Energy-economic transport strategy - potentials and barriers of alternative fuels and power trains in Germany and the EU-27

Vor dem Hintergrund allgemeiner energie- und klimapolitischer Ziele wie der Verringerung der Ölabhängigkeit oder der Reduktion der Treibhausgasemissionen werden hohe Erwartungen an den Einsatz alternativer Kraftstoffe und Antriebe im Verkehr geknüpft. Unsicherheiten bestehen jedoch in der Frage, welche Kraftstoff-Antriebskombinationen sowohl in ökonomischer als auch in ökologischer Hinsicht die besten Voraussetzungen mitbringen, um den gestellten Zielsetzungen gerecht zu werden. Die Beantwortung dieser Frage kann nicht durch eine isolierte Betrachtung des Verkehrssektors erfolgen, sondern erfordert zusätzlich die Berücksichtigung von Wechselbeziehungen zwischen dem Verkehrssektor und anderen Bereichen des Energiesystems. So müssen beispielsweise die während der Bereitstellung alternativer Kraftstoffe (Well-to-Tank) entstehenden Treibhausgasemissionen oder alternative Verwertungsmöglichkeiten für zur Kraftstoffbereitstellung eingesetzte Energieträger, wie z. B. Biomasse, in die Bewertung einfließen. Gerade im Hinblick auf ihren möglichen Beitrag zum Klimaschutz stehen verkehrspolitische Maßnahmen zur Senkung des Treibhausgasausstoßes zudem nicht nur untereinander sondern auch mit Vermeidungsoptionen in anderen Sektoren des Energiesystems im Wettbewerb. Das Ziel dieser Arbeit besteht daher darin, die mögliche Rolle alternativer Kraftstoffe und Antriebe als Teil einer energiewirtschaftlichen Verkehrsstrategie zu analysieren, welche darauf ausgerichtet ist, im Einklang mit allgemeinen energie- und klimapolitischen Zielen eine umweltverträgliche, bezahlbare und versorgungssichere Mobilitätsbereitstellung in Deutschland und der EU-27 zu gewährleisten. Dazu werden zunächst im Rahmen einer Technologiecharakterisierung unterschiedliche alternative Kraftstoffpfade und Antriebskonzepte bezüglich ihrer derzeitigen und zukünftigen technischen, ökonomischen und ökologischen Eigenschaften bis zum Jahr 2050 analysiert. Die Ergebnisse dieser Technologiecharakterisierung werden anschließend zusammengeführt, indem ausgewählte Kraftstoff-Antriebskombinationen in einem Well-to-Wheel Vergleich hinsichtlich ihrer Mobilitätskosten, Treibhausgasemissionen und Treibhausgasvermeidungskosten gegenüber konventionellen Antrieben auf Mineralölbasis bewertet werden. Aufbauend auf den Ergebnissen der Technikanalyse wird im Anschluss die mögliche Bedeutung alternativer Kraftstoffe und Antriebe in Deutschland und Europa bis zum Jahr 2050 unter Berücksichtigung der energie- und klimapolitischen Rahmenbedingungen sowie in Abhängigkeit von den technischen Entwicklungsfortschritten untersucht. Dazu wird eine modellgestützte Systemanalyse unter Anwendung des Energiesystemmodells TIMES PanEU durchgeführt, welche es ermöglicht, die genannten Wechselbeziehungen zwischen Verkehrssektor und restlichem Energiesystem zu erfassen und bei der quantitativen Bewertung der Potenziale alternativer Kraftstoffe und Antriebe einzubeziehen. Im Ergebnis zeigt sich, dass vor allem Biokraftstoffe und elektrische Antriebskonzepte, wie Batterie betriebene Elektrofahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge, bei ambitionierten Klimaschutzvorgaben oder eingeschränkter Verfügbarkeit konventioneller Kraftstoffe langfristig (nach 2030) in zunehmendem Maße eine wichtige Rolle im Verkehrssektor spielen.Alternative fuels and power trains are often appreciated as possible options for the achievement of general targets from energy and climate policy like the decrease of oil dependency or the reduction of greenhouse gas emissions. However, uncertainties exist, which combinations of fuels and power trains are suited best from an economic and ecological point of view to cope with the existing requests. This question cannot be answered by an isolated analysis of the transport sector. Instead, an additional consideration of interdependencies among the transport sector and other sectors of the energy system is required. This comprises for example the inclusion of well-to-tank greenhouse gas emissions that occur during the preparation of alternative fuels or other possible options for the utilization of energy carriers that are needed as feedstock for alternative fuel production (e. g. biomass). Especially with regard to climate protection, measures for greenhouse gas mitigation in the transport sector are not only in competition among each other but also with measures in other sectors of the energy system. The intention of this study therefore is to analyze the potential role of alternative fuels and power trains as part of an energy economic transport strategy, which in the context of general targets from energy and climate policy aims at an environmentally friendly, affordable and secure mobility in Germany and the EU-27. The study starts with a characterization of the technical, economic and ecological properties of different pathways for alternative fuel production and alternative propulsion concepts, looking at the state of the art and the development until 2050. The results of this analysis are then used for a well-to-wheel assessment of selected combinations of alternative fuels and power trains regarding mobility costs, greenhouse gas emissions and greenhouse gas abatement costs related to conventional oil based vehicles. Based on the outcome of the previous investigation, the potential role of alternative fuels and power trains in Germany and the EU-27 as a whole until 2050 is evaluated, depending on the energy and climate policy framework and on the further technical development. For that purpose a model based analysis with the energy system model TIMES PanEU is applied, which allows to cover also the mentioned interconnections between the transport sector and the rest of the energy system. As a result of the analysis, especially biofuels and electric power trains like battery electric and plug-in hybrid electric vehicles prove to be important alternative technological options for the transport sector in the long run (after 2030), if ambitious climate targets are set or if the availability of conventional oil based fuels is limited

