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FORTSCHRITTLICHE ANTRIEBSKONZEPTE FÜR STADTBUSSE UND VERTEILERFAHRZEUGE MIT NIEDRIGSTEN EMISSIONEN; STUFE I ¹⁾

Veröffentlicht in Verkehr und Technik 1996, Heft 9 + 10 , Erich Schmidt Verlag, München

¹⁾ Für den Inhalt dieses Artikel ist auschließlich die Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH verantwortlich.

1. Einleitung

Die vom Verkehr verursachten Schadstoffemissionen stellen vor allem in Ballungsräumen ein großes und immer noch ungelöstes Problem dar. Inbesondere in sensitiven Gebieten wie z.B. Kurorten ist der Problemdruck besonders groß. Die Forderungen von Bürgern und Politikern nach einer Lösung werden immer drängender.

Neben Maßnahmen wie Verkehrsvermeidung und -verlagerung auf umweltschonende Verkehrsmittel bieten technische Verbesserungen wie z.B. energieeffizientere und emissionsarme Antriebssysteme ein erhebliches Potential zur Verminderung der lokalen und globalen Emissionen.

Für die Einführung neuer innovativer Antriebskonzepte sind der öffentliche Personennahverkehr (ÖPNV) sowie der Wirtschaftsverkehr in Ballungsräumen besonders geeignet, da hier die erforderliche Infrastruktur schneller und kostengünstiger aufgebaut werden kann.

Aus dieser Motivation heraus entstand das vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) geförderte Projekt FORTSCHRITTLICHE ANTRIEBSKONZEPTE FÜR STADTBUSSE UND VERTEILERFAHRZEUGE MIT NIEDRIGSTEN EMISSIONEN; STUFE I (Laufzeit: 10/93 bis 12/95), an dem sich beratend und unterstützend die Industriepartner BMW AG, Daimler Benz AG, Fichtel & Sachs AG, Magnet-Motor GmbH, Mannesmann Pilotentwicklungsgesellschaft mbH, TÜV Bayern Sachsen und Volkswagen AG beteiligten.

Desweiteren bestand eine enge Kooperation mit dem Umweltbundesamt, das mit großem Engagement und wertvollen Inputs wesentlich zur vorliegenden Arbeit beitrug.

Eine Vorreiterrolle bei der Einführung von Antriebssystemen mit niedrigsten Emissionen hat der Bundesstaat Kalifornien übernommen, wo seit 1994 eine stufenweise Reduktion der Flottenemissionen bis hin zur Einführung von emissionsfreien Fahrzeugen gesetzlich vorgeschrieben ist (10% der neuverkauften Fahrzeuge bei Pkw und leichten Nutzfahrzeugen bis 1700 kg Bezugsmasse müssen im Jahr 2003 emissionsfrei sein).

Ausgelöst durch diese neuen Rahmenbedingungen dürfte weltweit ein Markt für effizientere und saubere Antriebe entstehen. Diese Entwicklung wird unterstützt durch ähnliche Regelungen in weiteren wichtigen Regionen des Weltmarktes wie z.B. den restlichen Bundesstaaten der USA.

Einen Beitrag zur Lösung der verkehrsbedingten Umweltprobleme beinhaltet sowohl die Weiterentwicklung der bisherigen konventionellen Antriebe als auch der alternativen Fahrzeugantriebe, die vor Ort sauber und leise sind. Traditionell sind dies Fahrzeuge mit Elektrotraktion - wie Straßenbahn und Trolleybus. Beide zeichnen sich jedoch durch ihre Inflexibilität in der Streckenführung und durch ihre hohen Invest- oder/und Betriebskosten aus. Außerdem lassen sich Lieferfahrzeuge und Kommunalfahrzeuge in der Regel nicht als leitungsgebundene Fahrzeuge realisieren.

Eine Analyse der momentanen Situation im Bereich Nutzfahrzeuge zeigt, daß Fahrzeugkonzepte, die deutlich verschärften Anforderungen hinsichtlich niedrigster Schadstoff- und Lärmemissionen mit gleichzeitig akzeptablen Reichweiten, Nutzlasten, Nutzvolumen etc. genügen, heute am Markt aus wirtschaftlichen Gründen nicht verfügbar sind. Es sollten deshalb bestehende Initiativen in Deutschland unterstützt und verstärkt werden, die zu einem nationalen Programm für fortschrittliche Antriebskonzepte führen, das deren erfolgreiche Realisierung und Markteinführung zum Ziel hat. Dies wiederum soll der deutschen Industrie helfen, auf den entstehenden neuen Märkten, die durch veränderte Rahmenbedingungen entstehen, konkurrenzfähig zu bleiben.

