MARKTPOTENTIALE VON HYBRID-OBERLEITUNGS-LKW IN DEUTSCHLAND - Verkehrskonferenz
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MARKTPOTENTIALE VON HYBRID- OBERLEITUNGS-LKW IN DEUTSCHLAND André Kühn, Till Gnann, Patrick Plötz und Martin Wietschel Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI © Fraunhofer ISI
P ro j e k t ü b e r s i c h t MKS-Hybrid-Oberleitungs-Lkw „Hybrid-Oberleitungs-Lkw: Potenziale zur Elektrifizierung des schweren Güterverkehrs“ Projekt innerhalb der Mobilität und Kraftstoffstrategie (MKS-II) Laufzeit: 10/2015 bis 09/2016 Projektpartner: PTV AG (Volker Waßmuth, Daniela Paufler-Mann, Werner Balz, Helmut Frik) Fraunhofer IML (Sebastian Stütz, David Rüdiger, Maximilian Schellert) TUHH (Anne Rödl) sowie M-Five (Wolfgang Schade, Simon Mader) Zwei Expertenworkshops: - „Hybrid-Oberleitungs-Lkw: Potenziale zur Elektrifizierung des schweren Güterverkehrs“ (März 2016) - „Auswirkungen auf die Energiewirtschaft“ (Mai 2016) © Fraunhofer ISI Seite 2
Agenda 1. Hintergrund und Motivation 2. Vorgehen im Projekt 3. Zentrale Ergebnisse 4. Fazit, Ausblick und weiterer Forschungsbedarf © Fraunhofer ISI COPYRIGHT©PÖYRY Seite 3
Agenda 1. Hintergrund und Motivation 2. Vorgehen im Projekt 3. Zentrale Ergebnisse 4. Fazit, Ausblick und weiterer Forschungsbedarf © Fraunhofer ISI COPYRIGHT©PÖYRY Seite 4
K e n n z a h l e n u n d u n t e r s u c h t e s t ro m b a s i e r t e Antriebstechnologien Größenklasse GK1 GK2 GK3 GK4 Sattelzüge Zul. GGW [t] [0 ; 3,5t] (3,5t ; 7,5t] (7,5t ; 12t] (12t ; 26t] 40t Ø JFL* [km/a] ca. 13 Tsd. ca. 27 Tsd. ca. 66 Tsd. ca. 74 Tsd. ca. 106 Tsd. Bestand [Fzg.] ca. 2 Mio. ca. 262 Tsd. ca. 77 Tsd. ca. 161 Tsd. ca. 183 Tsd. Fahrleistung [Fzg.-km/a] 26 Mrd. 7,1 Mrd. 5,1 Mrd. 11,9 Mrd. 19,4 Mrd. CO2-Emission1 WTW [g/Fzg.-km] 241 431 594 7812 1.016 CO2-Emission WTW [Mio. tCO2/a] 6,3 3,0 3,0 9,3 19,7 Energiebedarf TTW [TWh/a] 19,0 9,2 9,1 28,1 59,5 Untersuchte BEV / PHEV potenzielle Brennstoffzelle strombasierte CNG Antriebs- LNG technologien HO-Lkw 1) ø alle Straßenkategorien , Euro-VI, Auslastung 50% 2) mit dem Bestand gewichtetes Mittel aus 'LKW >14-20t und 'LKW >20-26t * Jahresfahrleistung Quelle: KBA (2013), FZ 25 und VD3; HBEFA 3.1 sowie Stichprobe Gebrauchtfahrzeuge (truckscout24) © Fraunhofer ISI Seite 5
D i ff e re n z i e r u n g b e i H O - L k w s Stromschienen- Induktiv Oberleitungs-Lkw Lkw geladener-Lkw Zwei denkbare Ausführungsvarianten Elektromotor und Serieller Diesel-Hybrid mit kleiner Traktionsbatterie 200 kWh Traktionsbatterie (~1 kWh) © Fraunhofer ISI Seite 6
S i n d O b e r l e i t u n g s - L k w s e i n s i n n v o l l e r We g ? G i b t e s b e s s e re A l t e r n a t i v e n ? Systeme mit oberleitungsgebundenen elektrischen Kontroverse Diskussion: Betrieb von schweren Nutzfahrzeugen auf „Henne-Ei-Problem“ vielbefahrenen Autobahnen. (Geschäftsmodell, Betreibermodelle) I.d.R. Hybridantriebe (elektrischen Antrieb, Technische Herausforderungen konventioneller Antrieb, Batterien zum Fehlen detaillierterer Zwischenspeichern) Wirtschaftlichkeitsrechnungen Grenzüberschreitender Verkehr Standardisierung Rechtliche & sicherheitsrelevante Fragen Fahrzeugangebot Alternativen (z.B. Umstieg Schiene) Akzeptanz Bevölkerung Nutzer …… © Fraunhofer ISI Seite 7
