2.5 Treibhausgasemissionen
2.6.2 Kurzfristige Klimaziele | Szenarien bis 2030 im Kontext der THG-Quote
Mit dem Ziel der Klimaneutralität bis 2045 steht der Verkehrssektor vor der besonderen Herausforderung, Transport und Mobilität nachhaltig zu ermöglichen. Entscheidend sind dafür die Entwicklung des Endenergieverbrauchs sowie die in den Verkehrsträgern eingesetzten Antriebe und Energieträger. Neben Maßnahmen mit Bezug auf die Vermeidung und Verlagerung von Verkehr konzentrieren sich die Ansätze auf den Einsatz von alternativen Antrieben und erneuerbaren Energieträgern.
Ein zentrales Instrument für die Förderung der Nutzung erneuerbarer Energieträger im Verkehr ist die Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED, siehe Abschnitt 1.4) sowie deren nationale Implementierung in Form der Quote zur THG-Vermeidung (kurz THG-Quote, siehe Abschnitt 1.5.1). Durch sie werden Inverkehrbringer von Kraftstoffen (sog. Quotenverpflichtete) verpflichtet, die THG-Emissionen der durch sie in Verkehr gebrachten Kraftstoffe zu erfassen und mittels verschiedener Optionen zu reduzieren.
UBA
(P)HEV: Plug-in-Hybrid- und Hybridfahrzeuge; OH-EV: Elektrofahrzeuge mit Oberleitung
UBA
Die 2021 durch die Bundesregierung beschlossene Weiterentwicklung der THG-Quote setzt nunmehr einen wichtigen Rahmen für erneuerbare Energien im Verkehrssektor in Deutschland bis 2030.
Im Folgenden wird kurz dargestellt, wie sich die Ausgestaltung der Quotenerfüllung in diesem Zeitraum unter den im Abschnitt 2.6.1 ausgewählten Verkehrsszenarien entwickeln könnte. Dieses Ergebnis wird wiederum mit den jährlichen Emissionszielen nach dem Klimaschutzgesetz, den Vorgaben aus der RED [Richtlinie (EU) 2018/2001 (2018)] sowie dem aktuellen Stand der RED-Novellierung [COM(2021) 557 (2021)] abgeglichen (siehe hierzu auch Abschnitt 1).
Der Szenarienvergleich soll, sofern möglich, einen gewissen Korridor bis 2030 aufspannen, weshalb die beiden ausgewählten Szenarien einen deutlichen Unterschied in ihrem Ambitionsniveau aufweisen.
Genauer betrachtet werden im Folgenden zwei Szenarien, die auf Annahmen zur Strukturentwicklung im Verkehrssektor gemäß zweier Studien aufbauen:
a) das GreenLate-Szenario aus der RESCUE-Studie des UBA [Purr (2019)], bei welchem ein verzögertes Handeln zur Vermeidung des Klimawandels zugrunde gelegt wurde, sowie
b) das Szenario von Agora Energiewende zur Erreichung des Ziels von null Emissionen im Jahr 2045 [Prognos (2021)].
Zudem wurden für beide Szenarien zwei Annahmen ergänzt, zum einen, dass im Jahr 2030 in größerem Umfang grüner Wasserstoff eingesetzt wird: etwa 2 GW installierte Elektrolyseleistung gemäß Wasserstoffstrategie (entspricht ca. 20 PJ4 Wasserstoff), welche direkt als Kraftstoff und in Raffinerien genutzt wird. Zum anderen ist die Annahme hinterlegt, dass ein Anteil von 92 PJ des Kraftstoffbedarfs im Jahr 2030 durch CNG oder LNG gedeckt wird, in Orientierung an [dena (2021c)].