2. Ziel des Vorhabens

Ziel der Studie war, in einem Dialog mit der Fahrzeugindustrie Anstöße für eine Einigung über anzustrebende Ziele bezüglich künftiger Stadtbusse und Verteilerfahrzeuge für Ballungsgebiete mit niedrigsten Emissionen zu geben. Diese Position sollte im Anschluß an dieses Vorhaben in einen Dialog zwischen Industrie und Politik über folgende Fragestellungen einfließen:

• Welche Emissionsreduzierungen sind wann technisch und industriell realisierbar?
• Welche politischen Rahmenbedingungen sind für eine Einführung emissionsreduzierter Antriebe notwendig?
• Was folgt daraus für die Ausrichtung von Forschungsprogrammen?
• Welchen Einfluß sollte die deutsche Politik im Konsens mit der deutschen Fahrzeugindustrie auf die Gestaltung der europäischen Rahmenbedingungen nehmen?

Das angestrebte Ziel bestand in einem möglichst weitgehenden Konsens über ökologisch und ökonomisch sinnvoll realisierbare emissionsgeminderte Antriebskonzepte sowie die dafür notwendigen politischen Rahmenbedingungen.

Bei der Bewertung der untersuchten Antriebskonzepte wurden folgende Zeithorizonte betrachtet:

• KURZFRISTIG In den nächsten 5 Jahren
• MITTELFRISTIG In 5 bis 10 Jahren
• LANGFRISTIG In mehr als 10 Jahren

Es liegt auf der Hand, daß technische Möglichkeiten der Emissionsreduzierung nicht isoliert von wirtschaftlichen und politischen Randbedingungen sinnvoll betrachtet und diskutiert werden können. Diese Studie möchte auch dazu beitragen, daß dieser größere Zusammenhang deutlich wird.

3. Grundlagen

Die Grundlage für die Bewertung der verschiedenen Antriebskonzepte bildete eine umfassende technische Bestandsaufnahme, die den Stand der Technik und absehbare Entwicklungstendenzen bei den in Frage kommenden Antriebskomponenten beschreibt. Im einzelnen wurden alle gängigen Verbrennungsmotoren, Abgasreinigungssysteme, Getriebearten, elektrische Maschinen, Brennstoffzellen, Energiespeicher und die Steuer- und Leistungselektronik näher untersucht.

Darauf aufbauend wurden zukunftsgerichtete Ansätze für städtische Busse, Liefer- und Kommunalfahrzeuge definiert, die auf verfügbaren und in der Entwicklung befindlichen Antriebskonzepten basieren. Im einzelnen sind dies:

• Konventionelle Antriebskonzepte (mechanische Kraftübertragung) mit Verbrennungsmotor; Treibstoffe: Benzin, Diesel, Erdgas, Ethanol, Methanol, Rapsöl, Rapsmethylester (RME) und Wasserstoff
• Seriell-Hybrid-Antriebe (elektrische Kraftübertragung) mit Verbrennungsmotor und elektrochemischen oder -mechanischen Energiespeichern; Treibstoffe: analog zu den konventionellen Antrieben
• Brennstoffzellenantriebe (elektrische Kraftübertragung); Treibstoffe: Methanol und Wasserstoff
• Batterieantriebe (elektrische Kraftübertragung) mit Primär- (z.B. Zink/Luft-Energiesystem) oder Sekundärelementen (z.B. Ni/Cd-Akkumulator)

Desweiteren wurden die Anforderungen aus Betreiber- und Kundensicht an die hier untersuchten Fahrzeuge dargestellt. Es wurde für jeden Anwendungsfall (z.B. Stadtlinienbus) das Fahrleistungsprofil definiert und die entsprechenden Fahrzyklen für die Energie- und Emissionsbilanzierung ausgewählt. Außerdem wurden die Nutzlast- und Nutzvolumenverhältnisse der einzelnen Fahrzeuge dargestellt. Im Sinne dieser Studie wurden auch niedrigste Emissionen als primäre Nutzeranforderung definiert. Die Auswirkungen der Nutzeranforderungen wurden bei der Auslegung der Fahrzeuge und bei der Bewertung der Antriebskonzepte entsprechend berücksichtigt.

Im Anschluß daran wurden auf der Grundlage der europäischen Fahrzeugklassen repräsentative Nutzfahrzeuge für Ballungsgebiete ausgewählt. Im einzelnen sind dies:

• Kleinbus mit ca. 2,6 t Gesamtmasse
• Stadtlinienbus mit ca. 18 t Gesamtmasse
• Gelenklinienbus mit ca. 28 t Gesamtmasse
• Transporter mit ca. 2,8 t Gesamtmasse
• Stadt-Lkw mit ca. 7,5 t Gesamtmasse
• Müllfahrzeug mit ca. 18 t Gesamtmasse

Für diese Fahrzeuge werden dann aus den oben dargestellten Antriebssystemen die jeweils sinnvollen Antriebsvarianten ausgewählt.

