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17 Oktober 2019

Neue Verkehrstechnologien im Kampf gegen CO2.

Der Strassenverkehr gehört zu den grössten Verursachern von Treibhausgasemissionen. Der Handlungsbedarf ist klar: Ein CO2-neutraler Verkehr muss das Ziel sein. Drei neue Technologien könnten dabei den Unterschied ausmachen.

Elektroautos gehören mittlerweile zum Strassenbild. Die meisten grossen Autohersteller sind auf den Zug aufgesprungen und haben batteriebetriebene Personenwagen ins Angebot aufgenommen. Wie verschiedene Statistiken zeigen, wächst auch die Nachfrage stetig. Doch diese Art von E-Autos ist nicht die einzige Option auf dem Weg zu einem sauberen Strassenverkehr. Die Brennstoffzelle als Antrieb kann wohl genauso sauber sein und liefert darüber hinaus eine höhere Reichweite. Zu guter Letzt könnten künftig synthetisch hergestellte Kraftstoffe im Strassenverkehr ihre Spuren hinterlassen. Ihr Vorteil: Die bestehende Infrastruktur kann genutzt werden. Drei zukunftsweisende Technologien im Vergleich.

Batteriebetriebene Elektroautos

Wer Elektroautos als neuartig oder innovativ bezeichnet, ist auf dem Holzweg. Erstens sind sie seit einigen Jahren immer häufiger auf Schweizer Strassen anzutreffen und zweitens geht ihre Geschichte viel weiter zurück, als man meinen könnte. Das erste bekannte Elektroauto war ab 1888 einsatzbereit. Da die strombetriebenen Vehikel allerdings ums Jahr 1910 aus dem Strassenbild verdrängt wurden, gerieten sie in Vergessenheit. Heute ist vor allem die Marke Tesla ein Begriff und setzt neue Massstäbe bezüglich Reichweite und Leistung von Elektroautos. Christian Bach, der an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa für die Abteilung Fahrzeugantriebssysteme zuständig ist, kennt die Gründe für den Hype: «Elektroautos bieten ein grosses Potenzial zur CO2-Minderung. Insbesondere für Kurzstrecken ist dieser Antrieb sinnvoll.»

Die meisten grossen Autohersteller sind auf den Zug aufgesprungen und haben batteriebetriebene Personenwagen ins Angebot aufgenommen.

Massenproduktion: Teslas Model 3 wurde bereits 350 000 Mal hergestellt und beschert der Marke eine Vorreiterrolle. Bild: iStock
Die graue Energie

Ein grosser Haken an der ganzen Elektroauto-Sache: Die Lithium-Ionen-Batterien verschlingen in der Produktion unglaubliche Mengen an Energie. Zwar sind die Ergebnisse aus Studien nicht eindeutig, man geht aber davon aus, dass Elektroautos 10 bis 15 Tonnen an CO2-Emissionen verursachen, noch bevor sie auf die Strasse kommen. Mit diesem Wert kann man berechnen, dass ein Elektroauto erst nach rund vier bis acht Betriebsjahren oder rund 50 000 Kilometern beginnt, umweltfreundlicher zu sein als ein Dieselfahrzeug. Christian Bach meint dazu: «Je nach Annahmen kann man die Elektromobilität sehr gut oder sehr schlecht aussehen lassen.» Zudem könnte der Kampf um immer noch grössere Reichweiten den Öko-Vorteil der batteriebetriebenen Fahrzeuge vollends aufheben – je grösser die Batterie, desto mehr graue Energie steckt drin. Grundsätzlich gilt: «Die Elektromobilität führt bei Kurzstreckenfahrten zu einer klaren CO2-Minderung, wenn die Fahrzeuge mit ‹vernünftig› dimensionierten Batterien ausgerüstet sind. Für die Langstreckenmobilität gibt es jedoch sauberere und günstigere Antriebskonzepte.»

