Zur Erreichung der ambitionierten Klimaziele der Bundesregierung, einer Reduktion der Treibhausgasemissionen um 95 % bis zum Jahr 2050 im Vergleich zu 1990, muss eine Dekarbonisierung des Verkehrssektors stattfinden. Konventionelle Antriebe müssen durch emissionsarme Antriebe ersetzt werden. Die beiden vielversprechendsten Technologien für dieses Vorhaben sind batterieelektrische Fahrzeuge (BEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV), für deren emissionsfreie Betankung Strom benötigt wird – entweder direkt für die BEV-Aufladung oder zur Wasserstofferzeugung per Elektrolyse bei der FCEV-Betankung. Eine hohe Marktdurchdringung dieser Fahrzeugtechnologien geht deshalb einher mit einem Mehrbedarf an elektrischer Energie, was zu einer Belastung des nationalen Energiesystems führen kann.
Im Rahmen einer Studie des Reiner Lemoine Instituts (RLI) wurde untersucht, wie sich ein emissionsfreier Personenverkehr auf ein ausschließlich durch Erneuerbare Energien (EE) gespeistes System auswirkt. Dazu erfolgte eine Optimierung des Energiesystems in vier Szenarien, die zusätzlich zum heutigen Strombedarf in Deutschland einen Mehrbedarf durch einen emissionsfreien Verkehr decken müssen. Die Szenarien unterscheiden sich in der Marktdurchdringung der Fahrzeugtechnologien sowie der Ladeflexibilität von BEV. Für die Auswertung der Simulationsergebnisse erfolgte ein Vergleich mit einem optimierten Energiesystem ohne Stromnachfrage aus dem Verkehrssektor (Basisszenario).
BEV oder FCEV
Noch ist nicht absehbar, in welchem Verhältnis sich die Fahrzeugtechnologien durchsetzen werden. Studien des RLI legen nahe, dass ein Mix der beiden Technologien am besten geeignet ist, um das Verkehrssystem der Zukunft zu stellen. Für das regelmäßige Fahren von kurzen Strecken eignen sich BEV, da sie weniger Energie pro gefahrene Strecke benötigen. Für lange Strecken sind FCEV geeignet, da sie eine höhere Reichweite pro Tankfüllung haben und sich in kurzer Zeit auftanken lassen. Dies zeigen beispielsweise die Ergebnisse einer Fuhrparkanalyse im Rahmen des Projekts PIOnEER.
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Methodik
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Die Auswirkungen auf das deutsche Energiesystem gemäß den Szenarien wurden mit dem Open-Source-Simulationsframework oemof berechnet [2]. Das Tool optimiert das Energiesystem bestehend aus EE-Anlagen und Speichern so, dass sich die geringsten volkswirtschaftlichen Gesamtkosten ergeben. Der Simulationshorizont beträgt ein Jahr mit einer Schrittweite von einer Stunde. Bei der Simulation wurden Restriktionen des Stromnetzes vernachlässigt (Kupferplatten-Ansatz).
Die EE setzen sich zusammen aus PV- und Windkraftanlagen, Laufwasserkraftwerken, Geothermie- sowie Biogaskraftwerken. Als Speicher werden sowohl Batterien und Pumpspeicherkraftwerke als auch die Power-to-Gas-Technologie zugelassen. Ein Ausbau von EE sowie von Pumpspeicherkraftwerken wird nur innerhalb des technischen Potentials zugelassen (s. Abb. 1).
Ergebnisse
Ein Personenverkehr mit 100 % BEV führt zu einer Erhöhung des Strombedarfs um 90 TWh/a (eine Erhöhung um 17 % im Vergleich zum Strombedarf des Basisszenarios ohne emissionsfreien Personenverkehr). Wenn der Personenverkehr hingegen zur Hälfte aus BEV und zur anderen Hälfte aus FCEV besteht, steigt der Strombedarf um 169 TWh/a (33 % Mehrbedarf im Vergleich zum Basisszenario), bedingt durch die Wirkungsgradverluste der Elektrolyse und Brennstoffzelle. Jedoch hängt die benötigte zusätzlich erzeugte Energie durch die zugebauten EE nicht proportional mit dem Mehrbedarf an Energie zusammen.
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Der Einfluss von FCEV auf die ideale Zusammensetzung des Energiesystems ist abhängig von der Ladeflexibilität der BEV. Abbildung 3 zeigt, dass der Mehrbedarf an Energie für Szenarien ohne Ladeflexibilität durch einen Zubau von PV- und Windenergieanlagen gedeckt wird. Das Szenario mit FCEV erhöht den Zubau an EE leicht, die Leistung an installierten Speichern sinkt jedoch. Für hohe Ladeflexibilität werden deutlich mehr PV-, jedoch weniger Windenergieanlagen zugebaut. Im Gegensatz zu den Szenarien ohne Ladeflexibilität führen Anteile von FCEV am Personenverkehr zu einem Anstieg des Speicherbedarfs im Vergleich zu dem reinen BEV-Szenario.
Fazit
Die Ergebnisse zeigen, dass durch Flexibilität in der Wasserstoffherstellung sowie die Ladeflexibilität von BEV Energieüberschüsse sinken und somit die volatilen EE besser genutzt werden. Gleichzeitig sinkt der Bedarf an Speichern im Energiesystem. Daraus lässt sich schließen, dass ein zukünftiges emissionsfreies Energiesystem einen Bedarf an Flexibilität hat. Neben stationären Speichern eignen sich die neuen Fahrzeugtechnologien BEV und FCEV, um diese Flexibilität bereitzustellen.
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Autoren: Marlon Fleck, Oliver Arnhold, Dr. Kathrin Goldammer, Fabian Grüger, Birgit Schachler, alle vom Reiner Lemoine Institut, Berlin