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Erweiterung der Ökobilanzierung zur Bewertung zukünftiger Umweltauswirkungen von neuartigen Transporttechnologien am Beispiel elektrifizierter Flugzeuge

Hanesch, Susanne (2024)
Erweiterung der Ökobilanzierung zur Bewertung zukünftiger Umweltauswirkungen von neuartigen Transporttechnologien am Beispiel elektrifizierter Flugzeuge.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027572
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Im Verkehrssektor sind neuartige Technologien als sog. Transport-Transformationslösungen (TTS) zu entwickeln und in ihrer Umweltleistung zu bewerten, um u.a. eine Reduktion der Treibhausgase (THG) zu gewährleisten und für den Zielzustand einer nachhaltigen Mobilität Transportvarianten sicherzustellen. Jedoch fehlen besonders im Flugsektor dekarbonisierte Alternativen und zur Durchführung der Sachbilanz (LCI) im Rahmen der Ökobilanzierung (LCA) existieren Herausforderungen für das Erfassen von Daten in Entwicklung befindlicher Technologien und die Berücksichtigung von zukünftigen Entwicklungen. Das Ziel der Arbeit ist eine systematische Vorgehensweise für vergleichbare LCA-Ergebnisse zwischen etablierten und neuartigen Fahrzeugen mit einer zweifachen Erweiterung der LCI als neues Framework für Ökobilanzierer. Die Methodenentwicklung umfasst erstens die ex-ante Sachbilanz (eLCI) für vollständige Modelle der Technologieänderung von TTS als erstes Veränderungslevel und zweitens die prospektive Sachbilanz (pLCI) für passgenaue Modelle mittels Zukunftsbetrachtung unter technologischem und zeitlichem Fortschritt als zweites und drittes Veränderungslevel. Die technologische Änderung des Fahrzeugs im Status Quo ist strukturiert darzulegen, um alle Parameter der LCA im Referenzzustand zu generieren. Daraus sind ausgewählte Parameter für das Upscaling des Reifegrads bis zum industriellen Maßstab und die Systemumgebung zu Zukunftsszenarien unterschiedlicher Zeithorizonte für die LCA im Zukunftszustand zu modifizieren, um künftige Änderungen zu berücksichtigen. Mit einer schrittweisen Anleitung in je drei Stufen lassen sich TTS über den Lebensweg nachbilden und mit selektiven Zukunftsverbesserungen anpassen, um ermittelte potenzielle Umweltwirkungen dem konventionellen Transport vergleichend gegenüberzustellen. In einer Fallstudie wird das Vorgehen auf zwei elektrifizierte Flugzeuge angewendet und die Alternativen aus Computersimulationsdaten von Konstruktion und Betrieb sowie weiteren Datengenerierungstechniken für vollständige Flugzeugmodelle generiert zur Bewertung in der retrospektiven LCA. Die Flugzeugmodelle im Labormaßstab werden für die nahe Zukunft bis 2025 und entfernte Zukunft bis 2050 modifiziert, indem nicht nur die elektrifizierten Flugzeuge auf den Markt kommen und sich das konventionelle Flugzeug weiterentwickelt, sondern auch die umgebenden Märkte. Die prospektiven LCA-Ergebnisse zeigen, dass unter Einbeziehung der Entwicklungspfade bereits für das konventionelle Flugzeug nennenswerte THG-Emissionsminderungen erzielbar sind, während für die elektrifizierten Alternativen die Entwicklung von Strommix und Wasserstoffproduktion einen signifikanten Einfluss auf die Umweltwirkungen hat. Mit der methodischen Erweiterung der LCA können Daten höherer Vollständigkeit im frühen Entwicklungsstand zur Identifizierung von Optimierungspotenzial und gesicherter Weiternutzung unveränderter Daten sowie eine größere Passgenauigkeit der Daten aufgrund höherer technologischer und zeitlicher Repräsentativität für die potenziellen Umweltwirkungsergebnisse auf Basis entwickelter Zukunftsszenarien erreicht werden. Als Resultat der Forschung entsteht für neuartige und zukunftsgerichtete Technologien ein Framework zur Modellnachbildung für eine zielgerichtete Umweltbewertung, das auf neue Flugzeugalternativen angewendet wird und THG-Minderungspotenziale für das elektrische Fliegen aufzeigt. Die ökobilanzielle Nachbildung zur Bewertung von TTS in einem strukturierten Framework verbessert die Entscheidungsunterstützung für politische und wirtschaftliche Akteure, indem frühzeitig Handlungsempfehlungen für die weitere Erforschung neuartiger Verkehrsmittel auf dem Weg zur Marktreife bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist das Framework auf andere Zukunftstechnologien zur Umweltbewertung anwendbar, um bereits jetzt Sektoren wie den Verkehrssektor im Transformationsprozess mit umweltrelevanten Maßnahmen für die Zukunft zu unterstützen.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2024
