CNG und LPG Potenziale dieser Energieträger auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Energieversorgung des Straßenverkehrs

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1 CNG und LPG Potenziale dieser Energieträger auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Energieversorgung des Straßenverkehrs Kurzstudie im Rahmen der Wissenschaftlichen Begleitung, Unterstützung und Beratung des BMVBS in den Bereichen Verkehr und Mobilität mit besonderem Fokus auf Kraftstoffen und Antriebstechnologien sowie Energie und Klima Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) AZ Z14/SeV/288.3/1179/UI40 Hauptauftragnehmer: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.v. (DLR) Institut für Verkehrsforschung Rutherfordstraße 2, Berlin Tel.: , Fax: -283 im Unterauftrag: Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH (IFEU) Wilckensstraße 3, Heidelberg Tel.: Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH (LBST) Daimlerstraße 15, München/Ottobrunn Tel.: Deutsches Biomasseforschungszentrum ggmbh (DBFZ) Torgauer Straße 116, Leipzig Tel.: Erstellt von C. Heidt, U. Lambrecht (IFEU), M. Hardinghaus, G. Knitschky (DLR), P. Schmidt, W. Weindorf (LBST), K. Naumann, S. Majer, Dr. F. Müller-Langer, Dr. M. Seiffert (DBFZ) Heidelberg, Berlin, Ottobrunn, Leipzig, 31. Juli 2013 (angepasste Fassung vom )

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3 Zusammenfassung Autogas (LPG) und Erdgas (CNG) sind weltweit die am weitesten verbreiteten alternativen Kraftstoffe für Pkw. Begründet mit Umweltvorteilen, der Reduzierung von Versorgungsabhängigkeit und der Diversifizierung der Kraftstoffe fördern zahlreiche Länder den Einsatz von Gaskraftstoffen im Verkehrssektor. In Deutschland werden CNG und LPG bis zum mit einem vergünstigten Mineralölsteuersatz über das Energiesteuergesetz (EnergieStG) gefördert. Als eine Grundlage für die aktuelle Diskussion um die Weiterförderung wurde im Rahmen einer Kurzstudie begleitend zur Mobilitäts- und Kraftstoffstrategie der Bundesregierung CNG und LPG hinsichtlich ihres Einsatzes in Kraftfahrzeugen untersucht. Dabei stehen die Marktsituation und die Umweltwirkungen für die derzeitige und zukünftige Situation in Deutschland im Vordergrund. Hieraus ergeben sich folgende Erkenntnisse: 1. CNG- und LPG-Fahrzeuge haben trotz konkurrenzfähiger Kosten bisher in Deutschland einen geringen Anteil am Bestand. Kostenvorteile haben insbesondere zu Umrüstungen von Otto- zu LPG-Pkw geführt. Sowohl CNG- als auch LPG-Pkw sind unter den heutigen steuerlichen Rahmenbedingungen bezüglich der Gesamtkosten (TCO: Total Cost of ownership) mit konventionellen Antrieben (Diesel/Otto) konkurrenzfähig. Dennoch haben CNG- und LPG-Fahrzeuge laut KBA bisher nur einen Anteil von knapp 1 % im deutschen Fahrzeugbestand (Stand 2012). Dabei dominieren auf LPG umgerüstete Otto-Pkw. CNG wird dagegen eher in Serienfahrzeugen im Pkw- und Nutzfahrzeugbereich eingesetzt. Ohne vergünstigte Energiesteuer lägen die TCO in den meisten Fällen höher als bei Dieselfahrzeugen, weswegen die Neuzulassungs- und Umrüstungsraten ohne steuerliche Förderung nach 2018 weiter sinken dürften. Die derzeitige Situation zeigt aber auch, dass die Konkurrenzfähigkeit bei den TCO nur einen Teilbeitrag zur Akzeptanz und zum Kauf von CNG- und LPG-Fahrzeugen leistet. Für eine stärkere Integration müssten daher weitere Maßnahmen, z.b. verbesserte Verbraucherinformation, Erweiterung des Fahrzeugangebots sowie ein gezielter Ausbau der Tankinfrastruktur, ergriffen werden. 2. Mit dem Einsatz von CNG und erneuerbarem Methan statt Benzin oder Diesel können die Treibhausgas- und Schadstoffemissionen des Straßenverkehrs gesenkt werden. LPG bietet dagegen geringere Umweltvorteile als CNG und kaum Einbindungsmöglichkeiten für erneuerbare Energien. CNG-Antriebe führen derzeit zu den geringsten Umweltbelastungen: so verursacht ein mit Erdgas betriebener Pkw die geringsten THG-Emissionen bei rein fossilen Kraftstoffen (-15 % gegenüber einem Otto-Pkw), deutlich höhere THG-Minderungen können jedoch durch den Einsatz von Biomethan erreicht werden (bis zu -66 % gegenüber Otto). Bei LPG-Pkw liegen die Treibhausgasemissionen mit -9 % lediglich noch unter Diesel und CNG-Pkw. Seite 3 von 85

4 Aus Sicht der Schadstoffemissionen bieten sowohl CNG- als LPG-Fahrzeuge vor allem einen Vorteil gegenüber Diesel-Fahrzeugen, was die direkten NO X -Emissionen (TTW) betrifft. Bei den NMHC- und SO 2 -Emissionen, die vornehmlich bei der Kraftstoffbereitstellung (WTT) entstehen, schneidet LPG, welches in Deutschland meist aus Erdöl hergestellt wird, jedoch schlechter als konventionelle Kraftstoffe ab. Zukünftig liegen die größten Umweltentlastungspotenziale ebenfalls bei CNG. Zum einen sind durch zunehmende Hybridisierung der Fahrzeuge bei CNG Kraftstoffverbrauchsenkungen zu erwarten, die noch über denen von Otto- und Dieselantrieben liegen. Zudem bietet der CNG-Antrieb die Möglichkeit, erneuerbares Methan aus weiteren Bereitstellungspfaden, z.b. synthetisches Methan aus Biomasse oder aus erneuerbarem Strom einzusetzen. Letzteres EE-Methan könnte vor allem bei einem forcierten Ausbau erneuerbarer Energien helfen, die Überkapazitäten des Stromnetzte abzufangen. Bei LPG sind derzeit dagegen keine marktreifen erneuerbaren Pfade zu erwarten. Ein mittelfristiger Vorteil wäre aber eine weitere Differenzierung der Energiebasis des Verkehrs, da LPG neben der aktuell in Deutschland vorherrschenden Bereitstellung aus Erdöl auch aus Erdgas gewonnen werden kann. Vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten für CNG bietet auch der Nutzfahrzeugbereich, wo derzeit noch Dieselantriebe vorherrschen. Von geringeren direkten Abgasemissionen bei CNG-Fahrzeugen profitiert vor allem der städtische Raum, wo vielerorts schon heute CNG- Stadtbusse eingesetzt werden. Weiterhin könnte die CNG-Infrastruktur auch einen Beitrag zu einer zukünftigen Versorgung des Ferngüterverkehrs mit verflüssigtem Erdgas (LNG) leisten. 3. Eine differenzierte Förderung von CNG und LPG kann einen Beitrag zur nachhaltigen Energieversorgung des Verkehrssektors leisten. Die Rahmenbedingungen hierfür sollten insbesondere auf die langfristige Integration erneuerbarer Energien abzielen. Im Falle einer zukünftigen Weiterförderung sollten vor allem die Potenziale von CNG im Hinblick auf den Einsatz erneuerbarer Energien berücksichtigt werden. So könnte über differenzierte Energiesteuersätze oder gesetzliche Beimischungsquoten insbesondere erneuerbare Kraftstoffe gefördert werden. CNG aus Erdgas (fossil) hat demgegenüber zwar geringere Umweltvorteile. Für einen reduzierten Steuersatz in den nächsten Jahren spricht aber, dass hierdurch auch die Entwicklung des CNG-Fahrzeugmarktes und der CNG-Infrastruktur weiter gefördert werden. Diese können als Wegbereiter für die Integration erneuerbarer Energien, z.b. Biomethan oder Methan aus erneuerbarem Strom, im Verkehr dienen. Für LPG entsteht aus derzeitiger Sicht weniger Nutzen aus einer Weiterförderung. Die geringeren THG-Emissionen von LPG gegenüber Benzin und der Beitrag zur Kraftstoffdiversifizierung könnten aber dennoch bei der Diskussion um die Weiterförderung berücksichtigt werden. Hierfür könnte die Energiesteuer auch, ähnlich wie bei der EU-Kraftstoffstrategie, über eine CO 2 - bzw. THG-basierte Differenzierung erfolgen. Seite 4 von 85

