Dekarbonisierung des öffentlichen Verkehrs

Umstellung auf nichtfossile Antriebe bis Mitte der 2030er Jahre
Die „Dekarbonisierung“ des öffentlichen Verkehrs, d.h. die Umstellung auf nichtfossile Antriebe, muss bis Mitte der 2030er Jahre bewältigt werden. Dies stellt den öffentlichen Verkehr im Hinblick auf die technische und praktische Umsetzung ebenso wie wirtschaftlich vor große Herausforderungen.

KCW sieht direkte elektrische Antriebe sowie differenzierte Elektrobus-Konzepte als insgesamt beste Lösungen an. Brennstoffzellenantrieb und „Power to X“ kommen aus wirtschaftlichen und ökologischen Gründen nur unter besonderen Bedingungen infrage.

Deutschland und die Europäische Union haben sich mit der Ratifizierung des Pariser Klimaabkommens verpflichtet, den Ausstoß an Treibhausgasen (THG) so zu vermindern, dass die Erhitzung des Erdklimas auf maximal zwei, im besten Fall sogar auf weniger als 1,5 Grad gegenüber der vorindustriellen Zeit begrenzt wird. Diese Herausforderung betrifft alle Sektoren der Volkswirtschaft. Derzeit liegt der Ausstoß an Treibhausgasen in Deutschland pro Kopf der Bevölkerung gut dreimal so hoch als mit diesem Ziel vereinbar.

Zur Umsetzung dieses Ziels im Verkehrssektor hat sich Deutschland verpflichtet, gegenüber 1990 eine Reduktion der THG-Emissionen um 40-42% bis 2030 und um 95-100% bis 2050 zu erreichen. Dieses erfordert neben Änderungen im Verkehrsmittelwahlverhalten auch den vollständigen Umstieg auf Fahrzeuge, die mit nichtfossilen, erneuerbaren Energien angetrieben werden, auch im öffentlichen Verkehr (vgl. Abbildung 1).

Die eingesetzte elektrische Antriebsenergie muss zudem ebenfalls möglichst aus erneuerbaren Primärenergiequellen stammen. Fossile Treibstoffe wie Erdgas, Benzin und Diesel kommen als Antriebsenergie somit nicht mehr infrage.¹

Abbildung 1: Gesetzlich vorgegebene Entwicklung der Treibhausgasemissionen in Deutschland.

Darauf aufbauend schlussfolgert der Sachverständigenrat für Umweltfragen, dass die Umstellung der Antriebstechnologien mit Blick auf die Nutzungsdauern bereits bis Mitte der 2030er Jahre abgeschlossen sein muss.² In diese Richtung zielen auch die aktuellen Bemühungen des europäischen Gesetzgebers hinsichtlich der Änderung der sogenannten „Clean Vehicles“-Richtlinie.³ Die Umstellung der Antriebstechnik alleine wird dennoch voraussichtlich nicht ausreichen, um die Ziele für den Verkehrssektor zu erreichen. Vielmehr wird eine Kombination aus Elektrifizierung, Effizienzsteigerung (z.B. durch bessere Fahrzeugauslastung), Reduzierung der Verkehrsleistung (z.B. über die Schaffung verkehrssparsamer Siedlungsstrukturen) und die Verlagerung der Nachfrage weg vom motorisierten Individualverkehr auf den nichtmotorisierten und den öffentlichen Verkehr benötigt.²

Diese Maßnahmen sind auch in finanzieller Hinsicht eine Investition in die Zukunft. Sie tragen dazu bei, dass Deutschland seine Minderungsziele hinsichtlich der Treibhausgas-Emissionen erreichen und der Bund sonst drohende Strafzahlungen wegen Verfehlung der Klimaschutzziele innerhalb der EU vermeiden kann. Gegenwärtig zeichnet sich dagegen ab, dass der Bund zur Kompensation der aktuellen Verfehlung der Ziele schon ab 2019 Emissionsrechte für ca. 600 Mio. € erwerben muss. In den 2020er Jahren könnten die notwendigen Zukäufe von Emissionsrechten die jährliche Größenordnung zweistelliger Milliardenbeträge erreichen.⁴

Für den öffentlichen Verkehr sind somit zwei zentrale Herausforderungen zu bewältigen:

1. die vollständige Umstellung auf nichtfossile Antriebe
2. die Ausweitung der Kapazität, um eine Verlagerung von Verkehrsströmen bewältigen zu können
   
   

zu 1. Umstellung auf nichtfossile Antriebe

Als nichtfossile Elektromobilität kommen zunächst die „klassischen“ elektrischen Verkehrsmittel (elektrische Eisenbahnen, U-Bahn, Tram, Obus) infrage, deren Energieeffizienz insbesondere aufgrund des direkten Einsatzes elektrischer Energie sehr hoch ist.

