Ganzheitliches Denken Ökologisch-ökonomische Lebenszyklusanalyse von Nahverkehrsbussen. Dr. Michael Faltenbacher Freiburg, 12.

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1 Ganzheitliches Denken Ökologisch-ökonomische Lebenszyklusanalyse von Nahverkehrsbussen Dr. Michael Faltenbacher Freiburg, 12. März 2013

2 Agenda 1. Einführung Nachhaltigkeit und Ökobilanzierung als Innovationsfaktor im busbasierten ÖPNV 2. Ökobilanz von Bussystemen am Beispiel Diesel/ Dieselhybrid 3. Ganzheitlicher Technologievergleich von Kraftstoff- & Antriebskonzepten 4. Werkzeug zur strategischen Ausrichtung eines zukunftsfähigen Fuhrparks 5. Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen

3 Einführung Nachhaltigkeit und Ökobilanzierung als Innovationsfaktor im busbasierten ÖPNV 3

4 Ausgangssituation Anspruch Betreiber: Anbieter eines attraktiven, nachhaltigen ÖPNV Hoher Innovationsdruck bzgl. Ressourcenschonung und Abgasreduktion (kommunale Luftreinhaltepläne) Aktuelle Referenztechnologie: Dieselantriebe (optional mit PM-Filter) Weitere Verschärfung Abgasnormen durch Gesetzgeber mit Euro VI (ab 2014) Lebensdauer der Busse: 12 (bis 15 Jahre) Wirtschaftlichkeit Alternative Antriebe/Kraftstoffe: Fremdgezündeter Verbrennungsmotor (CNG, (LPG)) Elektrifizierung des Antriebes: Hybridisierung (parallel, leistungsverzweigt, seriell) Diesel, Brennstoffzelle, Batterie, O-Leitung Biokraftstoffe (flüssig (1./2. Generation), gasförmig) 4

5 Pläne europäischer Betreiber - Beispiele Hannover All buses are Hybridbusses (or with better environ. performance) Quelle: FCH JU, Region Hannover

6 Herausforderung Existierende Busflotte Direkte Kosten des Busbetriebs üblicherweise bekannt, meist auch über den Lebenszyklus (LCC) Was sind die Umweltwirkungen der bestehenden Fahrzeugflotte, und zwar nicht nur im Betrieb? Welche Umweltlasten ergeben sich aus Kraftstoffbereitstellung, Fahrzeugherstellung, -wartung und -entsorgung/-verwertung Ganzheitliche Betrachtung des gesamten Lebenszyklus erforderlich Bei Neubeschaffungen stellt sich die Frage: Welches Kraftstoff-/Antriebskonzept ist unter Berücksichtigung der spezifischen Randbedingungen des ÖPNV Betreibers aus ökologischer und ökonomischer Sicht am sinnvollsten? Was ist die beste Lösung um Nachhaltigkeitsziele zu erreichen? 6

7 Ganzheitliche Bewertung busbasierter ÖPNV Bestimmung Status Quo der aktuellen Flotte (Ökologie/ Ökonomie) Analyse und Vergleich verschiedener Kombinationen von Kraftstoff- und Antriebstechnologien (inkl. Abgasreinigung) hinsichtlich Umweltwirkungen Kosten (inkl. externer Effekte) unter Berücksichtigung gesamter Lebenszyklus Verkehrssystem Bus spezifische Einsatzbedingungen des Betreibers Erweiterbarkeit hinsichtlich neuer Technologien (Diesel-, BZ Hybrid, Batterie) und alternativer Kraftstoffe (z.b. Diesel B30, GtL, Biomethan) Definition Szenarien zur möglichen Flottenentwicklung/ Neubeschaffung Quantifizierung ökologische und ökonomische Lebenszyklus- Performance dient Entwicklung Nachhaltigkeitsstrategie zur zukunftsfähigen Strukturierung der Flotte 7

