Decarbonization pathways for the automotive industry: requirements, measures and feasibility
Creators: name: Poschmann, Justus
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
subject: decarbonization pathway
subject: corporate reduction targets
subject: sectoral decarbonization approach
subject: carbon budget
subject: automotive industry

description: The climate crisis is one of the biggest encounters of today and for our future society. Although the consequences like intensified extreme weather events are present and inflicting global economy and populations, available mitigation measures are still under discussion and their implementation is only slowly progressing. As one of the major emitters, the transport sector is responsible for 15% of annual global emissions. Therefore, it has to reduce the emitted greenhouse gas emissions (GHGs) by more than 90% until 2050 to limit global warming to 1.5°C. Subsequently, it faces different tasks: deriving the remaining carbon budget that can be allocated to the mobility sector, determine decarbonization pathways for the different modes of transportation and identifying reduction potentials that are sufficient to fulfil the mandatory requirements. In regard to the current matters, the motivation for this thesis is built on research gaps and challenges concerning the GHG budget allocation processes, deviating target-setting approaches and data availability on corporate level. Consequently, the objective of this thesis is the assessment of decarbonization pathways for the automotive industry and the evaluation of requirements, measures and their feasibility. To achieve this aim, research questions regarding the derivation of decarbonization pathways and their feasibility for automotive manufacturers were defined. Furthermore, the issue of non-available possibilities to derive mitigation trajectories and options for corporate planning to align the development of company-related carbon dioxide (CO2) emissions towards the required level are addressed. In order to evaluate the identified research gaps, the approach of this thesis includes three steps. First, the remaining carbon budget is calculated on corporate level aligned to identified sciencebased requirements. Then, the derived target pathway is compared to the development of actual emissions. By identifying different levers for reduction, the level of fulfillment can be analyzed. Therefore, the effect of policy regulations is exemplarily reviewed. Furthermore, corporate mitigation measures for battery electric vehicles are identified and extrapolated. Finally, the feasibility to reach the state of net-zero emissions is examined and remaining gaps are detected. For the derivation of automotive decarbonization pathways, inventory accounting and reporting schemes are combined to link lifecycle emissions to sectoral carbon budgets. Then, normative decarbonization scenarios are used to allocate sector-specific data to each element of a vehicle. Validated with a case study, the decarbonization pathways revealed milestones for reduction targets in the order of -32% to -43% per vehicle by 2030, around -88% per vehicle until 2040 and minimum reductions of -91% to -93% in 2050 compared to 2018 levels. For the assessment of policy-related mitigation potentials, two European proposals were reviewed. By comparing targets and the reported progress of a regulation dealing with governmental transport emissions and a directive regarding the share of renewable energy consumption, the consistency of cross-level commitments was evaluated. Thereby, the governmental impact differs widely and member states need to increase their contributions for target fulfillment. Consequently, policy regulations will not completely be sufficient and enhance the sustainable transition of companies by providing additional windfall profits to corporate engagements. Based on the derived requirements on decarbonization pathways and their support by governmental regulations, corporate action is required. To evaluate the feasibility to comply with the determined reduction targets, product-related measures are necessary. Considering the abatement of use phase CO2 emissions of passenger cars due to the electrification of vehicles and the supply of renewable charging, the raw material extraction and manufacturing process is left for improvement. Consequently, mitigation potentials for the main supply chain hotspots were identified and emission intensity pathways derived. Applying overall reduction levers like the use of renewable power, secondary materials and the adaption of production technology to steel, aluminum, batteries, plastics and glass leads to a reduction of the total GHG emissions of battery electric vehicles (BEVs) by -75%. However, the state of net carbon neutrality is not reached as emissions remain, that could be decreased by additional component-related measures or carbon removals. Consequently, the emission intensities of the passenger transport sector are compared to frame the role of the automotive industry. As buses and trains show lower carbon footprints as BEVs even when the presented reduction measures are completely implemented, a combination of different modes is required to reduce to absolute emissions of the transport sector. All in all, the different approaches and evaluations of this thesis contribute insights that can improve the strategic planning of automotive corporations in terms of decarbonizing their business. By providing a proposal to derive carbon budgets aligned to 1.5°C pathways along all lifecycle stages, the single-focused sectoral decarbonization pathways for tailpipe emissions, steel or aluminum are connected to frame the holistic decarbonization of BEVs. Lastly, the new perspectives can be used to increase the transparency of global decarbonization approaches and scenarios as well as the practice-oriented approach of companies.
