Windkraft und Photovoltaik stellen nicht nur für den Stromsektor sondern auch für die klimaneutrale Versorgung des Verkehrs- und Wärmesektor die entscheidenden Energieträger dar. Dabei stellt dieser Strom jedoch nicht ein vermeintliches Abfallprodukt des Stromsektors im Sinn von überschüssigem Strom dar, sondern es handelt sich um EE-Strom welcher auch extra für neue Verbraucher generiert werden muss.

Ambitionierte Klimaziele führen jedoch langfristig zu einem sehr hohen Bedarf an EE-Kapazitäten und damit auch national zu Flächenpotenzialgrenzen und zu Akzeptanzfragen. Deswegen ist es essentiell, diesen EE-Strom auch möglichst effizient zu verwenden. Ein Vergleich zwischen einem Verkehrsszenario mit einem hohen Einsatz von Gas (Gas-Sz.) gegenüber einem hohen Anteil von Elektromobilität (Basis-Sz.) (»Projektseite Interaktion EE-Strom, Wärme und Verkehr) führt bei einem gleichen Klimaziel zu einem höheren Stromverbrauch von 144 TWh und einem höheren EE-Ausbaubedarf von Windkraft und Photovoltaik in Höhe von 191 TWh*. Dies entspricht einer EE-Leistung von 29 GW Onshore, 8 GW Offshore und 95 GW PV (Der Ausbaustand heute 2015 beträgt dagegen 42 GW Onshore, 3 GW Offshore, 40 GW PV).

*Für den höheren Einsatz von Power-to-Gas (PtG) ergibt sich über die geringere Effizienz des Pfades EE-Strom → PtG → Gasmotor gegenüber dem Pfad EE-Strom → Elektromotor einerseits ein höherer Stromverbrauch. Anderseits ist dieser Mehrverbrauch geringer als der Wirkungsgradunterschied zwischen beiden Pfaden. Den durch den höheren EE-Ausbau müssen auch weniger Gaskraftwerke eingesetzt werden um die Stromnachfrage zu decken und aufgrund einer gestiegenen Strom-Wärme-Nutzung muss weniger Gas im Wärmebereich eingesetzt werden. Dieses Gas wird dadurch für eine Nutzung im Verkehrssektor wieder frei und reduziert anteilige die PtG-Nachfrage des Verkehrs.

Für ein langfristiges vollständig mit erneuerbaren Energien versorgtes Energiesystem, welches weitestgehend auf den wetterabhängigen Erzeugern Windkraft und Photovoltaik basiert, ist die Versorgungssicherheit gewährleistet - auch dann wenn man mehrere historische Wetterjahre mit Extremsituationen betrachtet. Eine Schlüsselrolle spielt hierfür die Flexibilität neuer Sektorkopplungs-Stromanwendungen und die Einbindung in den europäischen Binnenmarkt. Die Notwendigkeit der Stromerzeugung aus thermischen Kraftwerken (energiebezug) ist dann gering. Auch für die Gewährleistung einer nationalen Versorgungssicherheit wird insbesondere zusätzliche Kraftwerksleistung benötigt, wofür aber die zusätzlichen Kosten gering sind.

Der zusätzliche Stromverbrauch durch den Verkehrssektor muss auch in den EE-Ausbauzielen berücksichtigt werden. Mit dem Ausbau von Windkraft und Photovoltaik geht auch eine deutliche Steigerung des EE-Anteils am Strombezug der Elektromobilität einher.

Im Mittel wird die Elektromobilität gut durch den pauschalen Strommix repräsentiert. Durch einen flexiblen Strombezug zu Stunden mit niedrigen Strompreisen kann der EE-Anteil sogar deutlich gesteigert werden. Dabei wird auch die individuelle Integrationswirkung von erneuerbaren Energien durch die Elektromobilität deutlich.

Der zukünftige wachsende Strombedarf durch den Verkehrssektor muss auch in den Ausbauzielen der erneuerbaren Energien Berücksichtigung finden. Mit dem Ausbau von Windkraft und Photovoltaik geht gleichzeitig eine deutliche Steigerung des EE-Anteils am Strombezug der Elektromobilität einher.

In der nachfolgenden Grafik wird deutlich, dass im Mittel der EE-Anteil zur Batterieladung der Elektrofahrzeuge gut durch den mittleren jährlichen Strommix repräsentiert wird. Durch ein intelligentes Lademanagement bzw. einen flexiblen Strombezug zu Stunden mit niedrigen Strompreisen kann der EE-Anteil sogar deutlich gesteigert werden. Dabei wird auch die individuelle Integrationswirkung von erneuerbaren Energien durch die Elektromobilität sichtbar. Erwartungsgemäß steigt zukünftig der EE-Anteil am Ladestrom von Elektrofahrzeugen bei gleichzeitigem Ausbau der erneuerbaren Energien signifikant an.

Durch den EE-Ausbau (unter Berücksichtigung der zusätzlichen Stromnachfrage des Verkehrs) wird auch der Strombezug deutlich emissionsärmer.