Man kann die Elektromobilität sehr gut oder sehr schlecht aussehen lassen. – Christian Bach, Leiter Abteilung Fahrzeugantriebssysteme an der Empa

Geräuschlos und effizient

Ein durchschnittliches batteriebetriebenes Fahrzeug schafft heute 200 bis 300 Kilometer, was für sehr viele Fälle ausreichend ist. Obwohl es hierzulande bereits 4 500 Schnellladestationen gibt, sind sie noch lange nicht so verbreitet wie Tankstellen. Wie so oft geht es auch hier um Angebot und Nachfrage: Je mehr Elektroautos auf Schweizer Strassen unterwegs sind, desto mehr Schnellladestationen dürften eingerichtet werden. Und überhaupt: Wer Geduld hat, lädt sein E-Auto einfach zu Hause in der Garage auf – am besten mit dem eigenen Solarstrom. Eine angenehme Nebenerscheinung der batteriebetriebenen Elektroautos ist, dass der Motor praktisch geräuschlos arbeitet – und das mit einem schier unschlagbaren Wirkungsgrad von rund 90 Prozent. Dieser Wert gilt allerdings nur für den Betrieb des Autos auf der Strasse: Wird der ganze Kreislauf betrachtet, kann der Wirkungsgrad je nach Energiequelle, mit der die Batterie aufgeladen wird, erheblich sinken.

Schnellladestationen, wie hier in Genf, verbreiten sich mit zunehmender Nachfrage. Bild: iStock
Bedrohung Elektrobatterie

Vor allem für Feuerwehrleute bringen die Elektroautos eine neue Bedrohung mit sich. Fahrzeugbrände können dazu führen, dass Giftstoffe aus den Batterien austreten. Ausserdem dauern solche Brände viel länger an als gewohnt, weil die chemischen Reaktionen innerhalb der Batteriezellen immer weiterlaufen. Nichtsdestotrotz rechnet man damit, dass die Elektroauto-Branche einen weiteren Sprung nach vorne machen wird. Vor allem China produziert am Laufmeter – und die norwegischen Länder sind Spitzenreiter, wenn es um die Elektroauto-Quote auf den Strassen geht.

Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle bringt ein altes Prinzip der Chemie in den Strassenverkehr. Mit permanenter, getrennter Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff wird chemische Energie spontan und direkt in elektrische umgewandelt. Damit erfolgt die Gewinnung über weniger Umwege als bei einem Verbrennungsmotor, wodurch die Verluste geringer sind. Zudem ist das einzige Abfallprodukt einer Brennstoffzelle Wasser. Christian Bach weiss, weshalb diese Form des Antriebs mit Anlaufschwierigkeiten zu kämpfen hat: «Alle Antriebstechnologien benötigen ihre eigene Energieversorgungsinfrastruktur. Der Aufbau dieser Infrastruktur für Brennstoffzellenfahrzeuge ist komplex und teuer.»

In der Schweiz sind vorerst bloss zwei Brennstoffzellenautos erhältlich. Der Hyundai Nexo und der Toyota Mirai (im Bild). Bild: iStock
Unvermeidbare Verluste

Um an Wasserstoff zu gelangen, ist Elektrolyse nötig. Sie ist aktuell noch nicht wirtschaftlich, was den schweren Stand von Brennstoffzellenautos im Strassenverkehr erklärt. Christian Bach betont in dieser Hinsicht, wie wichtig es ist, die richtigen Einsatzgebiete für die Brennstoffzelle zu finden: «Es geht um Bereiche, in denen die Fahrzeugkapitalkosten im Vergleich zu den Emissionen eine untergeordnete Rolle spielen.» Er ist überzeugt davon, dass eine mittelfristige Kostensenkung durch Skaleneffekte möglich ist. Rund 90 Prozent des verwendeten Wasserstoffs werden heute aus Erdgas gewonnen. Der Betrieb eines entsprechenden Fahrzeugs ist damit nicht umweltfreundlicher als der direkte Betrieb eines Erdgasautos. Ein solches stösst im Alltag rund einen Viertel weniger CO2aus als ein Benzin- oder Dieselfahrzeug. In Bezug auf die Umweltfreundlichkeit lohnt sich ein Brennstoffzellenauto nur, wenn der Strom zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus erneuerbaren Quellen stammt. Durch die zweifache Umwandlung – von Strom zu Wasserstoff und wieder zurück zu Strom – sind Energieverluste nicht zu verhindern.

