Energieeffizienz in der Logistik

Konzepte, Modelle und weiterer Forschungsbedarf


Bachelorarbeit, 2013

116 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

0 Einleitung

1 Klassifizierung von Transportg ütern

2 Transportmittel im G üterverkehr aus heutiger Sicht
2.1 Heutige Transportmittel und ihre Merkmale
2.2 Vergleich von Rentabilität und Ökologie heutiger Transportmittel
2.2.1 Vergleich der Rentabilität
2.2.2 Vergleich der Ökologie
2.3 Gegenwärtige Aufteilung des Güterverkehrsaufkommens auf die Transportmittel

3 Maßnahmen zur Verringerung der Umweltbelastung durch den G üterver- kehr
3.1 Verkehrsvermeidung / -verminderung
3.2 Verkehrsverlagerung
3.3 Effiziente Fahrweise
3.4 Moderne Fahrzeugtechnologien
3.4.1 Vorstellung alternativer Kraftstoffe und Antriebstechniken
3.4.2 Forschung, Entwicklung und Realisierung im Straßengüterverkehr .
3.4.3 Forschung, Entwicklung und Realisierung im Schienengüterverkehr
3.4.4 Forschung, Entwicklung und Realisierung im Binnenschiffverkehr .
3.5 Politische Maßnahmen

4 Wirtschaftliche und ökologische Bewertung von Transportmitteln
4.1 Wirtschaftliche Bewertung
4.1.1 Werkverkehr
4.1.2 Gewerblicher Güterverkehr
4.2 ÖkologischeBewertung
4.2.1 Durchschnittsbetrachtung
4.2.2 Transportmittelspezifische Betrachtung
4.3 Beispielrechnung
4.4 Kritische Würdigung

5 Zusammenfassung und Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Symbolverzeichnis

Abk ürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Anh ¨ange
A Abbildungen
B Tabellen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit mit dem Titel

”EnergieeffizienzinderLogistik-Konzepte,Modelle

und weiterer Forschungsbedarf“ werden Wirtschaftlichkeit und Ökologie von Transportmitteln verglichen, um externe umweltrelevante Kosten neben der Rentabilität als zweites Kriterium bei der Transportmittelauswahl zu etablieren

Dafür werden zunächst Transportmitel aus heutiger Sicht vorgestellt und ihre Rentabilität und Ökologie verglichen. Es werden Maßnahmen aufgezeigt, mit denen die Umweltbelastung durch den Güterverkehr gesenkt werden kann. Dabei liegt der Fokus auf alternativen Antrieb- stechniken und Kraftstoffen. Ihre Merkmale, Energieeffizienz und Potenziale zur Verringerung der Umweltbelastung werden vorgestellt und der Stand von Forschung, Entwicklung und Rea- lisierung im Straßen- und Schienenverkehr sowie in der Binnenschifffahrt beschrieben

Zudem wird ein Modell zur wirtschaftlichen und ökologischen Bewertung von Transport- mitteln aufgestellt. Eine Herausforderung stellen dabei die Quantifizierung und die Monetari- sierung von Umweltwirkungen dar. Die hauptsächliche Datengrundlage dafür ist die 2011 von den Forschungsinstituten CE Delft, INFRAS und Fraunhofer ISI im Auftrag der International

Union of Railways (UIC) veröffentlichte Studie

”ExternalCostsofTransportinEurope,Update

Study2008 “. Das Modell wird auf ein einfaches Beispiel angewendet

0 Einleitung

Die Medien publizieren seit einigen Jahren Schlagzeilen wie diese:

”Dürre,Regen,Wirbelstürme-KlimawandelverstärktNaturkatastrophen“(N-TV (2013)),

”Lateinamerika:WasserversorgungindenAndenzunehmendgefährdet“(LATIN PRESS (2013)),

”Klimawandel:MaledivenkönntenimMeerversinken“(TLZ(2013 )),

”ArktischesMeereisschmilztweiter“(RADIOBREMEN (2013 )),

”Forscher:OhneKlimaschutzerwärmtsichdieErdeweiter“(HA(2013 )).

Die Verbrennung fossiler Energieträger zur Energienutzung durch die Menschen setzt Treibhausgase frei und verstärkt so die zahlreichen dramatischen Folgen des Klimawandels. Der Güterverkehr bzw. der außerbetriebliche Transport, d. h. die Ortsveränderung von Transportgütern vom Lieferanten zum Kunden oder zwischen Lager- und Werksstandorten eines Unternehmens (vgl. LASCH (2012), S. 252), leistet dazu einen erheblichen Beitrag. In Deutschland wurden 2010 50 Mio. Tonnen (t) Kohlenstoffdioxid (CO2) vom Güterverkehr emittiert (vgl. DESTATIS (2013b), S. 42), was inklusive der Vorkette ca. 10 % der in Deutschland ausgestoßenen CO2-Emissionenen entspricht (vgl. HBS (2012), S. 107).

In einer alten Indianerweisheit heißt es, dass

”wirdieErdenichtvonunserenVäterngeerbt,

sondern von unseren Kindern geliehen haben“ (BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. VII). Die- se vorausschauende Sichtweie sollte auch im unternehmerichen Handeln berücksichtigt werden.

Heutzutage orientieren sich Unternehmen vielmehr kurzfristig am ”Shareholder-Value“,dem Vermögenswert (Value) der Anteilseigner (Shareholder), und damit an Größen wie Rentabilität, Kapital- und Aktienwerten. Ein langfristiges und nachhaltiges Handeln sollte sich dagegen am ”Stakeholder-Value-Ansatz“ausrichten,d.h.auchAuswirkungenaufAnspruchgruppen(Stake- holder) wie Mitarbeiter, Lieferanten, Kunden und Umwelt in unternehmerische Entscheidungen einbeziehen.

Im Bereich des Güterverkehrs betrifft das die Auswahl des Transportmittels, die bisher in Unternehmen zumeist an Hand von Rentabilitätskriterien getroffen wird. Umweltfreundliche, aber teurere Technologien wie die Hybrid-Technik oder der Kraftstoff Biomass-to-Liquid werden nur sehr selten verwendet.

Um die Folgen des Klimawandels in einem vertretbaren Rahmen zu halten, hat sich die in- ternationale Klimapolitik auf das2 -Grad-Ziel verständigt, das eine globale Erwärmung von maximal2 ° Celsius im Vergleich zum Niveau vor der Industrialisierung vorsieht. Dafür müssen die weltweiten Treibhausgasemissionen bis 2050 im Vergleich zu 1990 um 50 % bzw. in den Industrieländern um 80 bis 95 % sinken. Da in anderen Wirtschaftszweigen größere Emissi- onseinsparungen möglich sind, sieht die Komission der Europäischen Union (EU) für den Ver- kehrssektor in der EU eine Senkung von 60% vor (vgl. EU-KOMMISSION (2011b), S. 3). Mit Bezug auf das Kyoto-Protokoll strebt die Kommission eine Senkung der Treibhausgasemissio- nen bis 2020 um 25 % im Vergleich zu 1990 an (vgl. EU-KOMMISSION (2011a), S. 4).

Außer dem Umweltaspekt gibt es weitere Gründe, die heute eingesetzten Verkehrsmittel im Güterverkehr, insbesondere Straßenfahrzeuge zu überprüfen und sie gegebenenfalls durch alter- native Transportmittel zu ersetzen. Ein Grund ist die Knappheit fossiler Ressourcen, begünstigt durch den Anstieg des weltweiten Energiebedarfs. Dieser wird durch den steigenden Welthan- del, die wachsende Weltbevölkerung und den zunehmenden Wohlstand in Schwellenländern beschleunigt. Diese Knappheit führt zu steigenden Energiepreisen und erhöhter politischer und wirtschaftlicher Abhängigkeit. Bei Fortbestehen des aktuellen Bedarfs und der derzeitigen För- dermengen reichen die Erdölreserven noch ca. 42 Jahre. Etwa 64 Jahre wären sie bei Erschlie- ßung weiterer Reserven zu höheren Förderkosten verfügbar (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 64). Außerdem führt eine überlastete Verkehrsinfrastruktur zu verstopften Straßen und Staus, mindert die Produktivität und erhöht Umweltschäden. Trotz dieser Negativwirkun- gen ist der Güterverkehr für die Versorgung der Bevölkerung mit Gütern und damit den Erhalt einer gewissen Lebensqualität unerlässlich (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 57).

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf den negativen Umweltwirkungen des Güterverkehrs, die nicht nur den Klimawandel, sondern auch Boden- und Wasserverschmutzung, die Folgen von Luftverschmutzung und Lärm sowie Auswirkungen auf Natur und Landschaft umfassen.

In dieser Arbeit werden Konzepte, Modelle und weiterer Forschungsbedarf im Bereich der Energieeffizienz in der Logistik untersucht. Energieeffizienz im Allgemeinen ist das Verhältnis einer bestimmten Outputmenge zu einer Energieinputmenge. Somit kann Energieeffizienz als Vergleichs- und Entscheidungsmaßstab genutzt werden, um beschränkt verfügbare Ressourcen möglichst optimal auszunutzen (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 23-25). Im Ver- kehrsbereich wird meist der Wirkungsgrad eines Transportsystems, d. h. der Anteil der Energie, der in nützliche Arbeit umgewandelt wird, als Kriterium zur Bewertung der Energieeffizienz herangezogen. Für die Zielstellung dieser Arbeit ist als Vergleichsmaß der Transportmittel nicht nur dessen Wirkungsgrad bedeutend, sondern auch die Umweltwirkungen pro Beförderungs- leistung / Güterverkehrsleistung. Diese in Tonnenkilometer (tkm) angegebene Größe ist das Produkt aus dem Gewicht der transportierten Gütermenge in t und der zurückgelegten Trans- portdistanz in km (vgl. DESTATIS (2013b), S. 54). Negative Umweltwirkungen sind externe Effekte, d. h. dass der Transportvorgang Auswirkungen auf unbeteiligte Dritte hat, die der Scha- densverursacher nicht ausgleicht.

Ziel der Bachelorarbeit ist der Vergleich von Wirtschaftlichkeit und ÖkologievonTransport- mitteln, um externe Kosten neben der Rentabilität bei der Transportmittelauswahl zu berück- sichtigen. Dazu wird zunächst in Kapitel 1 eine Klassifizierung von Transportgütern vorgenom- men, bevor in Kapitel 2 Transportmittel im Güterverkehr aus heutiger Sicht vorgestellt und ihre Rentabilität und Ökologie verglichen werden sowie die gegenwärtige Aufteilung des Güter- verkehrsaufkommens auf die Transportmittel dargelegt wird. Anschließend werden in Kapitel 3 Maßnahmen zur Verringerung der Umweltbelastung durch den außerbetrieblichen Transport erläutert, deren Vor- und Nachteile erklärt, ihr aktuelles Forschungs- und Realisierungsniveau geschildert und zukünftige Potenziale beurteilt. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf alterna- tiven Antriebstechniken und Kraftstoffen. In Kapitel 4 wird ein Modell aufgebaut, mit dem ein Transportmittel wirtschaftlich und ökologisch bewertet werden kann und das Unterstützung bei der Transportmittelauswahl leistet. Dafür werden Umweltwirkungen monetarisiert. Zuletzt erfolgt in Kapitel 5 eine Zusammenfassung der Ergebnisse und ein Ausblick auf zukünftige Forschung und Tendenzen.

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Teilprojekts jekts

”LogistikundProduktion“desGesamtpro-

”Energetisch,logistischundwirtschaftlichoptimierteProduktionimSmartGrid“(Smart ELWoP) am Institut für Technische Logistik und Arbeitssysteme der Fakultät Maschinenwe- sen der Technischen Universität Dresden (TU Dresden) verfasst. Das Projekt hat zum Ziel, das Zukunftsproblem ”DynamischeProduktionimdezentralenNetzvonFabriken“unterganzheit- licher Berücksichtigung logistischer, energetischer und wirtschaftlicher Aspekte zu erforschen. Die Aufgabenstellung für diese Arbeit verlangt die Untersuchung von Transportsystemen. Durch Literaturrecherche wurde festgestellt, dass Transportsysteme die Interaktion von Trans- portmittel, Transportgut und Transportprozessen umfasst, d. h. logistische Prozesse wie Lage- rung, Kommissionierung, Verpackung, Umschlag und nicht-logistische Prozesse wie Verzol- lung mit einschließt (vgl. LASCH (2012), S. 252). Als geeigneter für die Zielstellung dieser Arbeit wird der Begriff Verkehrsmittel erachtet. Für ihn gibt es mehr oder weniger umfassende Definitionen. Für diese Arbeit ist die Definition im engeren Sinne relevant, die das Verkehrsmit- tel als mobile Einheit, die die Ortsveränderung von Personen, Gütern und Nachrichten bewirkt, beschreibt. Die Begriffe Verkehrsträger, Transportmittel und Fahrzeug werden in dieser Ar- beit als Synonym für Verkehrsmittel verwendet, auch wenn sie in verschiedener Literatur teils unterschiedlich voneinander abgegrenzt werden (vgl. AMMOSER UND HOPPE (2006), S. 30 f.). Relevant ist dabei nur der außerbetriebliche, nicht jedoch der innerbetriebliche Transport. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt eher im Nah- und Regional- als im Fernverkehr, d. h. die Transportmittel Lastkraftwagen, Eisenbahn und Binnenschiff werden intensiver untersucht als Seeschiffe und Flugzeuge.

