Potentials of hybrid and electric cars to reduce energy consumption and greenhouse gas emissions in passenger car transport : techno-economic assessment and model-based scenarios

Abstract

Die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern sowie Abgas- und Treibhausgasemissionen sind einige der zentralen Probleme mit denen der Straßenverkehr heute konfrontiert ist. Effizientere und abgasärmere Antriebstechnologien sind ein Ansatz um diesen Problemen zu begegnen.<br />Der jüngste Trend zur Elektrifizierung des Antriebstrangs ist ein deutlicher Impuls in diese Richtung. Jedes Jahr kommen neue Hybridmodelle auf den Markt und auch die Markeinführung von Elektrofahrzeugen und Plug-In Hybriden ist für die kommenden Jahren geplant. Dies weckt die Erwartungen, dass diese Trend eines Tages zum rein elektrischen Straßenverkehr führen könnte. Die kritischen Einflussfaktoren auf diese Entwicklung, deren Zeithorizont sowie deren mögliche Auswirkungen sind heute jedoch noch ungewiss. Diese Arbeit versucht Antworten auf einige dieser Fragen zu geben. Dabei wird ein systematischer, energiewirtschaftlicher Ansatz verfolgt. Zuerst wird eine detaillierte techno-ökonomische Bewertung verschiedener Antriebstechnologien durchgeführt. Hierbei wird das gesamt Spektrum vom konventionellen bis hin zu rein elektrischen Fahrzeugen untersucht.<br />Dieses umfasst Hybridfahrzeuge mit unterschiedlichem Grad der Elektrifizierung (Mikro-, Mild- und Voll-Hybride), Plug-In Hybride, batterie-elektrische Fahrzeuge sowie Brennstoffzellenfahrzeuge. Die Ergebnisse der techno-ökonomischen Bewertung zeigen, dass Batteriekosten und Kraftstoffpreise die entscheidenden Faktoren für die Wirtschaftlichkeit von Hybrid- und Elektrofahrzeugen sind. Währen Hybridfahrzeuge bereits heute annähernd konkurrenzfähig sind, erfordern elektrische Antriebsysteme (Plug-In Hybride und E-Fahrzeuge) eine Reduktion der Batteriekosten sowie höhere Kraftstoffpreise um sich am Markt zu behaupten. Die Ergebnisse der Kostenabschätzung 2010-2050 zeigen, dass Hybridantriebe in den nächsten 10 Jahren (bis ca. 2020) die wirtschaftlichste Option darstellen werden. Mit der Reduktion der spezifischen Batteriekosten und steigenden Kraftstoffpreisen werden elektrische Antriebsysteme mittel- bis langfristig zu den wirtschaftlichsten Antriebstechnologien (nach 2020). Um die Verbreitung elektrische Antriebsysteme und deren Auswirkungen auf den Energieverbrauch und die Treibhausgasemissionen der PKW Flotte zu untersuchen wird eine modell-basierte Analyse durchgeführt. Das eingesetzte Modell kombiniert ein Bottom-up Modell der Österreichischen PKW-Flotte mit Top-down Ansätzen anhand derer Veränderungen in der Nachfrage nach der Energiedienstleistung PKW-Transport, sowie im Niveau deren Erbringung (Service Level) modelliert werden. Mit dem Modell werden Szenarien unterschiedlicher politischer und wirtschaftlicher Rahmenbedingung für den Zeitraum 2010-2050 entwickelt.<br />Vier Hauptszenarien werden analysiert, welche moderate und starke Anstiege der Energiepreise mit niedrigen und hohen Grad politischer Einflussnahme im PKW Bereich kombinieren. Die Ergebnisse zeigen, dass der Wechsel zu effizienteren Hybridfahrzeugen allein keine deutliche Reduktion von Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen bewirkt. Eine solche kann nur durch eine Verlangsamung im Wachstum des Transportaufkommens und einem deutlichen Sprung in der Effizienz der Antriebsysteme erreicht werden. Die Szenario-Ergebnisse zeigen, dass fiskalische Maßnahmen und höhere Preise fossiler Energieträger wesentlichen Treiber für diese Entwicklung sind. Höher Steuern auf Kraftstoffe und ineffiziente Fahrzeuge beschleunigen die Verbreitung elektrischer Antriebsysteme und führen darüber hinaus zu einer Verlangsamung des Flottenwachstums, zu kleineren und leichteren Fahrzeugen in der Flotte, sowie zu einer Reduktion der jährlichen Fahrleistung. All diese Effekte bewirken eine signifikante Reduktion des Energieverbrauchs der Fahrzeugflotte und einer steigenden Bedeutung von Strom als Energieträger. Mit Strom aus erneuerbaren Quellen kann deren Verbrauch an fossilen Energieträgern bis 2050 um bis zu 86 % und deren Treibhausgasemissionen um bis zu 67 % reduziert werden. Die Tatsache, dass der resultierende Strombedarf durch inländische Potentiale gedeckt werden könnte zeigt welche Möglichkeiten Strom als Energieträger für den PKW Verkehr hinsichtlich Dekarbonisierung und Diversifizierung der Energieversorgung eröffnet.<br />

