Potenziale effizienter Nutzfahrzeugantriebe für einen nachhaltigen Straßengüterverkehr bis 2050

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1 Potenziale effizienter Nutzfahrzeugantriebe für einen nachhaltigen Straßengüterverkehr bis Eine Studie finanziert im Rahmen der 2. Ausschreibung der Programmlinie a3plus des Forschungs- und Technologieprogramms iv2splus Jänner NANUPOT

2 Impressum: Herausgeber und Programmverantwortung: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie Abteilung Mobilitäts- und Verkehrstechnologien Renngasse 5 A Wien Für den Inhalt verantwortlich: TU Wien, Institut für Energiesysteme und elektrische Antriebe, Energy Economics Group Gusshausstraße 25-29/ Wien Joanneum Research Forschungsgesellschaft Elisabethstraße Graz AVL List GmbH Hans List Platz Graz Programmmanagement IV2Splus Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbh Bereich Thematische Programme Sensengasse 1 A Wien 2 NANUPOT

3 Potenziale effizienter Nutzfahrzeugantriebe für einen nachhaltigen Straßengüterverkehr bis 2050 Eine Studie finanziert im Rahmen der 2. Ausschreibung der Programmlinie a3plus des Forschungs- und Technologieprogramms iv2splus AutorInnen: Dipl.-Ing. Maximilian KLOESS Dr Peter PRENNINGER Dr Arno HUSS Dipl.-Ing. Kurt KÖNIGHOFER Dipl.-Ing. Lorenza CANELLA Univ. Prof. Dr Reinhard HAAS Auftraggeber: Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie Auftragnehmer: TU Wien Inst. f. Energiesystems u. Elektrische Antriebe Joanneum Research Forschungsgesellschaft mbh AVL List GmbH 3 NANUPOT

4 Kurzfassung: Die Reduktion des Energieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen sowie die Diversifizierung der Kraftstoffversorgung sind die zentralen Herausforderungen mit denen der Straßengüterverkehr in den nächsten Jahren konfrontiert sein wird. Effiziente und alternative Antriebsysteme sind ein Ansatz um diesen Problemen zu begegnen. In dieser Arbeit wird untersuchte welchen Beitrag sie zur Lösung leisten können. Konventionelle und alternative Antriebsysteme werden dafür nach technischen, ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkten analysiert. Dabei werden leichte, mittlere und schwere LKW, sowie Sattelzugmaschinen berücksichtigt (siehe Tabelle 1). Während bei leichte LKW eine breite Palette an Alternativen zur Verfügung steht, die sich von CNG Antrieben über unterschiedlichen Hybride bis hin zu elektrischen Antrieben erstreckt, kommen aus technisch-wirtschaftlichen Gründen bei schweren LKW nur Hybridantriebe als Alternative in Frage. Ausgehend vom technischen Stand 2010 werden die Entwicklungspotentiale für die nächsten Jahrzehnte abgeschätzt. Tabelle 1: Untersuchte Fahrzeugklassen und Antriebsysteme Referenzfahrzeug Antriebe aus Sicht 2010: Gewichtskl.: Leistung: Zul. Gesamtgew.: Gewicht: Lastkraftwagen Kl. N N1 <3,5t kW 2,5 3,5t 3t 100kW N2 <12t kW 3,5 12t 9t 150kW N3 >12t kW 12 40t 21t 250kW Sattelzugmaschinen N3 >12t kW 12 40t 35t 300kW Leistung: In der technischen Analyse werden die Kraftstoffverbräuche der Fahrzeuge mittels Simulationstools ermittelt. Die Einsparungen die sich durch die einzelnen untersuchten Maßnahmen ergeben werden dabei separat ausgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass beim technischen Stand von 2010 durch verschiedene Maßnahmen zur Effizienzsteigerung, zu denen auch die Elektrifizierung/Hybridisierung des Antriebs gehört, die Effizienz von LKWs mit Verbrennungskraftmaschinen je nach Klasse um 20-25% verbessert werden kann. Langfristig (2050) ist eine weitern Reduktion um ca. 15% möglich. Bei leichten Nutzfahrzeugen kann die Effizienz durch den Einsatz rein elektrischer Antriebsysteme sogar noch deutlicher erhöht werden. Für die ökologische Analyse werden neben den Fahrzeugklassen und Antriebsysteme auch verschieden Kraftstoffe aus fossilen und erneuerbaren Quellen untersucht. Für alle daraus abgeleiteten Energieumwandlungsketten wurden die Treibhausgasemissionen und der Energieverbrauch anhand von Life-Cycle-Analysen ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Diesel CNG Micro Hyb. Mild Hyb. Full Hyb. E Antr. + Range Extender Batterie E Antrieb BZ E Antrieb I NANUPOT

5 fossiler Energieverbrauch und Treibausgasemissionen durch den Einsatz biogener Kraftstoffe deutlich reduziert werden können. Besonders günstig sind hierbei Biokraftstoffe der zweiten Generation (z.b. Fischer-Tropsch Diesel aus Biomasse) mit denen der Verbrauch an fossiler Primärenergie um über 85 % und die Treibhausgasemissionen um knapp 80 % reduziert werden können. Größere Reduktionen sind nur durch elektrische Antriebe bei Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen erreichbar. Diese stehen jedoch nur bei leichten Nutzfahrzeugen als Option zur Verfügung stehen. Bei der Wirtschaftlichkeitsanalyse wurden die Gesamtkosten der Antriebsysteme verglichen und die Robustheit der Ergebnisse gegenüber steigenden Kraftstoffpreisen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei den derzeitigen Kosten der Technologie und den gegebenen Kraftstoffpreisen, (Stand 2010) unter den analysierten Alternativen, nur CNG Fahrzeuge Kostenvorteile bringen. Bei steigenden Kraftstoffpreisen werden auch Hybridantrieben wirtschaftlich interessant. Die Kostenabschätzung zeigt, dass unter der Annahme steigender fossiler Energiepreise und einer Reduktion der Komponentenkosten Hybridantrieb bis 2020 in allen untersuchten Fahrzeugklassen die wirtschaftlich günstigste Option darstellen. Bei leichten Nutzfahrzeugen (Klasse N1) bringen dann sogar elektrische Antriebsysteme Kostenvorteile, wobei diesen (zumindest bei reinen Elektrofahrzeugen) die beschränkten Einsatzreichweiten gegenüber stehen werden. Um die Potenziale die sich durch den Einsatz alternativen Antriebsystemen für den Straßengüterverkehr ergeben zu bewerten, werden Österreich-spezifische Szenarien für den Zeitraum entwickelt. Diese basieren auf einem Modell der Österreichischen LKW- Flotte, anhand dessen sich Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen der Flotte, unter Berücksichtigung des Kraftstoff-mix abbilden lassen und die Auswirkungen geänderter Rahmenbedingungen simuliert werden können. Bei den Szenarien wurde eine konstante Transportleistung, steigenden Kraftstoffpreisen und eine Kostenreduktion elektrischer Antriebskomponenten angenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch den Einsatz effizienter Antriebsysteme der fossile Energieverbrauch um 20 % bis 30 % bis 2030 reduzieren lässt. Bis 2050 sind Reduktionen von 30 % bis 60 % möglich. Die Schwankungsbreite ergibt sich dabei aus den unterschiedlichen Annahmen bezüglich der Anteile Biogener Kraftstoffe an der Versorgung. Entsprechend lassen sich auch die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 20 bis 30 % reduzieren, bis 2050 um 35 bis 55 %. II NANUPOT

6 Abstract Reducing energy demand and greenhouse gas emissions and the diversification of fuel supply are major challenges road transport is facing today. Efficient and alternative propulsion technologies are one approach to face these problems. This Report analysis how much they can contribute to their solution. Conventional and alternative propulsion technologies are analyzed from a technical, ecological and economic perspective, considering different vehicle classes (see table). For light duty trucks there are many alternative options available extending from CNG- and hybrid vehicles to plug-inand electric vehicles. For heavy duty transport the only alternative are hybrid trucks or to some extend CNG-trucks. Based on the technical status of 2010 the development potential for the next decades is estimated. Table 1: Analyzed vehicle classes and propulsion systems reference vehicle propulsion systems 2010 perspective Curb weight classes: Power: maximum curb weight: curb weight: power: Diesel CNG Micro Hyb. Mild Hyb. Full Hyb. E Drive + Range Extender Battery Electric Drive Fuel Cell Drive trucks class N N1 <3,5t kW 2,5 3,5t 3t 100kW N2 <12t kW 3,5 12t 9t 150kW N3 >12t kW 12 40t 21t 250kW semitrailer tractor N3 >12t kW 12 40t 35t 300kW In the technical analysis the fuel consumption of vehicles is determined by using simulation tool. Thereby, the fuel savings achieved by each of the analyzed measure are quantified. The results for the technical status 2010 indicate that efficiency of trucks can be increased by about % with different improvement measures including vehicle powertrain electrification/hybridization. In a long term a further reduction of about 15 % is possible. For light duty trucks even higher efficiencies can be achieved with pure electric propulsion technologies. The ecologic assessment includes all vehicle classes, propulsion technologies and different renewable and fossil fuels. The energy consumption and greenhouse gas emissions for all derived energy conversion chains are determined through life cycle analyses. The results show that fossil energy consumption and greenhouse gas emissions can be reduced considerably by using biofuels. Especially second generation biofuels (e.g. Fischer-Tropsch Diesel) show a high reduction potential of up to 85 % of fossil energy and 80 % of greenhouse gas emissions. Further reductions can only be achieved with electric drive systems using electricity from renewable sources, but they are only feasible for light duty vehicles. In the economic assessment the total cost of all powertrain options are compared and the robustness of the results with respect to price increases is analyzed. The results indicate that III NANUPOT

7 under the given framework conditions (status 2010) only CNG vehicles are cost effective. With increasing fuel prices hybrid cars will become interesting as well. The results of the cost estimation show, that hybrid drive systems will be the least cost option for all vehicle classes by 2020, in consequence of increasing fuel prices and decreasing cost of electric drive components. For light duty trucks (class N1) even electric propulsion systems become cost effective. To assess the achievable potentials of alternative vehicles in road transport, Austria specific scenarios are developed for the time frame They are based on a model of the Austrian passenger car fleet that can simulate the effects of changing framework conditions on the energy consumption and greenhouse gas emissions of the fleet. Both parameters are captured on a well-to-wheel basis considering the applied fuel mix. In the scenarios a constant transport service demand, an increase of fossil fuel prices and a reduction of electric drive component cost are assumed. The results show that up to 2030 the energy demand can be reduced by 20 % to 30 % through the adoption of alternative propulsion technologies. Up to 2050 a reduction by up to 30 % to 60 % are feasible. The margin of deviations can be explained by the different assumptions concerning shares of renewable fuels. The derived greenhouse gas emission reductions are - 20% to -30% up to 2030 and -35% to -55% up to IV NANUPOT

8 Inhaltsverzeichnis: 1 Einleitung, Hintergründe, Fragestellung Einleitung Ziele, Herangehensweise und Gliederung der Studie Fahrzeugklassen und Referenzfahrzeuge Fahrzeugklasse N Fahrzeugklasse N Fahrzeugklasse N Fahrzeugklasse N3 Sattelzug Technische Analyse Definition der Fahrzeuge Definition der Referenzzyklen Definition der Antriebe & Komponenten Fahrzeugvarianten und Komponenten N Fahrzeugvarianten und Komponenten N Fahrzeugvarianten und Komponenten N Definition der Werkzeuge (AVL CRUISE, EXCEL) Bewertung der Potentiale aus Sicht Verbrauchsreduktionspotentiale aus Sicht Komponentenwirkungsgrade aus Sicht Fahrzeugwirkungsgrade aus Sicht Zusammenfassung Stand Bewertung der Potentiale bis Definition der Maßnahmen bis Verbrauchsreduktionspotentiale bis Komponentenwirkungsgrade bis Fahrzeugwirkungsgrade bis Zusammenfassung Stand Ökologische Analyse Methodisches Vorgangsweise Treibhausgas Emissionen Kumulierter Primärenergiebedarf Schlussfolgerungen aus der ökologischen Analyse Ökonomische Analyse Transportkosten im Straßengüterverkehr: NANUPOT

9 5.1.1 Klasse N Klasse N Klasse N Klasse N3 Sattelzug Investitionskostenanalyse Investitionskosten Modellierung der Dynamik der Investitionskosten Investitionskosten Kostenvergleich der Antriebsysteme Sensitivitätsanalyse Kapitalwertanalyse der Effizienzsteigerungsmaßnahmen bei Konstanter Nutzungsdauer Kapitalwertanalyse der Antriebsysteme über die Nutzungsdauer Kostenszenario Kraftstoffkosten Gesamtkosten Ökonomische Wirkung politischer Rahmenbedingungen (Österreich 2010) Mineralölsteuer KFZ Steuer Maut Schlussfolgerungen aus der ökonomischen Analyse Reduktionspotentiale für Triebhausgasemissionen und Energieverbrauch in Österreich LKW Flotte Österreich Energieverbrauch Modell der Flotte Methodik: Szenario Annahmen Flottendurchdringung Energieverbrauch der Fahrzeugflotte Endenergieverbrauch Kumulierter Energieverbrauch Treibhausgasemissionen der Flotte Schlussfolgerungen aus der Potentialanalyse Schlussfolgerungen NANUPOT

10 7.1 Leichte LKW Fahrzeugklasse N1 (<3,5t) Mittelschwere LKW Fahrzeugklasse N2 (3,5 12t) Schwere LKW Fahrzeugklasse N3 (>12t) und Sattelzugmaschinen Reduktionspotentiale bei fossilem Energieverbrauch & Treibhausgasemissionen in Österreich Ausblick Literaturverzeichnis Anhang A Ökologische Analyse Anhang B Ökonomische Analyse Berechnung der Gesamttransportkosten Investitionskosten der Antriebsysteme 2010 & Lerneffekte für Batterien und Brennstoffzellen Berechnung Kapital- & Kraftstoffkosten der Antriebsysteme Kapitalwert der Hybridisierung Kapitalwertanalyse der Antriebsysteme über die Nutzungsdauer Kosten der Antriebsysteme Anhang C Methodik des Flottenmodells Modellierung der Flottenstruktur Modellierung des Mix an Neuzulassungen (BAU) Modellierung des Energieverbrauch und der Triebhausgasemissionen: Anhang D Anteile der Kraftstoffe und Rohstoffe NANUPOT

11 1 Einleitung, Hintergründe, Fragestellung 1.1 Einleitung Die starke Abhängigkeit von fossilen Kraftstoffen und steigende Treibhausgasemissionen (THG- Emissionen) sind einige der zentralen Probleme mit denen der Straßenverkehr heute konfrontiert ist. Die Energieversorgung der Kraftfahrzeuge in Österreich basiert zu mehr als 90 % auf fossilen, erdöl-basierten Kraftstoffen (Umweltbundesamt 2008). Daraus ergibt sich eine stark Import- Abhängigkeit die vor allem in Anbetracht der Instabilität vieler Bezugsländer problematisch ist. Eine stärkere Diversifizierung der Kraftstoffversorgung wäre daher sowohl aus politischer also auch ökonomischer Sicht erstrebenswert. Mit 27,6% der gesamten Gesamtemissionen (Stand 2007) ist der Verkehrssektor einer der größten Verursacher von Treibhausgasen in Österreich. Während die Emissionen in anderen Sektoren gegenüber dem Jahr 1990 reduziert werden konnten sind sie im Verkehrssektor stark angestiegen (+72,6 %). Innerhalb des Verkehrssektors ist der Straßengüterverkehr für rund 42 % der Emissionen verantwortliche und hat gegenüber 1990 einen Zuwachs von 138 % zu verzeichnen (Umweltbundesamt 2009). 9,0% 12,6% 5,7% 27,6% Verkehr Energie Industrie & prod. Gewerbe 3,0% 0,3% 41,6% Straßengüterverkehr PKW Verkehr 29,2% 15,9% Raumwärme Landwirtschaft sonstige 55,0% sonstiger Verkehr (Bahn, Schiff, ) Flugverkehr Abbildung 1-1: Anteile der Sektoren an den Treibhausgasemissionen in Österreich (Quelle: Umweltbundesamt) Abbildung 1-2: Verursacher der Treibhausgasemission des Verkehrssektors (Quelle: Umweltbundesamt) 1 NANUPOT

12 In Anbetracht der für Österreich im Rahmen des Kyoto Protokoll definierten Reduktionsziele bei THG-Emissionen ist diese Entwicklung besonders alarmierend. Während die Emissionen in anderen Sektoren reduziert werden konnten, gab es im Verkehrssektor seit 1990 einen ungebrochenen Wachstumstrend. Der Anstieg der vergangenen Jahre ist zu einem wesentlichen Teil auf den Kraftstoffexport (Tanktourismus) zurückzuführen. Durch eine Angleichung der Mineralölsteuer auf das Niveau der Nachbarländer (v.a. D & I) ließen sich somit deutliche Reduktionen erzielen. Um jedoch die ambitionierten Reduktionsziele der Energiestrategie 2020 im Verkehrssektor zu erfüllen wird diese Maßnahme nicht ausreichen und es werden verstärkte Anstrengungen erforderlich sein um dieser Entwicklung entgegenzuwirken. Im Straßengüterverkehr stellen die Verbesserung der Effizienz der Eingesetzten Verkehrsmittel sowie kohlenstoffarme Kraftstoffe einen möglichen Ansatz dar die THG-Emissionen zu senken und die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern in diesem Bereich zu reduzieren. Die vorliegende Studie wird sich speziell auf diesen Ansatz konzentrieren und eine detaillierte Analyse alternative Antriebsysteme und Kraftstoffe nach technischen, ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkte liefern. 1.2 Ziele, Herangehensweise und Gliederung der Studie Ziel der Studie ist es alternative Antriebsysteme für den Straßengüterverkehr aus technischer, ökologischer und ökonomischer Sicht zu bewerten. Basierend darauf soll am Beispiel Österreichs untersucht werden, welche Potentiale alternative Antriebsystems zur Reduktion des Primärenergieverbrauchs und der Treibhausgasemissionen im Straßengüterverkehr bieten. Zur Bewertung der Antriebe wurden Referenzfahrzeuge für die einzelnen Nutzfahrzeugklassen definiert, anhand derer die Antriebsysteme verglichen werden können. Die Spezifikationen der Referenzfahrzeuge wurden so gewählt, dass der Österreichische Fahrzeugbestand in diesen Klassen bestmöglich repräsentiert ist. Basierend auf den Referenzfahrzeugen wurden die technische, ökologische und ökonomische Bewertung durchgeführt. Darüber hinaus wurden, für Österreich relevante, alternative Kraftstoffe und deren Rohstoffquellen definiert und in die ökologische Bewertung miteinbezogen. Die technische Bewertung wurde von AVL List durchgeführt. Ziel war es die Kraftstoffverbräuche der konventionellen und alternativen Antriebsysteme für den technischen Stand 2010 zu ermitteln und zu analysieren welche Einsparungen sich durch verschiedene Effizienzsteigerungsmaßnahmen ergeben. Ein besonderer Schwerpunkt wurde 2 NANUPOT