1 Klassifizierung von Transportg ütern

In der Literatur werden Transportgüter in die Klassen Massen-, Stück- und KEP-Güter eingeteilt (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 56).

Massengüter sind Güter mit gleichmäßigen physikalischen Eigenschaften, deren Beförderungseinheiten nicht nach Stückzahl, sondern nach Volumen und Gewicht gemessen werden. Sie werden weiter in Güter sperriger (z. B. Baumstämme), granulöser (Schüttgut, z. B. Erz, Kohle) und flüssiger Form (z. B. Chemikalien) untergliedert. Der Massengütertransport dient der Beförderung größerer Mengen von Gütern mit geringem Wert-Gewichts-Verhältnis (vgl. STÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 78-82).

Bei Stückgütern handelt es sich um Güter, die verpackt oder unverpackt an einem Stück zu transportieren sind. Sie sind zu größeren Packstücken oder Ladeeinheiten zusammenfassbar. Stückgut umfasst Ladungen, die nur von einem Lkw oder von einem Gabelstapler transportiert werden können. Das Sendungsgewicht liegt zwischen 31,5 kg und 3 t. Wichtige Vertreter der Klasse sind Nahrungs- und Futtermittel, Maschinen, Leder- und Textilgüter. Sie weisen ein hohes Wert-Gewichts-Verhältnis auf (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 82-87).

Zu den KEP-Gütern (hier KEP = Kurier-Express-Paket, auch Kurier-, Express- und Paket- dienst) zählen Güter mit relativ geringem Volumen oder Gewicht wie Briefe, Päckchen, Do- kumente, aber auch andere zeitkritische Güter. Das Sendungsgewicht liegt unter 31,5 kg. Bei einem Gewicht von unter 2 kg handelt es sich um Post bzw. Briefe. Der Tranpsort erfolgt meist zuverlässig in relativ kurzer Zeit (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 87-91).

Des Weiteren sind besondere Charakteristika der Güter wie die Temperatur (z. B. bei Le- bensmitteln), das Hängen von Kleidern oder die Hochwertigkeit von Produkten (z. B. Schmuck, Uhren) beim Transport zu berücksichtigen (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 21).

Auf EU-Ebene wurde 2008 die NST - 2007, ein ”EinheitlichesGüterverzeichnisfürdieVer- kehrsstatistik“ für Datenlieferungen an das Statistische Amt der EU (Eurostat) eingeführt. Sie wurde von der EU-Kommission für alle Verkehrsträger erarbeitet, weil in der ”Verordnungzur Schaffung einer neuen statistischen Güterklassifikation in Verbindung mit den Wirtschaftszwei- gen“ (vgl. EUROP ÄISCHES PARLAMENT / RAT (2008)) eine Anpassung anderer europäischer Güterklassifikationen an die ”Statisticalclassificationofproductsbyactivity“(CPA),zudeutsch ”StatistischeGüterklassifikationinVerbindungmitdenWirtschaftszweigen“gefordertwird. Die NST -2007 gliedert die Güter durch zwei Gliederungsebenen in20 Güterabteilungen (z. B.

Nahrungs- und Genussmittel oder Post, Pakete) und81 Gütergruppen (z. B. Getränke oder Post). Die Klassifizierung basiert auf den Wirtschaftsaktivitäten, aus welchen die Güter hervorgegangen sind (vgl. DESTATIS (2008), S. 3-16).

Die Art des Transportgutes und seine Eigenschaften beeinflussen maßgeblich die Auswahl von Transportmittel und weitere Transportmerkmale.

2 Transportmittel im G üterverkehr aus heutiger Sicht

Transportgüter werden auf der Straße, der Schiene oder dem Wasser, per Flugzeug oder Rohrleitung transportiert. Diese Verkehrsträger werden in Abschnitt 2.1 mit ihren Merkmale vorgestellt, in Abschnitt 2.2 anhand der Kriterien Rentabilität und Ökologie verglichen sowie typische Einsatzgebiete abgeleitet. In Abschnitt 2.3 werden die Anteile der Verkehrsträger an der Güterverkehrsleistung erläutert.

2.1 Heutige Transportmittel und ihre Merkmale

Straßeng üterverkehr:

Güterkraftfahrzeuge gehören laut Verordnung der Europäischen Gemeinschaft (EG) zur Fahr- zeugklasse N und werden wiederum in drei Fahrzeugklassen unterteilt. Die Untergliederung erfolgt anhand des zulässigen Gesamtgewichts (zGG), welches die Summe aus Leergewicht und der maximal zulässigen Ladung des Fahrzeugs darstellt (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 20). Leichte Nutzfahrzeuge, auch Kleinlaster oder -transporter genannt, haben ein zulässiges Gesamtgewicht bis unter 3,5 t und werden als Dienstleistungs- und Lieferfahrzeug eingesetzt. Die anderen zwei Klassen sind Last(kraft)wagen (Lkw) und Sattelschlepper /-zugmaschine, wo- bei erstere die Ladung auf der eigenen Ladefläche transportieren. Letztere tragen die Ladung nicht selbst, sondern ein Sattelauflieger übernimmt diese Aufgabe. Lkw können wiederum in drei Klassen unterteilt werden. Leichte Lkw mit 3,5 bis unter 7,5 t zGG führen hauptsächlich Auslieferungen im Nahverkehr durch. Schwere, nicht mautpflichtige Lkw haben ein zGG von 7,5 bis unter 12 t und sind für den Transport von Volumengütern und Auslieferungen im Re- gionalverkehr geeignet. Schwere Lkw mit einem zGG von 12 bis 40 t werden hingegen im Baustellenverkehr oder als Motorwagen eines Lastzuges genutzt. Sattelzugmaschinen haben ein zGG von 40 t bzw. 44t im Kombinierten Verkehr mit Binnenschiff oder Eisenbahn (vgl. Abschnitt 3.2). Außerdem existieren Lastzüge, auch Glieder- oder Hängerzüge genannt. Sie sind eine Kombination aus Lkw als Zugfahrzeug (Motorwagen) und Anhänger, die beide La- dung transportieren. Sattel- und Gliederzüge werden im Fernverkehr eingesetzt. Im allgemei- nen Sprachgebrauch wird der Begriff Lkw auch als Oberbegriff für alle Güterkraftfahrzeuge verwendet (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 19 f.).

Für die Fahrzeugklassen gibt es unterschiedliche gesetzliche Bestimmungen z. B. bzgl. der Emissionsgrenzwerte für Lärm und Abgase sowie die in der Straßenverkehrszulassungsverordnung (STVZO) festgelegten Abmessungen und Bremsleistungen (vgl. HBS (2012), S. 84). Insgesamt ergibt sich für Lkw eine maximale Länge von 18,75 m (vgl. LASCH (2012), S. 266), eine größtmögliche Nutzlast von 24 t und ein maximales Ladevolumen von 100 m3 (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 244). Die Abbildungen 1 und 2 zeigen skizzenhafte Darstellungen der Fahrzeugklassen und der Abmessungen.

Die Euro-Norm unterteilt Fahrzeuge anhand von Motor- und Kraftfahrzeugtyp in Schadstoffklassen mit maximalen Abgasgrenzwerten für Luftschadstoffe. Diese Abgasnorm differenziert u.a. nach Antriebsart und Gewichtsklasse. Die Klassen reichen von EUR I (hoher Luftschadstoffausstoß) bis EUR VI (geringer Luftschadstoffausstoß und Dieselrußpartikelfilter) und EEV (Enhanced Environmentally Friendly Vehicle) (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 28). Ab Januar 2014 ist die EUR VI-Norm für alle neu zugelassenen Lkw bindend. 2012 wurden in Deutschland über 78 % aller mautpflichtigen Fahrleistungen mit EUR V-, EUR VI- und EEVFahrzeugen erbracht (vgl. BAG (2013), S. 1).

Angetrieben werden Lkw meist mittels Verbrennungsmotor, auch Verbrennungskraftmaschi- ne (VKM) genannt, der die im Kraftstoff gespeicherte chemische in mechanische Energie um- wandelt. Dabei wird zwischen Otto- und Dieselmotor unterschieden (vgl. IINAS UND IFEU (2012), S. 26). Beide sind Hubkolbenmaschinen und wurden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entwickelt. Sie arbeiten im 2-, meist aber im 4-Takt-Verfahren mit den vier Tak- ten Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausschieben des Luft-Kraftstoff-Gemischs. Beim Ottomotor wird ein Luft-Gas-Gemisch verwendet und beim Dieselmotor ein Luft-Kraftstoff- Gemisch, welches stärker verdichtet wird. Die Verbrennung erfolgt bei ersterem mittels Zünd- kerze (Fremdzündung) und bei zweiterem durch Eigenzündung (vgl. FIS (2013h)). Im Diesel- motor wird Diesel- im Ottomotor Ottokraftstoff, auch Benzin genannt, verwendet. Beide wer- den durch Destillation von Erdöl hergestellt und sind Gemische aus hunderten verschiedenen Kohlenwasserstoffen, Additiven und Aromaten. Unterschiede sind im Verbrennungsverhalten und dem Kohlenstoffgehalt zu verzeichnen (vgl. PULS (2006), S. 21). Da der Dieselmotor pro Liter mehr Kohlenstoffatome als der Benzinmotor enthält und weniger Kraftstoff verbraucht, eignet er sich besonders für schwere Fahrzeuge (vgl. FIS (2013h) und FIS (2013g). Im deut- schen Güterverkehr wurden 2005 ca. 96% der Fahrzeugleistung gemessen in Fahrzeug-km mit dieselbetriebenen Fahrzeugen und etwa 4% mit benzinbetriebenen Fahrzeugen erbracht, wobei sich der Benzinmotor nur für leichte Nutzfahrzeuge anbietet (vgl. PROGNOS ET AL. (2009), S. 98). Der Wirkungsgrad der VKM unterscheidet sich je nach Betriebszustand. Im Volllastbe- reich wird bei gegebener Drehzahl das maximale Drehmoment bereitgestellt, was beim Be- schleunigen und der Fahrt mit hohen Geschwindigkeiten genutzt wird. Wird das maximale Drehmoment nicht genutzt, spricht man von Teillast. VKM haben im Vollllastbereich höhere Wirkungsgrade als im Teillastbereich (vgl. PULS (2006), S. 19 f.). Der Wirkungsgrad des Ot- tomotors liegt bei ca. 22 % und unter Berücksichtgung der Energiebereitstellung insgesamt bei 19 % (vgl. BMU (2012a), S. 9). Der Wirkungsgrad des Dieselmotors ist ca. 10 % höher als der des Ottomotors (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 41).

Schieneng üterverkehr:

Basis des Schienengüterverkehrs sind Güterwaggons in Regelbauart (z. B. gedeckter Waggon, offener Waggon, zweiachsiger Flachwaggon, offener Flach- oder Mehrzweckwaggon) oder Güterwaggons in Sonderbauart (z. B. Kesselwaggon, Kühlwaggon, Doppelstockwaggon für Au- totransporte oder Staubgutwaggon). Sie werden zu Waggongruppen, Halb- oder Ganzzügen gekoppelt. Moderne Züge weisen Gesamtlängen von bis zu 700 m auf. (vgl. LASCH (2012), S. 267-269). Ein Waggon hat eine Nutzlast von 25 bis 62 t (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 30)

Die ersten Eisenbahnen wurden von Dampfmaschinen angetrieben. Diese Technik wird heute aufgrund des geringen Wirkungsgrads nicht mehr eingesetzt. Heute werden zum Antrieb hauptsächlich Verbrennungs- oder Elektromotoren, die sich in Lokomotiven oder Triebwagen befinden, eingesetzt. Lokomotiven ziehen Waggons mit den Transportgütern, während Triebwagen die Transportgüter in sich transportieren (vgl. FIEDLER (1991), S. 15).

In Verbrennungsmotoren wird wie im Straßenverkehr handelsüblicher Dieselkraftstoff ver- wendet (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 130). Im Elektromotor wird die Anziehung eines durch einen elektrischen Strom induzierten Magneten zu einem zweiten induzierten oder permanenten Magneten dazu genutzt, eine Drehbewegung zu generieren. Es kommen entweder Gleich- oder Wechselstrommotoren zum Einsatz (vgl. STAN (2012), S. 268). Mit der Erfindung des Elek- tromotors 1837 und von Generatoren und Transformatoren ab 1866 konnten die ersten elek- trisch betriebenen Eisenbahnen entwickelt werden. Die Energie wurde zunächst über Batterie oder über die Gleise zugeführt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden elektrische Oberlei- tungen erfunden. Heute wird die Energie meist über sie eingespeist. Der Elektromotor allein hat einen Wirkungsgrad von über 90 %, einschließlich der energetischen Vorkette liegt er bei der Elektrotraktion nur bei 15 bis 21 % und bei der Dieseltraktion bei ca. 30 % (vgl. FIEDLER (1991), S. 15). In Deutschland werden ca. 84% der Beförderungsleistung des Schienengüterver- kehrs mit elektrisch-betriebenen Zügen, 16% mit diesel-betriebenen Zügen erbracht (vgl. UBA (2010), S. 58). International gesehen ist die Dieseltraktion allerdings die dominierende An- triebsart (vgl. WEIDELICH UND KEMPKENS (2007)). Die Elektrotraktion hat den Vorteil, dass Bremsenergie in die Oberleitung zurückgespeist werden kann und das Gewicht der Fahrzeuge relativ gering. ist (vgl. HECHT (2011), S. 12).