Fossil fuel dependence and emissions of exhaust- and greenhouse gases are some of the major problems passenger car transport is facing today. More efficient and cleaner propulsion technologies are one approach to alleviate these problems. The recent development of car powertrain electrification heads in this direction. Every year new hybrid models are presented and the introduction of plug-in hybrid (PHEV) and electric cars is scheduled for the upcoming years. There are high expectations that this beginning process of vehicle powertrain electrification could lead to pure electric passenger car transport one day. However, the key factors that influence this development as well as the possible time horizon and the potential effects on the energy demand are to a high extend uncertain today. This thesis tries to shed light on some of these uncertainties. The key questions are analyzed systematically from an energy economic perspective. First a detailed techno-economic assessment of propulsion technologies of passenger cars is performed. Thereby, the entire range from conventional propulsion technologies to pure battery electric cars is analyzed. This includes hybrid electric vehicles (HEV) with different extents of hybridization (micro-, mild- & full hybrid), Plug-In hybrids (PHEV), battery-electric vehicles (BEV), as well as fuel cell vehicles (FCV). The results of the techno economic assessment show that battery costs and fuel prices are the key factors that affect the economic competitiveness of hybrid and electric cars. While hybrid cars are close to becoming cost effective, pure electric propulsion systems (PHEVs & BEVs) require a considerable reduction in battery cost and higher fuel prices. The results of the cost estimation 2010-2050 indicate that hybrid systems will be the least cost option in a short term (up to 2020). With a reduction of battery costs and increasing fuel prices electric propulsion systems (PHEVs and BEVs) become the best mid- to long term option (after 2020). To estimate the diffusion of electric cars and their effects on energy demand and greenhouse gas emissions of the passenger car fleet, a model-based analysis is performed. The applied model combines a bottom-up model of the Austrian passenger car fleet with top down approaches to model shifts in passenger car transport demand and transport service level. With the model scenarios for the time frame 2010-2050 under different political and economic framework conditions are developed. Four main scenarios are analyzed that combine moderate and high fossil fuel price increases, with high and low degrees of regulatory policy intervention in the passenger car fleet. The results show that energy demand and greenhouse gas emissions cannot be reduced by simply switching to more efficient hybrid cars. Considerable reductions require a deceleration in growth of transport volume and a true leap in efficiency of applied technologies. The scenario results indicate that fiscal measures and higher fossil fuel prices are the main catalysts for such a development. Higher taxes on fuels and on low efficient cars are driving a higher market share of electrified cars sooner. These measures also lead to lower average curb weights and lesser engine power of cars sold, a generally smaller fleet and lower yearly odometer readings of cars. All these effects cause a considerable reduction in energy demand of the fleet and an increasing importance of electricity as fuel. With a pure renewable electricity supply fossil energy demand of passenger car transport can be reduced by up to 86 % and greenhouse gas emissions by up to 67 % by 2050. The fact that the resultant electricity demand could be covered with domestic renewable electricity potentials points out the high potential of electricity as an energy carrier for road transport with respect to decarbonisation and diversification of the energy supply.