On the economic and environmental prospects of large battery electric and fuel cells trucks compared to conventional diesel trucks

Abstract

Derzeit werden über 97% der LKW in der EU mit fossilen Kraftstoffen betrieben, was erheblich zu den steigenden CO2-Emissionen beiträgt. Laut dem Übereinkommen von Paris sollen die Gesamtemissionen des Verkehrssektors bis zum Jahr 2030 im Vergleich zu dem Jahr 1990 um 55% gesenkt werden. Des Weiteren hat sich die EU darauf geeinigt, bis zum Jahr 2050 vollständig entkarbonisiert zu sein. Die batterieelektrischen und Brennstoffzellen-LKW (auch alternative LKWs genannt) sind eine der potenziellen Lösungen dieser Probleme. Während die batterieelektrischen LKWs zunehmend an Popularität gewinnen und in die Serienfertigung gehen, werden die Brennstoffzellen-LKW noch überwiegend in Demonstrationsprojekten eingesetzt. Das Ziel dieser Masterarbeit besteht darin, die wirtschaftlichen und die ökologischen Aspekte alternativer LKW zu analysieren und sie mit den konventionellen Diesel-LKWs vergleichen, indem drei Gewichtsklassen berücksichtigt werden: leichte, mittelschwere und schwere Gewichtsklasse. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde eine Bewertung der Gesamtbetriebskosten (total cost of ownership, TCO) durchgeführt und ausgewertet. Im Weiteren wurde eine Lebenszyklus Analyse durchgeführt, die Well-To-Wheel (WTW) Emissionen sowie Herstellungs - und Recycling-Emissionen berücksichtigt. Darüber hinaus wurden Szenarien bis zum Jahr 2050 erstellt, die ein großes Potenzial alternativer LKW aufweisen. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sind: (i) Obwohl die Investitionskosten für die alternativen LKWs gegenwärtig sehr hoch sind, sind die TCOs von batterieelektrischen LKWs am niedrigsten, wenn man die derzeitigen Subventionen bei der leichten Gewichtsklasse von LKWs berücksichtigt. Dabei weisen die TCOs von Brennstoffzellen LKWs nur bei leichten-LKWs niedrigere Werte auf; (ii) Die TCOs von Brennstoffzellen-LKWs sind aufgrund der hohen Wasserstoffpreise keine günstige Wahl in der mittelschweren und schweren Gewichtsklasse; (iii) Die Umweltvorteile alternativer LKWs beziehen sich auf die für die Strom- und Wasserstofferzeugung verwendeten Primärenergieträgern; (iv) Die Gesamtemissionen der alternativen LKWs hängen stark von den Herstellungsemissionen ab, daher hat ihr Recycling eine wesentliche Auswirkung auf die Umwelt; (v) Das Szenario 2050 hat gezeigt, dass das Potenzial für Alternativen besteht, kosteneffiziente Transportlösungen zu werden, und dies könnte durch den Einfluss des technologischen Lernens erreicht werden.

Currently, over 97% of trucks in the EU run on fossil fuels, significantly contributing to rising CO2 emissions. Following the Paris Agreement, overall transport emissions should be reduced by 55% by 2030 compared to 1990. Furthermore, the EU agreed to be fully decarbonized by 2050. One of the potential solutions to these problems is battery electric and fuel cell trucks (the alternative trucks). While battery electric trucks (BET) are gaining popularity and starting with series productions, fuel cell trucks (FCT) are still mostly deployed in demonstration projects. The core objective of this work is to analyze the economic and environmental aspects of alternative trucks and to compare them with conventional diesel trucks, by considering three main weight categories; light-, medium- and heavy-duty trucks. To do so, a total cost of ownership (TCO) assessment has been conducted and evaluated. Moreover, life cycle assessment (LCA), including the well-to-wheel (WTW) emissions as well as manufacturing and recycling emissions, has been performed. Moreover, scenarios up to the year 2050 have been carried out, showing the great potential of alternative trucks. Major conclusions are: (i) Although the investment cost for alternative trucks is currently very high, the TCO of alternatives considering current subsidies is the lowest in a light-duty truck category (ii) TCO of FCTs is due to currently high hydrogen prices not a very favorable option in case of medium- and heavy-duty trucks (iii) Full environmental benefit of alternative trucks is related to primary energy sources used for electricity generation and hydrogen production (iv) Since total emissions of alternative trucks are very dependent on manufacturing emissions, their recycling has a significant impact on the environment (v) In the 2050 scenario, the impact of technological learning suggests the potential for alternatives to become cost-effective transport solutions.