Wassertransport:

Beim Wassertransport wird zwischen Binnenschifffahrt, bei der die Güter auf Binnenwasserstra- ßen eines Landes tansportiert werden, und Seeschifffahrt, d. h. Ozean- und Küstenverkehr diffe- renziert. Es werden Schubschiffe, Leichter, Frachtschiffe (Schütt- und Stückgutfrachter), Tan- ker, Barge-Carrier, Container- und Feederschiffe verwendet, wobei die die ersten drei Schiffs- typen ausschließlich und Tanker teilweise für den Binnenschiffverkehr genutzt werden. Schub- schiffe und Leichter fahren gemeinsam in Schubverbänden (vgl. LASCH (2012), S. 269). Die Tragfähigkeit eines Binnenschiffs liegt meist zwischen 400 und 6.000 t. Bei Tankern kann sie bis zu 10.000 t betragen (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 17-21).

Seeschiffe werden mit Schweröl oder Marinediesel betankt. Marinediesel ist ein leichtes Gemisch verschiedener Mitteldestillate, das Diesel-typiche Eigenschaften besitzt. Schwer- bzw. Bunkeröl wird aus Abfällen der Rohölförderung gewonnen und ist sehr dicht und zähflüssig. Binnenschiffe werden mit dem Mitteldestillat Schiffsdiesel / Gasöl angetrieben, der etwas dichter als der Dieselkraftstoff Straßenverkehr ist. Zum Antrieb werden Dieselmotoren genutzt (vgl. IINAS UND IFEU (2012), S. 29 f.).

Ebenso wie im Straßenverkehr existieren in der Binnenschifffahrt Abgasnormen. Für Deutschland wurden die geltenden Richtlinen von der Zentralen Kommission für die Rheinschifffahrt (ZKR) festgelegt. Der zulässige Schadstoffausstoß hängt von der Nennleistung des Schiffs ab. Seit 2003 gilt für neu einzubauende Schiffsmotoren die ZKR I, seit 2007 die ZKR II. Weitere Grenzwerte werden in ZKR III und ZKR IV festgeschrieben, die allerdings bislang nicht gesetzlich vorgeschrieben sind (vgl. ZKR (2011)).

Luftfrachtverkehr:

Im Luftfrachtverkehr werden Flugzeuge, die von Propellerturbinen (Turboprop) bzw. Strahltur- binenkraftwerken (Düsen) angetrieben werden, eingesetzt. Kraftstoffe sind Flugturbinenkraft- stoffe, auch Kerosin genannt. Sie werden wie Benzin und Diesel bei der Erdölraffination ge- wonnen und enthalten neben Kohlenwasserstoffen Additive und andere Beimischungen, die die speziellen Qualitätsanforderungen der Turbinen erfüllen (vgl. IINAS UND IFEU (2012), S. 29).

Rohrleitungstransport:

Der Rohrleitungstransport wird für den kontinuierlichen Transport von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen, insbesondere Erdöl, Erdgas oder Wasser verwendet. Charakteristisch ist, dass Verkehrsweg, Transportmittel und -gefäß eine Einheit bilden (vgl. LASCH (2012), S. 270).

2.2 Vergleich von Rentabilit ät und Ökologie heutiger Transportmittel

2.2.1 Vergleich der Rentabilit ät

Die Rentabilität im Allgemeinen gibt das Verhältnis einer Ergebnisgröße zu einer die Ergebnis- größe bedingenden Eingangsgröße an und beurteilt somit den Erfolg des Betrachtungsobjekts (vgl. PLATHE (2005), S. 2). Im Bereich der Transportmittel kann der eingesetzte Aufwand für einen Transport als Eingangsgröße betrachtet werden, während als Ergebnisgröße die dabei erbrachte Leistung herangezogen werden kann. Eine genaue Quantifizierung der Rentabilität verschiedener Verkehrsträger ist schwierig. Stattdessen werden sie an dieser Stelle anhand von Kriterien, die Aufwand und Leistung des Transports beeinflussen, verglichen. Dazu eignen sich folgende Auswahlkriterien für Transportmittel, die nach Kosten, Leistung, Infrastruktur und Recht gegliedert sind (vgl. LASCH (2012), S. 263 f.):

- Leistungskriterien sind z. B. Transportzeit, -frequenz und -kapazität, die technische Eignung der Transportart, Vernetzungsfähigkeit, Flexibilität, Anfangs- und Endpunkte der Transportart und Zuverlässigkeit.
- Zu den Kostenkriterien der Transportmittelauswahl zählen Fracht-, Umschlag-, Verpackugs-, Transportnebenkosten (Straßennutzungs- und Hafengebühren, Standgelder, Zölle), mögliche Kooperationen und Bündelungseffekte, Konventionalstrafen bei Nichteinhaltung von Lieferfristen sowie Kosten infolge entstandener Imageverluste.
- Infrastrukturkriterien sind u.a. die Verkehrsnetzdichte bzgl. Straße, Schiene und Binnen- wasserstraße, die Lage der Standorte, die Nähe zu Flug- und Seehäfen, Umschlageinrich- tungen, die Gewerbepolitk, klimatische Bedingungen und Einstellungen der Bevölkerung.
- Zu den rechtlichen Kriterien gehören z. B. das Transportrecht, Fahrverbote zu bestimmten Zeiten, die Umweltschutzgesetzgebung, Vorschriften über Steuern und Abgaben, Gefahrgutvorschriften und der Einfluss des Staates auf die Tarife.
- Außerdem müssen weitere Besonderheiten berücksichtigt werden, z. B. dass einige Trans- portmittel höhere Lagerkapazitäten benötigen oder Seeschiffe Verpackungsmehraufwand verursachen.

Die konkreten Aufwendungen und Leistungen hängen nicht nur vom Transportmittel, sondern auch stark von speziellen strecken- und transportgutspezifischen Merkmalen des Transportauftrags ab. Dennoch werden im Folgenden die generellen Vor- und Nachteile der einzelnen Transportmittel und die sich daraus ergebenden wichtigsten Einsatzgebiete dargelegt:

Auf längeren Strecken konkurrieren v. a. Luft- und Seefracht. Der wichtigste Vorteil der Luftfracht sind die kürzeren Transportzeiten und die damit verbundenen geringeren Kapitalbindungskosten. Zudem weist sie eine hohe Transportsicherheit und -häufigkeit, eine größere Netzdichte und eine bessere Zuverlässigkeit auf und benötigt keine seemäßige Verpackung. Nachteile des Flugzeugs sind höhere Transportkosten und die Abhängigkeit von der Wetterlage. Deshalb eignet sich die Luftfracht für Eiltransporte, kleine Sendungen, hochwertige Güter wie Computerbauteile und Produkte mit begrenzter Verweildauer in Handelsregalen wie Textilien oder frische Lebensmittel. (vgl. LASCH (2012), S. 270)

Vorteile der Seefracht sind hingegen die geringeren Transportkosten, die Möglichkeit, größe- re Massen zu transportieren und das Angebot an Spezialschiffen. Nachteilig wirken sich v. a. lange Transportzeit, aber auch die Abhängigkeit von Eisgang, Sturm und Nebel sowie die aufwändige seemäßige Verpackung aus. Das Seeschiff wird daher für größere Sendungen ein- gesetzt, die keine schnelle Lieferung erfordern (vgl. LASCH (2012), S. 269). Auf vergleichsweise kürzeren Strecken konkurrieren Straßen-, Schienengüterverkehr und Binnenschifffahrt. Im Vergleich zum Lkw zeichnet sich die Eisenbahn durch die Möglich- keit des Transports von Gefahrgut sowie größerer Transportvolumina und Einzelladegewichte und die Unabhängigkeit vom Straßenverkehrszustand aus. Im Langstreckentransport ist sie ko- stengünstiger. Allerdings müssen zeitintensive Rangier- und Umschlagvorgänge, eine niedrige- re Flexibilität, die Bindung an Fahrpläne und hohe Zusatz- und Verpackungskosten beim Mieten von Spezialwaggons in Kauf genommen werden. Eisenbahnen werden für schwere, großvolu- mige Massengüter, insbesondere Schüttgut, aber auch Stückgut eingesetzt (vgl. LASCH (2012), S. 269).

Der wichtigste Vorteil des Straßengüterverkehrs ist seine Fahrplanunabhängigkeit, was ihn flexibel macht und weniger exakte Planung erfordert. Zudem sind durch eine gut ausgebau- te Infrastruktur mit sehr vielen Zugangsstellen Haus-zu-Haus-Lieferungen möglich. Geringe- re Stillstands- und Wartezeiten führen zu kürzeren Transportzeiten und gemeinsam mit den kleineren Transportlosgrößen und den niedrigeren Sicherheitsbeständen zu geringeren Kapital- bindungs-, Lager- und Fehlmengenkosten. Die Höhe der Fehlmengenkosten der Bahn können hingegen gering bis dramatisch sein, sodass Wahrscheinlichkeiten dieser unsicheren Einfluss- größe schwer zu berechnen sind. Nachteile im Straßengüterverkehr sind Restriktionen bei Ge- fahrguttransporten, die Abhängigkeit von Verkehrsstörungen und Witterungseinflüssen und die Beschränkung des Transportvolumens auf 40 t. So eignet sich der Lkw für den Transport nahezu aller Güterarten, insbesondere für leichte und kleinere Güter (vgl. LASCH (2012), S. 266).

Die Binnenschifffahrt ist kostengünstig, ermöglicht den Transport großer Massen und Volumina und den Einsatz von Spezialschiffen. Negativ wirken sich v. a. der erhöhte Zeitbedarf und das beschränkte Streckennetz aus, sowie hohe Umschlagkosten bei fehlender eigener Anlegestelle und die Abhängigkeit von Nebel, Eisgang und Wasserstand. Somit sind Binnenschiffe besonders für den Transport von Massen- und Schüttgütern, für die lange Transportzeiten akzeptiert werden, geeignet und werden z. B. häufig für flüssige oder gasförmige Stoffe wie Rohöl oder Kraftstoffe eingesetzt (vgl. LASCH (2012), S. 270).

Die Kosten aller Verkehrsträger pro tkm unterliegen einer Kostendegression, d. h. sie sinken durch den schwindenden Anteil fixer Kosten z. B. für Bereitstellung, Be- und Entladung der Transportmittel mit zunehmender Transportdistanz. Bei vorgegebener Transportdistanz nehmen die Kosten pro tkm mit zunehmender Ladungsmenge und abnehmendem Lehrfahrtenanteil ab (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 224).

Üblicherweise hat das Flugzeug die höchsten Kosten, aber die niedrigsten Transportzeiten, während das Binnenschiff die geringsten Kosten und die höchsten Transportzeiten verzeichnet und der Lkw bei beiden Kriterien mittlere Werte aufweist. Die Bahn verzeichnet eine große Spannweite von Kosten und Transportzeiten (vgl. OECD (2010), S. 14). Während der Lkw für geringe Mengen und Entfernungen klar kostengünstiger ist, nehmen die Kostenvorteile von Bahn und Binnenschiff mit steigender Ladungsmenge und Distanz zu (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 29). Auf längeren Strecken kann die Bahn schneller als der Lkw fahren. Im Hauptlauf verzeichnet sie eine mittlere Geschwindigkeiten von ca. 100 km/h. Allerdings wird der Zeitvorteil von Zügen insbesondere auf kürzeren Strecken durch Warte- und Umschlag- vorgänge in Terminals sowie Zeitbedarfe für Vor- und Nachläufe mit Lkw im kombinierten Verkehr relativiert (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 225). Die durchschnittlichen Rei- segeschwindigkeiten liegen im Schienen- und Straßengüterverkehr bei ca. 80 km/h und in der Binnenschifffahrt bei 12 km/h (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 153). So kann der Schie- nengüterverkehr erst ab einer Entfernung im Hauptlauf von mehr als 300 km und Transpor- tumfängen von 30-35 Lkw-Ladungen mit dem Lkw konkurrieren (vgl. LASCH (2012), S. 269) und ist ab 600 bis 700 km bezogen auf Kosten und Zeit klar besser (vgl. MICHALK UND MEIMBRESSE (2012), S. 279).