4. Infrastrukturaspekte

Vor der Bewertung der ausgewählten Fahrzeug-/Antriebskombinationen wurden in einem eigenen Kapitel die Infrastrukturaspekte für die in Frage kommenden Treibstoffe näher diskutiert. Als erstes wurden die bereits bestehenden Infrastrukturen der gängigen Treibstoffe Benzin und Diesel dargestellt, wobei insbesondere auf die Speicher- und Umfüllverluste näher eingegangen wurde. Anschließend wurden die im Handling ähnlichen Treibstoffe RME, Methanol, Ethanol und LPG diskutiert. Bei diesen Treibstoffen ergeben sich im Prinzip nur wenig Probleme, die bereits vorhandene Infrastruktur zu nutzen.

Ausführlicher wurde auf die Treibstoffe Erdgas und Wasserstoff eingegangen, die sich nicht mehr bzw. nicht mehr so leicht in die bestehende Infrastruktur einbinden lassen. Es wurde sowohl die Druck- als auch die Flüssigspeicherung näher untersucht. Dabei wurden insbesondere die Tankstellen und die Gesamtkosten im Detail diskutiert.

5. Ergebnisse

Gesamtenergie- und Gesamtemissionsbilanzierung

Den Schwerpunkt bei der Bewertung der ausgewählten Fahrzeug-/Antriebskombinationen bildete eine Gesamtenergie- und Gesamtemissionsbilanzierung, bei der die Treibstoffverbräuche und die Emissionen der Fahrzeuge im Fahrzeugbetrieb mit den Energieeinsätzen und Emissionen der vorgelagerten Prozesse zur Bereitstellung der Treibstoffe miteinander verknüpft wurden. Es wurden die in Tabelle 1 dargestellten Treibstoffpfade näher betrachtet. Diese wurden mit dem Programm GEMIS (GesamtEmissionsModell Integrierter Systeme) bilanziert /1/. GEMIS, das vom Öko-Institut Darmstadt und der Gesamthochschule Kassel enwickelt wurde, betrachtet nicht nur den reinen Produktionsprozeß, sondern auch die notwendigen Transportwege und die Baumaterialien für den Bau der Produktionsanlagen.

Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Treibstoffe Ethanol, Rapsöl und Rapsölmethylester (RME) nicht mehr berücksichtigt werden. Bei Ethanol, das z. B. aus Zuckerhirse, Zuckerrüben, Mais, etc. gewonnen werden kann, führt die erheblichen Umwelteinwirkungen bei der Herstellung zum Ausschluß. Bei Rapsöl und RME die Tatsache, daß diese Treibstoffe im Vergleich zu den konventionellen Treibstoffen Benzin und Diesel keine wesentlichen Vorteile bzgl. der Emission von Schadstoffen und den daraus resultierenden Umweltproblemen (Sommersmog, etc.) in Ballungsgebieten bieten.

Tabelle 1: Untersuchte Treibstoffpfade

Der Energieverbrauch der oben genannten Fahrzeuge im Fahrbetrieb wurde mit Hilfe eines Simulationsprogrammes, das im Rahmen des Vorhabens entwickelt wurde, berechnet. Für diese Berechnungen wurden von den beteiligten Industriepartnern die benötigten Daten (Verbrauchskennfelder, Fahrzeugdaten, etc.) zur Verfügung gestellt. So wurde z.B. der Stadtlinienbus mit folgenden Antriebssystemen in dem Stadtbusfahrzyklus LINIE66, der eine Synthese aus realen Fahrzyklen im Stadtgebiet München darstellt, simuliert:

Konventioneller Antrieb; Treibstoffe: Diesel, Erdgas (CNG, LNG)

• Serieller Hybridantrieb mit bzw. ohne Bremsenergiespeicher; Treibstoffe: Diesel, Erdgas (CNG, LNG)
• Brennstoffzellenantrieb mit bzw. ohne Bremsenergiespeicher; Treibstoffe: Methanol, Wasserstoff (CGH₂ , LH₂)
• Elektrischer Antrieb mit bzw. ohne Bremsenergiespeicher; Netzstrom aus Oberleitung

Bei der Darstellung der lokalen Schadstoffemissionen im Fahrbetrieb konnte aufgrund fehlender Daten und methodischer Schwierigkeiten keine Simulation durchgeführt werden. Für den Transporter und den Stadtlinienbus konnte allerdings mit Hilfe von Literaturdaten und Inputs der beteiligten Partner und des Umweltbundesamtes für die einzelnen Zeithorizonte eine Abschätzung der Emissionen im Fahrbetrieb dargestellt werden.

