Erdgas-, Wasserstoff und Elektrofahrzeuge: Vor und Nachteile im

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Eine Bestandsaufnahme
Erdgas-, Wasserstoff und Elektrofahrzeuge:
Vor und Nachteile im Vergleich
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www.siemens.ch/energieeffizienz
Gliederung
 Vorstellung
 Unsere Automobile Vergangenheit
 Die Gegenwart im Vergleich
 Wie könnte die Zukunft aussehen?
 Zusammenfassung
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Seite 2
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Vorstellung
Was macht Siemens und mit welchen Themen setzt sie sich auseinander …
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Vorstellung Siemens Schweiz AG
Schwerpunkt auf „Building Technologies“
Energieerzeugung
Energieverteilung
Energienutzung
Siemens Building Technologies steht für
optimalen Schutz von Personen und
Infrastruktur sowie für höchste
Energieeffizienz in Gebäuden.
Das Portfolio umfasst Produkte, Lösungen
und Services für Gebäudeautomation,
Brandschutz, Sicherheit und
Energieverteilung.
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Globalisierung – Urbanisierung – Demographischer Wandel
Elektrifizierung, Digitalisierung & Automatisierung – Klimawandel
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Seite 5
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Klimawandel
Der Morteratsch Gletscher – Aufnahmen von der selben Stelle
2000
1911
2011
Wird es in der Schweiz wärmer? Die Antwort ist klar: Ja! Der Klimawandel ist ein Fakt.
Plakativ:
+2º C bedeutet für Pfäffikon das Klima von Rom
+4º C bedeutet für Pfäffikon das Klima von Kairo
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Energieeffizienz – einige Gründe
Raus aus den Energieträgern aus «herkömmlichen Anbau»
Bekannt seit 1992
muss ersetzt
werden
Näherungsweise
Gebäude 50%
Verkehr
35%
Bekannt seit 1992
muss ersetzt
werden
Energieausgaben:
30.19 Mrd. CHF
Importe für Öl,
Gas, Kohle, Strom:
ca. 12 Mrd. CHF
Erinnerung im
März 2011 –
davon müssen
wir uns trennen
Quelle: Gesamtenergiestatistik Schweiz 2014
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Seite 7
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Die Herausforderung: 3/4 der Schweizer Endenergie muss
in den kommenden Jahrzehnten ersetzt werden
Heute
2100
14% Elektrizität aus Wasserkraft
9% Elektrizität aus Uran
9% Erneuerbare, Fernwärme, Abfälle …
Priorität 1: Energieeffizienz
1/3 wird durch Effizienz ersetzt “NEGA”-Watt Stunden
67% fossile Treibund Brennstoffe
2/3 wird «Erneuerbar» “Mega”- Watt Stunden
Priorität 2: Erneuerbare
Rest: fossile Energie – Emissionen ca. 1 Tonne CO2
pro Einwohner und Jahr - 450 Liter Benzin
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Umstieg auf die Erneuerbaren
Ist das überhaupt realistisch?
25 - 70
16
215
Wind
Jährlicher
Welt Energiebedarf
3 - 11
2-6
3-4
0.3 - 2
0.2 - 2
Solare Einstrahlung auf Kontinente,
65% Verlust durch Wolken und Luft
Biomasse
Wasser
Geothermie
OTEC
Erdgas
23‘000
Solar
pro Jahr
0.3
Wellen
Gezeiten
240
Erdöl
90-300
900
total
Kohle
Zahlenangaben in Terawatt-Jahren – bei den Erneuerbaren Energien beziehen sich die Angaben auf ein Jahr. Quelle: Richard Perez
OTEC = Ocean thermal energy conversion
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11.09.2015
Uran
Nur noch einmal
vorhanden!
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Hatten wir das nicht schon einmal ….
Energiewende 1.0 … ?
1936: 71,7 Prozent (2144 km)
des SBB-Netzes elektrifiziert
Wirkungsgrad bis 99%
Ende Dampfbetrieb Oktober 1977
Wirkungsgrad 8 bis 10%
Charles Eugene Lancelot Brown
Berthold Beitz
Walter Boveri
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Fortschreitende Digitalisierung
Papstwahl 2005
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Fortschreitende Digitalisierung
Papstwahl 2013
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Automobile Vergangenheit
Auch Siemens war dabei …
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Geschichte der Automobilität
Das erste fossile Fahrzeug kam später als das erste elektrische
1881 feierte das erste Elektroauto von Gustave
Trouvé seine Strassenpremiere.
