Modellstudie 01.09.2017, 00:00 Uhr

Einfluss der Elektromobilität auf die CO2-Bilanz und Luftqualität am Beispiel von Berlin

Zusammenfassung Die Luftqualität in Großstädten wird vielfach durch grenzwertüberschreitende Werte von Stickstoffdioxid (NO2) und Feinstaub (PM10) beeinträchtigt. Der Straßenverkehr ist dabei ein Hauptemittent und Kraftfahrzeuge emittieren neben diesen Luftschadstoffen auch das klimawirksame Kohlenstoffdioxid (CO2). Die Einführung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb in den Straßenverkehr hat das Potenzial, sowohl die lokale Luftqualität als auch die CO2-Bilanz von Städten zu verbessern. Die vorliegende Untersuchung zu Berlin zeigt, dass CO2-Minderungen durch Elektro-Pkw trotz der Emissionen bei der Stromerzeugung möglich sind. Auch das Potenzial zur Minderung der Pkw-bedingten NO2-Immissionen wird in der Studie deutlich sichtbar, eine Feinstaubreduktion ist aufgrund des hohen Anteils von nicht motorbedingten Emissionen, z. B. durch Reifenabrieb und Aufwirbelung, nur geringfügig möglich.

Quelle:PantherMedia/Anita Gerhard

Quelle:PantherMedia/Anita Gerhard

1 Einleitung

In den letzten Jahren wurden viele Studien zur Umwelt- und Klimabilanz der Elektromobilität aufgestellt. Untersucht wurden darin das Marktpotenzial, der Ressourcenverbrauch bei Herstellung der Elektrofahrzeuge, die Interaktion mit dem Stromsektor und die CO2-Bilanz. Dabei wird die Elektromobilität mit der Herstellung und den Emissionen konventionell betriebener Fahrzeuge verglichen [1; 2]. Wichtig ist bei der Betrachtung der Klima- und Umweltauswirkungen die Möglichkeit zur Minderung lokaler Emissionen durch Elektromobilität nicht nur auf CO2, sondern auch auf die gesundheitsschädlichen Stickoxide und den Feinstaub zu beziehen.

Ziel dieser Untersuchung ist die Analyse des Effekts von Elektromobilität auf die lokale Luftqualität in Berlin. Dazu wurden im Rahmen einer Bachelorarbeit [3] die Emissionen im gesamten Straßennetz und die Immissionen an verkehrsreichen Hotspots mit verschiedenen Elektromobilitätsszenarien modelliert. Die Untersuchung baut auf den Berechnungen und Modellierungen des Berliner Luftreinhalteplans auf [4].

In Deutschland leben ca. 70 % der Bevölkerung in Städten. Nicht nur die Vulnerabilität gegenüber den Folgen des Klima­wandels ist in Ballungsgebieten deutlich erhöht, auch die hohe Luftbelastung mit verschiedenen gesundheitsbeeinflussenden Spurenstoffen stellt eine Gefährdung für die dort lebenden Menschen dar [5].

Die persönliche Mobilität ist heute Voraussetzung für zahlreiche berufliche, wirtschaftliche und private Aktivitäten und damit wesentlicher Bestandteil unseres alltäglichen Lebens. Der Großteil des Mobilitätsbedarfs in Deutschland wird durch den Straßenverkehr gedeckt [1]. Da der Straßenverkehr in den städtischen Regionen die Hauptrolle bei den schädlichen Emissionen spielt, müssen Maßnahmen zur Reduktion dort angesetzt werden. Die Elektromobilität gilt als Hoffnungsträger, um die Umweltbilanz des Verkehrs zu verbessern. Fahrzeuge mit rein elektrischem Antrieb emittieren weder CO2 noch Schadstoffe wie Stickoxide (NOX) und verbrennungsbedingten Feinstaub. Damit bietet die Elektromobilität die Möglichkeit, die Luft- und Lebensqualität in Ballungsgebieten zu verbessern [6]. Vor allem im städtischen Verkehr haben Elektrofahrzeuge ein hohes Potenzial, da die Fahrstrecken meist kurz sind und dafür oft ein Kleinwagen genügt [2]. Doch für viele Automobilbesitzer muss das eigene Fahrzeug auch für lange Strecken tauglich sein. Die Kombination von Elektro- und Verbrennungsmotor in sogenannten Plug-in-Hybriden (Plug-in Hybrid electric Vehicle, PHEV) bietet eine entsprechende Möglichkeit. Im Kurz­streckenbereich fährt das Auto elektrisch, auf längeren Strecken, wie z. B. auf der Autobahn, sorgt ein Verbrennungsmotor für die nötige Reichweite. Bei diesem Fahrzeugtyp muss aber beachtet werden, dass, obwohl es als Elektrofahrzeug gilt, ein Verbrennungsmotor integriert ist, der während des Betriebs entsprechende Emissionen verursacht. Durch die höhere Flexibilität bei der Fahrzeug­nutzung wird für Plug-in-Hybride auf dem Markt zukünftig eine bessere Wettbewerbsfähigkeit erwartet als für rein batteriebetriebene Pkw (BEV); ca. 88 % des E-Pkw-Bestands ab 2020 wird als PHEV angenommen [1].

Die Ziele der Bundesregierung waren eine Million Elektrofahrzeuge auf den deutschen Straßen bis 2020 und sechs Millionen bis 2030 durch Förderung der Elektromobilität [1]. Der Absatz an Elektrofahrzeugen in Deutschland ist jedoch noch vergleichsweise gering [7]. Im Januar 2016 waren laut Kraftfahrt-Bundesamt nur ca. 25 500 Pkw, 4 367 Lkw und 7 300 Krafträder mit Elektroantrieb zugelassen. Dies bedeutet bei den Elektro-Pkw aber immerhin einen Anstieg um 34,6 % im Vergleich zum Vorjahr.

