The future role of alternative powertrains and fuels in the German transport sector : a model based scenario analysis with respect to technical, economic and environmental aspects with a focus on road transport

Abstract

The transport sector is facing the challenges of satisfying the ever increasing transport demand on the one hand and achieving greenhouse gas (GHG) emission reduction targets without compromising economic development on the other hand. There are various alternative fuels and powertrains which might play a role in the future of the German transport sector. Amongst these options, biofuels are considered to help lower GHG emissions. However, they are severely criticized to create an additional strain for the energy system and particularly for the transport sector with land area requirement for energy crop production, which may imply a competition with food production. This study aims to assess the future role of alternative fuels and powertrains in the German transport sector in terms of their costs, efficiencies, GHG emissions and land area requirement for energy crops. To fulfill this aim, a techno-economic analysis of all relevant fuels and powertrain options was performed and a model based approach was employed. The utilized model belongs to the TIMES (The Integrated MARKAL EFOM System) family and is a bottom-up linear cost optimization energy system model. A scenario analysis was employed in order to assess the effect of different technological, economic, environmental and political conditions on the overall system. The results of the scenario analysis indicated that the transport system will still be dominated by conventional powertrains in 2030. Alternative powertrains are projected to play only a secondary role until 2030. It is not expected that fuel cell or battery electric passenger cars will be introduced into the market until 2030 in Germany. Nevertheless, hybrid electric powertrains have to be used in the German passenger car sector under ambitious GHG emission reduction targets and high oil prices. The introduction of alternative powertrains (such as hybrid electric and fuel cell powertrain) is much more likely in the bus sector (especially for public buses) than in passenger cars or in the road freight sector. Furthermore conventional fuels are expected to remain an important part of the German transport system until 2030. However, not only conventional fuels will be utilized in the future, but also biofuels and hydrogen are required. It is concluded that the transport sector should not be the first sector to reduce GHG emissions within an overall GHG emission mitigation strategy. However, with the ambitious GHG emission reduction targets (such as self-commitment of the German government) some contributions should also come from the transport sector.

Der Transportsektor steht vor der Herausforderung, einerseits den steigenden Transportbedarf zu befriedigen und andererseits die Treibhausgasreduktionsziele zu erreichen, ohne seine wirtschaftliche Entwicklung zu gefährden. Verschiedene Alternativkraftstoffe und alternative Antriebssysteme könnten im zukünftigen Transportsektor Deutschlands eine Rolle spielen. Biokraftstoffe als eine dieser Optionen werden als Maßnahme zur Verringerung der Treibhausgasemissionen angesehen. Sie stehen jedoch in der Kritik, eine zusätzliche Belastung für das Energiesystem, insbesondere für den Transportsektor zu schaffen, wo der Flächenverbrauch für den Energiepflanzenanbau im Wettbewerb mit der Lebensmittelproduktion stehen könnte. Diese Studie hat zum Ziel, die zukünftige Rolle von Alternativkraftstoffen und antriebssystemen im deutschen Transportsektor hinsichtlich ihrer Kosten, Effizienz, Treibhausgasemissionen und Flächenverbrauchs für Energiepflanzen zu bewerten. Um dieses Ziel zu erfüllen, wurde eine technisch-ökonomische Analyse aller relevanten Kraftstoff- und Antriebsoptionen durchgeführt und ein modellbasierter Ansatz angewendet. Das verwendete Modell gehört zur Familie der TIMES (The Integrated MARKAL EFOM System) und ist ein bottom-up, lineares, kostenoptimierendes Energiesystemmodell. Eine Szenarioanalyse wurde zur Bewertung der Auswirkungen verschiedener technologischer, ökonomischer, politischer und Umweltfaktoren auf das Gesamtsystem eingesetzt. Die Ergebnisse der Szenarioanalyse zeigen, dass das Transportsystem 2030 noch von konventionellen Antrieben dominiert sein wird. Alternativantriebe werden bis 2030 voraussichtlich nur eine sekundäre Rolle spielen. Es wird nicht erwartet, dass Brennstoffzellen oder batteriebetriebene PKW vor 2030 in den deutschen Markt eingeführt werden. Dessen ungeachtet müssen bei ambitionierten Treibhausgasreduktionszielen und hohen Ölpreisen hybride, elektrische Antriebe im deutschen PKW-Sektor eingesetzt werden. Die Einführung alternativer Antriebssysteme (wie elektrohybride und Brennstoffzellenantriebe) ist im Bussektor (vor allem öffentliche Busse) viel wahrscheinlicher als im PKW- oder Straßengüterverkehr. Es wird erwartet, dass konventionelle Kraftstoffe weiterhin ein wichtiger Teil des deutschen Transportsystems bis 2030 bleiben. Trotzdem werden zukünftig neben konventionellen Kraftstoffen allein auch Biokraftstoffe und Wasserstoff benötigt. Daraus folgt, dass der Transportsektor nicht der erste Sektor zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen innerhalb der gesamten Emissionsvermeidungsstrategie sein sollte. Bei den ehrgeizigen Emissionsreduktionszielen (wie der Selbstverpflichtung der deutschen Regierung) sollten trotzdem einige Beiträge auch aus dem Transportsektor kommen.