1885 baute Carl Benz das erste Benzinauto, den
Benz Patent-Motorwagen Nummer 1, ein dreirädriges
Fahrzeug (Tricycle laut Patenttext) mit
Verbrennungsmotor und elektrischer Zündung, das im
Sommer 1885 erstmals in Mannheim fuhr.
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Die elektrische Viktoria:
Siemens baute schon 1905 das erste Elektro-Auto in Serie
 max. 30 km/h
 Reichweite 80 km pro Batterieladung
 Einsatz: Hoteltaxi
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Elektrische Viktoria: Ohne Flaschenzug geht es nicht…
Wechsel der 480 kg-Batterie nach 80 km
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Verteilung der Antriebsarten in den Vereinigten Staaten um 1900
Durchbruch der Verbrennungsmotoren ab 1912
 40% Dampfantrieb
 38% Elektrischer Antrieb
 22% Verbrennungsmotor
Der Durchbruch der Verbrennungsmotoren beruht
wesentlich auf zwei Erfindungen
1. Tankstellen
In den ersten Jahren fuhr man zu Apotheken
2. Elektrischer Anlasser
Ankurbeln des Motors war anstrengend und
gefährlich
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Die Gegenwart im Vergleich
Erdgas-, Wasserstoff und Elektrofahrzeuge: Vor und Nachteile
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Grundsätzliche Unterscheidungen
nach Energiequelle
 Fossile Energieträger wie Diesel und Benzin
 Als Alternative Energieträger bezeichnet man alle Fahrzeugantriebe, die nicht auf der reinen Energiezufuhr
durch Benzin oder Diesel basieren.
 Antriebe durch Elektrizität, Wasserstoff (Brennstoffzellen), Hybride, Gas, Biotreibstoff, …
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Grundsätzliche Unterscheidungen
nach Antriebs-Technologien
Antriebsstrang mechanisch
Diesel, Benzin, Gas
VW Golf
Antriebsstrang Elektromotor
Hybride
Plug-in Hybride
Range Extender
Batterie Elektrisch
Wasserstoff
Elektrisch
Toyota Prius
Volvo V60
Opel Ampera /
Chevrolet Volt
Nissan Leaf
Toyota Mirai
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Grosse Vielfalt der Hybrid Typen
Nach Anteil der elektrischen Leistung
Mikro Hybrid
Start Stopp Automatik – Rekuperation in Starter Batterie
Mild Hybrid
Rekuperation – Leistungssteigerung des Verbrenners
Voll Hybrid
Rekuperation – rein elektrisches Fahren möglich
1-er BMW
Toyota Prius
Honda Insight
Nach Antriebskonzepten
Serieller Hybrid
Zwei Motoren – der Verbrenner wirkt nicht auf Antrieb
Parallel Hybrid
Beide Motoren wirken gleichzeitig auf die gleiche Achse
Power Split Hybrid
Verbrennungsmotor mit 2 Elektromotoren
BMW i3 REX
Honda Civic Hybrid
Chevrolet Volt
Andere verwendete Begriffe
Plug-in Hybrid
Batterie kann extern geladen werden
Range Extender
Fossiler Motor erzeugt Strom für höhere Reichweite
Volvo V60
Opel Ampera
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Wie schneiden verschiedene Konzepte bei einer Lebenszyklusanalyse ab …
Am Beispiel eines Golf und den Treibhausgas Emissionen
Immerhin im Bereich der
Treibhausgas Emissionen
ein erhebliches Potential
von einem Faktor 3
gegenüber dem Betrieb
mit reinen Benzinern.
Benziner sind heute mit
rund 70% Marktanteil die
häufigste Antriebsart in
der Schweiz.
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11.09.2015
Quelle: Der ökologische Rucksack der Elektromobilität - Rainer Zah & Hans-Jörg Althaus, EMPA
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Aus den fossilen Antrieben wurde in den letzten Jahren
noch einiges herausgeholt … hier in Litern pro 100 km
In den Jahren 2000 bis 2015 wurde bei
der Entwicklung sparsamer Fahrzeuge
einiges erreicht.
