Szenarien und Daten

Die notwendigen CO2-Reduktionsziele können grundsätzlich auf unterschiedliche Art und Weise erreicht werden, z.B. durch Konsumverzicht oder den Umstieg auf CO2-freie technische Alternativen. Die nachfolgend verwendeten Transformations-Szenarien basieren nicht primär auf grösseren “persönlichen Einschränkungen”, da eine breite gesellschaftliche Akzeptanz dazu nicht sichtbar ist und damit eine Umsetzung bis 2050 in Frage gestellt wäre. Primär steht daher die CO2-Vermeidung durch alternative Technologien, Produkte, Verfahren etc. im Vordergrund.
Eine entsprechende Transformation der Gesellschaft unter Anwendung neuer Technologien folgt eigenen Gesetzmässigkeiten. Wir können diese Transformation zu einer treibhausgasfreien Gesellschaft nicht mit “klassischen” Umweltschutzmassnahmen, wie z.B. der Klärung der Abwässer, vergleichen. Solche Massnahmen folgen meistens dem Prinzip des Grenznutzens, d.h. die Massnahmen werden mit der Zeit immer aufwändiger und der Nutzen nimmt ab.

In vielen Fällen, wie z.B. dem “Umbau” der fossilen Personenwagen zu erneuerbaren Antrieben oder der grünen Stromproduktion, geht es um eine industrielle Transformation. D.h. Geldströme für Forschung, Produktion und Verteilung werden von fossilen und nuklearen Energieträgern auf neue Techniken und Energieträger übertragen. Die Einführung neuer Produkte folgt dabei meist einem typischen Muster (siehe Fig. 1 Produktlebenszyklen). Der Zyklus für fossil angetriebene Fahrzeuge befindet sich aktuell z.B. in der Phase “Verfall”, erneuerbare Antriebe in der “Einführungs-/Wachstumsphase”.

Fig. 1 Produktlebenszyklus, Bildquelle: https://www.business-wissen.de/produkt/7093/produktlebenszyklus-planen/

Bei der Einführung erneuerbarer Antriebe geht es also um das Wachstum neuer Technologien und Dienstleistungen. D.h. wir gehen am Anfang von mehr oder weniger konstanten prozentualen Wachstumsraten der neuen Antriebe pro Jahr aus, was schlussendlich einem exponentiellen Wachstum (Zinseszins!) entspricht. Diese anfänglichen Wachstumseffekte kommen uns in der Transformation entgegen, sie werden dafür sorgen, dass die Kosten mit der Zeit sinken und die neuen Techniken sich immer schneller ausbreiten. Gegen Ende der Transformation müssen die Wachstumsraten der neuen Techniken dann wieder fallen und sich bei einer oberen Grenze stabilisieren. Einführung, Wachstum und Reife werden mehr oder weniger einem logistischen Wachstum (siehe Figur 2) folgen. Als direkte Folge davon wird die zu ersetzende Technologie anhand der Kurve einer “logistischen Abnahme” modelliert.

Fig. 2 Wachstumsfunktionen

Beispielhaft sei hier auf das untenstehende “Szenario_Personenwagen” verwiesen. Dort wird das zugrunde liegende Modell (siehe dazu Figur 3) erklärt. Dabei handelt es sich um ein Rekursionsmodell, d.h. für mehrere Parameter wie Wachstumsraten, aktuelle Fahrzeugbestände, dem Ersatz von alten Fahrzeugen für fossile und erneuerbare Personenwagen etc. werden mathematisch die Veränderungen von einer Messperiode zur nächsten berechnet.

Fig. 3 Modell zur Veränderung der Fahrzeugbestände

Siehe dazu auch den Blogbeitrag Ökonomie verleiht CO2 Netto-Null Flügel.