Das weniger ambitionierte Szenario geht von einer moderaten Reduktion des Endenergiebedarfs im Straßenverkehr um jährlich durchschnittlich 2 % sowie einem moderaten Anstieg der Stromnutzung durch Elektromobilität auf 17 TWh (ca. 60 PJ) im Jahr 2030 aus. Wie Abbildung 2-18 zeigt, resultiert aus der relativ geringen Strommenge ein nicht unerheblicher Bedarf an fortschrittlichen Kraftstoffen von über 200 PJ. Die Erfüllungsoptionen hierfür werden von unterschiedlichen Faktoren limitiert:
▪ Biodiesel (FAME) ist aus technologischer Sicht und hinsichtlich der definierten Rohstoffe hierfür nur bedingt geeignet,
▪ Bioethanol bietet mit auf Lignocellulose basiertem Ethanol eine vielversprechende Option, zahlreiche Anlagen im kommerziellen Maßstab befinden sich allerdings erst im Bau bzw. in Planung (siehe Abschnitt 3.3), zudem sind die beimischbaren Mengen in E5 und E10 in Deutschland derzeit limitiert,
▪ HVO/HEFA ist aus technologischer Sicht gut geeignet, einige der definierten Rohstoffe zu verarbeiten, und ist aufgrund seiner Kraftstoffeigenschaften aus technischer Sicht hinsichtlich der Beimischung deutlich weniger limitiert (siehe Abschnitt 6), international sind bereits erhebliche Produktionskapazitäten entstanden sowie darüber hinaus in Bau und Planung,
▪ Methan kann über verschiedene Technologien auf Basis von Biomasse oder Strom bereitgestellt und bis zu 100 % dem fossilen CNG oder LNG beigemischt werden. Biomassebasiertes Methan über die Option der anaeroben Vergärung steht bereits als etablierte Technologie zur Verfügung und kann zudem große Teile der definierten Rohstoffe für fortschrittliche Biokraftstoffe effizient nutzen.
Erneuerbares Methan kann nur in dem Umfang im Verkehrssektor zum Einsatz und damit in der Quote zur Anrechnung kommen, wie es auch tatsächlich als Kraftstoff in Form von CNG und LNG genutzt wird.
In Abhängigkeit davon kann der in Abbildung 2-18 dargestellte Bedarf an flüssigen fortschrittlichen Biokraftstoffen also auch noch deutlich größer ausfallen.
Abbildung 2-18 Quotenerfüllung von 2020 bis 2030 im weniger ambitionierten Szenario, Hinweis: Beispielrechnung;
Endenergiebedarf und Kraftstoff im Verkehr 2030 gemäß [Purr (2019)], GreenLate-Szenario sowie 92 PJ des Kraftstoffbedarfs als CNG/LNG gemäß [dena (2021c)], Methode gemäß [Naumann (2021b); Naumann (2021a)]
Das Emissionsbudget, welches gemäß Klimaschutzgesetz für den Verkehrssektor definiert wird, beträgt für die Jahre 2022 bis 2030 in Summe 1.034 Mio. t CO2-Äq. Reduziert um 5 Mio. t CO2-Äq. pro Jahr für sonstige nationale Verkehre (analog dem Jahr 2018, siehe Tabelle 1-2), verbleibt ein Budget von 994 Mio. t CO2-Äq. für die Jahre 2022 bis 2030 für den Straßenverkehr als Geltungsbereich der weiterentwickelten THG-Quote.
Dieses Budget wird in diesem Szenario für die Jahre 2022 bis 2030 deutlich verfehlt und in Summe um 110 Mio. t CO2-Äq. überschritten.
Wie Tabelle 2-1 deutlich zeigt, ist das Klimaschutzgesetz auch die relevanteste Messlatte für die THG-Quote. Während das Ziel des Klimaschutzgesetzes deutlich verfehlt wird, ist die Erreichung der Ziele gemäß RED II von 14 % erneuerbaren Energien im Straßen- und Schienenverkehr im Jahr 2030 sowie von 13 % THG-Vermeidung im gesamten Verkehrssektor im Jahr 2030 [COM(2021) 557 (2021)]
unkritisch.