Hier meine eigenen Erfahrungen
 Opel Zafira A – knapp 10 Liter Benzin
 Opel Zafira B – 7.1 Liter Diesel
 Peugeot 308 SW 4.8 Liter Diesel
Jeweils kumulierte Werte – jeder Punkt
entspricht dem Durchschnittsverbrauch
über die gefahrene Gesamtstrecke
Typische Strecke pro Jahr: 12’000 km
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Aus den fossilen Antrieben wurde in den letzten Jahren
noch einiges herausgeholt … hier in g CO2 pro 100 km
In den Jahren 2000 bis 2015 wurde bei
der Entwicklung emissionsarmer
Fahrzeuge einiges erreicht.
Hier meine eigenen Erfahrungen
 Opel Zafira A – 230 g CO2 / 100 km
 Opel Zafira B – 180 g CO2 / 100 km
 Peugeot 308 SW – 125 g CO2 / 100 km
Jeweils kumulierte Werte – jeder Punkt
entspricht der Durchschnittsemission über
die gefahrene Gesamtstrecke
Typische Strecke pro Jahr: 12’000 km
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Vor- und Nachteile von Verbrennungsantrieben
Benzin, Diesel, Gas …
Pluspunkte
 Sehr hohe Reichweiten möglich (>1’000 km)
 Gute Tankstellendichte, lang bewährte Technologie, viele Modelle in allen Preiskategorien
Negativpunkte
 Lärm, lokale Treibhausgase und ggf. Partikel (Gesetzliche Grenzwerte)
 Keine Energierückgewinnung und keine Vernetzung mit der Stromnetz möglich
 Komplette Auslandsabhängigkeit für Treibstoffe
Maximale Wirkungsgrade (Tank to Wheel)
 Diesel (bis 40%), Benziner (bis 37%), Gas (bis 42%)
 Bedingung: Fahren im höchsten Gang bei optimaler Geschwindigkeit (ca. 80 bis 90 km/h)
Realistische Wirkungsgrade
 In der Stadt: um die 10%
 Autobahn: um die 25%
 Mischbetrieb: um die 15%
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Seite 25
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Vor- und Nachteile
Hybride …
Pluspunkte
 Reduktion der lokalen Emissionen, je nach Technologie auch Leistungssteigerungen
 Sehr hohe Reichweiten möglich (>1’000 km), Gute Tankstellendichte, bewährte Technologie
 Energierückgewinnung möglich, Verringerung Auslandsabhängigkeit Treibstoffe
 Einsatz der lokalen Wasserkraft, Je nach Grösse der Batterien Vernetzung mit Stromnetz (G2V & V2G)
Negativpunkte
 Beim Betrieb der Verbrenner Lärm, lokale Treibhausgase und ggf. Partikel (Gesetzliche Grenzwerte)
 Viele zusätzliche Komponenten nötig, Kosten höher, Gesamtgewicht steigt, damit der Energiebedarf
 Höhere Komplexität kann mehr Werkstattbesuche erfordern
Start Stop System
Regeneratives Bremsen
Elektro «Boost»
Elektrischer Vortrieb
Extern aufladbar
Micro Hybrid
Ja
Nein
Nein
Nein
Mild Hybrid
Ja
Ja
Nein
Nein
Full Hybrid
Ja
Ja
Ja
Nein
Plug-in Hybrid
Ja
Ja
Ja
Ja
Typ
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11.09.2015
G2V = Grid to Vehicle und V2G = Vehicle to Grid
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Vor- und Nachteile
Elektrofahrzeuge …
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Seite 27
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Vor- und Nachteile
Elektrofahrzeuge …
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Seite 28
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Vor- und Nachteile
Elektrofahrzeuge …
Pluspunkte
 Keine lokalen Emissionen, in der Stadt kein bis wenig Lärm, sehr hohe Energieeffizienz
 Mittlere Reichweiten bereits möglich, auch >400 km
 Energierückgewinnung beim Bremsen und Bergab
 Keine Schaltung mehr nötig, einfaches ruckfreies Beschleunigen und Verzögern
 Vernetzung mit dem Stromnetz möglich (G2V und V2G)
 Lokale Energieerzeugung möglich – vollständige Entkopplung von der Auslandsabhängigkeit möglich
 Praktisch an jeder Steckdose wieder aufladbar
 mittlere Nutzungsdauer eines Privat PW ca. 30 min/d
 90% aller Ladevorgänge finden erfahrungsgemäss zu Hause statt – 8 A bei 230 Volt auf ausreichend
Negativpunkte
 Derzeitiger Neupreis – wird bei Betrachtung der aktuellen Lebenszykluskosten oft relativiert
 Problematik Heizung und Kühlung
 Teilweise noch zu geringe reale Reichweiten (< 200 km)
 Zahl Ladestellen für Überlandfahrten könnte besser sein
G2V = Grid to Vehicle und V2G = Vehicle to Grid
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Öffentliche Schnell Ladestationen in der Schweiz Leistung >= 20 kW
 CHAdeMO
 CCS T2
 Tesla Supercharger
114
Hinter einer Zahl ist jeweils die
Anzahl der Ladestellen in dieser
Gegend angegeben.