13 dabei auf die Elektrifizierung des Antriebstrangs gesetzt, wobei die Auswirkungen der einzelnen Elektrifizierungsmaßnahmen anhand von Simulationstool separat quantifiziert wurden. Aufbauend auf den Ergebnissen von 2010 wurden die Potentiale der Effizienzsteigerung bis 2050 abgeschätzt. Die ökologische Bewertung wurde von Joanneum Research durchgeführt. Ziel war es die Energie- und Treibhausgasbilanzen für die definierten Antriebe und Kraftstoffe zu ermitteln. Hierbei wurde über eine Lebenszyklus-Analysen die gesamte Energieumwandlungskette (well-to-wheel WTW) berücksichtigt. Sowohl für die Fahrzeuge als auch für die Kraftstoffe wurden sämtliche THG Emissionen und Energieaufwendungen, die im Lebenszyklus anfallen, berücksichtigt. Dies beinhaltet neben den Emissionen und Energieverbrauchen, die sich durch die Energieumwandlung im Fahrzeug ergeben, auch jene die bei der Herstellung der Fahrzeuge und der Bereitstellung der Kraftstoffe anfallen. Die ökonomische Bewertung wurde von der TU Wien / Energy Economics Group durchgeführt. Das Ziel der Bewertung war es die Antriebsysteme hinsichtlich ihrer wirtschaftlichen Konkurrenzfähigkeit zu bewerten. In einem ersten Schritt wurden die Gesamtkosten aller Technologien ermittelt und gegenübergestellt, wobei sämtliche Kosten die beim Betrieb der Fahrzeuge anfallen berücksichtigt wurden. Beim Vergleicht der Antriebsysteme sind die Investitions- und Kraftstoffkosten die entscheidenden Faktoren. Um die Kosten der Antriebsystems und der einzelnen Effizienzsteigerungsmaßnahmen zu ermitteln wurde daher eine detaillierte komponenten-basierte Analyse durchgeführt. In einem zweiten Schritt wurde die Kostenentwicklung der Antriebsysteme für den Zeitraum anhand von Kraftstoffpreisszenarien und technologischen Lerneffekten abgeschätzt. Die Auswirkungen einer Verbreitung alternativer Antriebsysteme auf die THG-Emissionen und den Energieverbrauch des Straßengüterverkehrs in Österreich wurde anhand eines Modells der österreichischen LKW Flotte untersucht. Hierfür wurden Szenarien unterschiedlicher wirtschaftlicher und politischer Rahmenbedingungen für den Zeitraum entwickelt. 3 NANUPOT

14 2 Fahrzeugklassen und Referenzfahrzeuge Der Begriff Lastkraftwagen (LKW) umfasst ein breites Spektrum an Fahrzeugen mit unterschiedlichen Fahrzeugmassen und Einsatzgebieten. Das Spektrum reicht von kleinen PKW-ähnlichen Transportern bis hin zu schweren LKW mit bis zu 40 t Gesamtgewicht. Neben den Unterschieden in den Charakteristika liegen für diese Fahrzeuge auch stark abweichende spezifische Nutzungsprofile vor. Um diese Inhomogenität innerhalb der LKW Flotte in der Studie zu berücksichtigen wurden unterschiedliche Referenzfahrzeuge definiert. Die Lastkraftwägen wurden dafür in die vier Klassen (N1, N2, N3, Sattelzugmaschinen) eingeteilt. Diese Einteilung bezieht sich auf die Klassifizierung, nach der LKWs in der Österreichischen Kraftfahrzeugstatistik erfasst sind. Diese richtet sich nach dem höchstzulässigen Gesamtgewicht und wurde für die Festlegung der Referenzfahrzeuge zu Grunde gelegt. Die Spezifikationen der Referenzfahrzeuge wurden so gewählt, dass sie die Fahrzeugkategorie bestmöglich repräsentieren. Die wesentliche Spezifikation sind hierbei das Simulationsgewicht und die Antriebsleistung, anhand derer der Kraftstoffverbrauch simuliert wurde (siehe Kapitel 3). In den Fahrzeugklassen wurden Fahrzeuge mit konventionellen und alternativen Antriebsystemen untersucht. Die Auswahl der Antriebsysteme wurde nach Einschätzungen der technischwirtschaftlichen Realisierbarkeit getroffen. Die definierten Fahrzeugklassen und Antriebsysteme wurden als Basis für die technische ökologische und ökonomische Analyse verwendet. Tabelle 2-1: Untersuchte Fahrzeugklassen und Antriebsysteme Referenzfahrzeug Antriebe aus Sicht 2010: Gewichtskl.: Leistung: Zul. Gesamtgew.: Gewicht: Lastkraftwagen Kl. N N1 <3,5t kW 2,5 3,5t 3t 100kW N2 <12t kW 3,5 12t 9t 150kW N3 >12t kW 12 40t 21t 250kW Sattelzugmaschinen N3 >12t kW 12 40t 35t 300kW Leistung: Diesel CNG Micro Hyb. Mild Hyb. Full Hyb. E Antr. + Range Extender Batterie E Antrieb BZ E Antrieb 2.1 Fahrzeugklasse N1 Die Fahrzeugklasse N1 umfasst leichte Lastkraftwägen mit einem Gesamtgewicht bis 3,5 t. Hierunter fallen somit neben PKW-ähnlichen Fahrzeugen vor allem Kleintransporter. Die Fahrzeuge werden hauptsächlich im Werk- und Verteilverkehr eingesetzt. Die üblichen jährlichen Laufleistungen liegen zwischen und km/jahr. Mit über NANUPOT

15 Fahrzeugen bildet die Klasse N1 die zahlenmäßig größte g LKWW Kategorie in der Österreichischen Flotte (siehe Kapitel 6.1). In der Klasse N1 wurde ein breites Spektrum an Antriebsysteme untersucht. Neben konventionellen Diesel-Antrieben wurden auch CNG Antriebe sowie verschiedene Formen von Hybriden (Micro-, Mild- und Vollhybride) berücksichtigt. Da Fahrzeuge der Klasse N1 verstärkt in dicht besiedelten Gebieten zum Einsatz kommen, werden emissionsarme Antriebsysteme hier in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Dementsprechend wurden auch rein elektrischee Antriebsystem wie Plug-In Hybride, batterie-elekb ktrische Anriebe und Brennstoffzellenantriebe analysiert. Tabelle 2-2: Spezifikationenn Fahrzeugklasse N1 Tabelle 2-3 zeigt einen Auszug an Fahrzeugen mit alternativen Antriebsystem die auf dem Markt in der Klasse N1 verfügbar sind (Stand 2010). Bei CNG Fahrzeugen gibt es in der Klasse N1 bereits eine recht große Auswahl an Modellen. Transporter mit Hybrid- oder Elektroantrieb sind jedoch noch kaum am Markt erhältlich. Tabelle 2-3: Marktübersicht Herstellerangaben) CNG Hersteller Typ IVECO Daily CNG 3,5 Mercedes Sprinter NGT 3,5 Ford Transit CNG 3,5 Fiat Ducato Natural Power 3,5 Fiat Florino Natural Power 1,7 Fiat Doblo Natural Power 2,1 Opel Combo 1,6 CNG 2,5 VW T5 CNG 3,5 VW Caddy EcoFuel 2,3 alternativer Antriebe Reichweite (CNG/E Antrieb) [km] Fahrzeugklasse Tank (alternativ) 36kg CNG/14l Benzin 46kg CNG/15l Benzin ca20kgcng/80lbenzin 36kg CNG/15l Benzin 13,2kg CNG/45l Benzin 18kg CNG/30l Benzin 19kg CNG/14l Benzin 24kg CNG/80l Benzin 26kg CNG/11l Benzin N1 (Quellen: Gesamtgewicht Leistung VKM E Antrieb [t] [kw] [kw] Traktions Serienfahrzeug Serienfahrzeug Serienfahrzeug Serienfahrzeug Serienfahrzeug Serienfahrzeug Serienfahrzeug Umrüstung Serienfahrzeug Status batterie Hybrid Nissan Atlas Hybrid 3, ,5 LiIon Serienfahrzeug Elektro Iveco Daily Electric 3, Zebra Serienfahrzeug (3 x 21,2kWh ) 5 NANUPOT

16 2.2 Fahrzeugklasse N2 Die Fahrzeugklasse N2 umfasst Fahrzeuge mit einem Gesamtgewicht zwischen 3,5 und 12 t. Auch diese Fahrzeuge werden überwiegend im Werk- und Verteilverkehr eingesetztt und weisen ähnliche jährliche Laufleistungen wie die Klasse N1 auf. Mit etwa Fahrzeugen spielt die Klasse N2 in der Österreichischen LKW Flotte nur eine untergeordnetee Rolle (siehe Kapitel 6.1). Für die Klasse N1 wurden, neben dem konventionellen Dieselantrieb, ein CNG Antrieb, sowie ein Micro- und ein Mild-Hybrid untersucht. Das Einsatzprofil der Fahrzeugklasse N2 ist dem der Klasse N1 zwar grundsätzlich ähnlich, die höhere Fahrzeugmasse macht elektrische Antriebe hier jedoch nicht darstellbar (sieh Kapitel 3.3.2). Derzeit gibt in der Fahrzeugkategorie N2 kaum Fahrzeuge mit alternativem Antrieb auf dem Markt. Die meisten befinden sich derzeit noch im Testbetrieb oderr es handelt sich um Versuchsfahrzeuge (siehe Tabelle 2-5). Tabelle 2-4: Spezifikationenn Fahrzeugklasse N2 Tabelle 2-5: Marktübersicht alternativer Antriebe Fahrzeugklasse N2 Herstellerangaben) Gesamtgewicht Leistung VKM E Antrieb Hersteller Typ [t] [kw] [kw] CNG IVECO Daily CNG 6,5 100 Reichweite (CNG/E Antrieb) [km] 440 Tank Traktions (alterntiv) batteriee 36kg CNG (Quellen: Status Serienfahrzeuge Hybrid Mitsubishi Fuso Canter Eco Hybrid 7,5 Mercedes Artego blue tec hybrid LiIon LiIon Testbetrieb Testbetrieb Brenn stoffzell Hytruck 7, (PEM BZ) (2x30kW W)? 5,8kg H2 (350bar) LiIon Versuchsfahrzeug 6 NANUPOT

17 2.3 Fahrzeugklasse N3 In der Fahrzeugklasse sind schwere LKWs mit einem Gesamtgewicht >12 t zusammengefasst. Diese Fahrzeuge werden auf unterschiedlichen Gebieten eingesetzt. So kommen sie neben dem Werk- und Verteil-Verkehr auch imm Fernverkehr zum Einsatz. Somit ergeben sich auch sehr unterschiedliche jährliche Nutzungsintensitäten. In Österreich waren etwa Fahrzeuge der Klasse N3 zugelassen (siehe Kapitel 6.1). In dieser Klasse wurden konventionelle Antriebe und Hybridantriebee untersucht. Hier ist anzumerken, dass in dieser Fahrzeugklasse auch Erdgasfahrzeugee am Marktt verfügbarr sind. Diese sind jedoch Primär für den Kommunal- und Sammelverkehr ausgelegt, werden aber auch als Transporter für den Verteilverkehr angeboten. Dort können Sie in dicht besiedelten Gebieten bei strikten Emissionsbestimmungen erforderlich e sein. Tabelle 2-6: Spezifikationenn Fahrzeugklasse N3 N3 (Quellen: Tabelle 2-7: Marktübersicht alternativer Antriebe Fahrzeugklasse Herstellerangaben) Gesamt gewicht VKM E Antrieb (CNG/E Antrieb) (alterntiv) Hersteller Typ [t] [kw] [ kw] [km] Leistung Reichweite Tank CNG Mercedes ECONIC CNT 2 Achser ca. 400km 92kg CNG Mercedes ECONIC CNT 3 Achser ca km 92kg CNG Traktions Status batterie Serienfahrzeug Serienfahrzeug Hybrid Volvo FE Hybrid LiIon Testbetrieb 2.4 Fahrzeugklasse N3 Sattelzug In der Österreichischen Kraftfahrzeugstatistik sind Sattelzugmaschinen gesondert ausgewiesen (prinzipiell könnten sie aber auch zur Klasse N3 gezähltt werden). Sattelzugmaschinen werden überwiegend im Fernverkehr mit sehr hohen jährlichen Kilomieterleistungen eingesetzt. In registriert. Österreich sind etwa Sattelzugmaschinenn 7 NANUPOT

18 In der Analyse wurde neben dem konventionellen Diesel Anrieb auch ein Hybridantriebb untersucht. Bei Sattelzugmaschinenn gibt es zurzeit heute h noch keine alternativen n Antriebsysteme auf dem Markt. Es gibt jedoch Versuche V CNG Antrieben in Sattelzugmaschinen zu integrieren. Hier steht dem Vorteil der niedrigeren Emissionen jedoch der Nachteile der geringeren Reichweite gegenüber. Tabelle 2-8: Spezifikationenn Fahrzeugklasse N3-Sattelzug 8 NANUPOT

19 3 Technische Analyse Die technische Analyse der Verbrauchs-Potentiale effizienter Nutzfahrzeugantriebe für einen nachhaltigen Straßengüterverkehr bis 2050 gliedert sich in mehrere Abschnitte. Insbesondere wird die Analyse in 2 Stufen durchgeführt: Nach der Aufarbeitung des aktuellen Standes der Technik werden zunächst die Potentiale basierend auf dem heutigen Stand der Technik hinsichtlich 2010 ausgewertet. Die weitergehende Bewertung der Potentiale aus längerfristiger Sicht also bis 2050 erfolgt dann in einem zweiten Schritt. Diese langfristige Bewertung basiert auf Abschätzungen, die in Form zahlreicher Gespräche und Diskussionen mit Experten der AVL quer durch den gesamten Bereich der Antriebsstrang Technologie erarbeitet wurden. Im Folgenden ist die grundlegende Struktur der technischen Analyse und des Berichtes angeführt: Definition der Fahrzeuge Definition der Referenzzyklen Definition der Antriebe & Komponenten Definition der Werkzeuge (AVL CRUISE, EXCEL) Bewertung der Potentiale aus Sicht 2010 Bewertung der Potentiale bis Definition der Fahrzeuge Die Festlegung eines typischen Fahrzeuggewichtes für die Nutzfahrzeugklassen erfolgte auf Basis einer statistischen Erhebung des Österreichischen Nutzfahrzeugmarktes. Der Gewichtsvorgabe entsprechend wurde im nächsten Schritt für jede Fahrzeugklasse ein passendes Referenzfahrzeug definiert, welches auch die für die jeweilige Fahrzeugklasse charakteristische Fahrzeugverwendung widerspiegelt, siehe Tabelle 3-1. Tabelle 3-1: Referenzgewichte- und Fahrzeuge für die ausgewählten Fahrzeugklassen Fahrzeugklassen: N1 N2 N3 N3 Sattelzug*** Gewichte: 3t Fahrzeug: Mercedes Sprinter 9t Mercedes Atego 2 21t MFTBC SG40t - 21t 35t MFTBC SG40t - 35t In der Fahrzeugklasse N1 wurde der Mercedes-Benz Sprinter 316 CDi als typischer Vertreter eines Liefer-Fahrzeuges im Stadt- und Nahverkehr gewählt. Bei 2350kg Eigenmasse des Fahrzeuges ergibt sich eine für z. B. Paketzustellung charakteristische mittlere Nutzlast von 650kg. Als Antrieb wurde ein 2.2L IL4 TDi Dieselmotor mit 120kW maximaler Leistung 9 NANUPOT

20 vorgesehen. Zusätzlich wurde in der Simulation auch ein 2.0L IL4 Tx Bi-fuel CNG (Compressed Natural Gas) Motor mit 130kW maximaler Leistung berücksichtigt (aufgrund der zunehmenden Verbreitung von CNG Motoren in dieser Fahrzeugklasse). Ein 5-Gang Automatikgetriebe (AMT 5), von einem verbrauchsoptimalen Schaltprogramm gesteuert, ermöglicht das simulierte Durchfahren verschiedener Fahrzyklen ohne jeglichen Fahrereinfluß. Als Referenzfahrzeug der Fahrzeugklasse N2 dient der Mercedes-Benz Atego 2. Mit 4500kg Eigenmasse und 4500kg Nutzlast ergibt sich eine typische Anwendung, z. B. für die Belieferung von Supermärkten von einem Zentrallager aus. Als Antriebe wurden wiederum ein Dieselmotor (5.8L IL6 TDi, 150kW max. Leistung) und ein CNG Motor (7.8L IL6, 175kW max. Leistung) vorgesehen. Ein 12-Gang Automatikgetriebe (AMT 12) mit verbrauchsoptimalem Schaltprogramm repräsentiert ein für die Klasse übliches Getriebe. Für die Fahrzeugklasse N3 und den Sattelzug wurde ein Mitsubishi-Fuso SG40t als Referenzfahrzeug gewählt. Der 40-Tonner mit 12t Eigengewicht wird standardmäßig im Überland- und Fernverkehr eingesetzt. Für die Variante N3 wurde eine Nutzlast von 9t definiert. Für den Sattelzug wurde eine Nutzlast von 23t gewählt, die etwas unter der maximalen Nutzlast von 28t liegt, um dem Umstand Rechnung zu tragen, daß im Fernverkehr Leerfahrten nicht zu vermeiden sind. Die Motorisierung erfolgt hier ausschließlich durch einen 12.8L IL6 TDi Dieselmotor mit 290kW max. Leistung, auch langfristig sieht man für alternative Kraftstoffe und Verbrennungstechnologien im Fernverkehr kaum Potential. Als Getriebe dient wieder ein 12-Gang Automatikgetriebe (AMT 12) mit verbrauchsoptimalem Schaltprogramm. 3.2 Definition der Referenzzyklen Die Referenzzyklen sollen der bereits erwähnten charakteristischen Verwendung der Referenzfahrzeuge Rechnung tragen und sind daher in unterschiedlicher Gewichtung aus den ARTEMIS (A) Zyklen für Stadt, Land und Autobahn aufgebaut, siehe Tabelle 3-2. Tabelle 3-2: Referenzzyklen für die ausgewählten Fahrzeugklassen Fahrzeugklassen: N1 N2 N3 N3 Sattelzug*** Gewichte: A* urban A* road A* highway SHS** Fahrzeug: 3t Mercedes Sprinter 9t Mercedes Atego 2 21t MFTBC SG40t 21t 35t MFTBC SG40t 35t 10 NANUPOT

21 Die ARTEMIS Zyklen sind grundsätzlich für PKW definiert und geben daher Geschwindigkeiten bis zu 130km/h sowie recht hohe Beschleunigungswerte vor, wie in Abbildung 3-1 ersichtlich. Um die für Nutzfahrzeuge der Klassen N2 und N3 typischen Anwendungsbereiche und Beschleunigungen abzubilden, wurden die ARTEMIS Zyklen für diese Klassen in Geschwindigkeit (max. 100km/h) und Zeit (Dehnung um Faktor 2) skaliert und mit entsprechender Gewichtung wie in Tabelle 3-2 angegeben zu einem Zyklusmix zusammengesetzt. Die Mischzyklen sind in Abbildung 3-2 bis Abbildung 3-4 dargestellt. Für den 40t Sattelzug wurde zusätzlich auf den Stuttgart Hamburg Stuttgart (SHS) Zyklus (Abbildung 3-5) zurückgegriffen, der für europäischen Fernverkehr (und damit auch für Österreich) charakteristisch ist. Im Fernverkehr wird üblicherweise mit Tempomat eine konstante Geschwindigkeit von 90km/h gefahren. Um das realistische Leistungsprofil des Antriebsstranges abzubilden und Verbesserungspotentiale aufzeigen zu können, wird als variable Belastung daher zusätzlich das Höhenprofil des Referenzzyklus berücksichtigt, siehe Abbildung Artemis Zyklen in NANUPOT Artemis urban Artemis road Artemis motorway Geschwindigkeit (km/h) Zeit (s) Abbildung 3-1: Artemis Zyklen (definiert für PKW) 11 NANUPOT