8 Anwendungsbeispiele CUTE, HyFLEET:CUTE, CHIC, NIP Einsatz H 2 /BZ Busse in 13 europäischen Städten Umweltliche Bewertung (Ökobilanz) von BZ, BZ-Hybrid, CNG und Dieselbus Lebenszykluskosten H 2 Infrastruktur SSB AG, VDV, Perth Transport Authority Entwicklung Nachhaltigkeitsstrategie (SSB, PTA) Basis für VDV- Positionspapier Nachhaltige Kraftstoff- und Antriebskonzepte für den Linienbusverkehr Basis für Beschaffung von 650 Bussen (320 Mio. ) (PTA) Modellregionen Elektromobilität 27 Busbetreiber in Deutschland, >100 Hybrid- und konv. Dieselbusse Ökobilanz verschiedener Dieselhybridkozepte Technologiebewertung Dieselhybridbusse bzgl. Praxistauglichkeit, Effizienz, Ökologie & Klimaschutz, Akzeptanz 8

9 Ökobilanz von Bussystemen am Beispiel konv. Diesel vs. Dieselhybrid 9

10 Einführung Ökobilanzierung Lebenszyklus eines Nahverkehrsbusses Von der Wiege bis zur Bahre bzw. Wiege 10

11 Herstellung Vergleich Materialmix Diesel vs. Dieselhybrid Leergewicht Diesel Solo (12 m) t / Gelenk (18 m) t Mehrgewicht Dieselhybrid: Solo 0,8-1 t / Gelenk 1-2 t Elastomere Betriebsstoffe 4% 0,3% Thermoplaste Elektronik 10% 0,3% Sonstige Werkstoffe 5% Prozesspolymere 1,6% Buntmetalle 2% Leichtmetalle 10% Höherer Kupferanteil Duromere 1,3% Verbundwerkstoffe 2% Kleinerer Motorblock, Getriebe, Verrohrung Stahl- und Eisenwerkstoffe 64% Elastomere Betriebsstoffe 5% 0,9% Thermoplaste 8% Elektronik 0,2% Sonstige Werkstoffe 5% Prozesspolymere 1,8% Buntmetalle 1% Leichtmetalle 8% Duromere 1% Verbundwerkstoffe 1% % Stahl % Kunststoffe 8 15 % Al 4 6 % Glas Stahl- und Eisenwerkstoffe 68% 1 3 % Buntmetalle <1 % Elektronik Höherer Aluminiumanteil Dieselhybrid Quelle: PE International, 2011 Konv. Diesel 11

12 CO 2 - Emissionen [t] CO 2 - Emissionen [t] CO 2 Emissionen über den Lebenszyklus Break-even Analyse Diesel vs. Dieselhybrid (parallel) ,5 62, Laufleistung [ Tausend km] Hybrid Konv 65,5 62,1 Herstellung Hybrid + 5% (seriell bis +15%) Break- Even nach weniger als km (4 Monate Betrieb) Einsparung von 171 t CO 2 (14%) über Lebenszyklus (entspricht Verbrennung v. ~ l Diesel) Laufleistung [ Tausend km] Hybrid Konv Quelle: Voith Turbo/ PE International,

13 Ganzheitlicher Technologievergleich von Kraftstoff- & Antriebskonzepten 14

14 Methodik ganzheitlicher Technologievergleich Festlegung des Betrachtungsrahmens dieser Vortrag Antriebstechnologien - Dieselverbrennungsmotor (Euro III VI) + Hybridantrieb - Brennstoffzellenhybridantrieb - Batterie (200 kwh, 2-3x tagsüber Nachladen + Nachtladung) Kraftstoffe und Abgasnachbehandlungstechnologien Diesel Dieselhybrid Brennstoffzellenhybrid Kraftstoffart Diesel konventionell (B7) Wasserstoff aus (Bio)Diesel B30 Elektrolyse Windstrom Abgasreinigung Je nach Euro-Klasse DeNOx (ab Euro 4; AGR/SCR) Partikelfilter (bis Euro 5 optional) N/A Batterie Windstrom N/A 15

15 Ergebnisse Ökologie - Technologievergleich Streckenbezogene Treibhausgasemissionen Solobus Datenquelle: HBEFA 3.1/ Messungen Verbrauch Linien Mix (42, 44, Esslingen): Diesel Euro V: 39,8 l/100 km D-Hybrid: Euro V -15% Euro V VI -2% BZ 0,092 kg H 2 /km (-20%) Batterie 1,85 kwh/km Dominanz Nutzungsphase bei Dieselbus (Herstellung & EoL 6-8%, Kraftstoffb.st. 14%) Reduktion THG bei BZ und Batterie vs. Diesel EEV (SCRT) ~ 85% Anteil Herstellung bei BZ und Batteriebus: 48% und 62% (Herstellung Batteriebus abgeschätzt aus BZ Hybrid, Annahme Batteriekapazität 200 kwh) 16