Der Rohrleitungstransport ermöglicht bei hoher Auslastung sehr niedrige Transportkosten, die Unaghängigkeit von anderen Verkehrswegen, eine hohe Zuverlässigkeit und Wetterfestigkeit. Allerdings sind hohe Investitionskosten nötig und nur wenige Güterarten wie Erdöl, Erdgas und Wasser sind für den Transport geeignet (vgl. LASCH (2012), S. 270 f.).

2.2.2 Vergleich der Ökologie

Der Verkehr hat zahlreiche negative Umweltwirkungen. Diese werden im Folgenden erläutert und die Vor- und Nachteile der Tranportmitteltypen werden verglichen. Als Vergleichsmaße der Energieeffizienz eignen sich die Umweltwirkungen bezogen auf Beförderungsleistung in tkm. Aufgrund der hohen Komplexität werden in dieser Arbeit die Umweltwirkungen von Produkti- on, Instandhaltung und Entsorgung des Transportmittels und der Infrastruktur nicht berücksich- tigt.

Schadstoffausstoß:

Die durch den Verkehr ausgestoßenen Schadstoffe lassen sich in Luftschadstoffe und Klima- bzw. Treibhausgase einteilen. Sie treten sowohl direkt während des Transportvorgangs ( ”Tank- to-Wheel“) als auch indirekt bei der Energiebereitstellung auf ( ”Well-to-Tank“).DieBetrach- tung der Emissionen auf dem gesamten Lebensweg, wird ”Well-to-Wheel“genannt.

Treibhausgasemissionen sind die Hauptursache für den Klimawandel und die globale Erwärmung, die u.a. den Anstieg des Meeresspiegels und Wetterextreme begünstigen sowie negative Auswirkungen auf für Landwirtschaft, Gesundheit, Ökosystem und Biodiversität bewirken. Die wichtigsten Klimagase im Verkehrsbereich sind CO2, Lachgas (N2O) und Methan (CH4) (vgl. CE DELFT ET AL. (2011), S. 41).

Zu den bedeutendsten Luftschadstoffen zählen Stickoxide (NOx) und Partikel wie die Fein- stäube PM10 und PM2,5 und in geringerem Umfang Schwefeldioxid (SO2), Kohlenstoffmon- oxid (CO) und Kohlenwasserstoffe (HC). Kohlenwasserstoffe gehören zu den flüchtigen orga- nischen Verbindungen (VOC) bzw. zu den flüchtigen organischen Verbindungen ohne Methan (NMVOC). Sie haben direkte oder indirekte Auswirkung auf die lokale und regionale Luft- qualität und damit auf Umwelt und menschliche Gesundheit und entstehen insbesondere bei der Dieselverbrennung. Stickoxide wirken an der einseitigen Überdüngung von Gewässern und Böden mit, fördern die Versauerung des Bodens und damit das Waldsterben und verursachen die Bildung von atemwegschädigendem Ozon. Stickstoffdioxid (NO2) begünstigt Allergien und schädigt das Immunsystem, die Augen und die Schleimhäute der Atemwege. Feinstaub-Partikel wirken durch Einatmen krebserregend (vgl. ALLIANZ PRO SCHIENE (2012), S. 11).

Den größten Einfluss auf die Schadstoffemissionen hat der Energieverbrauch. Fahrzeugspe- zifische Einflussgrößen sind im Straßengüterverkehr Größe, Baujahr, Verbrennungsmechanis- mus, Treibstoffart, Euro-Norm, Fahrgestellverkleidung, die Anzahl der Antriebsachsen, die An- triebsübersetzung und die Reifenart des Lkw (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 118). Im Schienengüterverkehr sind es die technischen Parameter der Lokomotiven, der Kraftstoff bzw. der Strommix, die Waggonzahl sowie Zuglänge und -gewicht und in der Binnenschifffahrt Motortyp, Schiffstyp und Kraftstoffqualität (vgl. INFRAS ET AL. (2008), S. 47 und PLANCO UND BFG (2007), S. 115-119). Zudem ist der Energieverbrauch von Parametern der Strecke, des Tranportguts und des Fahrverhaltens abhängig (vgl. Abschnitt 4.2.2). Dennoch lassen sich allgemeine Aussagen zum Vergleich der Transportmitteltypen bzgl. der Schadstoffemissionen treffen.

Der große Vorteil von Schienen- und Binnenschiffverkehr ist der geringere Fahrwiderstand im Vergleich zum Straßenverkehr. Beim Schiff ist nur der Strömungswiderstand von Bedeutung, der allerdings aufgrund der meist niedrigen Geschwindigkeiten sehr gering ist. Die Bahn weist einen geringen Rollwiderstand zwischen Schiene und Rad und einen niedrigen Luftwiderstand auf, der nur beim erstem und beim letztem Wagen relativ hoch ist, während die Zwischenwagen im Windschatten liegen. Daher ist der Energieverbrauch von Bahn und Schiff deutlich niedriger als der von Lkw und Flugzeug (vgl. HECHT (2011), S. 12). Zudem begünstigen Staus den Energieverbrauch im Straßenverkehr.

Die durchschnittlichen Schadstoffemissionen von Lkw, Bahn, Binnenschiff und Flugzeug in g/tkm sind in Tabelle 2 tabellarisch und in den Abbildungen 3, 4 und 5 grafisch dargestellt. Es wird deutlich, dass die Schadstoffemissionen des Flugzeugs um ein Vielfaches höher als die der anderen Verkehrsmittel sind, wobei die Bahn vor dem Binnenschiff und dem Lkw die niedrigsten Werte aufweist. Ihr Vorteil liegt in den geringen direkten Schadstoffemissionen, die bei der Elektrotraktion gar nicht auftreten und lediglich bei der Dieseltraktion zu verzeich- nen sind (vgl. SCHMID (2005), S. 16). Der Beitrag der Elektrotraktion zu Klimawandel und Luftverschmutzung pro tkm ist etwa halb so groß wie der der Dieseltraktion (vgl. CE DELFT ET AL. (2011), S. 75). Beim Flugzeug muss zudem berücksichtigt werden, dass der Eintrag von NOx und CO2 in großer Höhe schädlicher als am Boden ist und dass Wasserdampfemissionen Kondensstreifen bilden, was die Erwärmung der Erdatmosphäre begünstigt. Insgesamt ist die Klimawirksamkeit des Flugzeugs mindestens doppelt so hoch wie die der CO2-Emissionen allein (vgl. UBA (2010), S. 36).

Verkehrsmittel, die mit Dieselkraftstoff betankt werden, stoßen besonders große Mengen an Luftschadstoffen aus. Rußpartikelfilter, die den Ausstoß von Partikeln begrenzen, können bei neuen Fahrzeugen eingebaut oder bei alten nachgerüstet werden und setzen sich in allen dieselbetriebenen Fahrzeugen vermehrt durch. Das trägt dazu bei, dass die gesamten Partikel- Emissisonen im deutschen Straßengüterverkehr seit den 1990er Jahren stark gesunken sind. Zudem sanken durch strenge Abgasnormen auch die Emissionen von Kohlenstoffmonoxid, Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen, während die CO2-Emissionen deutlich gestiegen sind (vgl. DESTATIS (2013b), S. 45).

Lärm:

Lärm verursacht beim Menschen Hörschäden, Schlafstörungen und psychischen Stress bis hin zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Lärmemissionen sind zwar auch von der Fahrgeschwindigkeit, der Beladung sowie Zustand und Art des Verkehrsweges abhängig. Allerdings hat bereits der Transportmitteltyp an sich großen Einfluss. Für gleiche Ladungsmengen ergeben sich für das Binnenschiff durchschnittlich um 12 db(A) (= A-bewerteter Schalldruckpegel) verringerte Schallemissionen im Vergleich zu Bahn und Lkw. Bezogen auf das menschliche Hörempinden entspricht das etwa der halben Lautstärke. Unter Einhaltung der in der 16. Bundesimmisionsschutzverordnung für Schienen- und Straßengüterverkehr festgelegten Lärmimissionsgrenzwerte und Anwendung dieser auf die Binnenschifffahrt wäre die mögliche Transportleistung pro Stunde auf der Wasserstraße 30 mal so hoch wie auf der Schiene und 15 mal so hoch wie auf der Straße (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 143-155).

Natur und Landschaft:

Die Transportinfrastruktur hat negative Auswirkungen auf Natur und Landschaft in Form von Landschaftszerschneidung und Flächenverbrauch. Je mehr Fläche sie beansprucht, desto höher sind die negativen Umweltwirkungen.

Landschaftszerschneidung durch den Verkehr ist die Zerteilung ökologisch gewachsener Zu- sammenhänge in räumlich isolierte Landschaftsgebiete durch Verkehrswege. Konsequenzen sind Einflüsse auf den Naturhaushalt und die Lebensqualität des Menschen, die Trennung von Pflanzen- und Tierpopulationen in Teilpopulationen mit weniger gegenseitigem Kontakt sowie Beeinträchtigungen dieser Lebewesen. Die letzen beiden Punkte tragen zum Artensterben bei (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 193). Die Zerschneidungseffekte durch Straßen sind in Deutschland um ein vielfaches höher als jene von Schienen, die wiederum etwa doppelt so hoch sind wie jene von Wasserstraßen (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 203).

Flächen- und Landschaftsverbrauch ist die Transformation von naturnahen zu naturfernen Flächen und verursacht damit bleibende Einbußen an produktivem Boden (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 203 f.).

Während Straßen- und Schienennetz komplett künstlich erschaffen wurden, keine weitere Nutzung der Trassen ermöglichen und eine vollständige Versiegelung bewirken, sind Was- serstraßen mit Ausnahme von Kanälen natürlich entstanden, bieten einen Lebensraum und sind kaum für Versiegelung verantwortlich. Zudem beanspruchen Straßen in Deutschland weit größere Flächen als Schienen und Wasserstraßen (vgl. PLANCO UND BFG (2007), S. 208).

Boden- und Wasserverschmutzung:

Emissionen von Schwermetallen und polyzyklischen Kohlenwasserstoffen von versiegelten Flächen der Verkehrsinfrastruktur führen zu Wasser- und Bodenverschmutzung, die Ernteschäden, verringerte Bodenfruchtbarkeit, Schäden der Wildtier-Lebensräume und Trinkwasserverschmutzung zur Folge haben (vgl. CE DELFT ET AL. (2011), S. 69). Die negativen Umweltwirkungen sind in diesem Bereich bei Güterkraftfahrzeugen am größten, gefolgt von Eisenbahnen und Binnenschiff (vgl. CE DELFT ET AL. (2011), S. 74).

Weitere Umweltauswirkungen der Binnenschifffahrt, die zu keiner der angegebenen Ka- tegorien gehören, sind Flussausbau, Unterhaltungsmaßnahmen und Wellenschlag (vgl. UBA (2010), S. 30).

Obwohl beim Rohrleitungstransport die Gefahr des Austritts der Gase und Flüssigkeiten besteht, wird er insgesamt als umweltfreudlich eingestuft. Zudem verursacht das Transportmittel eine geringe Lärmbelästigung (vgl. LASCH (2012), S. 271).

Problematisch ist, dass Umweltwirkungen intangible Güter sind, für die keine Marktpreise existieren (vgl. SCHMID (2005), S. 9). Sie gehören zu den sogenannten externen Effekten, Wir- kungen von Aktivitäten auf unbeteiligte Personen, die nicht ausgeglichen werden. Bzgl. der Schadstoffemissionen sind die Betroffenen alle Bürger inklusive späterer Generationen. bzgl. der Lärmemissionen sind es Anrainer von Verkehrswegen. Für die Kosten dieser Externalitäten wird trotz der negativen Folgen kein Preis gezahlt und sie sind nicht entscheidungswirksam. Man spricht auch von Marktversagen und externen Kosten (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 35). Externe Kosten im Verkehrsbereich können nach der Entstehung unterschieden werden. Durch die Bereitstellung der Verkehrsinfrastruktur entstehen irreversible verkehrinfra- strukturbezogene Kosten für Natur und Landschaft. Kosten des Verkehrsmittelbetriebs wie die Kosten, die durch Unfälle, Staus, Lärm, Luft- und Umweltverschmutzung entstehen, sind be- einflussbar und haben daher eine höhere Bedeutung (vgl. ABERLE (2009), S. 583 f.).

Insgesamt lässt sich feststellen, dass Bahn und Schiff umweltfreundliche Verkehrsmittel sind, während der Lkw meist umweltschädlich und das Flugzeug sehr umweltschädlich ist. Ein zusammenfassender Vergleich konventioneller Verkehrsträger anhand verschiedener Kriterien erfolgt in Tabelle 3.

2.3 Gegenw ärtige Aufteilung des G üterverkehrsaufkommens auf die Transportmittel

In Deutschland wurden 2011 4,4 Mrd. t Güter transportiert. Bei einer durchschnittlichen Wegelänge von 160 km entspricht das einer Beförderungsleistung von 654 Mrd. tkm (vgl. DESTATIS (2013b), S. 12).

