HWWI Insights 06 2014

Treibstoffe der Zukunft

Text: Lars Ehrlich und Leon Leschus

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Der Transportsektor bindet nicht nur einen hohen Anteil des globalen Endenergieverbrauchs, sondern ist zudem besonders stark vom Öl abhängig. Obwohl dieser Treibstoff in den nächsten Jahrzehnten noch ausreichend vorhanden ist, muss eine Umkehr erfolgen, damit CO2-Klimaziele erreicht werden können. Welche Chancen und Potenziale bergen alternative Energiequellen und welche Herausforderungen müssen bewältigt werden?


1. Bestandsaufnahme und Prognose

– Der Transportsektor ist für fast 20 % des globalen Endenergieverbrauchs verantwortlich. Dieser Sektor ist besonders abhängig vom Öl.
– Die Internationale Energieagentur (IEA) geht in ihrem Trendszenario (New Policies) davon aus, dass in den nächsten 20 Jahren der Energiebedarf im Transportsektor global von 2 444 Mio. Tonnen Öläquivalente im Jahr 2011 um etwa 30 % auf 3 153 Mio. Tonnen im Jahr 2030 ansteigen wird. Im Zeitraum von 40 Jahren (1990 bis 2030) hätte sich dann der Energieverbrauch im Transportsektor in etwa verdoppelt (siehe Abbildung 1).
– Der Anteil von Öl im Transportsektor wird von derzeit etwa 93 % auf rund 88 % in 2030 absinken. Im Gegenzug steigt der Elektrizitätsanteil von 1,1 % auf 1,6 %, der Biokraftstoffanteil von 2,4 % auf 5,0 % und der anderer Kraftstoffe – in denen vor allem Gas enthalten ist – von 3,9 % auf 5,1 % (siehe Abbildung 1).


Abbildung 1: Energieverbrauch im Transportsektor weltweit

– Die Elektrizitätsnachfrage im Transportsektor wächst mit einer jährlichen Rate von 3,9 % über den Zeitraum von 2011 bis 2035 sehr stark an. Getragen wird dieses Wachstum insbesondere durch eine steigende Stromnachfrage im Zugverkehr. Die größten Wachstumsraten (30 % pro Jahr) erzielen die Elektrofahrzeuge. Ihr Wachstum schlägt aber nur bedingt auf die Elektrizitätsnachfrage insgesamt durch, da das Niveau der Nachfrage aufgrund der bisher noch sehr kleinen Zahl von Elektrofahrzeugen sehr gering ist.
– Mit einem Anteil von etwa 16,5 % hat der Straßenverkehr einen wichtigen Einfluss auf den globalen CO2-Ausstoß (vgl. Abbildung 2).


Abbildung 2: Anteile am weltweiten CO2-Ausstoss

– Seit 1990 (beziehungsweise 2000) sind die vom weltweiten Straßenverkehr verursachten CO2-Emissionen um etwa 57 % (25 %) angestiegen. Ihr Anteil am weltweiten CO2-Ausstoß hat sich seit 2000 jedoch kaum verändert, da sich der durchschnittliche CO2-Ausstoß von Neuwagen, wie die Entwicklung in der Europäischen Union (EU) zeigt, im Zeitablauf deutlich vermindert hat (vgl. Abbildung 3).


Abbildung 3: Entwicklungen der CO2-Emissionen von Neuwagen in der EU bis 2012

2. Herausforderungen für die Zukunft
A. Fossile Treibstoffe

Chancen und Potenziale

– Auch 2030 wird der größte Teil der Fahrzeuge mit dem fossilen Treibstoff Öl betrieben. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass Diesel und Benzin vergleichsweise leicht transportiert und aufbewahrt werden können.
– In den nächsten Jahrzehnten werden trotz steigender Nachfrage noch ausreichend fossile Reserven zur Verfügung stehen. Bei Rohöl beträgt die Reichweite, also der verbleibende Zeitraum der Verfügbarkeit des Energieträgers, der sich aus dem Verhältnis aus international vorhandenen Reserven und globaler Nachfrage ergibt, noch über 50 Jahre. Bei Gas liegt die Reichweite bei fast 60 Jahren. Über die vergangenen Jahrzehnte hinweg sind die Reichweiten bei den fossilen Energieträgern nicht wesentlich gefallen, obwohl die Energienachfrage stetig gewachsen ist. Es spricht vieles dafür, dass auch in den nächsten Jahrzehnten neue Vorkommen erschlossen werden, sodass Öl und Gas noch sehr viel länger verfügbar sein werden, als die derzeitigen Reichweiten anzeigen.