16 Ergebnisse Ökologie - Technologievergleich Streckenbezogene Partikel (PM10) Emissionen Solobus 290 Ab Euro IV mit Partikelfilter (CRT/DPF) untergeordnete Bedeutung des Busbetriebs steigende Relevanz Fahrzeugherstellung (56%) und Kraftstoffbereitstellung (38%) höhere PM für BZ Hybrid und Batteriebus vs. Diesel wg. Herstellung und einmaligem Austausch BZ bzw. Batterie nach 6 Jahren, aber lokal emissionsfreier Betrieb Analog leicht höhere Emissionen Dieselhybrid wegen E-Komponenten und Tausch Batterie 18

17 Ergebnisse Ökonomie Kosten Technologievergleich (Bezugsjahr: 2017) * Höchste Kosten bei BZ Hybrid, aber Kostenreduktionspotential vorhanden (Fzg.kosten bei -4% p.a. -33% in 10 a) Hohe Unsicherheit bei Batteriebus (200 kwh), Nachweis technische Machbarkeit steht, Datenbasis aktuell noch sehr eingeschränkt, * abgeleitet aus FCH JU Bus Studie liegen Kosten für Batteriebus in ähnlicher Größenordnung wie BZ Hybrid 19

18 Werkzeug zur strategischen Ausrichtung eines zukunftsfähigen Fuhrparks 20

19 Busflottencharakterisierung Status Quo als Startpunkt 100% 80% 60% Gele nk EEV Hybrid 4% BZ Hybrid 1% Euro II 1% 40% 20% 0% Solo Flotte EEV 51% Euro- Klassen Euro IV 1% Euro III 42% Weitere Parameter: Lange Lebensdauer Busse Hohe jährliche Laufleistung 12 a km/a, km/ Fzg. 21

20 Szenarien für Flottenentwicklung 3 beispielhafte Szenarien Zukunftsszenario 1 - Diesel Alle ausgedienten Busse durch Dieselbusse Euro VI ersetzt (Start: 2014) Zukunftsszenario 2 komplett Diesel- und BZ-Hybrid Ab 2017 komplette Umstellung: Alle ausgedienten Busse durch Diesel-Hybrid- Gelenkbusse Euro VI bzw. Brennstoffzellen-Solobusse ersetzt Zukunftsszenario 3 - Dieselhybrid- und anteilig Batterie Ab 2017: Gelenkbusse durch Diesel-Hybrid-Gelenkbusse ersetzt (s. Szenario 2), Solobusse durch 50% Batterie-Busse und 50% Dieselhybridbusse ersetzt 22

21 Flottenentwicklung Szenario 1 Diesel (ab 2014 Euro VI) Jährlicher Austausch von 8% Solo- und Gelenkfzge Alle ausgedienten Busse durch Dieselbusse Euro VI ersetzt (Start: 2014, Flotte vollständig Euro VI in 2025) 23

22 Flottenentwicklung Szenario 2 ab 2017 nur BZ-Solo- und Dieselgelenkhybrid Ab 2017 komplette Umstellung: Alle ausgedienten Busse durch Diesel-Hybrid-Gelenkbusse und Brennstoffzellen-Solobusse ersetzt (in Dieselhybrid und 63 BZ-Busse) 24

23 Ergebnisse Szenarien - Ökologie Entwicklung Treibhausgasemissionen 1 2 Zusammensetzung Dieselkraftstoff lt. Vorschlag EC Anpassung FQD & RED Okt (2012/0288 (COD)): B7 (7 Vol% RME) B9 (5 Vol% RME, Rest BtL) B10 (dto.) 2020 B15 (dto.) : B9 Diesel entspr. NRAP Ab 2016: unterschiedl. Beschaffung 3 Szenario : Wechsel von B10 auf B15 Szenario 3 Szenario 2 Reduktion 2025 vs. 2013: Szenario 1: 9%, Szenario 2: 32% In 2025 Reduktion Szenario 2 vs. Szenario 1: 25% (~5.800 t), Szenario 3 vs. 1: 19% 25

