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Mobilität – Antriebe und Treibstoffe der Zukunft

Die Mobilität der Zukunft basiert auf erneuerbarer Energie. Christian Bach, Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme der Empa, erklärt, welche Möglichkeiten, Potenziale und Herausforderungen es dabei gibt.

Herr Bach, Sie sind Leiter der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme. Womit beschäftigen Sie sich tagtäglich?

Wir befassen uns mit der Effizienzsteigerung bei Fahrzeugen, der Schadstoffreduktion und dem Umstieg von fossiler auf erneuerbare Energie im Mobilitätsbereich. Dabei geht es unter anderem darum, im Strommarkt nicht nutzbare Elektrizität in die Mobilität zu transferieren und so nutzbar zu machen.

 

Was ist nicht nutzbare Elektrizität?

Dabei handelt es sich um temporäre Stromüberschüsse, für die es im Strommarkt keine Verwendung gibt. Beispielsweise kann an einem sonnigen Sommertag mehr Strom produziert als verbraucht werden, während es am nächsten Tag aufgrund von schlechtem Wetter umgekehrt sein kann. Solche Deckungslücken müssen mit Überschüssen des vorherigen Tags geschlossen werden, sonst bleiben wir von fossilen Kraftwerken abhängig. Auf Stunden- oder Tagesbasis wird dies bereits heute mit Pumpspeicherkraftwerken gemacht und künftig vermehrt auch mit Batteriespeichern geschehen. Wird aber das ganze Jahr betrachtet, haben wir im Sommerhalbjahr immer noch zu viel und im Winterhalbjahr zu wenig erneuerbare Elektrizität. Diese Diskrepanz nimmt mit dem Ausbau der erneuerbaren Elektrizität zu. Heute ist das Ausland unser «Stromspeicher», da wir im Sommerhalbjahr Strom exportieren und im Winter importieren. In Zukunft werden wir den überschüssigen Strom im Sommer aber voraussichtlich nicht mehr exportieren können, weil unsere Nachbarländer mit dem Ausbau von Photovoltaikanlagen dann ebenfalls zu viel Strom haben. Der von uns verfolgte Ansatz ist, diese Überschüsse an erneuerbarer Elektrizität in synthetische Treibstoffe wie Wasserstoff, Methan oder flüssige Kohlenwasserstoffe umzuwandeln und in der Mobilität zu nutzen.

 

Wie funktioniert dieser Transfer genau?

Der erste Ansatz ist, die überschüssige Elektrizität im Sommer direkt für Elektroautos zu nutzen. Der Vorteil: Elektroautos verbrauchen nur halb so viel Energie wie Hybrid- oder Wasserstoffautos, aber sie bieten eben kaum zeitliche Flexibilität beim Strombezug. Wenn ein Elektroauto eingesteckt wird, muss ziemlich unmittelbar eine Stromerzeugungsanlage entsprechend hochgefahren werden. Das wird vor allem im Winter noch lange ein fossiles oder nukleares Kraftwerk sein. Die Flexibilität, den Strom primär dann zu nutzen, wenn er auch erneuerbar zur Verfügung steht, bietet der «Stromspeicher» Wasserstoff – und zwar auf zwei unterschiedliche Arten. Erstens kann mit Stromüberschüssen in Elektrolyseanlagen Wasserstoff produziert werden, der dann in Wasserstofffahrzeugen genutzt werden kann. Dabei verliert man Effizienz, gewinnt aber zeitliche Flexibilität. Der Prozess zur Produktion von Wasserstoff durch Strom ist wie damals im Chemieunterricht: Man hat ein Glas Wasser und eine Batterie. Dann steckt man den Minus- und den Pluspol ins Wasser, bis es anfängt zu blubbern. An der einen Elektrode entsteht Sauerstoff, an der anderen Wasserstoff. Eine industrielle Anlage macht das natürlich viel ausgereifter, aber das Prinzip ist das gleiche. Dank diesem Wasserstoff brauchen wir dann weniger fossiles Benzin oder fossilen Diesel.

 

Und was ist die zweite Verwendung für Wasserstoff?