Agenda 1. Hintergrund und Motivation 2. Vorgehen im Projekt 3. Zentrale Ergebnisse 4. Fazit, Ausblick und weiterer Forschungsbedarf © Fraunhofer ISI COPYRIGHT©PÖYRY Seite 8
Ziel ist die Erstellung eines TCO -Modells, d a s a l l e re l e v a n t e n I n p u t s b e r ü c k s i c h t i g t Inputs Outputs Fahrzeuge Politikmaß- - 5 Größenklassen nahmen… - 9 Antriebsarten - Gewichts- und Markthochlauf Volumenauswirkung Infrastruktur Lkw-Verkehr Modell / Endenergieein- - Fahrleistung/Nutzung Markthochlauf- sparung - Verkehrsströme (HO- Lkw) berechnung - Anforderungen von Speditionen CO2e- Vermeidungskosten Rahmendaten - Energieszenarien - GV-Entwicklung - Pkw-Szenarien © Fraunhofer ISI Seite 9
Überblick Modell Relativer Marktanteil Absoluter Marktanteil Datensatz mit 5.729 1. Bestimme für jedes Fahrzeugen inkl. Fahrprofil die TCO für Beschränkte Berech- Jahresfahrleistungen jeden Antrieb und Verfügbarkeit nung von Fahrzeugen Neuzulas- Bestands- wähle den günstigsten und Infrastruktur sungen modell 2. Bestimme Anteil pr,s der Antriebsart s in p²r,s= pr,s *br,s Nr,s= p²r,s *Nr Fahrzeugoptionen 9 Antriebe, 5 Größenklasse r Gewichtsklassen Energiesz Anzahl enarien Tankstellen / Entwicklung Infrastrukt Beschränktes elektrifizierte Fahrzeugzu- urkosten Angebot Autobahnkilo lassungen meter Pkw- Szenarien © Fraunhofer ISI Seite 10
Daten & Parameter Daten Stichprobe von Nutzfahrzeugen auf Basis der KiD Stichprobengröße etwa 6.000 Fzg. in sieben Gewichtsklassen (Aufbauarten: Seitenplaner, Kühlkoffer, Wechselbrücke, Kipper); Ermittlung der Jahresfahrleistungen auf Basis der Tachostände Parameter Parameterliste für verschiedene Antriebsarten: Fraunhofer IML: HO-Lkw, Gas-Lkw PTV AG: HO-Infrastruktur Fraunhofer ISI: BEV, PHEV, FCEV, Konsistenzprüfung Besprechung der wichtigsten Parameter auf Workshop am 01.03.2016 © Fraunhofer ISI Seite 11
S y s t e m g re n z e n u n d w i c h t i g e A n n a h m e n Neuzulassungen nach Größenklassen (deutsche Neuzulassungen) Relevant für HO-Lkw Jahr GK1 GK2 GK3 GK4* SZM* (
Besonderheiten der Fahrzeuge und re s u l t i e re n d e Z u s a t z a n n a h m e n Im Jahr 2015 steht keine Oberleitung zur Verfügung und BEV und PHEV können nicht nachladen. Für die verschiedenen Fahrzeuge werden für 2030 folgende Zusatzannahmen getroffen: HO-Lkw: Anteil des Fahrens an der Oberleitung hängt davon ab, ob das Fahrzeug viel auf der Autobahn fährt (=individueller Autobahnanteil) welche Menge an Autobahn elektrifiziert ist (=HO-Ausbau) und mit welcher Wahrscheinlichkeit dieses Fahrzeug auf der elektrifizierten Autobahn unterwegs ist (=DE-Anteil) © Fraunhofer ISI Seite 13
Individueller Autobahnanteil 100% „Je höher die Jahresfahr- leistung, desto größer der Autobahnanteil“ 80% Aber wie viel? Auswertung von KiD2010 Mittlerer BAB Anteil 60% und Daten aus PTV Validate 40% Der Autobahnanteil hängt schätzungsweise gemäß der Fit Formel von der 20% Mittlerer Anteil BAB Tagesfahrleistung ab: 0% 0 500 1000 1500 2000 BAB-Anteil = 1-exp(TFL/381) Tagesfahrleistung (TFL) [km] Berechnungen der PTV AG und Auswertung der KiD © Fraunhofer ISI Seite 14