5 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Hintergrund und Ziel dieser Studie Marktsituation für Gasfahrzeuge Übersicht Kraftstoffeigenschaften und Motortechnik Modellangebot Fahrzeugbestand Bisherige Entwicklung Aktueller Trend bei der Zulassung von CNG und LPG-Fahrzeugen Kostenvergleich und Perspektiven bei Pkw Methoden der Vollkostenberechnung Vergleich der Vollkosten für Neuwagen und Umrüstungen Zukünftige Perspektiven der Bestandsentwicklung Umweltvergleich und Potenziale für erneuerbare Energien Aufbau des Umweltvergleiches Kraftstoffbereitstellung Well-to-tank (WTT) Übersicht der verwendeten Emissionsfaktoren Erläuterungen fossile Kraftstoffvorketten Erläuterungen erneuerbare Kraftstoffvorketten Fahrzeugnutzung Tank-to-wheel (TTW) Untersuchte Fahrzeuge Kraftstoffverbrauch Treibhausgas- und Schadstoffemissionen Well-to-wheel (WTW) Vergleich Treibhausgasemissionen Primärenergieaufwand und Schadstoffemissionen Well-to-wheel (WTW) Vergleich Treibhausgasemissionen Primärenergieaufwand und Schadstoffemissionen Perspektiven der Förderung von CNG und LPG im Verkehr Seite 5 von 85

6 4.1 Nutzen aus Umweltsicht Mögliche Rahmenbedingungen für die Förderung Anhang I: Amortisierungspotenzial der deutschen Otto-Pkw Flotte für die LPG-Umrüstung. 60 Anhang II: Berechnung der Kraftstoffvorketten Methodik Fossile Kraftstoffe Benzin und Diesel aus Erdöl Benzin/Diesel aus Teersand CNG aus Erdgas LPG aus Erdöl/Erdgas Erneuerbare Kraftstoffe Biomethan Synthetisches Methan aus erneuerbarem Strom (EE-Methan) Anhang III: Energiesteuer für Kraftstoffe Literaturverzeichnis Seite 6 von 85

7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Entwicklung des Bestandes an Fahrzeugen mit Gasantrieb in Deutschland...13 Abbildung 2: Vergleich der durchschnittlichen Vollkosten nach Antriebsvarianten von Neuwagen im Segment Kleinwagen...16 Abbildung 3: Bandbreite der Amortisation der Autogasumrüstung ( ) in Abhängigkeit von Laufleistung und Verbrauch...18 Abbildung 4: Schema des Umweltvergleiches...21 Abbildung 5: Auf die Quote angerechnete sowie steuerbefreite Biokraftstoffe 2011 und 2012 (DBFZ auf Basis BLE 2013 und BAFA)...29 Abbildung 6: Methanisierung von H 2 aus Strom mit CO 2 aus Biogasaufbereitung...32 Abbildung 7: Beispielhafter Vergleich der CO 2 -Emissionen und relevanter Fahrzeugeigenschaften bei ausgewählten Pkw...37 Abbildung 8: WTW Treibhausgasemissionen für Pkw Abbildung 9: Vergleich des CO 2 -Vorteils zwischen CNG und LPG aus fossilen Bereitstellungspfaden für Pkw in 2010/2012 in aktuellen Studien...45 Abbildung 10: WTW Treibhausgasemissionen Stadtbus Abbildung 11: WTW Schadstoffemissionen für Pkw Abbildung 12: WTW Schadstoffemissionen für Stadtbusse Abbildung 13: WTW Treibhausgasemissionen Pkw Abbildung 14: WTW Treibhausgasemissionen für Stadtbusse Abbildung 15: WTW Schadstoffemissionen für Pkw Abbildung 16: WTW Schadstoffemissionen für Stadtbusse Abbildung 17: Energiesteuereinbußen und THG-Minderung gegenüber einem Otto-Pkw in 2012 (Berechnung in Anhang III)...57 Abbildung 18: Potenzial für Umrüstung auf LPG in der deutschen Pkw-Flotte...60 Abbildung 19: Rohölraffinerie...74 Seite 7 von 85

8 Tabellenverzeichnis Tabelle 1: CO 2 - Emissionen bei der Verbrennung des Kraftstoffs...22 Tabelle 2: Übersicht Energieverbrauch und Emissionen WTT...24 Tabelle 3: Übersicht zur Marktfähigkeit der betrachteten erneuerbaren Bereitstellungspfade...27 Tabelle 4: Überschussstrom ( dumped energy ) nach Netzentwicklungsplan [NEP 2013, S. 64, Tab. 9]...31 Tabelle 5: Kraftstoffverbrauch eines Pkw der Golf-Klasse im NEFZ nach JEC Tabelle 6: Kraftstoffverbrauch für mittlere Pkw in 2012 und Tabelle 7: Kraftstoffverbrauch für mittlere Stadtbusse in 2012 und Tabelle 8: Emissionsfaktoren für Treibhausgase TTW...41 Tabelle 9: Emissionsfaktoren für Luftschadstoffe TTW...42 Tabelle 10: Systemgrenzen und Grundannahmen aktueller Studien zum Umweltvergleich von CNG/LPG mit anderen Kraftstoffen...44 Tabelle 11: Flankierende Rahmenbedingungen für die Förderung von CNG und LPG...59 Tabelle 12: Energieströme und Emissionen aus der Förderung von Erdöl...64 Tabelle 13: Energieströme und Emissionen aus dem Transport von Erdöl...64 Tabelle 14: Energieströme und Emissionen bei der Produktion von Benzin und Diesel in Erdölraffinerien...65 Tabelle 15: Kraftstoffverbrauch und THG-Emissionen eines Binnenschiffs...65 Tabelle 16: Energieströme und Emissionen für die Produktion von synthetischen Rohöl ( Synthetic Crude Oil SCO) aus Teersandvorkommen in Kanada..66 Tabelle 17: Kraftstoffverbrauch und THG-Emissionen eines Öltankers...67 Tabelle 18: Tabelle 19: Energieflüsse und Emissionen bei der Förderung und Aufbereitung von Erdgas...68 Energieströme und Emissionen beim Transport von Erdgas über große Distanzen...69 Tabelle 20: Erdgasverbrauch und Emissionen Gasturbinen für die Erdgasverdichter...69 Tabelle 21: Energieströme und Emissionen für die Förderung und Aufbereitung von LPG...70 Seite 8 von 85

9 Tabelle 22: Kraftstoffeigenschaften von LPG...71 Tabelle 23: LPG-Transportschiff Djanet [Kawasaki 2000]...72 Tabelle 24: Kraftstoffverbrauch und Emissionen eines 40 t Lkws...73 Tabelle 25: Energiebedarf und Emissionen von der Produktion von LPG aus der Rohölraffination...75 Tabelle 26: Übersicht ökologische Kennwerte der Biomethanbereitstellung...76 Tabelle 27: Tabelle 28: Tabelle 29: Kenngrößen der betrachteten Konzepte zur Biomethanproduktion auf Basis von Nawaro/Gülle und Bioabfall [Biogasrat 2011]...77 Input-/Output-Daten zur Produktion von Methan aus CO 2 und Wasserstoff (mit CO 2 -Bereitstellung)...79 THG-Minderungskosten für die Energiesteuervergünstigung gegenüber Otto-Kraftstoff...80 Seite 9 von 85

10 1 Hintergrund und Ziel dieser Studie Erdgas (CNG) und Autogas (LPG) werden im Rahmen des Energiesteuergesetzes (EnergieStG) bis zum mit einem vergünstigten Mineralölsteuersatz gefördert. Die Diskussion um eine Weiterführung der Förderung nach 2018 ist bereits im Gange. In der vorliegenden Studie sollen Fakten, Argumente und Bedingungen für bzw. gegen die weitere Förderung der beiden Energieträger gesammelt werden. Dabei werden folgende Teilbereiche betrachtet: Technologien und Kosten von CNG und LPG im Vergleich zu Diesel- und Otto-Pkw auf Basis des aktuellen Stands und unter Berücksichtigung zukünftiger Perspektiven Bisherige Entwicklung der CNG/LPG-Fahrzeugflotte im Straßenverkehr und Abschätzung des Einflusses möglicher Veränderungen der aktuellen Rahmenbedingungen auf die zukünftige Bestandsentwicklung. Darstellung aussichtsreicher Bereitstellungspfade für erneuerbares Methan mit Eckwerten zu typischen THG- und Schadstoffemissionen und Diskussion der gegenwärtigen und erwarteten sektoralen Marktperspektiven von Biomethan und EE-Methan für den Kraftstoffmarkt. Vergleich der Umweltwirkungen von CNG- und LPG-Fahrzeugen unter Berücksichtigung typischer und alternativ möglicher Kraftstoffbereitstellungspfade heute (2012) und zukünftig (2030) Diskussion der Perspektiven von CNG- und LPG-Fahrzeugen für die weitere Integration von erneuerbaren Energien im Verkehrssektor Darstellung von Argumenten, die für bzw. gegen eine weitere Energiesteuerreduktion von CNG/LPG nach 2018 sprechen, bzw. Bedingungen hierfür (z. B. Basis erneuerbarer Energien und Nachhaltigkeitskriterien). Seite 10 von 85

