Für den Verkehr gibt es drei Nachhaltigkeitsstrategien:
Vermeiden
Reduzierung von Ortsveränderungen bzw. Distanzen mit motorisierten Verkehrsmitteln
Verlagern
Durchführung des verbliebenen Verkehrs mit umweltfreundlicheren Verkehrsmitteln
Verbessern
technische und/oder organisatorische Verbesserungen des Verkehrs
Teil der Verbesserungsstrategie ist die Entwicklung von nachhaltigen Antriebstechnologien. Aus der Klimaschutzperspektive stellt Elektromobilität gegenwärtig die zentrale Lösungsoption für den Zweirad-, Pkw- und Bus-Verkehr der Zukunft dar. Darüber hinaus sollen Anwendungen wie Lkw, Flugzeuge, Schiffe, Bahnen und mobile Arbeitsmaschinen durch Power-to-Fuel (PtF) Produkte klimaverträglich gemacht werden. Der Beitrag beider Lösungsoptionen zum Klimaschutz im Jahr 2050 hängt vom bis dahin erreichten erneuerbaren Anteil im Strom-mix und dem Ausbau der Versorgungsinfrastruktur ab.
Die theoretischen Marktpotenziale für Elektrofahrzeuge und PtF-Produkte sind hoch. Für die Marktdiffusion müssen die Kosten für Batterien bzw. Brennstoffzellen gesenkt, ihre Reichweite und Lebensdauer erhöht sowie die Ladeinfrastruktur für Strom bzw. Wasserstoff ausgebaut werden. Zusätzlich können, vor dem Hintergrund autonomer Fahrsysteme, in Verbindung mit Brennstoffzellen- und Elektrofahrzeugen zukünftig gänzlich neue nachhaltige Mobilitätssysteme entstehen, die den Mobilitätsumfang zusätzlich vergrößern können. Die Bereitstellung von PtF- Produkten wird wesentlich durch Herausforderungen bei der CO2-Bereitstellung und Biomassenutzung sowie bei der noch aufzubauenden Erzeugungsinfrastruktur bestimmt.
Der Umstieg auf Elektromobilität bedeutet eine Systeminnovation, die Fahrzeugantriebe, Infrastrukturen, Energiebereitstellung und die gesamte Wertschöpfungskette im Automobilsektor umfasst.
Vereinfachend lassen sich diese nachhaltigen Antriebstypen unterscheiden:
rein batterieelektrische Antriebe
hybride Antriebe
Wasserstoff-Brennstoffzellen-Elektroantriebe
Die Einführung von PtF-Kraftstoffen erfordert die Schaffung einer neuen Erzeugungsinfrastruktur zur Synthese und umfasst das folgende Produktspektrum:
Methan als Compressed Natural Gas (CNG) oder als Liquefied Natural Gas (LNG)
synthetische Kohlenwasserstoffe für Otto- oder Dieselmotoren
sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe wie Alkohole, Ether oder Ester (Oxygenate)
Pluspunkte von nachhaltige Mobilität
Eine künftige Elektroflotte bietet das Potenzial, perspektivisch als Zwischenspeicher für Strom aus fluktuierenden erneuerbaren Quellen dienen zu können. Wie und in welchem Umfang dieses Flexibilisierungspotenzial gehoben werden kann, ist Gegenstand weiterer Forschungen.
Auch die Verwendung von Wasserstoff für Brennstoffzellen-Fahrzeuge oder der Betrieb mit nachhaltig gewonnenem Methan erlaubt eine großtechnische Energiespeicherung und Netzflexibilisierung sowie eine nachhaltige Mobilität auch im Langstreckenverkehr.
Die Verwendung von PtF-Kraftstoffen verbindet die hohe Energiedichte mit einfacher Handhabung und dem weitgehenden Erhalt bewährter Antriebstechnologie und Versorgungsinfrastruktur.
Lithium-Ionen-Batterien
speichern Elektrizität (Elektronen) durch den Austausch von Lithiumionen (Li +) zwischen Anode und Kathode beim Laden und Entladen. Dabei erreichen sie eine im Vergleich zu anderen Akkus hohe spezifische Energiedichte
Pluspunkte von Lithium-Ionen-Batterien
Diese Fahrzeuge sind mit ihrem hohen Wirkungsgrad und ihrer lokalen Emissionsfreiheit ideale Stadt- und Lieferfahrzeuge. Die meist noch auf von 100–200 km begrenzte Reichweite und die notwendigen Ladezeiten sind für diese Anwendungen in der Regel kein Problem. Es gibt auch schon Systeme mit Reichweiten bis zu 400 km. Zudem lässt die schnelle Entwicklung der Akkumulatoren erhebliche Effizienzsteigerungen und Preissenkungen erwarten
Brennstoffzellen
erzeugen mit Wasserstoff elektrischen Strom, der zum Antrieb eines Elektromotors eingesetzt wird. Der benötigte Kraftstoff wird im Fahrzeug in Druckgastanks mitgeführt.