Im Bereich des bisherigen Dieselbusverkehrs werden derzeit unterschiedliche Konzepte erwogen.

• Einsatz von vollständig Batterie-getriebenen Fahrzeugen mit Nachtladung im Depot oder Gelegenheitsladung an entsprechender Ladeinfrastruktur im Netz;
• Einsatz von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen-Antrieb oder mit Verbrennungsmotoren, aber mit aus regenerativer Energie erzeugten synthetischen Treibstoffen („Power to X“);
• Einsatz von Elektrobussen, die während der Fahrt auf geeigneten Teilabschnitten des Linienweges per Oberleitung nachgeladen werden (Streckenladung);
• Einsatz von direkt elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, deren Stromversorgung vollständig über eine Oberleitung oder Stromschiene gesichert wird (Obus, Straßenbahn, U-Bahn).
  
  

Konkret können die Alternativen derzeit wie folgt bewertet werden:

• Teilweise ist durch die höheren Kosten alternativer Antriebe der Einsatz direkt elektrisch angetriebener Verkehrsmittel (z.B. Tram, Obus) die wirtschaftlichste Lösung.
• Überwiegend werden derzeit vollständig Batterie-getriebene Fahrzeuge erprobt und in größeren Stückzahlen eingeführt. Unsere Erkenntnisse und Berechnungen zeigen, dass diese allerdings – auch mittel- bis langfristig und selbst in den optimistischsten Szenarien – im Hinblick auf die Reichweite Beschränkungen unterliegen. Für intensiv genutzte Fahrzeuge mit langen Umläufen (typischerweise im Großstadtverkehr) sowie für schwere Fahrzeuge besteht absehbar Bedarf an alternativen Lösungen, da sonst ein deutlich höherer Fahrzeugbedarf entsteht, zuzüglich höherer Abstell-, Lade- und Wartungskapazitäten und ggf. Personalbedarf. Unabhängig vom Ladekonzept (Depot- oder Gelegenheitsladung) sind vollständig Batterie-getriebene Fahrzeuge hier also wenig wirtschaftlich.
• Wirtschaftlich und hinsichtlich der Leistungsfähigkeit erweisen sich für schwere und intensiv genutzte Fahrzeuge Elektrobusse mit Nachladung während der Fahrt (Streckenladung) als die nach aktueller Einschätzung beste Lösung für nicht vollständig spurgebundene ÖV-Systeme. Die Streckenladung bedeutet, dass auf Teilen der Fahrtstrecken eine Oberleitung vorhanden ist, über die im Fahrgastbetrieb die Batterien geladen und die Busse angetrieben werden. Dieses Ladekonzept ermöglicht den Einsatz deutlich kleinerer Batterien sowie den Einsatz schwerer Fahrzeuge mit großen Reiseweiten. Die Technologie ist im betrieblichen Einsatz bereits verfügbar und arbeitet zuverlässig; auch bezüglich Treibhausgasemissionen ist sie den reinen Batteriebus-Lösungen überlegen. Da der Anteil der Streckenabschnitte mit Oberleitung für einen wirtschaftlichen Betrieb bei nur ca. 40-60% liegen muss, können technisch übermäßig aufwändige oder in städtebaulich sensiblen Bereichen störende Oberleitungen weitgehend vermieden werden.
  
  

Abbildung 2: Primärenergie-Wirkungsgrad unterschiedlicher Antriebskonzepte im Vergleich. Darstellung: KCW.