11 2 Marktsituation für Gasfahrzeuge 2.1 Übersicht Kraftstoffeigenschaften und Motortechnik Autogas, auch als LPG (Liquefied Petroleum Gas) bekannt, besteht im Wesentlichen aus den Kohlenwasserstoffen Propan und Butan, welche bei der Erdgas- und Erdölverarbeitung als Nebenprodukt entstehen. LPG unterscheidet sich in den physikalischen Eigenschaften (mit Ausnahme der Dichte) kaum vom Benzin und kann in modifizierten Ottomotoren verbrannt werden. Zur Speicherung ist LPG vergleichsweise einfach (bei 8 bis 10 bar) zu verflüssigen und wird in flüssiger Form vertrieben. CNG (Compressed Natural Gas CNG) oder Erdgas besteht chemisch zu über 80 % aus Methan und wird in Deutschland als H-Gas und L-Gas angeboten, welches sich durch den Methangehalt und den Heizwert unterscheidet. Die Komprimierung von Erdgas zur Speicherung im Fahrzeug erfordert mit 200 bar höhere Drücke als bei LPG, weswegen CNG in einem Druckbehälter mitgeführt wird. Technisch aufwendiger ist die alternative flüssige Speicherung als Liquefied Natural Gas (LNG), die eine Kühlung auf -161,5 C erfordert. Das komprimierte Erdgas hat je kg einen ähnlichen Heizwert wie Benzin und wird in modifizierten Ottomotoren eingesetzt. Durch die höhere Klopffestigkeit von CNG (Oktanzahl 120) kann die Verbrennung in für CNG optimierten Motoren unter höherer Verdichtung und damit energieeffizienter als bei LPG und Benzin (Oktanzahl bis zu 100) erfolgen [Stan 2005]. Die Kraftstoffspeicherung unter hohem Druck erfordert jedoch bei CNG gegenüber LPG massive und großvolumige Behälter sowie eine Hochdruckreglung für die Versorgung des Motors. Mit LPG können dagegen bei vergleichsweise geringem Druck mit kleinen Tankvolumina höhere Reichweiten erzielt werden. Bei LPG wird meistens ein bivalentes Antriebskonzept verfolgt, die Fahrzeuge sind also weiterhin mit einem Benzintank ausgestattet. CNG-Fahrzeuge werden dagegen sowohl als bivalente als auch monovalente Antriebe angeboten, welche nur über einen kleinen Reserve- Benzintank verfügen. Zur Umrüstung von Benzin- auf Gas-Betrieb sind neben einem zusätzlichen Druckbehälter eine separate Einspritzanlage mit entsprechenden Leitungen inkl. Druckregler und ein zugehöriges Motormanagement nötig. Wegen unterschiedlicher Speicherdrücke ist ein bivalenter Betrieb von CNG und LPG nicht möglich. Die Anpassungskosten für Fahrzeuge sind bei der Umstellung auf Autogas weit geringer als für CNG. Technisch sind verschiedene Einspritzverfahren mit innerer und äußerer Gemischbildung möglich, dabei sind die Anpassungen an Motoren mit Direkteinspritzung aufwendiger. Auch die Umrüstung von Dieselmotoren ist Seite 11 von 85

12 möglich. Da bei den Selbstzündern jedoch eine Zündanlage eingebaut werden muss, ist die Umrüstung ungleich teurer und somit selten wirtschaftlich Modellangebot Das Modellangebot bei Gasfahrzeugen ist bisher äußerst gering. Als Neuwagen bestellbar sind in Deutschland 44 Modelle aus 25 Modellreihen mit Autogasantrieb und 21 erdgasbetriebene Fahrzeugvarianten aus 12 Modellreihen (Stand 7/2012). Unterschiedliche Ausstattungsvarianten bzw. Wahlmöglichkeiten bestehen meist nicht. Der größte Teil der angebotenen Pkw stammt aus dem Segment leichter Nutzfahrzeuge bzw. Vans/Hochdachkombis und Klein- sowie Kompaktwagen. Da der derzeitige Pkw-Markt von größtmöglicher Individualisierung anhand von zahlreichen Karosserie- und Ausstattungsvarianten geprägt ist, kann das geringe Angebot an gasbetriebenen Fahrzeugen als eines der Hindernisse zur weiteren Verbreitung gesehen werden. 2.2 Fahrzeugbestand Bisherige Entwicklung Im Jahr 2011 waren weltweit rund 15 Mio. Erdgasfahrzeuge zugelassen [NVGA 2012]. Einen hohen Anteil am Fahrzeugbestand haben die erdgasbetriebenen Fahrzeuge besonders in Pakistan, Bangladesch, Armenien, dem Iran, Bolivien und Argentinien. Weltweit entwickelt sich der Markt für Erdgasfahrzeuge insgesamt deutlich dynamischer als in Deutschland. Diese Entwicklung wird vor allem durch enorme Zuwächse im Iran, China und Pakistan sowie durch aufkommende Märkte in etlichen Schwellenländern getrieben. Mit Autogas fuhren 2010 weltweit rund 17,5 Mio. Fahrzeuge [WLPGA 2011]. Auch bei LPG entwickelt sich die Nachfrage dynamisch (+59 % zwischen 2000 und 2010) und wenige Länder bilden einen Großteil der Nachfrage [WLPGA 2011]. Die größten Märkte befinden sich in Polen, der Türkei und Korea. Mit Ausnahme von Korea, wo viele Serienfahrzeuge mit LPG- Antrieb ab Werk unterwegs sind, bilden umgerüstete Ottofahrzeuge die Masse der LPG- Fahrzeuge. Im Segment der schweren Nutzfahrzeuge ist der LPG-Antrieb wegen der aufwendigen Umrüstung von Dieselmotoren kaum verbreitet. Weltweit setzen Länder mit gut ausgebauter Tankstelleninfrastruktur und Raffineriebetrieb aufgrund geringer Anpassungskosten und Förderung von LPG tendenziell eher auf Autogas. In Ländern mit Erdgasvorkommen (und Infrastruktur im Aufbau) wird häufiger Erdgas eingesetzt. In Europa haben Erdgasfahrzeuge vor allem in Italien und Bulgarien einen relevanten Marktanteil (vgl. NGVA Europe 2012). Viele erdgasbetriebene Fahrzeuge sind zudem in Deutschland und Schweden unterwegs. Laut WLPGA liegen die größten Märkte für Autogasfahrzeuge in Europa in Polen und Italien (vgl. WLPGA 2011). Seite 12 von 85

13 Laut Kraftfahrt-Bundesamt waren in Deutschland zum rund erdgasbetriebene Fahrzeuge und Autogasfahrzeuge zugelassen. Das entspricht einem Anteil von 1,2 Prozent an allen Pkw. Weiter werden rund Nutzfahrzeuge mit Erdgas und mit Autogas betrieben. Das entspricht etwa einem Prozent des Lkw-Bestandes. Die meisten gasbetriebenen Nutzfahrzeuge sind dabei im Segment der leichten Nutzfahrzeuge unter zwei Tonnen Nutzlast zugelassen. Unter den schweren Nutzfahrzeugen ist der Gasantrieb bis auf einige Ausnahmen wie CNG-Stadtbussen bisher kaum verbreitet Pkw, Bus, Lkw Flüssiggas (LPG) davon Pkw Flussiggas (LPG) Pkw, Bus, Lkw Erdgas (CNG) davon Pkw (Erdgas (CNG) LPG - Pkw, Bus, Lkw LPG - nur Pkw CNG - Pkw, Bus, Lkw CNG - nur Pkw (jeweils 1.1. Quelle: KBA) Abbildung 1: Entwicklung des Bestandes an Fahrzeugen mit Gasantrieb in Deutschland Aktueller Trend bei der Zulassung von CNG und LPG-Fahrzeugen In den letzten Jahren hat bei den LPG-Zugängen eine deutliche Verschiebung von Neuzulassungen zu Umrüstungen stattgefunden. Dabei fielen die LPG-Neuzulassungen im Jahr 2011 auf unter Fahrzeuge bzw. 0,15 % aller Neuzulassungen des Jahres. Gleichzeitig stiegen die Umrüstungen auf rund und machen damit über 95 % der LPG- Neuzugänge aus. Insgesamt blieben die Neuzugänge damit in etwa konstant. Da mit steigendem Alter der LPG-Flotte jedoch auch die Außerbetriebsetzungen zunahmen, stieg der Bestand langsamer. Im Jahr 2012 war entgegen des mehrjährigen Trends eine starke Zunahme der LPG- Neuzulassungen zu verzeichnen. Dennoch wuchs der Bestand langsamer. Da Daten zu Um- Seite 13 von 85

