CO2-Emissionen Kfz-Verkehr: Neue Methode

Die Studie befasst sich mit der Entwicklung einer neuen Methode zur genaueren Bestimmung und Modellierung des realen Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen von Personenkraftwagen (Pkw) und leichten Nutzfahrzeugen (LNF). Der Fokus liegt auf der Verbesserung der bestehenden Modelle HBEFA (Handbuch Emissionsfaktoren des Straßenverkehrs) und TREMOD (Transport Emission Model). Ein Hauptproblem der bisherigen Modelle ist die Unterschätzung des Kraftstoffverbrauchs von Pkw und LNF, was zu einer Überschätzung des Verbrauchs von schweren Nutzfahrzeugen (z.B. Lkw und Busse) führt. Die Diskrepanz zwischen berechnetem Energieverbrauch und den tatsächlichen Verkaufszahlen aus der Energiebilanz soll durch die neue Methode behoben werden. Ein wichtiges Kriterium für die neue Methode ist die Möglichkeit der jährlichen Aktualisierung mit vertretbarem Aufwand, um die Daten in HBEFA und TREMOD aktuell zu halten. Die verbesserte Genauigkeit bei der CO2-Emissionsberechnung für Pkw und LNF soll zu einer realistischeren Gesamtbilanz des Straßenverkehrs beitragen und die Unsicherheiten in der Modellierung reduzieren.

Die Studie analysiert zunächst die bestehenden Modelle HBEFA und TREMOD, die vom Umweltbundesamt (UBA) verwendet werden. Es wird deutlich, dass die verwendeten Eingangsdaten für Pkw und LNF den tatsächlichen Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen unterschätzen. Obwohl eine Kalibrierung der Gesamtverbräuche auf den Treibstoffabsatz erfolgt, bleiben große Unsicherheiten bezüglich des Verbrauchs in einzelnen Fahrzeugsegmenten bestehen. Die Zuordnung des Kraftstoffverbrauchs zu den einzelnen Fahrzeugsegmenten basiert auf Annahmen, da detailliertere Daten fehlen. In TREMOD führt die Unterschätzung des Verbrauchs von Pkw und LNF beispielsweise zu einer Überschätzung des Verbrauchs schwerer Nutzfahrzeuge. Diese Ungenauigkeiten in der Modellierung haben erhebliche Auswirkungen auf die Genauigkeit der CO2-Emissionsberechnung und die daraus abgeleiteten politischen Maßnahmen zur Reduktion von Treibhausgasemissionen im Straßenverkehr. Daher ist die Entwicklung einer verbesserten Methodik dringend notwendig.

Die Kernidee der neuen Methodik besteht in der Kombination von verschiedenen Datenquellen und einer sorgfältigen Berücksichtigung von Einflussfaktoren. Die Datengrundlage umfasst unter anderem Daten von Online-Plattformen wie Spritmonitor.de, Daten von Leasinggesellschaften wie LeasePlan, sowie Messungen aus Real Driving Emissions (RDE)-Tests. Die Modellkalibrierung erfolgt unter Einbeziehung aktueller Messdaten, um die Genauigkeit der CO2-Emissionsberechnung zu verbessern. Es werden explizit Einflussfaktoren wie Klimaanlage, Dachboxen, Anhängerbetrieb, Wetterbedingungen und Fahrweise in die Berechnungen integriert. Die durchschnittliche Beladung von Pkw wurde angepasst, um den Einfluss von Urlaubsfahrten besser zu berücksichtigen. Die Kalibrierung des simulierten Kraftstoffverbrauchs erfolgt durch den Abgleich mit den Spritmonitor.de Daten für verschiedene Fahrzeugmodelle. Die Ergebnisse werden in die Modelle HBEFA und TREMOD eingearbeitet, um zukünftige Prognosen zu verbessern und eine realistischere Abbildung des CO2-Ausstoßes im Straßenverkehr zu ermöglichen. Die verbesserte Methode zielt darauf ab, die Diskrepanzen zwischen modellierten und tatsächlichen Verbrauchswerten zu minimieren und somit eine zuverlässigere Grundlage für politische Entscheidungen im Bereich der Verkehrspolitik zu schaffen.

