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| | 18.09.2018 1 Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos

Antriebstechnologien und Energieträger für die zukünftige Mobilität: Was, Wo, Wann? Konstantinos Boulouchos ETH Zürich, Institut für Energietechnik & SCCER Mobility Vortragstagung SSM in Zusammenarbeit mit SAE-Switzerland, Campus Sursee, 18. September 2018

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Ausgangslage, Herausforderungen & Lösungsansätze

§  Klimawandel als grösste Herausforderung für das Energiesystem der Zukunft

§  Die «Dekarbonisierung» der Mobilität muss deswegen ein prioritäres – obwohl äusserst ehrgeiziges – Ziel sein §  Die Nachfrage nach Verkehrsleistung ist ein wichtiger Wirtschaftsfaktor und steigt weiterhin

→  selbst in der Schweiz, viel stärker jedoch weltweit →  und zwar insbesondere beim Langstrecken-Güterverkehr und bei der internationalen Luftfahrt

§  Welche Antriebsarten und Energieträger langfristig? §  Mobilität eingebettet in ein «Null»-CO2-Gesamtenergiesystem:

→  Neue Infrastrukturen →  Hohe Investitionen à Optimierung erforderlich à Sektorkopplung! →  Lange Zeiträume

§  Eine langfristig angelegte, konsistente, aber flexible Energie- und Mobilitätspolitik sowie forschungsbasierte Innovationen

sind unerlässlich für die notwendige Transformation


Zeithorizont der Dekarbonisierung: CO2-Budget (Schweiz)

§  IPCC 2°C (66% Wahrscheinlichkeit) Welt-Kohlenstoffbudget ab 2010: 1000 Gt CO2

§  «Pro Kopf» Verteilung weltweit ergibt 1.1 Gt CO2 für die Schweiz ab 2010

§  Mit einer linearen Absenkung ab 2015 und Berücksichtigung des internationalen Transports (Schiff- und Flugverkehr) reicht das Budget bis ungefähr 2055

§  Annahme: gleicher Zeithorizont auch für den Transportsektor

Quelle: BAFU 2017, Treibhausgasemissionen der Schweiz 1990-2015

40 Jahre


Warum ist die Mobilität wichtig für die Schweiz? Wirtschaft (Umsatz) & Arbeitsplätze

Gesamter Umsatz des Verkehrssektors:

→ 120 Milliarden CHF (~ 20% des Schweizer BIP) und 300`000 Arbeitsplätze (6% aller CH-Arbeitsplätze) Davon: §  Privater Strassenverkehr: 93 Mia. CHF, 225`000 Arbeitsplätze §  Exportindustrie: 16 Mia. CHF, 34`000 Arbeitsplätze §  Öffentlicher Verkehr: 12 Mia. CHF, mehr als 33`000 Arbeitsplätze

Und: → Die Produktivität unser Wirtschaft ist auf eine qualitativ hochstehende, zuverlässige und kosteneffiziente

Verkehrsinfrastruktur angewiesen

Ø  95% Erdölabhängigkeit Ø  mit 36% des CH-Endenergiebedarfs Ø  46% der CH-CO2-Emissionen

(inkl. internationale Luftfahrt)


CO2-Emissionen aus dem Verkehr – Tendenz steigend

Quelle: BAFU, Entwicklung der Treibhausgasemissionen der Schweiz 1990-2015

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+ +

Verkehr (inkl. internationaler Luftverkehr)

Haushalte

Dienstleistungen

Industrie


CO2 Trends und zukünftige Verkehrsleistung (Schweiz)

Quelle: BAFU 2017, Treibhausgasemissionen der Schweiz 1990-2015 Zukunft Vergangenheit


Zukünftige Mobilität weltweit Schlüsselergebnisse International Transport Forum 2015

Welt OECD Länder Nicht-OECD Länder

Landverkehr (Personen & Güter) CO2-Emissionen

34 - 106 0 - 31 162 - 314

Nachfrage Landgüterverkehr [tkm] 232 - 423 77 - 97 329 - 628

Landgüterverkehr CO2-Emissionen 136 - 347 0 - 31 239 - 608

Zunahme bis 2050 in % im Vergleich zu 2010

Quelle: International Transport Forum 2015


Der Weg zu einer nachhaltigen Mobilität Ein systemischer Ansatz über verschiedene Zeiträume

qualitativeDarstellung

CO2

Zeit

«Businessasusual»

SenkungderEnergienachfrage

SteigerungderEnergie-umwandlungseffizienz

RadikalerUmstiegauferneuerbareEnergieträger

HerausforderungenLebensdauerKapitalanlagen

§  Fahrzeugeà12-30Jahre§  Kraftwerkeà20-50Jahre§  Gebäudeà30-100Jahre§  Strassen,Stromnetze,

Raffinerienà50-100Jahre

GewaltigerBedarfanInvestitioneninInfrastruktur!