Tabelle 2-1 Kennzahlen und Kontexte der Beispielrechnung für die mögliche Quotenerfüllung 2020 bis 2030 im weniger ambitionierten Szenario, eigene Berechnung, Endenergiebedarf und Kraftstoff im Verkehr 2030 gemäß [Purr (2019)], GreenLate-Szenario sowie 92 PJ des Kraftstoffbedarfs als CNG/LNG gemäß [dena (2021c)], Methode gemäß [Naumann (2021b); Naumann (2021a)]
2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 Straßenverkehr | Energieträger in PJ
Energiebedarf 2.074 2.044 2.013 1.979 1.946 1.913 1.884 1.856 1.828 1.800 1.771
davon EEa 149 140 142 150 161 170 184 220 255 304 352
7% 7% 7% 8% 8% 9% 10% 12% 14% 17% 20% davon Biokraftstoffe 148 137 136 141 147 152 162 193 225 269 312 Kontext Klimaschutzgesetz | THG-Emissionen in Mio. t CO2-Äq. im Straßenverkehr (gemäß IPCC – Weltklimarat)
THG-Szenario 142 140 137 134 131 128 125 120 115 110 104
Ziel laut KSG 145 140 134 129 123 118 112 107 100 91 80
Differenz 3 0 −3 −5 −8 −10 −13 −13 −15 −19 −24
Kontext Erneuerbare-Energien-Richtlinie (REDII)
EE-Anteil gemäß RED 10% 10% 10% 12% 14% 16% 18% 22% 27% 31% 36% Kontext RED-Revision (Vorschlag der Europäischen Kommission vom 14.07.2021) | Gesamtverkehrb
Energiebedarf 2.394
EE-Anteil gemäß RED 14,6%
a ohne H2 in Raffinerien, b inkl. internationaler Verkehr
Dem ambitionierten Szenario liegen Annahmen zur Strukturentwicklung im Verkehrssektor gemäß der Studie von Agora Energiewende zugrunde. Aufgrund der sehr stark wachsenden Elektromobilität würden jedoch gemäß der in § 37a BImSchG definierten Quote ab 2025 keine konventionellen sowie ab 2029 nur noch fortschrittliche Biokraftstoffe gemäß Unterquote zum Einsatz kommen. Auf Basis des in
§ 37h BImSchG definierten Anpassungsmechanismus würde jedoch die Quote frühzeitig (mit Wirkung ab 2024) angepasst werden auf 28,15 % (Anpassungsfaktor 0,5) bis 34,09 % (AF 1,5) im Jahr 2030. Mit welchem Anpassungsfaktor die Quote angepasst wird, hat schlussendlich massiven Einfluss auf die Nutzung anderer Erfüllungsoptionen und damit auf die Substitution fossiler Kraftstoffe und die Erreichbarkeit der Klimaziele gemäß Klimaschutzgesetz. In Abbildung 2-19 ist diese Beispielrechnung für eine mögliche Erfüllung der THG-Quote bis 2030 mit dem Anpassungsfaktor 1,5 dargestellt.
Abbildung 2-19 Quotenerfüllung von 2020 bis 2030 im ambitionierten Szenario [Naumann (2021a)], Hinweis: Beispiel-berechnung; Endenergiebedarf und Kraftstoff im Verkehr 2025 und 2030 gemäß [Prognos (2021)] sowie 92 PJ des Kraftstoffbedarfs als CNG/LNG gemäß [dena (2021c)], Faktor im Anpassungsmechanismus: 1,5, Methode gemäß [Naumann (2021b); Naumann (2021a)]
Das Emissionsbudget für die Jahre 2022 bis 2030 gemäß Klimaschutzgesetz wird selbst bei diesem ambitionierten Szenario in jedem Fall überschritten. Die Intensität der Überschreitung ist wiederum abhängig von der Höhe des Anpassungsfaktors:
▪ 140 Mio. t CO2-Äq. Überschreitung ohne Anpassung,
▪ 124 Mio. t CO2-Äq. Überschreitung und Anpassungsfaktor 0,5,
▪ 103 Mio. t CO2-Äq. Überschreitung und Anpassungsfaktor 1,0,
▪ 85 Mio. t CO2-Äq. Überschreitung und Anpassungsfaktor 1,5.
Die Erreichung der Ziele gemäß RED II von 14 % erneuerbaren Energien im Straßen- und Schienenverkehr im Jahr 2030 sowie von 13 % THG-Vermeidung im gesamten Verkehrssektor im Jahr 2030 [COM(2021) 557 (2021); Transport & Enviroment (2021)] ist wiederum völlig unkritisch.
Tabelle 2-2 Kennzahlen und Kontexte der Beispielrechnung für die mögliche Quotenerfüllung 2020 bis 2030 im ambitionierten Szenario, Endenergiebedarf und Kraftstoff im Verkehr 2030 gemäß [Prognos (2021)] sowie 92 PJ des Kraftstoffbedarfs als CNG/LNG gemäß [dena (2021c)], Faktor im Anpassungsmechanismus: 1,5, Methode gemäß [Naumann (2021b); Naumann (2021a)]
2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 2030 Straßenverkehr | Energieträger in PJ
Energiebedarf 2.074 2.068 2.064 2.060 2.053 2.031 1.963 1.888 1.804 1.710 1.598
davon EEa 149 148 155 164 171 142 194 307 339 351 374
7% 7% 7% 8% 8% 7% 10% 16% 19% 21% 23% davon
Biokraftstoffe 148 147 150 153 142 77 115 211 220 203 187
Kontext Klimaschutzgesetz | THG-Emissionen in Mio. t CO2-Äq. im Straßenverkehr (gemäß IPCC)
THG-Szenario 142 143 142 141 138 136 127 113 104 95 84
Ziel laut KSG 145 140 134 129 123 118 112 107 100 91 80
Differenz 3 −3 −8 −12 −15 −18 −15 −6 −4 −4 −4
Kontext Erneuerbare-Energien-Richtlinie (REDII) EE-Anteil gemäß
RED 10% 10% 10% 12% 15% 19% 26% 38% 46% 53% 64%
Kontext RED-Revision (Vorschlag der Europäischen Kommission vom 14.07.2021) | Gesamtverkehrb
Energiebedarf 2.359 2.290 2.215 2.132 2.037 1.927
EE-Anteil gemäß
RED 6,4% 8,9% 14,1% 17,1% 19,9% 23,9%
a ohne H2 in Raffinerien, b inkl. internationaler Verkehr
Die Dena-Leitstudie [dena (2021c)] geht gegenüber Agora Energiewende für das Jahr 2030 von einem identischen Gesamtenergiebedarf von etwa 535 TWh (1.930 PJ) inklusive der internationalen Verkehrsanteile aus. Andererseits enthält sie mit 55 statt 75 TWh eine deutlich geringere im Verkehr genutzte Strommenge im Jahr 2030. Die Herausforderungen zur Erreichung der Quote sowie des Klimabudgets in den Jahren 2022 bis 2030 dürften demnach wiederum ungleich höher sein.