Bezogen auf die spezifischen Emissionen wird der Vorteil der Elektromobilität gegenüber Verbrennungsmotoren immer deutlicher. So verursacht ein Benzin-Fahrzeug (ICE) der Mittelklasse ca. 144 g CO₂/km gegenüber einem vollelektrischen Pkw mit ca. 86 g CO₂/km in 2025 oder nur noch 54 g CO₂/km im Jahr 2035 unter Berücksichtigung der mittleren CO₂-Emissionen des Strommix. Dabei kommt der Vorteil eines flexiblen Strombezugs insbesondere im längerfristigen Zeithorizont zum Tragen. Sowohl die mittleren jährlichen spezifischen Emissionen der Stromerzeugung als auch die Emissionen der individuellen Ladestrategien der Elektrofahrzeuge sind nachfolgend im Zeitverlauf bis 2050 dargestellt.

Elektrofahrzeuge weisen aufgrund des Batteriespeichers, der hohen Standzeiten und der hohen Ladeleistung ein hohes Flexibilitätspotenzial auf.

Für eine Energieversorgung die überwiegend auf fluktuierenden erneuerbaren Stromerzeugern basiert, sind flexible dezentrale Verbraucher eine essentielle Voraussetzung für ein kosteneffizientes Gesamtsystem. Insbesondere für die Elektromobilität bestehen dabei hohe Synergien um Photovoltaikstrom aufzunehmen. Dafür müssen aber die Voraussetzungen einer Ladeinfrastruktur im öffentlichen Raum und im Bereich der Arbeitgeber geschaffen werden.

Exemplarisch zeigt die nachfolgende Grafik die zeitliche Verlagerung der Batterieladung von Elektrofahrzeugen zu Zeiten mit hoher PV-Einspeisung. Im oberen Teil ist die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien für ein Szenario für das Jahr 2050 dargestellt, das insbesondere in der zweiten Woche durch eine hohe Einspeisung von Strom aus Photovoltaikanlagen geprägt ist. Neben der Residuallast ist zusätzlich die optimierte Batterieladung der Elektrofahrzeuge dargestellt, die eine hohe Korrelation, insbesondere mit der PV-Einspeisung, aufweist.

In Hinblick auf einen weiter ansteigenden Güterverkehr und ambitionierte Klimaziele werden neue Konzepte wie der Oberleitungs-Hybrid-Lkw auf deutschen/europäischen Autobahnen notwendig. Dadurch können die Vorteile einer direkten Stromnutzung für ein kosten- und energieeffizientes Energieversorgungssystem genutzt werden. Langfristig können über 46% des Transportaufkommens auf der Straße mit Strom gedeckt werden. Für das Oberleitungs-System müssen dabei auch keine neuen Kraftwerke gebaut werden, weil das Hybrid-System in Zeiten von Strompreisspitzen rein im Diesel betrieben werden kann.

Die Abbildungen zeigen zum einen die zukünftig notwendige Reduktion des Endenergieverbrauchs des Verkehrssektors bis 2050 und zum anderen die voranschreitende Diversifizierung der Kraftstoffbasis und Ausweitung der Antriebskonzepte.

Wie in der oberen Grafik zu sehen ist, können langfristig sehr hohe Anteile der Verkehrsleistung des Straßenverkehrs elektrisch gedeckt werden. Dabei stellen die Effizienzgewinne des Elektromotors die Basis für die in der unteren Grafik dargestellten Einsparungen im Endenergieverbrauch dar. So können bei einem moderaten Anstieg des Stromverbrauchs überproportional fossile Brennstoffe eingespart werden.

Selbst bei technisch-ökonomisch maximaler Elektrifizierung des Straßenverkehrs verbleibt im See- und Flugverkehr langfristig ein großer Bedarf an synthetischen Kraftstoffen, um die Klimaziele der Bundesregierung bis 2050 erreichen zu können. Globale Kraftstoffgestehungskosten aus internationalen EE-Vorzugsregionen werden dabei um den Faktor 1,6 - 1,4 günstiger sein als an Standorten in Europa. Eine kostenoptimale Systemauslegung sowie eine hohe Auslastung der Elektrolyseanlagen lässt sich durch eine Kombination aus Windenergie- und PV-Anlagen erreichen. Die CO₂-Abscheidung aus der Luft für die PtL-Erzeugung (z.B. Diesel oder Kerosin) erscheint technisch und wirtschaftlich möglich, auch wenn Großanlagen noch ausstehen. Im Kostenvergleich dazu ist die Erzeugung von flüssigem Wasserstoff (ohne CO₂-Bedarf) nur geringfügig günstiger. Die Ergebnisse lassen aus heutiger Sicht vermuten, dass die Nachfrage durch den starken Anstieg des globalen Luft- und Seeverkehrs einen möglichen Markthochlauf von PtL in internationalen EE-Vorzugsregionen bei weitem übersteigen würde.