14 rüstungen und Außerbetriebsetzungen für 2012 noch nicht verfügbar sind, sind abschließende Bewertungen der neuesten Bestandsentwicklung noch nicht möglich. Zu erwarten sind ein etwas geringerer Anteil an Umrüstungen unter den Neuzugängen sowie ein steigender Anteil an Außerbetriebsetzungen. Es ist davon auszugehen, dass die Quote der Außerbetriebsetzungen in den nächsten Jahren altersbedingt von 13,5 % am Bestand in 2011 zukünftig auf rund 19 % ansteigen wird. Ohne deutlich steigende Neuzugänge ist daher bei Fortschreibung der Trends mit einem deutlich abgeschwächten Wachstum bzw. einer Quasi-Stagnation der LPG-Flotte zu rechnen. In der Entwicklung der CNG-Flotte zeigen sich weniger deutliche Trends. Gegenüber LPG gibt es nur einen sehr kleinen Markt für Umrüstungen. Die Neuzulassungen CNGbetriebener Fahrzeuge machen rund 0,2 % aller Neuzulassungen eines Jahres aus. Im Jahr 2012 hat sich das Wachstum des CNG-Fahrzeugbestandes weiter abgeschwächt. Auch in der CNG-Flotte machen sich steigende Außerbetriebsetzungen und tendenziell abnehmende Neuzulassungen bemerkbar im Trend würde somit der Bestand stagnieren. Die zukünftige Entwicklung beim Fahrzeugangebot und veränderte steuerlichen Rahmenbedingung werden jedoch das Flottenwachstum beeinflussen. Diese Faktoren werden im folgenden Kapitel diskutiert (vgl. Kap ). 2.3 Kostenvergleich und Perspektiven bei Pkw Methoden der Vollkostenberechnung Die Berechnungen zum Kostenvergleich der Antriebsvarianten von Neuwagen basieren auf Daten der ADAC-Autokostendatenbank mit Stand Juli Berücksichtigt sind: Wertverlust ohne Zinsen, Aufwendungen für Ölwechsel und Inspektionen inkl. üblicher Verschleißteile und Verbrauchsstoffe sowie Kosten für Reifenersatz, Haftpflicht- und Vollkaskoversicherung mit je 50 % Schadenfreiheitsrabatt, Kfz-Steuer sowie Kraftstoffkosten entsprechend der Herstellerangaben nach ECE R84. 1 Die Kraftstoffpreise werden als konstant über die Nutzungsdauer von vier Jahren angenommen. Enthalten sind die bis reduzierten Energiesteuersätze laut Energiesteuergesetzes vom 15. Juli 2006 (EnergieStG), 2 (2) 2. Für den Vergleich der Vollkosten bei voller Steuer werden die regulären Energiesteuersätze laut EnergieStG 2 (1) 7. und 8. 3 sowie 1 Kraftstoffpreise: Diesel 1,45 / Liter, Normal/Super 1,60 / Liter, SuperPlus 1,69 / Liter, Flüssiggas 0,81 / Liter, Erdgas 1,03 / kg, Ethanol 1,15 / Liter 2 13,90 / MWh gasförmige Kohlenwasserstoffe; 180,32 / t Flüssiggase 3 31,80 / MWh gasförmige Kohlenwasserstoffe; 409,00 / t Flüssiggase Seite 14 von 85

15 daraus resultierende, höhere Mehrwertsteuerbeträge berechnet. Biomethan wird an den Tankstellen in der Regel zum gleichen Preis wie CNG angeboten, daher findet diesbezüglich keine Unterscheidung statt. Um den Einfluss der unterschiedlichen Besteuerung zu verdeutlichen werden auch die Vollkosten des Dieselantriebes bei einer Besteuerung mit dem gleichen Mineralölsteuersatz wie Benzin dargestellt. Zur besseren Vergleichbarkeit werden die Fahrzeuge mit verfügbarem Gasantrieb entsprechend der Einteilung des Kraftfahrtbundesamtes in Fahrzeugsegmente gruppiert. Die Darstellung der Mittelwerte je Segment reduziert zudem den Einfluss der Preispolitik einzelner Hersteller. Im Segment Kleinwagen ist das Angebot mit insgesamt 12 Modellen bzw. Varianten von acht Herstellern und entsprechenden Alternativen am größten, so dass die Marktsituation am Beispiel dieses Segments bestmöglich dargestellt werden kann. Überlagert wird die Darstellung der Vollkosten mit der Kurve der Wahrscheinlichkeitsdichte der jährlichen Laufleistung im entsprechenden Fahrzeugsegment. So wird die Nutzungsintensität verdeutlicht um den Kostenvergleich bezogen auf die reale Nutzung bewerten zu können. Zusätzlich sind die Quartile der Verteilung der Laufleistung dargestellt. Diese Verteilungen werden aus den Daten der Studie Mobilität in Deutschland 2008 berechnet. Seite 15 von 85

16 2.3.2 Vergleich der Vollkosten für Neuwagen und Umrüstungen Die durchschnittlichen Vollkosten der unterschiedlichen Antriebsvarianten von Neuwagen im Segment Kleinwagen bei einer Nutzungsdauer von vier Jahren sind der Abbildung 2 zu entnehmen. Dabei sind im Bereich der durchschnittlichen Jahresfahrleistung die Kostenunterschiede im Mittel sehr gering. Bei einer Jahresfahrleistung von km liegen CNG und LPG Antriebe im Segment der Kleinwagen im Mittel derzeit bei den Vollkosten über vier Jahre um ca. 300 unter Benziner, und etwa 150 unter Diesel. Im Falle der vollen Energiesteuer für CNG und LPG lägen die Kosten im Durchschnitt des Segmentes über denen von Diesel, aber noch unter Benzin. Abbildung 2: Vergleich der durchschnittlichen Vollkosten nach Antriebsvarianten von Neuwagen im Segment Kleinwagen Für den Einzelfall erschwert neben unterschiedlichen Kosten nach Art und Größe des Motors vor allem die Preispolitik der Hersteller den Kostenvergleich der Antriebsarten. So werden die verschiedenen Antriebsvarianten unterschiedlich am Markt positioniert. Der Aufpreis für die Autogasversion liegt dabei gegenüber dem Benziner zwischen 5,5 % und 26 % des Fahrzeugpreises (Listenpreise, 07/2012). In der Regel liegt der LPG-Antrieb in der Anschaffung preislich unter dem Dieselantrieb. Wird jedoch eine günstige Dieselvariante angeboten, ist diese in den Vollkosten über vier Jahre in der Regel wirtschaftlicher als der LPG-Antrieb. Gegenüber der Benzinvariante ist die Nutzung von LPG außer in Einzelfällen mit geringer Laufleistung über vier Jahre wirtschaftlicher. Auch die CNG-Variante wird sehr unterschied- Seite 16 von 85