Zur Analyse des realen Kraftstoffverbrauchs im Vergleich zu Laborwerten (WLTP, NEDC) wurden verschiedene Datenquellen herangezogen. Eine wichtige Quelle bildeten die Daten von Spritmonitor.de, einer Online-Plattform, die Daten von ca. 550.000 Fahrzeugen umfasst und als größte Datenquelle Angaben zum Fahrstil beinhaltet. Weiterhin wurden Daten der Leasinggesellschaft LeasePlan verwendet, die vor allem Daten von Dienstwagenflotten liefern. Zusätzlich wurden Daten des ADAC EcoTests berücksichtigt, der laborbasierte Verbrauchsmessungen an ca. 120 Pkw pro Jahr durchführt, wobei die Messungen über die Jahre nach NEFZ und seit einigen Jahren nach WLTP (WLTC) erfolgen. Seit 2016 werden besonders effiziente Fahrzeuge zusätzlich mit PEMS auf der Straße geprüft. Schließlich flossen Daten aus Real Driving Emissions (RDE) Typgenehmigungsprüfungen von 228 Fahrzeugen in die Analyse ein. Diese Daten wurden mit portablen Emission Measurement Systemen (PEMS) während Fahrten auf öffentlichen Straßen erhoben. Die verwendeten Datenquellen weisen unterschiedliche Stärken und Schwächen auf; Spritmonitor.de bietet ein großes Datenvolumen, LeasePlan-Daten stammen überwiegend aus Dienstwagen, und die Datenqualität des ADAC EcoTests ist durch geänderte Testbedingungen über die Jahre eingeschränkt. Die Datenvielfalt erlaubt einen umfassenden Vergleich von realem und laborbestimmten Kraftstoffverbrauch.

Ein zentraler Punkt der Analyse ist der Vergleich der realen Fahrbedingungen mit den Laborergebnissen. Die Ergebnisse der RDE-Messungen zeigten im Jahr 2016 eine durchschnittliche Abweichung von 22% im Vergleich zu den NEDC-Werten. Diese Abweichung ist deutlich geringer als die aus den Verbraucherdaten (Spritmonitor.de und LeasePlan) ermittelte Abweichung von ca. 40%. Die Divergenz bei den RDE-Messungen ist über alle Segmente recht einheitlich, mit Ausnahme der Segmente F (Luxusklasse) und S (Sportwagen). Im Gegensatz dazu zeigt sich bei den Daten von LeasePlan und Spritmonitor eine deutliche Abhängigkeit der Abweichung vom Fahrzeugsegment, wobei größere Segmente tendenziell höhere Abweichungen aufweisen. Die geringere Abweichung bei den RDE-Messungen wird damit erklärt, dass für eine gültige RDE-Typgenehmigung aus Zeit- und Kostengründen ähnliche Bedingungen wie beim WLTP eingehalten werden. Die CO2-Emissionen der RDE-Tests liegen nur unwesentlich über den WLTP-Emissionen (durchschnittlich 3,8%), was aber nicht repräsentativ für den realen Fahrbetrieb ist. Daher wird die direkte Verwendung der RDE-Messdaten zur Bestimmung des realen Verbrauchs nicht empfohlen.

Die Analyse der Datenquellen enthüllt spezifische Limitationen. Daten von Online-Plattformen wie Spritmonitor.de basieren auf Selbsteinschätzungen der Nutzer und können durch Selbstselektion verzerrt sein. Die Daten von Tankkartenanbietern wie LeasePlan stammen hauptsächlich von Dienstwagen, die möglicherweise anders genutzt werden als Privatfahrzeuge (z.B. häufigere Autobahnfahrten mit höheren Geschwindigkeiten). Auch die Zusammensetzung der Flotten unterscheidet sich; bei Spritmonitor.de sind Diesel- und Hybridfahrzeuge überrepräsentiert, während bei LeasePlan kleinere Segmente unterrepräsentiert und die obere Mittelklasse überrepräsentiert ist. Die Verteilung von Automarken weicht ebenfalls von der Marktentwicklung ab; bei Spritmonitor.de sind Mercedes-Benz und VW unterrepräsentiert, während Skoda und andere Marken überrepräsentiert sind. LeasePlan zeigt eine ähnliche Entkopplung von der Marktentwicklung, wobei Audi und Ford überrepräsentiert sind. Diese Limitationen der Datenquellen müssen bei der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt werden, um eine valide Aussage über den realen Kraftstoffverbrauch zu treffen. Die Berücksichtigung verschiedener Datenquellen ermöglicht dennoch eine umfassendere und differenziertere Betrachtung des Themas.