A n t e i l e l e k t r i s c h e r Ve r k e h r s l e i s t u n g b e i festem Anteil elektrischer Autobahn? Verkehrsleistung auf Streckenabschnitten: 100% 100% Anteil Verkehrsleistung 80% 80% LKW*km/24h 60% CDF 40% 60% 20% 40% 0% Daten 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 20% Verkehrsleistung [LKW*km / 24 h] fit Vergl. Einkommensungleichheit 0% 0% 20% 40% 60% 80% 100% Hier: Gini = 0.37 (BRD 0.3, US 0.4, Brasilien 0.6) Anteil BAB-km Datenbasis: manuelle Zählung BASt 2010 & Mauttabelle 2015 Länge der Streckenabschnitte: Belastung und Länge von 1900 BAB-Abschnitten 100% Beispiele elektrisches Potenzial (gesamt 13.000 BAB-km): 80% 60% CDF Anteil elektr. 40% BAB-km 0% 1% 5% 10% 20% 50% 80% 20% Anteil elektr. 0% LKW-km 0% 3% 12% 21% 36% 68% 91% 0.1 1.0 10.0 100.0 Streckenlänge [km] http://www.bast.de/DE/Statistik/Verkehrsdaten-Downloads/2010/Manuelle-Zaehlung-2010.html und http://www.mauttabelle.de/maut.html sowie Berechnungen der PTV AG © Fraunhofer ISI Seite 15
HO-Ausbau über Nutzen von Autobahnen Mittelwert von Belastung [1000 LKW / 24 h] 0 5 10 15 20 A2 A3 Ausbau von verschiedenen A 99 Autobahnabschnitten hat A 10 A5 unterschiedlichen Nutzen A9 A 61 A 81 Autobahnen mit höherer A 30 Belastung sollen zuerst A6 100% A 40 elektrifiziert werden Anteil Verkehrsleistung A1 A7 Reihenfolge der Autobahnen 80% A 45 wurde gebildet über (manuelle LKW*km/24h A 12 A4 Zählung BASt 2010 & Mauttabelle 60% A 67 A 14 2015) A 57 A 42 40% Mit 30% Ausbau erreicht Daten man 50% des Verkehrs 20% fit Nutzen eines Ausbaus am 0% Anfang hoch und über die 0% 20% 40% 60% 80% 100% Zeit abnehmend: Anteil BAB-km http://www.bast.de/DE/Statistik/Verkehrsdaten-Downloads/2010/Manuelle-Zaehlung-2010.html und http://www.mauttabelle.de/maut.html sowie Berechnungen der PTV AG © Fraunhofer ISI Seite 16
DE-Anteil: Fahrten nur in Deutschland (über 90%)? Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass der HO-Lkw auf einer elektrifizierten Autobahn fährt? Auswertung von KiD2010 (Frage nach häufigstem Einsatzgebiet: Regional, National, International) Lkw mit geringen Fahrleistungen eher regional, mit sehr hohen Fahrleistungen eher international unterwegs Wahrscheinlichkeit für HO-Strecke analog mit DE-Anteil (steigt mit Jahresfahrleistung) Fahrzeugtyp Achsen- Steigung abschnitt (1e-6) Nur Deutschland (Anteil > 90%) ">3.5t" 0.094 3.672 "SZM" 0.398 0.402 WVI, IVT, DLR, und KBA (2010). Kraftfahrzeugverkehr in Deutschland 2010 (KiD2010). WVI Prof. Dr.Wermuth Verkehrsforschung und Infrastrukturplanung GmbH, Braunschweig, IVT Institut für angewandte Verkehrs und Tourismusforschung e. V., Heilbronn, DLR Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Institut für Verkehrsforschung, Berlin, KBA Kraftfahrt-Bundesamt, Flensburg © Fraunhofer ISI Seite 17
Agenda 1. Hintergrund und Motivation 2. Vorgehen im Projekt 3. Zentrale Ergebnisse 4. Fazit, Ausblick und weiterer Forschungsbedarf © Fraunhofer ISI COPYRIGHT©PÖYRY Seite 18
