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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

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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

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(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

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0

200

400

600

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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

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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