17 lich bepreist (2.000 bis über Aufpreis) und liegt in der Anschaffung damit teilweise oberhalb des Dieselantriebs, ist aber dennoch meist wirtschaftlicher. Die Berechnungen zeigen aber auch, dass die CNG-Variante bei einzelnen Modellen gegenüber der Dieselvariante heute unwirtschaftlicher ist. Je nach Hersteller, Modell und Jahresfahrleistung zeigt der Vergleich der Vollkosten nach Antriebsvariante Unterschiede. Damit können Diesel- oder Benzinantriebe teilweise günstiger sein. Für den Neuwagenkäufer ist es somit schwer, im Einzelfall Einsparpotenziale zu identifizieren. Bedeutung gewerblicher Zulassungen und Dienstwagenbesteuerung Der deutsche Neuwagenmarkt wird durch gewerbliche Zulassungen dominiert. Im Jahr 2012 entfielen knapp 62 % der Neuzulassungen auf gewerbliche Kunden (vgl. KBA 2013). Häufig werden die Fahrzeuge als Dienstwagen genutzt und dabei durch den Fahrer ausgesucht. In der derzeitigen Regelung zur Dienstwagenbesteuerung fließt der Listenneupreis des Fahrzeuges mit monatlich einem Prozent als geldwerter Vorteil in den zu versteuernden Lohn mit ein. Damit sind die Kosten für den Fahrer proportional zum Neupreis, nicht zu laufenden Kosten. Dies generiert den Anreiz, günstige Fahrzeuge auszuwählen und den Verbrauch zu vernachlässigen. Eine verbrauchs- bzw. emissionsproportionale Dienstwagenbesteuerung könnte somit zu deutlich mehr Neuzulassungen von Gasfahrzeugen führen. Auffällig ist der unterschiedliche Anteil an gewerblichen Zulassungen nach Segmenten. Einzig im Kleinwagensegment sind private und gewerbliche Zulassungen ausgeglichen, in höheren Segmenten steigt der Anteil der gewerblichen Zulassungen deutlich an. Entsprechend werden in der oberen Mittelklasse und Oberklasse kaum bzw. keine Gasfahrzeuge angeboten. Einen anderen Markt bedient die Umrüstung von Ottofahrzeugen auf Autogas. Die Laufleistung, bei der sich eine Umrüstung rechnet, hängt dabei stark von dem Verbrauch und den Kosten der Umrüstung ab. Die Bandbreite der Laufleistung der Autogasanlage bis zur Amortisation bei Umrüstkosten zwischen und Euro in Abhängigkeit des Kraftstoffverbrauchs ist Abbildung 3 zu entnehmen. Die vertikale Ausdehnung des Amortisationsbereiches gibt die Kosten der Umrüstung wieder. So amortisiert sich beispielsweise die Umrüstung eines Fahrzeugs mit acht Litern Verbrauch je nach Art des Motors und damit Kosten der Umrüstung zwischen und km Laufleistung. Dabei sind die Kosten der Umrüstung bei älteren, einfachen Motoren geringer als bei aufwendiger Einspritztechnik. Deutlich wird, dass die Umrüstung besonders für verbrauchsstarke Fahrzeuge lohnenswert ist. Wird das Umrüstungspotenzial für die derzeitige deutschen Pkw-Flotte betrachtet, amortisiert sich Seite 17 von 85

18 eine Umrüstung auf LPG für 20 % des Pkw Bestands mit Otto-Motor bereits nach 2 Jahren 4 Tatsächlich werden jährlich jedoch nur etwa 0,3 % der Flotte der Benzin-Pkw umgerüstet und auch der Kostenvorteil durch eine Umrüstung mit LPG in der Praxis bisher nur minimal ausgenutzt. Abbildung 3: Bandbreite der Amortisation der Autogasumrüstung ( ) in Abhängigkeit von Laufleistung und Verbrauch Zukünftige Perspektiven der Bestandsentwicklung Die zukünftige Kosten von Gasfahrzeugen vs. konventionellen Pkw wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Dies sind vor allem die Unterschiede hinsichtlich der Kraftstoff- und Technologiekosten, aber auch die jeweilige Preispolitik und das Modellangebot der Fahrzeughersteller. Bisher werden die Kraftstoffpreise stark durch die unterschiedlichen Energiesteuersätze geprägt, daher werden förderungspolitische Maßnahmen auch zukünftig die Kraftstoffkosten von CNG und LPG im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen prägen. Bei Neufahrzeugen würde unter aktuellen Bedingungen ohne eine Steuerreduzierung der Dieselantrieb im Mittel am günstigsten abschneiden, auch wenn in Einzelfällen je nach Hersteller und Laufleistung auch CNG und LPG günstiger sein können. Insgesamt entfiele mit Auslaufen der Steuerreduzierung aber die weitgehend vorherrschende Kostenersparnis der Gasantriebe aus Nutzersicht, so dass von deutlich geringeren Neuzulassungszahlen ausgegangen werden kann. LPG-Umrüstungen werden sich dagegen auch ohne Energiesteuerreduzierung für weite Teile der Flotte, insbesondere Fahrzeuge mit hohem Verbrauch und hoher Fahrleistung sowie 4 Der Zeitraum der Amortisierung wurde unter Zugrundenlegung von Fahrleistungen und Kilometerständen nach MiD 2008 und Polk 2008 und in Abhängigkeit der Motorisierung berechnet (siehe Anhang I für weitere Details) Seite 18 von 85

19 mit einfacheren Motoren, amortisieren. Da zukünftig vermutlich eher verbrauchseffizientere Otto-Motoren mit komplexerer Technik auf den Markt kommen werden, dürfte die Umrüstung eher mittelfristig weiterhin ein großes Potenzial haben. Letztendlich wird auch die Entwicklung der Weltmarktpreise für flüssige und gasförmige Kraftstoffe über die zukünftigen Kraftstoffkosten entscheiden, aufgrund der großen Unsicherheiten werden diesbezügliche Prognosen aber im Rahmen dieser Studie nicht untersucht. Beim Vergleich der Vollkosten bei Neufahrzeugen zeigt sich eine große Bandbreite: so sind je nach Modell und Laufleistung hohe Einsparungen, teilweise aber auch Mehrkosten bei CNG/LPG gegenüber anderen Antriebsvarianten möglich. Daher werden sich neben den Kraftstoffpreisen auch das zukünftige Modellangebot und die zugrundeliegende Preispolitik der Hersteller auf die Kostenkonkurrenz von CNG und LPG Fahrzeuge auswirken. Auch hier kann schwer eine Marktentwicklung vorhergesagt werden, jedoch könnten aufgrund gesetzlich beschlossener Umweltziele zukünftig Kostenvorteile für CNG und LPG Fahrzeuge entstehen. So bietet im Kontext von CO 2 -Flottenzielen das Angebot von CNG-Fahrzeugen für die Hersteller eine Möglichkeit, bei vergleichsweise geringem Aufwand und technisch einfachen Lösungen den CO 2 -Ausstoß deutlich zu reduzieren. So wurden im zweiten Halbjahr 2012 bereits vier neue Modelle mit CNG-Antrieb am Markt platziert, weitere Neuerscheinungen sind angekündigt. Eine größere Modellvielfalt von CNG und LPG-Fahrzeugen könnte dabei die Kostenkonkurrenz gegenüber anderen Antriebsarten in Einzelfällen eher gewährleisten, aber auch generell das Kaufverhalten beim Nutzer zugunsten von Gasfahrzeugen beeinflussen. Weiterhin ergibt sich im Zusammenhang mit der Abgasnorm Euro 6, die im Jahr 2015 in Kraft tritt, vor allem beim Dieselantrieb Anpassungsbedarf bei der Abgasreinigung, um strengere Stickoxidgrenzwerte einzuhalten. Werden die damit verbunden Mehrkosten in Form von höheren Anschaffungskosten an den Kunden weitergegeben, könnte dies wiederum den Kostenvorteil von Diesel-Pkw gegenüber Gasantrieben verringern oder gar aufheben. Die Perspektiven der zukünftigen Bestandsentwicklung für Gasfahrzeuge können aber nicht nur auf einer reinen Kostenbetrachtung erfolgen, wie sich anhand der bisherigen Entwicklung der CNG und LPG Neuzulassungen sowie der geringen Potenzialausschöpfung bezüglich der LPG-Umrüstung in der Flotte zeigt. Anders betrachtet hat auch die Steuerreduzierung auf Gaskraftstoffe bisher nicht zu einer wesentlichen Etablierung der alternativen Kraftstoffe geführt. Weitere mögliche Ursachen aus Nutzersicht könnten überwiegende Nachteile wie die geringe Verfügbarkeit von Tankstelleninfrastruktur oder die Unkenntnis über konkrete Einsparmöglichkeiten sein. Letztendlich müssten daher vermutlich weitere Förderungsmaßnahmen, z.b. ein Ausbau der Tankstelleninfrastruktur entlang von Fernstraßen und eine verbesserte Seite 19 von 85

20 Informationspolitik umgesetzt werden, um LPG und vor allem CNG nachhaltig im Straßenverkehr zu integrieren (vgl. Kap. 4.2). Seite 20 von 85