Pluspunkte von Brennstoffzellen
Wasserstoff kann in entsprechenden Tanksystemen mit hoher Energiedichte transportiert werden. Daher ermöglichen Brennstoffzellenfahrzeuge Reichweiten von mehreren hundert Kilometern.
Durch die effiziente und emissionsfreie Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie sind Brennstoffzellen vielversprechend für den CO2-freien Verkehr. Ihr Wirkungsgrad ist doppelt so hoch wie der von Verbrennungsmotoren.
Der Wasserstoff wird mittels großskaliger Elektrolyseanlagen effizient und in ausreichenden Mengen aus erneuerbaren Energien erzeugt und erlaubt durch Speicherung in großvolumigen Salzkavernen die Entkopplung von regenerativem Stromangebot und Lastgang.
Power-to-Fuel
liefert flüssige oder gasförmige Kraftstoffe aus Wasserstoff und Kohlendioxid oder Biomasseabfällen, die entweder die Eigenschaften mineralölbasierter Kraftstoffe aufweisen oder im Falle von Alkoholen bzw. Oxygenaten über vergleichbare oder bessere Eigenschaften verfügen.
Auf dem Weg zur nachhaltigen Mobilität haben Bundesregierung und Wirtschaft eine Kaufprämie für Elektrofahrzeuge ausgelobt. Daneben hat sich die H2 Mobility Initiative darauf verständigt, das deutsche H2-Tankstellennetz bis 2023 auf 400 Stationen auszubauen. Die für Pkw, Kleintransporter und Busse anlaufende Markteinführung der Elektromobilität wird sich auf die Umstellung kleiner Nahverkehrszüge ausweiten. Weitere Verkehrsanwendungen zu Wasser und in der Luftwerden folgen. Die Einführung von PtF-Kraftstoffen für Lkw, Flugzeuge, Schiffe, Bahnen und mobile Arbeitsmaschinen erlaubt einen klimaverträglichen Betrieb des erheblichen und wachsenden Transportsektors unter weitgehender Beibehaltung der Nutzungstechnologien und der Versorgungsinfrastruktur.
Pluspunkte von Power-to-Fuel
Die Leistungsfähigkeit der Fahrzeugantriebe bleibt weitgehend erhalten.
Das Nutzungsverhalten (Betankung, Sicherheit) bleibt weitgehend unverändert.
Die vorhandene Versorgungsinfrastruktur kann weiter genutzt werden.
Forschungs- und Entwicklungsbedarf
Erarbeitung einer abgestimmten Gesamtstrategie zur stärkeren Verbreitung und Akzeptanz der Elektromobilität und PtF
Anpassung von Rahmenbedingungen und Ausbau der Infrastruktur (u.a. Erarbeitung von Finanzierungsmechanismen)
Untersuchungen zur Systemintegration von Elektromobilität (Vehicle-to-Grid, Smart Home, Batterie und Brennstoffzellen) und PtF (Synthesanlagen, CO2-Abtrennung und Transport); für die Zukunft auch im Kontext automatisierter bzw. autonomer Fahrassistenzsysteme (Car-to-x Kommunikation)
Kriterien wie Lebensdauer und Kosten, Sicherheit und Funktionalität müssen durchgängig verstanden und optimiert werden.
Die Forschung erarbeitet Lösungen für die gesamte Bandbreite der Technologien, von Systemtechnik, Optimierung von Komponenten, Synthese neuer Materialien bis zu Fertigungstechnologien.
Entwicklung eines neuen Produktspektrums für die breite Anwendung einer nachhaltigen Mobilität:
Elektromotoren, Brennstoffzellen, Batterien, Systemtechnik, mit EE-/Biokraftstoffen betriebene Range Extender (Reichweitenverlängerer) sowie Ladeinfrastruktur und -konzepte wie Schnellladung und induktives Laden
Anbindung an dezentrale Erzeuger wie PV- und KWK-Anlagen sowie die optimale Einbindung in das Stromnetz, auch zum Ausgleich von Fluktuationen und zur Netzstabilisierung
Strategien für den effizienten Einsatz erneuerbarer Kraftstoffe sind zu entwickeln. Diese müssen im Einklang mit einer übergeordneten Biomasse-Allokationsstrategie stehen. Allerdings ist vor dem Einsatz solcher Energieträger vorrangig auf eine deutlich höhere Effizienz der Fahrzeuge sowie auf Möglichkeiten zur Reduktion des motorisierten Verkehrs zu achten
Aktuelle Materialien
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Michael Brütting
Thermisches Management E-Fahrzeuge und Komponenten
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