Effects of climate and energy policy related measures and targets on the future structure of the European energy system in 2020 and beyond

Stabilising the concentration of CO2 in the atmosphere at a level of 450 ppm in order to keep global temperature increase below 2 °C requires an ambitious climate policy. This study analyses the role of different technologies in the EU-27 with regard to efficiency improvements, fuel switching and energy saving measures under such a climate policy target. The analysis is carried out using the regionalised Pan-European TIMES energy system model, a technology oriented, linear optimisation model. Thereby limited resources and import potentials of various energy carriers, competition among different sectors and the country-specific differences in energy demand are taken into account. As a result, it turns out that the structure of energy use inside the EU-27 is much stronger, influenced by political targets and positions regarding climate protection, energy security and the use of nuclear energy than by available technologies. In the case of climate protection polices and limited use of nuclear energy, the most important measures for the reduction of greenhouse gases are an increased use of renewables, carbon capture and storage, fuel switching and the intensified application of electricity in the end use sectors. Efficiency improvements play an additional role when security of supply is taken into account.Energy system modelling EU-27 Climate policy

Energy from biomass: linkages between the energy and the agricultural sector in the EU until 2050

Over the last decades traditional energy sources are increasingly replaced by energy from biomass and this trend is expected to continue into the future. Assessing the efficiency of bioenergy policies requires a comprehensive analysis of the interrelationship between agricultural and energy markets. This study analyzes the impacts of two alternative EU greenhouse gas emission mitigation scenarios on the utilization of biomass for energy production and the price of agricultural products. To this end, we combine the energy system model TIMES PanEU and the agricultural sector model ESIM. We establish a consistent interface between the models and run them in an iterative procedure where TIMES PanEU represents the demand side for energy crops and ESIM their supply side. According to our results, an extension of the mandatory reduction of emissions has strong biomass demand effects and affects the agricultural sector in its entirety. Due to the increased demand for energy crops, average crop prices in the EU increase by an estimated 30 percentage points in 2050. The expanded area use for production of energy crops inside the EU27 turns the EU from being a net exporter to a net importer for many important agricultural commodities

Assessment of selected CCS technologies in electricity and synthetic fuel production for CO2 mitigation in South Africa

One of the actions proposed to reduce greenhouse gas (GHG) emissions in South Africa (SA) is to install carbon capture and storage (CCS) at new energy-producing plants. This paper aims to evaluate the costs and GHG emissions of implementing CCS at a coal-fired integrated gasification combined cycle (IGCC) power plant, at a coal fired ultra-supercritical (USC) power plant, at a synthetic fuel coal-to-liquid (CTL) plant and at a gas-to-liquid (GTL) plant for SA. The approach for comparing of these CCS applications is based on a combination of a techno-economic analysis with a life-cycle assessment. As expected, the generating costs in plants with CCS are higher than without CCS for all case studies. GHG-abatement costs in 2040 are shown to be the lowest for the IGCC power plant at 173ZAR07/t CO2eq, followed by the USC power plant at 227ZAR07/t CO2eq. These costs are considerably higher for the CTL and GTL plants. The results show that from an economic perspective, CCS might be an attractive option for CO2 mitigation in SA especially for the electricity sector. However, a prerequisite for the implementation of CCS is that the technology reaches commercial scale for the investigated options and is socially accepted

