Saubere Primärenergie entscheidet

STZ, Juli/August 2020 - Wie kann der Strassenverkehr klimaneutral werden? Gehört dem Elektroantrieb die automobile Zukunft allein, oder werden auch Verbrennungsmotoren eine Rolle spielen? Darüber sprach Swiss Engineering STZ mit zwei Professoren der Berner Fachhochschule BFH: Andrea Vezzini leitet das BFH-Zentrum Energiespeicherung, Danilo Engelmann ist für das Labor für Antriebssysteme und Emissionen verantwortlich.

Andrea Vezzini, 2050 will die Schweiz CO₂-neutral sein. Werden wir dann nur noch Elektroautos auf den Strassen sehen?

AV: Ein grosser Teil des Individualverkehrs wird mit Elektrofahrzeugen stattfinden. Etwa zwischen 2023 und 2025 werden wir Preisparität zwischen Dieselfahrzeugen und Elektroautos erreichen. Benzin- und Dieselfahrzeuge müssen teurer werden, damit die Emissionsziele erreicht werden können. Gleichzeitig sinken die Kosten der Elektrofahrzeuge. Dazu kommt dann noch der günstigere Betrieb. Dann werden die Leute umsteigen. Den Güterverkehr auf Langstrecken muss man differenzierter betrachten. Da können Brennstoffzellen eine Lösung bieten. Es können aber auch synthetische Treibstoffe zum Einsatz kommen. Welche Technologie sich durchsetzen wird, hängt vom Anwendungsgebiet ab.

Danilo Engelmann, welche Rolle werden Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren in Zukunft noch spielen?

DE: Wir werden nicht in allen Anwendungsbereichen die Vorteile der Elektroantriebe nutzen können. Nehmen Sie den Schwerverkehr: LKW brauchen viel mehr Energie als Personenwagen. Da ist es nicht sinnvoll, riesige Batteriekapazitäten einzubauen. Oder einen Traktor, der pflügt: Dort gibt es während dieser Arbeit kein Rekuperationspotenzial. In solchen Fällen konzentriert sich der Anforderungskatalog auf die Fragen: Wie viel Energie kann ich mitführen, und in welchem Betrag kann ich Energie dem Arbeitsprozess zuführen? Die Antwort liefert dann ein flüssiger Kraftstoff. Für mich ist es auch keine Entweder-Oder-Frage: Ein LKW kann auch hybrid unterwegs sein. Auf der Langstrecke nutzt er synthetisch hergestellten Flüssigtreibstoff. Wenn er in die Stadt fährt, schaltet er auf Elektroantrieb um.
AV: Die Frage ist nicht, ob ein Fahrzeug mit Batteriestrom, Brennstoffzelle oder synthetischem Treibstoff fährt. Die Frage ist: Woher kommt die Primärenergie? Wir müssen sicherstellen, dass diese aus erneuerbaren Energiequellen stammt.
DE: Genau. Um die Klimafrage zuverlässig zu lösen, ist es wichtig, dass die Primärenergie des Antriebs sauber ist, die Anforderungen an den Antrieb aus technischer Sicht bestmöglich erfüllt werden. Dann ist auch der Wirkungsgrad auch erst einmal eine nachfolgende Fragestellung.

Wo sehen Sie derzeit noch die grössten technologischen Herausforderungen für Elektrofahrzeuge?

AV: Die Batterie ist nicht mehr das Problem. Die Lebensdauer der Batterien wird die der Fahrzeuge übersteigen. Wir müssen auch nicht mehr über Batteriewechsel innerhalb der Lebensdauer eines Elektroautos sprechen. Das ist sehr wichtig für die Gesamt-Ökobilanz eines Fahrzeugs. Bei der Energiedichte haben wir ebenfalls riesige Fortschritte gemacht. In den letzten zehn Jahren hat diese sich um den Faktor drei erhöht, und es ist auf der Basis der heutigen Lithiumtechnologie noch mindestens ein Potenzial von etwa 30 Prozent vorhanden. Bei gleicher Reichweite kann man also das Batteriegewicht deutlich reduzieren.

Und was ist mit den Ladezeiten?

