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«: Transformationspfade zur «Net-Zero» Mobilität»
Konstantinos BoulouchosSCCER Mobility & Institut für Energietechnik, ETH Zürich
Energy Days 2019, Dec. 10, ESC/ETHZ
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Unsere Themen
§ Herausforderungen Klimawandel:die Lücke zwischen IST und SOLL, in der Schweiz und weltweit
§ Evolutionäre und disruptive Technologien – es braucht beides über unterschiedliche Zeiträume
§ Unterschiedliche Antriebstechnologien und Energieträger je nach Mobilitätssektor
§ Sektorkopplung – es braucht Zeit, Geld und Wissen
§ «Policy»-Massnahmen: es braucht viel mehr Konsistenz und einen Helikopter-Blick über das ganze Energiesystem
§ Und insbesondere:àWoher soll die erforderliche CO2-freie Elektrizität kommen?àWer soll die neue Infrastruktur bezahlen?
Zeithorizont der Dekarbonisierung: CO2-Budget (Schweiz)
*) Zahlen basieren auf der Annahme einer linearen Abnahme der Emissionen zwischen 2018 und 2050, siehe Graph links.
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§ Globale & Schweizer CO2-Budgets
Ziel Global Schweiz
2.0°C (66%) 1170 Gt CO2 1273 Mt CO2
1.5°C (66%) 420 Gt CO2 430 Mt CO2
§ Diskrepanz zwischen Bundesrat-Beschluss und 1.5°C-Ziel:
Pro-Kopf-Verteilung
0
10
20
30
40
50
60
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050
Schweizer CO2-Emissionen in Mt CO2
43.58
2017
20.10
5.42
Bundesrat: «2050: Netto-Null»
1.5°C-Ziel
Quellen: BAFU (2019): «Entwicklung der Treibhausgasemissionen der Schweiz seit 1990», IPCC (2018): «Global warming of 1.5°C.”, Alle Zahlen inklusive internationalem Flug- und Schiffsverkehr (und ohne IPCC-Subsektoren 4 (LULUCF) und 6 (Others))
CO2-Emissionen*
(2018-2050)Netto-Null
2.0°C (66%) 1273 Mt CO2 2075
Bundesrat 700 Mt CO2 2050
1.5°C (66%) 430 Mt CO2 2037
Gesamt-Energiesystem
2.0°C-Ziel
CO2-Emissionen aus dem Verkehr – Tendenz steigend, ABER!
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Quelle: BAFU 2017
0
5
10
15
20
25
1990 1995 2000 2005 2010 2015
Jähr
liche
CO
2Em
issi
onen
(dire
kt)
[Mt/J
ahr]
+ +
Verkehr (inkl. internationaler Luftverkehr)
Haushalte
Dienstleistungen
Industrie
CO2-Trends und zukünftige Verkehrsleistung (Schweiz)
5Quelle: BAFU 2017
Zukünftige Mobilität weltweit
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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
CO2-Emissionen Landgüterverkehr 136 - 347 0 - 31 239 - 608
Zunahme bis 2050 in % im Vergleich zu 2010, Int. Transport Forum 2015
Quelle: International Transport Forum 20152017-2050: Zunahme § von pkm (Luftfahrt): Faktor 2.85§ in tkm (Schifffahrt): Faktor 2.42
Quelle: ITF, Transport Outlook 2019
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Dekarbonisierung – der systemische Ansatz (Bsp. Mobilität)
Informationssysteme“Sharing” / “Pooling”“Mobility pricing”Raumplanung
DetailoptimierungLeichtbauHybridisierung
Erdgas (evtl. Synth.)WasserstoffElektrizität
à Bestehende Fahrzeugflotte nach und nach ersetzen
à Fahrzeuge ersetzen UND neue Energieinfrastruktur
à Intelligente(re) Nutzung von Bestehendem
(Schematische Darstellung – relative Kurvenverläufe haben keine Bedeutung)
Jahre
~ 15 Jahre
Jahrzehnte
Quelle: Konstantinos Boulouchos / Gil Georges, Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme, ETH Zürich
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Die Marktdurchdringung von E-Autos alleine ist zu langsam für eine schnelle Dekarbonisierung («Lock-in» Problem)
Quelle: Gil Georges, LAV-ETHZ
Rasche Elektrifizierung• Parallel zur Decarbonisierung
des gesamten Energiesystems
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1 Bestehende Flotte• CO2-arme Kraftstoffe