2 Untersuchungsgebiet

Die Bundeshauptstadt Berlin dient in der Studie als Untersuchungsgebiet. In den vergangenen Jahren wurden dort regelmäßig Überschreitungen der Grenzwerte von PM10 und NO2 an Berliner Messorten festgestellt [4].

Bei den NOX-Emissionen ist der Kfz-Verkehr dominierend. Vor allem in der Berliner Innenstadt ist die hohe Luftbelastung durch den Kfz-Verkehr problematisch, da hier auf einer Fläche von 100 km2 mehr als eine Million Menschen leben [8]. Seit 2008 gilt in Berlins Innenstadt eine Umweltzone für den Verkehr. Dennoch ist die Minderung der Immissionsbelastung nicht ausreichend. Um die Grenzwerte einzuhalten, müssen weitere Maßnahmen ergriffen werden. Daher wurde der Luftreinhalte- und Aktionsplan 2005 bis 2010 für Berlin bis 2017 fortgeschrieben [4; 9].

3 Methodik und Daten

Die Untersuchung ist in drei Abschnitte aufgeteilt: die Analyse der Kfz-Emissionen, die Bilanzierung der Emissionen der Spurenstoffe CO2, NOX und des Feinstaubs und die Modellierung der Immissionen an ausgewählten Hotspots (Bild 1).

Bild 1. Flussdiagramm der Untersuchungsmethodik. Quelle: Matzarakis

Bild 1. Flussdiagramm der Untersuchungsmethodik.

Foto: Matzarakis

Die Emissionen des Basisszenarios und der Elektromobilitätsszenarien sind eine modellbasierte Abschätzung, die für das gesamte Hauptstraßennetz von Berlin gilt. Datengrundlage sind die Modellierungen zum Berliner Luftreinhalteplan (LRP) von 2005 bis 2010 [4]. 2014 wurde die Modellierung anhand neuer Messungen und Verkehrsdaten für das Bezugsjahr 2015 aktualisiert [10]. Die in dieser Aktualisierung verwendeten Verkehrsdaten und Werte für die Hintergrundbelastung bilden die Grundlage dieser Untersuchung.

3.1 Screening-Programm IMMIS

IMMISem/luft [11] ist ein Screening-Programm zur Berechnung der Emissionen aus dem Kfz-Verkehr und der Immissionen in einem Straßenabschnitt. Nach einer Berechnung der Kfz-Emissionen wird die Immissionsbelastung im Straßenraum modelliert. Eingangsdaten sind die Kfz-Emissionsfaktoren (basierend auf dem Handbuch für Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs HBEFA 3.2 des Umweltbundesamtes (UBA) [12]), straßenspezifische Daten (Verkehrs­zusam­men­setzung und -stärke, Fahrweiten- und Verkehrsverteilung, [13]) und eine klimatologische Datenreihe für die Ausbreitungsberechnung. Für diese wird ein Windprofilexponent, abhängig von der Ausbreitungsklasse nach der Richtlinie VDI 3782 Blatt 1 [14], bestimmt (für eine weitere Beschreibung von IMMISem/luft siehe LRP Berlin, [4]). Die vorliegenden Berechnungen wurden mit IMMISem/luft, Version 6 durchgeführt und, wenn nicht anders beschrieben, dabei immer die Standardeinstellungen verwendet (siehe Handbuch IMMISem/luft/lärm [11]).

3.2 Emissionen

Für die in dieser Studie untersuchten Szenarien wurde der Anteil der Elektro-Pkw an der gesamten Pkw-Fahrleistung in Berlin in 10-%-Schritten von 0 bis 100 % variiert. Die Immissionsmodellierung für ausgewählte Straßenab­schnitte wurde im Rahmen dieser Modellstudie für Anteilswerte in 20-%-Schritten durchgeführt, ist hier in Abschn. 4.3 aber aus Platzgründen als Abschätzung des maximalen Potenzials nur für das 100-%-Szenario dargestellt. Die Emissionsbilanz für das Berliner Hauptverkehrsnetz wurde für CO2, NOX, motorbedingte Partikel und PM10 (enthält motorbedingte Partikel inklusive Partikel durch Reifenabrieb und Aufwirbelung von der Straße) ermittelt. Ausgegeben werden die Emissionen sowohl für den gesamten Kfz-Bestand als auch differenziert nach Fahrzeugkategorie.

Die Prognose der Marktentwicklung für Elektromobilität [1] zeigt, dass die Nachfrage nach PHEV in den nächsten Jahren deutlich höher sein wird als die nach BEV. Demnach soll der Bestand an Elektro-Pkw ab 2020 mit 88 % von PHEV dominiert werden und BEV lediglich einen Anteil von 12 % aufweisen. Diese Zahlen wurden für die Flottenvariation in der vorliegenden Untersuchung übernommen. Da Plug-in-Hybride bezüglich des rein elektrischen Fahranteils sehr unterschiedlich genutzt werden können, gibt es eine Unterteilung in drei Fahrprofiltypen in Bezug auf die Nutzung des elektrischen Antriebs [2]:

  • Fahrprofil 1: sehr häufig (80 % der Fahrleistung),
  • Fahrprofil 2: häufig (60 % der Fahrleistung),
  • Fahrprofil 3: selten (40 % der Fahrleistung).

Diese Differenzierung ergab sich bei dem vom Heidel­berger Institut für Energie- und Umweltforschung (IFEU) begleiteten Flottenversuch von VW im Jahre 2012 [2]. 26 Nutzer mit Plug-in-Hybriden wurden über ein Jahr lang in Berlin und Wolfsburg in ihrem Fahrverhalten beobachtet. Der rein elektrische Fahranteil der Nutzer variierte dabei zwischen über 90 % bis unter 30 %.