Der zweite Pfad sieht so aus: Man nimmt Wasserstoff und Kohlendioxid aus einer Quelle oder der Atmosphäre und produziert daraus in einem katalytischen Prozess Methan – den Hauptbestandteil von Erdgas – speichert es im Gasnetz und nutzt es in Gasfahrzeugen. Bei der Verbrennung dieses Methans entsteht zwar wieder CO2, das aber für die Produktion von neuem Methan rezykliert wird. Damit entsteht ein CO2-Kreislauf, wie er mittels Photosynthese in der Natur schon über Milliarden von Jahren funktioniert. Damit verliert man zwar weiter an Effizienz, gewinnt aber zusätzliche zeitliche Flexibilität. Konkret bedeutet das, dass man die ganzen Stromüberschüsse im Sommerhalbjahr in Methan umwandeln, das Methan auch über Monate im Gasnetz speichern und Gasfahrzeuge ganzjährig mit Sommerenergie fahren kann.

 

Was ist wichtiger: Die Effizienz aus der Elektromobilität oder die Flexibilität aus der Gasmobilität?

Es braucht aus unserer Sicht ganz klar beides.

 

Wie kommt diese saubere Mobilität bei den Leuten an?

Insbesondere Flottenbesitzer sind an solchen Ansätzen interessiert. Dazu müssen Lösungen erarbeitet werden, die nicht teurer sind als die Nutzung von Benzinfahrzeugen, aber 80 Prozent weniger CO2-Emissionen verursachen. Das geht noch nicht für alle Anwendungen, aber in vielen Fällen funktioniert es, wie unsere Berechnungen zeigen. Ausserdem müssen dafür auch die Rahmenbedingungen wie zum Beispiel Zugang zu Tankstellen oder Ladesäulen oder die Betankungs- beziehungsweise Ladezeiten stimmen.

 

Und wo bringt die Umstellung am meisten?

Ungefähr 30 Prozent der Personenwagen erbringen heute gegen 70 Prozent der Fahrleistung des gesamten Personenwagenbestands. Genau hier, bei den Vielfahrerfahrzeugen, muss angesetzt werden. Deshalb führen wir regelmässige Gespräche mit Firmen, die Fahrzeugflotten mit hohen Laufleistungen betreiben. Zudem machen wir auch ortsbezogene Analysen. Dabei untersuchen wir, wo die die Rahmenbedingungen, zum Beispiel die Nähe zu entsprechenden Tankstellen, besonders gut geeignet sind, damit Firmen ihre mit Benzin oder Diesel betriebenen Fahrzeuge auf solche, die mit synthetischem Methan, mit Wasserstoff oder mit erneuerbarer Elektrizität betrieben werden, umstellen können.

 

Sie helfen diesen Firmen dann bei der Wahl der richtigen Fahrzeuge?

Wir werden häufig gefragt, auf welches Antriebskonzepten Firmen umstellen sollen, beispielsweise auf Hybrid-, Elektro-, Plug-in-Hybrid-, Gasantriebe und so weiter. Was wir dabei immer wieder vermitteln ist, dass die CO2-Reduktionen nicht primär vom Antriebskonzept abhängig ist, sondern von der Energie, die für deren Betrieb genutzt wird. Um die CO2-Emissionen gemäss den Klimazielen von Paris reduzieren zu können, müssen wir primär von fossiler Energie auf erneuerbare Energie umsteigen. Das Antriebskonzept ist dabei sekundär, wie Lebenszyklusanalysen zeigen.

 

Gäbe es da in der Schweiz nicht Probleme mit der Infrastruktur bei einer grösseren Umstellung?

 Ja, die Infrastruktur ist ziemlich sicher einer der limitierenden Faktoren. Solange nur Ladestationen oder Tankstellen aufgebaut werden müssen, ist dies nicht so kapitalintensiv. Wenn aber zudem auch Infrastrukturen im Boden erweitert oder verstärkt werden müssen, hat dies seinen Preis. Das muss jemand bezahlen. Nutzt man die bestehenden Infrastrukturen dazu parallel, wird dieser Ausbau vielleicht nicht erforderlich sein.

 

Wie kann man Flottenbetreiber überzeugen?

Man muss aufzeigen können, wo und für welche Anwendungen eine Umstellung am einfachsten und kostengünstigsten möglich ist. Dazu muss man die einzelnen Fahrzeuganwendungen genau kennen und analysieren sowie natürlich auch die Versorgungsmöglichkeiten mit erneuerbarer Energie.

Zur Person

Christian Bach ist Automobilingenieur und arbeitet seit rund 25 Jahren bei der Empa, zuerst als Projekt- und Gruppenleiter und seit 2001 als Leiter der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme.

 

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