Ganzheitliche energetische Bewertung der Elektromobilität ecartec Kongress 13. Oktober 2009 Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Mauch Forschungsstelle für Energiewirtschaft, München www.ffe.de 1 Gliederung: Motivation für Elektromobilität Stromerzeugung in Deutschland KEA verschiedener Antriebstechnologien PE-Verbrauch aktueller Fahrzeuge
Motivation für Elektromobilität Effizienzsteigerung und Reduzierung der CO 2 -Emissionen Nutzung regenerativer Energien im Verkehr möglich Weniger Schadstoffemissionen in den Ballungsräumen Energiewirtschaftliche Integration (V2G) Zukünftige Mobilitätskonzepte 22
SWOT-Analyse Elektromobilität in Deutschland Produkt Stärken Einfacher mechanische Aufbau Substitution fossiler Energieträger wird ermöglicht Energiespeicher für fluktuierende Stromerzeugung Energieversorgungsnetze hohen Standards sind vorhanden Schwächen Frühes Stadium im Produktlebenszyklus der Batterien (weiterer Forschungsbedarf) Kurze Lebensdauer der Akkus (Li-Ion) Geringe Reichweite Unzuverlässige Reichweitenabschätzung Hohe Investitions- / Batteriekosten Teures Fahren auch in Zukunft Umwelt Chancen Verknappung fossiler Energieträger Politische Ziele (Klimadiskussion, Reduktion der Importabhängigkeit) Steuererleichterungen Weitere Fördermaßnahmen (z.b. Nullemissionszonen) Wachsender Regelenergiemarkt Risiken Akzeptanzprobleme in der Bevölkerung (Reichweite, Ladedauer, Kosten, Mehrstromverbrauch) Uneinheitliche Förderinstrumente in verschiedenen Ländern / Regionen Entstehung zusätzlicher Lastspitzen durch ungesteuerte Ladevorgänge 33 Ganzheitliche energetische Bewertung und CO 2 -Emissionen hängen von der Art der Stromerzeugung ab
Einsatz von Energieträgern zur Stromerzeugung in Deutschland 2007 Struktur der Stromerzeugung in Deutschland in 2007, primärenergetisch: Gesamt: 5.490 PJ = 1.525 TWh prim Bruttostromerzeugung 2007: 637,6 TWh el CO 2 -Emissionen zur Bereitstellung einer kwh Strom aus verschiedenen Energieträgern, für 2007 inkl. Photovoltaik Strom aus: (für 2007) Spez. CO 2 - Emissionen in g/kwh netto ohne Vorkette Steinkohle 965 Braunkohle 1.163 Übrige 320 Heizöl 656 Erdgas 452 Wasser-/Windkraft -- Kernenergie -- Insgesamt 576 44 Quellen: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, Energiestatistiken Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen
Bruttostromerzeugung in Deutschland Prognose der Struktur der Stromerzeugung in Deutschland für 2020: Anteil erneuerbare Energien bis 2008: 14,2 % Politisches Ziel bis 2020: 30 % Kernenergieausstieg 55 Quelle: FfE Veröffentlichung in der BWK Jubiläumsausgabe: Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm.
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Anstieg der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland bis 2020: 2007: Photovoltaik 3,5 TWh Windenergie 39,5 TWh Biomasse 19,5 TWh Wasserkraft 20,7 TWh 66 Quelle: FfE Veröffentlichung in der BWK Jubiläumsausgabe: Das Integrierte Energie- und Klimaprogramm.
Definition: Kumulierter Energieaufwand (KEA) KEA = KEA + KEA + H N KEA E Indizes: H: Herstellung N: Nutzung E: Entsorgung KEA = KREA + KNREA Kumulierter regenerativer Energieaufwand Kumulierter nicht-regenerativer Energieaufwand 77 Definition nach VDI-Richtlinie 4600: Der Kumulierte Energieaufwand gibt die Gesamtheit des primärenergetischen Aufwandes an, der im Zusammenhang mit der Herstellung, Nutzung und Beseitigung eines ökonomischen Gutes entsteht bzw. diesem ursächlich zugewiesen werden kann.