24 Ergebnisse Szenarien - Ökologie Entwicklung NO x -Emissionen : Auslaufen Euro III Gelenk Fzge 2020: Auslaufen Euro III Solo Fzge 1 2 Szenario 1 Szenario 3 Szenario 2 Hohe Reduktion 2025 vs 2013 wg Euro VI: Szenario 1: -84%, Szenario 2: -87% In 2025: Szenario 2 vs. Szenario 1: -21% (wg. Hybrid) 26

25 Ergebnisse Szenarien - Ökologie NO x -Emissionen (Verlauf ) Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Abnehmende Relevanz Nutzungsphase (S2: 2013: 95%, 154 t; 2025: 60%, 12 t) Untergeordnete Bedeutung von Busherstellung/EoL bei 3%, AdBlue/Wartung & Instandhaltung <1% 27

26 Ergebnisse Szenarien - Ökologie Entwicklung PM10-Emissionen Relevanz Busherstellung und Kraftstoffbereitstellung Anstieg in Szenarien 2 und 3 wegen erhöhter Aufwände bei Wartung und aus Busherstellung (Dieselhybrid, Batterie, BZ); ABER: im Betrieb Null Emission (Ort der Emission relevant!) Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Reduktion 2025 vs 2013 wg Euro VI: S1-38%, S2: -26% In 2025: Szenario 2 vs. Szenario 1: +21%, aber: PM in 2013 bereits sehr niedrig, da Vollausstattung der Flotte mit DPF Herstellung & Wartung Fzge mit Hybrid/BZ/ Batterie 28

27 Ergebnisse Szenarien - Ökologie Anhebung Biokraftstoffanteil Einsatz B30 B30 Dieselkraftstoff: 5% RME, 25% BtL am Beispiel Szenario 2 Einsatz B30 in Szenario 2: weitere -10% (20% vs. Szenario I), analog in anderen Szenarien, aber noch keine Freigabe von Herstellern (auch nicht für B9/B15) Anstieg Anteil Kraftstoffbereitstellung in Szenario 2 mit B30 von 14% nach 21% Bei NO x und PM keine relevanten Auswirkungen durch Einsatz B30 (vereinfachte Annahme wg höherem BtL Anteil: Fahremissionen bleiben gleich) 29

28 Ergebnisse Szenarien - Ökonomie LCC-Kosten (aggregiert ) Alle Szenarien führen vs. Szenario 1 zu höheren Kosten, Szenario 2 +12% verbesserte Umweltperformance gibt es nicht zum Nulltarif Vgl.bare Anteil aus Kap.geb. Buskapital (33-39%), Kraftstoff (29-33%), Wartung 26-28% Szenario 2 zwar mit höchsten Kosten, Bandbreite Szenarien vs Szenario 1 (nur) 12% Externe Kosten liegen bei knapp 5% (18-19 Mio. ) 30

29 Ergebnisse Szenarien - Ökonomie Entwicklung Externe Kosten Größter Beitrag durch CO 2 Emissionen Reduktion durch Rückgang NO x (Diesel Euro VI), etwa Halbierung

30 Zusammenfassung und Handlungsempfehlungen 32

31 Ergebnisse Szenarien - Zusammenfassung Treibhausgase: Nutzungsphase dominiert Diesel BAU (Szenario 1, S1): : -9%; in 2025 BZ-/Dieselhybrid (S3) -25% vs. S1, in Summe bis % Einsatz B30 nochmals -10% Stickoxide (NO x ): Relevanz Nutzungsphase wegen Euro VI rückläufig (94% 60%) Diesel BAU (S1): : -84%; in 2025 BZ-/Dieselhybrid (S3) -23% vs. S1, in Summe nur -3% Partikel (PM10): Nutzungsphase von untergeordneter Bedeutung, hohe Relevanz Busherstellung (>50%), Kraftstoff ~30% Anteil Diesel BAU (S1): : -38% wegen Euro VI; in 2025 BZ-/Dieselhybrid (S3) +21% vs. S1, allerdings Emissionsort zu berücksichtigen sowie Ausstattungsgrad heutigen Flotte mit DPF Kosten: Alle Technologien und damit alle Szenarien weisen höhere Kosten gg.über Szenario 1 auf, Bandbreite zwischen Szenarien relativ gering (12%), gegenwärtig Unsicherheit bei BZ und besonders Batterie- Technologie 33