Der Modal Split beschreibt die Aufteilung der beförderten Güter auf die verschiedenen Ver- kehrsträger gemessen an der Beförderungsleistung in tkm (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 66). So wurden in Deutschland 2011 71,7% der Güter per Lkw, 17,3% per Ei- senbahn, 8,4% per Binnenschiff, 2,4% per Rohrleitung und 0,2% per Flugzeug transportiert (vgl. DESTATIS (2013b), S. 14). Seit 1950 ist ein stetige Abnahme des Anteils von Bahn und Binnenschiff, die damals die dominanten Verkehrsträger waren, zu Gunsten des Lkw zu verzeichnen. Die Bahn konnte ihren Anteil seit den 1990er Jahren allerdings leicht ausbauen (vgl. BGL (2011)). Der Anteil der umweltfreundlichen Verkehrsmittel Bahn und Binnenschiff im Güterverkehr ist in Deutschland leicht höher als in anderen europäischen Ländern (vgl. DE- STATIS (2013b), S. 4). Global betrachtet nimmt die Seeschifffahrt mit einem volumenmäßigen Anteil am Welthandel von ca. 90 bis 95 %, eine dominierende Stellung ein (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 147).

Von 1999 bis 2011 stieg die Beförderungsleistung im deutschen Güterverkehr um 32 % an. Hauptgründe dafür sind das Wirtschaftswachstum und die Globalisierung, wodurch der Warenhandel zunahm und sich Transportwege vergrößerten (vgl. DESTATIS (2013b), S. 13). Zukünftig wird weltweit ein weiterer Anstieg erwartet, wobei in Deutschland der Straßengüterverkehr mit einer jährlichen Wachstumsrate von durchschnittlich 2,95 % bis 2030 wohl am stärksten wachsen wird (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 68-70).

Somit zeigt sich, dass Güterkraftfahrzeuge im deutschen Güterverkehr eine dominierende Stellung aufweisen, obwohl sie deutlich weniger umweltfreundlich als Eisenbahn oder Binnen- schiff sind. Das liegt daran, dass Unternehmen bei der Transportmittelauswahl eher Kriterien heranziehen, die sich an der Rentabilität des Transports orientieren. Das betrifft v. a. die Krite- rien Transportzeit und Flexibilität. Umweltbezogene Kriterien haben eher eine untergeordnete Bedeutung, da die Auswirkungen externe Effekte darstellen und das Unternehmen nicht direkt betreffen.

3 Maßnahmen zur Verringerung der Umweltbelastung durch den G üterverkehr

In diesem Kapitel werden Maßnahmen vorgestellt, mit denen die Umweltbelastung durch den Güterverkehr reduziert werden soll. Damit das Thema dieser Arbeit mit der erforderlichen Genauigkeit und Detailliertheit bearbeitet werden kann und weil sich das übergeordnete For- schungsprojekt auf den regionalen und nationalen Rahmen beschränkt, wird der internationale Güterverkehr und damit der Transport mit Flugzeugen und Seeschiffen, die national gesehen eine untergeordnete Rolle spielen, ebenso wenig weiter berücksichtigt wie der Rohrleitungs- transport, der nur für eine eigeschränkte Auswahl von Transportgütern eingesetzt werden kann. Die folgenden Überlegungen konzentrieren sich daher auf den Straßen- und Schienengüterver- kehr sowie die Binnenschifffahrt.

ÖkologischeMaßnahmen im Transportprozess sind in Verkehrsvermeidung bzw. -verminde- rung, Verkehrsverlagerung, effiziente Fahrweise und Einsatz moderner Fahrzeugtechnologien gliederbar (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 239). All diese Maßnahmen zielen auf die Verringerung des Energieverbrauchs der Verkehrsträger ab, was sowohl deren wirtschaftli- che als auch die ökologische Bilanz verbessert. Der Fokus dieser Arbeit liegt im Bereich mo- derner Fahrzeugtechnologien.

3.1 Verkehrsvermeidung / -verminderung

Verkehrsvermeidung soll einerseits mittels dynamischer Tourenplanung durch Telematiksyste- me erreicht werden. Dabei werden Informations- und Kommunikationstechnologien sowie ak- tuelle Verkehrsinformationen zur Tourenplanung und -steuerung genutzt. Datenströme aus Or- tung, Navigation, Daten- und Sprachkommunikation und Fahrzeugdaten werden übertragen, gesammelt, verarbeitet und in Echtzeit an die Fahrzeuge zu deren Steuerung zurückgesandt. So werden Verkehrsinfrastruktur und Umwelt entlastet (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 237).

Andererseits sind Maßnahmen zur Auslastungsoptimierung von Bedeutung, da die Verkehrsmittel bei den meisten Transporten nur mäßig ausgelastet sind und Leerfahrten, d. h. Fahrten ohne Transportgut, keine Seltenheit darstellen. Dazu zählt bspw. die Bündelung. Bei der zeitlichen Bündelung werden zukünftige Bedarfe eines Zielgebiets zu Transportlosgrößen zusammengefasst, während bei der räumlichen Bündelung Aufträge räumlich benachbarter Kunden z. B. mittels Transshipmentpoint, Cross-Docking zusammengefasst werden (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 252 f.). Des Weiteren soll die Anwendung von Modellen unternehmensübergreifender Kooperation wie Intelligente elektronische Transportmarktplätze, Verladerkooperation und Citylogistik die Auslastungen von Transportmitteln steigern.

3.2 Verkehrsverlagerung

Verkehrsverlagerung, auch ”ModalShift“genannt,beschreibtdieVeränderungdesModalSplits zu Gunsten von niedrig emittierenden Verkehrsmitteln auf Kosten höher emittierender Verkehrsmittel. Im Güterverkehr betrifft das insbesondere die Verlagerung von Transporten von der Straße auf die Schiene, aber auch die Substitution von Flügen durch Straßen-, Schienenund Wassertransporte (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 240).

Ein mögliches Konzept stellt der intermodale Verkehr dar, eine mehrgliedrige Transportkette zum Transport von Gütern durch verschiedene Verkehrsträger. Beim Wechsel des Verkehrsträgers werden nicht die Güter selbst, sondern die Ladungsträger (z. B. Container, Wechselbehälter, Straßengüterfahrzeuge) umgeschlagen und die Güter verweilen während des gesamten Transports auf diesem Ladungsträger. Zum Intermodalen Verkehr gehört der Kombinierte Verkehr, bei dem Lkw für den möglichst kurzen Vor- und Nachlauf zu und von Bahnhöfen oder Häfen eingesetzt werden, während im längeren Hauptlauf Schiff oder Bahn genutzt werden. Durch Intermodalen Verkehr werden die Vorteile der verschiedenen Verkehrsträger ausgenutzt und kombiniert (vgl. DESTATIS (2013a), S. 2).

3.3 Effiziente Fahrweise

Eine Schulung der Fahrer zu einer energiesparsamen Fahrweise ist für alle Verkehrsträger von Bedeutung. Im Straßenverkehr können bspw. durch Nutzung des Schubbetriebs, der manuel- len Schaltung und des Tempomaten sowie durch vorausschauendes Fahren bis zu 10% des Kraftstoffs eingespart werden. Fahrerassistenzsysteme unterstützen den Fahrer in bestimmten Fahrsituationen und dienen auch der Minderung des Kraftstoffverbrauchs (vgl. ST ÖLZLE UND FAGAGNINI (2010), S. 240).

3.4 Moderne Fahrzeugtechnologien

Im Bereich moderner Fahrzeugtechnologien bieten sich Maßnahmen zur Reduktion des Luftwiderstandes, zur Reduktion des Rollwiderstandes bzw. zur Verbesserung des Auftriebes, zur Verbesserung der Antriebstechnik sowie alternative Antriebstechniken und Kraftstoffe an, um negative Umweltwirkungen zu reduzieren (vgl. IFEU (2008), S. 8). Der Fokus dieser Arbeit liegt auf alternativen Antriebstechniken und Kraftstoffen. Diese werden zunächst allgemein ohne Bezug auf ein konkretes Verkehrsmittel vorgestellt.

Innovative Transportsysteme müssen sozial und ökonomisch attraktiv, umweltfreundlich und wettbewerbsfähig gegenüber existierenden Transportsystemen sein (vgl. SAVELSBERG (2011), S. 11).

3.4.1 Vorstellung alternativer Kraftstoffe und Antriebstechniken

Zu den alternativen Kraftstoffen zählen Erdgas, Autogas, Biokraftstoffe und Wasserstoff. Kraft- stoffe unterscheiden sich stark in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften. Wichtig ist die im Treibstoff gespeicherte volumenspezifische Energie, da sie die Reichweite und das notwendige Tankvolumen bestimmt. Die chemische Energie eines Brennstoffs wird entweder in Wärme und somit in Arbeit für die direkte Verwendung in Wärmekraftmaschinen oder in elektrische Energie in einer Brennstoffzelle umgewandelt (vgl. STAN (2012), S. 187).

Das einzige alternative Antriebskonzept zur VKM ist eigentlich der Elektromotor mit den Ausprägungen Brennstoffzellenfahrzeug und Fahrzeug mit Elektromotor und Akkumulator. Eine Kombination aus VKM und Elektromotor ist der Hybridantrieb. Diese drei Varianten werden im allgemeinen Sprachgebrauch als alternative Antriebstechniken bezeichnet. Andere Konzepte wie der Stirlingmotor oder der Gasturbinenantrieb werden wohl zukünftig nicht marktfähig sein (vgl. PULS (2006), S. 19 f.).

Erdgas:

Erdgas ist ein brennbares Naturgas, das fast komplett aus Methan besteht. Der geringe volumen- spezifische Energiegehalt von Erdgas im Naturzustand muss gesteigert werden, um eine ange- messene Reichweite des Fahrzeugs zu gewährleisten. Eine Möglichkeit ist, das Gas unter sei- nen Siedepunkt abzukühlen und zu ”LiquifiedNaturalGas“(LNG)zuverflüssigen.Diehäufiger verwendete Option ist die Speicherung des Erdgases unter einem Druck von ca.250 Bar, pressed Natural Gas“ (CNG) genannt. Eine andere Methode ist die Herstellung von ”Com- ”GastoLi- quids“ (GTL) durch die chemische Umwandlung von Erdgas mit der Fischer-Tropsch-Synthese (vgl. PULS (2006), S. 30-32). Erdgas ist wie Erdöl nur in beschränkten Mengen auf der Erde vorhanden.

Die CNG-Nutzung benötigt einen speziellen Gastank. Geringeren direkten Emissionen stehen im Vergleich zu konventionellen Kraftstoffen hohe indirekte Emissionen der Produktion gegenüber. Von Nachteil ist auch die höchst klimaschädliche Wirkung von Methan bei einem möglichen Austritt aus der Pipeline (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 41 f.).

Für gasförmige Kraftstoffe müssen Motoren und das Tanksytem modifiziert werden, was mit höheren Anschaffungskosten verbunden ist. Diese werden teils durch geringere Kraftstoffkosten und Abgaben nivelliert (vgl. FIS (2013f)). Außerdem ist die Herstellung des Drucktanks mit viel Aufwand und dem Einsatz von Verbundstoffen verbunden, deren Herstellung hohen Energieeinsatz erfordert (vgl. PULS (2006), S. 15).

LNG ist dem Benzinkraftstoff ähnlich und befindet sich noch in der Entwicklungsphase (vgl. STAN (2012), S. 200). Von Nachteil ist, dass Lagertemperaturen von -160° C erforderlich sind (vgl. REGGENTIN (2012).

Mit der GTL-Technologie wird synthetischer Diesel hergestellt. GTL kann mit erdölbasierten Treibstoffen gemischt und in Dieselmotoren eingesetzt werden. Es wird nahe der Erdölquelle synthetisiert und kann die Transport- und Tankstelleninfrastruktur konventioneller Kraftstof- fe nutzen. Da GTL flüssig ist, unterbleibt der Energieaufwand zur Druckspeicherung und die Effizienz ist ähnlich wie die einer VKM. Ebenso wie CNG verursacht GTL geringere direk- te CO2-Emissionen, dafür aber höhere CO2eq-Emissionen bei der Herstellung und Verteilung. Die Höhe der Well-to-Wheel-Emissionsminderung von ca. 10% ist etwas niedriger als bei CNG, weil viel Energie in der Produktion benötigt wird (vgl. PULS (2006), S. 39-42).

Autogas / LPG:

Autogas, auch Flüssiggas oder

”LiquefiedPetroleumGas“(LPG)genannt,setztsichzugleichen

Teilen aus Butan und Propan zusammen und entsteht durch die Aufbereitung von Erdgas oder bei der Raffinerie von Erdöl als Nebenprodukt. Es hat ähnliche Eigenschaften und damit auch Motorkennwerte wie Benzin. Die Dichte von LPG liegt zwischen der von Benzin und CNG. Verdichtetes Autogas wird in LPG-Tanks, die ca.1,6 bis1,7 mal so groß wie Benzinstanks sind, gespeichert, um die gleiche Reichweite zu gewährleisten (vgl. STAN (2012), S. 210-213). Im Vergleich zum Dieselmotor gibt es zwar keine Verringerung der CO2-Emissionen, aber einen geringeren Ausstoß aromatischer Kohlenwasserstoffe und Partikel und keine Schwefelemissio- nen (vgl. FIS (2013k)).