Herausforderungen
– Die wesentlichen Herausforderungen der Zukunft im Transportsektor sind die Reduktion des Treibstoffverbrauchs und des CO2-Ausstoßes. Dafür gibt es die folgenden Optionen:
• Veränderungen im Fahrverhalten (Eco-Driving);
• verbesserte Organisation des Verkehrs: Dazu gehören vorallem die Vermeidung von Staus und Suchzeiten;
• Weiterentwicklung der konventionellen Antriebstechnologien (Effizienz der Motoren) und Kraftstoffe (Benzin und Diesel).
– Im Vergleich zu 1980 liegt der Ölpreis real zurzeit nicht wesentlich höher. Aber die Fördermengen aus leicht zu erschließenden Ölfeldern gehen zurück. Die Förderung aus neuen Quellen wird schwieriger, sodass die Förderkosten steigen. Die Erschließung schwer zugänglicher Ölvorkommen führt zudem häufiger zu Konflikten mit Klima- und Umweltzielen. Die Ölproduktion wird sich infolge dieser Entwicklungen verstärkt in politisch instabile Länder verlagern. Krisen in Produzentenländern führen zu Preisausschlägen beim Öl. Der Benzinpreis folgt dem Ölpreis.
 – Die prozentualen Veränderungen bei den Benzinpreisen für den Verbraucher fallen deutlich geringer als die Preisschwankungen an den Rohölmärkten aus, da in Deutschland Steuern und Abgaben einen hohen Anteil des Benzinpreises ausmachen. In Deutschland wird zum Beispiel auf Benzin (Diesel) eine Mineralölsteuer von 65,45 (47,04) Eurocent je Liter erhoben. Darauf wird noch die Mehrwertsteuer addiert. Beim derzeitigen Preis haben Steuern einen Anteil von etwa 60 % bei Benzin und 50 % bei Diesel. In anderen Ländern werden zum Teil deutlich niedrigere Steuern erhoben. In manchen Ländern, beispielsweise in Saudi Arabien oder China, wird der Benzinpreis sogar subventioniert.
– Abbildung 4 zeigt, dass der Ölpreis in den 1970er Jahren in zwei Schüben kräftig gestiegen ist. Die hohen Ölpreise haben zu einer effizienteren Nutzung geführt. Außerdem wurden neue Ölfelder erschlossen. Dies führte dazu, dass der Ölpreis deutlich fiel. Erst Ende der 1990er Jahre kam es wieder zu steigenden Ölpreisen. Aufgrund des starken Nachfragewachstums aus den Schwellenländern kam es dann zu starken Preisanstiegen, die zwischenzeitlich durch die Wirtschafts- und Finanzkrise 2008/09 unterbrochen wurden.


Abbildung 4: Nominale und reale Rohöpreisentwicklung

 B. Elektromobilität/Wasserstoff und Brennstoffzelle


Chancen und Potenziale
– Elektromobilität kann eine wichtige Ergänzung im Bereich der individuellen Mobilität werden. Dies gilt insbesondere für den innerstädtischen Verkehr. Hier können Elektrofahrzeuge, die lokal keine Emissionen ausstoßen und leise sind, die Smog- und Lärmbelästigungen reduzieren.
– Der Elektromotor hat einen höheren Wirkungsgrad als ein Diesel- oder Ottomotor, sodass durch den Elektroantrieb der Energiebedarf im Verkehrssektor reduziert wird. Der Beitrag zur CO2-Reduktion ist aber abhängig von der Form der Stromerzeugung (siehe Abbildung 5).


Abbildung 5: CO2-Emissionsziele und CO2-Emissionen neu zugelassener PKW im Vergleich zu den CO2-Emissionen von Elektrofahrzeugen für verschiedene Stromquellen

Herausforderungen
– Damit der Elektroantrieb aus Sicht des Nutzers konkurrenzfähig wird,
• ist erstens eine Vergrößerung der Reichweiten notwendig.
- Die zum Betrieb von Elektroautos notwendige Infrastruktur, sei es für das Aufladen oder den Austausch der Batterien, muss erweitert werden. Es besteht ein „Henne-Ei-Problem“: Ohne Elektroautos keine Aufladestationen und ohne Aufladestationen keine Elektroautos.
- Ein Beispiel für mögliche Lösungen einer Reichweitenvergrößerung sind Elektrobusse mit induktiver Ladetechnik. Während die Fahrgäste an einer Station ein- und aussteigen, lädt sich der Akku kabellos über im Boden eingelassene Induktionsspulen auf.
• Damit Elektroautos ihren Marktanteil vergrößern können, muss es darüber hinaus zweitens zu einer erheblichen Kostenreduktion kommen.
– Damit der Elektroantrieb einen größeren Beitrag zur Reduktion von CO2-Emissionen leisten kann, muss der Strommix verbessert werden. Mit „intelligenteren“ Batterien könnte in Spitzenlastzeiten Elektrizität an das Stromnetz zurückgegeben werden. Dadurch würden die Stromnetze stabilisiert.