Ergänzung zu Elektroautos

Das Betanken eines Wasserstoffautos ist zwar einfach und schnell, in der Schweiz aber nur an wenigen Orten möglich. Zudem kann man damit kein Geld sparen: Wasserstoff ist in etwa gleich teuer wie die herkömmlichen fossilen Energieträger. Ein zentraler Vorteil von Wasserstoff ist die Energiedichte: Ein kleiner 700-bar-Drucktank mit rund 100 Kilogramm Gewicht liefert 400 Kilometer Reichweite – eine vergleichbare Tesla-Batterie wiegt gut 650 Kilogramm. Wasserstoff ist vielseitiger, flexibler und günstiger als Batterien, sobald es um grössere Fahrzeuge wie Lastwagen geht. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen liegt dabei etwas über demjenigen von Hybridantrieben. Christian Bach glaubt an eine Zukunft der Technologie: «Wir werden an Wasserstoff nicht vorbeikommen, wenn wir von fossiler auf erneuerbare Energie umstellen wollen.» Er sieht batterieelektrische Antriebe und Brennstoffzellen nicht als Konkurrenten, «sondern als Technologien, die sich sehr gut ergänzen.»

Eine Wasserstofftankstelle in Hamburg. In der Schweiz gibt es aktuell nur zwei davon, in Deutschland sind es immerhin an die 70. Bild: iStock

PtL bezeichnet die Umwandlung von Elektrizität in synthetische, flüssige Kohlenwasserstoffe wie Diesel und Kerosin.

Anwendungsbereich Schwerverkehr

Wasserstoff ist, entgegen vieler Befürchtungen, ungefährlich. «Sowohl die Speicherung in Drucktanks als auch die Zuführung von Wasserstoff in die Brennstoffzellen ist sicher», präzisiert Christian Bach. Für die Anwendung der Brennstoffzelle komme in einem ersten Schritt vor allem der LKW-Bereich in Frage. Die Brennstoffzellen-LKWs seien gegenüber Diesel-Lastwagen konkurrenzfähig, weil sie von den Schwerverkehrsabgaben befreit seien, argumentiert der Experte. Im Bereich der Personenwagen dürfte die Brennstoffzelle – unter anderem aufgrund der aufwändigeren Hardware und der fehlenden flächendeckenden Infrastruktur – kaum an den derzeit sehr populären Batterien vorbeikommen, glaubt Christian Bach.

Sowohl die Speicherung in Drucktanks als auch die Zuführung von Wasserstoff in die Brennstoffzellen ist sicher. – Christian Bach

Power-to-X

Was geheimnisvoll klingt, ist nichts anderes als eine clevere Lösung zur Speicherung von überschüssiger Energie. Power-to-X bezeichnet die Umwandlung von grüner Elektrizität unter anderem in gasförmige oder flüssige Brennstoffe. «Power» steht dabei für den Strom, der als energetische Grundlage eingesetzt wird, und «X» für das resultierende Produkt. Dabei unterscheidet man zwischen Power-to-Liquid (PtL) und Power-to-Gas. PtL bezeichnet die Umwandlung von Elektrizität in synthetische, flüssige Kohlenwasserstoffe wie Diesel und Kerosin. Bei PtG entsteht in einem ähnlichen Verfahren gasförmiges Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas und Biogas. Dieses kann ins Gasnetz eingespeist werden. «Diese Technologien sind im Kontext der Dekarbonisierung der Mobilität nicht nur sinnvoll, sondern notwendig», ist Christian Bach überzeugt.

Eine mögliche Anwendung von Power-to-X-Technologien liegt darin, überschüssige Energie aus Windparks in der Nordsee in synthetische Kraftstoffe umzuwandeln. Bild: iStock

Das Auftanken von synthetischen Treibstoffen ist also genauso einfach wie dasjenige mit bestehenden Energieträgern.