Überblick über die betrachteten Nutzungspfade fossil / erneuerbar fossil / erneuerbar Erdgas Erdöl Stromerzeugung Elektrolyse / Dampfreformierung Bereitstellung Raffinierung Strom H 2 CNG Diesel / Benzin Elektrofahrzeug Pkw mit H 2 + Brennstoffzelle Erdgas- Fahrzeug konventioneller Pkw Well-to-wheel-Analyse Mögliche Vergleichskriterien: KEA und CO 2 -Emissionen 88
Beispiel: Berechnung KEA eines Mittelklasse-Pkw (Benzin) einschließlich Verkehrs-Infrastruktur Gesamter Kumulierter Energieaufwand 637 GJ je Pkw 650 550 450 389 Kraftstoffverbrauch 61 % Automobilwerk (Endmontage etc.) 14% Antriebssystem 19% Herstellung 82,5 GJ je Pkw Fahrwerk 18% Elektrik 4% Karosserie und Zusatzstoffe 23% Ausstattung 22% Kraftstoffverbrauch 70% Nutzung 555 GJ je Pkw Infrastruktur 9% Instandhaltung 9% Kraftstoffbereitstellung 12% 99 GJ je Pkw 350 250 150 50-50 66,6 47,4 51,7 82,5-0,5 Kraftstoffbereitstellung 11 % Infrastruktur 7 % Instandhaltung 8 % Herstellung 13 % Entsorgung Entspricht 111 kwh / 100 km Transporte 27% Reststoffdeponierung 4% Entsorgung (Energieaufwand) 0,9 GJ je Pkw Shredder und Separieranlage 28% Fahrzeugverwerter 41% Reifen 41% Entsorgung (Energiegutschrift) -1,4 GJ je Pkw Sonstiges (Batterie etc.) 9% Mittelklasse-Pkw mit Otto-Motor (60 kw / 81 PS), Technikstand 1990, Leergewicht 1.070 kg, Nutzungsdauer 10 Jahre, Fahrleistung 159.000 km, Kraftstoffverbrauch 7,4 l / 100 km Öle und Bremsflüssigkeit 19% Kühler 10% Motor 21% Quelle: FfE Studie Kumulierter Energieaufwand und energieoptimierte Nutzungsdauer von Personenkraftwagen, 1997
Betrachtete Fahrzeugtypen einer FfE Studie FfE Studie Systemvergleich alternativer Antriebstechnologien, März 2003 Auswahl betrachteter Fahrzeugtypen: Diesel-Pkw Erdgas-Pkw Brennstoffzellenfahrzeug (H 2 + BZ) Elektrofahrzeug Volvo V 40 Kombi Turbo-Dieselmotor mit 85 kw / 115 PS Leergewicht: 1.295 kg Verbrauch: 5,4 l/100km Volvo V 40 Kombi Fahrzeug wie oben, aber mit Otto-Motor und Umrüstung auf Erdgas-Betrieb (CNG) Verbrauch: 6 kg Erdgas / 100km Opel Zafira HydroGen 3 PEM Brennstoffzelle, 60 kw / 82 PS Flüssigwasserstofftank Ford e-ka Leichte Umrüstbarkeit auf verschiedene Antriebsvarianten Zum Zeitpunkt der Studie verfügbare Fahrzeuge Nutzungsdauer aller Fahrzeuge: 10 Jahre Quelle: FfE wiba P4 Studie 10 1 0 Fahrleistung: 150.000 km
KEA Diesel- und Erdgas(CNG)-PKW (pro 100 km) 111 1 Quelle: FfE wiba P4 Studie
KEA Pkw mit Wasserstoff + Brennstoffzelle (pro 100 km) Quelle: FfE wiba P4 Studie 12 1 2
Referenz-Elektrofahrzeug der FfE-Studie Referenz-Elektrofahrzeug: Ford e-ka Demonstrationsfahrzeug der Ford Forschungsstelle in Aachen Leergewicht 1.134 kg (inkl. Akku) Höchstgeschwindigkeit 130 km/h Reichweite: 181 km Lithium-Ionen-Akku mit 28,0 kwh Gewicht Akku: 280 kg (inkl. Tröge und Klimatisierung) Ladevorgänge nach deutschem Strommix 13 1 3 Alternative: Nutzung regenerativ erzeugten Stroms Quellen: FfE wiba P4 Studie Ford
KEA des Referenz-Elektrofahrzeugs (pro 100 km) Bei 100 % regenerativ erzeugtem Strom: KEA ges 83 (inkl. Herstellung der Anlagen) Quelle: FfE wiba P4 Studie 14 1 4
Zukünftiger KEA verschiedener Antriebstechnologien Entwicklung des KEA und des CO 2 -Ausstoßes in Zukunft: Abhängig von: - Bereitstellungsnutzungsgrad der Endenergie - Energiequelle Benzin / Diesel: wenig Veränderung zu erwarten Wasserstoff: mögliche Effizienzsteigerung bei der Dampfreformierung / Elektrolyse Elektrolyse aus erneuerbaren Energien 15 1 5 Elektrofahrzeuge: Abhängig vom zukünftigen deutschen Strommix: Ausbau der regenerativen Energien Ausstieg aus der Kernenergie Zukünftige Nutzung der Kohle / des Erdgases