Ein zentraler Aspekt der Modellkalibrierung war die Anpassung der Motor-Kennfelder aus HBEFA 3.3 mit aktuellen Messdaten. Dies ermöglichte die Interpolation des Kraftstoffverbrauchs aus den simulierten Motorleistung und -drehzahl. Alle Verkehrssituationen von HBEFA wurden mit diesem neuen Datensatz neu berechnet, um einen gewichteten Durchschnittswert für CO2 und Verbrauch pro Kilometer zu erhalten. Dieser repräsentiert den durchschnittlichen realen Verbrauch der jeweiligen Fahrzeugkategorie (z.B. Pkw Diesel Euro 6ab). Nach Korrektur der Fahrwiderstände und der Beladung zeigten die ermittelten realen Kraftstoffverbrauchswerte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Daten von spritmonitor.de. Die neuen Modellparameter wurden in HBEFA 4.1 übernommen und anschließend in TREMOD verwendet. Die Berücksichtigung höherer Fahrwiderstände in HBEFA wirkt sich auch auf die mit PHEM berechneten Schadstoffemissionen aus, da diese ebenfalls von den leistungsabhängigen Motor-Kennfeldern abgeleitet werden. Die Kalibrierung mit realen Daten verbessert somit die Genauigkeit der Modelle erheblich.

Die Studie berücksichtigt verschiedene Einflussfaktoren auf den Kraftstoffverbrauch, um die Modellierung zu präzisieren. Dazu gehören der Einfluss der Klimaanlage (durch einen CO2-Zuschlag berücksichtigt), äußere Einflüsse wie Seitenwind, Dachboxen, Anhänger, Regen, nasse Fahrbahn, Winterreifen und Schnee. Diese Faktoren wurden in die Eingabedaten von PHEM einbezogen, entsprechend ihrem Anteil am Fahrwiderstand unter realen Bedingungen. Darüber hinaus wurde die durchschnittliche Beladung von Pkw erhöht, da Urlaubsfahrten in den vorherigen Annahmen unterrepräsentiert schienen. Der Energiebedarf von Nebenaggregaten wurde direkt zur aus den Fahrwiderständen berechneten Motorleistung addiert. Diese umfassende Berücksichtigung von Einflussfaktoren gewährleistet eine realitätsnähere Modellierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen. Die Anpassungen führten zu einer signifikant verbesserten Übereinstimmung zwischen simulierten und realen Verbrauchswerten, besonders im Vergleich zu den Daten von spritmonitor.de.

Nach den durchgeführten Korrekturen der Fahrwiderstände und der Beladung zeigten die mittleren realen Kraftstoffverbrauchswerte eine sehr gute Übereinstimmung mit den Daten von spritmonitor.de. Die neuen Modellparameter wurden in HBEFA 4.1 integriert und anschließend in TREMOD verwendet. Die höheren Fahrwiderstände in HBEFA haben auch spürbare Auswirkungen auf die mit PHEM berechneten Schadstoffemissionen, da diese ebenfalls von den leistungsabhängigen Motor-Kennfeldern abgeleitet werden. Eine weitere Datenanalyse zeigt, dass die CO2-Emissionen der RDE-Tests nur geringfügig über den WLTP-CO2-Emissionen liegen (durchschnittlich 3,8%), was deutlich unter der für den realen Betrieb erwarteten Abweichung von 16-22% liegt. Dieser geringe Unterschied wird durch die Kosten- und Zeiteffizienz erklärt, die durch die Einhaltung ähnlicher Bedingungen wie beim WLTP-Test in den RDE-Tests erreicht wird. Daher werden die CO2-Emissionen der RDE-Typgenehmigungstests nicht als repräsentativ für den realen Betrieb angesehen. Die Resultate unterstreichen die Notwendigkeit einer präzisen Modellkalibrierung und detaillierter Berücksichtigung von Einflussfaktoren für eine realitätsnahe Abbildung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen.