22 140 Artemis Zyklen Mix - NANUPOT - N1 120 Geschwindigkeit (km/h) Zeit (s) Abbildung 3-2: Artemis Zyklen Mix für die Fahrzeugklasse N1 (keine Skalierungen) 120 Artemis Zyklen Mix - NANUPOT - N2 100 Geschwindigkeit (km/h) Zeit (s) Abbildung 3-3: Artemis Zyklen Mix für die Fahrzeugklasse N2 (in Geschwindigkeit- und Zeitachse skaliert) 12 NANUPOT

23 120 Artemis Zyklen Mix - NANUPOT - N3 100 Geschwindigkeit (km/h) Zeit (s) Abbildung 3-4: Artemis Zyklen Mix Zeitachse skaliert) für die Fahrzeugklasse N3 (in Geschwindigkeit- und Abbildung 3-5: Europäischer HD Referenzzyklus (Stuttgart Hamburg H Stuttgart) 13 NANUPOT

24 Stuttgart - Hamburg - Stuttgart European HD reference driving cycle altitude (m) distance (km) Abbildung 3-6: Höhenprofil Europäischer HD Referenzzyklus (Stuttgart Hamburg Stuttgart) im 3.3 Definition der Antriebe & Komponenten Bei der Festlegung jener Antriebe, die zur Untersuchungg herangezogen werden, wurde versucht, alle hierbei relevanten Systeme zu berücksichtigen. Folgende Antriebsysteme und Technologien wurden dabei in Betracht gezogen: Verbrennungskraftmaschinen: Diesel und CNG. Der Dieselmotor stellt im Nutzfahrzeug- bereich nach wie vor den dominierenden Antrieb dar. Zusätzlich sind vereinzelt auch CNG (Erdgas) Motoren zu finden, deren Verbreitung sich in den d nächsten Jahrzehnten noch steigern wird. Micro Hybrid: Unter Micro Hybriden versteht man konventionelle Antriebe, die zusätzlich über eine so genannte Start-Stop-Automatik verfügen, die den Motor bei Stillstand des Fahrzeugs abstellt und beim Lösen des Bremspedals wieder startet. Weiters kannn über das System der Lichtmaschinenbetrieb optimiert und ein geringe Anteil derr Bremsenergie zurückgewonnenn werden. Da keine elektrische Antriebsenergie zur Verfügung gestellt wird, handelt es sich definitionsgemäß nicht um einen Hybridantrieb im eigentlichen Sinn, sondern eher um einee Maßnahme zur Effizienzverbesserungg für konventionelle Antriebe. Mild-Hybride: Bei Mild Hybriden wirken sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor auf die Antriebsräder ( daher auch Parallelhybrid, siehee Abbildung 3-7). Der 14 NANUPOT

25 Elektromotor ist im Vergleich zum Verbrennungsmotor deutlich leistungsschwächer, verfügt aber über ein relativ hohes Drehmoment. Er kommt daher vor allem bei der Beschleunigung des Fahrzeuges (Boost Betrieb) und der Rückgewinnung von Bremsenergie (Rekuperation) zum Einsatz. Zur Optimierung der Effizienz des Verbrennungsmotorbetriebes kann mit Hilfe des Elektromotors auch eine Lastanhebung des VKM Betriebspunktes durchgeführt werden: Dabei wird in der VKM mehr Leistung produziert als für das Fahren nötig ist. Die Differenzleistung wird im Energiespeicher abgelegt und steht für spätere Beschleunigungsphasen als Boost-Energie zur Verfügung. Rein elektrisches Fahren ist mit einem Mild-Hybrid Antrieb per Definition nicht möglich. Voll Hybride: Zentraler Unterschied zum Mild Hybrid ist, dass beim Vollhybrid der E-Motor deutlich stärker ist und somit das Fahrzeug auch rein elektrisch fahren kann. Aufgrund der begrenzten Speicherkapazität der Batterien beschränkt sich die elektrische Reichweite auf wenige Kilometer. Oft kommen bei Voll Hybriden so genannte leistungsverzweigte Antriebstränge (auch e-cvt oder Power Split, siehe Abbildung 3-7) mit zwei elektrischen Maschinen (Motor & Generator) und einem Planetensatz zum Einsatz. Durch intelligente Steuerung ist ein optimales Zusammenspiel dieser Komponenten möglich, wodurch einerseits der Verbrennungsmotor fast immer im optimalen Drehzahlbereich gehalten und andererseits viel Bremsenergie zurück gewonnen werden kann. Voll Hybride erreichen eine deutlich höhere Effizienz als Mild Hybride, sind aber technisch aufwändiger und damit teurer. Abbildung 3-7: Schematische Darstellung der 3 grundlegenden Hybrid-Topologien Plug-In Hybride & Range Extender: Wie der Name andeutet sind Plug-In Hybride Fahrzeuge, die am Stromnetz aufgeladen werden können. Sie verfügen im Allgemeinen über eine deutlich größere elektrische Speicherkapazität als einfache Hybride und daher über eine wesentlich größere elektrische Reichweite. Plug-In Hybrid ist eigentlich ein Überbegriff. Es 15 NANUPOT

26 kann sich dabei sowohl um parallele als auch um serielle Antriebskonfigurationen handeln (siehe Abbildung 3-7). Plug-Ins können prinzipiell in zwei Modi betrieben werden: Charge sustaining mode Hybrid Modus: In diesem Modus wird das Fahrzeug so betrieben, dass der Ladezustand der Batterie im Mittel nicht sinkt. Dies entspricht dem Standardmodus eines Voll-Hybrides. Charge depleting mode Elektro Modus: In diesem Modus wird das Fahrzeug hauptsächlich durch den Elektromotor angetrieben, die VKM wird nur aktiviert, wenn die Batterieleistung für den Fahrbetrieb nicht ausreicht. Wenn die Batterieenergie ein festgelegtes Niveau unterschreitet wechselt der Antrieb wieder in den Hybrid Modus (charge sustaining mode). Beim Plug-In Fahrzeug, das in dieser Studie für die Klasse N1 untersucht wurde, wurde angenommen, dass das Fahrzeug grundsätzlich immer im Elektro-Modus fährt. Die Batterieleistung wurde mit 60kW begrenzt, sodaß im städtischen Bereich ein rein elektrischer Fahrbetrieb möglich ist. Der Verbrennungsmotor läuft nur im Bestpunkt. Er ist mechanisch nicht mit den Antriebsrädern gekoppelt, sondern treibt einen Generator an, um auf diese Weise den Strom für den elektrischen Antrieb bereitzustellen (Serien Hybrid Konfiguration). Der Verbrennungsmotor fungiert quasi als Notstromaggregat und wird nur im Bedarfsfall eingeschaltet. Daher wird der Verbrennungsmotor in dieser seriellen Konfiguration auch als Range-Extender bezeichnet. Elektrofahrzeuge: Das reine Elektrofahrzeug besitzt ausschließlich einen elektrischen Antrieb und bezieht die gesamte Energie aus einer Batterie, welche am Netz geladen wird. Aufgrund der nach wie vor begrenzten Batteriekapazitäten ist die Reichweite des Elektrofahrzeuges im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor eher gering. Brennstoffzellen-Hybrid: Der Brennstoffzellen-Hybrid ist prinzipiell ein Elektrofahrzeug, in dem ein Brennstoffzellensystem die Fahrenergie bereitstellt. Eine Batterie dient als Leistungspuffer, um die Brennstoffzelle möglichst stationär und damit schonend zu betreiben, und als Energiespeicher für Rekuperationsenergie. In dem hier betrachteten System wird die primäre Energie in Form von Wasserstoff in das Fahrzeug eingebracht und bei Bedarf in der Brennstoffzelle in Strom umgewandelt. Der Wasserstoff wird in der Regel bei hohem Druck ( bar) gespeichert. Die Brennstoffzelle stellt 2010 eine noch relativ unausgereifte Komponente mit hohem Preis und noch nicht serientauglicher Dauerhaltbarkeit für NFZ-Anwendungen dar. Bis 2050 wird angenommen, dass durch technische Entwicklungen das gesamte Brennstoffzellensystem (Zelle & H2-Tanks) auf eine kompakte Einheit reduziert werden kann. Für die Betrachtung des Wirkungsgrades wird 16 NANUPOT

27 ferner angenommen, daß die Brennstoffzelle im Zyklus generell im günstigsten Effizienzbereich betrieben wird. Batterien: In diesem Projekt wurden ausschließlich Li-Ionen Batterien als Traktionsbatterien untersucht, da dieser Technologie für den Zeitraum sowohl für Hybride als auch für Elektrofahrzeuge das höchste Potential zugeschrieben wird. Bei den Batterien wurde davon ausgegangen, dass 2010 bei auf Energiedichte optimierten Batterien eine spezifische Energie von 100Wh/kg und bei auf Leistung optimierten Batterien eine spezifische Leistung von 2kW/kg erreicht wird. Für den Zeitraum bis 2050 wurde angenommen, dass sich diese beiden Werte verdoppeln, was zu einer Halbierung des Batteriegewichts in den Fahrzeugen führt. Tabelle 3-3 zeigt die Matrix der für die Abschätzung der Verbrauchs-Reduktionspotentiale aus Sicht 2010 betrachteten Antriebssysteme und Maßnahmen sowie ihre Zuordnung zu den gewählten Fahrzeugklassen. Tabelle 3-3: Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion aus Sicht 2010 Maßnahmen aus Sicht 2010 Real life Heißstart Zyklen CRUISE Pot As Potentiale: Micro Hybrid Mild Hybrid Full Hybrid Plug In Range Extender Electric Vehicle Brennstoffzelle FZG VKM Fahrzeug Nebenaggregate Strategie Fahrzeugklasse Gewicht Fahrzeug Start Stop Recuperation Boost Load point moving Electric Driving e CVT Serial Hybrid Electric Energy H2 Energy Downsizing Waste Heat Recovery Downspeeding Reduktion Fahrwiderst. Elektrifizierung AUX GPS based EMM N1 N2 N3 N3 Sattelzug*** 3t 9t 21t 35t Mercedes Sprinter Mercedes Atego 2 MFTBC SG40t 21t MFTBC SG40t 35t Alle verbrauchssenkenden Maßnahmnen bzw. Antriebstechnologien lassen sich vom Charakter her einem der 3 grundlegenden Bereiche des Energiekonzeptes zuordnen: Energiewandlung Energietransfer Energiebedarf Abbildung 3-8: Zuordnung der Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion aus Sicht 2010 Die topologieunabhängigen Maßnahmen werden im Folgenden erläutert: Downsizing: Durch eine Verkleinerung des Hubraumes wird das Lastprofil der VKM zu höheren Mitteldrücken und entsprechend besseren spezifischen Verbräuchen verschoben. Diese Maßnahme ist begrenzt durch die Limitierung der zulässigen Motorspitzendrücke während der Verbrennung NANUPOT

28 Waste Heat Recovery: Ein Teil der Abgaswärme bleibt bei heutigen, bereits weitgehend optimierten Verbrennungsmotoren nach wie vor ungenützt. Diese Wärme kann abgeführt und in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt werden, die dann ihrerseits für verbrauchssenkende Maßnahmen eingesetzt wird. Die Berechnung des Potentials durch Waste Heat Recovery wird in der vorliegenden Studie für Diesel Motoren detailliert ausgeführt und wurde dann auf CNG Motoren übertragen. Downspeeding: Eine Verlängerung der Endübersetzung (d.h.. kleineres Übersetzungsverhältnis des Final Drive) führt in einem gegebenen VKM Arbeitspunkt zu kleineren Motordrehzahlen. Bei geeigneter Auslegung des Triebstranges kann hiermit wiederum das Lastprofil der VKM zu besseren spezifischen Verbräuchen verschoben werden. Reduktion Fahrwiderstand: Durch Verringerung des Fahrwiderstandes wird der grundsätzliche Energiebedarf für das Fahren geringer, womit auch weniger Primärenergie aufgewendet werden muß. Potential zur Absenkung des Fahrwiderstandes gibt es sowohl in der Rollreibung als auch im Luftwiderstand des Fahrzeuges in jeweils unterschiedlicher Größenordnung. Elektrifizierung der Nebenaggregate (AUX): Im heute üblichen Triebstrang sind die fahrzeugbezogenen Nebenaggregate (Lichtmaschine, Klimakompressor, Luftkompressor, Lenkhilfpumpe) neben den motorbezogenen Nebenaggregaten mechanisch fix an die Kurbelwellendrehzahl gekoppelt. Damit ergeben sich auch bei Nichtbenützung der Aggregate ständig Reibungsverluste. Diese können durch (zumindest teilweise) Elektrifizierung der Nebenaggregate deutlich vermindert oder gänzlich vermieden werden. GPS basiertes Energiemanagement: Durch Ausnutzung der GPS Daten kann bei Fahrten entlang einer Strecke mit bekanntem Höhenprofil das Energiemanagement der Batterie vorausschauend betrieben und damit optimiert werden. Zum Beispiel wird die Batterie über Gebühr (im Sinne einer Verbrauchsabsenkung) entladen, wenn das System weiß, daß in Kürze eine längere Bergabfahrt erfolgt Fahrzeugvarianten und Komponenten N1 Aufgrund der Definition der zu untersuchenden Maßnahmen (Tabelle 3-3) ergibt sich die Matrix der in der Simulation betrachteten Fahrzeuge, die in Tabelle 3-4 für die Klasse N1, in Tabelle 3-6 für die Klasse N2 und in Tabelle 3-8 für die Klasse N3 dargestellt sind. Diese Matrizen beinhalten für jedes Fahrzeug die Beschreibung der wichtigsten Systemparameter (z. B. Antriebsleistung, Gewichte), die als Randbedingung festgelegt wurden NANUPOT

29 Die Definition der E-Maschinen Leistung basiert teilweise auf der Auswertung der Rekuperationspotentiale: Abbildung 3-9 zeigt eine Auswertung des Rekuperationspotentials für die Referenzfahrzeuge der Klasse N1 in Abhängigkeit von der E-Maschinen Größe für den betrachteten Fahrzyklus. Für E-Maschinen jenseits der 40kW tritt eine Sättigung ein, sodaß mit zunehmender E-Maschinen Größe kaum noch eine Steigerung des Verbrauchspotentials erzielt werden kann. Nach Maßgabe des Rekuperationspotentials ist also eine 40kW E-Maschine für den Vollhybrid ausreichend. Zusätzlich sind Manipulationen des VKM-Lastkollektives wie z. B. Lastanhebung und elektrisches Fahren (typisch bis zu 50km/h für den Stadtverkehr und leistungsbegrenzt) mit einer 40kW E-Maschine sehr gut realisierbar. Für den Mild Hybrid ist aufgrund der eingeschränkten Funktionalität eine 20kW E-Maschine ausreichend. Tabelle 3-4: Matrix der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N1 Zul. Fahrzeugmasse (t) Referenzgewicht (t) Systemleistung Antriebsystem Gesamt (kw) VKM (kw) E Motor (kw) Kraftstoff gesamt (km) Reichweite Tanksystem Batteriesystem Gewicht Fassungsvermögegewicht Eigen emissions frei Technologie (kwh) Kapazität Technologie (km) (l,kg) (kg) Sattelauflieger/Anhänger max Zuladung (kg) max Leergewicht Zuladung (kg) (kg) Konventionell (Diesel) Diesel 1000 flüssig Konventionell (CNG) CNG 400 (600) CNG 200bar + Benzintank 40kg CNG / 20l Benzin Micro Hybrid (Diesel) Diesel 1000 flüssig Micro Hybrid (CNG) CNG 400 (600) CNG 200bar + Benzintank 40kg CNG / 20l Benzin Mild Hybrid (Diesel) Diesel 1000 flüssig 80 Li Ion N1 <3,5t 3,5 3 Mild Hybrid (CNG) CNG 400 (600) CNG 200bar + Benzintank 40kg CNG / 20l Benzin Li Ion Full Hybrid (Diesel) Diesel 1000 flüssig 80 Li Ion Full Hybrid (CNG) CNG 400 (600) CNG 200bar + Benzintank 40kg CNG / 20l Benzin Li Ion Plug In Hybrid (Benzin) Benzin flüssig 40 Li Ion Plug In Hybrid (Diesel) Diesel flüssig 40 Li Ion Elektrofahrzeug BEV Srom Li Ion Brennstoffezellen FZ kW BZ 100 H H2 700bar 5 Li Ion NANUPOT

30 Fuel reduction potential (%) Fuel reduction potential vs. E-machine power (N1) E-machine power (kw) Abbildung 3-9: Auslegung der Nennleistung der E-Maschine nach Maßgabe des Rekuperations- Angebotes (N1, Mild und Full Hybrid) Die Fahrzeugvarianten Plug-In Hybrid, Elektrofahrzeug und Brennstoffzellen-Fahrzeug müssen den gesamten Fahrbetrieb mit der E-Maschine abdecken, sodaß hier eine deutlich leistungsstärkere 100kW E-Maschine ausgewählt wurde. Weitere Randbedingungen für die Fahrzeugkomponenten und Verbesserungspotentiale der Klasse N1 aus Sicht 2010 sind in Tabelle 3-5 angeführt: Für den leistungsverzweigten Antrieb (e-cvt, Power Split) wird ein mittlerer Wirkungsgrad von 85% angesetzt, die Maßnahme der Elektrifizierung der Nebenaggregate wird mit einem Potential von 38% Energiereduktion bemessen, und das Potential für die Reduktion des Fahrwiderstandes ist mit 5% für den Luftwiderstand und 20% für den Rollwiderstand angenommen. Tabelle 3-5: Randbedingungen der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N1 Stand 2010 N1 N1 3t 3t Mercedes Sprinter Mercedes Sprinter Diesel CNG EM: 20kW, 500Nm Mild EM: 20kW, 500Nm Mild EM: 40kW, 1000Nm Full EM: 40kW, 1000Nm Full EM: 100kW RE & EV EM: 100kW RE & EV BAT: 35kWh RE & EV BAT: 35kWh RE & EV ecvt: 85% average ecvt: 85% average AUX: -38% power reduction AUX: -38% power reduction Fahrwid.: cw -5%, fr -20% Fahrwid.: cw -5%, fr -20% Fahrzeugvarianten und Komponenten N NANUPOT

31 Tabelle 3-6: Matrix der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N2 Systemleistung Kraftstoff Reichweite Tanksystem Batteriesystem Gewicht Sattelauflieger/Anhänger Zul. Fahrzeugmasse (t) Referenzgewicht (t) emissions frei Antriebsystem Gesamt (kw) VKM (kw) E Motor (kw) gesamt (km) Technologie (km) Techno logie Kapazität (kwh) Fassungsvermögen (l,kg) Eigengewicht (kg) max Zuladung (kg) Leergewicht (kg) max Zuladung (kg) Konventionell (Diesel) Diesel 500 flüssig 200 4,500 7,500 Konventionell (CNG) CNG 300 CNG-200bar + Benzintank 90 4,500 7,500 Micro Hybrid (Diesel) Diesel 500 flüssig 200 4,500 7,500 N2 <12t 12 9 Micro Hybrid (CNG) CNG 300 CNG-200bar + Benzintank 90 4,500 7,500 Mild Hybrid (Diesel) Diesel 500 flüssig 200 Li-Ion 5 4,600 7,400 Mild Hybrid (CNG) CNG 300 CNG-200bar + Benzintank 90 Li-Ion 5 4,600 7,400 Die für die Simulation betrachteten Fahrzeuge der Klasse N2 beinhalten nur mehr Micro- und Mild- Hybridisierung, da elektrisches Fahren für die schweren Fahrzeuge nicht effizient realisierbar ist. Die Auslegung der E-Maschinen Größe erfolgt wie in der Klasse N1 nach Maßgabe der Rekuperationspotentiale (siehe Abbildung 3-10). Die Randbedingungen für die Fahrzeugkomponenten und Verbesserungspotentiale der Klasse N2 aus Sicht 2010 sind in Tabelle 3-7 angeführt Fuel reduction potential vs. E-machine power (N2) Fuel reduction potential (%) E-machine power (kw) Abbildung 3-10: Auslegung der Nennleistung der E-Maschine nach Maßgabe des Rekuperations-Angebotes (N2, Mild Hybrid) Tabelle 3-7: Randbedingungen der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N2 Stand NANUPOT

