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Carbon Budget Compliance: A life-cycle-based model for carbon emissions of automotive Original Equipment Manufacturers

Neef, Mara Aline (2020):
Carbon Budget Compliance: A life-cycle-based model for carbon emissions of automotive Original Equipment Manufacturers. (Publisher's Version)
In: Schriftenreihe IWAR, 260, Darmstadt, Verein zur Förderung des Institutes IWAR der Technischen Universität Darmstadt, Technische Universität, ISBN 978-3-940897-61-9,
DOI: 10.25534/tuprints-00013243,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Carbon Budget Compliance: A life-cycle-based model for carbon emissions of automotive Original Equipment Manufacturers
Language: English
Abstract:

Automotive Original Equipment Manufacturers (OEMs) cause considerable amounts of CO2 emissions over the life cycle of their vehicles. They are thus contributing to global climate change. To stop climate change, all industries, including OEMs, must accomplish a major reduction of CO2 emissions. OEMs report past emissions and receive external support for setting Paris Agreement-compatible reduction targets. Though currently, OEMs do not have access to a methodology that facilitates modelling their future absolute emissions and the leverage of reduction measures at the company level. They are thus unable to develop holistic carbon reduction strategies. Here I demonstrate that current carbon management approaches remain conceptual. Based on the analysis of OEMs’ future emission drivers, requirements are developed to evaluate additional methods for their applicability in the subsequent method derivation. Quantifying the effect of integrating mobility services in OEMs’ fleets on the company’s absolute emissions is evaluated as especially important. For this reason, the Carbon Budget Compliance (CBC) method is developed by integrating and refining the analysed approaches. This method facilitates computing the impact of single reduction measures on fleet level over the life cycle of vehicles and mobility services regarding compliance with a carbon budget. The CBC method is exemplarily applied in a case study for the Volkswagen Group (VW). In scenario analyses the leverage of using renewable energy sources for battery production and electrified vehicles’ use phase is computed for fleets consisting of private vehicles and mobility services (car sharing, ride hailing, ride pooling). VW’s absolute emissions between 2015 and 2050 are modelled regarding the compliance with a 2 °C-compatible carbon budget. I show that immediate operationalisation of the two reduction measures for private vehicle and mobility service fleets is crucial for budget compliance. Due to higher load factors, ride hailing and pooling vehicles provide more person-km (p-km) during their lifetime than private vehicles. Fleet sizes in these scenarios are thus reduced. As heavier ride pooling vehicles need higher battery capacities than average Group vehicles, ensuring the use of renewable energy sources over their life cycle is crucial to attain absolute emission reduction. Otherwise, the reductive effect of smaller fleets is counterbalanced. The load factor of car sharing vehicles is similar or equal to private vehicles. By offering car sharing, OEMs can thus only reduce absolute emissions via an earlier onset of fleet electrification and the use of renewable energy sources. The high dependence on the energy sector’s decarbonisation efforts calls for OEMs to play an active role in the provision of sufficient amounts of renewable energy. The lowest modelled overshoot of the carbon budget is 5% facilitated by a combination of ride hailing and private vehicles as well as by operationalising the reduction measures. OEMs should therefore analyse additional measures tackling the supply chain and less CO2-intensive emission categories such as logistics within the CBC method. The method facilitates modelling such measures due to its modular approach. By using the CBC method, OEMs are now able to develop effective carbon reduction strategies to support achieving global climate targets and monitor their success. To improve the CBC method, future research should address the automation of data flows between data systems and the integration of micro-scale mobility models to quantify rebound effects caused by mobility services. Coupling internal carbon pricing with the CBC method could further promote its applicability in OEMs’ daily business operations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Automobilhersteller (OEMs) verursachen den Ausstoß erheblicher Mengen an CO2 Emissionen über den Lebenszyklus ihrer Fahrzeuge und tragen somit zum globalen Klimawandel bei. Um den Klimawandel zu stoppen, müssen jedoch alle Industriesektoren, einschließlich der OEMs, CO2 Emissionen massiv senken. OEMs