Fazit
Mit dem langfristigen Klimaziel der Treibhausgasneutralität bis 2045 im Verkehr sind konkrete und umfassende Infrastrukturveränderungen verbunden. Die Erfahrungen der vergangenen Jahre mit der gezielten Förderung der Elektrifizierung vor allem im Pkw-Bereich haben gezeigt, mit welcher Trägheit des Bestandes selbst bei einem hohen Ambitionsniveau gerechnet werden muss. Neben dem Ziel der THG-Neutralität in 2045 steht jedoch auch ein insgesamt begrenztes Emissionsbudget bis 2045 für das 1,5 °C-Ziel zur Verfügung, was einen sehr ambitionierten Reduktionspfad für die kommenden Jahre zur Folge hat. Nicht zuletzt vor diesem Hintergrund erscheint es unerlässlich, neben allen Maßnahmen zur Vermeidung und Verlagerung von Verkehr vor allem für schwer elektrifizierbare Bereiche, allem voran schwere Nutzfahrzeuge als einem der wesentlichen THG-Emittenten im Verkehr, auch kurzfristig verfügbare Optionen zu nutzen.
Für schwere Nutzfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren (ICEV) können beispielsweise signifikante Emissionsreduktionen ermöglicht werden durch
a) (fortschrittliche) erneuerbare Flüssigkraftstoffe, welche fossile Flüssigkraftstoffe direkt substituieren,
b) fortschrittliche erneuerbare Gaskraftstoffe, welche fossile Flüssigkraftstoffe indirekt, aber niederschwellig substituieren, und
c) eine teilweise Elektrifizierung (z. B. durch Mild-Hybrid-Technologien) des Antriebsstrangs und damit eine Steigerung des Antriebswirkungsgrades.
Die erforderliche Menge von mindestens 2,6 % fortschrittlichen Biokraftstoffen im Jahr 2030 umfasst je nach Szenario 41 bzw. 45 PJ. Ohne ausreichende Gaskraftstoffanteile im Verkehrssektor dürfte es deutlich schwieriger werden, die erforderlichen Mengen dann in Form von flüssigen fortschrittlichen Kraftstoffen (HVO/HEFA oder Ethanol auf Basis von Rohstoffen gemäß Anhang IX A der RED bzw.
Anlage 1 der 38. BImSchV) bereitzustellen. Auch wenn die Mobilisierbarkeit der hohen technischen Ressourcenpotenziale in Abschnitt 4 nicht abschließend beurteilt werden kann, so bleibt doch abzuwarten, wie schnell sich die Produktionskapazitäten auf diese Nachfrage hin orientieren.
Hinsichtlich der langfristigen Zielsetzung werden seitens der Politik auch erste Schwerpunkte für erneuerbare Energieträger im See- und Luftverkehr gesetzt (Abschnitt 1.6.1).
Grundsätzlich zeigen die Berechnungen, dass es für die Erreichung der Klimaziele im Verkehrssektor von zentraler Bedeutung ist, dass alle Maßnahmen, ob Förderung oder gesetzliche Vorgabe, gut aufeinander abgestimmt sein müssen, um nicht schlussendlich in eine Erfüllungslücke zu laufen. Ein kontinuierliches Monitoring und konsequentes Nachsteuern erscheinen unerlässlich, da für die Zielerreichung alle Optionen auf einem ambitionierten Niveau zum Einsatz kommen müssen.