Biokraftstoffe:

Biokraftstoffe werden in eine 1. und eine 2. Generation unterteilt. Zu den Biokraftstoffen der 1. Generation gehören reine Pflanzenöle, Biodiesel und Bioethanol. Diese Kraftstoffe benötigen spezifische Biomasse und Pflanzenarten und nur bestimmte Pflanzenteile mit hohem Öl-, Zucker- oder Stärkegehalt werden verwendet (vgl. UBA (2010), S. 53).

Für reine Pflanzenöle können verschiedenste Pflanzen wie Raps, Soja oder Ölpalmen unbe- handelt oder raffiniert genutzt werden. Sie haben ähnliche Eigenschaften wie Diesel und zeigen als Kraftstoff ein ähnliches Leistungs- und Verbrauchsverhalten. Pflanzenöle werden nicht als Beimischung, sondern in Reinform verwendet (vgl. STAN (2012), S. 249). Das erfordert aller- dings Umbauten des Motors, da Pflanzenöle aufgrund ihrer Zähflüssigkeit und geringen Zünd- willigkeit nicht mit modernen Direkteinspritzern verwendet werden können (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 39).

Biodiesel ist ein Fettsäuremethylester, der durch Veresterung aus Pflanzenöl hergestellt wird. Er kann Dieselkraftstoff ersetzen oder ihm beigemischt werden(vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 39).

Bioethanol wird durch Vergärung und anschließende Destillation aus stärke- und zuckerhalti- gen Pflanzen wie Zuckerrohr, -rübe oder Mais hergestellt und kann Benzin ersetzen (vgl. UBA (2010), S. 53). Ein Vorteil von Bioethanol und Biodiesel ist die Nutzung der vorhandenen Infra- struktur durch einen flexiblen Kraftstoffanteil je nach Verfügbarkeit (vgl. STAN (2012), S. 236 f.).

Die Verwendung von Biodiesel und Pflanzenöl verursacht geringere CO2-, SO2-, Partikel-, HC- und CO-Emissionen, dafür aber höhere NOx-Emissionen (vgl. STAN (2012), S. 256). Wie auch Bioethanol sind die beiden Kraftstoffe chemisch aggressiver und können manche Dichtungsmaterialien im Motor zerstören. Somit ergeben sich höhere Kosten für Umrüstungen, Wartung und Instandhaltung (vgl. WITTENBRINK (2011), S. 177). Pflanzenöl wird daher nicht als sinnvoller alternativer Kraftstoff erachtet.

Die Biokraftstoffe der 1. Generation sind deutlich ineffizienter als die direkte stationäre energetische Biomassenutzung (vgl. UBA (2010), S. 53). Der Düngemitteleinsatz in der Landwirtschaft setzt außerdem Treibhausgase wie Lachgas und Methan frei, sodass keine positive Umweltbilanz und ein geringer Ertrag pro Fläche zu verzeichnen ist (vgl. FIS (2013b)). Zudem konkurrieren sie mit der Nahrungsmittelversorgung um landwirtschaftliche Nutzflächen. Angesichts vieler hungernder Menschen auf der Welt, der Abholzung von Regenwäldern und der Bedrohung der Artenvielfalt durch Monokulturen ist die Vorteilhaftigkeit von Biokraftstoffen fragwürdig (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 142-144). Diese zahlreichen Nachteile sollen mit den Biokraftstoffen der 2. Generation verringert werden.

Zu diesen gehören Biogas, Biomass-to-Liquid(s) (BTL) und Bioethanol auf Lignozellulose- basis. Sie werden aus unspezifischer Biomasse erzeugt und alle Pflanzenteile finden Verwen- dung (vgl. UBA (2010), S. 53 f.). V. a. schnell wachsende Bäume und Getreideganzpflanzen sowie verschiedene Abfall- und Reststoffe wie Stroh, Industrierest- oder Altholz sind dafür geeignet. Da die Biokraftstoffe der 2. Generation einen hohen Wasseranteil und einen ge- ringen Energiegehalt haben, entfällt der Großteil der Produktionskosten auf deren Transport (vgl. FIS (2013c)). Dafür verzeichnen sie bessere Erträge pro Fläche und eine bessere Klima- bilanz als die Biokraftstoffe der 1. Generation und sind bis auf die Anbaufläche keine Kon- kurrenz zur Nahrungsmittelproduktion (vgl. FIS (2013c)). Dennoch tragen die stationäre Ver- stromung fester Biomasse oder des Biogases in Kraftwärmekopplung mehr zum Klimaschutz bei (vgl. UBA (2010), S. 53). Die Höhe der Stickstoffemissionen ist abhängig davon, ob die Kraftstoffe aus Reststoffen oder landwirtschaftlich unter Düngemitteleinsatz hergestellt werden (vgl. FIS (2013j)). Die Treibhausgasbilanz, insbesondere die von Biogas, ist erheblich besser als die von Biokraftstoffen der 1. Generation. BTL und Lignozelluloseethanol befinden sich noch im Forschungsstadium. Ihr Vorteil gegenüber Biogas ist ihr flüssiger Zustand und damit größe- re Speicherdichte und Reichweite. Dieser wird aber durch einen höheren Energieverbrauch der Fahrzeuge relativiert (vgl. UBA (2010), S. 53 f.).

Biogas ist bereits eine bewährte Technologie, die Bezin oder Erdgas ersetzen kann. Es wird in Biogasanlagen mittels anaerober Vergärung von Anbaubiomasse oder Reststoffen wie Gras, Gülle oder Abfällen hergestellt und weist eine sehr gute Klimabilanz auf. Aufgrund der teuren und aufwendigen Logistik sowie der EEG-Förderung der Verstromung wird Biogas in Deutschland bisher hauptsächlich stationär und kaum als Kraftstoff genutzt (vgl. FIS (2013c)). Biogas besteht zu 50 bis 75 % aus Methan und zu 40 bis 50 % aus CO2. Durch Abtrennung von CO2 entsteht Bio-Methan, welches sich chemisch wie Erdgas verhält (vgl. FIS (2013i)).

Der synthetische Kraftstoff BTL, auch Fischer-Tropsch-Diesel (FT-Diesel) genannt, entsteht wie GTL in der Folge von Vergasung, Gasreinigung, Synthese (z. B. Fischer-Tropsch-Synthese) und anschließender Produktaufbereitung aus fester Biomasse wie Stroh-, Bioabfall oder Brenn- holz. Flächenerträge und Effizienz sind höher als bei Pflanzenöl und Biodiesel. BTL ist dem Dieselkraftstoff ähnlich und kann ohne Anpassung in Reinform oder als Beimischung im Die- selmotor eingesetzt werden (vgl. FIS (2013m)). Es können Kraftstoffarten mit verschiede- nen Eigenschaften nach Wunsch hergestellt und so die CO-, CO2-, NOx-, Partikel-, Aromate- und Schwefelemissionen drastisch gesenkt werden. Die Produktion erfordert wenig zusätzli- che Energie. Genaue Werte für Kosten und Umweltauswirkungen können noch nicht genannt werden (vgl. FIS (2013d)).

Bioethanol auf Lignozellulosebasis ist chemisch wie Bioethanol. Hauptbestandteile sind aber Cellulose, Lignin und Hemizellulose, die z. B. aus Stroh, Holz oder Gräsern gewonnen werden (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 128).

Weitere neuartige Kraftstoffe, die teils einer dritten Generation zugeordnet werden, sind hydrierte Pflanzenöle (HVO), Biobutanol, Biomethanol, Dimethylether (DME), Algendiesel und Bio-Wasserstoff (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 128).

HVO sind hochwertige Kraftstoffe, die durch Hydrierung aus zur 1. Generation gehörenden Pflanzenölen wie Palm- oder Rapsöl, aber auch aus Abfallöl oder Altfett hergestellt werden. DME ist eine Alternative zum Dieselkraftstoff, die aus Erdgas, Kohle oder noch besser aus Holzabfällen durch Vergasung und Synthese hergestellt wird. Vorteile sind die hohe Verfügbarkeit, um 95 % niedrigere CO2-Emissionen, geringere Ruß-, Partikel- und Lärmemissionen und der höhere thermische Wirkungsgrad bei der Verbrennung im Vergleich zum Dieselkraftstoff (vgl. STAN (2012), S. 257-260). Da DME im Normalzustand gasförmig ist, muss er unter hohem Druck verflüssigt werden (vgl. BPZ (2012), S. 40).

Von Algendiesel wird ein sehr hoher Flächenertrag erwartet (vgl. STAN (2012), S. 215), weil Algen zum Wachsen lediglich Licht und kein fruchtbares Ackerland benötigen, schnel- ler wachsen und einen höheren Fettgehalt als Landpflanzen haben. Es gibt verschiedene in der Forschungs- und Entwicklungsphase befindliche Zuchtverfahren (vgl. FIS (2013a)). Effizienz, Energie- und Wasserbilanz sind noch zu verbessern (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 128).

Abbildung 6 gibt einen Überblick über verwendbare Rohstoffe und Verfahren zur Biokraft- stoffherstellung. Allen Biokraftstoffen gemeinsam ist, dass für sie höhere Bereitstellungskosten für Produktion, Konversion und Distribution als für fossile Brennstoffe aufgewendet werden müssen (vgl. PULS (2006), S. 7). Bzgl. des Treibhausgasminderungspotenzial der verschiede- nen Biokraftstoffe gibt es in der Literatur unterschiedliche Angaben. Abbildung 7 vergleicht die Klimaauswirkungen von Biokraftstoffen für schwere Lkw. Da die Klimabilanz stark von der eingesetzten Energie bei der Herstellung und Distribution abhängig ist, wird ein bester und ein schlechtester Fall unterschieden. Demnach haben insbesondere die Biokraftstoffe der 2. Ge- neration eine sehr gute Klimabilanz mit Treibhausgasminderungspotenzialen von bis zu 97 %. Abbildung 8 vergleicht den Energiedichte von Biokraftstoffe anhand ihres benötigten Volumens zur Speicherung des Energiegehalts von 1 l Diesel. Je höher dieser Wert ist, desto geringer ist die Reichweite bzw. desto größer muss der Tank zur Erbringung einer angemessen hohen Reich- weite sein. Alle alternativen Kraftstoffe haben in unterschiedlichem Ausmaß gegenüber Diesel den Nachteil einer geringeren Energiedichte.

Schlussfolgernd lässt sich feststellen, dass nur die Verwendung von Alt- und Reststoffen und nicht von Anbaubiomasse ökologisch sinnvoll für die Biokraftstoffproduktion ist (vgl. UBA (2010), S. 53).

Elektroantrieb:

Kernelement des Elektroantriebs ist der Elektromotor, dessen Funktionsweise bereits in Abschnitt 2.1 beschrieben wurde. Im Batterie-Elektrofahzeug (BEV) wird die elektrische Energie in einem Akkumulator, der z. B. ein Blei- oder Nickel-Gemisch enthält, gespeichert. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte hat sich die Lithium-Ionen-Batterie am stärksten etabliert. Da ihre kurze Lebensdauer von großem Nachteil ist, werden neue Entwicklungen wie Lithium-Metall- Polymer- (insb. Lithium-Kobaltdioxid), Zink-Sauerstoff- bzw. Zink-Luft- und Lithium-Luft- Batterien forciert (vgl. STAN (2012), S. 275 f.).

Zum Aufladen der Akkumulatoren bieten sich Elektro-Ladesäulen oder Batterietauschstationen an, wo leere gegen volle Batterien ausgetauscht werden. Das Vehicle-to-Grid-Konzept sieht vor, dass Strom in das Fahrzeug fließt, wenn er billig und reichlich vorhanden ist, z. B. wenn viel Windenergie bereitgestelt wird. In einer gegensätzlichen Situation wird Strom vom Fahrzeug abgegeben (vgl. BRETZKE UND BARKAWI (2012), S. 141).

Im BEV wird die beim Bremsen freiwerdende Energie in elektrischen Strom umgewandelt und im Akkumulator gespeichert. Dieser Vorgang nennt sich Rekuperation (vgl. BMU (2012a), S. 10).

Ein großer Vorteil des Elektroantriebs ist, dass das maximale Drehmoment schon bei der Drehzahl Null verfügbar ist, während dies im Diesel-Kolbenmotor erst im mittleren Drehzahl- bereich der Fall ist (vgl. STAN (2012), S. 316). Der Wirkungsgrad des Elektromotors liegt bei ca. 86 % und der Gesamtwirkungsgrad des Elektroautos inklusive vorgelagerter Prozesse bei hervoragenden 70 % (vgl. BMU (2012a), S. 9). Im Teillastbereich, d. h. im Stadtverkehr, ist der Wirkungsgrad besonders hoch und das Fahrzeug kann vom Stillstand aus schneller beschleu- nigen. Außerdem verursacht der Elektromotor keine lokalen Abgase und ist leise (vgl. PULS (2006), S. 20).