Modell für die Entwicklung der erneuerbaren Personenwagen bis 2050

Allgemeine Bemerkungen:

– Das Modell der Soll-Entwicklung der erneuerbaren Personenwagen wurde so gerechnet, dass möglichst die “natürlichen” Abgänge (Ersatz) der fossilen Personenwagen für den Umbau ausgenutzt werden können, d.h. fossile Fahrzeuge nicht vorzeitig aus dem Verkehr genommen werden müssen. Wichtig dabei ist, dass die ersetzten fossilen Fahrzeuge tatsächlich aus dem Verkehr genommen werden. (Nicht berücksichtig wurde im Modell, dass die bei uns aus dem Verkehr genommenen Fahrzeige aktuell zu ca. 60% in anderen Ländern wieder auf dem Markt erscheinen…)

– Es wurde davon ausgegangen, dass der Individualverkehr nicht weiter zu nimmt, d.h. allfälliger Mehrverkehr durch ÖV und Velo aufgefangen werden.
Die Modellrechnung basieren nicht auf dem tatsächlichen CO2 Ausstoss, sondern auf der Anzahl der Personenwagen. Es wurde davon ausgegangen, dass die die bestehende Flotte der fossilen Personenwagen den CO2 Ausstoss stabilisiert, d.h. dass die gefahrenen Kilometer pro Personenwagen nicht zunimmt!

– Im Jahr 2019 machen Hybride Fahrzeuge und andere (in der Statistik des Bundes nicht näher beschriebene) Antriebe ca. 2.5 % der Personenwagen aus. Da insb. die Hybriden längerfristig keinen substantiellen Beitrag für die Umsetzung der Klimaziele liefern werden, und die Zahlen rel. klein sind, wurden diese den Fossilen zugerechnet.

– Unter dem Aspekt “erneuerbar” wurden im Szenario ab 2020 primär Elektro-Autos modelliert. Es kann aber durchaus sein, dass in 5-10 Jahren z.B. der Wasserstoffantrieb oder andere synthetische Treibstoffe eine wesentlich grössere Rolle spielt. Dies spielt aber für unsere Betrachtung keine Rolle. Wir wollen aufzeigen, welche Auswirkung eine Umstellung gemäss den Klimazielen auf die Entwicklung der Zahlen haben und ob eine solche Transformation umsetzbar ist (Wachstumsraten). Wir wollen (bewusst) keine Aussage darüber machen, welches die ökologisch beste Lösung darstellt. Bemerkung: Aktuell enthalten die Daten vom Bund teilweise nur eine Rubrik “Elektro”, dies dürfte sich mit der Zeit ändern.

– Natürlich sind Elektro-Autos nur dann sinnvoll (im Sinne der Klimaziele), wenn dazu grüner Strom verwendet wird! Analoges gilt für die graue Energie, welche insb. für die Produktion der Batterien gebraucht wird. Auch diese muss CO2 frei sein. Dazu braucht es zusätzliche Anstrengungen, insb. auch beim Recycling von Batterien.

– Es gibt für Treibhausgase ein offizielles Zwischenziel für 2030: 50% Absenkung gegenüber 2019. Da der CO2 Ausstoss im Strassenverkehr von 1990 bis 2020 nur um wenige Prozent angestiegen ist, könnte man für den Personenverkehr ableiten: ca. 1/2 der fossilen Personenwagen von 2020 sollten 2030 umgestellt sein. Dieses Ziel wird mit dem obigen Szenario nicht eingehalten. Als “Kompensation” ist der Umbau bereits 2045 abgeschlossen.

Das Modell

Für die Berechnung des Modelles wurde ein Rekursionsmodell (siehe Wachstum) verwendet, d.h. es werden die Entwicklungen mehrere Parameter vom aktuellen Messpunkt (t) zum nächsten Messpunkt (t+1) beschrieben. Das Modell gibt wieder, wie sich die Bestände der Personenwagen zwischen der Periode (t) und (t+1) wandeln, abhängig vom vom gewählten Wachstum we und den zu ersetzten Personenwagen.

Das Modell (V2) wurde mit EXCEL berechnet. In einer ersten Phase mit einer von Hand definierbaren Wachstumskurve (we) für die erneuerbaren Personenwagen (Pe), um damit fossile Personenwagen (Pf) und die ausgemusterten Personenwagen (d.h. Ersatz Ef und Ee) zu ersetzen.
Zusätzlich wurde ein Modell mit dem Simulationswerkzeug PowerSim gerechnet. Neben der Kontrolle des EXCEL-Modelles wurde es damit einfacher mehrere Szenarien zu vergleichen und z.B. ein Szenario zu entwickeln, welches mit minimalsten “vorzeitigen Verschrottungen” auskommt. Im vorliegenden EXCEL-Modell V22 wurden entsprechend optimierte Wachstumsfaktoren für die Erneuerbaren aus dem PowerSim Modell nach EXCEL übernommen.