32 N2 N2 9t 9t Mercedes Atego 2 Mercedes Atego 2 Diesel CNG EM: 40kW, 1000Nm EM: 40kW, 1000Nm BAT: 5kWh BAT: 5kWh ecvt: 85% average ecvt: 85% average AUX:-29% power reduction AUX:-29% power reduction Fahrwiderstand: cw -20% Fahrwiderstand: cw -20% Fahrzeugvarianten und Komponenten N3 Tabelle 3-8: Matrix der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N3 Systemleistung Kraftstoff Reichweite Tanksystem Batteriesystem Gewicht Sattelauflieger/Anhänger Zul. Fahrzeugmasse (t) Referenzgewicht (t) emissions frei Antriebsystem Gesamt (kw) VKM (kw) E Motor (kw) gesamt (km) Technologie (km) Techno logie Kapazität (kwh) Fassungsvermögen (l,kg) Eigengewicht (kg) max Zuladung (kg) Leergewicht (kg) max Zuladung (kg) Konventionell (Diesel) Diesel 2000 flüssig ,000 11,000 5,000 7,000 N3 >12t Mild Hybrid (Diesel) Diesel 2000 flüssig 1000 Li-Ion 10 7,200 10,800 5,000 7,000 N3 Sattelzugmaschine Konventionell (Diesel) Diesel 2000 flüssig ,000 16,000 5,000 12,000 Mild Hybrid (Diesel) Diesel 2000 flüssig 1000 Li-Ion 12 7,200 15,800 5,000 12,000 Die für die Simulation betrachteten Fahrzeuge der Klasse N3 beinhalten nur mehr eine Mild- Hybridisierung, da neben dem Wegfall des elektrischen Fahrens (wie in der Klasse N2) hier aufgrund der typischen Fahrzeugverwendung im Überland- und Fernverkehr auch eine Start- Stop Funktionalität nicht mehr angebracht ist. Die Auslegung der E-Maschinen Größe erfolgt grundsätzlich nach Maßgabe der Rekuperationspotentiale (siehe Abbildung 3-11), jedoch gibt es zusätzlich eine Leistungsbegrenzung der E-Maschine hinsichtlich der Parameter Bauraum und Kosten. Eine mögliche 300kW E-Maschine, wie sie aus Abbildung 3-11 für eine optimale Nutzung des Rekuperations-Angebots folgt, wäre außerdem für die erforderlichen Lastpunkt-Manipulationen des VKM-Betriebs deutlich überdimensioniert. Weitere Randbedingungen für die Fahrzeugkomponenten und Verbesserungspotentiale der Klasse N3 aus Sicht 2010 sind in Tabelle 3-9 angeführt NANUPOT

33 Fuel reduction potential (%) Fuel reduction potential vs. E-machine power (N3) E-machine power (kw) Abbildung 3-11: Auslegung der Nennleistung der E-Maschine nach Maßgabe des Rekuperations-Angebotes (N3 und N3 Sattelzug, Mild Hybrid) unter Berücksichtigung von Bauraum und Kosten Tabelle 3-9: Randbedingungen der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N3 Stand 2010 N3 N3 Sattelzug*** 21t 35t MFTBC SG40t - 21t MFTBC SG40t - 35t Diesel Diesel EM: 120kW, 1000Nm EM: 150kW, 1500Nm BAT: 10kWh BAT: 12kWh Downsizing: 12,8-10,0L Downsizing: 12,8-10,0L Downspeeding: 2,73-2,40 Downspeeding: 2,73-2,40 AUX: -21% power reduction AUX: -21% power reduction Fahrwiderstand: cw -20% Fahrwiderstand: cw -20% 3.4 Definition der Werkzeuge (AVL CRUISE, EXCEL) Die in den vorhergehenden Kapiteln beschriebenen Fahrzeuge und Antriebssysteme wurden mit dem Programmpaket AVL CRUISE nach Maßgabe der beschriebenen Randbedingungen und definierten Fahrzyklen simuliert. AVL CRUISE ist eine Simulations- Entwicklungsumgebung zur Berechnung von Verbrauch, Emissionen und Performance sowie zur Auslegung von Triebsträngen und deren Komponenten. Durch Zusammensetzen der Antriebstränge in Form einzelner Module können in AVL CRUISE beliebige Antriebssysteme realisiert und berechnet werden. Die physikalischen Eigenschaften werden dabei durch Systeme (gekoppelter) gewöhnlicher Differentialgleichungen erster Ordnung beschrieben, Wirkungsgrade sind in Form von Kennfeldern dargestellt. Ein Fahrerregler simuliert das Fahrerverhalten während der Simulation und ermöglicht so das simulierte Durchfahren 23 NANUPOT

34 beliebiger Fahrzyklen und Manöver. Durch die Gleichungslöser können auch komplexe Modelle rasch Verwendung hochentwickelter in Echtzeit berechnet werden. Abbildung 3-12 bis Abbildung 3-14 zeigen schematisch die Simulationsmodelle der Referenzfahrzeuge für die Klassen N11 bis N3 in AVL CRUISE. Um Ergebnissee für die Verbrauchs- -Einsparungspotentialee und Systemwirkungsgrade der unterschiedlichen Hybridvarianten zuu erhalten, wurde einee Nachbearbeitung der CRUISE Simulationsergebnisse nach Maßgabe eines in AVL entwickelten Potential- Abschätzungstools durchgeführt. Dieses auf MS-Excel basierende Werkzeug verwendet die mit AVL CRUISE erzeugten Daten, um damit für den gesamten Parameterbereich Potentialee der Energieeinsparung zu erkennen und zu berechnen. Dafürr werden bestimmtee Randbedingungen, wie Größe der E-Maschinen, mittlere Wirkungsgrade der elektrischen Komponenten und die jeweils anwendbare Hybrid Funktionalität und Betriebsstrategiee voreingestellt, um dann für verschiedene Hybridvarianten eines e Basis-Antriebsstranges die Einsparungspotentiale und Wirkungsgrade zu erhalten. Diee für die Auswertung benötigtenn CRUISE Daten werden in den Fahrzeugmodellen in dem Modul Potential Evaluation gesammelt und zur weiteren Berechnung nach EXCEL exportiert. Abbildung 3-12: Referenzfahrzeug N1 in schematischer Darstellung D Simulations-Software in der AVL CRUISE 24 NANUPOT

35 Abbildung 3-13: Referenzfahrzeug N2 in schematischer Darstellung D Simulations-Software in der AVL CRUISE Abbildung 3-14: Referenzfahrzeug N3 in schematischer Darstellung D Simulations-Software 25 in der AVL CRUISE NANUPOT

36 3.5 Bewertung der Potentiale aus Sicht 2010 In diesem Abschnitt sind die Ergebnisse der Verbrauchs-Verbesserungspotentiale der einzelnen Fahrzeug- und Hybridmaßnahmen sowie die Komponenten- und System- Wirkungsgrade dargestellt. Die Verbrauchspotentiale für die Fahrzeugklassen- und Motorvarianten sind jeweils für jene Maßnahmen farbig hinterlegt, welche für das jeweilige System relevant sind. So ist z. B. die Maßnahme des Downsizing in der Fahrzeugklasse N1 nicht betrachtet, und der zugehörige Balken im Diagramm ist ausgegraut. Die Verbrauchspotentiale werden in Prozent in Bezug auf das Basisfahrzeug (ohne Hybrid- oder Verbesserungsmaßnahmen) dargestellt. Es ist zu beachten, daß die Potentiale in der dargestellten Anordnung bzw. Abfolge (von links nach rechts) berechnet wurden. Diese Anordnung entspricht im Prinzip der üblichen Reihenfolge der Umsetzung von Verbesserungsmaßnahmen, wie sie in einem Entwicklungsprojekt eingesetzt werden. Eine Änderung der Reihenfolge dieser Maßnahmen ist grundsätzlich möglich, diese würde immer auch eine geringfügige Änderung der Größe der Ergebnisbalken bewirken, da sich die einzelnen Maßnahmen bis zu einem gewissen Grad gegenseitig beeinflussen. In den folgenden Kapiteln werden nun die Ergebnisse im Detail angeführt und näher erläutert Verbrauchsreduktionspotentiale aus Sicht % Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 1.2% 6.2% Downsizing Downspeeding Start & Stop Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 100.0% 5.2% 5.7% 0.4% 4.5% 76.9% Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Reduction of Driving Resistance Abbildung 3-15: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N1 (Diesel) definierten Maßnahmen Stand 2010 Abbildung 3-15 zeigt die Ergebnisse der Verbrauchspotentiale für die Klasse N1 (Diesel Motor). Alle Maßnahmen zusammen ergeben ein Einsparungspotential von 23%. Start Stop bringt aufgrund der seltenen Leerlaufphasen des Zyklus und des guten Leerlaufverbrauches nur ca. 1%. Den größten Anteil am Verbesserungspotential ergibt die Nutzung der 26 NANUPOT

37 Rekuperationsenergie. Elektrisches Fahren (verbunden mit der Strategie der Lastanhebung LPM zur Optimierung des VKM Betriebspunkte) zeigt mit gut 5% ein ähnlich hohes Potential, da VKM Betriebszustände mit geringen Lasten und entsprechend hohen spezifischen Verbräuchen vermieden werden. Durch Einführung eines leistungsverzweigten Getriebes (e-cvt) kann das Lastkollektiv der VKM generell in den Bereich geringen spezifischen Verbrauches verschoben werden, was eine zusätzliche fast 6%-ige Einsparung ermöglicht. Gering hingegen ist der Effekt der Elektrifizierung der Nebenaggregate, sodaß diese Maßnahme in der Fahrzeugklasse N1 von geringer Bedeutung erscheint. Die Reduktion des Fahrwiderstandes schließlich ergibt ein weiteres Reduktionspotential von 4.5%. 100% Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 1.1% 6.2% Downsizing Downspeeding Start & Stop Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 100.0% 5.2% 7.8% 0.3% 4.3% 75.1% Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Reduction of Driving Resistance Abbildung 3-16: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N1 (CNG) definierten Maßnahmen Stand 2010 Abbildung 3-16 zeigt die Potentiale für die Klasse N1 mit CNG Motorisierung. Die Werte sind vergleichbar mit denen für den Dieselmotor, ausgenommen das Potential für den e-cvt Betrieb: Im Vergleich zum Dieselmotor zeigt der CNG Motor im Bereich des zyklusrelevanten Motor-Lastkollektiv ein Verbrauchskennfeld mit stärkeren Gradienten, sodaß eine Verschiebung der Motor-Betriebspunkte (bei gleicher Leistung) hin zu Bereichen optimalen spezifischen Verbrauches eine deutlich größere Verbrauchseinsparung ergibt. Die Verbrauchspotentiale für die Fahrzeugklasse N2 sind in Abbildung 3-17 und Abbildung 3-18 dargestellt und werden im Folgenden insbesondere relativ zu den Ergebnissen der Fahrzeugklasse N1 beschrieben. Die Summe der Potentiale zeigt eine mit der Klasse N1 vergleichbare Gesamteinsparung von ca. 23%, jedoch sind die Anteile der 27 NANUPOT

38 Einzelmaßnahmen verschieden: Aufgrund der höheren Fahrzeugmasse ist das Rekuperationspotential höher, und entsprechend der höheren Motorlasten ist das mittlere Zyklus-Lastkollektiv von vornherein in Kennfeldbereichen geringerer spezifischer Verbräuche angesiedelt, was wiederum zu geringeren Potentialen für den e-cvt Betrieb führt. Der Unterschied zwischen Dieselmotor und CNG Motor ist gleich wie in der Klasse N1. Elektrisches Fahren ist bei der hohen Fahrzeugmasse nicht sinnvoll darstellbar und daher ausgeschlossen. Die Elektrifizierung der Nebenaggregate zeigt mit gut 1% ein höheres Potential, weil in der Klasse N2 mit dem Luftkompressor eine zusätzliche Komponente mit relativ hohem Leistungsbedarf und entsprechendem Einsparungspotential hinzukommt. 100% Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 1.0% 7.9% Downsizing Downspeeding Start & Stop Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 100.0% 3.5% 1.1% 1.7% 7.6% 77.1% Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Reduction of Driving Resistance Abbildung 3-17: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N2 (Diesel) definierten Maßnahmen Stand % Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 0.9% 7.4% Downsizing Downspeeding Start & Stop Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 100.0% 4.9% 1.3% 1.7% 7.4% 76.5% Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Reduction of Driving Resistance Abbildung 3-18: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N2 (CNG) 28 NANUPOT

39 definierten Maßnahmen Stand 2010 Ebenfalls zusätzlich erscheint hier die Maßnahme der Energierückgewinnung aus Abgaswärme (Waste Heat Recovery - WHRS), die erst bei hohen Motorleistungen effizient genutzt werden kann und daher in der Klasse N1 kaum Potential zeigte. Da die Nutzfahrzeuge heute noch hohes Potential für die Optimierung des Luftwiderstandes (cw- Wert) bieten, ist schließlich die berechnete Verbrauchsverbesserung durch Reduktion des Fahrwiderstandes mit über 7% sehr hoch. Verbrauchspotential (%) 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 100.0% 3.5% 2.2% Artemis Zyklusmix N3 MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 21t, Fahrzeugklasse: N3 5.0% 2.4% 1.4% 6.1% 79.4% Downsizing Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Reduction of Driving Resistance Abbildung 3-19: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N3 definierten Maßnahmen Stand % Stuttgart-Hamburg-Stuttgart Zyklus (SHS) MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 35t, Fahrzeugklasse: N3 Sattelzug 1.3% 1.0% 6.8% Downsizing Downspeeding Start & Stop Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 100.0% 1.2% 0.7% 1.5% 6.3% 81.2% Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Reduction of Driving Resistance Abbildung 3-20: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) definierten Maßnahmen Stand NANUPOT

40 Die Verbrauchspotentiale für die Fahrzeugklasse N3 (und N3 Sattelzug) sind in Abbildung 3-19 und Abbildung 3-20 dargestellt. Mit etwa 20% Gesamteinsparung unterscheidet sich die Summe der Maßnahmen nur geringfügig von der für die anderen Nutzfahrzeugklassen. Aufgrund des großen Motorhubraumes von ca. 13L (weil die HD NFZ Motoren zur Abdeckung der Anfahrmoment-Anforderungen relativ groß dimensioniert werden müssen) ist die Kombination der Maßnahmen Downsizing und Downspeeding realistisch. Beide Maßnahmen zusammen bewirken eine Verschiebung des Motor-Lastkollektives hin zu besseren spezifischen Verbräuchen. Für das Fahrzeug der Klasse N3 ist das Potential beider Maßnahmen höher, da im Zyklusmix N3 im Mittel geringere Lasten gefahren werden als im SHS Zyklus (Klasse N3 Sattelzug), wo auch ein Höhenprofil mit zahlreichen Berg- und Talfahrten berücksichtigt ist. Hier ist zu erwähnen, daß das angegebene Verbrauchspotential für Downsizing und Downspeeding grundsätzlich ohne Hybridisierung (Rekuperation, Boost, ) realisierbar ist. Beide Maßnahmen beeinträchtigen jedoch die Fahrzeug- Performance wegen verminderter Momentenreserve der VKM für Beschleunigungen. Durch Hybridisierung kann diese Beeinträchtigung vollständig kompensiert werden (Boost- Unterstützung während der Beschleunigungsphasen mittels gespeicherter Rekuperationsenergie), sodaß die Maßnahmen Downsizing & Downspeeding nur zusammen mit einer Hybridisierung sinnvoll umgesetzt werden können. Aufgrund der Limitierung der E-Maschinen Größe in der Klasse N3 ist das Potential aus der Rekuperation wieder etwas geringer als in der Klasse N2. Das erhöhte Rekuperationspotential beim Sattelzug folgt aus den Bergabfahrten im Höhenprofil des SHS Zyklus. Neben dem elektrischen Fahren ist in der Klasse N3 auch der e-cvt Betrieb ausgenommen, da hier für eine Leistungsverzweigung zu hohe elektrische Leistungen installiert werden müßten. Das Potential durch Elektrifizierung der Nebenaggregate ist für die Klasse N3 deutlich höher, da bei den schweren NFZ wesentlich größere Leistungen in die Nebenaggregate fließen als bei mittelschweren Fahrzeugen der Klasse N2. Der Bedarf an Leistung für die Nebenaggregate kann im Bergabfahren zum Teil aus Bremsenergie gewonnen werden. So ist z. B. im Bergabfahren ein Befüllen des Lufttankes denkbar, wenn die Batterie durch elektrische Rekuperation bereits voll ist. Dadurch verringert sich das Einsparungspotential für die Nebenaggregate beim Sattelzug im Vergleich zum N3 Fahrzeug. Schließlich ist beim Sattelzug auch noch die zusätzliche Maßnahme eines GPS gesteuerten Energiemanagements der Hybridsteuerung berücksichtigt. Das verhältnismäßig geringe Potential von 0.7% erscheint wenig, jedoch kann diese Maßnahme rein über 30 NANUPOT

41 Software-Änderungen dargestellt werden und ist damit die kostengünstigste von allen beschriebenen Ansätzen Komponentenwirkungsgrade aus Sicht 2010 Die für die untersuchten Antriebssysteme ausgewerteten Maßnahmen aus Sicht 2010 bringen eine Verbesserung der Wirkungsgrade der Triebstrangkomponenten mit sich (siehe Abbildung 3-21 bis Abbildung 3-26). Der Wirkungsgrad der VKM verbessert sich mit den Maßnahmen der Verschiebung des Lastkollektivs hin zu besseren spezifischen Verbräuchen. Die Unterschiede der VKM Wirkungsgrade für die einzelnen Fahrzeugvarianten stehen im Verhältnis zu den Hubräumen und der Verbrennungstechnologie: Der 2-3L Motor der Klasse N1 zeigt einen Bestverbrauch von 210g/kWh, der 5-6L Motor der Klasse N2 zeigt einen Bestverbrauch von 200g/kWh und der 12-13L Motor der Klasse N3 schließlich zeigt einen Bestverbrauch von 185g/kWh. Die CNG Motoren haben tendenziell schlechtere Wirkungsgrade, was jedoch durch geringeren Kraftstoffpreis (aus heutiger Sicht) kompensiert werden kann. Der für die Klasse N2 verwendete CNG Motor ist technologisch weniger weit entwickelt als der für die Klasse N1 verwendete (dementsprechend zeigt die Maßnahme einer VKM Verbesserung aus Sicht 2050 für den CNG Motor der Klasse N2 das größte Potential, siehe Abbildung 3-36). Die Getriebewirkungsgrade sind heute schon weitgehend optimiert, sodaß für den Fall 2010 keine weitere Verbesserung gesehen wird. Durch den massiven Einsatz elektrischer Komponenten im leistungsverzweigten Antrieb (e-cvt) ist dort der Wirkungsgrad sogar schlechter als im konventionellen Getriebe, was jedoch im Gesamtverbrauch des Systems durch den deutlich effizienteren VKM Betrieb mehr als kompensiert wird. Der hier dargestellte Fahrzeugwirkungsgrad spiegelt den Energiewirkungsgrad des Fahrzeuges im betrachteten Zyklus wieder und repräsentiert den Anteil der Energie, der nach Überwindung des Fahrwiderstandes tatsächlich für den Vortrieb des Fahrzeuges (Beschleunigung, Steigung) genutzt werden kann (wobei ein Anteil davon durch Rekuperation der Bremsenergie im Hybridfahrzeug zurückgewonnen wird). Dieser Wirkungsgrad wird allein durch den Fahrwiderstand bestimmt, der sich aus den Anteilen der Rollreibung und des Luftwiderstandes zusammensetzt, er ist in der nachfolgenden Well-to-wheel Wirkungsgradbetrachtung des Gesamtfahrzeuges nicht enthalten. Die geringen Wirkungsgradwerte in der Größenordnung von ca. 30% bis 40% verdeutlichen, dass für Nutzfahrzeuge im Fahrbetrieb der wesentliche Anteil an Energie nur für die Überwindung der Reibung aufgebracht werden muß. Zusätzlich wurden auch noch die Wirkungsgrade von E NANUPOT