Die Abschätzung von grauen Kraftstoffimporten und -exporten ist essentiell für die Validierung von bottom-up modellierten Kraftstoffverbräuchen. 'Grau' bedeutet in diesem Kontext, dass Kraftstoff im Ausland getankt und im Inland verbraucht wird oder umgekehrt. Diese Abschätzung ermöglicht einen Vergleich zwischen den bottom-up modellierten Verbrauchsdaten und den top-down ermittelten Kraftstoffabsatzzahlen. Die Methode dient der Plausibilisierung und Kalibrierung der bottom-up Modelle. HBEFA nutzt bereits eine solche Abschätzung für die Schweiz. Die Genauigkeit dieser Abschätzung ist entscheidend, da sie die Gesamtbilanz und damit die Datenqualität beeinflusst. Die Herausforderung liegt darin, zuverlässige quantitative Informationen zu den grauen Kraftstoffimporten und -exporten zu erhalten, die eine jährliche Fortschreibung der Modelle ermöglichen. Ungenaue Daten zu den grauen Importen/Exporten führen zu Fehlern in der Gesamtbilanz und reduzieren die Aussagekraft der Modelle.

Es existieren verschiedene Methoden zur Abschätzung von grauen Kraftstoffimporten/exporten. Eine Methode ist das ökonometrische Tankstellenmodell, das z.B. in der Schweiz (INFRAS und CEPE 2010) angewandt wurde und graue Exporte schätzt, indem es den Treibstoffabsatz an Tankstellen anhand von Faktoren wie Kraftstoffpreisen im In- und Ausland, Entfernung zur Grenze und sozioökonomischen Faktoren erklärt. Andere Methoden konzentrieren sich auf den Vergleich von Kraftstoffabsätzen an Tankstellen in Grenzgebieten und im Inland, wobei Unterschiede auf graue Importe/Exporte zurückgeführt werden. Ein weiterer Ansatz basiert auf Veränderungen der Preisdifferenzen und der grenzübergreifenden Verkehrsmenge. Alle Methoden haben Limitationen, da viele relevante Einflussfaktoren aufgrund fehlender Daten nur indirekt oder gar nicht berücksichtigt werden können. Dies erhöht die Unsicherheit der Ergebnisse und erschwert eine jährliche Fortschreibung. Die Wahl der Methode hängt stark von der Verfügbarkeit der Daten ab, weniger von methodischen Kriterien.

Der Vergleich von verschiedenen Studien zur Abschätzung von grauen Importen/Exporten, beispielsweise aus der Schweiz (INFRAS und CEPE 2010, INFRAS und MK Consulting 2014, MK Consulting 2015) und Österreich (Trafico et al. 2008), zeigt erhebliche Unterschiede in den Ergebnissen. Die Ergebnisse unterscheiden sich um den Faktor 2-4, was die hohe Unsicherheit der Schätzungen unterstreicht. Ein Vergleich der Daten aus "Verkehr in Zahlen" (DLR) mit den Schweizer Studien zeigt z.B. eine um den Faktor drei niedrigere Schätzung der grauen Benzinimporte aus der Schweiz. Diese Diskrepanzen werden auf unterschiedliche Methoden und die nur teilweise Berücksichtigung des grauen Imports aus dem Schweizer Kerngebiet zurückgeführt. Die Datenqualität ist aktuell nicht ausreichend, um das Verbrauchsmodell zu kalibrieren. Die Studie betont daher die Notwendigkeit einer verbesserten Datenlage und einer verstärkten Koordinierung zwischen den beteiligten Institutionen (AG Energiebilanzen, DIW, DLR und ifeu), um die Unsicherheiten zu reduzieren und die Genauigkeit der Modellierung zu verbessern. Die Berücksichtigung von grauen Importen und Exporten in den Modellen ist jedoch wichtig, um die Gesamtbilanz des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen zu korrigieren.