Die Abbildungen zeigen die Bandbreite der Kraftstoffgestehungskosten an den internationalen Standorten bei variablem Zinssatz (WACC). Hierbei gilt das mittelfristige Szenario (etwa 2030) als obere Grenze und das langfristige Szenario (etwa 2050) als untere Grenze. Im Fall PtL wird unterschieden, ob es einen Absatzmarkt für Naphtha gibt oder nicht. Da Naphtha bei der PtL-Produktion in jedem Fall anfällt, wird die Fallunterscheidung betrachtet, ob man für Naphtha Verkaufserlöse erzielen kann oder nicht.

Kraftstoffgestehungskosten

PtL mit Naphtha PtL mit Naphtha PtL ohne Naphtha PtL ohne Naphtha LH₂ LH₂

Elektromobilität hat auch bei langfristig niedrigen PtL-Importpreisen eindeutige Kostenvorteile. Es gibt nur ein stark begrenztes nationales ökonomisches PtX-Potenzial (aufgrund eines zeitweise sehr günstigen Stromangebotes) im Vergleich zum hohen Anteil von PtX-Importen (insbesondere im internationalen Verkehr).

PtG hat in einer vollständig dekarbonisierten Welt keinen Emissionsvorteil gegenüber PtL und damit hat in 2050 ein Gasmotor keinen Vorteil gegenüber Benzin/Diesel. Aufgrund der Kostendegression für Batterien erscheinen langfristig im Pkw-Bereich REEV (serieller Hybridantrieb mit größerer Batterie und kleinem Verbrennungs-Motor) gegenüber PHEV (paralleler Hybridantrieb mit kleinerer Batterie) in allen Marktsegmenten im Vorteil. Für Pkw-Nutzer mit geringen Jahresfahrleistungen sind Hybridfahrzeuge attraktiver als vollelektrische Fahrzeuge.

OH-Lkw sind in allen Szenarien im Haupt-Bereich der Last- und Sattelzüge robust und BEV-Lkw im Bereich der kleineren Größenklassen <12t. Weiterentwicklungen des Oberleitungs-Konzeptes in Form von OH-BEV-Lkw sind in zukünftigen Untersuchungen in ihrer Rückkopplung mit dem Energiesystem zu analysieren und könnten in den Marktsegmenten SNF >12t weitere Vorteile aufweisen.

Grundsätzlich erscheint eine Zielerreichung des Sektorziels 2030 des Verkehrs auch bei einer Trendentwicklung bzw. eines ansteigenden Verkehrsaufkommens technisch durch eine massive Steigerung der Elektromobilität im gesamten Straßenverkehr möglich, insbesondere weil E-Pkw im Bereich von Anwendern mit hohen Jahresfahrleistungen wirtschaftlich werden. Dann wäre auch kein Einsatz von PtL im Straßenverkehr und nur ein begrenzter Anteil 6,8% von Biokraftstoffen notwendig.

Durch einen CO2-Preis ergibt sich eine deutlich verbesserte Wirtschaftlichkeit der Elektromobilität mit einer Anzahl ca. 12 Mio. E-Fahrzeuge und damit doppelt so viele wie das Ausbauziel der Bundesregierung. Im Lkw-Bereich könnte Gas mittels LNG theoretisch einen Beitrag leisten. Da die Infrastruktur jedoch langfristig in den Simulationsrechnungen nicht ausgeprägt wird und zu geringe Effizienzeinsparungen im Vergleich zum OH-Lkw zu verzeichnen sind, erscheint ein Aufbau dieser Infrastruktur nicht nachhaltig.

Dennoch erscheinen die Anforderungen eines steigenden Verkehrsaufkommens, in Verbindung mit höheren Anteilen von größeren und schwereren Pkw, eines starken Rückgangs der Dieselverkaufszahlen und dem unterstellten Wegfall des Tanktourismus sehr ambitioniert. Dies zeigt auch wie wichtig zusätzliche Maßnahmen zur Verkehrsverlagerung und Verkehrsvermeidung wären.

Tendenziell sind höhere Anteile an Photovoltaik besser für den Verkehr nutzbar, als hohe Anteile von Windkraft. Bei einer autarken Bilanzierung des Verkehrs ergeben sich aber vergleichbare Verhältnisse in der Stromerzeugung von Windkraft zu PV, wie sie sich auch in einem auf das Gesamtsystem bezogenen kosteneffizienten Ausbau zeigen.

Grundsätzlich zeigt sich, dass der Verkehr ein sehr hohes Flexibilitätspotenzial sowohl hinsichtlich Lastverlagerung als auch im Fall von Hybrid-Fahrzeugen hinsichtlich des Lastabwurfs hat. Deswegen bedarf es nur geringer installierter thermischer Kraftwerksleistungen und notwendiger Stromerzeugung aus thermischen Kraftwerken für den Verkehr.

Darauf basierend hat eine PtG-Erzeugung für Kraftwerke eine geringere Bedeutung als die Erzeugung von PtL für den Hybridanteil der Elektromobilität und für den nicht-elektrifizierbaren Verkehr.