• Brennstoffzellenantriebe und synthetische Kraftstoffe sind dagegen bei Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit regelmäßig deutlich und nur unter ausnahmsweise günstigen Bedingungen nicht unterlegen. Ihr Wirkungsgrad liegt im Hinblick auf den Einsatz von Primärenergie im Vergleich zu Obus und batterieelektrischen Bussen sehr niedrig (vgl. Abbildung 2).
• Beispielsweise wird die Verwendung von regenerativem Strom zur Erzeugung von Methan (Power-To-Gas) als klimaneutrale Energieversorgung für den Betrieb von gasangetriebenen Bussen mit CNG (Compact Natural Gas) diskutiert. Allerdings emittieren Fahrzeuge mit Gasmotoren Luftschadstoffe, die Differenz zu Dieselbussen der aktuellen Schadstoffklasse Euro VI ist vergleichsweise gering. Mit der Verwendung von Biogas werden diese Emissionen zwar erheblich reduziert. Biogas aus Reststoffen steht jedoch nur in begrenzten Mengen zur Verfügung. Eine Erzeugung von Biogas aus Anbaubiomasse zur Versorgung von Fahrzeugen wird vom Sachverständigenrat für Umweltfragen abgelehnt, da diese zu Nutzungskonkurrenzen um Anbauflächen zur Nahrungsmittelproduktion führt, die sozial und ökologisch nicht zu vertreten sind.² Die Kosten inklusive der erforderlichen Infrastruktur für Gastankstellen sind zudem hoch.
  Ausschlaggebend ist allerdings, dass die Anforderungen an Energieeffizienz nicht erfüllt werden können, da diese Antriebsart einen übermäßig hohen Primärenergiebedarf aufweist. Gasangetriebene Fahrzeuge sind elektrischen Antrieben im Ergebnis deutlich unterlegen und sollten nach Einschätzung von KCW nicht als Zieltechnologie verwendet werden.
  Günstige Bedingungen für Brennstoffzellenantriebe können zum Beispiel dann vorliegen, wenn aus der chemischen Industrie vor Ort ohnehin Wasserstoff als Abfallprodukt anfällt, der sonst abgefackelt würde. In diesem Fall wird die Bewertung eines konkreten Projektes dann anders ausfallen können.
  
  

Bei allen E-Buskonzepten ist aufgrund der höheren Investitionsbedarfe in Fahrzeuge und Ladeinfrastruktur eine Erhöhung der Betriebskosten gegenüber dem konventionellen Dieselbetrieb zu erwarten. Gleichwohl werden die Mehrkosten beim Einsatz von E-Bussen mit Streckenladung durch die niedrigere Batteriekapazität, die höhere Lebensdauer der Fahrzeuge und die effizientere Energiezuführung im Rahmen gehalten (vgl. Abbildung 3). Insbesondere bei Linien oder Achsen mit dichten Takten steigt die Wirtschaftlichkeit von Streckenladern infolge der besseren Auslastung der Oberleitungsinfrastruktur. Beim Gelegenheitslader führt eine höhere Taktdichte dagegen zu höheren Kosten, da zusätzliche Ladeeinrichtungen an den Endhaltestellen zur Gewährleistung der Betriebsstabilität erforderlich werden. Beim Depotlader sind die Mehrkosten hauptsächlich von der zu bewältigenden Laufleistung abhängig. Für Umläufe über den derzeit bei Batterie-Standardbussen verlässlich erreichbaren Reiseweiten von ca. 150 km verursacht der Einsatz von Depotladern aufgrund des höheren Fahrzeugbedarfs Mehrkosten von über 50 % gegenüber dem Dieselbetrieb.

Abbildung 3: Mehrkosten verschiedener Ladekonzepte gegenüber Dieselfahrzeugen für den Standardbus (Stand 2018). Darstellung: KCW.

Mittel- bis langfristig ist unter Berücksichtigung von Mengeneffekten und in Abhängigkeit der Entwicklung der Leistungsfähigkeit von Batterien ein Absinken der Mehrkosten zu erwarten (vgl. Abbildung 4). Dabei schneiden Streckenlader bei großen täglichen Laufleistungen unverändert am wirtschaftlichsten ab. Die Kosten für Depotlader hängen aufgrund des hohen Batteriebedarfs stark von den Batteriekosten ab und sind daher mit größeren Unsicherheiten behaftet. Für Linien mit geringer Angebotsdichte zeigen auch Gelegenheitslader perspektivisch wirtschaftliche Vorteile.

Abbildung 4: Mehrkosten verschiedener Ladekonzepte gegenüber Dieselfahrzeugen für den Standardbus (Prognoseraum für 2035). Darstellung: KCW.

Für längere Fahrzeuge werden entsprechend des höheren Energiebedarfs größere Energiespeicher benötigt, die sich insbesondere auf die Mehrkosten der batterieintensiven Ladekonzepte auswirken. Für den Gelenkbus liegen die Mehrkosten von Gelegenheitsladern und Depotladern (mit Fahrzeugmehrbedarf) bei 50-60 % bzw. 75 %. Streckenlader sind auch hier mit Mehrkosten von 20-40 % am wirtschaftlichsten.