Die Senkung der CO2-Emissionen ist vom verwendeten Strommix abhängig und deshalb schwer quantifizierbar. Während das Umweltbundesamt (UBA) bei Verwendung des gegenwärti- gen Strommix von keinem wesentlichen CO2-Minderungspotenzial gegenüber konventionellen Antrieben ausgeht (vgl. UBA (2010), S. 54), setzen die Autoren der Shell Lkw-Studie abhängig vom Strommix den Richtwert der Reduktion bei 15 bis 30 % an (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 45). Einig sind sich die Autoren in dem Bestreben, Strom vermehrt aus erneuerbaren Energien zu erzeugen.

Nachteilig wirkt sich nicht nur der hohe Platzbedarf von Batterie und Elektromotor aus. Bezogen auf die Batteriemasse ist die Speicherfähigkeit gering, was die Beschleunigung verringert und Fahrgeschwindigkeit und Reichweite begrenzt. Zudem sind Batterien teuer und ihre Lebensdauer beträgt nur wenige Jahre. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Energieaufwand bei der Herstellung der Batterien (vgl. STAN (2012), S. 275, 304 und 311).

Zur Umgehung der Problematik der Energiespeicherfähigkeit der Batterien ist es möglich und sinnvoll, die Elektroenergie erst an Bord durch Brennstoffzellen oder durch Wärmekraftmaschinen als Stromgeneratoren (serieller Hybrid, Hybrid-Elektrofahrzeug (HEV)) herzustellen (vgl. STAN (2012), S. 311).

Hybridantrieb:

Ein Hybridfahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass es von zwei Antriebsaggregaten, meist einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor, angetrieben wird und zwei Energiepeicher, normalerweise einen Akkumulator und einen Kraftstofftank, besitzt (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 44).

Unter Beachtung des besseren Wirkungsgrads des Elektromotors im Teillastbereich und der VKM im Volllastbereich ergeben sich die Hybridkonzepte serieller und paralleler Hybridantrieb. Beim seriellen Hybridantrieb wird die VKM nicht als Antrieb verwendet, sondern sie treibt den Elektromotor an. Dadurch wird die VKM immer in ihrem optimalen Lastbereich betrieben. Beim parallelen Hybridantrieb werden beide Motoren als Antrieb verwendet und wirken auf den gleichen Antriebsstrang. In einer speziellen Fahrsituation wird der jeweils günstigere Antrieb genutzt, z. B. beim Anfahren der Elektromotor und beim schnellen Fahren die VKM, eventuell unterstützt durch den Elektromotor. Beide Konzepte verringern den Verbrauch und den direkten Schadstoffausstoß (vgl. PULS (2006), S. 27).

Nach dem Anteil der elektrischen Leistung an der Gesamtleistung werden die Varianten Mikro-, Mild- und Vollhybrid unterschieden. Ein Mikrohybrid hat keine elektrischen Antrieb- saggregate. Er setzt nur Stromerzeuger ein, die beim Starten und zur Stromversorgung genutzt werden. So können im Vergleich zur VKM 3 bis 6 % des Treibstoffs eingespart werden. Ein Mildhybrid besitzt eine VKM und ein kleines elektrisches Antriebssystem, das die VKM beim Anfahren oder bei hohen Geschwindigkeiten unterstütz. Neben den Funktionen des Mikrohybrids verfügt der Mildhybrid über eine Start-Stopp-Automatik und die Boosterfunktion. Beim Boosten wird das Fahrzeug von beiden Motoren angetrieben. Insgesamt benötigt ein Mildhybrid 10 bis 20 % weniger Treibstoff. Beim Vollhybrid kann der Elektroantrieb das Fahrzeug allein bewegen. Die Funktionen des Mildhybrid werden durch die Rekuperation ergänzt. Die Energieeinsparpotenziale belaufen sich auf 30 bis 40 %. Je höher der Anteil der elektrischen Leistung ist, desto mehr Energie kann je nach Fahrgewohnheit im Vergleich zur VKM gespart werden, aber desto komplexer sind Konstruktion und Herstellung und desto teurer und schwerer sind die Fahrzeuge ( vgl. PULS (2006), S. 28f., WITTENBRINK (2011), S. 85 und STAN (2012), S. 344). Bei Hybrid-Fahrzeugen ist die Ersparnis an Schadstoffausstoß so groß wie die Kraftstoffeinsparung (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 45).

Ein anderes Konzept ist das Plug-in-Hybrid-Fahrzeug (PHVE). Es folgt dem Grundprinzip des Voll-Hybrid. Zur Aufladung der Akkumulatoren wird allerdings nicht nur die fahrzeugeige- ne VKM, sondern auch externe Stromquellen genutzt. PHVE erreichen Kraftstoffeinsparungen von bis zu 40 %.

Wie Elektrofahrzeuge haben Hybridfahrzeuge den Nachteil des hohen Energieaufwands zur Herstellung der Akkumulatoren (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 45). Bezogen auf Masse und Gewicht sind die Probleme sogar größer, da je zwei Energiespeicher und Motoren mitgeführt werden müssen. Zudem ist die komplexe Technologie teuer in der Herstellung. Der große Vorteil gegenüber Elektrofahrzeugen ist die Abwesenheit von Reichweitenproblemen, weil Erdöl der Primärenergieträger bleibt (vgl. PULS (2006), S. 28).

Wasserstoff und Brennstoffzelle:

Wasserstoff ist kein Primär-, sondern ein Sekundärenergieträger, d. h. eine Form der Energie- speicherung. Er muss unter Energieaufwand (Wärme oder Elektrizität) aus chemischen Verbin- dungen extrahiert werden. Das geschieht meist mittels Elektrolyse (vgl. PULS (2006), S. 51).

Wasserstoff kann entweder im Verbrennungsmotor oder in der Brennstoffzelle eingesetzt werden. Im ersten Fall handelt es sich um einen modifizierten Ottomotor, der mit Wasserstoff statt mit Benzin angetrieben wird. Von Vorteil ist die Möglichkeit der Betankung mit beiden Brennstoffen. Mit einem Wirkungsgrad von 42 % ist die Effizienz ähnlich gut wie die des Dieselantriebs (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 47).

Forschung und Diskussion konzentrieren sich aber auf Brennstoffzellen. Sie bestehen aus ei- ner Anode und einer Kathode, die durch einen Elektrolyt getrennt werden. Sie unterscheiden sich im verwendeten Elektrolyt und Brenngas und folglich im elektrischen Wirkungsgrad, der Betriebstemperatur, den Herstellungskosten und den Anwendungsmöglichkeiten. Zum Fahr- zeugantrieb eignet sich am besten die Polymerelektrolytbrennstoffzelle (PEMFC), weil sie eine hohe Leistungsdichte aufweist und die Anforderungen am besten erfüllt. Sie nutzt als Brenngas

Wasserstoff, als Oxidationsmittel Luft bzw. Sauerstoff und als Elektrolyt eine proteinleitende Membran. Brennstoffzellen sind Energiewandler, d. h. die chemische Energie des Brennstoffs wird mit Hilfe des Oxidationsmittels in elektrische Energie umgewandelt. Diese wird von einem Elektromotor zum Antrieb genutzt. Einziges Reaktionsprodukt ist Wasser (vgl. PULS (2006), S. 83-85).

Vorteile von Wasserstoff als Brennstoff sind seine unbegrenzte Verfügbarkeit, die Abwesenheit direkter Schadstoffe und die geringe Lautstärke bei der Brennstoffzellentechnologie (vgl. PULS (2006), S. 19 und 81).

Der besonders im Teillastbereich wirksame hohe Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wird u.a. durch den geringeren Wirkungsgrad der Elektrolyse zu einem Gesamtwirkungsgrad von nur 26 % relativiert (vgl. BMU (2012a), S. 9). So wird in der Wasserstoffproduktion viel Ener- gie verbraucht. Wird der Enegiebedarf durch fossile Energieträger gedeckt, ergeben sich bei Betrachtung der gesamten Energiekette keine CO2-Minderungspotenziale im Vergleich zu effi- zienten Verbrennungsmotoren. Wasserstoff ist nur vorteilhaft, wenn er mit erneuerbare Energie hergestellt wird. Allerdings kann durch die Substitution von konventionellem durch regenerati- ven Strom im Strommix zwei bis drei mal soviel CO2 eingespart werden wie bei der Substituti- on fossiler Kraftstoffe durch Brennstoffzellen. Erst bei einem Anteil regenerativer Energieträger am Strommix von über 50 % ergibt sich für Wasserstoff ebenso wie für Biomassenutzung ein Vorteil der Kraftstofferzeugung gegenüber der stationären Nutzung. Selbst Optimisten rechnen frühestens 2030 damit (vgl. UBA (2010), S. 55 f.). Ein weiterer Nachteil der Brennstoffzelle ist die Verwendung großer Mengen von Edelmetallen wie Platin bei ihrer Herstellung. Sie sind auf der Welt nur in geringen Mengen vorhanden und ihre Gewinnung ist aufwändig, sodass Brennstoffzellen sehr teuer sind (vgl. PULS (2006), S. 89). Zudem sind größere Leckagever- luste beim Pipelinetransport als bei Erdgaspipelines zu verzeichnen (vgl. PULS (2006), S. 75). Des Weiteren besteht die Gefahr der Detonation, wenn Wasserstoff in geschlossenen Räumen wie Tunneln freigesetzt wird (vgl. STAN (2012), S. 240).

Bisher gibt es viele offene technische Fragen und es sind weder Produktionskapazitäten noch Verteilungs-, Betankungs- und Lagerinfrastruktur für eine flächendeckende Versorgung vorhan- den. Ist ein Wasserstoffsystem aber erst einmal aufgebaut, ist kein alternatives Antriebskonzept mehr notwendig, da Wasserstoff auf der Erde unbegrenzt vorhanden ist (vgl. PULS (2006), S. 77-81). Die Brennstoffzelle ist daher langfristig ein höchst umweltfreundliches Antriebs- konzept.

3.4.2 Forschung, Entwicklung und Realisierung im Straßeng üterverkehr

Erdgas und Autogas im Straßeng üterverkehr:

Autogas und Erdgas sind bewährte Technologien mit einem hinreichend großen Vertriebsnetz in Deutschland (vgl. FIS (2013f)). Sie werden seit ca. 60 Jahren hergestellt. In Deutschland werden seit Mitte der 1990er CNG-betriebene Fahrzeuge genutzt, v. a. Pkw und Busse. Bei leichten Nutzfahrzeuge spielt die Technologie mit 14.000 Stück und einem Anteil von 0,8 % an den 2,5 Mio. Nutzfahrzeugen 2009 eine untergeordnete Rolle. Mit einer Nutzlast ab 2 t exi- stieren nur wenige hundert CNG-Lkw. Theoretisch ist es möglich, dass CNG-Fahrzeuge bis zu 10 % weniger CO2 als vergleichbare Dieselmotoren ausstoßen. In der Praxis weisen leichte Nutzfahrzeuge allerdings einen gleich hohen bis leicht erhöhten CO2-Ausstoß auf. Ein mögli- cher Grund dafür ist, dass CNG-Motoren abgewandelte Ottomotoren sind, die einen geringeren Wirkungsgrad als Dieselmotoren haben. Das CO2-Minderungspotenzial liegt somit im Bereich von 0 bis 25 %. Deutliche Verbesserungen sind bei den Partikelemissionen und Lärmemissio- nen zu verzeichnen. Keine Verringerungen gibt es bei NOx- und SO2-Emissionen im Vergleich zum Dieselmotor mit strenger Euronorm. Die Anschaffungskosten eines CNG-betriebenen Lkw sind um 10 bis 30 % höher als für einen vergleichbaren Diesel-Lkw. Andererseits sind die Treibstoffkosten pro gefahrenem km durch einen ermäßigten Mineralölsteuersatz in Abhängig- keit vom Einsatz um 5 bis 25 % geringer. Dieser Steuervorteil wird aber 2019 zurückgefahren. Bisher bieten relativ wenige Tankstellen CNG an und ein Tankvorgang dauert länger. Ein wei- terer Nachteil ist der höhere Aufwand der Fahrzeugwartung. Insgesamt berichteten die in der Shell Lkw-Studie befragten Flottenbetreiber kleiner Nutzfahrzeuge von Kostenzuwächsen von durchschnittlich 30 % im Vergleich zum Diesel-Lkw. Die CNG-Technologie ist eine ausgereifte Technik für Nutzfahrzeuge und wird vorraussichtlich weiter wachsen, aber eine Nischentech- nologie bleiben. Serienmodelle werden angeboten, die sich aufgrund der geringeren Reichweite nur im Nah- und Regionalverkehr, nicht aber im Fernverkehr eignen (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 41 f.).

LNG wird v. a. für den Ferntransport per Schiff, weniger für Kfz verwendet (vgl. PULS (2006), S. 32). Allerdings testete Volvo bis 2012 erfolgreich LNG-Lkw und stellt sie seitdem serienmäßig her. Für die Nutzung von LNG für Lkw muss eine geeignete Tankinfrastruktur errichtet werden (vgl. VOLVO (2013a), S. 19-21).