Daten vom 16.08.15
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Öffentliche Ladestationen in der Schweiz
Alle Ladeleistungen – von 2 kW bis 120 kW
Alle öffentlichen
Ladestationen
1045
Hinter einer Zahl ist jeweils die
Anzahl der Ladestellen in
dieser Gegend angegeben …
Daten vom 16.08.15
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Seite 31
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Vor- und Nachteile
Wasserstoffantriebe …
Wasserstoffantriebe:
Brennstoffzelle mit Elektromotor (Verbrennungsmotor, Gasturbine, Raketenantrieb)
Pluspunkte Brennstoffzelle
 Klarer Vorteil bei der Reichweite gegenüber den meisten heutigen Elektrofahrzeugen (600 km)
 Keine lokalen Treibhausgase, Reizgase oder Partikel
 Technische Probleme der Speicherung gelten als gelöst (Druck, Flüssigwasserstoff, Metallhydride)
Negativpunkte Brennstoffzelle
 Nur einzelne Fahrzeuge derzeit im Angebot – z.B. «Hyundai ix35 Fuel Cell», «Toyoto Mirai»
 Bestehender Sicherheitsbedenken analog zu Gasfahrzeugen
 Herstellung Wasserstoff ist sehr energieintensiv – bei einer «Well to Wheel» gibt es klare Vorteile für die
rein elektrischen Fahrzeuge
 Fehlendes Netz zum Auffüllen – für Deutschland werden ca. 1000 benötigt, 30 existieren, davon 7 öffentlich
 Wasserstofftankstellen in der Schweiz – die erste ist geplant …
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Seite 32
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Netzaufbau für Wasserstoff Fahrzeuge beginnt
Landbote, 15.08.2015
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Seite 33
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Ein Fazit aus der Sicht der Treibhausgas Problematik
 Rein fossile Fahrzeuge
 Antrieb mit Gas
 Hybride
 Rein elektrischer Antrieb
 Wasserstoff
Ausstieg notwendig
???
Übergangslösung - Interessant mit Bio- und/ oder Solar Gas
!?
Übergangslösung
??
Bessere Batterien müssen verfügbar sein
!!! ?
Tanknetz & offene Fragen zur Ökobilanz
! ??
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Seite 34
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Wie könnte die mobile Zukunft aussehen?
Automobile sind nur ein Teil der Mobilität …
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Ein kurzer Blick zurück
„Semper Vivus“ (1900)
BEIM LOHNER-PORSCHE VON 1900 WURDEN DIE
VORDERRÄDER VON ELEKTRISCHEN
RADNABENMOTOREN ANGETRIEBEN.
(© PORSCHE)
Mit Radnaben Motoren sind völlig neue Konzepte
für PW‘s möglich.
Heutige Probleme mit Radnaben Motoren
1. Schwer und daher ungedämpfte Massen
2. Fahrverhalten ungenügend
Aktuelle Entwicklungen
1. Motoren werden leichter und gleichzeitig effizienter
2. Rechenalgorithmen werden schneller und besser
um ungewollte Schwingungen zu dämpfen
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Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Beispiel leichtere Motoren
 Neuer Flugzeugmotor ist 50 kg ‚leicht‘
 Liefert rund 260 Kilowatt Dauerleistung
Ermöglicht es erstmals, Flugzeuge mit
einem Startgewicht von bis zu zwei Tonnen
in die Lüfte zu heben - genug Power, um
eine kleine Gruppe von Geschäftsreisenden
quer durch Deutschland zu transportieren.
Elektrisch angetriebene Flugzeuge oder
Helikopter rücken damit in den Bereich der
Routine.
Auf Land Fahrzeuge übertragbar
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Was könnte man damit anfangen?