c. Biokraftstoffe

Chancen und Potenziale

– Biokraftstoffe können die Abhängigkeit Deutschlands von Öl- und Gasimporten reduzieren. Der Vorteil gegenüber anderen alternativen Technologien liegt darin, dass sie ohne große Zusatzinvestitionen in eine schon bestehende, gut ausgebaute Tankinfrastruktur integriert werden können.
– Bei der Betrachtung der gesamten Erzeugungs- und Nutzungskette (Well to Wheel) der Biokraftstoffe wird deutlich, dass es erhebliche Unterschiede gibt, in welchem Ausmaß sie CO2 gegenüber fossilen Kraftstoffen einsparen helfen. Dies hängt zum einen von der zur Herstellung eingesetzten Biomasse und zum anderen von den verschiedenen Produktionspfaden ab. So kann der Einsatz von Bioethanol aus Zellulose oder Zuckerrohr die CO2-Emission gegenüber fossilem Kraftstoff um 85 % reduzieren. Dagegen führt zum Beispiel Biodiesel aus nicht nachhaltig angebautem Palmöl zu einer Steigerung der Emissionen. 
– Die weltweite Biokraftstoffproduktion hat über die Jahre stetig zugenommen und weiter steigende Mengen werden prognostiziert. Die Herstellung von Biokraftstoffen kann für ärmere Länder mit großen Produktionsmöglichkeiten in der Landwirtschaft eine Einkommenschance bieten. Derzeit haben die USA und Brasilien einen Anteil von 38 % beziehungsweise 31 % der weltweiten Ethanolproduktion. Die Anteile der USA und Brasiliens werden bis 2020 etwas zurückgehen, da insbesondere die Europäische Union, China und Indien Marktanteile gewinnen (siehe Abbildung 6). Ethanol hat an dem weltweiten Biokraftstoffmarkt einen Anteil von rund 71 %, Biodiesel von knapp 29 %.


Abbildung 6: Weltweite Ethanolproduktion (in Mrd. Liter)

Herausforderungen
– Wichtig für die Verwendung von Biokraftstoffen im Transportwesen ist, deren Verträglichkeit für Motoren zu verbessern. Insbesondere bei älteren Motoren ist der Beimischung von Biokraftstoffen eine Grenze gesetzt, da Motorschäden als Folge zu hoher Beimischungsanteile auftreten können.
– Bei den derzeit verwendeten Biokraftstoffen (erste Generation: Verwendung von Pflanzenfrüchten) entsteht eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion.
– Starke Preissteigerungen bei Nahrungsmitteln, ausgelöst durch eine verstärkte Produktion von Biokraftstoffen der Ersten Generation, trifft insbesondere Menschen in den ärmsten Ländern, die einen großen Anteil ihres Einkommens für Nahrungsmittel ausgeben.
– Der Nutzungskonflikt könnte durch Biokraftstoffe der neuen Generation, die nicht aus Pflanzenfrüchten, sondern aus Pflanzenresten oder schnell wachsenden Gräsern beziehungsweise Hölzern gewonnen werden, entschärft werden. Ihre Herstellung ist jedoch noch sehr teuer.
– Um die Zerstörung von Urwäldern für die Biokraftstoffgewinnung zu verhindern, muss eine umfassende Zertifizierung importierter Biomasse und -kraftstoffe erfolgen. Dabei gilt es, den sogenannten Dominoeffekt – wie beispielsweise in Brasilien – zu vermeiden: Zwar sind dort die Plantagen der Energiepflanzen (Zuckerrohr) nachhaltig, da sie auf ehemaligen Weiden für die Rinderaufzucht angelegt wurden. Um neue Weideflächen zu gewinnen, wurde jedoch im Gegenzug Regenwald zerstört.


3. Fazit: kurzfristige Ergänzung der Kraftstoffe und Systeme, langfristige Substitution hin zu nachhaltigen Technologien
Auf absehbare Zeit werden Benzin und Diesel die dominierenden Treibstoffe bleiben. Biokraftstoffe und Elektromobilität können dazu beitragen, die erneuerbaren Energien in den Transportsektor zu integrieren und damit auch den CO2-Ausstoß zu reduzieren. Die Kosten der erneuerbaren Energien sind jedoch vergleichsweise hoch. Insofern sollte eine Umweltpolitik im Verkehrssektor vor allem bei Reduktion des Verkehrs und einer Verbesserung des Modal Splits ansetzen. Damit dies gelingt, müssen neue Konzepte dem Wunsch nach komfortabler Mobilität Rechnung tragen.