Wie hoch der jeweilige Anteil der Fahrprofile in einem begrenzen Gebiet wie Berlin ist, musste abgeschätzt werden. In Berlin erfolgen rund 77 % der Fahrleistung auf innerstädtischen Straßen, wo die individuellen Fahrweiten kürzer sind als außerhalb der Stadt [4]. Nur 23 % der Fahrleistung finden auf Stadtauto­bahnen statt. Daher ist in Berlin das Potenzial der PHEV, den Großteil einer Strecke rein elektrisch zurückzulegen, sehr hoch. Für Berlin wurden die Anteile der drei verschiedenen PHEV-Fahrprofile aufgrund dieser Annahmen daher wie folgt angepasst.

Die Fahrleistung der Elektrofahrzeuge für die Szenarien besteht damit aus:

  • 88 % PHEV (jeweils ein Drittel in den Fahrzeuggrößen klein, mittel und groß):
    • 50 % Fahrprofil 1,
    • 30 % Fahrprofil 2,
    • 20 % Fahrprofil 3.
  • 12 % BEV (ein Drittel in den Fahrzeuggrößen Mini, Klein- und Kompaktwagen).

Damit werden 70 % der Fahrleistung der E-Pkw mit rein elektrischem Antrieb erbracht (vergleichbar zur Studie vom Öko-Institut, die einen deutschlandweiten Durchschnittswert von 67 % elek­trischer Fahrleistung angibt [1]).

Im Weiteren wurde angenommen, dass die Elektrofahrzeuge Benzin- und Dieselfahrzeuge (Anteil Diesel-Pkw in Berlin 2015 37 %) nach ihren Anteilen am Pkw-Bestand der Flotte ohne weitere Gewichtung nach EURO-Klassen oder Alter der Fahrzeuge ersetzen. Die Zusammensetzung der anderen Fahrzeugkategorien der Flotte (Reise- und Linienbusse, leichte und schwere Lkw und Krafträder) wurden nicht verändert. Grundlage ist eine spezifisch für Berlin für das Jahr 2015 angepasste Flotte, die aus der Aktualisierung für die Fortschreibung des Berliner Luftreinhalteplans von 2011 bis 2020 [10] entnommen wurde. Diese durch Elektromobilität veränderte innerstädtische Flotte wurde zu 100 % auf allen Straßentypen in Berlin angesetzt, also auch auf den Autobahnen und Fernstraßen. Es wurde also nicht berücksichtigt, dass auf den Autobahnstrecken auch Transitverkehr mit einer anderen Flottenzusammensetzung fährt.

Rein batterie-elektrisch betriebene Fahrzeuge haben lokal keine Auspuffemissionen. Daher wurden die BEV ohne Auspuffemissionen gerechnet. PM10– und PM2,5 -Emissionen durch Aufwirbelung und Abrieb entstehen jedoch sowohl für BEV als auch für PHEV wie bei einem konventionellen Fahrzeug. PHEV haben in den Szenarien immer noch einen Fahranteil mit eigenem Verbrennungsmotor. Für dabei entstehende Auspuffemissionen wird davon ausgegangen, dass der Verbrennungsmotor in den PHEV einem Benzinmotor der EURO-Stufe 6 entspricht.

Die Kfz-Emissionsfaktoren des HBEFA liegen differenziert nach den vier verschiedenen Verkehrszuständen (Level of Service, LOS) – frei (LOS1), gesättigt (LOS2), dicht (LOS3) und stop&go (LOS4) – vor. Durch die Kombination von Benzin- und Elektromotor ist der Wirkungsgrad der Motoren in PHEV effizienter als bei konventionell betriebenen Fahrzeugen. Das zeigt sich vor allem im innerstä­dtischen Bereich und in Verkehrszuständen, die ein gleichmäßiges Fahren verhindern (LOS3 und LOS4). Durch das Boosten des Elektromotors beim Anfahren und Beschleunigen reduziert sich der Kraftstoffverbrauch und bei Bremsvorgängen kann die Bremsenergie in die Batterie zurückgeführt werden. Die Emissionsfaktoren eines Benzin-Pkw der EURO-Stufe 6 wurden daher mit folgenden Korrekturfaktoren für die PHEV entsprechend [2] angepasst: Im innerstädtischen Verkehr sinkt der Verbrauch um 10 %, auf Autobahnen dagegen steigt er um 5 % an. Auf Außerortsstraßen bleibt der Verbrauch gleich. Der erhöhte Verbrauch auf Autobahnen lässt sich auf das Zusatzgewicht der beiden Motoren und der Batterie in den PHEV zurückführen. Berücksichtigt ist dabei auch, dass der Verbrennungsmotor auf Autobahnen mit gleichmäßig hoher Geschwindigkeit einen höheren Wirkungsgrad erreicht, was zu geringeren Kraftstoffverbräuchen führt. Diese Korrekturfaktoren des Verbrauchs wurden auch für den Ausstoß von Spurenstoffen als gültig angesetzt und auf die Verkehrssituationen übertragen: Im LOS1 wird ein um 5 % höherer Benzinverbrauch bzw. Ausstoß, im LOS3 und LOS4 ein um 10 % niedrigerer Verbrauch bzw. Ausstoß angenommen. Im LOS2 bleiben die Werte gedenüber einem konventionell betriebenen Fahrzeugd gleicher Größenklasse unverändert. Diese Korrekturen gelten allerdings nur für den Fahrleistungsanteil, der allein mit dem Verbrennungsmotor bewältigt wird (30 % der Elektro-Pkw-Fahrleistung).