description: Die Klimakrise ist allgegenwärtig und eine der größten Herausforderungen der heutigen und zukünftigen Zeit. Obwohl die Folgen in Form von Extremwetterereignissen dauerhaft präsent sind und die globale Wirtschaft und Bevölkerung beeinträchtigen, werden anwendbare Maßnahmen zur Reduktion der Emissionen weiterhin diskutiert und ihre Umsetzung schreitet nur langsam voran. Als einer der wesentlichen Verursacher der Treibhausgasemissionen (THG) ist der Transportsektor für 15% der jährlichen Emissionen verantwortlich. Diesbezüglich muss er die ausgestoßenen Emissionen bis 2050 um mehr als 90% reduzieren, um den globalen Temperaturanstieg auf 1.5°C zu begrenzen. Folglich steht der Sektor vor unterschiedlichen Herausforderungen: Das Bestimmen von verbleibenden Emissionsbudgets und deren Zuteilung auf Produkt- und Unternehmensebene zur Festlegung von Dekarbonisierungspfaden und die Identifikation von Reduktionspotenzialen, welche zur Erfüllung der Anforderungen der Eindämmung der globalen Erderwärmung ausreichend sind. Basierend auf den Forschungslücken leitet sich die Motivation dieser Arbeit aus den Schwierigkeiten der THG-Budget Ableitung, der Zielbestimmung und Datenverfügbarkeit auf Unternehmensebene her. Dabei zielt diese Thesis auf die Evaluierung von Dekarbonisierungspfaden für die Automobilindustrie sowie der Beurteilung von deren Anforderungen, Maßnahmen und Umsetzbarkeit ab. Um dieses Vorhaben zu erreichen, wurden Forschungsfragen bezüglich der Festlegung von Reduktionspfaden und deren Umsetzbarkeit für Automobilunternehmen bestimmt, die die Möglichkeiten zur Ableitung solcher Verminderungspfade und Optionen für unternehmerische Planungen sowie Aktivitäten adressieren. Dabei sollen sich die unternehmensbezogenen Kohlenstoffdioxid (CO2) Emissionen gemäß den zulässigen Anforderungen entwickeln. Um diese Forschungsbedarfe abzudecken, nutzt die Ausarbeitung drei Schritte. Zuerst werden die verbleibenden Kohlenstoffbudgets, welche konform zu den wissenschaftsbasierten Anforderungen sind, für Unternehmen der Automobilindustrie berechnet. Danach werden die abgeleiteten Dekarbonsierungspfade mit den eigentlichen Emissionen der Unternehmen verglichen. Durch die Analyse von möglichen Hebeln zur Reduktion von Treibhausgasen kann die Erreichbarkeit der Zielpfade untersucht werden. Dafür werden zusätzlich die Einflüsse von politischen Vorschriften und Regulationen sowie direkte Produktmaßnahmen betrachtet. Schließlich kann eine Aussage getroffen werden, inwiefern die Unternehmen der Automobilindustrie in der Lage sind, den Zustand von bilanzieller CO2-Neutralität zu erreichen oder weitere Handlungsbedarfe bestehen. Um die sektorspezifischen Dekarbonisierungspfade herzuleiten werden Bilanzierungs- und Berichtsstandards genutzt, um eine Verbindung zwischen den Lebenszyklusemissionen und sektorspezifischen CO2-Budgets herzustellen. Danach werden normative Dekarbonisierungsszenarien herangezogen, um die Richt- und Reduktionswerte auf jeden Bestandteil und jede Komponente von Fahrzeugen überzuleiten. Nach der Verknüpfung wird die Vorgehensweise anhand einer Fallstudie getestet. Dabei werden Reduktionspfade auf Basis festgelegter Prämissen eines fiktiven Unternehmens konstruiert und die meilensteinbezogenen Zielsetzungen bestimmt. Als Ergebnis müssen die THG pro Fahrzeug zwischen -32% und -43% bis 2030, ungefähr -88% bis 2040 und mindestens zwischen -91% und -93% im Vergleich zum Basisjahr in 2018 