Integrated scenario analysis on energy and climate strategies for Germany in a post-Kyoto regime

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Integrierte Szenarioanalysen zu Energie- u. Klimaschutzstrategien in Deutschland in einem Post-Kyoto-Regime“ wird analysiert, wie sich die unterschiedlichen energie- u. klimapolitischen Zielvorstellungen in Deutschland, in Europa u. weltweit auf die Entwicklung von Energieversorgung u. -anwendung in Deutschland auswirken u. welche Folgen dies wiederum auf die Entwicklung der energiebezogenen Emissionen haben wird. Damit sollen Daten u. Analysen vorgelegt werden, die eine belastbare Basis für die Ausgestaltung der energiepolitischen Rahmenbedingungen in Deutschland darstellen, die sich an den Zielen einer sicheren, wirtschaftlichen, umwelt- u. nachweltverträglichen, d. h. dem Leitbild der „nachhaltigen Entwicklung“ entsprechenden Energieversorgung orientiert, so dass sowohl die ökonomischen als auch die ökologischen Anforderungen bestmöglich erfüllt werden können

Status and Perspectives of Electric Mobility : final report

Im Rahmen dieser Studie wird untersucht, inwiefern die verschiedenen denkbaren Antriebsvarianten aus dem Bereich der Elektromobilität einen ökonomisch und ökologisch sinnvollen Beitrag zur Senkung der Erdölabhängigkeit und zur Reduzierung der Emissionen des Verkehrssektors leisten können. Die Studie beginnt zunächst mit einer technischen Beschreibung der verschiedenen Varianten elektrischer und hybrid-elektrischer Fahrzeugantriebe im PKW-Bereich. Anschließend folgt eine Analyse der derzeitigen spezifischen Kosten einzelner Antriebskomponenten, sowie des jeweiligen mittel- bis langfristigen Potenzials zur Kostenreduktion. Auf Basis dieser Ergebnisse werden die Mobilitätskosten der einzelnen elektromobilen Antriebsalternativen für verschiedene Nutzerprofile und Fahrzeugklassen ermittelt und durch den Vergleich mit konventionellen Referenzfahrzeugen bewertet. Des Weiteren werden auch die heutigen und zukünftigen Emissionen der einzelnen Antriebsalternativen im Fahrbetrieb (Tank-to-Wheel) und bei der Kraftstoffherstellung (Well-to-Tank) sowie die resultierenden CO2-Vermeidungskosten in Relation zum Referenzfahrzeug für verschiedene Nutzerprofile verglichen. Weitere Aspekte der Elektromobilität, die im Rahmen dieser Studie diskutiert werden, sind Infrastrukturanforderungen, die sich bei der Nutzung von Strom und Wasserstoff als Kraftstoff im PKW-Verkehr ergeben, sowie die Potenziale der Nutzung Batterie betriebener Elektrofahrzeuge zu Lastmanagement und Primärregelung.In the scope of this study, the economic potential of different electric and hybrid-electric vehicle concepts is analysed with regard to the reduction of CO2 emissions and oil dependency in the transport sector. After a technical description of the considered types of alternative vehicle concepts, the study examines the current specific costs of single driving components as well as their mid and long term potential for cost reduction. Based on the outcome of this investigation, the mobility costs of the vehicle concepts are calculated for different vehicle classes and driving profiles and evaluated by comparing them to those of conventional reference vehicles. Moreover, the current and future emissions of electric and hybrid-electric engine concepts during driving (tank-to-wheel) and during fuel production (well-to-tank) as well as the resulting CO2 abatement costs relating to a reference car are analysed for different driving profiles. Further aspects of electric mobility considered in this study are the additional infrastructure requirements for the distribution of electricity and hydrogen as transport fuels as well as the potentials of battery electric vehicles for the implementation of demand side management and vehicle-to-grid concepts