42 Maschine und Batterie ausgewertet, die im Basisfahrzeug nicht vorhanden und daher in den Diagrammen Abbildung 3-21 bis Abbildung 3-26 mit 0% ausgewiesen sind. Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2010): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit allen Maßnahmen 80% Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 33,3% 40,0% 91,4% 85.0% (ecvt) 33,4% 36,0% 0,0% 88,3% 0,0% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-21: Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N1 (Diesel) Stand 2010 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2010): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit allen Maßnahmen 80% Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 27,3% 33,6% 91,4% 85.0% (ecvt) 33,4% 36,1% 0,0% 88,3% 0,0% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-22: Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N1 (CNG) Stand NANUPOT

43 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2010): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit allen Maßnahmen 80% Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 37,8% 41,5% 91,2% 85.0% (ecvt) 30,2% 34,4% 0,0% 88,2% 0,0% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-23: Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N2 (Diesel) Stand 2010 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2010): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit allen Maßnahmen 80% Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 28,6% 32,0% 91,2% 85.0% (ecvt) 28,6% 33,0% 0,0% 88,2% 0,0% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-24: Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N2 (CNG) Stand NANUPOT

44 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2010): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N3 MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 21t, Fahrzeugklasse: N3 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit allen Maßnahmen 80% Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 40,1% 44,8% 91,2% 91,2% 41,8% 45,7% 0,0% 84,9% 0,0% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-25: Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N3 Stand 2010 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2010): Mittelwerte im SHS Zyklus MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 35t, Fahrzeugklasse: N3 Sattelzug 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit allen Maßnahmen 80% Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 42,5% 47,7% 91,2% 91,2% 42,2% 47,4% 0,0% 89,0% 0,0% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-26: Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) Stand Fahrzeugwirkungsgrade aus Sicht 2010 Die Gesamtwirkungsgrade (Tank to Wheel) sämtlicher untersuchten Fahrzeugvarianten sind in den Diagrammen Abbildung 3-27 bis Abbildung 3-32 dargestellt. Die Gesamtwirkungsgrade der Basis-Fahrzeugvarianten spiegeln im Wesentlichen die 34 NANUPOT

45 Wirkungsgrade der jeweiligen Verbrennungsmotoren sowie die unterschiedlichen Fahrzyklen wider: So sind die CNG Motoren (Abbildung 3-28 und Abbildung 3-30) weniger effizient als die Dieselmotoren, welche ihrerseits mit zunehmender Motorgröße immer besser werden. Im Vergleich der Klassen N1, 2 und 3 weist auch der betrachtete Fahrzyklus zunehmend weniger Stadtanteil und mehr Überland- bzw. Autobahnfahrt auf, was sich in den Diagrammen Abbildung 3-27, Abbildung 3-29 und Abbildung 3-31 deutlich abzeichnet. Insbesondere zeichnet sich der Sattelzug durch einen hohen Grundwirkungsgrad aus, da der Motorbetrieb im SHS Zyklus durch die 90km/h Tempomatfahrt weitgehend hohe Lasten und entsprechend optimale VKM Wirkungsgrade aufweist, und der Sattelzug aufgrund der überwiegenden Verwendung im Fernverkehr für diesen Fahrbetrieb optimiert ist. In der Klasse N1 wurden ferner die alternativen Hybridkonzepte ausgewertet, die aus heutiger Sicht gute Chancen haben, zumindest in der leichtesten NFZ Klasse verbreitet Anwendung zu finden: Den höchsten Gesamtwirkungsgrad zeigt hier das Elektrofahrzeug mit 83%. Durch die partielle Verwendung eines Verbrennungsmotors ist der Gesamtwirkungsgrad für den Plug-In Hybrid etwas geringer. Die Ergebnisse für das Elektrofahrzeug und die Plug-In Hybride beinhalten auch das Laden der Batterie an einer Steckdose, welches mit einem Ladewirkungsgrad von 93% berücksichtigt ist. Die Brennstoffzelle schließlich arbeitet auch im Bestpunkt nur mit Wirkungsgraden um die 60-65%, sodaß das Brennstoffzellen-Fahrzeug aber dennoch den Elektrofahrzeugen gegenüber etwas im Nachteil ist und trotz Nutzung der Rekuperationsenergie einen Gesamtwirkungsgrad von nur 64% erreicht. Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug *incl. Ladewirkungsgrad Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2010) Mercedes Sprinter mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N Start Stop Rekuperation / Boost Vollhybrid / el. Fahren e-cvt Elektrifizierung AUX H2 Brennstoffzellen Hybrid 64.0 Plug-In SH, Benzin* Plug-In SH, Diesel* Elektrofahrzeug* NANUPOT

46 Abbildung 3-27: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N1 (Diesel) Stand 2010 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug *incl. Ladewirkungsgrad Start Stop Rekuperation / Boost Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2010) Mercedes Sprinter mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 Vollhybrid / el. Fahren e-cvt Elektrifizierung AUX H2 Brennstoffzellen Hybrid Abbildung 3-28: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N1 (CNG) Stand Plug-In SH, Benzin* Plug-In SH, Diesel* Elektrofahrzeug* 83.2 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Start Stop Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2010) Mercedes Atego 2 mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 Rekuperation / Boost e-cvt Waste Heat Recovery Elektrifizierung AUX Abbildung 3-29: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N2 (Diesel) Stand NANUPOT

47 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2010) Mercedes Atego 2 mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N Start Stop Rekuperation / Boost e-cvt Waste Heat Recovery Elektrifizierung AUX Abbildung 3-30: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N2 (CNG) Stand 2010 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2010) MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 21t, Fahrzeugklasse: N Downsizing Downspeeding Rekuperation / Boost Elektrifizierung AUX Waste Heat Recovery Abbildung 3-31: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N3 Stand NANUPOT

48 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2010) MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 35t, Fahrzeugklasse: N3 Sattelzug Downsizing Downspeeding Rekuperation / Boost Elektrifizierung AUX GPS based EMM Waste Heat Recovery Abbildung 3-32: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) Stand Zusammenfassung Stand 2010 Die folgenden Tabellen fassen die Ergebnisse der Untersuchungen für 2010 zusammen. Dargestellt sind jeweils die Absolutverbräuche von Kraftstoff und Energie für alle untersuchten Maßnahmen und Fahrzeugvarianten der Klassen N1, 2 und 3. Die relativen Unterschiede der Absolutverbräuche entsprechen dabei den in den Abbildung 3-15 bis Abbildung 3-20 dargestellten Potential-Säulen. Tabelle 3-10: Absolutverbräuche (Kraftstoff / Energie) für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N1 Stand 2010 Gefahrene Distanz: 60,6km N1 3t Mercedes Sprinter Verbrauch Kraftstoff Verbrauch Energie Diesel Benzin CNG Batterie H2 L/100km L/100km kg/100km kwh/100km kwh/100km Basisfahrzeug # # # Start Stop # # # Recuperation / Boost # # # Electric Driving / LPM # # # e CVT # 9.43 # # Elektrifizierung AUX # 9.40 # # Reduktion Fahrwiderst # 8.89 # # Plug In Serien Hybrid # 1.47 # # Plug In Serien Hybrid 1.19 # # # H2 Brennstoffzelle FZG # # # # Elektrofahrzeug # # # # 38 NANUPOT

49 Tabelle 3-11: Absolutverbräuche für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N2 Stand 2010 Gefahrene Distanz: 146,1km Basisfahrzeug Start Stop Recuperation / Boost e CVT Waste Heat Recovery Elektrifizierung AUX Reduktion Fahrwiderst. N2 9t Mercedes Atego 2 Verbrauch Kraftstoff Diesel CNG L/100km kg/100km Tabelle 3-12: Absolutverbräuche für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N3 Stand 2010 Gefahrene Distanz: 171,5km (21t) 1507km (35t Sattelzug) Basisfahrzeug Downsizing Downspeeding Recuperation / Boost Elektrifizierung AUX GPS based EMM Waste Heat Recovery Reduktion Fahrwiderst. N3 MFTBC SG40t Verbrauch Diesel 21t 35t Sattelzug L/100km L/100km # Bewertung der Potentiale bis 2050 Basierend auf den Simulationsergebnissen der Verbesserungsmaßnahmen für die untersuchten Fahrzeugvarianten mit Technologiestand 2010 wurden in der AVL zahlreiche Diskussionen mit Experten für die Bereiche Verbrennungsmotor für Nutzfahrzeuge (Diesel und CNG), Hybrid, E-Maschine, Batterie, Brennstoffzelle, Getriebe, Fahrzeug (Schwerpunkt Nutzfahrzeuge) und Abgasnachbehandlung geführt. In diesen Diskussionen konnten zahlreiche weitere Maßnahmen und Verbesserungspotentiale identifiziert werden, die aus heutiger Sicht noch nicht umgesetzt werden können (und daher in den bisherigen Betrachtungen nicht berücksichtigt wurden), die aber in weiterer Zukunft mit der bis 2050 erwarteten Technologieentwicklung als realistisch angesehen werden. Diese Maßnahmen werden in den folgenden Kapiteln angeführt und ausgewertet Definition der Maßnahmen bis 2050 Tabelle 3-13 zeigt die Matrix der für die Abschätzung der Verbrauchs-Reduktionspotentiale aus Sicht 2050 betrachteten Antriebssysteme und Maßnahmen und ihre Zuordnung zu den gewählten Fahrzeugklassen. Die Matrix enthält eine Reihe neuer Maßnahmen, die die zu erwartenden Verbesserungen der Komponentenwirkungsgrade für Getriebe, Verbrennungsmotor, Batterie, E-Maschine und Brennstoffzelle berücksichtigen (welche im Folgenden erläutert werden). Weiters enthält die Matrix alle Maßnahmen, die bereits im ersten Projektschritt (Sicht 2010) umgesetzt wurden. Diese wurden in der Auswertung für 2050 aufgrund der verbesserten Wirkungsgrade der zukünftigen Komponenten erneut berechnet. Jene Randbedingungen dieser Maßnahmen, die nicht auf die verbesserten Komponentenwirkungsgrade zurückzuführen sind, sind in Tabelle 3-14 bis Tabelle 3-17 angegeben. Tabelle 3-13: Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion aus Sicht NANUPOT

50 Maßnahmen bis 2050 Fahrzeugklasse N1 N2 N3 N3 Sattelzug*** Real life Heißstart Zyklen Gewicht 3t 9t 21t 35t CRUISE Pot As Fahrzeug Mercedes Sprinter Mercedes Atego 2 MFTBC SG40t 21t MFTBC SG40t 35t Triebstrang Getriebe Wirkungsgrad Final Drive Wirkungsgrad Verbrauchsreduktion Dieselkraftstoff Verbrauchsreduktion CNG Kraftstoff VKM Downsizing VKM Waste Heat Recovery Batterie Wirkungsgrad E Maschine Generator Wirkungsgrad E Maschine Motor Wirkungsgrad Brennstoffzelle Wirkungsgrad Micro Hybrid Start Stop Hybrid Recuperation Massnahmen Mild Hybrid Boost Load point moving Full Hybrid Electric Driving e CVT Plug In Range Extender Serial Hybrid Electric Vehicle Electric Energy Brennstoffzelle FZG H2 Energy AUX Nebenaggregate Elektrifizierung AUX Bordnetz Reduktion Bordnetzbedarf Basis Downspeeding Fahrzeug Fahrzeug Reduktion Fahrwiderst. Strategie Strategie GPS based EMM Fahrzeuggewichte 60to Trucks statt 40to Aus Sicht von 2050 wird eine Verbesserung der Getriebewirkungsgrade von 2% (Getriebe und Final Drive gemeinsam) erwartet, die im Wesentlichen auf Reibungsreduktion zurückzuführen ist. Die Verbesserungspotentiale der Verbrennungsmotoren beinhalten viele Maßnahmen wie z. B. Verbrennungsoptimierung, Wirkungsgradverbesserung der Turbolader und Abgasrückführung, Reibungsreduktion, verbesserte Wärmeisolation und Optimierung der Abgasnachbehandlung. In Summe erwartet man für diese Maßnahmen eine Verbesserung der VKM Wirkungsgrade, die im Bestpunkt (minimaler spezifischer Verbrauch im Kennfeld) etwa 4% für die Klasse N1 und 5% für die Klassen N2 und N3 ergeben kann. Als vertretbare Näherung wird hier jeglicher kraftstoff-äquivalenter Verbrauch von Reduktionsmitteln für die Abgasnachbehandlung (z. B. Ad Blue für die Selective Catalytic Reduction SCR) vernachlässigt. Die Batteriewirkungsgrade werden bis 2050 für die Li- Ionen Technologie mit 95% im Mittel angenommen. Die mittleren E-Maschinen Wirkungsgrade erhöhen sich von aus heutiger Sicht 85% im Motorbetrieb bzw. 90% im Generatorbetrieb um jeweils bis zu 2% aufgrund erwarteter Verbesserungen in den Materialien und der Isolation. In der Entwicklung der Brennstoffzelle wird eine deutliche Verbesserung des maximalen Wirkungsgrades von etwa 14% erwartet. Des Weiteren wird auch bei allen Fahrzeugvarianten durch Effizienzsteigerungen sowohl bei den Nebenaggregaten als auch bei den Bordnetzverbrauchern selbst eine Reduktion des Bordnetz-Energiebedarfs gesehen, der sich positiv auf die Zyklusverbräuche auswirken wird. Schließlich wird auch noch die Erhöhung der Fahrzeuggewichte für den Fernverkehr (Sattelzug) von derzeit 40t auf 60t betrachtet, da durch Erhöhen der Nutzlasten ebenfalls 40 NANUPOT

51 eine Effizienzsteigerung des Fahrzeuges erreicht werden kann. Diese Maßnahme erscheint realistisch, da schon heute z. B. in Schweden Sattelzüge mit 60t Gesamtmasse am Verkehr teilnehmen. Tabelle 3-14: Randbedingungen der Tabelle 3-16: Randbedingungen der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N1 Stand 2050 Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N3 Stand 2050 N1 3t Mercedes Sprinter Diesel / CNG Mild Hybrid 20kW, 500Nm E-Maschine Full Hybrid 40kW, 1000Nm Range Extender & EV 100kW Batterie Range Extender & EV 35kWh ecvt Wirkungsgrad Mittelwert 87% Nebenaggregate Reduktion Leistungsbedarf -44.2% Fahrwiderstand Reduktion cw-wert -10% Reduktion Rollreibung -20% N3 21t MFTBC SG40t - 21t Diesel E-Maschine Mild Hybrid 120kW, 1000Nm Batterie Mild Hybrid 10kWh Fahrzeugmaßnahme Downsizing 12.8L -> 10.0L Downspeeding > 2.40 Nebenaggregate Reduktion Leistungsbedarf -28.9% Fahrwiderstand Reduktion cw-wert -30% Reduktion Rollreibung -10% Tabelle 3-15: Randbedingungen der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N2 Stand 2050 N2 9t Mercedes Atego 2 Diesel / CNG E-Maschine Mild Hybrid 40kW, 1000Nm Batterie Mild Hybrid 5kWh ecvt Wirkungsgrad Mittelwert 87% Nebenaggregate Reduktion Leistungsbedarf -36.1% Fahrwiderstand Reduktion cw-wert -20% Reduktion Rollreibung -10% Tabelle 3-17: Randbedingungen der Fahrzeugvarianten und Komponenten für die Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) Stand 2050 N3 Sattelzug 35t MFTBC SG40t - 35t Diesel E-Maschine Mild Hybrid 150kW, 1500Nm Batterie Mild Hybrid 12kWh Fahrzeugmaßnahme Downsizing 12.8L -> 10.0L Downspeeding > 2.40 Nebenaggregate Reduktion Leistungsbedarf -28.9% Fahrwiderstand Reduktion cw-wert -30% Reduktion Rollreibung -10% Verbrauchsreduktionspotentiale bis 2050 In diesem Kapitel sind die Ergebnisse der Verbrauchs-Verbesserungspotentiale der einzelnen Fahrzeug- und Hybridmaßnahmen aus Sicht 2050 dargestellt bzw. analysiert. Abbildung 3-33 zeigt die Ergebnisse der Verbrauchspotentiale für die Klasse N1 (Diesel Motor). Alle Maßnahmen zusammen ergeben ein Einsparungspotential von etwas über 33%, was im Vergleich zu 2010 nochmals einer zusätzlichen Verbesserung von ca. 10% entspricht. Die Einführung der Getriebe- und VKM Maßnahmen zusammen ergibt ein beachtliches Potential von 6-7%. Die Potentiale der Maßnahmen Start Stop, Rekuperation und Elektrisches Fahren unterscheiden sich kaum von denen für 2010, da sich die besseren Wirkungsgrade der elektrischen Komponenten hier nur geringfügig auswirken. Maßgeblich wirken sich diese besseren Wirkungsgrade jedoch im leistungsverzweigten System aus, da im e-cvt Betrieb sämtliche Antriebsenergie durch die elektrischen Komponenten geleitet 41 NANUPOT

52 wird. Hier ergibt sich im Vergleich zu 2010 eine weitere Potentialerhöhung von 2%. Auch das Potential durch weitere Maßnahmen in der Reduktion des Fahrwiderstandes zeigt eine deutliche Verbesserung. Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 Getriebe VKM Paket % 1.6% 4.9% Downsizing Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 100.0% 1.2% 6.2% 5.3% 7.7% 0.6% 6.3% 66.4% Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Fahrwiderstand Abbildung 3-33: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N1 (Diesel) definierten Maßnahmen Stand 2050 Abbildung 3-34 zeigt die Ergebnisse der Verbrauchspotentiale für die Klasse N1 mit CNG Motor. Der Trend der Ergebnisse ist ähnlich dem für den Diesel Motor. Lediglich das Potential für den e-cvt Betrieb ist beim CNG Motor aufgrund der unterschiedlichen Kennfeldcharakteristik stärker ausgeprägt, wie schon in den Betrachtungen für 2010 festgestellt wurde. Dieser Unterschied wird auch in den Ergebnissen für die Klasse N2 deutlich, die in Abbildung 3-35 und Abbildung 3-36 dargestellt sind. In dieser Klasse zeigt sich auch ein großer Unterschied für das Potential der VKM Maßnahmen: Während dieses Potential in allen Auswertungen im Bereich von 5% liegt, zeigt sich beim CNG Motor der Klasse N2 ein etwa doppelt so hohes Potential von 10.7%. Der Grund für diese Abweichung ergibt sich aus den abgeschätzten Kennfeldcharakteristiken. Für die Klasse N1 (2-3L Hubraum) wurde ein sehr gutes Motorkennfeld verwendet, das auch hinsichtlich 2050 nur ein geringes Verbesserungspotential von ca. 5% aufweist. Für die Klasse N2 (5-6L Hubraum) wurde hingegen ein Motorkennfeld mit geringerem Entwicklungsstand herangezogen (wobei dieser Unterschied eben durch den heute vorliegenden Stand der Motorentwicklung gegeben ist), wodurch sich für 2050 das größere Verbesserungs-potential ergibt. Größer als in den Auswertungen für 2010 ist auch das Potential der Maßnahme der Energierückgewinnung 42 NANUPOT