Für diese beiden Fahrzeuge wurden die Ergebnisse aus dem Fahrbetrieb und den vorgelagerten Prozeßketten im Rahmen einer Gesamtenergie- und Gesamtemissionsbilanzierung zusammengeführt. Die Auswertung der Ergebnisse läßt sich wie folgt zusammenfassen:

Energieeffizienz

Antrieb; Erzeugungskette 1 Konventionell; Benzolarmes Benzin 2 Konventionell; Schwefelarmer Diesel 3 Batterie; Zn/Luft-System; Hochspannungsnetz 4 Brennstoffzelle; Komprimierter Wasserstoff aus Kvaenerprozeß mit Netzstrom 5 Brennstoffzelle; Komprimierter Wasserstoff aus Biomasse-Farming 6 Brennstoffzelle; Komprimierter Wasserstoff aus Windkraft 7 Brennstoffzelle; Flüssigwasserstoff aus Norwegen I 8 Brennstoffzelle; Flüssigwasserstoff aus Kanada 9 Brennstoffzelle; Flüssigwasserstoff aus Afrika mit Photovoltaik 10 Brennstoffzelle; Flüssigwasserstoff aus Afrika mit Solarthermie 11 Brennstoffzelle; Flüssigwasserstoff aus Patagonien 12 Brennstoffzelle; Methanol aus Holz* 13 Brennstoffzelle; Methanol aus Afrika* 14 Konventionell; Erdgas komprimiert *) CO2-Gutschrift erfolgt im Betrieb

CO₂-Emissionen im Zeithorizont LANGFRISTIG: Transporter: Europäischer MVEG A-Prüfzyklus

• Bei den fossilen Energiepfaden erweist sich der Dieselpfad als der effizienteste Pfad. Nahezu ebenbürtig ist der Pfad "Methanol aus Erdgas" in Kombination mit einem Brennstoffzellenantriebskonzept (ca. 0-20 % schlechter). Der Erdgaspfad in Verbindung mit einem konventionellen Antriebskonzept liegt um ca. 25-35 % unter dem Dieselpfad. Am schlechtesten schneiden die Pfade "Zn/Luft-System mit Strom aus dem Netz" und "Komprimierter Wasserstoff aus fossilen Energiequellen" ab (ca. 50-100 % schlechter als der Dieselpfad).
• Bei den Treibstoffpfaden mit regenerativen Energiequellen findet man sowohl Pfade, die besser oder gleichauf mit Dieselpfad liegen, als auch Pfade, die deutlich unter der Effizienz des Dieselpfades liegen. Besonders gut ist der erneuerbare Pfad "Komprimierter Wasserstoff aus Biomasse", der beim Transporter ca. 30 % und beim Stadtlinienbus ca. 5 % effizienter als der Dieselpfad ist. Am anderen Ende der Skala liegt der Pfad "Methanol aus Holz", bei dem im schlechtesten Fall (Stadtlinienbus) der Energieaufwand um mehr als 100 % über dem des Dieselpfades liegt.

An dieser Stelle muß allerdings betont werden, daß bei den erneuerbaren Energiepfaden die Energieeffizienz und die CO₂-Emissionen entkoppelt sind, d.h. auch ein Pfad mit schlechter Energieeffizienz sehr gute CO₂-Emissionen aufweisen kann.

Globale Emissionen

In allen Zeithorizonten wird sichtbar, daß eine spürbare CO₂-Reduktion ausschließlich mit Antriebssystemen erreicht wird, in denen Treibstoffe aus erneuerbaren Energiequellen zum Einsatz kommen. Dabei erreichen auch sehr energieintensive Pfade wie z.B. "Methanol aus Holz" sehr gute CO₂-Emissionswerte (siehe Bild 1). Als Sekundärenergieträger kommen in Frage:

• Methanol
• Wasserstoff (CGH₂ , LH₂)
• Strom

• Als Antriebstechnologien können im Prinzip alle hier betrachteten Konzepte eingesetzt werden. Eindeutige Vorteile bei der Gesamteffizienz liegen hier bei den Brennstoffzellenantrieben, die allerdings erst MITTEL- bis LANGFRISTIG zur Verfügung stehen.

Lokale Emissionen

• Kohlenmonoxid

Die Kohlenmonoxid-Emissionen der Antriebssysteme mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen und des Erdgasfahrzeuges liegen in der Regel noch günstiger als die bereits heutzutage im Verkehr unkritischen CO-Emissionen der konventionellen Antriebssysteme mit fossilen Treibstoffen.