Die Entscheidung für die jeweilige Technologie sollte auf der Grundlage einer qualifizierten Prüfung der jeweils vor Ort geeigneten (Kombination von) Alternativen erfolgen. Zu beachten ist der lange Vorlauf der Realisierung, der insbesondere mit der Planung, Genehmigung und Errichtung der notwendigen Infrastruktur und den internen Umstellungen (z.B. Ausrichtung der Werkstätten, Weiterbildung) verbunden ist – und mit der notwendigen Verfügbarkeit der erforderlichen Budgets: auch ohne Mehrleistungen für die Fahrgäste steigen die Kosten des öffentlichen Verkehrs durch die Umstellung der Antriebstechnik.⁵

Um die Umstellung zu finanzieren, ist von höchster Relevanz, dass die Gesetzgeber die neuen rechtlichen Regelungen und die Förderung auf europäischer und nationaler Ebene so gestalten, dass diese dem europäischen Grundsatz der Technologieneutralität vollständig entsprechen. Es wäre geradezu absurd, wenn durch missglückte Regelungen in neuen Rechtsvorschriften oder Förderinstrumentarien rein elektrische Verkehrsmittel (Tram, Obus, Stadtbahn, U-Bahn usw.) oder innovative Lösungen wie die Streckenladung nicht zum Einsatz kommen können, obwohl gerade sie an vielen Stellen die höchste Wirtschaftlichkeit und die größten Effekte zur Minderung der Treibhausgasemissionen aufweisen dürften.⁶

zu 2. Ausweitung der Kapazität, um eine Verlagerung von Verkehrsströmen bewältigen zu können

Als weitere Herausforderung wird zu bewältigen sein, dass eine relevante Verlagerung von Verkehrsströmen und Verkehrsleistungen auf den öffentlichen Verkehr gerade in den Ballungsräumen nur gelingen kann, wenn die Zuständigen in Gebietskörperschaften und Unternehmen hierfür mehr Kapazität schaffen (können). Die erforderlichen Planungen und auch die notwendigen Budgets der öffentlichen Hand für die Bestellung dieser Mehrleistungen befinden sich in den meisten Ländern und Kommunen bestenfalls in einem frühen Anfangsstadium. Auch hier sollte der notwendige zeitliche Vorlauf nicht unterschätzt werden.

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¹ Völlig überholt ist insoweit die Regelung in Artikel 2 Nr. 1 der Richtlinie 2014/94/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 22. Oktober 2014 über den Aufbau der Infrastruktur für alternative Kraftstoffe, die einerseits noch fossile Kraftstoffe als „alternative Kraftstoffe“ zulässt, anderseits rein elektrische Antriebe ohne Batterie gänzlich auszuschließen scheint.

² Vgl. Sachverständigenrat für Umweltfragen, Umsteuern erforderlich: Klimaschutz im Verkehrssektor, Sondergutachten November 2017, Berlin, 2017, ISBN 978-3-947370-11-5

³ Vorschlag für eine Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur Änderung der Richtlinie 2009/33/EG über die Förderung sauberer und energieeffizienter Straßenfahrzeuge vom 8.11.2017, COM(2017) 653 final. Der Vorschlag sieht Mindestquoten sauberer Fahrzeuge ab dem Jahren 2025 und 2030 vor (50/75%), die bei der Beschaffung u.a. von Bussen einzuhalten sind.

⁴ Vgl. Tagesspiegel Berlin (Abruf vom 25.06.2018): https://www.tagesspiegel.de/politik/zu-viel-co2-emissionen-klimapolitik-wird-zum-milliardenrisiko-fuer-bundeshaushalt/22724904.html

⁵ Die Umstellung auf nichtfossile Antriebe führt bei Wahl der wirtschaftlichsten Alternativen (z.B. Obus, Streckenladung bei hochfrequentierten Linien) zu nur relativ geringen Mehrkosten je Buskm; umgekehrt kann der Einsatz von ausschließlich Batterie-getriebenen Bussen mehr Fahrzeuge erfordern und damit erhebliche Kostensteigerungen bewirken.

⁶ Dieser Effekt könnte beispielsweise eintreten, wenn in die „Clean Vehicles“-Richtlinie (Fußnote 2) die veraltete Definition „alternativer Kraftstoffe“ aus der Richtlinie 2014/94/EU (Fußnote 1) übernommen würde. Insofern ist zu hoffen, dass der Europäische Gesetzgeber diese Begriffsdefinition nicht übernimmt.

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