend auf Reststoffen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 10

11 Auswirkungen von Biotreibstoffe auf Umwelt und Klima basierend auf Ökobilanzen 1.+ Nur Biogas schneidet von den Biotreibstoffen der 1. Generation in Bezug auf alle Umweltkriterien besser ab als Diesel! ABER: 100% Biogas kostet gegenüber Erdgas mit 10% Biogas rund CHF/kg mehr Anmerkung: Diesel ist mit Benzin vergleichbar! INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 11

12 Power-to-Gas-Anlage zur Erzeugung von stromgenerierten Treibstoffe Beispiel Audi Alternativ: Fischer- Tropsch-Synthese zur Erzeugung von PtL Quelle: Audi INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 12

13 Gesamtwirkungsgrade zur Herstellung stromgenerierter Treibstoffe im Jahr 2050 (!) Wirkungsgrad differenziert nach Einzelprozessen nur THG-neutral, wenn aus erneuerbarem Strom hergestellt eine Option, wenn überschüssiger erneuerbarer Strom zwischengespeichert werden muss INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 13

14 Zwischenfazit Biotreibstoffe und stromgenerierte Treibstoffe Biotreibstoffe für den kurz- bis mittelfristigen Zeitraum (bis 2030) werden nur Biotreibstoffe der 1. Generation in nennenswerten Mengen verfügbar sein nur Biogas und Biotreibstoffe aus Reststoffen (Abfall, Altöle) sind ökologisch empfehlenswert, aber Mengenpotentiale beschränkt und Mehrkosten teilweise erheblich (siehe Biogas) Stromgenerierte Treibstoffe mit Ausnahme von PtG-Wasserstoff für den kurz- bis mittelfristigen Zeitraum (bis 2030) keine Option aufgrund des Wirkungsgradverlustes ist die direkt Stromnutzung immer zu bevorzugen (Trolley-Bus, BEV, PHEV) INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 14

15 Agenda 1. Ausgangspunkt 2. Treibstoffe der Zukunft 3. Busantriebe der Zukunft 4. Gesamtbewertung und Schlussfolgerungen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 15

16 Verschiedene Möglichkeiten und Stufen der Elektrifizierung von Bussen Verbrennungsmotoren (Diesel- und Erdgasmotoren) werden zukünftig hybridisiert sein (siehe Strategie von Volvo); das gilt auch für Brennstoffzellenbusse bei Bussen gibt es zudem als bewährte Möglichkeit der Elektromobilität die direkte Nutzung des Stroms über die Oberleitung (Trolley-Bus) INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 16

17 Beispiel BYD ebus-12: Kenndaten des Fahrzeugs und Anordnung der Batterien 1 Batteriesatz auf dem Dach 2 Batteriesätze a 1 t rechts und links hinter Fahrer (stehend) Kenndaten Kapazität Batterie: 324 kwh Gewicht Batterie: 3 Tonnen Reichweite: km Plätze: 60 (statt 80-85) Kosten Batterie: ca CHF INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 17

18 Auslegung der Batterie eines 12m-Busses für den rein elektrischen Fahrbetrieb Beispiel für den Einsatz eines 12 m-busses mit Einmalladung: Tagesdistanz: 250 km Spezifischer Energieverbrauch: kwh/km Gesamtenergieverbrauch: kwh/tag Ladezustandshub 10% - 90% = 80% Batteriekapazität: kwh Batteriegewicht (130 Wh/kg): t (2020: 200 Wh/kg) für hohe Tagesdistanzen Zwischenladungen notwendig INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 18

19 Verschiedene Betriebskonzepte von Elektrobussen mit Schnell-/Zwischenladung beide Konzepte habe vergleichbare Gesamtladezeit Konduktives Laden (Bsp. TOSA) Induktives Laden (Bsp. PRIMOVE) Laden über Stromabnehmer (Bsp. Wien) INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 19

20 Weitere Möglichkeiten zur Minderunge der Batteriekapazitäten Bustyp Beispiele Beschreibung Batterieelektrischer Midibus Plug-in-Electric- Hybrid Bus Trolley-Bus mit Batterie zur Oberleitungsfreien Fahrt Z.B. Solaris, SOR Libchavy, PVI Gépébus Z.B. Volvo 7900 Plug-in Hybrid Z.B. Zürich, Eberswalde können als Einmallader-Konzepte mit gewissen Einschränkungen bereits heute realisiert werden Batterie wird am Netz geladen durch zusätzlichen Verbrennungsmotor können höhere Reichweiten trotz beschränkter Batteriekapazität erreicht werden durch zusätzliche Batterie Oberleitungsfreie Fahrt von km möglich Anfangsinvestitionen für Infrastruktur können im Falle einer Neukonzeption der Linien um bis zu 40% gesenkt werden INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 20

21 Möglichkeiten der Elektromobilität bei Standard-Linienbussen und Batteriekapazitäten Oberleitungsfrei fahrender Bus: <70 kwh kwh??? - Laden auf der Strecke: 5-10 kwh - Laden an der Endhaltestelle: kwh INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 21

22 Agenda 1. Ausgangspunkt 2. Treibstoffe der Zukunft 3. Busantriebe der Zukunft 4. Gesamtbewertung und Schlussfolgerungen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 22

23 Primärenergieverbrauch pro Bus-km für einen Standardbus (12 m) im Jahr 2020 INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 23

24 Spezifische CO 2 -Äquivalent-Emissionen pro km für einen Standardbus (12 m) im Jahr 2020 Elektromobilität verursacht die geringsten Treibhausgasemissionen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 24

25 Jährliche Kosten für Fahrzeuge und Energie pro km für einen Standardbus im Jahr 2020 (1) Klimafreundliche Variante ist mit hohen Kosten verbunden Annahmen: km/a; 12 Jahre Nutzungsdauer, Zinssatz: 4%; Hybrid-Varianten Anschaffung: CHF. INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 25

26 Jährliche Kosten für Fahrzeuge und Energie pro km für einen Standardbus im Jahr 2020 (2) Trolley-Bus vergleichbar, ABER Zusatzkosten für Oberleitungen Brennstoffzellenbusse auch langfristig nicht ökonomisch konkurrenzfähig Elektrobusse: + Kosten für Ladeinfrastruktur!!! INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 26

27 Gesamtresümee und Schlussfolgerungen die Umweltherausforderung der Zukunft wird die Minderung der Treibhausgasemissionen sein alternative Antriebe und Treibstoffe können dabei eine wichtige Rolle spielen wenn (regenerativer) Strom direkt im Bus genutzt werden kann, ist dies die energieeffizienteste und klimafreundlichste Variante, die von allen Alternativen ökonomisch am konkurrenzfähigsten erscheint aufgrund der Energiedichten heutiger Batterien sind für Standardund v.a. für Gelenkbusse reine Elektrobusse (noch) nicht uneingeschränkt praxistauglich Konzepte zur Minderung der Batteriekapazität sind zielführend: Schnellladung, Plug-in-Hybrid, Kombination von Oberleitung und Batterie ABER: Schnellladung reduziert zwar die Batteriekosten, gleichzeitig steigen aber die Kosten für Ladeinfrastrukturen INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 27

28 Elektromobilität, wie sie Anfang 1980 gesehen wurde INFRAS Diesel, Erdgas, Wasserstoff, Strom...? 22. Mai 2014 Martin Schmied 28

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Martin Schmied Bereichsleiter Verkehr und Umwelt INFRAS Mühlemattstr. 45 CH-3007 Bern Schweiz Tel