Creators: Hanesch, Susanne
Type of entry: Primary publication
Title: Erweiterung der Ökobilanzierung zur Bewertung zukünftiger Umweltauswirkungen von neuartigen Transporttechnologien am Beispiel elektrifizierter Flugzeuge
Language: German
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte ; Oetting, Prof. Dr. Andreas
Date: 5 July 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xv, 183, LXI Seiten
Refereed: 13 May 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027572
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/27572
Abstract:

Im Verkehrssektor sind neuartige Technologien als sog. Transport-Transformationslösungen (TTS) zu entwickeln und in ihrer Umweltleistung zu bewerten, um u.a. eine Reduktion der Treibhausgase (THG) zu gewährleisten und für den Zielzustand einer nachhaltigen Mobilität Transportvarianten sicherzustellen. Jedoch fehlen besonders im Flugsektor dekarbonisierte Alternativen und zur Durchführung der Sachbilanz (LCI) im Rahmen der Ökobilanzierung (LCA) existieren Herausforderungen für das Erfassen von Daten in Entwicklung befindlicher Technologien und die Berücksichtigung von zukünftigen Entwicklungen. Das Ziel der Arbeit ist eine systematische Vorgehensweise für vergleichbare LCA-Ergebnisse zwischen etablierten und neuartigen Fahrzeugen mit einer zweifachen Erweiterung der LCI als neues Framework für Ökobilanzierer. Die Methodenentwicklung umfasst erstens die ex-ante Sachbilanz (eLCI) für vollständige Modelle der Technologieänderung von TTS als erstes Veränderungslevel und zweitens die prospektive Sachbilanz (pLCI) für passgenaue Modelle mittels Zukunftsbetrachtung unter technologischem und zeitlichem Fortschritt als zweites und drittes Veränderungslevel. Die technologische Änderung des Fahrzeugs im Status Quo ist strukturiert darzulegen, um alle Parameter der LCA im Referenzzustand zu generieren. Daraus sind ausgewählte Parameter für das Upscaling des Reifegrads bis zum industriellen Maßstab und die Systemumgebung zu Zukunftsszenarien unterschiedlicher Zeithorizonte für die LCA im Zukunftszustand zu modifizieren, um künftige Änderungen zu berücksichtigen. Mit einer schrittweisen Anleitung in je drei Stufen lassen sich TTS über den Lebensweg nachbilden und mit selektiven Zukunftsverbesserungen anpassen, um ermittelte potenzielle Umweltwirkungen dem konventionellen Transport vergleichend gegenüberzustellen. In einer Fallstudie wird das Vorgehen auf zwei elektrifizierte Flugzeuge angewendet und die Alternativen aus Computersimulationsdaten von Konstruktion und Betrieb sowie weiteren Datengenerierungstechniken für vollständige Flugzeugmodelle generiert zur Bewertung in der retrospektiven LCA. Die Flugzeugmodelle im Labormaßstab werden für die nahe Zukunft bis 2025 und entfernte Zukunft bis 2050 modifiziert, indem nicht nur die elektrifizierten Flugzeuge auf den Markt kommen und sich das konventionelle Flugzeug weiterentwickelt, sondern auch die umgebenden Märkte. Die prospektiven LCA-Ergebnisse zeigen, dass unter Einbeziehung der Entwicklungspfade bereits für das konventionelle Flugzeug nennenswerte THG-Emissionsminderungen erzielbar sind, während für die elektrifizierten Alternativen die Entwicklung von Strommix und Wasserstoffproduktion einen signifikanten Einfluss auf die Umweltwirkungen hat. Mit der methodischen Erweiterung der LCA können Daten höherer Vollständigkeit im frühen Entwicklungsstand zur Identifizierung von Optimierungspotenzial und gesicherter Weiternutzung unveränderter Daten sowie eine größere Passgenauigkeit der Daten aufgrund höherer technologischer und zeitlicher Repräsentativität für die potenziellen Umweltwirkungsergebnisse auf Basis entwickelter Zukunftsszenarien erreicht werden. Als Resultat der Forschung entsteht für neuartige und zukunftsgerichtete Technologien ein Framework zur Modellnachbildung für eine zielgerichtete Umweltbewertung, das auf neue Flugzeugalternativen angewendet wird und THG-Minderungspotenziale für das elektrische Fliegen aufzeigt. Die ökobilanzielle Nachbildung zur Bewertung von TTS in einem strukturierten Framework verbessert die Entscheidungsunterstützung für politische und wirtschaftliche Akteure, indem frühzeitig Handlungsempfehlungen für die weitere Erforschung neuartiger Verkehrsmittel auf dem Weg zur Marktreife bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist das Framework auf andere Zukunftstechnologien zur Umweltbewertung anwendbar, um bereits jetzt Sektoren wie den Verkehrssektor im Transformationsprozess mit umweltrelevanten Maßnahmen für die Zukunft zu unterstützen.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