Das Auto Konzept könnte ganz anders werden …
Radnaben Motoren
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Mit Elektro-Rollator über Stock und Stein
Ein europäisches Ingenieurteam mit
Schweizer Beteiligung entwickelte einen
Outdoor-Rollator mit Elektroantrieb. Der
Prototyp wurde von Zuger Senioren getestet.
Verfügt über Radnaben Motoren
Luzerner Zeitung 11.08.2015
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Seite 39
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Mobilität ist viel mehr
Und es geht nicht nur um Autos
Toyota i-Road mit Radnabenmotoren
Koffer mit Elektroantrieb
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Seite 40
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Mobilität ist viel mehr
Und es geht nicht nur um Autos
Electro Skate board «bolt motion»
Moto Pogo: Self balancing one wheeler
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11.09.2015
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Mobilität ist viel mehr
Und es geht nicht nur um Autos
Rocket Skates
Electro one wheeler
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Seite 42
11.09.2015
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Mobilität ist viel mehr
Schwimmende Stromer
Siemens hat zusammen mit der norwegischen
Werft Fjellstrand die Technologie für die erste
elektrisch angetriebene Autofähre der Welt
entwickelt. Das Elektroschiff ist seit Frühjahr 2015
in Dienst gestellt und stösst praktisch keinerlei
Kohlendioxid aus – auch dank des Strommixes in
Norwegen.
Fährt 34 mal pro Tag eine Strecke von 6 km in 20 min.
Kapazität: 360 Passagiere, 120 Autos
Ladezeit: 10 min.
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Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Airbus E-Fan überquert den Kanal zwischen England und Frankreich
10. Juli 2015 – 74 km
Der erste Flug über
den Kanal fand am 25
Juli 1909 statt mit
einem Blériot XI
Flugzeug.
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Zusammenfassung
Punkte zum mitnehmen …
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Meine persönliche Erkenntnis …
Wie läuft eigentlich mein persönlicher Auto Auswahl Prozess?
 Man könnte das Verfahren mit «GAU» bezeichnen – Grösster anzunehmender Urlaub
 Ich möchte jederzeit in der Lage sein mit meiner Familie (4 Personen) in die Ferien zu fahren – mit allen
benötigten Koffern
 Das kommt aber immer seltener vor – meine Jungs sind jetzt 19 und 21 – Ferien mit den Eltern sind «out»
 Tatsächlich beschränken sich die Ferien mit dem Auto auf wenige Wochen im Jahr (meist 2 bis 4)
 Werde ich in einer Abstimmung gefragt, ob ich 6 Wochen Ferien möchte, dann stimme ich mit «Nein»
Wie rational ist eigentlich ein solches Verhalten?
Warum nehme ich für die Ferien nicht einfach einen etwas grösseren Mietwagen?
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Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Was Sie mitnehmen sollten …
1. Der Mensch-gemachte Klimawandel ist real - ein 2ºC Ziel ist noch (knapp) in Reichweite
2. Ebenso wie Gebäude muss auch die Mobilität den «Carbon – Footprint» drastisch verringern
3. Im Markt verfügbare Lösungen sind heute
 Verbrauchsarme fossile Fahrzeuge mit Diesel oder Benzin (Halbierung innerhalb der letzten 15 Jahren)
 Fahrzeuge mit Erdgas – besser mit Bio- und später Solar Gas
 Hybride sind eine eher komplexe Übergangslösung
 Reine Elektrofahrzeuge sind heute im Agglomerationsverkehr eine reale Alternative – immerhin gibt es
auch ein Langstrecken-taugliches Fahrzeug
 Wasserstoff Fahrzeuge zeigen ein Potential für die Langstrecke – hier fehlt (noch) das Verteilnetz
4. Nur wenn die Antriebsenergie aus Treibhausgas-armen Quellen stammt, kann wirksam zum 2ºC Ziel
beigetragen werden
ABER: Technik kann vieles – aber sie kann nicht alles lösen
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11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
Die Energiewende wird ein Erfolg.
Wenn wir die passenden Antworten geben. Heute.
Die Energiewende - ein komplexes Puzzle an Massnahmen
Dr. Jürgen Baumann
E3 – Energieeffizienz, Erneuerbare, Elektromobilität
Siemens Schweiz AG - Sennweidstrasse 47 - 6312 Steinhausen
Telefon: +41 585 579 384
[email protected]
www.siemens.ch/effizienz
www.siemens.navigator
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Seite 48
11.09.2015
Dr. Jürgen Baumann / BT SSP CMT
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