• Kohlenwasserstoffe

Die meisten Antriebssysteme mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen liegen im Bereich der HC-Emissionen des Benzinfahrzeuges. Die sehr guten HC-Emissionen des Dieselfahrzeuges werden im Szenario MITTEL- und LANGFRISTIG von den Pfaden "Komprimierter Wasserstoff aus Biomasse" und "Flüssigwasserstoff aus Norwegen und Kanada" erreicht. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, daß die HC-Emissionen der Antriebssysteme mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen und der Erdgasantrieb einen sehr hohen Methananteil (bis zu 98%) haben. Methan ist im bodennahen Bereich unkritisch (sehr geringes Ozonbildungspotential, nichttoxisch). Obwohl Methan ein hohes Treibhauspotential hat, wird aufgrund der geringen freigesetzten Mengen keine Verschärfung der Treibhausproblematik erwartet.

• Stickoxidemissionen

Die Stickoxidemissionen der Erdgasantriebe und der Antriebe mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen liegen (bis auf die Ausnahme: "Methanol aus Holz") sehr viel niedriger als die Stickoxidemissionen der Antriebe mit fossilen Treibstoffen Benzin und Diesel. Insbesondere die Dieselantriebe weisen sehr hohe Stickoxidemissionen auf. Erdgasantriebe und Antriebe mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen können somit zu einer spürbaren Entlastung der Stickoxidbelastung und folglich der Sommersmogbildung in Ballungsgebieten beitragen.

• Partikelemissionen

Benzin- und erdgasversorgte Antriebssysteme, Batterieantriebe und Antriebssysteme mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen tragen spürbar zur Verminderung der Partikelemission in Ballungsgebieten bei. Auch über die gesamte Prozeßkette entstehen bei diesen Antrieben sehr viel weniger Partikel (Fahrbetrieb) und Staub (vorgelagerte Prozeßketten) als bei den Dieselantrieben.

• Schwefeldioxidemissionen

Die globalen Schwefeldioxidemissionen der Antriebssysteme mit Treibstoffen aus erneuerbaren Energiequellen liegen in der Regel deutlich niedriger als die der konventionellen und der Batterieantriebe. Besonders günstig schneiden hier die Erzeugungspfade Wasserstoff aus Biomasse-Farming und Flüssigwasserstoff aus Kanada und Norwegen ab. Günstig im Vergleich zum Benzin- und Dieselfahrzeug liegt auch noch das Erdgasfahrzeug.

Bewertung weiterer relevanter Aspekte

Neben der ökologischen Bewertung der Antriebskonzepte, die in aller Ausführlichkeit durchgeführt wurde und die das zentrale Thema dieser Studie darstelltt, spielten natürlich auch noch andere Kriterien bei der Beurteilung von Antriebs- bzw. Fahrzeugkonzepten eine große Rolle. Beispiele hierfür sind der Betreiber- und Kundennutzen, Sicherheitsaspekte, Verfügbarkeit der Treibstoffinfrastruktur, Treibstoffhandling und vor allem die Wirtschaftlichkeit der Antriebskonzepte.

Zusätzlich zu diesen Kriterien, die im wesentlichen - neben geeigneten Rahmenbedingungen - die Marktchancen der Antriebskonzepte bestimmen, wurde auch noch auf Lebenszyklusaspekte der Antriebskonzepte eingegangen. Die hier durchgeführte qualitative Bewertung ist als erste grobe Abschätzung zu sehen. Wollte man eine detaillierte "Ökobilanz" der hier diskutierten alternativen Antriebs- und Fahrzeugkonzepte, der verschiedenen Treibstoffpfade, etc. durchführen, müßte man einen viel höheren Aufwand treiben, der den Rahmen dieser Studie bei weitem gesprengt hätte.

Folgende qualitative Aussagen können zu den einzelnen Bereichen gemacht werden:

Betriebliche Aspekte aus der Sicht der Betreiber

• Die LBST sieht bei den alternativen Antrieben die Möglichkeit, die gleiche Nutzlast bzw. das gleiche Nutzvolumen darzustellen. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, daß dafür bei allen Antriebssystemen eine höhere Gesamtmasse und bei den Fahrzeugen mit Drucktanks bzw. Batterie eine zum Teil deutliche Einschränkung der Reichweite (insbesondere beim Batteriefahrzeugen) in Kauf genommen werden muß.
• Bei dem Kriterium "Freizügigkeit der Komponentenanordnung" weisen die elektrischen Antriebe Vorteile auf, die insbesondere eine wichtige Rolle bei den Bussen für die Darstellung eines ebenen und podestfreien Innenraumes spielen.
• Beim Wartungsaufwand kommt es bei den druckgasbetriebenen Fahrzeugen zur Zeit (Einführungsphase) zu einem erhöhten Wartungs-(Prüf-)aufwand der Tankanlage. Bezüglich des Antriebsstrangs treten bei den neuen, alternativen Antrieben erwartungsgemäß mehr Probleme auf als bei den etablierten Systemen. Eine Abschätzung des zukünftigen Wartungsaufwandes erscheint sehr schwierig, da keine Vergleichsbasis existiert. Es wäre z.B. denkbar, daß eine Verschiebung bezüglich des Wartungsaufwandes stattfindet, wenn man für die Druckgastankanlage mehr, aber gleichzeitig für die Brennstoffzelle weniger Wartung aufwenden müßte.
• Bei der Betankung (Bedienungsfreundlichkeit) sieht die LBST langfristig keinen Nachteil für die alternativen Antriebe (Stichworte: Roboterbetankung, Benzinbetankung mit Gasrückführungssystem, Wechselsystem für die Zn-Anode beim Zn/Luft-System). Die Ausnahme bilden hier lediglich die Batteriefahrzeuge, die über das Stromnetz "betankt" werden und selbst mit einem Schnelladesystem eine wesentlich höhere "Betankungszeit" benötigen.
• Bezüglich Ausfallverhalten und -häufigkeit erwartet die LBST bei den Hybrid- und Batteriefahrzeugen keine Nachteile im Vergleich zu den konventionellen Antrieben. Bei den Brennstoffzellenantrieben ist aufgrund fehlender Daten zur Zeit noch keine gesicherte Aussage möglich.