P = Gesamtheit der Personenwagen (kumuliert)
Pe = Personenwagen mit erneuerbaren Antrieben (Elektro- oder andere Nichtfossile) im Betrieb (kumuliert).
Pf = Personenwagen mit fossilem Antrieb im Betrieb (kumuliert) (Hybride integriert)

E, Ef, Ee = Ersatz von Fahrzeugen, d.h Anzahl Fahrzeuge, welche aus dem Verkehr genommen und durch neue Fahrzeuge ersetzt werden, nach Typen: Ef und Ee

ef, ee, e = Ersatzrate (%) einer bestimmten Kategorie oder aller Personenwagen pro Jahr.

Ne = Neue Personenwagen mit erneuerbarem Antrieb

Nf = Neue Personenwagen mit fossilem Antrieb

Tp= Dauer einer Verarbeitungsperiode (n=aktuelle Periode, n-1 = letzte Periode)

Vf = Vorzeitiger Ersatz von Fossilen (minimieren!) – eine Art “Notausgang”, damit Umbau im Zeitrahmen möglich wird. Soll minimiert werden.

We = Wachstum (Anzahl Wagen) des Bestandes der Erneuerbaren

we = Wachstumsrate der Erneuerbaren

Ansatz: Da Personenwagen altern, müssen diese laufend ersetzt werden. Aktuell liegt diese Ersatzrate bei ca. 6 %.

Umgekehrt müssen ersetzte Personenwagen und die Wachstumsanteile der Erneuerbaren durch Neuwagen “kompensiert” werden:

We = Wachstum des Bestandes (in Personenwagen) pro Periode der Kategorie Personenwagen mit erneuerbarem Antrieb. Beachte: Erneuerbare, welche gebraucht werden um erneuerbare Personenwagen zu ersetzen, sind hier nicht ersichtlich, wohl aber in der Neuproduktion.

we = Wachstumsrate Erneuerbarer pro Jahr (in %/100), diese Wachstumsrate wird als Modell-Input so eingestellt, damit die Ziele betr. CO2 erreicht werden, aber auch We < Ef soll eingehalten werden, d.h. die “natürliche” Ausmusterung der Fossilen soll für Ersatz ausgenutzt werden (keine vorzeitige Verschrottung).

Fixe jährliche Raten (ZinsesZins) führen zu einer exponentiellen Wachstumskurve für die erneuerbaren Personenwagen:

Pe_t+1=Pe_t(1+we_t)^Tp

Aus dem Modell folgt zwischen Periode t und t+1:

We_t = Pe_t+1 – Pe_t , zudem gilt:
P = Pe + Pf

Unter Berücksichtigung der Ersatzrate e:

E_t= P_t – P_t * (1-e_t)^Tp d.h. Ausgangswert – negativer Zinseszins, oder

E_t= P_t * (1 – (1 – e_t)^Tp )

Dies gilt im eingeschwungenen Zustand, d.h. der Personenwagenbestand umfasst alle Altersklassen. Gedankenmodell: die älteste Altersklasse wird jeweils ausgemustert, entspricht einem fixen prozentualem Anteil, der statistisch erfasst wird.

Kipppunkt = Zeitpunkt an welchem keine neuen Fossilen mehr in Betrieb kommen. Sobald z.B. keine neuen fossilen Personenwagen mehr in Verkehr kommen, ändert sich die Altersverteilung: der Fahrzeugbestand wir immer älter, der prozentuale Anteil an Ersatz steigt laufend, d.h. der Ersatzfaktor muss auch steigen (siehe dazu EXCEL “CO2 Monitoring”, Blatt ef(t)). Erste Modellberechnungen zeigen, dass der Kipppunkt (d.h. keine neuen Fossilen mehr) ca. bei 2028 liegt. Bei einer mittleren Lebensdauer fossiler Personenwagen von ca. 15 Jahren (Wert für Deutschland, Statista) und einer mittleren Alter der Wagen im Einsatz von 8 Jahren, müssten also spätestens ca. 2045 die fossilen Personenwagen “verschwunden” sein → Das Wachstum der Erneuerbaren (Input ins Modell) wird entsprechend gewählt.