reduziert werden. Für die Bewertung der regulatorischen Reduktionspotenziale werden zwei europäische Entwürfe untersucht, die die mitgliedsstaatenspezifischen Transportemissionen und den Anteil von erneuerbarer Energieversorgung beeinflussen. Dafür werden die Zielsetzungen, deren jährlicher Fortschritt und die Konsistenz der unterschiedlichen Zielgebungsebenen bezüglich möglicher Abweichungen untersucht. Folglich zeigen sich deutliche Unterschiede und Abweichungen in den Beiträgen der Mitgliedsstaaten verglichen zu deren Ambitionen. Daraus lässt sich schließen, dass die regulativen Politikinstrumente nicht vollständig umgesetzt werden und darüber hinaus zusätzliche Aktivitäten erfordern. Die Unternehmen können sich somit nicht auf zusätzliche und kostenlose Reduktionseffekte für ihre Wertschöpfungskette verlassen. Entgegengesetzt, lassen sich anhand der Analyse der Fortschrittsmessung auch Länder identifizieren, bei denen zusätzlicher Aufwand für die Dekarbonisierung von Emissionsquellen eingesetzt werden muss. Aufgrund der sektoralen Budgetanforderungen und der Wirkung der politischen Instrumente sind zusätzliche Unternehmensaktivitäten zur Einhaltung der Dekarbonisierungspfade notwendig. Um die Umsetzbarkeit der abgeleiteten Pfade zu prüfen, werden lebenszyklusbezogene Maßnahmen gefordert. Da die Vermeidung von CO2-Emissionen in der Nutzungsphase von Fahrzeugen durch die Elektrifizierung der Produkte sowie deren Versorgung mit erneuerbarem Strom zur Ladung vollzogen werden kann, sind die Rohmaterialerzeugung und Herstellungsprozesse der nächste Treiber. Daher werden Maßnahmen zur Verminderung der Lieferkettenemissionen identifiziert und intensitätsspezifische Reduktionspfade für Hauptmaterialien bestimmt. Dabei basieren die größten Hebel auf der Nutzung von erneuerbarer Energie, dem Einsatz von Sekundärmaterialien und innovativer Produktionstechnologien. Abschließend werden die Potenziale für Stahl, Aluminium, die Traktionsbatterie, Kunststoffe und Glas auf Fahrzeugebene extrapoliert, um die maximale Reduktion der CO2-Emissionen zu bestimmen. Folglich können 75% der gesamten Fahrzeugemissionen durch die Nutzungsphase und die untersuchten Lieferkettenpotenziale reduziert werden und die bilanzielle CO2-Neutralität wird verfehlt. Nichtsdestotrotz kann diese durch die weiteren Maßnahmen nicht berücksichtigter Komponenten und der Nutzung von CO2-Senken voraussichtlich erreicht werden. Auf Basis der aktuellen Verfehlungen werden die Emissionsintensitäten anderer Transportmodalitäten untersucht, um die Bedeutung der Automobilindustrie zur Dekarbonisierung des Transportsektors zu ermitteln. Dadurch, dass Busse und Züge niedrigere CO2-Fußabdrücke als batterieelektrische Fahrzeuge aufweisen, auch wenn die in dieser Arbeit identifizierten Maßnahmen berücksichtigt werden, ist eine Kombination unterschiedlichster modaler Mobilitätsformen notwendig, um langfristig die absoluten Emissionen des Transportsektors zu reduzieren. Insgesamt können die erarbeiteten Ergebnisse die strategische Planung von Automobilunternehmen hinsichtlich der Dekarbonisierung verbessern. Mit der Bereitstellung von 1.5°C konformen und holistischen Reduktionspfaden können bekannte Ansätze für spezifischen Lebenszyklusphasen oder Materialien von batterieelektrischen Fahrzeugen verbunden werden. Abschließend können die neuen Perspektiven genutzt werden, um die Transparenz und Praxisorientierung für die Automobilindustrie voranzutreiben.