Betriebliche Aspekte aus der Sicht des Kunden (gilt nur für Stadtbusse)

• Bei der Benutzerfreundlichkeit sieht die LBST Vorteile bei den Varianten Hybrid-, Brennstoffzellen- und elektrischer Antrieb mit Strom aus Oberleitung. Der Hauptgrund hierfür liegt in der Möglichkeit, aufgrund der Flexibilität der Komponentenanordnung einen ebenen und podestfreien Innenraum zu gestalten. Als Beispiel für dieses Konzept sei der neue NEOPLAN-Niederflurlinienbus N4114/DE angeführt, in dem diese Vorstellungen bereits verwirklicht sind.
• Auch beim Komfort im Fahrbetrieb weisen die Antriebskonzepte mit elektrischer Kraftübertragung Vorteile gegenüber den konventionellen Antrieben auf. Hier ist vor allem der völlig ruckfreie Fahrbetrieb zu nennen, da es aufgrund des fehlenden Getriebes zu keinen Schaltstößen kommt.
• Die Innengeräuschentwicklung bei den CNG- und LNG-Antriebsversionen liegt aufgrund des leiseren Verbrennungsvorganges niedriger als beim konventionellen Dieselantrieb. Besondere Vorteile weisen hier der Brennstoffzellen- und der Oberleitungsantrieb auf, da hier ein besonders leiser Energiewandler eingesetzt wird bzw. überhaupt kein Energiewandler mehr vorhanden ist.

Sicherheitsaspekte

• Es zeigt sich ein teilweise unerwarteter Gleichstand der verschiedenen Systeme. Das liegt vor allem daran, daß die Sicherheitsqualitäten eines Systems nicht besser (oder schlechter) sind, sondern anders. Dies bedeutet, daß sich im Fehlerfall Systeme unterschiedlich verhalten, ihre Auswirkungen sich anders gestalten, evtl. auftretende Schäden ein unterschiedliches Erscheinungsbild haben.
• Den zur Zeit am meisten diskutierten Treibstoffe Erdgas und Wasserstoff darf nicht automatisch ein höheres Sicherheitsrisiko zugewiesen werden, nur weil es sich (im Normalzustand) um Gase handelt. Es gibt viele Beispiele dafür, daß diese Treibstoffe sogar höhere Sicherheitsreserven als Benzin oder Diesel aufweisen; entweder aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften oder aufgrund der Tatsache, daß für die Speicherung und Transport von Gasen ein erhöhter (Sicherheits-) Aufwand getrieben werden muß.
• Bei den betrachteten Batteriesystemen sieht die LBST gewisse Sicherheitspotentiale gegenüber den flüssigen und gasförmigen Treibstoffen, da die akute Brandgefahr nach unserer Ansicht geringer ist.

Lebenszyklusaspekte

Die Betrachtung von Lebenszyklusaspekten hat zu keinen auffälligen Eigenschaften von bestimmten Antriebstechnologien geführt. Die entsprechende Untersuchung konnte im Rahmen dieser Studie nur grob erfolgen. Trotzdem sind wir der Meinung, daß eine Bewertung unter diesem Aspekt keine Technologie ausschließen wird.