21 3 Umweltvergleich und Potenziale für erneuerbare Energien Der Kostenvergleich zeigt, dass CNG- und LPG-Fahrzeuge bei reduzierter Energiesteuer aus Sicht der Vollkosten konkurrenzfähig zu konventionellen Antrieben sind. Eine weitere Förderung durch die reduzierte Energiesteuer und auch weitere Fördermaßnahmen (z.b. Ausbau der Infrastruktur) sollte mit positiven Umwelteffekten einhergehen. Dazu wird im folgenden Kapitel ein detaillierter Umweltvergleich unter Berücksichtigung aktueller und möglicher zukünftiger Technologien durchgeführt. Hierfür werden zunächst die allgemeine Vorgehensweise (3.1) beschrieben, sowie die Datengrundlage für die Kraftstoffbereitstellung (3.2) und Fahrzeugnutzung (3.3) im Detail erläutert. In den Kapitel 3.4und 3.5 werden die Umweltwirkungen der gesamten Kette heute und zukünftig aufgezeigt und diskutiert. 3.1 Aufbau des Umweltvergleiches Der Umweltvergleich von CNG- und LPG-Fahrzeugen umfasst zwei Zeithorizonte: die heutige Situation (2012) sowie ein Zukunftsszenario (2030). Die untersuchten Fahrzeuge, Kraftstoffe und Bereitstellungspfade werden in den Kapiteln 3.2 und 3.3 im Detail erläutert. Zeithorizont Fahrzeug Kraftstoff Bereitstellung Emissionen 2012 Pkw LPG Erdöl CO 2 -Äqu Stadtbus CNG Erdgas NMHC... Abbildung 4: Schema des Umweltvergleiches Der Fokus des Umweltvergleiches liegt auf den Treibhausgasemissionen. Diese werden in Form von CO 2 -Äquivalenten angegeben. Die Methodik zur Ermittlung der CO 2 -Äquivalente der Kraftstoffbereitstellung wird im Anhang II: Berechnung der Kraftstoffvorketten kurz erläutert. Die CO 2 -Emissionen aus der Verbrennung des Kraftstoffs ergeben sich durch den Kohlenstoffgehalt und die Heizwerte der Kraftstoffe. Als Standardwerte werden hierfür kraftstoffbezogene Emissionsfaktoren aus TREMOD [IFEU 2012] verwendet, welche mit den nationalen Treibhausgasinventarberichten des Umweltbundesamtes konform sind (Tabelle 1). Seite 21 von 85

22 Tabelle 1: CO 2 - Emissionen bei der Verbrennung des Kraftstoffs Kraftstoff Otto Diesel CNG LPG g CO 2 pro MJ Quelle: [IFEU 2012] Für fossile Kraftstoffe wird das CO 2 aus der Verbrennung der Nutzungsphase (TTW) zugerechnet. Bei erneuerbaren Kraftstoffen hingegen wird die Fahrzeugnutzung als CO 2 -neutral bewertet und nur der fossile Anteil für die Bereitstellung berücksichtigt. Verbrennungsbedingte THG-Emissionen durch CH 4 und N 2 O werden immer dem TTW-Anteil zugerechnet, haben i.d.r. aber einen vergleichsweise geringen Anteil an den gesamten THG-Emissionen (vgl. Kap ). Als weitere Parameter neben den Treibhausgasemissionen werden beim Umweltvergleich berücksichtigt: Stickstoffoxide (NO X ) Nichtmethankohlenwasserstoffe (NMHC) Schwefeldioxid (SO 2 ) erneuerbarer und nicht erneuerbarer kumulierter Primärenergieaufwand (KEA) Die Emissionen der Schadstoffe NO X, NMHC und SO 2 tragen zur Luftbelastung in Innenstädten sowie zur Versauerung und Eutrophierung bei. Ihr jährlicher Ausstoß wird daher im Rahmen der NEC-Richtlinie (2001/81/EG) für jedes EU-Land begrenzt. Aktuell wird diskutiert, die NEC-Richtlinie künftig auch um Partikelemissionen (als PM2,5) zu erweitern 5. Da im Rahmen dieser Studie nicht zwischen Fein- und Grobpartikeln (Staub) für die Kraftstoffbereitstellung (WTT) unterschieden werden konnte, werden nur Abgaspartikel, die bei der Fahrzeugnutzung (TTW) entstehen, untersucht (Kap. 3.3). Der kumulierte Primärenergieaufwand (KEA) drückt die Summe der Energiemengen aller im System genutzten Primärenergiequellen aus. Dabei werden auch erneuerbare Energien und Atomenergie, die bei den Treibhausgasemissionen sehr niedrige Werte erhalten, erfasst. 5 Seite 22 von 85

23 3.2 Kraftstoffbereitstellung Well-to-tank (WTT) Die Kraftstoffbereitstellung ist ein zentraler Aspekt des Umweltvergleichs, da sich je nach Kraftstoffart und Bereitstellungspfad die damit verbundenen Umweltwirkungen deutlich unterscheiden können. Im folgenden Kapitel werden die Bereitstellungsketten für CNG und LPG, sowie die konventionellen Kraftstoffe Benzin und Diesel beschrieben. Neben deren Umweltwirkungen, die in Form von Treibhausgasen, ausgewählten Schadstoffemissionen und Energieaufwänden dargestellt werden, stehen hierbei vor allem mögliche erneuerbare Bereitstellungspfade und deren Potenziale für den Einsatz im Verkehr im Vordergrund Übersicht der verwendeten Emissionsfaktoren Tabelle 2 zeigt eine Übersicht der untersuchten Pfade sowie den damit verbundenen Energieaufwand und den damit verbundenen Emissionen. Für die Beschreibung der derzeitigen Situation in 2012 werden typische (nur fossile) und alternative Kraftstoffbereitstellungsketten (LPG aus Erdgas und Biomethan) unterschieden. Für das Jahr 2030 werden verschiedene fossile und erneuerbare Optionen betrachtet, da der mittlere Kraftstoffmix im Jahr 2030 von zahlreichen, derzeit noch offenen politischen Randbedingungen abhängt. Die untersuchten Bereitstellungsketten werden aus heutiger Sicht im Jahr 2030 zum Einsatz kommen können. Eine Kurzeschreibung der einzelnen Pfade wird in den folgenden Kapiteln gegeben, die Methodik und Annahmen zur Ermittlung der Vorkettenemissionen und Energieaufwände sowie die ausführliche Dokumentation der Pfade respektive Verweis auf diese sind in Anhang II: Berechnung der Kraftstoffvorketten zu diesem Bericht beschrieben. Seite 23 von 85

24 Tabelle 2: Übersicht Energieverbrauch und Emissionen WTT Kraftstoff Bereitstellungspfad Kumulierter Primärenergieeinsatz (KEA) CO 2 - Äqu. NMHC NO X SO 2 CO 2 - Äqu. WTW* MJ/MJ Anteil erneuerbar Typische Pfade in 2012 g/mj Benzin Erdöl 1,176 0,1% 14,4 0,053 0,037 0,028 86,4 Diesel Erdöl 1,196 0,1% 16,0 0,025 0,040 0,031 90,0 LPG Erdöl 1,163 0,2% 13,8 0,134 0,050 0,089 78,8 CNG Erdgas 4000 km 1,209 0,9% 17,3 0,012 0,045 0,004 73,3 Alternative Pfade in 2012 LPG Erdgas 1,118 0,1% 8,1 0,015 0,041 0,027 73,1 Biomethan 6 Biogas / Bioabfall (Strommix heute) Biogas / Nawaro+Gülle (Strommix heute) 2,24 69,2% 29 0,005 0,030 0, ,99 79,6% 39 0,011 0,081 0, Zusätzliche Pfade für 2030 Benzin Teersand 1,422 0,7% 29,6 0,111 0,069 0, ,6 Diesel Teersand 1,445 0,7% 31,5 0,084 0,071 0, ,5 CNG/ Biomethan/ EE-Methan Erdgas 7000 km 1,255 1,1% 20,9 0,016 0,064 0,003 76,9 Biogas / Bioabfall 1,9 86,8% 8,9 0,003 0,020 0,007 8,9 (Strommix 2030) Biogas / Nawaro+Gülle (Strommix 2030) SNG / Holz (Strommix 2030) Strom/ H 2 - Elektrolyse 2,80 87,5% 26 0,010 0,074 0, ,20 87,3% 22 0,012 0,085 0, ,856 99,1% 1,6 0,003 0,002 0,001 1,6 Anmerkung: Beimischungen von Biokraftstoffen bei fossilen Kraftstoffen nicht berücksichtigt *entspricht CO 2 -Äqu. inklusive dem CO 2 aus der vollständigen Verbrennung fossilen Kohlenstoffes. Nicht berücksichtigt sind hierbei CH 4 und N 2 O, das bei der Verbrennung im Fahrzeug entsteht (vgl. hierzu Kap.3.3.3). Quelle: eigene Berechnungen, siehe Anhang II: Berechnung der Kraftstoffvorketten 6 Die CO 2 -Äqu. für Biomethan in dieser Studie wurden gegenüber [BMVBS 2013] aktualisiert. Die Werte bewegen sich in der typischen Bandbreite für diesen Bereitstellungspfad. Seite 24 von 85