53 aus der Abgaswärme (WHRS). Auf diesem Gebiet wird in den nächsten Jahrzehnten eine deutliche Weiterentwicklung erwartet. 100% 1.9% 4.8% Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 Getriebe VKM Paket 2050 Downsizing Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 100.0% 1.2% 6.2% 5.3% 9.8% 0.4% 6.0% 64.4% Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Fahrwiderstand Abbildung 3-34: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N1 (CNG) definierten Maßnahmen Stand % 1.3% 5.2% Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 Getriebe VKM Paket 2050 Downsizing Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 100.0% 1.1% 7.8% 4.3% 1.7% 3.4% 8.4% 67.0% Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Fahrwiderstand Abbildung 3-35: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N2 (Diesel) definierten Maßnahmen Stand NANUPOT

54 100% 1.2% 10.7% Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 Getriebe VKM Paket 2050 Downsizing Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 100.0% 1.1% 6.9% 8.0% 1.4% 3.0% 7.6% 60.0% Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Fahrwiderstand Abbildung 3-36: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N2 (CNG) definierten Maßnahmen Stand % 1.1% 5.5% Artemis Zyklusmix N3 MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 21t, Fahrzeugklasse: N3 Getriebe VKM Paket 2050 Downsizing Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 100.0% 3.2% 2.1% 4.9% 2.6% 2.8% 11.6% 66.4% Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Fahrwiderstand Abbildung 3-37: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N3 definierten Maßnahmen Stand 2050 Das gegenüber 2010 vergrößerte Potential der Maßnahme der Energierückgewinnung aus der Abgaswärme (WHRS) zeigt sich auch in den Ergebnissen für die Fahrzeugklasse N3 in Abbildung 3-37 und Abbildung Hier ist auch ein höheres Potential nach Maßgabe einer hinsichtlich 2050 weitergehenden Reduktion des Fahrwiderstandes (sowohl im c w -Wert als auch in der Rollreibung) eingearbeitet NANUPOT

55 100% Artemis Zyklusmix N3 MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 35t, Fahrzeugklasse: N3 Sattelzug 1.0% 5.5% Getriebe VKM Paket 2050 Downsizing Verbrauchspotential (%) 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60% 100.0% 1.3% 0.9% 6.7% 1.1% 0.8% 3.3% 10.8% 68.6% Downspeeding Start & Stop Recuperation / Boost edrive / LPM e-cvt Electrified AUX GPS based EMM WHRS Fahrwiderstand Abbildung 3-38: Verbrauchsreduktionspotentiale der für die Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) definierten Maßnahmen Stand Komponentenwirkungsgrade bis 2050 In den Abbildung 3-39 bis Abbildung 3-44 sind die Ergebnisse der Auswertung der Komponentenwirkungsgrade für 2050 im Vergleich zu den Ergebnissen für 2010 dargestellt. Wie bereits oben erwähnt zeigt sich hier in allen Komponenten eine weitere Steigerung um einige Prozentpunkte. Die Batterie (in Li-Ionen Technologie) wurde bereits für die Simulationen aus Sicht 2010 mit 95% mittlerem Wirkungsgrad angenommen, sodaß hier keine Verbesserung mehr erwartet wird: Bezüglich Wirkungsgrad ist die Batterieentwicklung bereits heute sehr weit fortgeschritten, und die wesentlichen Verbesserungen für die nächsten Jahrzehnte werden hauptsächlich hinsichtlich der Energiedichte erwartet, die von heute ca. 100Wh/kg noch um mehr als eine Größenordnung gesteigert werden sollte NANUPOT

56 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2050): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit Maßnahmen 2010 Fahrzeug mit Maßnahmen % Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 33,3% 40,0% 43,8% 91,4% 85.0% (ecvt) 87.0% (ecvt) 33,4% 36,0% 37,8% 0,0% 88,3% 90,3% 0,0% 90,3% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-39: Entwicklung der Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N1 (Diesel) Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2050): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N1 Mercedes Sprinter mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit Maßnahmen 2010 Fahrzeug mit Maßnahmen % Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 27,3% 33,6% 37,0% 91,4% 85.0% (ecvt) 87.0% (ecvt) 33,4% 36,1% 37,9% 0,0% 88,3% 90,3% 0,0% 90,3% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-40: Entwicklung der Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N1 (CNG) 46 NANUPOT

57 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2050): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit Maßnahmen 2010 Fahrzeug mit Maßnahmen % Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 37,8% 41,5% 45,2% 91,2% 85.0% (ecvt) 87.0% (ecvt) 30,2% 34,4% 35,7% 0,0% 88,2% 90,2% 0,0% 90,3% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-41: Entwicklung der Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N2 (Diesel) Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2050): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N2 Mercedes Atego 2 mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit Maßnahmen 2010 Fahrzeug mit Maßnahmen % Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 25,3% 28,0% 34,2% 91,2% 85.0% (ecvt) 87.0% (ecvt) 28,6% 33,0% 34,4% 0,0% 88,2% 90,2% 0,0% 90,3% 90,3% 0% VKM Getriebe + Differential Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-42: Entwicklung der Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N2 (CNG) 47 NANUPOT

58 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2050): Mittelwerte im Artemis Zyklusmix N3 MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 21t, Fahrzeugklasse: N3 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit Maßnahmen 2010 Fahrzeug mit Maßnahmen % Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 40,1% 44,8% 49,0% 91,2% 91,2% 92.0% VKM Getriebe + Differential 41,8% 45,7% 48,2% 0,0% 84,9% 86,9% 0,0% 90,3% 90,3% Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-43: Entwicklung der Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N3 Wirkungsgrad Potentiale (Stand 2050): Mittelwerte im SHS Zyklus MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 35t, Fahrzeugklasse: N3 Sattelzug 100% 90% Ausgangspunkt Fahrzeug mit Maßnahmen 2010 Fahrzeug mit Maßnahmen % Wirkungsgrad Potentiale (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 42,5% 47,7% 52,1% 91,2% 91,2% 92,0% VKM Getriebe + Differential 42,2% 47,4% 52,9% 0,0% 89,0% 90,2% 0,0% 90,3% 90,3% Fahrzeug emotor Batterie (IN & OUT) Abbildung 3-44: Entwicklung der Komponentenwirkungsgrade für die Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) Fahrzeugwirkungsgrade bis 2050 Die Gesamtwirkungsgrade (Tank to Wheel) sämtlicher untersuchten Fahrzeugvarianten sind für die Auswertung aus Sicht 2050 in den Abbildung 3-45 bis Abbildung 3-50 dargestellt. Die mit der Umsetzung der Einzelmaßnahmen im Vergleich zur Auswertung für 2010 deutlichere 48 NANUPOT

59 Zunahme der Wirkungsgrade zeigt den Trend höherer Potentiale der jeweiligen Einzelmaßnahmen, wie schon in den Abbildung 3-33 bis Abbildung 3-38 zu erkennen ist. Durch die verbesserten Komponentenwirkungsgrade sind auch die Gesamt- Fahrzeugwirkungsgrade für die alternativen Hybridkonzepte Elektrofahrzeug, Plug-In Hybrid und Brennstoffzellenfahrzeug im Vergleich zu 2010 höher. Für den Sattelzug (Klasse N3) wurde mit dem Brennstoffzellen-Hybrid mit Kraftstoff- Reformer eine zusätzliche Fahrzeugantriebsvariante berücksichtigt (siehe Abbildung 3-50): Da der Sattelzug im Fernverkehr mit annähernd konstanter Motorlast gefahren wird, kann die Brennstoffzelle als Energielieferant (hinsichtlich 2050 mit entsprechend hohem Wirkungsgrad von 75%) immer im Bestpunkt betrieben werden. Ein vorgeschalteter Kraftstoff-Reformer wandelt mit hohem Wirkungsgrad (bis zu 95%) Designkraftstoff in H2 um. Solche Systeme werden heutzutage bereits untersucht. In der Entwicklung der nächsten 4 Jahrzehnte sieht man daher für solche alternative Antriebskonzepte ein hohes Potential, sodaß das Ergebnis für dieses System mit fast 70% Gesamt-Fahrzeugwirkungsgrad durchaus attraktiv erscheint. Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Getriebe Maßnahmen *incl. Ladewirkungsgrad VKM Maßnahmen Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2050) Mercedes Sprinter mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 Start Stop Recuperation / Boost Vollhybrid / el. Fahren e-cvt Elektrifizierung AUX H2 Brennstoffzellen Hybrid Plug-In SH, Benzin* Plug-In SH, Diesel* Elektrofahrzeug* 85.9 Abbildung 3-45: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N1 (Diesel) Stand NANUPOT

60 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Getriebe Maßnahmen *incl. Ladewirkungsgrad VKM Maßnahmen Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2050) Mercedes Sprinter mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 3t, Fahrzeugklasse: N1 Start Stop Recuperation / Boost Vollhybrid / el. Fahren Abbildung 3-46: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N1 (CNG) Stand 2050 e-cvt Elektrifizierung AUX H2 Brennstoffzellen Hybrid Plug-In SH, Benzin* Plug-In SH, Diesel* Elektrofahrzeug* 85.9 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Getriebe Maßnahmen Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2050) Mercedes Atego 2 mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 VKM Maßnahmen Start Stop Recuperation / Boost e-cvt Waste Heat Recovery Elektrifizierung AUX Abbildung 3-47: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N2 (Diesel) Stand NANUPOT

61 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Getriebe Maßnahmen Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2050) Mercedes Atego 2 mit CNG Motor, Fahrzeuggewicht: 9t, Fahrzeugklasse: N2 VKM Maßnahmen Start Stop Recuperation / Boost e-cvt Waste Heat Recovery Elektrifizierung AUX Abbildung 3-48: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N2 (CNG) Stand 2050 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2050) MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 21t, Fahrzeugklasse: N Getriebe Maßnahmen VKM Maßnahmen Downsizing Downspeeding Recuperation / Boost Elektrifizierung AUX Waste Heat Recovery Abbildung 3-49: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N3 Stand NANUPOT

62 Wirkungsgrad Potentiale (%) Basis-Fahrzeug Energie-Wirkungsgrad Potentiale "Tank-to-Wheel" (Stand 2050) MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Fahrzeuggewicht: 35t, Fahrzeugklasse: N3 Sattelzug Getriebe Maßnahmen VKM Maßnahmen Downsizing Downspeeding Recuperation / Boost Elektrifizierung AUX GPS based EMM Waste Heat Recovery BSZ Hybrid, H2 Reformer 69.1 Abbildung 3-50: Wirkungsgrade Tank-to-Wheel für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) Stand 2050 Wie bereits erwähnt ist auch durch die Erhöhung des Fahrzeug-Gesamtgewichtes ein Potential zur Verbrauchsverbesserung gegeben. Abbildung 3-51 zeigt die Ergebnisse für den spezifischen Zyklusverbrauch (in L/100km pro kg Nutzgewicht) in Abhängigkeit vom Brutto- Gesamtgewicht des Fahrzeuges für unterschiedliche Beladung: Der in den bisherigen Betrachtungen untersuchte Sattelzug (Klasse N3) weist ein Brutto-Gesamtgewicht von 40t bei einer Beladung mit 23t Nutzlast auf. Als Vergleich dazu ist in Abbildung 3-51 auch eine Beladung mit 9t Nutzlast (wie beim Referenzfahrzeug der Klasse N3) und 28t Nutzlast (volle Beladung) ausgewertet. Die volle Beladung zeigt mit 1.03 L/100km/kg logischerweise den besten spezifischen Verbrauch. Wenn man nun einen weiteren Anhänger hinzunimmt und somit das Brutto-Gesamtgewicht des Sattelzuges von 40t auf 60t erhöht, so ergibt sich bei voller Beladung mit 0.92 L/100km/kg eine weitere Verbesserung des spezifischen Verbrauchs pro transportierter Masse NANUPOT

63 Spezifischer Zyklusverbrauch (L/100km/kg) Spezifische Zyklusverbräuche - bezogen auf Nutzgewicht in kg (Stand 2050) MFTBC SG40t mit Diesel Motor, Variation der Fahrzeuggewichte & Nutzlasten (N3 Sattelzug) Tonner 9t Nutzlast 21t Fahrzeugmasse Tonner 23t Nutzlast 35t Fahrzeugmasse Tonner 28t Nutzlast 40t Fahrzeugmasse Tonner 43t Nutzlast 60t Fahrzeugmasse Abbildung 3-51: Spezifische Zyklusverbräuche verschiedener Fahrzeuggewichte und Nutzlasten der Fahrzeugklasse N3 (Sattelzug) Stand Zusammenfassung Stand 2050 Die folgenden Tabellen fassen die Ergebnisse der Untersuchungen aus Sicht 2050 zusammen. Dargestellt sind wie schon in der Auswertung für 2010 die Absolutverbräuche an Kraftstoff und Energie für alle untersuchten Maßnahmen und Fahrzeugvarianten der Klassen N1, 2 und 3. Die relativen Unterschiede der Absolutverbräuche entsprechen dabei wiederum den in den Abbildung 3-33 bis Abbildung 3-38 dargestellten Potential-Säulen. Tabelle 3-18: Absolutverbräuche (Kraftstoff / Energie) für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N1 Stand 2050 Gefahrene Distanz: 60,6km N1 3t Mercedes Sprinter Verbrauch Kraftstoff Verbrauch Energie Diesel Benzin CNG Batterie H2 L/100km L/100km kg/100km kwh/100km kwh/100km Basisfahrzeug # # # Getriebe Wirkungsgrad # # # VKM Wirkungsgrad # # # Start Stop # # # Recuperation / Boost # # # Electric Driving / LPM # 9.54 # # e CVT 9.73 # 8.38 # # Elektrifizierung AUX 9.65 # 8.33 # # Reduktion Fahrwiderst # 7.62 # # Plug In Serien Hybrid # 1.33 # # Plug In Serien Hybrid 1.07 # # # H2 Brennstoffzelle FZG # # # # Elektrofahrzeug # # # # 53 NANUPOT

64 Tabelle 3-19: Absolutverbräuche für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N2 Stand 2050 N2 9t Mercedes Atego 2 Gefahrene Distanz: Verbrauch Kraftstoff 146,1km Diesel CNG L/100km kg/100km Basisfahrzeug Getriebe Wirkungsgrad VKM Wirkungsgrad Start Stop Recuperation / Boost e CVT Waste Heat Recovery Elektrifizierung AUX Reduktion Fahrwiderst Tabelle 3-20: Absolutverbräuche für die Antriebssysteme der Fahrzeugklasse N3 Stand 2050 N3 Gefahrene Distanz: 171,5km (21t) MFTBC SG40t Verbrauch Diesel 1507km (35t Sattelzug) 21t 35t Sattelzug L/100km L/100km Basisfahrzeug Getriebe Wirkungsgrad VKM Wirkungsgrad Downsizing Downspeeding Recuperation / Boost Elektrifizierung AUX GPS based EMM # Waste Heat Recovery Reduktion Fahrwiderst NANUPOT

65 4 Ökologische Analyse 4.1 Methodisches Vorgangsweise Die energetische und ökologische Beurteilung der (Bio)Kraftstoffe erfolgt auf Basis der Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Analysis - LCA). Die energetische Analyse mittels LCA beinhaltet die Berechnung des Kumulierten Primärenergieverbrauchs KEV. Die ökologische Beurteilung durch die LCA errechnet die Treibhausgasemissionen und nimmt Bezug auf ISO Life Cycle Assessment, der Standard Methodology von IEA Bioenergy Task 38 Greenhouse Gas Balances of Biomass and Bioenergy Systems und den Empfehlungen der COST Action E9 Life Cycle Assessment of Forestry and Forest Products. Der Lebenszyklus umfasst dabei 5 Teilschritte ( from cradle to grave bzw. well to wheel WTW, siehe Abbildung 4-1). Anbau & Ernte Rohstoff Rohstoff Rohstoff-Transport Rohstoff Umwandlung Treibstoff Treibstoff-Verteilung Treibstoff Fahrzeug Abbildung 4-1: Die 5 Teilschritte der Lebenszyklusanalyse In der Lebenszyklusanalyse (LCA, Prozesskettenanalyse) werden alle emissions- und energierelevanten Prozesse im In- und Ausland berücksichtigt, die für den Betrieb von Fahrzeugen (hier LKW) notwendig sind. Für die Berechnung wird das Programm GEMIS (Version 4.5) verwendet. Es werden die Treibhausgase Kohlendioxid (CO 2 ), Methan (CH 4 ) und Lachgas (N 2 O) berücksichtigt NANUPOT

66 Kohlendioxid (CO 2 ), eine geruch- und geschmacklose Kohlenstoff-Sauerstoff- Verbindung, entsteht als Hauptprodukt bei der Verbrennung von Kohlenstoff. Die pro Energieeinheit emittierte CO 2 -Menge ist unter anderem vom Kohlenstoff-Gehalt des Brennstoffes abhängig. Weiters entsteht CO 2 beim aeroben Abbau von Biomasse. Im Prozess der Photosynthese wird das CO 2 aus der Atmosphäre in der Pflanze gebunden. Methan (CH 4 ), eine brennbare Kohlenwasserstoff-Verbindung, ist Hauptbestandteil von Erdgas und ein Produkt der unvollständigen Verbrennung. Weiters entsteht CH 4 beim anaeroben Abbau von Biomasse. CH 4 -Emissionen treten auch beim Abbau von Kohle und bei der Förderung von Erdöl und Erdgas auf. Lachgas (N 2 O) ist eine farblose und toxische Stickstoff-Sauerstoff-Verbindung, die unter bestimmten Bedingungen bei Verbrennungsprozessen entsteht. Die dabei emittierte Menge an N 2 O ist vor allem vom Stickstoffgehalt des Brennstoffes und der Verbrennungstemperatur abhängig. N 2 O-Emissionen treten auch bei Nitrifikations- und Denitrifikationsprozessen im Boden und bei der Lagerung von Gülle und Mist auf. Als Maß für die Treibhauswirkung dieser Gase wird das Treibhausgaspotential (GWP - Global Warming Potential) verwendet, das den Beitrag verschiedener Gase zu einer Erwärmung der Erdatmosphäre in Form einer äquivalenten Menge CO 2 ausdrückt. Das Konzept des Treibhauspotentials wurde entwickelt, um die Beiträge der Gase auf die mögliche Erwärmung der Erdatmosphäre vergleichbar und damit summierbar zu machen. Die Treibhauswirkung eines Kilogramms des Gases wird als Vielfaches ("Äquivalenzfaktor") der Treibhauswirkung von einem Kilogramm CO 2 angegeben. Mit den Äquivalenzfaktoren werden die Gasmengen von CH 4 und N 2 O in äquivalente CO 2 -Mengen (CO 2 -Äq.) umgerechnet. Der Äquivalenzfaktor für CH 4 ist 25 und für N 2 O ist 298. Nach ISO Ökobilanz ist die Lebenszyklusanalyse (Life Cycle Analysis LCA) eine Methode zur Abschätzung der Umweltauswirkungen eines Produktes (z.b. wie in der vorliegenden Untersuchung Transportdienstleistung), wobei Umweltaspekte im Verlauf des Lebensweges eines Produktes (d.h. von der Wiege bis zur Bahre, siehe Abbildung 4-1) von der Rohstoffgewinnung, über die Produktion, Anwendung bis zur Beseitigung untersucht werden. Abbildung 4-2 zeigt das Schema für die Bewertung eines Bioenergiesystems im Vergleich zu einem Referenzsystem mit fossiler Energie. Die Elemente dieses Schemas sind: Bioenergiesystem: Sammlung von Reststoffe Anbau von Nachwachsenden Rohstoffen (Nawaros) 56 NANUPOT