Wirtschaftlichkeit

Es zeigt sich, daß alle Antriebskonzepte, die auf erneuerbaren Energien aufbauen, sowie der Brennstoffzellenantrieb in den Zeithorizonten KURZ- und MITTELFRISTIG wirtschaftliche Nachteile gegenüber heute üblichen Antriebskonzepten aufweisen. Speziell bei Wasserstoff-Brennstoffzellenbussen ergab eine Kostenkalkulation, daß KURZFRISTIG zwar noch um ca. 20 % höhere Kosten anfallen, aber MITTEL- bis LANGFRISTIG das Potential vorhanden ist, die Wirtschaftlichkeit eines Dieselbusses zu erreichen. Diese Aussage gilt unter der Voraussetzung, daß die in den nächsten 5-10 Jahren für Brennstoffzellensysteme erwartete Preisreduktion stattfindet und die Wasserstoffkosten im Bereich der Dieselkosten liegen.

Marktchancen für emissionsreduzierte Fahrzeuge

Die Abschätzung der Marktchancen für emissionsreduzierte Fahrzeuge erfolgte unter der Prämisse, daß mittel- und langfristige Reduktionsziele bei der lokalen Schadstoffbelastung (vor allem HC, NO_x und Partikel) und den CO₂ -Emissionen in dem hier untersuchten Sektor "Nutzfahrzeuge in Ballungsgebieten" umgesetzt werden. Im einzelnen wurden folgende Reduktionsziele definiert:

• 80 %-ige Reduktion des Sommersmogpotentials bis zum Jahr 2005, bezogen auf 1987 /2/
• Bei den toxischen Stoffen (Benzol, Dieselruß, etc.) Absenkung des Gesamtkrebsrisikos um 90 %, bis 2005, bezogen auf 1988, bzw. langfristig um 99 % /2/
• 25 %-ige CO₂-Reduktion bis 2005, bezogen auf 1990 /3/
• 80 %-ige CO₂-Reduktion bis 2050, bezogen auf 1990 /4/

Eine in der Studie durchgeführte Szenarienanalyse führte zu folgenden Einschätzungen:

• Ein Erreichen der Reduktionsziele für die lokalen Schadstoffe und der daraus resultierenden Umweltbelastungen in Ballungsgebieten erscheint in den nächsten 10-15 Jahren mit den konventionellen Antriebssystemen technisch realisierbar und auch wirtschaftlich darstellbar. Als Treibstoffe kommen verbesserte Benzinsorten (z.B. benzolarmes Benzin) und Erdgas in Frage.
• Das CO₂-Reduktionsziel der Bundesregierung von 25 % bis zum Jahr 2005 kann nur mit unrealistischen Annahmen für die Effizienzsteigerung konventioneller Antriebe bzw. für den Einführungsbeginn und die Zuwachsrate alternativer Antriebe erreicht werden.
• Mit einer - analog zum Pkw-Bereich - freiwilligen Verpflichtung, im Nutzfahrzeugbereich den CO₂-Ausstoß von Neufahrzeugen bis 2005 um 25 % im Vergleich zu 1990 zu senken, wird das 25 %-Reduktionsziel der Bundesregierung weit verfehlt. Es kommt wahrscheinlich aufgrund der erwarteten starken Zunahme der Güterverkehrsleistung sogar zu einem Anstieg der absoluten CO₂-Emissionen.
• Mittel- und langfristige Klimaschutzziele, wie sie von der Enquete-Kommission"Schutz der Erdatmosphäre" formuliert wurden, sind mit ausschließlich fossilen Treibstoffen (Benzin, Diesel, Erdgas, etc.) nicht umsetzbar. Folgende Schritte hingegen erscheinen vielversprechend:
  • Konsequente Umstellung von Treibstoffen aus fossilen Energien auf Treibstoffe aus erneuerbaren Energiequellen
  • Einführung von effizienteren Antriebssystemen (z.B. Brennstoffzelle)

Die Umsetzung dieser Schritte sollte spätestens in 10 Jahren beginnen.

Ausgehend von einem jährlichen Marktpotential für Nutzfahrzeuge aller Fahrzeugklassen in Ballungsgebieten von zur Zeit ca. 300.000-350.000 Fahrzeugen und der Vorgabe der oben genannten langfristigen Klimaschutzziele von 80 % CO₂-Reduktion bis 2050 wird ab dem Jahr 2005 folgenden Markt für Antriebskonzepte mit großen CO₂ -Reduktionspotential gesehen:

• ca. 2-4 % der Neufahrzeuge in 2005
• ca. 10-25 % der Neufahrzeuge in 2010
• ca. 40-80 % der Neufahrzeuge in 2020
• 100 % der Neufahrzeuge ab 2025 bis 2040

Rahmenbedingungen

Für eine Ausschöpfung des oben dargestellten Marktpotentials bedarf es geeigneter politischer Rahmenbedingungen, die der Industrie mittel- und langfristig die geeignete Planungssicherheit für den Einstieg in die Serienproduktion alternativer Antriebssysteme geben.