Die GTL-Herstellung wurde bereits 1922 entwickelt, zunächst aber nicht weiter verfolgt. Das änderte sich mit der Ölkrise.Da bei der Produktion beliebige Kraftstoffeigenschaften erzeugt werden können und ein hochqualitativer reiner Kraftstoff hergestellt wird, der den Motor nicht angreift, kann GTL von allen Motoren verwendet werden. Zudem wird keine eigene Tankinfra- struktur benötigt. Nennenswerte Einsparungen an Schadstoffemissionen beschränken sich auf Luftschadstoffe. Bisher werden wenige Premiumkraftstoffe mit GTL-Beimischung angeboten, die ca. 10 Ct teurer als konventionelle Kraftstoffe sind. Reiner GTL-Kraftstoff wird unter dem Namen Synfuel vermarktet. Aufgrund der wenig besseren Umweltbilanz und der begrenzten Verfügbarkeit wird GTL wohl eine Nischentechnologie zur Beimischung bleiben (vgl. PULS (2006), S. 39-42).

Weltweit gibt es ca. 200.000 erdgasbetriebene Lkw, v. a. in China, Russland und der Ukraine (vgl. VOLVO (2013a), S. 17). Besonders in den USA werden Erdgas-Lkw zunehmend erforscht und eingesetzt (vgl. INGENIEUR.DE (2013a)).

Der Anteil von LPG-betriebenen Nutzfahrzeugen an allen Nutzfahrzeugen stieg in den letzten Jahren an und betrug 2009 mit 4.600 Fahrzeugen knapp weniger als 0,2 %. Darunter sind aber nur wenige schwere Nutzfahrzeuge. LPG wird in veränderten Ottomotoren in Reinform einge- setzt. Durch die höhere Energiedichte von LPG im Vergleich zu CNG ist das Zusatzgewicht für leichte Nutzfahrzeuge um 100 kg geringer und die Reichweite mit 400 km deutlich höher. In Deutschland ist ein dichtes LPG-Versorgungsnetz vorhanden. Die Treibstoffkosten pro km sind für kleine Nutzfahrzeuge 15 bis 25 % geringer als mit Benzin. Die Kosten für die Umrüstung des Ottomotors bei leichten Nutzfahrzeugen belaufen sich auf 3.000 EUR. Aufgrund der gerin- gen Kraftstoffkosten ist die Technologie nach wenigen Jahren wirtschaftlich. Allerdings entfällt der ermäßigte Mehrwertsteuersatz 2019. Neuere Entwicklungen verwenden LPG auch in Die- selmotoren, die aber komplett umgerüstet werden müssen (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 43).

Biokraftstoffe im Straßeng üterverkehr:

Ethanol aus Zuckerrohr wird z. B. in Brasilien bereits seit ca. 1925 verwendet. Heute ist es dort der dominierende Treibstoff (vgl. STAN (2012), S. 213 f.). In Europa werden Biokraftstoffe der 1. Generation seit einigen Jahrzehnten im Straßenverkehr eingesetzt. In Deutschland darf Bioethanol seit 2006 zu 5 % dem handelsüblichen Benzin beigemischt werden (E5), seit 2011 zu 10 % (E10). Dieselkraftstoff darf bis zu 7 % Biodiesel enthalten (B7). Die Akzeptanz von B7 ist höher als die von E10, sodass die Anteile am deutschen Straßenkraftstoff 2011 für Biodie- sel bei rund 4 %, für Bioethanol bei ca. 1,5 % und bei Pflanzenöl bei wenigen Zehntelprozent lagen. In Brasilien, den USA, der EU und 20 weiteren Ländern gelten gesetzlich geregelte Bei- mischungsquoten (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 125). Die weltweite Biokraftstoffproduktion stieg von 16 Mrd. t im Jahr 2000 auf 100 Mrd. t 2010. Damit liegt der Anteil der Biokraftstoffe bei 2,7 % des Gesamtkraftstoffverbrauchs, wobei er in Brasilien und den USA am höchsten ist und in Europa ca. 3 % beträgt (vgl. IEA (2011), S. 55). Abbildung 9 zeigt, welche Biokraftstoffe in welchen Mengen auf der Welt hergestellt werden.

Für höhere Beimischungsverhältnisse als 10 % für Benzin und 7 % für Diesel wären speziel- le Fahrzeugausrüstungen wie ”FlexibleFuelVehicles“(FFVs)notwendig(vgl.ADOLFETAL. (2013), S. 130). Scania verkauft bspw. einige Lkw mit Euro-V-Motor, die zu 100 % mit Biodie- sel betankt werden können. Diese müssen häufiger gewartet werden. Die Technik entwickelt Scania auch für den Euro-VI-Motor, wobei die Betriebssicherheit und die lange Lebensdauer zentrale Entwicklungsfelder sind (vgl. BENN ÜHR (2012)). Im deutschen Großhandel ist Biodie- sel ca. 50 % teurer als handelsüblicher Dieselkraftstoff. Das wird allerdings durch eine Ermäßi- gung bei der Mineralölsteuer ausgeglichen (vgl. DLR UND HWWI (2010), S. 40 f.).

Die Biokraftstoffe der 1. Generation decken bisher 99 % der weltweiten Biokraftstoffpro- duktion (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 128). Pflanzenöle sind in modernen Dieselmotoren aufgrund technischer Probleme nicht mehr verwendbar. Außer Biodiesel eignen sich Biogas, HVO, DME und BTL als Ersatz für konventionellen Diesel. Die letzeren beiden können ohne Probleme zum Dieselantrieb verwendet werden (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 130).

Bei einer Nutzung von Biogas als Kraftstoff könnten im unteren Leistungssegment Gas- Ottomotoren eingesetzt werden. Im oberen Leistungssegment müssten Rumpfmotoren von Die- selmotoren auf das Otto-Prinzip umgerüstet und CNG-Tanks verwendet werden. Biogas könnte über gewöhnliche Erdgastankstellen oder direkt über Biogasanlagen bereitgestellt werden. Im Rahmen der zweiten Variante wurde 2006 im niedersächsischen Jameln die erste Biogastank- stelle als Pilotanlage in Betrieb genommen. Weitere Projekte folgten (vgl. FIS (2013l)).

BTL wird bereits unter den Namen Sunfuel und Sundiesel in geringem Mengen angeboten (vgl. FIS (2013m)).

Volvo Trucks testet in einem zweijährigen Projekt seit 2011 zehn DME-betriebene Lkw. Sie ähneln technisch einem Diesel-Lkw, wobei nur das Einspritz- und das Motormanagementsystem angepasst wurden. Zwischenergebnisse zeigen positive Erfahrungen bzgl. Leistung und Fahreigenschaften (vgl. BPZ (2012), S. 40).

Insgesamt sind Biokraftstoffe der 2. Generation heute etwa doppelt so teuer wie Diesel oder Benzin. Sie befinden sich noch in der Entwicklungsphase und werden frühestens ab 2020 nennenswerte Marktanteile erreichen (vgl. ADOLF ET AL. (2013), S. 128).

Dual-Fuel-Motor:

Eine geeignete Technologie für schwere Lkw ist der Dual-Fuel-Motor, bei dem Gas und Diesel gleichzeitig eingespritzt und zwei kleinere Tanks benötigt werden. Sie wird verwendet, weil der Kraftstoffverbrauch im oberen Leistungssegment der Lkw bei reiner Betankung mit Gas zu hoch für eine angemessene Reichweite wäre. Die Technik wird derzeit von wenigen Her- stellern entwickelt und erprobt. Der Zulieferer Bosch hat bspw. einen Zündstrahlmotor ent- wickelt, der bis zu 90 % CNG nutzt. Er benötigt im Vergleich zum normalen CNG-Motor keine Zündkerze, da stets eine geringe Menge Diesel zur Selbstzündung mit eingespritzt wird (vgl. GR ÜNIG (2012), S. 44). Der schwedische Nutzfahrzeug-Hersteller Volvo produziert als er- ster serienmäßig einen schweren Dual-Fuel-Lkw, bei dem Diesel zu 75 % ersetzt werden kann. Mit Erdgas (CNG oder LNG) betrieben soll er 10 % und mit Biogas betrieben 70 % weniger CO2 emittieren. Für den regionalen Verteilverkehr ist er optimiert, auf längeren Strecken gibt es noch Entwicklungspotenzial (vgl. VOLVO (2013a), S. 18). Die Deutsche Post DHL setzt nach erfolgreichen Tests mit 20 Dual-Fuel-Fahrzeugen von Volvo in Großbritannien und fünf in den Niederlanden zehn bis 15 in Deutschland für den Zulieferbetrieb ein (vgl. GRANZOW (2012)). Das österreichische Entsorgungsunternehmen Stipits erzeugt aus Müll selbst Biogas und setzt es für den eigenen Lkw- und Kleintransporter-Fuhrpark ein. Es wird gemeinsam mit einem Dieselanteil von 25 bis 50 % als Kraftstoff genutzt (vgl. KRUTZLER (2013), S. 19).

Batterie-Elektrofahrzeug (BEV):

Elektrofahrzeuge wurden bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts entwickelt und serienmäßig eingesetzt. Durch die zahlreichen Vorteile von Verbrennungsmotoren wurden sie allerdings bald durch diese verdrängt. Mit dem wachsenden Bewusstsein über die Knappheit der Erdölreserven durch die Ölkrisenwurde die zweite Phase der Elektromobilität (1992 bis 2005) ausgelöst, in der einige Hersteller Serienfahrzeuge mit Elektroantrieb herstellten. Durch CO2-Grenzwertvorschriften wurde die gegenwärtige dritte Phase eingeleutet (vgl. STAN (2012), S. 265-267).

Das BEV eignet sich für den regionalen Sammel- und Verteilverkehr, weil das Einsatzprofil mit dem werktäglichen Fahrbetrieb und dem abendlichen bzw. nächtlichen Aufladen strukturiert ist und so geringe Anforderungen an die Ladeinfrastruktur stellt. Zudem bieten die zahlreichen Bremsvorgänge optimale Voraussetzungen für die Bremsenergierückgewinnung. Im Gegensatz zu längeren Strecken ist die Batterie-Reichweite im regionalen Lieferverkehr ausreichend (vgl. BMU (2013), S. 20).

Viele Nutzfahrzeughersteller testen Elektro-Nutzfahrzeuge. Auf dem Markt befinden sich bisher wenige leichte Nutzfahrzeug-Modelle. Vorreiter in Europa ist Renault. Seit 2011 sind die ersten rein elektrisch betriebenen Kompaktlieferwagen des französischen Herstellers, der Kangoo Z.E. und der Kangoo Maxi Z.E., auf dem Markt (vgl. HEIERMANN (2013)). Die Reich- weite beträgt 170 km, der Laderaum bis zu 3,5 m3 und die maximale Nutzlast 595 kg. Während für ein vergleichbares Fahrzeug mit Benzinmotor 15.700 EUR aufgewendet werden müssen, kostet der Kangoo Z.E. mindestens 23.800 EUR ohne Akkumulator, der für ca. 86 EUR pro Monat gemietet wird (vgl. JACOBI (2011)). Der seit 2011 in Flottenversuchen getestete Klein- transporter e-NV200 von Nissan soll ab 2014 verkauft werden. Er eignet sich für den städti- schen Lieferverkehr. Derzeit testet Nissan den Leicht-Lkw e-NV400 mit einer Reichweite von 140 km, der in 60 Minuten 80 % der Batterie laden kann (vgl. MID (2013)). 2013 präsentier- te Volkswagen Nutzfahrzeuge auf dem Autosalon Genf den Stadtieferwagen e-Co-Motion mit Elektroantrieb. Er verfügt über eine maximale Nutzlast von 800 kg und ein maximales Lade- volumen von 4,6 m3. Wann der Transporter in serienmäßig produziert wird, ist noch unbekannt (vgl. AUTOBILD (2013)).

Die Elektrifizierung des niedrigen Lastbereichs schwerer Lkw befindet sich bei wenigen Her- stellern in der Forschungs-, Entwicklungs- und Testphase. Tests eines Elektro-Lkw mit 16 t zGG von Renault Trucks in Frankreich stuften das Fahrzeug als geeignet für den nahen Lieferver- kehr ein (vgl. VN (2013)). In der Schweiz werden derzeit einige Hundert Modelle des E-Force, dem ersten Elektro-Lkw mit 18 t zGG, im Verteilverkehr getestet.

[...]

Ende der Leseprobe aus 116 Seiten

Details

Titel
Energieeffizienz in der Logistik
Untertitel
Konzepte, Modelle und weiterer Forschungsbedarf
Hochschule
Technische Universität Dresden  (Institut für Technische Logistik und Arbeitssysteme)
Note
1,3
Autor
Jahr
2013
Seiten
116
Katalognummer
V274992
ISBN (eBook)
9783656678229
ISBN (Buch)
9783656678175
Dateigröße
2445 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
energieeffizienz, logistik, konzepte, modelle, forschungsbedarf
Arbeit zitieren
Lisa Kipp (Autor), 2013, Energieeffizienz in der Logistik, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/274992

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