67 Rohstofftransport Umwandlung Verteilung Verwendung (hier: Nutzfahrzeug) Referenzsystem mit fossiler Energie: Referenznutzung der Reststoffe Referenznutzung der Fläche Gewinnung der fossilen Ressource Transport Umwandlung Verteilung Verwendung (hier: Nutzfahrzeug) Für den zur Gewinnung der Bioenergie eingesetzten biogenen Kohlenstoff wird angenommen, dass die Bilanz der Netto-CO 2 -Fixierung durch die Photosynthese, der Kohlenstoff-Speicherung und der Verbrennung von Biomasse Null ist, wie dies in den vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) erstellten Richtlinien für die Energiewirtschaft festgelegt ist. Für jedes Bioenergiesystem wird ein Referenzsystem mit fossiler Energie festgelegt (siehe Abbildung 4-2). Die Ergebnisse der verschiedenen betrachteten Systemen (Bioenergiesysteme und Systeme mit fossiler Energie) werden gegenübergestellt und verglichen. Daraus können die Veränderung der Treibhausgas-Emissionen errechnet und die Systeme beurteilt werden NANUPOT

68 Bioenergiesystem Referenzsystem mit fossiler Energie Sammlung Reststoffe Anbau Nawaros Reststoffe Fläche Referenznutzung Fossile Ressource Gewinnung Rohstofftransport Umwandlung Verteilung Konv. Herstellung Produkt Produkte aus Referenznutzung Konv. Herstellung d. Nebenprodukte Nebenprodukte Transport Umwandlung Verteilung Verwendung Verwendung Energiedienstleistung Abbildung 4-2: Schema zur Bewertung eines Bioenergiesystems im Vergleich zu einem fossilen Referenzsystem mittels LCA zur Bereitstellung von Energiedienstleistung (hier LKWkm) Alle in der Lebenszyklusanalyse betrachteten Kombinationen von Treibstoffen und Rohstoffen sind in Tabelle 4-1 zusammengestellt. Tabelle 4-1: Betrachtete Treibstoffe und deren Rohstoffe Rohstoff Treibstoff Raps, Sonnen-Maisblumen, Weizen, Altspeiseöl Zuckerrüben, Stroh Weiden 1) Grassilage, Maissilage Gülle Hackgut 2) Wasserkraft BIOTREIBSTOFFE Biodiesel 3) X Bioethanol 4) X Biogas X X Öko-Wasserstoff X X X Öko-Strom 5) X SNG 6) X DME 7) X X Fischer Tropsch(FT)-Diesel X FOSSILE TREIBSTOFFE Benzin Diesel CNG 8) DME 7) Strommix 9) Wasserstoff 1) Weiden als Beispiel für Kurzumtriebswälder. 2) Hackgut aus Durchforstung und Schlagrücklass. 3) Für Plug-in-Nutzfahrzeuge: Biodiesel aus 1/3 Altspeiseöl+1/3 Rapsöl+1/3 Sonnenblumenöl angenommen. 4) Für Plug-in-Nutzfahrzeuge: Bioethanol aus 1/3 Mais+1/3 Weizen +1/3 Zuckerrüben angenommen. 5) Öko-Strom aus Wasserkraft, PV und Wind 6) SNG... Synthetic Natural Gas 7) DME Dimethylether 8) CNG... Compressed Natural Gas 9) Österreichischer Strommix 2010: GEMIS UBA-Datensatz mit Importe 2007; Österreichischer Strommix 2050: Annahmen JOANNEUM RESEARCH Schwarzlauge Rohöl Erdgas 58 NANUPOT X X X X X

69 Die LCA-Berechnungen wurden mit GEMIS Version 4.5 durchgeführt. Für die Berechnungen ZUKUNFT (Stand der Technik 2050) wurden ausgehend von IST (Stand der Technik 2010) Daten für zukünftige Nutzfahrzeuge (siehe Kapitel 3) festgelegt. Für den Österreichischen Strommix wurden ausgehend vom aktuellen Strommix folgende Annahmen getroffen: Importanteil 20%, Erzeugung in Österreich 80% (davon erneuerbar 81% und fossil 19%). 4.2 Treibhausgas Emissionen Die Berechnungen für die Treibhausgas(THG)-Emissionen erfolgte für die vier Nutzfahrzeugklassen (siehe Kapitel 2: N1 Nutzfahrzeugklasse N1 mit 3 t Referenzgewicht; N2 Nutzfahrzeugklasse N2 mit 9 t Referenzgewicht; N3 Nutzfahrzeugklasse N3 mit 21 t Referenzgewicht; N3-Zug Nutzfahrzeugklasse N3 Sattelzug mit 35 t Referenzgewicht) und die betrachteten Antriebssysteme (siehe Kapitel 2 & 3: vkm Verbrennungskraftmaschinen; micro hybrid Micro Hybride; mild hybrid Mild Hybride, voll hybrid Voll Hybride; Plug-in Plug-In Hybride & Range Extender; E Elektrofahrzeuge; BZ Brennstoffzellen-Hybrid). Eine Gesamtübersicht zu den ausgewählten Treibstoffen, Nutzfahrzeugen und Antriebssystemen gibt Tabelle 4-2. Tabelle 4-2: Nutzfahrzeugklassen, Antriebssysteme und Treibstoffe Referenzfahrzeug fossile Treibstoffe Biotreibstoffe Einteilung Nutzfahrzeuge Antriebssystem Gewicht Leistung Diesel Benzin CNG DME Strommix Wasserstoff Biodiesel Bioethanol Biomethan Öko- Wasserstoff Öko- Strom SNG DME FT- Diesel vkm Micro Hybrid Mild Hybrid N1 3t 100kW Voll Hybrid Plug in: Elektro Antrieb + Range Extender E: Batterie Elektro Antrieb Lastkraftwagen Klasse N BZ: Brennstoffzellen Elektro Antrieb vkm N2 9t 150kW Micro Hybrid Mild Hybrid Voll Hybrid N3 21t 250kW vkm Mild Hybrid Sattelzugmaschinen N3-Zug 35t 300kW vkm Mild Hybrid Die berechneten Treibhausgas-Emissionen werden in g CO 2 -Äq. (als Summe von CO 2, CH 4 und N 2 O) bezogen auf die Transport-Dienstleistung gefahrener LKW-Kilometer (LKW-km) angegeben. Weiters werden die Ergebnisse der Lebenszyklusanalyse aufgeteilt auf WTT ( Well-To-Tank ; beinhaltet die THG-Emissionen der Prozesskette bis Kraftstoff-Verteilung 59 NANUPOT

70 inklusive der Tankstelle) und TTW ( Tank-To-Wheel ; beinhaltet die THG-Emissionen im Betrieb und des jeweiligen Nutzfahrzeuges) angegeben. Im Anhang A sind die Treibhausgasemissionen für die betrachteten Treibstoffe und die Nutzfahrzeugklassen sowie Antriebssysteme getrennt für 2010 und 2050 abgebildet. Aus der Vielzahl der berechneten Ergebnisse für die einzelnen Treibstoffe (siehe Anhang A) wurden für fossile Treibstoffe und Biotreibstoffe signifikante Ergebnisse ausgewählt und in den nachfolgenden Abbildungen dargestellt. THG-Emissionen 2010 für Diesel und alle Fahrzeugklassen und Antriebsysteme in Abbildung 4-3 Im Vergleich der Fahrzeugklassen zeigt sich, dass der THG-Emissionswert bei steigendem Referenzgewicht zunimmt. Innerhalb der Fahrzeugklassen nehmen die THG- Emissionen mit zunehmender Hybridisierung ab. THG-Emissionen 2010 für fossile Kraftstoffe (Diesel, Erdgas, Wasserstoff und Dimethylether aus Erdgas, Strommix) für Nutzfahrzeugklasse N1 in Abbildung 4-4. Voll hybride Antriebssysteme reduzieren die THG-Emissionen signifikant gegenüber Verbrennungskraftmaschinen, weisen aber höhere THG-Emissionen auf als Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge. Dabei haben voll hybride Dieselfahrzeuge (308 g CO 2 - Äq./LKW-km) geringere THG-Emissionen als Nutzfahrzeuge Voll-Hybridantrieb mit Erdgas (336 g CO 2 -Äq./LKW-km) und Dimethylether (DME) als Treibstoff (357 g CO 2 - Äq./LKW-km). Die niedrigsten THG-Emissionen weist das Elektrofahrzeug (Strommix Ö, 206 g CO 2 - Äq./LKW-km) auf, gefolgt vom Plug-in Fahrzeug (Diesel und Strommix Ö, 222 g CO 2 - Äq./LKW-km) und vom Brennstoffzellenfahrzeug (Wasserstoff aus Erdgas, 232 g CO 2 - Äq./LKW-km). THG-Emissionen 2050 für Diesel und alle Fahrzeugklassen und Antriebsysteme in Abbildung 4-5 Im Vergleich zu den THG-Emissionen für 2010 errechnen sich signifikante Reduktionen von etwa 9% bis zu fast 17%, wobei die höheren Reduktionen bei hybriden Antrieben zu verzeichnen sind. THG-Emissionen 2010 für Diesel und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme getrennt nach TGH-Emissionen bis inklusive Tankstelle (WTT) und Nutzfahrzeug (TTW) in Abbildung NANUPOT

71 Bei Einsatz von fossilen Treibstoffen fallen ein Großteil der THG-Emissionen im Betrieb des Nutzfahrzeuges (TTW) an: etwa 70% bei DME aus Erdgas bis zu etwa 90% bei Diesel. THG-Emissionen 2010 für Biodiesel aus Raps und alle Fahrzeugklassen und Antriebsysteme in Abbildung 4-7 Im Vergleich zu Diesel (siehe Abbildung 4-3) zeigt sich, dass der THG-Emissionswert bei Einsatz von Biodiesel aus Raps um etwa 40% reduziert werden kann. Bei Biodiesel aus Altspeiseöl errechnet sich sogar eine Reduktion der THG-Emissionen um bis zu etwa 82%. THG-Emissionen 2010 für Biodiesel aus Raps und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme getrennt nach TGH-Emissionen bis inklusive Tankstelle (WTT) und Nutzfahrzeug (TTW) in Abbildung 4-8. Im Gegensatz zu fossilen Treibstoffen (siehe Abbildung 4-6 für Diesel) fällt der Hauptteil der THG-Emissionen bei Biotreibstoffen auf die Herstellung (WTT, Anbau und Ernte bzw. Sammlung, Umwandlung und Verteilung): bei Altspeiseöl etwa um 80% bis zu etwa 95% bei Raps. Dies ist auch aus dem hohen Anteil der Lachgas-Emissionen (N 2 O) durch den Düngereinsatz erkennbar. THG-Emissionen 2010 für alle Biotreibstoffe für Nutzfahrzeugklasse N1 in Abbildung 4-9. Die THG-Emissionswerte sind für flüssige (Biodiesel, FT-Diesel) und gasförmige Biotreibstoffe (Biomethan, Synthetic Natural Gas (SNG), DME) für Verbrennungskraftmaschinen (vkm) angegeben. Für das Elektrofahrzeug (E-Fahrzeug) wurden unterschiedliche Energiequellen für die Stromerzeugung verwendet (Photovoltaik, Wind, Wasserkraft). Das Brennstoffzellenfahrzeug (BZ-Fahrzeug) verwendet Wasserstoff aus Weiden und Hackgut bzw. aus Elektrolyse mit Strom aus Wasserkraft. Für die Plug-in-Fahrzeuge wurde angenommen, dass sie mit Biodiesel bzw. Bioethanol und Strom aus Wasserkraft betrieben werden. Im Vergleich der Biokraftstoffe zueinander zeigt sich, dass sich bei Verwendung von Reststoffen (Gülle, Grassilage, Lauge, Altspeiseöl) sehr niedrige THG-Emissionen errechnen. Geringe THG-Emissionen errechnen sich für Elektrofahrzeuge mit Strom aus Wind, Wasserkraft bzw. Photovoltaik, für Nutzfahrzeuge mit Treibstoffen aus lignozellulosen Rohstoffen (wie FT-Diesel, SNG) und für Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff aus lignozellulosen Rohstoffen (Hackgut, Weiden) bzw. elektrolytisch erzeugt mit Strom aus Wasserkraft. Relativ hohe THG-Emissionen ergeben sich für Treibstoffe aus landwirtschaftlichen Rohstoffen (wie Raps, Maissilage, Sonnenblumen) 61 NANUPOT

72 und für deren Verwendung in Plug-in-Fahrzeugen in Kombination mit Strom aus Wasserkraft. THG-Emissionen 2010 für ausgewählte Biotreibstoffe und für die Nutzfahrzeugklasse N1 in Abbildung Diese ausgewählten Biotreibstoffe ermöglichen einen übersichtlichen Vergleich der TGH- Emissionen. Die Reihenfolge der Treibstoffe und der Antriebssysteme beginnend vom niedrigsten THG-Emissionswert ergibt sich wie folgt: Biomethan aus Reststoff Gras mit Verbrennungskraftmaschine, DME aus Reststoff Lauge mit Verbrennungskraftmaschine, Elektrofahrzeug mit Strom aus Wasserkraft, Brennstoffzellenfahrzeug mit Wasserstoff elektrolytisch erzeugt mit Strom aus Wasserkraft, SNG aus Hackgut mit Verbrennungskraftmaschine, Plug-in-Fahrzeug mit Biodiesel und Strom aus Wasserkraft, Biodiesel aus Altspeiseöl mit Verbrennungskraftmaschine, FT-Diesel aus Hackgut mit Verbrennungskraftmaschine. THG-Emissionen 2010 für ausgewählte Biotreibstoffe und für alle Antriebssysteme der Nutzfahrzeugklassen N1 und N2 in Abbildung Bei der Nutzungsklasse N1 und N2 reduzieren sich die THG-Emissionen durch die Hybridisierung insbesondere für mild bzw. voll hybride Fahrzeuge. THG-Emissionen 2010 für die Herstellung der Nutzfahrzeugklasse N1 in Abbildung Die unterschiedlichen THG-Emissionen für die Nutzfahrzeugklasse N1 ergeben sich durch die Hybridisierung (größere Batterie) und bei den Elektrofahrzeugen durch die Annahme von drei Batteriesätzen über die Nutzungsdauer (bei Plug-in-Fahrzeugen werden Batterien kleiner Leistung verwendet). Es wurde angenommen, dass nur eine Brennstoffzelle über die Nutzungsdauer notwendig ist. THG-Emissionen 2010 für die Herstellung der Nutzfahrzeugklasse N1 mit Elektro- und Brennstoffzellenantrieb mit Variation der Anzahl der Batterien bzw. Brennstoffzellen in Abbildung 4-13 Da für die Lebensdauer von Batterien und Brennstoffzellen im Praxiseinsatz noch Annahmen notwendig sind, wurde die Anzahl der Batterien bzw. Brennstoffzellen über die Nutzungsdauer von 1 bis 3 variiert. THG-Emissionen 2010 für Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeuge der Nutzfahrzeugklasse N1 mit Variation der Anzahl der Batterien bzw. Brennstoffzellen in Abbildung Die THG-Emissionen sind so dargestellt, dass die Anteile der Batterien bzw. Brennstoffzellen mit der unterschiedlich angenommenen Anzahl (von 1 bis 3) getrennt 62 NANUPOT

73 ausgewiesen sind. Diese THG-Emissionen sind für Elektro-Fahrzeuge immer geringer als für Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Es ist zu erkennen, dass bei Einsatz fossiler Energie (Wasserstoff aus Erdgas, Strom als Strommix) die Anteile der Antriebssysteme nur einen Bruchteil der THG-Emissionen ausmachen (von etwa 3% bis 14%). Wird allerdings Energie aus erneuerbaren Quellen eingesetzt (Wasserstoff aus Elektrolyse mit Strom aus Wasserkraft, Strom für Elektro-Fahrzeug aus Wasserkraft) dann ergeben sich Anteile der Antriebssysteme von etwa 11% bis 64%. THG-Emissionen 2010 bezogen auf Tonnenkilometer [t-km] in Abbildung Die THG-Emissionen in g CO 2 -Äq./LKW-km werden nun auf die durchschnittliche Beladung bezogen und ergeben die Werte in g CO 2 -Äq./t-km. Innerhalb der Nutzfahrzeugklassen bleibt die Reihenfolge der THG-Emissionswerte unverändert: vkm hat die höchsten und voll-hybrid die niedrigsten THG-Emissionswerte. Eine Umkehr gegenüber den absoluten THG-Emissionswerten erfolgt bei den Nutzfahrzeugklassen zueinander: Die niedrigsten THG-Emissionswerte hat nun die Nutzfahrzeugklasse N3-Zug, gefolgt von N3 und N2. Die höchsten THG-Emissionswerte weist die Fahrzeugklasse N1 auf. N1 vkm 375 N1 micro hybrid 373 N1 mild hybrid 349 N1 voll hybrid 308 N2 vkm 460 N2 micro hybrid N2 mild hybrid CO2 CH4 N2O N3 vkm 944 N3 mild hybrid 815 N3-Zug vkm 1026 N3-Zug mild hybrid Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-3: THG-Emissionen 2010 für Diesel und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme 63 NANUPOT

74 BZ H2 Erdgas 221 Plug-in (Diesel+Strommix Ö) 222 E Strommix Ö 206 DME Erdgas voll hybrid 357 DME Erdgas vkm 448 CO2 CH4 N2O Erdgas voll hybrid 336 Erdgas vkm 422 Diesel voll hybrid 308 Diesel vkm Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-4: Vergleich der THG-Emissionen 2010 für die Nutzfahrzeugklasse N1 für fossile Treibstoffe (Diesel, Erdgas, Wasserstoff und Dimethylether (DME) aus Erdgas, Strommix Österreich) und ausgewählte Antriebsysteme N1 vkm 339 N1 micro hybrid 336 N1 mild hybrid 315 N1 voll hybrid 265 N2 vkm N2 micro hybrid N2 mild hybrid CO2 CH4 N2O N3 vkm 810 N3 mild hybrid 680 N3-Zug vkm 898 N3-Zug mild hybrid Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-5: THG-Emissionen 2050 für Diesel und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme 64 NANUPOT

75 N1 vkm 375 N1 micro hybrid 373 N1 mild hybrid 349 N1 voll hybrid 308 N2 vkm 460 N2 micro hybrid N2 mild hybrid WTT TTW N3 vkm 944 N3 mild hybrid 815 N3-Zug vkm 1026 N3-Zug mild hybrid Treibhausgasmissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-6: THG-Emissionen 2010 für Diesel und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme (WTT bis inklusive Tankstelle, TTW Nutzfahrzeug) N1 vkm 223 N1 micro hybrid 221 N1 mild hybrid 208 N1 voll hybrid 184 N2 vkm N2 micro hybrid N2 mild hybrid CO2 CH4 N2O N3 vkm 562 N3 mild hybrid 487 N3-Zug vkm 611 N3-Zug mild hybrid Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-7: THG-Emissionen 2010 für Biodiesel aus Raps und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme 65 NANUPOT

76 N1 vkm 223 N1 micro hybrid 221 N1 mild hybrid 208 N1 voll hybrid 184 N2 vkm 273 N2 micro hybrid N2 mild hybrid WTT TTW N3 vkm 562 N3 mild hybrid 487 N3-Zug vkm 611 N3-Zug mild hybrid Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-8: THG-Emissionen 2010 für Biodiesel aus Raps und alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme (WTT bis inklusive Tankstelle, TTW Nutzfahrzeug) Plug-in- Fahrzeug BZ-Fahrzeug Bioethanol + E Wasserkraft Biodiesel + E Wasserkraft H2 Wasserkraft H2 Weiden H2 Hackgut PV 64 E-Fahrzeug Wind Wasserkraft DME Lauge vkm 39 vkm SNG Hackgut vkm FT-Diesel vkm Biomethan vkm Gülle Grassilage Maissilage Biodiesel vkm Sonnenblumen Raps Altspeiseöl Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-9: THG-Emissionen 2010 für alle Biotreibstoffe und für die Nutzfahrzeugklasse N NANUPOT