Nach Meinung der LBST genügen die heutigen Rahmenbedingungen wie z.B. die europäische Abgasgesetzgebung nicht, um mittel- bis langfristig den Antriebssystemen mit großem Reduktionspotential bei den lokalen Schadstoffen und den Treibhausgasen einen schnellen Marktdurchbruch zu ermöglichen.

Die LBST sieht sowohl bei den ordnungspolitischen als auch bei den ökonomischen Steuerungsinstrumenten Handlungsbedarf. In dem Vorhaben wurde dazu eine Stoffsammlung erarbeitet, die als Grundlage für weitere Diskussionen dienen soll.

Außerdem wurden die gegenwärtigen und in naher Zukunft geplanten Aktivitäten in den Ländern Frankreich, USA und Japan dargestellt. Als Beispiel sei die kalifornische Abgasgesetzgebung erwähnt, die ab dem Jahr 2003 im Pkw- und leichten Nutzfahrzeug-Sektor bei den Neuzulassungen einen 10 %-igen Anteil von Nullemissionsfahrzeugen vorschreibt und bei Stadtbussen bis zum Jahr 2010 verlangt, daß 30 % der zurückgelegten Fahrzeugkilometer mit Nullemissionen abgewickelt werden.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Auf der Grundlage der im Vorhaben gewonnenen Erkenntnisse sieht die LBST in folgenden Bereichen Forschungs- und Entwicklungsbedarf, um möglichst bald Antriebssysteme mit niedrigsten Emissionen und hoher Effizienz serienreif zur Verfügung zu haben:

• Erdgasmotor mit innerer Gemischbildung
• Geschaltete Reluktanz-Maschine
• Brennstoffzellentechnik
• Fortschrittliche elektrische Energiespeicher (Nickelmetallhydrid-, Zn/Luft-, Lithium/Polymer-Batterie, Hochleistungskondensatoren)
• Vollkomposit-Druckgasbehälter, Kryo-, Metallhydrid- und Eisenschwammspeicher
• Emissionsmessungen mit neuen Nutzfahrzeugen

6. Zusammenfassung

Der motorisierte Verkehr verursacht heutzutage immer noch enorme lokale Umweltbelastungen in den Ballungsgebieten und trägt durch den CO₂-Ausstoß zum Treibhauseffekt mit nicht absehbaren Folgen für das Weltklima bei. Dieses Vorhaben möchte Lösungsmöglichkeiten aufzeigen, wie sich durch verbesserte und neue Antriebstechnologien eine signifikante Minderung der lokalen und globalen Schadstoffemissionen erreichen läßt. Andere Strategien wie z.B. Verkehrsvermeidung bzw. Verkehrsverlagerung leisten einen mindestens genauso wichtigen Beitrag, waren aber nicht Gegenstand dieser Studie. Die LBST kommt zu der folgenden Einschätzung bzgl. zukünftiger aussichtsreicher Nutzfahrzeug-Antriebskonzepte für Ballungsgebiete (siehe Tabelle 2):

Tabelle 2: Aussichtsreiche Nutzfahrzeug-Antriebskonzepte für Ballungsgebiete

Im Zeithorizont KURZFRISTIG (in den nächsten 5 Jahren) werden als aussichtreiche Konzepte zur Minderung der lokalen Schadstoffemissionen Antriebssysteme mit Ottomotoren und den Treibstoffen Benzin und Erdgas gesehen. MITTELFRISTIG (in den nächsten 5-10 Jahren) werden die elektrischen Antriebskonzepte, vor allem die mit Brennstoffzellentechnik, an Bedeutung gewinnen. Im Zeithorizont LANGFRISTIG (in 10 Jahren und mehr) werden ausschließlich elektrische Antriebssysteme mit Brennstoffzelle und mit neuen Batterietechnologien als nachhaltige Option identifiziert, mit der eine vollständige Vermeidung der lokalen Emissionen und eine drastische Absenkung der klimarelevanten Kohlendioxidemission erreicht werden kann. Als Treibstoffe kommen Methanol, Wasserstoff und Strom in Frage, deren Erzeugung Schritt für Schritt auf erneuerbare Energiequellen umgestellt werden muß.

Quellen

/1/ U. Fritsche et al., Öko-Institut Darmstadt, GEMIS 2.0, 1992

/2/ Rat von Sachverständigen für Umweltfragen, Umweltgutachten 1994

/3/ Beschluß der Bundesregierung vom 29.9.1994 zur Verminderung der CO₂-Emissionen und anderer Treibhausgasemissionen in der BR Deutschland auf der Grundlage des 3. Berichtes der Interministeriellen Arbeitsgruppe "CO₂-Reduktion"

/4/ Enquete-Kommission "Schutz der Erdatmosphäre" (11. Deutscher Bundestag), Schutz der Erde - Eine Bestandsaufnahme mit Vorschlägen zu einer neuen Energiepolitik, Economica Verlag, Bonn, 1990