Der Stromverbrauch der Elektroautos im elektrischen Betrieb wurde mit Durchschnittswerten nach [2] berechnet. Dort wird für Straßen im innerstädtischen Verkehr der durchschnittliche Energieverbrauch im elektrischen Be­trieb mit 22,1 kWh/100 km angegeben. Bei Autobahnfahrten gilt ein durchschnittlicher Verbrauch von 17,6 kWh/ 100 km. Die Angaben zu den Verbrauchswerten berücksichtigen einen unterschiedlichen Wirkungsgrad für Innerorts-, Außerorts- und Autobahnfahrten. Da im innerstädtischen Verkehr die Drehzahl im niedrigeren Bereich liegt, ist der Wirkungsgrad geringer und wird bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 30 km/h mit 77 % angegeben. Bei elektrischen Autobahnfahrten wird der Wirkungsgrad auf 84 % geschätzt. Der Ladewirkungsgrad der Batterie wird mit 80,6 % angegeben [2].

Die Fahrleistungsanteile der Elektro-Pkw auf den ent­sprechenden Straßentypen wurden mit diesen Parametern berechnet. Daraus resultiert der Stromverbrauch der Elektromobilität.

3.3 Immissionen

Für die Betrachtung der Immissionsbelastung wurden sieben Straßenabschnitte ausgewählt, an denen in den letzten Jahren Grenzwertüberschreitungen festgestellt wurden. Sie sind um das Zentrum Berlins verteilt und weisen verschieden hohe Verkehrsaufkommen auf (siehe Tabelle 1) [4; 15].

Tabelle 1. Merkmale der ausgewählten Hotspots: Die durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke (DTV) und die jeweiligen Anteile am DTV von schweren Lkw (SLKW), leichten Lkw (LLKW), Bussen und Krafträdern (Krad) in %, die Geometriedaten mit Höhe (H), Breite (B), Breiten-zu-Höhen-Verhältnis (B/H) und Geschwindigkeits­limit (V).

Tabelle 1. Merkmale der ausgewählten Hotspots: Die durchschnittliche tägliche Verkehrsstärke (DTV) und die jeweiligen Anteile am DTV von schweren Lkw (SLKW), leichten Lkw (LLKW), Bussen und Krafträdern (Krad) in %, die Geometriedaten mit Höhe (H), Breite (B), Breiten-zu-Höhen-Verhältnis (B/H) und Geschwindigkeits­limit (V).

4 Ergebnisse

4.1 Emissionen

Die Verkehrsemissionen wurden straßen- und fahrzeug­spezifisch berechnet und dann für das gesamte Hauptstraßennetz Berlins bilanziert. Das Basisszenario ohne Elektromobilität (0 %) gilt als Referenz. Der Elektromobilitätsanteil steigt pro Szenario um 10 %. Darin enthalten sind 6,9 % rein elektrischer und 3,0 % verbrennungsmoto­rischer Fahrleistungsanteil.

Die Kfz-Emissionen enthalten die Spurenstofffreisetzung von NOX/NO2 und PM10 aller motorisierten Fahrzeuge der Flotte: Krafträder, Pkw, leichte und schwere Nutzfahrzeuge sowie Reise- und Linien­busse. Um den Effekt der Elektromobilität auf die Emissionsminderung zu veranschau­lichen, wurden die Auspuffemissionen sowohl für die Summe aller Fahrzeuge als auch nur für Pkw betrachtet, da die Elektrofahrzeuge nur als als Elektro-Pkw eingeführt wurden.

Bei der Pkw-Flotte sinken die CO2-Emissionen pro Szenario um 7,3 % (Bild 2).

Bild 2. Die spezifischen Auspuffemissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoffoxiden (NOX) und Auspuffpartikel (PART) der Pkw-Flotte mit verschiedenen Anteilen Elektromobilität. Quelle: Matzarakis

Bild 2. Die spezifischen Auspuffemissionen von Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoffoxiden (NOX) und Auspuffpartikel (PART) der Pkw-Flotte mit verschiedenen Anteilen Elektromobilität.

Foto: Matzarakis

Bei 100 % Elektromobilität bleiben 27,6 % der Pkw-CO2-Emissionen übrig, die durch die Plug-in-Hybride entstehen. Die Stickstoffoxidfreisetzung reduziert sich pro Szenario um 9,7 %, bei 100 % Elektromobilität verbleiben 2,9 %. Die Auspuffpartikel vermindern sich um 9,0 % pro Szenario, im 100-%-Elektromobilitätsszenario betragen sie noch 10,4 %.

Die unterschiedliche Abnahme der einzelnen Stoffe lässt sich durch die Emissionsfaktoren der PHEV erklären. Die Elektrofahrzeuge ersetzen Benzin- und Diesel-Pkw aller vorhandenen Abgas-EURO-Stufen gleichmäßig entsprechend ihren jeweiligen Anteilen an der Flotte. Die Emissionen der PHEV beim Betrieb mit Benzinmotor, für den der EURO-6-Standard angesetzt wurde, werden dann wieder dazu­gerechnet (30 % der Elektromobilitätsfahrleistung). Diese haben laut HBEFA 3.2 geringere Emissionsfaktoren als die der ersetzten Pkw. Nach HBEFA 3.2 reduzieren sich beispielsweise die NOX-Emissionen von einem EURO-3-Benzin-Pkw zu einem EURO-6-Benzin-Pkw um bis zu 62 %, die Partikel-Freisetzung reduziert sich auf 45 %. Der CO2-Ausstoß vermindert sich allerdings nur um rund 34 % [12].

Für die Schadstoffbelastung im Straßenraum sind die Verkehrsemissionen der ge­samten Flotte relevant und der Effekt der Elektro­mobilität muss im Kontext des gesamten Kfz-Bestands betrachtet werden. Die Minderung der Emissionen durch die Elektromobilität weist bei dieser Betrachtung ein anderes Muster auf (Bild 3).