Streckenbezogener kumulierter Energieaufwand als Funktion des Bereitstellungsnutzungsgrades 200 Quelle: NASA spez. kumulierter Energieaufwand [kwh/100km] 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 200 180 160 140 120 100 80 ESF mit 75% Fahrzeugnutzungsgrad (15 kwh Endenergiebedarf) Kumulierter Energieaufwand (KEA-Herstellung & Betrieb) Kraftwerkspark und Übertragungsnetze: ca. 35% Diesel mit 23% Fahrzeugnutzungsgrad (49 kwh Endenergiebedarf) KEA-Betrieb (Primärenergiebedarf) KEA-Betrieb (Primärenergiebedarf) KEA-Herstellung Kumulierter Energieaufwand (KEA-Herstellung & Betrieb) IfE 58-058-B09 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Raffinerie und Tankstellennetz: ca. 88% Elektrostraßenfahrzeug Diesel-Pkw 60 16 1 6 40 20 0 KEA-Herstellung 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Bereitstellungsnutzungsgrad der Endenergie [%] IfE 58-059-B09 Quelle: Wagner, U.: Effizienzsteigerung durch Stromanwendung in: Tagungsband der FfE-Fachtagung 2009 - Stromversorgung des 21. Jahrhunderts. München: Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. (FfE), 2009
Spezifischer Primärenergieverbrauch von Fahrzeugen (inkl. KEA-Herstellung) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Diesel BSZ Batterie Erdgas PE-Verbrauch kwh/km Kraftwerksmix 2003 KEA-Betrachtung (ca. 35,2 %) Dampfreformierung zu GH2 (ca. 58 %) 0,5 17 1 7 0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Nutzungsgrad Energiebereitstellung
Spezifischer Primärenergieverbrauch von Fahrzeugen (inkl. KEA-Herstellung) Fahrzeuge mit Wasserstoff + Brennstoffzellen-Antrieb sind aus energetischer Sicht besser als Fahrzeuge mit Diesel-, Benzin- oder CNG-Antrieb, wenn der Bereitstellungsnutzungsgrad des Wasserstoffs über ca. 65 bis 70 % liegt (Bei Bereitstellung durch Dampfreformierung aus Erdgas) Reine Elektrofahrzeuge sind vorteilhaft gegenüber konventionellen Antriebsarten, wenn der Bereitstellungsnutzungsgrad der Stromerzeugung ca. 35 % übersteigt Beim derzeitigen deutschen Strommix sind Elektroantriebe günstiger als konventionelle 18 1 8
Aktuelles Testfahrzeug Mini E Mini E Gewicht: 1.465 kg (inkl. Akku) Gewicht Akku: 260 kg 325 kg schwerer als ein Mini Cooper Leistung: 150 kw (204 PS) Beschleunigung (0-100 km/h): 8,5 s Höchstgeschwindigkeit: 152 km/h Lithium-Ionen-Akku mit 35 kwh (nutzbar ca. 28 kwh) Reichweite bis zu 250 km (bei idealen Bedingungen, im Normalbetrieb 168 km) Verbrauch (kwh / 100 km): Quelle: BMW (alle Daten Herstellerangaben) 19 1 9 Städtisch: 14 Außerstädtisch: 17 Kombiniert: 15
Spezifischer Energieverbrauch aktueller Fahrzeugtypen Nutzungsphase Energieverbrauch für die Nutzung verschiedener Antriebsarten End- und Primärenergieverbrauch pro 100 km (ohne KEA Herstellung) Antrieb Diesel Hybrid (Benzin) Referenz BMW 118d 1) Toyota Prius III Leistung 105 kw (143 PS) 100 kw (136 PS) Einheit l / 100 km 4,5 4,0 Wasserstoff + Brennstoffzelle (H2-BZ) MB B-Klasse F-Cell 100 kw (136 PS) 100 % Elektro (ESF) Mini E 150 kw (204 PS) (Diesel-Äqu.) 2,9 - Verbrauch 2) (Endenergie) kwh / 100 km 45,1 35,7 29,1 15,0 Primärenergie (PE) - Faktor 1,12 1,16 1,72 3) 2,7 PE-Verbrauch kwh / 100 km 50,5 41,4 50,1 40,5 1) Mit Start-Stop-Automatik 2) Herstellerangaben (EU kombiniert) 3) Aus Dampfreformierung 20 2 0 Quellen: Herstellerangaben, FfE-Zahlen, eigene Berechnungen
Spezifischer Energieverbrauch aktueller Fahrzeugtypen Nutzungsphase 21 2 1 Quellen: Herstellerangaben, FfE-Zahlen, eigene Berechnungen
CO 2 -Emissionen (g/km) aktueller Fahrzeugtypen Nutzungsphase 222 2 Quellen: Herstellerangaben, FfE-Zahlen, eigene Berechnungen
Fazit Bei deutschem Strommix sind Elektrofahrzeuge in der Nutzungsphase energetisch vorteilhaft Der Herstellstellungsaufwand ist durch den Akku bedingt höher als bei konventionellen Antrieben Energetisch nur sinnvoll für höhere Fahrleistungen Elektrofahrzeuge ermöglichen die Nutzung regenerativer Energien Weitgehende CO 2 -Neutralität in der Nutzungsphase ist möglich Elektrofahrzeuge können als Speicher für fluktuierende Energien dienen Vehicle to Grid Konzept 23 2 3
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Mauch Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.v. Am Blütenanger 71 80995 München 24 Bitte besuchen Sie uns unter: www.ffe.de