3 Produktionstechnologien zur Bereitstellung von erneuerbaren Kraftstoffen
STEPHANIE HAUSCHILD, GABRIEL COSTA DE PAIVA, ULF NEULING, TJERK ZITSCHER, JAKOB KÖCHERMANN UND KATI
GÖRSCH
Kraftstoffe aus erneuerbaren Ressourcen haben einen hohen Stellenwert bei der Erreichung der nationalen und der weltweiten Klimaschutzziele. Während anfänglich insbesondere die Produktion biobasierter Energieträger im Fokus der Entwicklung stand, finden heutzutage zunehmend auch strombasierte Kraftstoffe aus regenerativen Energien einen Zugang zu Forschungs- und Demonstrationsvorhaben.
Bedeutende marktverfügbare Mengen an erneuerbaren Kraftstoffen werden über biomassebasierte Produktionstechnologien bereitgestellt: Bioethanol, Biomethan,
Biodiesel und HVO/HEFA (hydroprozessierte Pflanzenöle bzw. hydroprozessierte Ester und Fettsäuren, engl.: Hydrotreated Vegetable Oils bzw. Hydrotreated Esters and Fatty Acids) sind weltweit weiterhin die wichtigsten Biokraftstoffe. Diese ausgereiften und etablierten Verfahren ermöglichen eine verlässliche, stabile Versorgung mit erneuerbaren Energieträgern. Überdies ist die Produktion von Biokraftstoffen bereits Teil von Bioraffinerien: Vielfach bringen diese Multi-Produkt-Anlagen Koppelprodukte hervor, die beispielsweise im Bereich der Tierfutterherstellung oder der chemischen Industrie sowie als Dünger eingesetzt werden.
Mit Blick auf die Nutzung von Rest- und Abfallstoffen wurde in den letzten Jahren die Entwicklung und Etablierung fortschrittlicher Biokraftstoffe stärker forciert. Diese heterogenen Ressourcen resultieren in vielfältigen Herausforderungen für die Technologien zur Produktion der erneuerbaren Kraftstoffe. Dies lässt sich auch am technischen Entwicklungsstand der jeweiligen Verfahren erkennen. Mit besonderem Augenmerk auf eine geschlossene Kreislaufwirtschaft zeigt dieser Ansatz jedoch große Potenziale, wertvolle Ressourcen zu schonen und vermeidbare Treibhausgasemissionen (THG-Emissionen) einzusparen.
Strombasierte Kraftstoffe beschreiben gasförmige und flüssige Energieträger, die durch erneuerbare Energien bereitgestellt werden. Im Falle von kohlenwasserstoffhaltigen Produkten ist zudem eine Kohlenstoffquelle notwendig. Einen besonderen Anspruch an die Technologien stellt hierbei die lastflexible Fahrweise.
3.1 Technologierouten im Überblick
Die Bereitstellung erneuerbarer Kraftstoffe für den Verkehr kann über eine Vielzahl an Möglichkeiten erfolgen, die Komplexität der Verfahrensoptionen ist anhand der folgenden Abbildung 3-1 ersichtlich.
Weiterführende Informationen:
Abbildung 3-1 Bereitstellungsoptionen erneuerbarer Kraftstoffe für den Verkehr – Darstellung der jeweiligen Ressourcen,
Vollständigkeit, CH4DryRef: Methan-Trockenreformierung, CH4Oxi: Methanoxidation, CH4Pyro:
Methanpyrolyse, SteamRef: Dampfreformierung, EtOH: Ethanol, HTL-KS: Kraftstoff aus der hydrothermalen Verflüssigung
Ziel dieser Darstellung ist die Verknüpfung der Produktionstechnologien mit den jeweiligen Ressourcen, dem entsprechenden technologischen Entwicklungsstand sowie den resultierenden Energieträgern.
Überdies sollen (potenzielle) Schnitt- und Anknüpfungspunkte zwischen den Technologien aufgezeigt werden.
Nachfolgend findet sich nach einer Einführung in die Bewertung des technischen Entwicklungsstandes von Kraftstoffproduktionsverfahren eine umfängliche Auswahl an Verfahrensbeschreibungen aktueller und zukünftiger Produktionstechnologien mit Verweis auf beispielhafte Initiativen sowie Forschungs- und Entwicklungsbedarfe. Auf dieser Auswahl aufbauend werden weitere Informationen zu möglichen Ressourcen in Abschnitt 4 sowie die detaillierte Analyse der THG-Emissionen und Gestehungskosten in den Abschnitten 7 und 0 gegeben.