Fallunterscheidungen für folgende Wachstumsstufen anhand des obigen Modelles:

(I) Nf_t = Ef_t -We_t > 0

Am Anfang wird ein Teil der zu ersetzenden fossilen Personenwagen durch Erneuerbare (gemäss Wachstumsvorgaben) ersetzt, der Rest wird weiterhin durch Fossile ersetzt. Für die Erneuerbaren Neuwagen gilt:

Ne_t=Ee_t+ We_t

(II) Nf_t = Ef_t -We_t = 0 D.h. alle zu ersetzenden Fossilen werden durch Erneuerbare ersetzt, es werden keine neuen Fossilen mehr in Betrieb genommen. Die Formel für Ne bleibt gleich → Kipppunkt, Übergang zu III, Nf =0

(III) Nf_t = Ef_t -We_t < 0

D.h. die zu ersetzenden Fossilen reichen nicht mehr aus, um die vorgegebene Wachstumsrate der Erneuerbaren “aufzunehmen”, es müssten Fossile vorzeitig ausgemustert werden (Vf). Dies ist natürlich möglichst zu minimieren! Im EXCEL-Modell drückt sich Vf als negative Werte von Nf aus! Weiterhin gilt: Ne_t=Ee_t+ We_t
(Wachstumsparameter so wählen, dass Nf_(t+1) nicht mehr positiv wird.)

Bemerkung: Es musste die Frage geklärt werden, in welchem Jahr in EXCEL die verschiedenen Faktoren hinterlegt wurden. Während z.B. P (Anzahl Personenwagen) ein Wert Anfangs des Jahres darstellt, entwickeln sich Werte E (Ersatz) und N (Neuwagen) im Laufe des Jahres. Sie werden aber trotzdem in der Splate dieses Jahres abgelegt (siehe auch die Grafik).
Die E Werte wurden in einer ersten Fassung der Periode (t), die N und W Werte der Periode (t+1) zugeordnet. Kann man machen, die Formeln waren entsprechend angepasst, aber in der Darstellung der Kurven werden Werte von (t+1) und (t) “im gleichen Jahr” dargestellt, dies ergab eine gewisse “Verzerrung”. Dies wurde angepasst.

History der Datenmodelle Personenverkehr:

EXCEL-Modell (entspricht nicht der Version der gesamten EXCEL-Daten, sondern Versions-Nummer innerhalb der entsprechenden Tabelle):
21 Ohne Verschrottung
22 Ohne Verschrottung, der Faktor ef wurde optimiert -> etwas schnellerer Umbau (siehe EXCEL), Wachstumsfaktoren We aus powerSim 31 übernommen, 21.5. Solarstrom Wachstumsraten auf Jahre angezeigt
23 basiert auf Wachstumsraten we von PowerSim 32, sonst keine Änderungen
24 basiert auf Wachstumsraten we von PowerSim 33, sonst gleich
25 basiert auf EXCEL 24, Anpassungen an Monitoring Erneuerbare Stromproduktion, Einbinden von BfE Ist-Daten für 2020, insb. Erweiterung um Windkraft

PowerSim: (zur Überprüfung des EXCEL-Modelles wurde ein zweites Modell in PowerSim erstellt) 31 keine Verschrottung, aktuelle Basis, ef wurde angepasst, sollte in EXCEL 22 einfliessen, ee ist momentan noch fix, sollte am Anfang kleiner sein
32 (1.7.2021): we abgesenkt, so dass ca. 2030 keine fossilen mehr verkauft werden (angepasst an internationale Studie).
33 (15.7.2021): we abgesenkt (Startrate und abfallende Flanke nach ein paar Jahren), weitere Anpassung anhand EU Plan “Fit for 55”

Datum______	Datensätze__________	Beschreibung
15.7.2022	CO2Monitoring – V30.xlsx	PV wurde neu anhand von installierter Leistung erfasst, es wurde das Szenario “Grossen” als Soll verwendet
30.6.2022	CO2Monitoring – V30.xlsx	Es wurde eine neue Version erstellt, die nun vollständig in WordPress liegt. Inhaltlich wurde neu der Indikator PV ergänzt.