25 3.2.2 Erläuterungen fossile Kraftstoffvorketten Heute werden Benzin und Diesel vorwiegend aus Erdöl gewonnen. LPG wird in Deutschland derzeit als Nebenprodukt aus der Erdölverarbeitung gewonnen, kann aber auch als Nebenprodukt der Erdgasförderung bezogen werden. Dieses wird typischerweise vor Ort aufbereitet und per Tankschiff nach Europa transportiert, während bei CNG das Erdgas per Pipeline transportiert wird (heute durchschnittlich über 4000 km Entfernung in die EU). Die zukünftige Berücksichtigung fossiler Kraftstoffbereitstellungsketten soll vor allem die Nachfrage und Verfügbarkeit abbilden. So wird davon ausgegangen, dass für die Bereitstellung von CNG in 2030 die mittlere Transportentfernung für Erdgas auf 7000 km ansteigt. Bei Benzin und Diesel wird zusätzlich zur Bereitstellung aus Erdöl eine Bereitstellung aus Teersanden betrachtet. Diese hat bisher einen geringen Anteil am gesamten Kraftstoffverbrauch. In der Zukunft könnte sich der Anteil von Teersanden aufgrund der Verknappung konventionellen Rohöls jedoch erhöhen, mit der Folge von damit verbundenen Auswirkungen auf die Umwelt. Beimischungen von Biokraftstoffen Real ist davon auszugehen, dass die Kraftstoffe an den Tankstellen auch Beimischungen von Biokraftstoffen enthalten, z.b.: - bis zu 7 Vol.% Biodiesel im Diesel - bis zu 5 % Vol.% (E 5) bzw. 10 Vol.% Bioethanol (E 10). Die Vorgaben der Biokraftstoffquote ( 37 BImSchG) von 6,25 % (MJ/MJ) ermöglichen zudem die Anrechnung von Biomethan auf die Quote. Die im Rahmen der Quotenanrechnung eingesetzten Biokraftstoffe erreichten in 2011 und 2012 einen energetischen Anteil von etwa 5,6 % bzw. 5,8 % 7. In Verbindung mit den typischen bzw. den Standardwerten der Richtlinie 2009/28/EG entspräche dies in 2012 einer Treibhausgasminderung von etwa 2,9 % bzw. 2,4 % gegenüber rein fossilem Benzin oder Diesel. Aufgrund dieser geringen THG-Minderung und der großen Bandbreiten je nach Substrat und Herkunftsland für flüssige Biokraftstoffe wird in dieser Studie nur eine rein fossile Bereitstellung berücksichtigt. Auch bei LPG und CNG aus Erdöl bzw. Erdgas werden keine Beimischungen von Biogas betrachtet. 7 Berechnung auf Basis BLE 2013 Seite 25 von 85

26 3.2.3 Erläuterungen erneuerbare Kraftstoffvorketten Die verschiedenen hier betrachteten Antriebsoptionen (Diesel, Otto, CNG, LPG) erlauben prinzipiell den Einsatz einer Vielfalt von Kraftstoffen aus erneuerbaren Energieträgern. Ein wichtiger Untersuchungspunkt in dieser Studie ist, welche erneuerbaren Kraftstoffe in den hier im Fokus stehenden Antriebsoptionen (CNG/LPG) bestehen und welche Umweltwirkungen damit verbunden wären (vgl. Tabelle 2). Flüssige Biokraftstoffe werden dagegen im Rahmen des Umweltvergleichs nicht untersucht. Als erneuerbare Kraftstoffe für 2012 wird komprimiertes Biomethan aus Biogas betrachtet werden zusätzlich Biomethan aus der Vergasung von Holzhackschnitzeln mit anschließender Methanisierung (sog. Bio-SNG) und komprimiertes Methan aus erneuerbarem Strom (EE-Methan) berücksichtigt. Zwar ist theoretisch auch die Herstellung von Bio-LPG denkbar, eine Marktrelevanz ist derzeit jedoch nicht absehbar. Diese Option wird daher beschrieben, aber für den Umweltvergleich in 2030 nicht betrachtet. Darüber hinaus wird auch verflüssigtes Biomethan (LBG - Liquified biogas) gegenwärtig in Ländern wie Deutschland, den Niederlanden diskutiert sowie in Schweden und Großbritannien bereits demonstriert. Jedoch wird aufgrund zu geringer Datenlage dieser Pfad hier nicht näher betrachtet. Tabelle 3 gibt eine grobe Übersicht zu den betrachteten erneuerbaren Kraftstoffen. Eine Detailbeschreibung der Bereitstellungspfade wird in den folgenden Abschnitten gegeben. Seite 26 von 85

27 Tabelle 3: Übersicht zur Marktfähigkeit der betrachteten erneuerbaren Bereitstellungspfade Pfad Kurzbeschreibung Rohstoffe Stand der Technik Marktsituation Biomethan via Biogas Vergärung, Gasaufbereitung Nachwachsende Rohstoffe (NawaRo, v.a. Mais) Organische Abfallund Reststoffe (z.b. Bioabfall, Klärschlamm, Schlempe, Stroh) kommerziell D: größere Kapazitäten auf Basis von NawaRo (v. a. im Strom- und Wärmesektor), kleinere auf Basis von Reststoffen (derzeit bedeutsamer für Verkehrssektor) Biomethan via Synthetic Natural Gas (Bio-SNG) Vergasung, Gaskonditionierung, Synthese, Gasaufbereitung Lignocellulosehaltige Biomasse Pilot- /Demophase EU: Demonanlage in Güssing/Österreich, kommerzielle Anlagen in Schweden im Bau Elektrische Energie, CO 2 EE-Methan Elektrolyse von H 2 mit erneuerbarem Strom mit anschließender Methanisierung Pilot- /Demophase D: ZSW/Stuttgart (CO 2 aus Luft), EWE/Werlte (CO 2 aus Biogasaufbereitung) Bio-LPG Nebenprodukt bei HVO/HEFA- Produktion; je nach Konzept auch bei BTL/Fischer- Tropsch-Synthese Ölhaltige (HVO) oder lignocellulosehaltige (BTL) Biomasse HVO/HEFA: kommerziell BTL/FT: bisher nur Technikum/Pilot LPG-Nutzung häufig anlagenintegriert (z.b. Prozessenergie) HVO: D: keine Anlage, EU: Rotterdam, Porvoo Seite 27 von 85

28 Biomethan In 2010 wurden etwa 10 PJ gasförmige Kraftstoffe in Deutschland eingesetzt (Drucksache 17/9621 auf Basis Energiestatistik). Biomethan als Ergänzung oder Substitut für Erdgas stellt eine strategische Ressource für eine nachhaltige Mobilität in den kommenden Dekaden dar. Zur Bereitstellung von Biomethan aus Biogas wurden in den letzten fünf Jahren erhebliche Kapazitäten geschaffen. Jedoch sind gegenwärtig aufgrund der vergleichsweise sehr geringen und langsamer als erwartet wachsenden Nutzung von Erdgas-Fahrzeugen die Zielstellung des Absatzes im Kraftstoffsektor nur eingeschränkt erreicht. Stand der Technik ist die Produktion von Biogas mittels Fermentation (anaerobe Vergärung) und anschließender Gasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz. Die Ende 2012 installierte Anlagenkapazität von etwa 70 Tsd. Nm³/h [DBFZ u.a. 2013] entspricht einer jährlichen Produktionskapazität von über 20 PJ. Zudem befinden sich derzeit 36 Anlagen im Bau bzw. 38 weitere Anlagen in Planung [DENA 2013]. Im übrigen Europa sind es Kapazitäten von ca. 700 MW Biomethan mit den Schwerpunktregionen Schweden, Niederlande und Schweiz [Green Gas Grids 2012]. Über 80 % der derzeit in Deutschland betriebenen Biomethananlagen setzen nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo), d. h. vor allem Silagen auf Basis von Mais und Gras, sowie z. T. tierische Reststoffe wie Gülle ein. Im Verkehrssektor wird derzeit vor allem Biomethan aus Rest- und Abfallstoffen eingesetzt, was in erster Linie damit bergründet werden kann, dass aus Abfall- und Reststoffen produzierte Biomethanmengen seit 2011 doppelt auf die Quotenerfüllung gemäß 37 BImSchG angerechnet werden können. Im Gegensatz zu Bioethanol und Biodiesel gibt es keine Einzelquote für Biomethan, zudem ist Erdgas als Kraftstoff nicht quotenpflichtig. Demnach wird Biomethan nur als Biokraftstoff innerhalb der Quote eingesetzt, wenn es keine oder nur vergleichsweise kostenintensivere Alternativen gibt. In Abbildung 5 sind die in Deutschland eingesetzten Biokraftstoffe 2011 und 2012 laut Evaluierungsbericht 8 des Bundesamtes für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) sowie laut Amtlicher Mineralölstatistik des Bundesamtes für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) gegenübergestellt. Laut [BLE 2013] wurden in 2011 etwa 0,3 PJ Biomethan im Verkehrssektor eingesetzt, wovon etwa ein Drittel nicht auf die Quote angerechnet wurde. In 2012 wurden ca. 1,15 PJ Biomethan im Verkehrssektor eingesetzt, was mehr als 10 % des erdgasbasierten Kraftstoffs ausmacht. Davon wurden etwa 0,9 PJ (davon wiederum ca. 0,8 PJ doppelt) auf die Quote angerechnet. Der Zuwachs in 2012 gegenüber 2011 besteht nahezu ausschließlich aus Biomethan aus Abfall- und Reststoffen. Deutlich zeichnet sich ab, dass gegenüber 8 Betrifft zertifizierte Biomasse laut Biokraft-NachV und BioSt-NachV Seite 28 von 85