AV: Auch da sind wir auf einem guten Weg: Ein Porsche Taycan kann mit seiner 800-Volt-Ladetechnik beispielsweise in 20 Minuten genügend Strom für 216 km Fahrt laden. Unter elektrochemischen Aspekten ist es möglich, die Ladezeiten weiter zu verkürzen, aber es gibt immer einen Kompromiss zwischen Energiedichte – also Reichweite – und Nachladefähigkeit. Ich glaube auch gar nicht, dass die Ladezeiten der entscheidende Faktor sind. Die Herausforderung sehe ich eher bei der Infrastruktur: Wir brauchen Lademöglichkeiten in den Einstellhallen der Privathäuser. Dann finden 80 bis 90 Prozent aller Ladevorgänge zu Hause statt. Schnellladestationen benötigen wir dann vor allem entlang der Hauptverkehrsachsen.

 

 

Herr Engelmann, welche Herausforderungen muss der Verbrennungsmotor bewältigen, um in Zukunft zu überleben?

DE: Auch im Verbrenner-Bereich ist weniger die Motorentechnologie selbst das Problem. Die Infrastruktur ist die zentrale Herausforderung. Selbst im Individualverkehr werden Verbrenner uns noch eine Zeit begleiten. Deshalb ist es umso wichtiger, dass wir schnell synthetische Kraftstoffe verfügbar machen. Das wäre der erste wichtige Schritt, denn damit wäre die CO₂-Neutralität schon heute erreichbar – vorausgesetzt die Primärenergie für diese Kraftstoffe stammt aus regenerativen Quellen. Die Technologien sind bekannt und werden gerade in der Schweiz intensiv weiterentwickelt. Ein zweites Ziel ist die Optimierung der Effizienz. Es gibt vielversprechende Forschungsprojekte und Konzepte, die zeigen, dass ein Wirkungsgrad von 50 Prozent durchaus realistisch ist. Damit läge der effektive Wirkungsgrad im Betrieb deutlich höher als heute.

Und wie steht es mit den Emissionen?

DE: Da sind wir schon sehr weit. Die viel diskutierte Frage der Partikelemissionen ist inzwischen weitgehend gelöst. Wir können diese auf einen Bruchteil des Reifenabriebs reduzieren. Die Keramik moderner Partikelfilter ist so fein, dass sie selbst Viren und feinste Aerosole, wie sie beim Schweissen entstehen, zurückhalten kann. Und auch die Problematik der Stickoxide ist lösbar, wenn man die richtigen Systeme verwendet.

Was sind dann also die Herausforderungen für den CO₂-neutralen Verkehr – wenn es noch welche gibt?

AV: Es geht vor allem darum, die Elektroautos schnell in den Verkehr zu bringen. Wir sehen heute einen Markt, in dem die Käuferschaft vorhanden ist. Die Auswahl an unterschiedlichen Fahrzeugen ist aber bisher viel zu klein. Wir müssen jetzt den Ramp-up schaffen.
DE: Wir sollten auch nicht den Fehler machen, uns nur auf die Frage «Elektro- oder Verbrenner?» zu konzentrieren. Wir müssen den Wandel der Mobilität insgesamt betrachten und auch ihre Verbindung zur Infrastruktur – Stichwort Sektorkopplung. Wie verändert sich der öffentliche Verkehr? Oder setzen sich Sharing-Modelle durch, bei denen man sich per App ein Fahrzeug bestellt, oder eine neue Form des klassischen ÖV? Alles ist jetzt im Wandel. Alle Konzepte, die heute diskutiert werden, haben systematische Vor- und Nachteile. Das ist auch eine grosse Chance für Ingenieure mit ihrer Kreativität. Jetzt sind viele Diskussionen möglich und notwendig, die vor fünf Jahren noch nicht möglich waren.
AV: Und einen weiteren wichtigen Aspekt sollten wir nicht vernachlässigen: Wir brauchen auch die Infrastruktur für das Recycling von Batterien und Brennstoffzellen – um die CO₂-Gesamtbilanz zu verbessern, aber auch um überhaupt genügend Rohstoffe bereitstellen zu können.

Entscheidend für die Dekarbonisierung des Strassenverkehrs ist also nicht die Fahrzeugtechnologie, sondern die Stromerzeugung?