32 Ergebnisse Technologievergleich - Zusammenfassung Dieselhybridtechnik gute Brückentechnologie zu E-Mobilität (Einsparung bei THG und NOx (ca %), Lärmvorteil, Erfahrung sammeln in Werkstatt, routenspezifische Einsatzplanung etc.) BZ Hybridtechnologie bei Wasserstoffherstellung über Elektrolyse mit Windkraft zeigt in Umweltkategorien hohes Einsparpotential (vs. Diesel Euro VI, B15: THG 83%, NOx -76%, Ausnahme PM: +40%, aber: im Betrieb Null Emission). Nachteil: hohe Kosten BZ Hybridtechnologie H 2 -Herstellung Batterietechnologie mit vgl. hohem ökologischem Reduktionspotential (PM analog + 32%). Technische & ökonomische Machbarkeit ist noch nachzuweisen, erste Prototypen aktuell im Aufbau, Einschränkung bei Einsatzfähigkeit (Ladeinfrastruktur) 34

33 Handlungsempfehlung - Antriebtechnologien Einsatz neuer Antriebstechnologien führt zu Verminderung der Umweltbelastungen, aber derzeit immer zu Mehrkosten, bei den teils noch jungen Technologien Beschaffungs- und Wartungskosten abwiegen (Emissionsvermeidungskosten). Entwicklung der Antriebstechnologien z.z. von hoher Dynamik geprägt, Potential bei elektrischen Antrieben in naher Zukunft höheren technischen Reifegrad und (signifikante) Kostenreduzierung zu erreichen Entwicklungen eng verfolgen um Anspruch als Anbieter nachhaltigen ÖPNV zu genügen Erprobung innovative Antriebe hinsichtlich technischer Reife z.b. über in eine Gesamtstrategie eingebettet Demoprojekt Beobachtung BZ Hybrid und Batteriebus bezüglich Wirtschaftlichkeit Überprüfung Verbrauch- und Emissionsverhalten Diesel Euro VI und Euro VI Hybrid (CO2, NO x /NO 2, PM) Diskussion mit Hersteller hinsichtl. Verträglichkeit steigende Biokraftstoffanteil (Pläne Bundesregierung/ EU Emissionen, Komponentenverträglichkeit etc.) 35

34 Handlungsempfehlung Ganzheitliche Lebenszyklusanalyse 1. Transparente Bewertung verschiedener Technologien hinsichtlich Energieeffizienz/ Kraftstoff- und Ressourcenverbrauch Treibhausgase und weitere Umweltwirkung (Smog, menschl. Gesundheit) Kosten inkl. Emissionsvermeidungskosten etc. 2. Identifizierung potentieller Tradeoffs zwischen Umweltwirkungen und/ oder Kosten sowie Lebenszyklusphasen (z.b. Busbetrieb Kraftstoffbereitstellung) durch ganzheitliche lebenszyklusbasierte Betrachtung 3. Quantifizierung des aktuellen Umwelt- und Kostenprofils der kompletten Busflotte einschließlich Vorketten und externer Effekte 4. Transparente und quantitative Informationsbasis bei Fragestellungen zur Umweltrelevanz des ÖPNV (z.b. Luftreinhalteplan) 5. Kommunikation und Außendarstellung/Imagegewinn gegenüber Stakeholdern (z.b. Mitarbeiter, Kunden, Verwaltung und Politik) Werkzeug zur quantitativen Entscheidungsunterstützung zur strategischen Fuhrparkausrichtung um Wettbewerbsfähigkeit und Attraktivität des ÖPNV zu erhöhen 36

35 Kontakt Michael Faltenbacher (Dr.-Ing.) PE INTERNATIONAL Hauptstrasse Leinfelden-Echterdingen GERMANY Phone: +49 (0) Internet: 37