AktuellerStand

NeueEnergiepolitik


Technologie Entwicklung vs. Mobilitätsnachfrage Motorisierter Individualverkehr (MIV)

Im Vergleich zu 2010 in %

Jahr BasierendaufdenAREEntwicklungsszenarien(ARE2016)

Quelle:BFS

Quelle:ARE2016

Quelle:ARE2016

Quelle:BFS

Quelle:BFS

Quelle:PrognosAG2012


Energieeinsparungspotentiale (gleiches Fahrzeug, verschiedene Antriebstechnologien)

Reduced glider mass 15%

Improved aerodynamics 20%

Reduced rolling resistance 15%

Reduced installed power 20%

durch verbessertes Fahrzeugdesign

In Zusammenarbeit mit der EMPA


Potentiale der Antriebstechnologien (Betriebsenergie & -CO2)

§  Flächendeckende Elektrifizierung nur sinnvoll wenn Stromerzeugung CO2-arm ist (auch europaweit)

§  Langstreckenverkehr (LKW, Schiff- und Luftfahrt) über Jahrzehnte abhängig von Kohlenwasserstoffen (langfristig synthetisch, erneuerbar)

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Lebenszyklusanalyse (LCA) / typisches CH-PkW gCO2/km für verschiedene Antriebstechnologien

Quelle: Brian Cox/PSI, PhD Thesis 2018

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Unterschiedlich hohe CO2-Vermeidungskosten

technology costs (+)

costs (-)

ΔCO2

R&D

policy / CO2 pricing

low-hanging fruits need for high level of innovation

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(Innovation)

low-hanging fruits

teure Massnahmen


CO2-freie-Elektrizität für die Mobilität Warum kommt sie nicht einfach aus der Steckdose?

Selbst bei langfristig konstanter Elektrizitätsnachfrage in allen Sektoren ausser der Mobilität (~ 60 TWh/Jahr):

→ Es müssen in 20 Jahren 24 TWh der auslaufenden Kernkraftwerke ersetzt werden; signifikante Beiträge dazu werden

aus Photovoltaik (sommer-lastig) und biogene WKK (winter-lastig) kommen müssen

→ Die vollständige Elektrifizierung allein der PKW-Flotte bei der heutigen Verkehrsleistung bedingt zusätzliche 14 TWh CO2-«armer» Elektrizität / Zusammen mit dem Schwerverkehr gut 20 TWh

→ Wenn diese nicht durch Stromimporte (EU-Mix) oder Gaskombikraftwerke erzeugt werden, kommt dafür nur ein

massiver Ausbau der solaren Elektrizität in Frage

→ Diese bedingt ein hohes Mass an saisonaler Elektrizitätsspeicherung und setzt sehr hohe Investitionen in Infrastruktur

(Elektrolyse, Stromnetz, H2-Logistik usw.) voraus


Langfristige Entwicklung (2050 - «plus») Marktanteile verschiedener Energieträger und Antriebstechnologien zur Dekarbonisierung der Mobilität → Qualitative Darstellung

PKW LKW

Internationale Luftfahrt

Internationale Schifffahrt

à  Kopplung des Mobilitätssystems mit dem Elektrizitätssektor erforderlich!


Sektorkopplung – Was ist damit gemeint?

§  Elektrizität wird einen grossen Anteil der Energieträger für die Antriebsenergie für Transportdienstleistungen (oder zum Heizen/Kühlen) einnehmen

§  Dies entweder direkt oder durch Umwandlung zu synthetischen chemischen Energieträgern

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Quelle: Agora Energiewende 2018

Mögliche Kostenentwicklung für synthetisches, e-Methan (€-cent/kWh)

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Ist die gegenwärtige CO2-Gesetzgebung zielführend?

§  Es ist zwar sinnvoll, über CO2-Vorschriften (g/km) Anreize für eine beschleunigte Technologieentwicklung zu setzen

§  Die Zuordnung von NULL-CO2-Emissionen für elektrifizierte Antriebe ist aber mit Bezug auf den absehbaren CO2-Fussabdruck des erforderlichen Zusatzstroms aber massiv marktverzerrend

§  Sinnvoll wäre zusätzlich ein auf den tatsächlich verbrannten Treibstoff umlegbarer CO2-Preis, der die Klimaauswirkungen wiederspiegelt

Aber

§  In Zukunft muss die Infrastruktur für die Strasse auch von Elektrofahrzeugen bezahlt werden (entsprechend der heute etwa 5 Mia. CHF Mineralölsteuer)

§  Subventionierung neuer Technologien mag in einer Anfangsphase sinnvoll sein ein transparenter, «strategischer Plan» für deren sukzessiven Abbau muss jedoch vorhanden sein


Zusammenfassung & Ausblick

§  Die Mobilität muss weltweit und in der Schweiz in weniger als 50 Jahren grundsätzlich CO2-«neutral/frei» sein

§  Ohne eine gezielte Eindämmung der Nachfrage nach Verkehrsleistung wird zwar das zulässige CO2-Budget nicht eingehalten werden können. Dabei ist den Bedürfnissen von Wirtschaft und Gesellschaft Rechnung zu tragen

Aber

§  Die Angebotsseite (evolutionäre und radikale Technologiepfade) wird die grösste Last für die Dekarbonisierung schultern müssen

§  Unterschiedliche Energieträger/Antriebstechnologien geeignet für die einzelnen Energiesektoren

§  Sektorkopplung (direkte bzw. indirekte Elektrifizierung des Verkehrs) bedingt den Aufbau neuer Infrastrukturen über Jahrzehnte. Entsprechende Investitionen müssen sorgfältig geplant und realisiert werden, damit die Kosten nicht aus dem Ruder laufen

§  Dabei ist die korrekte Bepreisung des CO2 über alle Energiesektoren unabdingbar


Ich bedanke mich für die Unterstützung von: §  Gil Georges (LAV), Lukas Küng (LAV) & Kirsten Oswald (SCCER Mobility) §  den Kollegen an der EMPA (C. Bach et.al. / Automotive Powertrain Technologies) §  SCCER Mobility, Innosuisse & Bundesamt für Energie §  unseren langjährigen Industriepartnern (national und international)

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