Bild 3. Kfz-Emissionen der gesamten Berliner Flotte im Jahr 2015 mit verschiedenen Anteilen an Elektro-Pkw. Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoffoxide (NOX) und Auspuffpartikel (PART) sind reine Auspuffemissionen, Feinstaub (PM10) entsteht auch durch Reifenabrieb und Aufwirbelung. Quelle: Matzarakis

Bild 3. Kfz-Emissionen der gesamten Berliner Flotte im Jahr 2015 mit verschiedenen Anteilen an Elektro-Pkw. Kohlenstoffdioxid (CO2), Stickstoffoxide (NOX) und Auspuffpartikel (PART) sind reine Auspuffemissionen, Feinstaub (PM10) entsteht auch durch Reifenabrieb und Aufwirbelung.

Foto: Matzarakis

Kohlenstoffdioxid zeigt die größte Abnahme von allen Spurenstoffen (5,5 % pro Szenario). Im Gegensatz zu den Emissionsminderungen bei den Pkw sinken die Stickstoffoxide nur um 4,9 % pro Szenario. Die Auspuffpartikel vermindern sich um 4,3 % pro Szenario. Die Feinstaubemissionen (PM10) reduzieren sich im Vergleich zu den anderen nur sehr wenig (0,6 % pro Szenario). Im 100-%-Szenario verbleiben noch 94,2 % der PM10-Emissionen. Das liegt daran, dass Kfz-bedingte Feinstaubbelastung vor allem durch Reifenabrieb und Aufwirbelung von Partikeln auf der Straße entsteht, was durch ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug nicht reduziert wird. Der Anteil, um den sich PM10 reduziert (5,8 %), entspricht dem Anteil, der an Auspuffpartikeln entfällt.

Auffällig dabei ist, dass die Minderungen der einzelnen Komponenten bei Betrachtung allein der Pkw ein anderes Muster aufzeigen als bei der Betrachtung der gesamten Kfz-Emissionen. bei den Pkw-Emissionen zeigt NOX die größte Minderung, während bei den Kfz-Emissionen CO2 am stärksten reduziert wird. Um den Unterschied zwischen den Abnahmen der Kfz- und den Pkw-Emissionen zu erklären, muss die Emission der Spurenstoffe differenziert nach Fahrzeugkategorien betrachtet werden, wie es in den Bildern 4 bis 6 dargestellt ist.

Bild 4. CO2-Emissionen der gesamten Flotte im Jahre 2015, getrennt in die Kfz-Typen schwere und leichte Nutzfahrzeuge (SLKW, LLKW), Reise- und Linienbusse (RBUS, LBUS), Krafträder (KRAD) und Pkw. Quelle: Matzarakis

Bild 4. CO2-Emissionen der gesamten Flotte im Jahre 2015, getrennt in die Kfz-Typen schwere und leichte Nutzfahrzeuge (SLKW, LLKW), Reise- und Linienbusse (RBUS, LBUS), Krafträder (KRAD) und Pkw.

Foto: Matzarakis

Bild 5. NOX-Emissionen der gesamten Flotte im Jahr 2015 getrennt in schwere und leichte Nutzfahrzeuge (SLKW, LLKW), Reise- und Linienbusse (RBUS, LBUS), Krafträder (KRAD) und Pkw. Quelle: Matzarakis

Bild 5. NOX-Emissionen der gesamten Flotte im Jahr 2015 getrennt in schwere und leichte Nutzfahrzeuge (SLKW, LLKW), Reise- und Linienbusse (RBUS, LBUS), Krafträder (KRAD) und Pkw.

Foto: Matzarakis

Bild 6. Auspuffpartikelemissionen der gesamten Flotte im Jahr 2015 getrennt in schwere und leichte Nutzfahrzeuge (SLKW, LLKW), Reise- und Linienbusse (RBUS, LBUS), Krafträder (KRAD) und Pkw. Quelle: Matzarakis

Bild 6. Auspuffpartikelemissionen der gesamten Flotte im Jahr 2015 getrennt in schwere und leichte Nutzfahrzeuge (SLKW, LLKW), Reise- und Linienbusse (RBUS, LBUS), Krafträder (KRAD) und Pkw.

Foto: Matzarakis

Bei den CO2– Emissionen im Basisszenario sind die Pkw mit 75,6 % die Hauptverursacher (Bild 4).

Die anderen Kfz-Typen haben nur einen geringeren Anteil. Der „Sockel“ der CO2-Emissionen von schweren Lkw (SLKW), leichten Lkw (LLKW), Reisebussen (RBUS), Linienbussen (LBUS) und Motorrädern (KRAD) beträgt 24,4 %. Bei einer Einführung von Elektro-Pkw reduziert sich die CO2-Freisetzung um bis zu 45 % im 100-%-Szenario. Trotz 100 % Elektromobilität erzeugen die Pkw aufgrund der PHEV mit noch 20 % der ursprünglichen Emissionen fast die Hälfte der gesamten Kfz-Emissionen des Szenarios.

Bei den NOX-Emissionen ist die Verteilung auf die verschiedenen Fahrzeugkategorien anders als bei CO2 (Bild 5).

Auch hier sind im Basisszenario die Pkw mit 50,8 % die Hauptquelle. Die Minderung durch die Elektro­mobilität ist aber viel stärker als bei CO2. Da der Sockel der anderen Fahrzeugkategorien bei NOX jedoch 49,2 % beträgt, verbleiben im 100-%-Szenario noch 50,7 % der gesamten Emissionen. Dabei tragen die Pkw allerdings nur noch 1,5 % zur Freisetzung bei.

Bei den Auspuffpartikeln emittieren die Pkw im Basisszenario 48,1 % und der Sockel beträgt 51,9 % (Bild 6).

Die schweren und leichten Lkw haben zusammen den zweitgrößten Anteil mit 43,8 %.