Kohlendioxid in einem Kreislauf

Sowohl für PtL als auch für PtG ist im ersten Schritt die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse notwendig. Danach erfolgt in einem zweiten Schritt die Umwandlung des Wasserstoffs, indem dieser mit Kohlendioxid in einem katalytischen Verfahren zu Kohlenwasserstoffen reagiert. Diese Reaktion ist exotherm – es geht also Energie verloren. Dafür können Kohlenwasserstoffe einfacher gespeichert und transportiert werden als Wasserstoff. Für die Umwandlung ist man auf Kohlendioxid angewiesen, welches nicht ganz einfach zu besorgen ist: «Die CO2-Versorgung ist der Flaschenhals beim PtL- und PtG- Aufbau. Trotz hoher Kosten stufen wir die atmosphärische Gewinnung deshalb als vielversprechend ein», erklärt Christian Bach. Das Kohlendioxid aus der Luft zu gewinnen, ist einerseits eine grosse Herausforderung und sorgt andererseits dafür, dass Power-to-X-Technologien klimaneutral sind – sofern überschüssige, nicht anderweitig nutzbare Energie aus dem Strommarkt verwendet wird. Bei der Herstellung von synthetischen Kraftstoffen wird gleich viel CO2gebunden, wie im Betrieb wieder ausgestossen wird.

Die CO2-Versorgung ist der Flaschenhals beim Power-to-Liquid- und Power-to-Gas- Aufbau.

Vorhandene Infrastruktur nutzen

Sowohl PtL als auch PtG sind mit bestehenden Systemen kompatibel. Synthetische Treibstoffe funktionieren nicht anders als fossiler Diesel und können damit theoretisch an bestehenden Tankstellen bezogen werden. Es ist ausserdem möglich, das künstliche Methan ins bestehende Erdgasnetz einzuspeisen und auch entsprechend zu nutzen. Das Auftanken von synthetischen Treibstoffen ist also genauso einfach wie dasjenige mit bestehenden Energieträgern. Der grösste Mehrwert der Technologie liegt indes darin, dass überschüssige Energie aus erneuerbaren Quellen gespeichert werden kann. Gerade im Hinblick darauf, dass wir nicht dann am meisten Strom verbrauchen, wenn auch die Produktion am höchsten ist, bietet Power-to-X also einen entscheidenden Vorteil.

Mit Power-to-X-Lösungen können bestehende Tanks, Leitungen und Anlagen weitergenutzt werden. Bild: iStock
Hohe Energiedichte als Plus

Die Herstellungskosten für synthetische Kraftstoffe liegen heute noch deutlich über den Förderkosten für ihre fossilen Pendants. Christian Bach ist überzeugt, dass eine Senkung durch Wirkungsgradoptimierungen und Skaleneffekte möglich sei: «Entsprechende Studien zeigen, dass sich in Grossanlagen hergestellte synthetische Treibstoffe kostenmässig den fossilen Treibstoffen annähern.» Anwendungschancen für Power-to-X lägen vor allem im Langstreckenverkehr, in der Schiff- und der Luftfahrt. Diese Bereiche werden bei der Umstellung auf umweltfreundlichere Antriebstechnologien auf die hohe Energiedichte von synthetischen Brennstoffen angewiesen sein.

Fazit: die Mischung macht’s

Seien es Batterien, Brennstoffzellen oder künstlich hergestellte Kraftstoffe; der Strassenverkehr wird um neue Antriebslösungen nicht herumkommen. Christian Bach glaubt indes nicht daran, dass nur eine der Technologien das Rennen machen wird: «Es braucht alle drei – nicht nur, um möglichst viele Bereiche abdecken zu können, sondern auch, um einen technologischen Wettbewerb zu initiieren.» Nur so würden die Potenziale wirklich ausgeschöpft und Innovationen ermöglicht. Die kommenden Weiterentwicklungen machen es zudem wahrscheinlich, dass die heute noch teuren Technologien günstiger werden und so den Markt aufmischen können. Ebenfalls ein Faktor ist gemäss Christian Bach das neue CO2-Gesetz, welches wichtige Rahmenbedingungen in diesem Umfeld beinhaktet: Sobald die neuen Regelungen in Kraft sind, werden die drei neuen Technologien kaum mehr aufzuhalten sein.

Text: Stefan Marolf

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