In the mobility sector, emerging technologies are being developed as so-called transport transformation solutions (TTS) and their environmental performance assessed to ensure, among others, a reduction in greenhouse gases (GHG) and to provide transportation alternatives for the target state of sustainable mobility. However, decarbonised alternatives are lacking, particularly in the aviation sector, and there are challenges in collecting data on technologies under development and taking future developments into account when conducting life cycle inventory analysis (LCI) as part of life cycle assessment (LCA). The aim of the work is a systematic approach for comparable LCA results between established and emerging vehicles with a twofold extension of LCI as a new framework for LCA practitioners. The method development comprises firstly the ex-ante life cycle inventory analysis (eLCI) for complete models of technology change of TTS as first change level and secondly the prospective life cycle inventory analysis (pLCI) for accurate models by future consideration under technological and temporal progress as second and third change level. The technological change of the vehicle in the status quo must be presented structured in order to generate all parameters of the LCA in reference state. From this, selected parameters for upscaling the maturity to industrial scale and the system environment to future scenarios of different time horizons are modified for the LCA in future state in order to take future changes into account. With step-by-step instructions in three stages, TTS can be modelled over the life cycle and adapted with selective future improvements in order to compare the determined potential environmental impacts with conventional transport. In a case study, the procedure is applied to two electrified aircraft and the alternatives are generated from computer simulation data of construction and operation as well as other data generation techniques for complete aircraft models to evaluate in retrospective LCA. The lab scale aircraft models are modified for the near future up to 2025 and far future up to 2050 as not only the electrified aircraft enter the market and the conventional aircraft evolve, but also surrounding markets. The prospective LCA results show by considering the development paths that significant GHG emission reductions can already be achieved for the conventional aircraft, while the development of electricity mix and hydrogen production has a significant influence on environmental impacts of the electrified alternatives. With the methodological extension of LCA, data of greater completeness can be achieved at an early development stage to identify optimisation potential and secure further use of unmodified data, as well as greater accuracy of data due to higher technological and temporal representativeness for potential environmental impact results based on developed future scenarios. As a result of the research, a framework for modelling emerging and future-oriented technologies is being developed for a precise environmental assessment that is applied to new aircraft alternatives and identifies GHG reduction potentials for electric flying. The LCI modelling for assessing TTS in a structured framework improves decision support for political and economic stakeholders by providing early recommendations for further research on emerging transportation technologies towards market maturity. In addition, the framework can be applied to other future technologies for environmental assessment in order to already support sectors such as the mobility sector in the transformation process with environmentally relevant measures for the future.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275727
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 624 Civil engineering and environmental protection engineering
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR > Material Flow Management and Resource Economy
TU-Projects: DLR|20E1916G|GNOSIS
Date Deposited: 05 Jul 2024 12:04
Last Modified: 08 Jul 2024 07:39
PPN:
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte ; Oetting, Prof. Dr. Andreas
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 13 May 2024
Export:
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