Angenommener Ausbau der Elektrifizierung Autobahnen für HO-Lkw 1000 km 4000 km HO-Lkw HO-Lkw HH B K K F F KA KA M Basierend auf Berechnungen der PTV AG und des Fraunhofer ISI © Fraunhofer ISI Seite 19
E r g e b n i s s e a b 1 2 t m i t H O - I n f r a s t r u k t u r- ausbau von 1000 Kilometern bis 2030 100% 90% GK4 80% 70% HO-Diesel Lkw ist mit 10% HO-Lkw Batterie 60% Marktanteil bei den HO-Lkw Diesel 50% Neuzulassungen vertreten 40% andere alt. Antriebe 30% CNG/LNG Hauptkraftstoff bleibt Diesel 20% 10% GK4 (12-26t) Diesel 0% 2015 2020 2025 2030 GK4 Marktanteile Neuzulassungen 100% SZM 90% 80% H-Induktiv Bei den SZM kann nur eine sehr 70% H-Stromschiene kleine Menge mit HO-Lkw 60% HO-Lkw Batterie betrieben werden (1000km 50% 40% HO-Lkw Diesel Infrastruktur) 30% 20% andere alt. Antriebe CNG/LNG mit 60% Marktanteil 10% SZM CNG/LNG 0% Diesel 2015 2020 2025 2030 SZM Marktanteile Neuzulassungen Modellergebnisse © Fraunhofer ISI Seite 20
E r g e b n i s s e a b 1 2 t m i t H O - I n f r a s t r u k t u r- ausbau von 4000 Kilometern bis 2030 100% 90% GK4 80% 70% HO-Diesel Lkw legt von 10% HO-Lkw Batterie 60% (1000km) auf 15% Marktanteil HO-Lkw Diesel 50% bei den Neuzulassungen zu 40% andere alt. Antriebe 30% (Reduktion des Dieselanteils) CNG/LNG 20% 10% GK4 (12-26t) Diesel Neuzulassungen weiter durch 0% Dieselfahrzeuge geprägt 2015 2020 2025 2030 GK4 Marktanteile Neuzulassungen 100% 90% SZM 80% 70% H-Induktiv 25% Marktanteil von HO-Diesel- H-Stromschiene 60% Lkw (in Vergleich zu einigen HO-Lkw Batterie 50% wenigen Prozent bei 1000km) 40% HO-Lkw Diesel 30% andere alt. Antriebe Reduktion der Marktanteile von 20% 10% SZM CNG/LNG CNG und Dieselfahrzeugen 0% Diesel Großer Einfluss der 2015 2020 2025 2030 SZM Marktanteile Neuzulassungen Infrastruktur, aber wie hoch? Modellergebnisse © Fraunhofer ISI Seite 21
Anteile der HO-Lkw im Bestand und Infrastrukturausbau 70,000 Die größten Zuwächse werden mit einem Ausbau 60,000 auf bis zu 3000 km Autobahn erzielt HO-Lkw im Bestand 2030 50,000 Danach kaum mehr 40,000 Änderung im Bestand 30,000 Zusammenhang zwischen Fahrleistungsverteilung der 20,000 SZM (F16) und Ausbau, da kleine Menge an 10,000 Infrastruktur reicht für große Menge an Lkw 0 0 5,000 10,000 15,000 Elektrifizierte BAB-km Modellergebnisse © Fraunhofer ISI Seite 22
Übersicht Energiebedarf alternativer Antriebe für das Jahr 2030 Vergleich von drei Varianten: Markthochlauf bis 2030 bei 1000 km Oberleitungsausbau Markthochlauf bis 2030 bei 4000 km Oberleitungsausbau Maximal: Alle Fahrzeuge über 12t und Oberleitung auf gesamten Autobahnnetz Stromnachfrage HO-Lkw [TWh] 0 10 20 30 40 1000 km 2030 1000 km 2030 0.2 4000 km 2030 4000 km 2030 8 Maximale Verbreitung Maximale Verbreitung 36 Perspektivisch für 2050 Vergleich 1: 6 Mio. Elektroautos (@0,16 kWh/km & 14.300 km/a) sind ca. 14 TWh/a Vergleich 2: Bruttostrommenge in den Klimaschutzszenarien (BMU 2015) im Jahr 2030: 501 TWh (KS95) - 593 TWh (AMS) Modellergebnisse © Fraunhofer ISI Seite 23
R e g i o n a l e E ff e k t e n a c h M a r k t h o c h l a u f 2 0 3 0 Änderung der lokalen Stromnachfrage durch HO -Lkw © Fraunhofer ISI Seite 24