4.2 Bilanzierung der Spurenstoffe

Die Differenz der CO2-Emissionen zwischen dem Basis­szenario und den Elektroszenarien repräsentiert das CO2-Minderungspotenzial durch Elektromobilität allein im Pkw-Verkehr. Für eine möglichst vollständige Bilanz müssen die CO2-Emissionen aus der Stromproduktion für die Elektromobilität mit einbezogen werden. Die NOx– und PM10– Emissionen der Stromerzeugung müssen ebenfalls mit den Emissionen aus dem Pkw-Verkehr verrechnet werden, um eine vollständige Bilanz aufzustellen. Für die Beurteilung der lokalen Luftqualität an den Hotspots in Berlin wurden die Veränderungen der Kraftwerksemissionen von NOX und Feinstaub durch die Elektromobilität berücksichtigt.

Die im Folgenden aufgeführten Bilanzen für die Spurenstoffe zeigen die Emissions­minderung der Pkw durch Elektromobilität und die Emissionszunahme der deutschen Kraftwerke während der Produktion des benötigten Stroms auf. Die Emissionen der Kraftwerke werden pro Kilowattstunde des verbrauchten Stroms berechnet und gelten für den deutschen Strommix 2013 nach Angaben des UBA [16]. Die Angaben der spezifischen Emissionen für den deutschen Strominlandsverbrauch basieren auf der Berechnung des UBA. Der CO2-Emissionsfaktor dient dabei als Indikator für die Klimaverträglichkeit der deutschen Stromerzeugung und wird mit 595 g/kWh angegeben Zusätzlich werden auch Emissionsfaktoren für NOX mit 0,532 g/kWh und für PM10 mit 0,02 g/kWh angegeben und in der hier aufgestellten Emissionsbilanz berücksichtigt.

Die CO2-Emissionen der Berliner Pkw-Flotte sinken pro Szenario um ca. 121 000 t/a (Bild 7).

Bild 7. CO2-Bilanz der Elektromobilitätsszenarien. Die CO2-Emissionen der Pkw und der Strom­erzeugung für die Elektro-Pkw sind gestapelt dargestellt. Quelle: Matzarakis

Bild 7. CO2-Bilanz der Elektromobilitätsszenarien. Die CO2-Emissionen der Pkw und der Strom­erzeugung für die Elektro-Pkw sind gestapelt dargestellt.

Foto: Matzarakis

Da der CO2-Ausstoß durch die notwendige Stromerzeugung pro Szenario in den Kraftwerken um ca. 77 000 t/a steigt, beträgt die resultierende CO2-Abnahme 44 000 t/a pro Szenario. Das maximale Minderungspotenzial bei 100 % Elektromobilität beträgt ca. 440 000 t/a, was 26 % des Basisszenarios entspricht. Sollte der für die Elektromobilität notwendige Strom aus erneuerbaren Energieanlagen stammen, ist das CO2-Min­de­rungs­potenzial von Elektro-Pkw mit ca. 1,2 Mio. t/a deutlich größer, da bei dieser Stromerzeugung kein CO2 emittiert wird.

Die Bilanzierung der NOX-Emissionen zeigt im Vergleich zu CO2 ein höheres Minderungspotenzial der Elektromobilität (Bild 8).

Bild 8. NOx-Bilanz der Elektromobilitätsszenarien. Die NOx-Emissionen der Pkw und der Strom­erzeugung für die Elektro-Pkw sind gestapelt dargestellt. Quelle: Matzarakis

Bild 8. NOx-Bilanz der Elektromobilitätsszenarien. Die NOx-Emissionen der Pkw und der Strom­erzeugung für die Elektro-Pkw sind gestapelt dargestellt.

Foto: Matzarakis

Pro Szenario nehmen die NOX-Emissionen der Pkw um ungefähr 240 t/a ab. Die NOX-Emissionen durch die zusätzliche Stromproduktion betragen pro Szenario ca. 69 t, womit sich die Gesamtabnahme auf ca. 171 t/a NOX pro Szenario beläuft. Das maximale Minderungspotenzial im 100-%-Szenario liegt bei ca. 1 710 t/a, was 96 % der Emissionen im Basisszenario entspricht. Damit ist das NOX-Minderungspotenzial fast vier mal so hoch wie das für CO2.

Bei der Bilanz für PM10 (Bild 9) nehmen die Pkw-Emissionen pro Szenario um 3,1 t/a ab, die Zunahme durch die zusätzliche Stromerzeugung beträgt etwa 2,6 t/a.

 

Bild 9. PM10-Bilanz der Elektromobilitätsszenarien. Die PM10-Emissionen der Pkw und der Strom­erzeugung für die Elektro-Pkw sind gestapelt dargestellt. Quelle: Matzarakis

Bild 9. PM10-Bilanz der Elektromobilitätsszenarien. Die PM10-Emissionen der Pkw und der Strom­erzeugung für die Elektro-Pkw sind gestapelt dargestellt.

Foto: Matzarakis

Daraus ergibt sich eine Gesamtabnahme um ca. 0,5 t/a PM10 pro Szenario. Die Abnahme ist so gering, da eine Minderung nur bei den motorbedingten Auspuffpartikeln eintritt, die aber im Vergleich zur PM10-Emission durch Aufwirbelung und Reifenabrieb sehr gering ist. Das maximale Minderungspotenzial mit ca. 5,4 t/a im 100-%-Szenario entspricht nur 1,7 % der Gesamtemissionen im Basisszenario.