2 Neufahrzeuge mit erhöhter Effizienz• Besseres Fahrzeugdesign• Optimierte Antriebseffizienz (inkl.
Hybridisierung)• CO2-arme Kraftstoffe
2
1
3
Quelle: BFS
ElektroautosQuelle: BFS
Fahrzeugbestand 2018
Neuz
ulas
sung
en a
b 20
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Zugelassene Personenwagen CH [in Millionen]
Lebenszyklusemissionen und Potentiale verschiedener Antriebstechnologien
9
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000
Emis
sion
en [g
CO
2eq
/ km
]
Netzintensität [g CO2 eq / kWh]
0
200
400
600
800
1000
0 200 400 600 800 1000Netzintensität [g CO2 eq / kWh]
Projektion 2040Stand 2017
Benzin-Verbrennungsmotor
Benzin-Hybrid
Steckdosenhybrid
Elektroauto
Brennstoffzellenfahrzeug
Verbrennungsmotor mit synthetischem Gas
Quelle: B. Cox / PSI/LEA / 2018
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Langfristige Entwicklung – Antriebstechnologien und Energieträger
Marktanteile verschiedener Energieträger und Antriebstechnologien zur Dekarbonisierung der Mobilität → Qualitative Darstellung
Heutige Fahrzeugflotte Zukünftige Fahrzeugflotte (2050)
Anteil der
Flotte
Anteil der
Flotte
kurz weit kurz weit
Verbrennungsmotoren mit fossilen Brennstoffen
Elektroautos mit Strom
Brennstoffzellenfahrzeuge mit Wasserstoff
Verbrennungsmotoren mit synthetischen Kohlenwasserstoffen
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Sektorkopplung – Was ist damit gemeint?
§ Elektrizität wird einen grossen Anteil der Energieträger für die Mobilitätsantriebe
§ Dies entweder direkt oder durch Umwandlung zu synthetischen chemischen Energieträgern
§ Nebst Primärenergieaufwand Kostenfür Downstream-Logistik entscheidend
§ CO2-»Capture and Recycling»sowie Bedarf nach grossskaligersaisonaler Elektrizitätsspeicherungà synergetisch mit erneuerbarenKraftstoffen für die Langstreckenmobilität
Kostenentwicklung synthetischer Kraftstoffe
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with 100€/tCO2
current fossilfuel price
Quellen:
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Der Elefant im Raum: Woher soll die Elektrizität für die Dekarbonisierung des Verkehrs in der Schweiz kommen?*
§ PKW – Direkte Elektrifizierung: 14 TWh
§ LKW – Oberleitung+ H2/FCEV: 6 (+/- 3) TWh
§ Übriger Strassenverkehr (BEV): 2 TWh
§ Internationale Luftfahrt: mind. 20 TWh **
mind. 42 TWh
* Bei der Nachrage von 2018
** bei Ausschöpfung des Biomasspotentials ausschliesslich für 12 TWh bio-Kerosin
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Internationale Dimension, CO2-Management und faire Preise
§ Solch grosse Elektrizitätsmengen, insbesondere für synthetische Treibstoffe wenden wohl zu einem grossen Teil ausserhalb der Schweiz bereitgestellt (aus grossen «off-shore» Windparks und Solaranlagen zB. rund ums Mittelmeer)
§ Dies bedingt eine pro-aktive Energiepolitik und eine langfristige Kooperation mindestens auf europäischer Ebene
§ Trotzdem ist aber absehbar, dass die Nutzung fossiler Energieträger (Erdgas für die Elektrizität, flüssige Treibstoffe für die Mobilität) noch für Jahrzehnte erforderlich sein wird. Dies bedingt zur Erfüllung der Klimaziele einen rechtzeitigen Aufbau der Infrastruktur zur CO2-Entnahme aus der Luft (zuerst mit Speicherung, dann mit Recycling für synthetische Treibstoffe).