29 Biokraftstoffe in PJ/a der relativen Zunahme der absolute Zuwachs von Biodiesel produziert aus Altspeisefetten und ölen deutlich höher ist als der von Biomethan aus Abfall- und Reststoffen Quotenanrechnung Quotenmenge 136 PJ 6,25% Biokraftstoffquote entspricht in 2012 ca. 136 PJ steuerbefreite BKS 100 doppelt Biomethan (Abfall) doppelt Biodiesel (Abfall) 80 Biomethan (v.a. Abfall) 60 Bioethanol (Nawaro) 40 raff./hydr. Öle Biodiesel (Abfall) 20 Biodiesel (Nawaro) [BLE] 2011 [BAFA] 2012 [BLE] 2012 [BAFA] BLE-Daten BAFA-Daten Abbildung 5: Auf die Quote angerechnete sowie steuerbefreite Biokraftstoffe 2011 und 2012 (DBFZ auf Basis BLE 2013 und BAFA) 9 Eine Anrechnung 10 auf die Biokraftstoffquote kann nur in Verbindung mit einem entsprechenden Nachhaltigkeitsnachweis erfolgen. Die Biokraft-NachV 11 enthält keinen Standardwert für Biomethan aus NaWaRo und eine eigene Berechnung der THG-Bilanz, die dem Rechtsrahmen genügt, ist methodisch noch nicht ausgereift. Für 2013 gehen Branchenakteure davon aus, dass die absolute Menge des im Verkehrssektor als Kraftstoff verwendeten Biomethans gegenüber dem Vorjahr um etwa ein Drittel steigt [DENA 2013], der relative Anteil bleibt demzufolge etwa gleich. Allein Verbio kann mit einer derzeitigen Kapazität von 60 MW 12 basierend auf Reststoffen 9 Abbildung angepasst am In diesem Fall durch Übertragung der Erfüllung von Verpflichtungen auf einen Dritten gemäß 37a Satz 4 BImSchG 11 Biokraftstoff-Nachhaltigkeitsverordnung 12 Quelle: verbiogas (http://www.verbio.de/fileadmin/user_upload/verbio/02_produkte/factsheet_verbiogas_pr.pdf), entspricht unter Volllast ca. 1,8 PJ/a Seite 29 von 85

30 aus der Bioethanolproduktion (Schlempe) Biomethan für den Verkehrssektor als auch den KWK-Sektor bereitstellen. Biomethan aus NaWaRo wird derzeit vor allem im Rahmen des Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) im Strom- und Wärmesektor eingesetzt. Biomethan kann zudem aus lignocellulosehaltiger/holzartiger Biomasse über Vergasung und anschließende Methanisierung bereitgestellt werde. Im Gegensatz zu Biomethan aus Biogas ist diese Konversionstechnologie allerdings noch nicht marktverfügbar. Für Bio-SNG wird die Demonstrationsanlage in Güssing (Österreich) mit 1 MW Biomethan erfolgreich betrieben, weitere Anlagen sind u. a. in Schweden, Schweiz und Deutschland in der Planung und Realisierung. Die erwarteten Entwicklungen bezüglich des Ausbaus von Bio-SNG-Anlagen bleiben jedoch trotz technischer Verfügbarkeit nicht zuletzt aufgrund ökonomischer Herausforderungen in der Wettbewerbsfähigkeit hinter den Erwartungen zurück. Dennoch ist der Pfad zukünftig, insbesondere mit Blick auf die Nutzung von Abfall- und Reststoffen sowie lignocellulosehaltiger Biomasse zur Kraftstoffproduktion (keine direkte Nahrungsmittelkonkurrenz) von Bedeutung. Synthetisches Methan aus erneuerbarem Strom (EE-Methan) Strom kann über Elektrolyse zu Wasserstoff umgesetzt werden, der anschließend in Verbindung mit CO 2 zu Methan synthetisiert wird. Es wird diskutiert, dieses Verfahren insbesondere zu Zeiten hohen Wind- und Solarstromaufkommens bei gleichzeitig niedriger Stromnachfrage einzusetzen und damit die Integration auch großer Mengen fluktuierenden erneuerbaren Stroms in das Energiesystem zu ermöglichen [dena et al. 2012]. Zu EE-Methan umgewandelter erneuerbarer Überschussstrom kann in existierende Erdgasinfrastrukturen gespeichert werden und steht so auch in großen Mengen und gegebenenfalls über längere Speicherzeiten hinweg verschiedenen Anwendungen zur Verfügung, z.b. auch als Kraftstoff CNG. Die zukünftig verfügbaren Mengen an sog. Überschussstrom sind sehr sensitiv bezüglich einer Reihe von Parametern, insbesondere vom EE-Zubau, dem Netzausbau, den Stromspeichern, vom Umfang des Nachfragemanagements und nicht zuletzt von der Flexibilisierung des konventionellen Kraftwerkparks. Kurzfristig sind die Überschussstrommengen im Vergleich zur Gesamtmengen an erzeugtem EE-Strom vernachlässigbar. Bei forciertem Ausbau von erneuerbaren Energien können dennoch bereits in diesem Jahrzehnt regional signifikante Mengen auftreten. Insbesondere bei sehr hohen Anteilen fluktuierender erneuerbarer Stromproduktion von 70%, 80% und darüber hinaus steigt der Überschussstrom ohne Maßnahmen wie Energiespeicherung dramatisch an wie Tabelle 4 im Szenario C 2023 zeigt. Seite 30 von 85

31 Tabelle 4: Überschussstrom ( dumped energy ) nach Netzentwicklungsplan [NEP 2013, S. 64, Tab. 9] Die Simulationen zum Netzentwicklungsplan zeigen, dass bei einem forciertem Ausbau von Erneuerbaren entsprechend Landesenergieplänen (NEP-Szenario C 2023) der Anteil an EE- Strom, der nicht im Netz unterzubekommen ist, signifikant ansteigt (6,9 TWh im Szenario C 2023 im Vergleich zu 0 TWh und <0,1 TWh in den Szenarien A 2023 und B 2023 respektive). Diese Sensitivität wird besonders deutlich, wenn man die 7 TWh dumped energy bei forciertem EE-Ausbau im Jahr 2023 (NEP-Szenario C 2023) mit den 0,8 TWh im Jahr 2033 bei EE-Ausbau entsprechend BMU Leistudie (NEP-Szenario B 2033) vergleicht. Selbst wenn die Mengen an sog. Überschussstrom durch Maßnahmen wie Netzausbau, Stromspeicherung etc. gering ausfallen sollten, so ermöglicht die Strom-zu-Methan Produktion eine Erschließung der vergleichsweise hohen technischen Potenziale an EE-Strom in Deutschland. Die strategische Entscheidung EE-Methan unter signifikantem (erneuerbaren) Energieaufwand herzustellen um es anschließend mit vergleichsweise geringen Wirkungsgraden in einem Verbrennungsmotor zu nutzen, ist im Kontext verschiedener Mobilitätswelten zu diskutieren. Die Produktion von Wasserstoff durch Wasserelektrolyse mittels Stromeinsatz kann zudem ein energiewirtschaftlich relevanter Akteur für die Nachfragesteuerung darstellen (Demand Side Management, Demand Response). Abbildung 6 zeigt schematisch das Prinzip des Verfahrens Strom-zu-Methan (EE-Methan) am Beispiel der Nutzung von CO 2 aus der Biogasaufbereitung. Seite 31 von 85

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