4.3 Immissionsberechnung an den Hotspots

Die Hintergrundbelastung an den einzelnen Hotspots wurde für das Bezugsjahr 2015 aus der Fortschreibung des Berliner Luftreinhalteplans entnommen [10]. Somit wird das Potenzial der Elektromobilität nur bezüglich der lokalen Kfz-Emissionen in den jeweiligen Jotspots ermittelt. Im Basisszenario sind die berechneten Immissionen an den ausgewählten Hotspots beim NO2-Jahresmittelwert (JMW) höher als der Grenzwert von 40 μg/m3. Der Jahresmittelwert von PM10 liegt laut den Berechnungen an allen Hotspots unterhalb des entsprechenden Grenzwerts von 40 μg/m3. Die erlaubte Anzahl an Überschreitungstagen (35 Tage) des PM10-Tagesgrenzwerts in Höhe von 50 μg/m3 wird jedoch an allen Hotspots überschritten (Tabelle 2).

Tabelle 2. Zusammenfassung der Hotspots 2015 mit der Gesamtbelastung von Stickstoffdioxid (NO2) und Feinstaub (PM10) und der maximal möglichen Reduktion im 100-%-Szenario in den jeweiligen Straßen. Kursive Zahlen markieren Werte unterhalb des Grenzwerts oder Minderungen, mit denen der Grenzwert unterschritten wird. Straßenabschnitte, die mit (U) vermerkt sind, befinden sich innerhalb der Umweltzone. Red.: Reduktion; Ü-Tage: Überschreitungstage

Tabelle 2. Zusammenfassung der Hotspots 2015 mit der Gesamtbelastung von Stickstoffdioxid (NO2) und Feinstaub (PM10) und der maximal möglichen Reduktion im 100-%-Szenario in den jeweiligen Straßen. Kursive Zahlen markieren Werte unterhalb des Grenzwerts oder Minderungen, mit denen der Grenzwert unterschritten wird. Straßenabschnitte, die mit (U) vermerkt sind, befinden sich innerhalb der Umweltzone. Red.: Reduktion; Ü-Tage: Überschreitungstage

Das maximale Minderungspotenzial durch die Pkw-Elektromobilität (100-%-Szenario) ist an den einzelnen Hotspots unterschiedlich, je nachdem, wie hoch der Anteil der Pkw an allen Kfz ist. Der Grenzwert für die PM10-Überschreitungstage wird für die untersuchten Fälle auch bei 100 % Pkw-Elektromobilität an keinem der Hotspots eingehalten, der NO2-Grenzwert dagegen an immerhin drei Straßenabschnitten (Mariendorfer Damm, Frankfurter Allee, Schildhornstraße).

5 Diskussion

Die Analyse hat gezeigt, dass Elektromobilität trotz der Emissionen durch die zusätzliche Stromerzeugung eine Chance zur CO2-Minderung bietet. Allerdings sind die Annahmen zum Energieverbrauch der Elektro-Pkw nur Schätzungen. Auch die Verteilung der Elektroautos auf rein batteriebetriebene Pkw (BEV) und Plug-in-Hybride (PHEV) und der Einsatz der PHEV im elektrischen Betrieb konnten nur aus wenigen Studien und Flottenversuchen abgeschätzt werden. Ebenso müssen die Annahmen bei der Emissionsberechnung der einzelnen Kfz bei der Betrachtung des Elektromobilitätseffekts auf die Luftbelastung in Berlin mit einbezogen werden. Eine Reduktion der Vorbelastung durch die Einführung der Elektromobilität wurde nicht berücksichtigt und die Immissionen in den Straßenabschnitten im Szenario mit der gleichen Vorbelastung wie im Basisfall ohne Elektromobilität berechnet, was zu einer Unterschätzung des Effekts der Elektroautos führen kann. Der, im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen, erhöhte Ressourcenverbrauch und die damit entstehenden Emissionen bei der Herstellung der Elektroautos und der benötigten Batterien [1] wurde in dieser Modellstudie nicht berücksichtigt.

Die Untersuchung bezieht sich auf Berlin für ein im Luftreinhalteplan prognostiziertes Bezugsjahr 2015. Viele Grundlagen der Berechnung sind spezifisch an die Situation in Berlin angepasst, daher lassen sich die Aussagen nur bedingt verallgemeinern. Die Ergebnisse bei den Immissionen sind für jede Straße sehr spezifisch und nicht übertragbar auf andere Straßenabschnitte. Die Ergebnisse bei den Emissionen lassen sich dagegen mit wenigen Einschränkungen verallgemeinern. Da die Emissionsminderung durch Elektromobilität z. B. von der angenommen Flottenzusammensetzung abhängt, müssen bei einer Übertragung der für Berlin angenommenen Daten auf andere Gebiete eventuelle Unterschiede in der Pkw-Flotte berücksichtigt werden (z. B. Benzin-/Dieselverhältnis).

In den Untersuchungen wurde als Datengrundlage das HBEFA 3.2 [12] verwendet. Im Frühjahr 2017 ist eine neue Version HBEFA 3.3 erschienen, mit der deutlich höhere NOX-Emissionen für Diesel-Pkw ab EURO-4 angegeben werden. Unter sonst gleichbleibenden Annahmen würde sich damit das Potenzial der Elektromobilität zur Minderung der NO2-Belastung erhöhen.

6 Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse dieser Modellstudie zeigen, dass unter den Bedingungen, wie sie den Berechnungen zum Luftreinhalteplan von Berlin aus dem Jahre 2014 für das Bezugsjahr 2015 zugrunde liegen, die Einführung von Elektromobilität eine Möglichkeit zur Minderung der CO2– und Luftschadstoffbelastung durch den Kfz-Verkehr bietet. Unter der Annahme eines vollständigen Ersatzes der Pkw-Flotte durch Elektrofahrzeuge reduzieren sich die Kfz-Emissionen bei CO2 um 55 %, bei Auspuffpartikeln um 45 % und bei NOX um ca. 50 %. Die PM10-Emissionen des Kfz-Verkehrs werden dominiert durch nicht auspuffbedingte Emissionen durch Abrieb und Aufwirbelung, sodass das Reduk­tionspotenzial hier mit ca. 5 % nur klein ist. Berücksichtigt man in der Emissionsbilanz die durch die Stromproduktion zusätzlichen mit dem deutschen Strommix erzeugten Emissionen, sinkt das Emissionsminderungspotenzial der Pkw bei CO2 von 72 % auf 26 % und bei NOX von 97 % auf 69 %.