Ø Schliesslich:Die Infrastruktur muss von allen zukünftigen Technologiennutzern auch bezahlt werden(heutiger PKW-Anteil an Strassenfinanzierung ~3.5 Mia. CHF!)
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Wussten Sie schon, dass:
§ Der CO2-Ausstoss des Strassenverkehrs sich weltweit auf 5.5 GtCO2 pro Jahr beläuft?
§ Wohingegen die CO2-Emissionen aller Kohlekraftwerke 11 GtCO2 pro Jahr betragen?
§ Der Ersatz aller Kohlekraftwerke durch Gaskombikraftwerke auf einen Schlag eine
Verminderung um 6 GtCO2/Jahr zu Kosten von 40-50 Є/tCO2 bewirken würde?
§ Zum Vergleich: Die Elektrifizierung des Verkehrs kostet zZt. mehrere 100-1000 Є/tCO2!
Ein Blick auf das gesamte Energiesystem
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MAS | CAS ETH in Mobilität der Zukunft§ Das Weiterbildungsprogramm wurde im Rahmen
des Swiss Competence Center for Energy Research in Mobilität entwickelt (www.sccer-mobility.ch)
§ Das Programm vermittelt Wissen und Fähigkeiten um marktfähige Produkte und Services zu entwickeln, die eine nachhaltige und ressourceneffiziente Mobilität der Zukunft ermöglichen
§ Master of Advanced Studies (MAS) besteht aus drei interdisziplinären Certificates of AdvancedStudies (CAS):§ Systemaspekte§ Technologie-Potenziale§ Neue Geschäftsmodelle
§ https://mas-mobilitaet.mavt.ethz.ch/
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Ich bedanke mich für die Unterstützung von:
§ SCCER Mobility, Innosuisse, Bundesamt für Energie und den Akademien der
Wissenschaften Schweiz (inkl. Ko-Finanzierung durch das European Academies
Science Advisory Council)
§ Gil Georges, Lukas Küng, Maximilian Held und Giacomo Pareschi (LAV-ETHZ),
Kollegen des LEA/PSI sowie Kirsten Oswald (SCCER Mobility)
§ Unseren nationalen und internationalen Industriepartnern
§ EASAC policy report, March 2019 - Decarbonisation of transport: options and challenges
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Wird der Lansamverkehr das Klima retten?CO2 reduction potential in %
Zusätzlich:
20%-Reduktion des motorisierten Individualverkehrs
bedingt eine Verdoppelung der ÖV-Transportleistung
19Quelle: Küng 2018, LAV-ETHZ (vorläufige Daten, nicht publiziert)
Technologiepotentiale Fahrzeug- und AntriebsdesignKombination von Strategien (PKW)
Reduktion des Karosseriegewichts 15%
Verbesserung der Aerodynamik 20%
Reduktion des Rollwiderstands 15%
Reduktion der Motorleistung 20%
Ener
gieb
edar
f in
Bez
ug a
uf d
as R
efer
enzf
ahrz
eug
[%]
Benzin EURO6
Diesel EURO6
Benzin-Hybrid
EURO6
Brennstoff-zellen-
fahrzeug
Elektro-auto
à Basis: Mittelklasse PKW
à Berechnungen nach WLTR-Zyklus (LAV-ETHZ) auf Basis von Messungen der Antriebswirkungsgrade an der EMPA
à Durch Voll-Hybridisierung:weitere Einsparung um (25-30)%
à Insgesamt Reduktion um bis zu einem Faktor 2
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