77 BZ (H2 Wasserkraft) 56 Plug-in (Biodiesel + E Wasserkraft) 64 E Wasserkraft 45 DME Lauge vkm 39 SNG - Hackgut vkm 59 Biomethan - Grassilage vkm 19 FT-Diesel Hackgut vkm 80 Biodiesel - Altspeiseöl vkm Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-10: THG-Emissionen 2010 für ausgewählte Biotreibstoffe und für die Nutzfahrzeugklasse N1 N1 vkm 18,9 39,3 59,4 67,2 80,2 N1 micro hybrid 18,9 39,0 58,9 66,8 79,8 N1 mild hybrid N1 full hybrid N2 vkm 18,8 18,2 24,6 37,7 34,3 56,4 50,2 57,6 54,6 63,6 68,2 75,7 84,3 81,7 97,8 DME Lauge SNG - Hackgut Biomethan - Grassilage FT-Diesel Hackgut Biodiesel - Altspeiseöl N2 micro hybrid 24,5 54,3 83,7 80,9 96,7 N2 mild hybrid 23,5 48,7 73,6 71,9 85,5 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-11: THG-Emissionen 2010 für ausgewählte Biotreibstoffe und für alle Antriebssysteme der Nutzfahrzeugklassen N1 und N NANUPOT

78 BZ-Fahrzeug 14,5 E-Fahrzeug 35,4 Plug-in Benzin 22,0 Plug-in Diesel 21,9 voll hybrid 10,4 mild hybrid micro hybrid 9,1 9,6 Erdgas vkm 9,0 voll hybrid 9,9 mild hybrid micro hybrid 8,6 9,2 Diesel vkm 8,5 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 Treibhausgasemissionen Herstellung [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-12: THG-Emissionen 2010 für die Herstellung der Nutzfahrzeugklasse N1 1 BZ 14,5 E - LKW BZ - LKW 2 BZ 3 BZ 1 Batterie 2 Batterien 16,4 20,5 26,6 25,9 3 Batterien 35,4 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 Treibhausgasemissionen Herstellung N [g CO 2 -Äq./LKW-km] Abbildung 4-13: THG-Emissionen 2010 für die Herstellung der Nutzfahrzeugklasse N1 mit Elektro- und Brennstoffzellenantrieb mit Variation der Anzahl der Batterien bzw NANUPOT

79 Brennstoffzellen E Strom Wasserkraft 3 Batterien 2 Batterien 1 Batterie BZ H2 aus Wasserkraft E Strommix 3 BZ 2 BZ 1 BZ 3 Batterien 2 Batterien 1 Batterie ohne BZ bzw. Batterien BZ bzw. Batterie BZ H2 aus Erdgas 3 BZ 2 BZ 1 BZ Treibhausgasemissionen N [g CO 2 -Äq./LKW-km}] Abbildung 4-14: THG-Emissionen 2010 für Elektro(E)- und Brennstoffzellen(BZ)-Fahrzeuge der Nutzfahrzeugklasse N1 mit Variation der Anzahl der Batterien bzw. Brennstoff-zellen für unterschiedliche Energiequellen 69 NANUPOT

80 N1 vkm N1 micro hybrid N1 mild hybrid N1 voll hybrid N2 vkm N2 micro hybrid N2 mild hybrid Biodiesel - Raps Biodiesel - Altspeiseöl Diesel N3 vkm N3 mild hybrid N3-Zug vkm N3-Zug mild hybrid Treibhausgasemissionen [g CO 2 -Äq./t-km] Abbildung 4-15: THG-Emissionen 2010 bezogen auf Tonnenkilometer [t-km] 4.3 Kumulierter Primärenergiebedarf Unter Kumulierter Primärenergiebedarf (KEV) wird der Gesamtenergieeinsatz für alle Teilschritte der Lebenszyklusanalyse (siehe Abbildung 4-1) verstanden. Er wird angegeben in eingesetzter Primärenergie (in kwh) bezogen auf die Transport-Dienstleistung gefahrener LKW-Kilometer (LKW-km) für die vier Nutzfahrzeugklassen und die betrachteten Antriebssysteme (siehe Tabelle 4-2). Der KEV wird aufgeteilt in nicht erneuerbare (Kohle, Öl, Erdgas), erneuerbare (Biomasse, Wasserkraft, Wind, Solar) und sonstige Energie (Abfälle u.a.). In den folgenden Abbildungen werden ausgewählte KEV-Werte für die Fahrzeugklassen und Antriebsysteme (siehe Tabelle 4-2) dargestellt und gegenüber gestellt. Kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für Diesel für alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme in Abbildung Der kumulierte Primärenergiebedarf (aufgeteilt in nicht erneuerbare, erneuerbare und sonstige Energie) ist für Diesel für alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssystem dargestellt. Der Anteil nicht erneuerbarer Energie ist dabei dominant. Kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für FT-Diesel aus Hackgut für alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme in Abbildung NANUPOT

81 Im Vergleich zu Abbildung 4-16 kann man erkennen, dass der kumulierte Primärenergiebedarf für FT-Diesel aus Hackgut signifikant höher ist als der für Diesel. Der dominante Anteil stammt allerdings aus erneuerbarer Energie. Kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für Biomethan aus Gülle für die Nutzfahrzeugklassen N1 bzw. N2 und die Antriebssysteme in Abbildung Biomethan wird (wie alle gasförmigen Treibstoffe) nur in den Fahrzeugklassen N1 und N2 eingesetzt. Der kumulierte Primärenergiebedarf ist gegenüber Diesel nur geringfügig höher (siehe Abbildung 4-16) und signifikant geringer gegenüber FT-Diesel aus Hackgut (siehe Abbildung 4-17). Der dominante Anteil stammt aus erneuerbarer Energie. Fossiler kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für die Nutzfahrzeugklasse N1 und fossile Treibstoffe und ausgewählte Biotreibstoffe in Abbildung Der Vergleich des fossilen Anteils am kumulierten Primärenergiebedarf für die Nutzfahrzeugklasse N1 zeigt, dass Biotreibstoffe einen signifikant niedrigeren fossilen kumulierten Primärenergiebedarf aufweisen als fossile Treibstoffe. Fossiler Anteil am kumulierten Primärenergiebedarf 2010 für die Nutzfahrzeugklassen N1 bzw. N2 für fossile Treibstoffe und ausgewählten Biotreibstoffe in Abbildung Der fossile Anteil am kumulierten Primärenergiebedarf errechnet sich bei den betrachteten Biotreibstoffen mit etwa 10%, während er sich bei den fossilen Treibstoffen mit fast 100% errechnet NANUPOT

82 N1 vkm 1,38 N1 micro hybrid 1,37 N1 mild hybrid 1,28 N1 voll hybrid 1,13 N2 vkm N2 micro hybrid N2 mild hybrid 1,44 1,69 1,67 Nicht Erneuerbare Erneuerbare Sonstige N3 vkm 3,46 N3 mild hybrid 2,98 N3-Zug vkm 3,76 N3-Zug mild hybrid 3, Primärenergiebedarf [kwh/lkw-km] Abbildung 4-16: Kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für Diesel für alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme N1 vkm 2,86 N1 micro hybrid 2,83 N1 mild hybrid 2,65 N1 voll hybrid 2,33 N2 vkm 3,51 N2 micro hybrid N2 mild hybrid 2,98 3,46 Nicht Erneuerbare Erneuerbare Sonstige N3 vkm 7,17 N3 mild hybrid 6,17 N3-Zug vkm 7,79 N3-Zug mild hybrid 6, Primärenergiebedarf [kwh/lkw-km] Abbildung 4-17: Kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für FT-Diesel aus Hackgut für alle Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme 72 NANUPOT

83 N1 vkm 1,76 N1 micro hybrid 1,74 N1 mild hybrid 1,64 N1 full hybrid 1,40 Nicht Erneuerbare Erneuerbare Sonstige N2 vkm 2,59 N2 micro hybrid 2,56 N2 mild hybrid 2, Primärenergiebedarf [kwh/lkw-km] Abbildung 4-18: Kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für Biomethan aus Gülle für die Nutzfahrzeugklassen N1 bzw. N2 und die Antriebssysteme E Wasserkraft 0,10 DME Lauge 0,09 SNG - Hackgut Biomethan - Maissilage 0,16 0,13 Biotreibstoffe FT-Diesel Hackgut 0,29 Biodiesel - Altspeiseöl 0,21 DME Erdgas 2,41 Erdgas 1,86 Fossile Treibstoffe Diesel 1,37 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 Primärenergiebedarf fossil [kwh/lkw-km] Abbildung 4-19: Fossiler kumulierter Primärenergiebedarf 2010 für die Nutzfahrzeugklasse N1 und fossile Treibstoffe und ausgewählte Biotreibstoffe 73 NANUPOT

84 DME Lauge SNG - Hackgut Biomethan - Maissilage FT-Diesel Hackgut Biodiesel - Altspeiseöl DME Erdgas Erdgas Diesel Biotreibstoffe N2 mild hybrid N2 micro hybrid N2 vkm N1 voll hybrid N1 mild hybrid N1 micro hybrid N1 vkm fossile Treibstoffe 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Anteil Primärenergiebedarf fossil [%] Abbildung 4-20: Fossiler Anteil am kumulierten Primärenergiebedarf 2010 für die Nutzfahrzeugklassen N1 bzw. N2 für fossile Treibstoffe und Biotreibstoffe 4.4 Schlussfolgerungen aus der ökologischen Analyse Aus den dargestellten Ergebnissen können für die Treibstoffe und die eingesetzten Rohstoffe, Nutzfahrzeugklassen und Antriebssysteme folgende Schlussfolgerungen für die Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) und dem Kumulierten Primärenergiebedarf (KEV) gezogen werden: THG-Emissionen nehmen mit zunehmender Leistung und damit Gewicht des Nutzfahrzeuges (von der Nutzfahrzeugklasse N1 bis Sattelzugmaschinen N3-Zug) zu; mit zunehmender Hybridisierung innerhalb der Nutzfahrzeugklasssen (micro-, mild-, vollhybrid) ab. Biotreibstoffe haben gegenüber fossilen Treibstoffen ein THG-Reduktionspotenzial von bis zu 100% (z.b. Biomethan aus Gülle im Vergleich zu Erdgas). Biotreibstoffe aus Reststoffen (wie Gülle, Lauge, Gras, Altspeiseöl) haben die niedrigsten THG-Emissionen. Biotreibstoffe aus lignozellulosen Rohstoffen (wie Hackgut) haben niedrigere THG- Emissionen als Biotreibstoffe aus landwirtschaftlichen Rohstoffen (wie Sonnenblumen, Raps) NANUPOT

85 Werden die THG-Emissionen auf Tonnenkilometer (tkm) bezogen, nehmen die THG- Emissionen mit zunehmender Nutzlast (Nutzfahrzeugklasse N1 bis Sattelzugmaschinen N3-Zug) ab. D.h. Sattelzugmaschinen (N3-Zug) haben aufgrund ihrer höheren Beladung die geringsten THG-Emissionen pro tkm. KEV bei Biotreibstoffen ist in der Regel höher als bei fossilen Treibstoffen (Ausnahmen: KEV für DME aus Erdgas ist höher als KEV für Biomethan oder KEV für DME aus Lauge). KEV ist bei Elektroantrieben niedriger im Vergleich zu fossilen Treibstoffen und Biotreibstoffen. Der Anteil fossiler Energie am KEV bei Biotreibstoffen ist signifikant niedriger (fossiler Anteil um etwa 10%) als bei fossilen Treibstoffen (fossiler Anteil fast 100%) NANUPOT

86 5 Ökonomische Analyse Ziel dieser Analyse ist es die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit alternative Antriebsysteme unter den wirtschaftlichen und politischen Rahmenbedingungen von 2010 zu bewerten und deren Potential für die Zukunft abzuschätzen. In einem Ersten Schritt werden hierfür die Transportkosten für die vier untersuchten Fahrzeugklassen bei Verwendung konventioneller Technologien ermittelt. Deren Kostenstruktur liefert einen groben Überblick über die wirtschaftliche Relevanz von Effizienzverbesserungen bei Antriebsystemen. Alternative Antriebe sind meist auf eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs oder den Einsatz alternativer Kraftstoffe ausgerichtet, mit dem Ziel die Kraftstoffkosten zu reduzieren. Demgegenüber stehen meist höhere Investitionskosten als bei konventionellen Antrieben. Der Anteil der Kraftstoffkosten an den Gesamtkosten ist bei der Betrachtung der Kostenstrukturen in den unterschiedlichen definierten Fahrzeugklassen und Nutzerkategorien daher von besonderem Interesse. Bei der Bewertung zukünftiger Potentiale alternativer Antriebsysteme wird der Einfluss steigender fossiler Energiepreisen sowie die Reduktion der Kosten von Schlüsselkomponenten (z.b. Batterien) auf die Konkurrenzfähigkeit der Antriebe untersucht. 5.1 Transportkosten im Straßengüterverkehr: Im Rahmen der Studie wurden vier Fahrzeugkategorien (siehe Kapitel 2) mit unterschiedlichen jährlichen Nutzungsintensitäten untersucht (Tabelle 5-1). Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 2010 wurde von den Österreichischen Rahmenbedingungen 2010 ausgegangen (Kraftstoffpreis, KFZ-Steuer, Maut etc.) Tabelle 5-1: Nutzerkategorien in den Fahrzeugklassen Nutzungsdaueleistung Fahr [Jahre] [km/jahr] N N N N3 S In der Folge werden die Gesamttransportkosten in den untersuchten Kategorien am Beispiel konventioneller Fahrzeuge mit Dieselmotor untersucht. Bei der Berechnung der jährlichen 76 NANUPOT

87 Kapitalkosten wurde ein Zinssatz von 5 % angenommen. Als Dieselpreis wurden 1,05 /l angenommen. Bei der Berechnung der Gesamtkos sten (oder auch total cost of ownership TCO) der Fahrzeuge wurden alle relevanten Kostenkategorien berücksichtigt. Hierzu gehören nebenn den Kapital- und Kraftstoffkosten, den Kosten für Wartung, Schmiermittel, Reifen und Versicherung auch die Kosten der Kosten für Fahrperson nal sowie Steuern, Abgaben und Maut. Eine detailliert Dokumentation der Annahmen und der Berechnung, sowie der Kosten in den einzelnen Nutzerkategorien findet sichh im Anhang B Klasse N1 Die Klasse N1 umfasst sämtliche Nutzfahrzeuge bis 3,5 t Gesamtgewicht. Die wichtigsten Fahrzeugkategorien in dieser Klasse sind neben den PKW-basierP rten Transportern die sogenannten Kleintransporter. Der Wirtschaftlichkeitsrechnung der Klasse N1 wurde ein Kastenwagen mit zwei unterschiedlichen Nutzungsprofilenn zugrundee gelegt. Beim ersten Profil wurde eine jährliche Laufleistung von km angenommen, was einer typischen Nutzungsintensität für Fahrzeuge von Handwerksbetrieben entspricht (Werkverkehr). Aufgrund der geringen Kilometerleistung sind diese Fahrzeuge meist länger im Einsatz was auch in der Wirtschaftlichkeitsrechnung berücksichtigt wurdee (siehe Tabelle 5-1). Beim zweiten Nutzungsprofil wurde eine jährliche Fahrleistung von km angenommen, was einer typischen Einsatzintensität im gewerblichen Nahverkehr entspricht (z.b.. Kurierfahrzeuge). Als Nutzungsdauer wurden 5 Jahre angenommen (siehe Tabellee 5-1). Tabelle 5-2: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse N km/jahr Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifen Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometerr 1,19 /km 0,91 /tkm Abbildungg 5-1: Kostenstruktur Fahrzeugklasse N km/jahr 77 NANUPOT

88 Tabelle 5-3: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse N km/jahr Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifen Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometerr 1,08 /km 0,83 /tkm Abbildungg 5-2: : Kostenstrukturr Fahrzeugklasse N km/jahr Klasse N2 In der Fahrzeugklasse N2 umfasst Fahrzeuge zwischen 3,55 und 12 t Gesamtgewicht. Diesee Fahrzeugklassee hat in Österreich mengenmäßig recht geringe Bedeutung (siehe Kapitel 6.1).. Die typischen Einsatzgebiete dieser Fahrzeugklasse sind ähnlich wie bei der Klasse N1, der Werkverkehr und sowie der Verteilverkehr. In der Wirtschaftlichkeit wurden zwei Nutzerkategorien mit und km/jahr untersucht. Tabelle 5-4: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse N km/jahr Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifen Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometerr 1,32 /km 0,29 /tkm Abbildungg 5-3: Kostenstruktur Fahrzeugklasse N km/jahr 78 NANUPOT

89 Tabelle 5-5: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse N km/jahr Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifenn Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometerr 1,16 /km 0,26 /tkm Abbildungg 5-4: Kostenstruktur Fahrzeugklasse N km/jahr Klasse N3 Die Klasse N3 umfasst schwere Lastkraftwägen mit einemm Gesamtgewicht über 12 t. Die Fahrzeuge werden im gewerblichen Nahverkehr undd im Fernverkehr eingesetzt. Entsprechend wurden zwei Nutzerkategorien mit jährlichenn Laufleistungen von und km definiert. Aufgrund der höheren Laufleistung spielen die Kraftstoffkos sten in dieser Fahrzeugklasse mit 21-25% eine deutlich größere Rolle als in den Klassen N1 und u N2. Ihr Anteil liegtt bereits bei dem geringen angenommenen Dieselpreis (1,05 /l) deutlich über den Kapitalkosten was das hohe wirtschaftliche Potential antriebseitiger Effizienzsteigerungsmaßnahmenn unterstreicht. Tabelle 5-6: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse N km/jahr Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifen Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometerr 1,611 /km 0,12 /tkm Abbildungg 5-5: : Kostenstrukturr Fahrzeugklasse N km/jahr 79 NANUPOT

90 Tabelle 5-7: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse N km/jahr Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifenn Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometer 1,31 /km 0,10 /tkm Abbildungg 5-6: : Kostenstrukturr Fahrzeugklasse N km/jahr Klasse N3 Sattelzug Sattelzüge welche gemessen nach dem Fahrzeuggewicht auch der Fahrzeugklasse N3 zuzuordnen sind werden aufgrundd ihrer üblicherweise deutlichh höheren jährlichen Nutzungsdauer in der Wirtschaftlichkeitsanalysee gesondert behandelt. Konkret wurde von einer jährlichen Kilometerleistung von km ausgegangen, ein üblicher Wert für Sattelzüge im Fernverkehr [2]. In dieser Fahrzeugklasse machen die Kraftstoffkosten 27 % der Gesamtkosten aus, was mehr als das doppelte der Kapitalkosten ist. Durch Reduktion dess Kraftstoffverbrauchs ließen sich daher erhebliche Einsparungen erzielen, wodurch effizientee Antriebstechnologienn in diesem Fahrzeugsegment von besonderer Bedeutung sind. Tabelle 5-8: Jährliche Kosten Fahrzeugklasse km/jahr N3 Sattelzug Kapitalkosten Kraftstoffkosten KFZ Steuer Versicherung Fahrpersonalkosten Maut Schmierstoffe Reifen Wartung Kosten/Jahr pro Kilometer pro Tonnerkilometer ,34 /km 0,06 /tkm Abbildungg 5-7: : Kostenstrukturr Fahrzeugklasse km/jahr N3 Sattelzug 80 NANUPOT