veröffentlichen ihre Emissionen bereits jährlich und können Reduktionsziele berechnen, die mit den Anforderungen des Pariser Abkommens übereinstimmen. Es existiert jedoch bislang keine Methode, mit der zukünftige absolute Emissionen modelliert und Reduktionsmaßnahmen auf Unternehmensebene ganzheitlich bewertet werden können. Verfügbare CO2-Management-Ansätze sind rein konzeptionell und zeigen praktische Anwendungen nur unzureichend auf. Demgegenüber werden hier basierend auf der Analyse zukünftiger Emissionstreiber von OEMs Kriterien entwickelt, um weitere Ansätze hinsichtlich ihrer Verwendbarkeit für die Methodenentwicklung zu bewerten. Insbesondere die Quantifizierung des Effekts von Mobilitätsdienstleistungen in den Flotten der OEMs auf deren absolute CO2 Emissionen wird hierbei als wesentlich erachtet. Dazu wird die Carbon Budget Compliance (CBC) Methode mithilfe einer Kombination verschiedener Ansätze entwickelt. Die CBC Methode ermöglicht die Berechnung des Hebels von einzelnen Reduktionsmaßnahmen auf Flottenebene über den Lebenszyklus von Privat- und Service-Fahrzeugen hinsichtlich der Einhaltung eines OEM-spezifischen CO2-Budgets. Die CBC Methode wird exemplarisch in einer Fallstudie auf die Volkswagen AG (VW) angewendet, in der die absoluten Konzernemissionen von 2015 bis 2050 hinsichtlich der Einhaltung eines 2 °C-kompatiblen CO2-Budgets modelliert werden. In Szenarioanalysen wird der Effekt zweier Reduktionsmaßnahmen berechnet: Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen für die Batterieproduktion und für die Nutzungsphase elektrifizierter Fahrzeuge. Die betrachteten Flotten bestehen sowohl aus Privat- als auch aus Service-Fahrzeugen (Car Sharing, Ride Hailing, Ride Pooling). Die Auswertung der Szenarien zeigt, dass die sofortige Umsetzung der Reduktionsmaßnahmen notwendig ist, um die Einhaltung des CO2-Budgets zu ermöglichen. Wegen höherer Besetzungsgrade stellen Ride-Hailing- und Ride-Pooling-Fahrzeuge mehr Personen-km (p-km) über ihre Nutzungsdauer bereit als Privat-Fahrzeuge, sodass die Flottengröße in diesen Szenarien reduziert wird. Da die durchschnittlich schwereren Ride-Pooling-Fahrzeuge jedoch höhere Batteriekapazitäten als privat genutzte Fahrzeuge benötigen, ist die Nutzung erneuerbarer Energiequellen über den gesamten Lebenszyklus notwendig, um eine absolute Emissionsreduktion zu erreichen. Andernfalls wird die durch die kleinere Flotte erreichte Emissionsreduktion wieder ausgeglichen. Der Besetzungsgrad von Car-Sharing-Fahrzeugen ist denen privater Fahrzeuge ähnlich oder gleich. OEMs, die Car Sharing anbieten, können daher ihre absoluten Emissionen nur durch eine frühere Elektrifizierung der Flotte und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen reduzieren, nicht aber über die Flottengröße. Durch die Flottenelektrifizierung sind OEMs auf die Dekarbonisierung des Energiesektors angewiesen. Um absolute Reduktionsziele erreichen zu können, sollten OEMs aktiv daran arbeiten die Verfügbarkeit ausreichender Mengen erneuerbarer Energien sicherzustellen. In keinem der Szenarien wird die Einhaltung des CO2-Budgets erreicht. Die niedrigste modellierte Überschreitung des Budgets beläuft sich auf 5% und wird mithilfe einer Kombination von Ride-Hailing- und Privat-Fahrzeugen sowie mit der Umsetzung der Reduktionsmaßnahmen erreicht. OEMs sollten daher weitere Maßnahmen in den Lieferketten sowie den weniger CO2-intensiven Emissionskategorien wie Logistik mit der CBC Methode bewerten. Durch den modularen Ansatz der Methode ist die Modellierung verschiedenster Maßnahmen möglich. Durch die Anwendung der CBC Methode können OEMs nun effektive CO2-Reduktionsstrategien zur Erreichung globaler Klimaziele entwickeln und deren Fortschritt überprüfen. Zukünftige Studien sollten die Automatisierung von Datenflüssen zwischen Datensystemen sowie die Integration von Mikro-Mobilitätsmodellen in die CBC Methode zur Quantifizierung von möglichen Rebound-Effekten durch Mobilitätsdienstleistungen adressieren. Zusätzlich könnte die CBC Methode mit einem internen CO2-Bepreisungssystem verbunden werden, um Maßnahmen nicht nur hinsichtlich ihrer Emissionsreduktion sondern auch ihrer Finanzierbarkeit bewerten zu können.

German
Series Name: Schriftenreihe IWAR
Volume: 260
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Verein zur Förderung des Institutes IWAR der Technischen Universität Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR > Material Flow Management and Resource Economy
Date Deposited: 27 Nov 2020 06:23
Last Modified: 27 Nov 2020 07:47
DOI: 10.25534/tuprints-00013243
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-132437
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte and Linke, Prof. Dr. Hans-Joachim
Refereed: 17 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13243
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