Agenda 1. Hintergrund und Motivation 2. Vorgehen im Projekt 3. Zentrale Ergebnisse 4. Fazit, Ausblick und weiterer Forschungsbedarf © Fraunhofer ISI COPYRIGHT©PÖYRY Seite 25
F a z i t , A u s b l i c k u n d w e i t e re r Forschungsbedarf Bei regenerativen Bereitstellung des Stroms, stellen HO-Lkw eine Variante zur Dekarbonisierung des Straßengüterverkehr dar. Anteil der HO-Lkw ist nach oben beschränkt Auch weitere Szenarien mit größerem Ausbau an Infrastruktur belegen dies. Obergrenze des Markthochlaufs der HO-Lkw wird bestimmt durch den Ausbau der HO-Infrastruktur, aber auch durch den Einbezug der Beschränkungen: DE-Anteil: Nicht alle Lkw nutzen die elektrifizierten Autobahnen. Beschränkte Fahrzeugverfügbarkeit: Nicht jeder entscheidet für den HO-Lkw bei positivem TCO- Vergleich. Entwicklung der Konkurrenztechnologien beachten (z.B. CNG/LNG – Besteuerung Kraftstoffe) Weitere Punkte müssen noch untersucht werden: Marktakzeptanz der Technologie (Flexibilität, Zuverlässigkeit,…) Bewegungsprofile von Lkw zur detaillierten Bestimmung von Autobahnanteilen (GPS-Tracking) Strategien zur Elektrifizierung des Quell-/ Ziel- und Transitverkehrs Deutscher Sonderweg? - Steht der HO-Lkw im Widerspruch mit der EU Verkehrspolitik (TEN-T) – Gibt es Verlagerungseffekte (Schiene/Binnenschiff Straße)? © Fraunhofer ISI Seite 26
VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT! Weitere Informationen zum Projekt unter: http://www.bmvi.de/SharedDocs/DE/Artikel/G/MKS/mks-fachworkshop-hybrid-oberleitungs-lkw.html © Fraunhofer ISI
ANHANG © Fraunhofer ISI Seite 28
A b w a n n w e rd e n H O - D i e s e l - L k w 2 0 3 0 wirtschaftlich? (ohne Infrastrukturkosten) 120,000 € Die Kosten der HO-Lkw hängen vom Anteil des 100,000 € elektrischen Fahrens an der Oberleitung ab 80,000 € Ein hoher Anteil an der TCO 2030 60,000 € Oberleitung bedeutet eine schnellere Amortisation („Es 40,000 € rechnet sich bei geringeren Jahresfahrleistungen“) 20,000 € Ca. 30.000 elektrische Kilometer notwendig zur - € Amortisation 2030 0 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 Jahresfahrleistung ABER: Elektrische Kilometer TCO Diesel TCO HO-Diesel (0% HO-Infra-Anteil) hängen vom Ausbau der TCO Diesel TCO HO-Diesel (0% HO-Infra-Anteil) TCO HO-Diesel (40% HO-Infra-Anteil) TCO HO-Diesel (80% HO-Infra-Anteil) Oberleitung ab © Fraunhofer ISI Seite 29
Die Menge der wirtschaftlichen HO -Lkw liegt oberhalb einer Mindestfahrleistung Der Marktanteil von Sattelzugmaschinen HO-Lkw hängt von der 120 1000 100% Menge der Lkw mit 900 90% Jahresfahrleistungen 100 4000 km Ausbau 85% Marktanteil 800 oberhalb einer Break- Kumulierte Häufigkeit (CDF) 80% 700 70% Even-Fahrleistung ab 80 1000 km Ausbau 600 Diese hängt vom Häufigkeit 60% 65% Marktanteil 60 500 50% Infrastrukturausbau ab 400 40% ACHTUNG: 40 300 30% Rechnungen ohne 20 200 20% andere alternative 100 10% Antriebe, diese können 0 0 die Schwellen 0% 0 50000 100000 150000 200000 beeinflussen Jahresfahrleistung Tagesfahrleistungen Häufigkeit CDF schwanken (im Modell berücksichtigt) © Fraunhofer ISI Seite 30
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