Marktpotentiale elektrifizierter Fahrzeugkonzepte unter Berücksichtigung von technischen, politischen und ökonomischen Randbedingungen

Abstract

Die deutsche Bundesregierung hat das Ziel ausgegeben, bis zum Jahr 2020 einen Bestand von einer Million Elektrofahrzeugen in der deutschen Fahrzeugflotte zu erreichen. Bis zum Jahr 2030 soll der Bestand bis auf sechs Millionen Elektrofahrzeuge ansteigen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Arbeit das Marktpotential elektrifizierter Fahrzeugkonzepte quantifiziert. Darüber hinaus werden kritische technische, politische und ökonomische Einflussfaktoren identifiziert, welche den Markterfolg von Elektrofahrzeugen maßgeblich beeinflussen können. Hierbei werden die Berechnungen für den deutschen PKW-Markt im Zeithorizont bis zum Jahr 2040 durchgeführt. Um die Szenariorechnungen auf einer fundierten Datenbasis aufzubauen, werden zudem neue Berechnungsmodelle entwickelt, welche die notwendigen Eingangsdaten für die Simulationen liefern. Hierzu gehören neben einem Ladeinfrastrukturmodell Kostenmodelle für Traktionsbatterien und E-Maschinen sowie für Instandhaltungskosten und Wiederverkaufserlöse elektrifizierter Fahrzeugkonzepte. Das neu entwickelte Ladeinfrastrukturmodell ermöglicht die Bewertung der Wechselbeziehung der Verfügbarkeit von Ladeinfrastruktur und der Darstellbarkeit deutscher Fahrprofile durch Batteriefahrzeuge. In den Szenariorechnungen kann gezeigt werden, dass aus technischer Sicht der Aufbau von Ladeinfrastruktur wichtiger ist, als die Steigerung der realen elektrischen Reichweiten von Batteriefahrzeugen über 150 km hinaus. Mit Hilfe der neu entwickelten Modelle zur Berechnung der Produktionskosten von Traktionsbatterien und Elektromaschinen kann neben der Quantifizierung des Einflusses von Rohstoffpreisen sowie des Einflusses unterschiedlicher Zellchemien bzw. Aufbauarten gezeigt werden, welche Kostenentwicklungen in Abhängigkeit der kumulierten Produktionsmengen zu erwarten sind. So lassen sich für eine beispielhafte Lithium-Ionen-Batteriekonfiguration langfristige Produktionskosten für die gesamte Traktionsbatterie von 180 €/kWh ableiten. Für die gewählte beispielhafte permanenterregte Synchronmaschine werden minimale Kosten von 8 €/kW berechnet. Die Ergebnisse des neu entwickelten Instandhaltungskostenmodells zeigen, dass die Kosten pro gefahrenem Kilometer deutlich in Abhängigkeit des Antriebsstrangs variieren, wobei alle betrachteten elektrifizierten Fahrzeugkonzepte geringere Instandhaltungskosten aufweisen als konventionell angetriebene Fahrzeuge. So fallen die Instandhaltungskosten für ein exemplarisches Batteriefahrzeug 30% niedriger aus, als die des vergleichbaren konventionell angetriebenen Fahrzeugs. Die auf Basis der vorangegangenen Ergebnisse durchgeführte Simulation des Marktpotentials elektrifizierter Fahrzeuge zeigt auf, dass die klassische Zweiteilung des deutschen Neufahrzeugmarktes, bestehend aus Benzin- und Dieselfahrzeugen, einem Portfolio unterschiedlicher, elektrifizierter Triebstränge weichen kann. Das Simulationsergebnis zeigt, dass hybride Triebstränge eine Übergangstechnologie hin zu höheren Elektrifizierungsgraden darstellen, sodass im Ausgangsszenario der Anteil rein-elektrisch angetriebener Fahrzeuge bis zum Jahr 2040 auf 39% steigt. Abschließend werden mit Hilfe von 80 technischen, politischen und ökonomischen Sensitivitätsrechnungen sechs kritische Einflussfaktoren abgeleitet. Hierbei handelt es sich um die Kostenentwicklung von Traktionsbatterien und Elektromaschinen, die Höhe der CO2-Grenzwerte für Neufahrzeuge, die Einführung einer Fahrstromsteuer, die Ölpreisentwicklung sowie im kurzfristigen Zeithorizont um die Einführung staatlicher Subventionszahlungen. In den Simulationsrechnungen wird deutlich, dass das Millionenziel der Bundesregierung erreichbar erscheint und dass das avisierte Ziel von sechs Millionen Elektrofahrzeugen sogar übertroffen werden kann.

The German government has announced the goal of putting 1 million electric vehicles on German roads by 2020. Until 2030 the amount should rise to 6 million vehicles. Against this background, the present thesis quantifies the market potential of electric vehicles. Additionally, critical technical, political, and economical influencing factors, which might have a crucial impact on the market potential of electric vehicles, are identified. All calculations are carried out for the German passenger car market up to the year 2040. In order to base the scenario calculations on profound data input, new computational model are developed. These models include a charging infrastructure model as well as cost models for traction batteries and electric motors. Furthermore, calculation models for maintenance cost and resale values of electric vehicles are developed. The newly developed model for charging infrastructure assesses the interdependency between available charging infrastructure and the suitability of battery electric vehicles for German driving patterns. The calculations show that - from a technical point of view - the build-up of charging infrastructure has a significantly greater impact on the suitability of electric vehicles than increasing the real-world electrical range beyond 150 km. The newly developed cost models for traction batteries and electric motors quantify the influence of raw material prices and different technical design patterns as well as the long-term production cost as a function of cumulated produced units. For an exemplary lithium-ion battery configura-tion, minimal production cost of 180 €/kWh are calculated. The exemplary configuration of a permanently exited synchronous electric motor shows minimal production cost of 8 €/kW. The results of the newly developed maintenance cost model show a strong dependency between the cost per mileage driven and the layout of the powertrain. In general, electric vehicles show lower maintenance cost than combustion engine powered vehicles. Specifically, the maintenance cost of an exemplary battery electric vehicle are 30% lower than the cost of a comparable conventional vehicle. Based on the preceding results, the simulation of the market potential of electric vehicles shows that the classical separation of the German passenger car market into diesel and gasoline vehicles evolves into a diversified portfolio of electrified drivetrains. The simulation results show that hybrid drivetrains act as a bridging technology towards all-electrical vehicles. Accordingly, in the baseline scenario, solely electrically propelled vehicles represent 39% of the new vehicle fleet in 2040. Conclusively, by calculating 80 technical, political, and economical sensitivity scenarios critical influence factors are identified. These factors consist of the production cost of traction batteries and electric motors, CO2-regulations, a tax on electricity used for traction, the oil price, and – in the short term – government subsidies for electric vehicles. The calculations show that the an-nounced target of 1 million vehicles appears reachable, whereas the goal of 6 million vehicles by 2030 might even be exceeded.