Nach den hier durchgeführten Berechnungen auf der Basis von Daten des Berliner Luftreinhalteplans reicht für die Einhaltung der Luftschadstoffgrenzwerte allein der Ersatz von konventionellen Pkw durch Elektro-Fahrzeuge allerdings nicht aus, da selbst bei dem Szenario mit 100 % Pkw-Elektromobilität der NO2-Jahresgrenzwert immer noch an vier der sieben untersuchten Abschnitte überschritten wird. Die Reduktionspotenziale bei den PM10-Immissionen sind aufgrund des geringeren Verursacherbeitrags der Auspuffemissionen sehr gering.

Danksagung

Die Autorinnen und Autoren bedanken sich bei der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin für die Bereitstellung der für diese Modellstudie benötigten Verkehrsdaten und bei Florian Pfäfflin von der IVU Umwelt GmbH für die Durchsicht des Manuskripts.

Literatur

  1. Hacker, F.; Harthan, R.; Kasten, P.; Loreck, C.; Zimmer, W.: OPTUM: Optimierung der Umweltentlastungspotenziale von Elektrofahrzeugen – Integrierte Betrachtung von Fahrzeugnutzung und Energiewirtschaft. Schlussbericht. Öko-Institut e. V.; Institut für sozial-ökologische Forschung (ISOE) im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Freiburg 2011.
  2. Helms, H.; Jöhrens, J.; Hanusch, J.; Höpfner, U. et al.: Ökologische Begleitforschung zum Flottenversuch Elektromobilität. Bericht ifeu Heidelberg im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit. Heidelberg 2014.
  3. Schlegel, I.: Untersuchung des Einflusses der Elektromobilität auf die CO2-Bilanz und die Luftqualität mit IMMISem/luft am Beispiel von Berlin. Bachelorthesis Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Professur für Umweltmeteorologie 2015.
  4. Diegmann, V.; Gässler, G.; Mahlau, A.; Pfäfflin, F.; Wursthorn, H.: Fortschreibung des Berliner Luftreinhalteplans (LRP) 2009 – 2020. Bericht IVU Umwelt, in Zusammenarbeit mit VMZ Berlin und Dr. Rainer Stern im Auftrag der Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz Berlin. Berlin 2011. www.berlin.de/senuvk/umwelt/luftqualitaet/de/ luftreinhalteplan/download/lrp_fortschreibung.pdf
  5. Berichterstattung unter der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen und dem Kyoto-Protokoll 2014 – Nationaler Inventarbericht zum Deutschen Treibhausgasinventar 1990- 2012. Hrsg.: Umweltbundesamt. Dessau-Roßlau 2014. www.umweltbundesamt.de/ publikationen/berichterstattung-unter-der-klimarahmenkonvention
  6. 130 Jahre eAuto – Geschichte der eMobilität. Hrsg.: Bundesverband eMobilität e. V. Berlin 2015.
  7. Elektromobilität – weltweit. Hrsg.: Nationale Plattform Elektromobilität. http://nationale-plattform-elektromobilitaet.de/ laendervergleich/
  8. Langjährige Entwicklung der Luftqualität. Ausgabe 2013. Hrsg.: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt. Berlin 2013.
  9. Luftreinhalteplan 2011 bis 2017 für Berlin: Hrsg.: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt. Berlin 2013.
  10. Diegmann, V.; Mahlau, A.: Modellrechnungen für die Gesamtbelastung an Stickstoffoxiden (NO2) im Straßenraum zur Aktualisierung des Berliner Luftreinhalteplans 2011-2017 für die Jahre 2013-2020. Bericht IVU Umwelt im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt. Berlin 2018.
  11. IMMISem und IMMISem/luft. Version 6. Hrsg.: IVU Umwelt. Freiburg 2015.
  12. Handbuch Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs. HBEFA Version 3.2. INFRAS AG, Bern. Auftraggeber: Umweltbundesamt, Berlin (Deutschland); Bundesamt für Umwelt (BAFU), Bern (Schweiz); Umweltbundesamt, Lebensministerium und Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie, Wien (Österreich); Trafikverket (Schweden); ADEME (Frankreich); SFT (Norwegen) und JRC (Joint Research Center der Europäischen Kommission). 2014.
  13. VDI 3782 Blatt 7: Umweltmeteorologie – Umweltmeteorologie – Kfz-Emissionsbestimmung – Luftbeimengungen. Berlin: Beuth 2003.
  14. VDI 3782 Blatt 1: Umweltmeteorologie – Atmosphärische Ausbreitungsmodelle – Gauß’sches Fahnenmodell für Pläne zur Luftreinhaltung. Berlin: Beuth 2016.
  15. Luftgütemessdaten 2013. Hrsg.: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt. Berlin 2014.
  16. Icha, P.: Entwicklung der spezifischen Kohlendioxid-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 bis 2013. Climate Change 23/2014. Hrsg.: Umweltbundesamt. Dessau-Roßlau 2014. www.umweltbundesamt.de/publikationen/ entwicklung-der-spezifischen-kohlendioxid-0

Von I. Schlegel, A. Mahlau, V. Diegmann, A. Matzarakis

Irmela Christiane Schlegel - Universität Augsburg.

Anna Katharina Mahlau und Volker Diegmann, IVU Umwelt GmbH, Freiburg.

Prof. Dr. Andreas Matzarakis - Zentrum für Medizin-Meteorologische Forschung, Deutscher Wetterdienst, Freiburg.

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