AV: Die wirklich grosse wirtschaftliche und technische Herausforderung ist die Bereitstellung der Elektrizität. Wir werden viel mehr Strom brauchen, als wir heute produzieren, nicht nur wegen des elektrischen Individualverkehrs, sondern auch für den Ersatz fossiler durch synthetische Treibstoffe für Industrie, Güter- und Flugverkehr. Für die direkte Elektrifizierung müssen wir in der Schweiz weiter erneuerbare Energien aufbauen, und dazu auch die entsprechenden Speichertechnologien entwickeln. Für die synthetischen Treibstoffe sollten wir aber in einem europäischen Umfeld den Umwandlungsprozess «Power to Gas» im grossen Massstab in den Griff bekommen, also beispielsweise in Spanien direkt synthetische Treibstoffe produzieren und diese dann importieren.

«Die wirklich grosse wirtschaftliche und technische Herausforderung ist die Bereitstellung der Elektrizität. Wir werden viel mehr Strom brauchen, als wir heute produzieren.»

Andrea Vezzini

DE: Richtig. Wir müssen den Primärkreislauf schliessen und synthetische Kraftstoffe bereitstellen. Damit gewinnt die Menschheit Zeit, denn das ermöglicht eine sofortige und drastische Verringerung der Netto-CO₂-Emissionen. Bis 2050 sind es noch 30 Jahre. Für den Güterverkehr ist das etwa der Produktlebenszyklus eines LKW, es muss also auch eine schnelle Lösung sein. Es ist auch nicht damit getan, den Verkehr zu elektrifizieren, und dann können wir uns ausruhen. Wir müssen mit erneuerbarem Strom auch heizen und die Industrie versorgen. Um unsere Energieversorgung zu dekarbonisieren, müssen wir auf allen Ebenen zusammenarbeiten: Techniker, Entscheider, Politik, alle Bereiche müssen miteinander reden und zusammenarbeiten – auch über Ländergrenzen hinweg. CO₂ und Klimawandel machen nicht vor Staatsgrenzen halt.

«Wir müssen den Primärkreislauf schliessen und synthetische Kraftstoffe bereitstellen. Damit gewinnt die Menschheit Zeit, denn das ermöglicht eine sofortige und drastische Verringerung der NettoCO₂-Emissionen.»

Danilo Engelmann

 

Was konkret tragen Sie mit Ihrer Arbeit an der Berner Fachhochschule dazu bei, den Verkehr und das Energiesystem klimafreundlicher zu machen?

AV: Im BFH-Zentrum Energiespeicherung untersuchen und charakterisieren wir Batterien. Wir versuchen, mit Tests und physikalischen Modellen Voraussagen für die Lebensdauer von Batteriezellen unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen zu treffen. Das erlaubt den Herstellern, ihre Batterien so zu bauen, dass sie die Lebensdauer des Fahrzeugs erreichen. Wir betrachten zudem den gesamten Lebenszyklus der Batterien: Wir haben eine Gruppe, die im Bereich Produktionstechnik sehr stark ist, und wir schauen ausserdem, was man im Bereich Recycling machen kann. In den kommenden Jahren werden in der Schweiz Recycling-Stätten für Batterien entstehen. Da wollen wir mit unserem Wissen Hand bieten. Daneben befassen wir uns auch mit der Batterie als Teil des Energienetzes. Wir untersuchen, wie die Batterie im Zusammenspiel mit der dezentralen Stromerzeugung beispielsweise Photovoltaik und mit steuerbaren Verbrauchern eingesetzt werden kann, damit Sie die vor Ort erzeugte Energie auch vor Ort verbrauchen können. Das ist am effizientesten. Ein Auge ist dabei immer auf die Stabilität des Netzes gerichtet.
DE: Im Labor für Antriebstechnik und Emissionen beschäftigen wir uns mit allen Fragestellungen der Antriebssysteme in Fahrzeugen unter anderem auch mit Verbrennungsmotoren. Wir entwickeln Applikationen, um die Motoren von Fahrzeugen an synthetische Kraftstoffe anzupassen und befassen uns mit der Abgas-Nachbehandlung  beispielsweise mit der Partikelfiltration. Zudem setzen wir uns mit systemischen Fragestellungen auseinander. Zum Beispiel: Was passiert, wenn Sie eine Flotte von LKW auf einen anderen Energieträger wie beispielsweise Biomethan umstellen? Wie sind die Energieflüsse? Welche Umstellungen erwarten mich als Flottenbetreiber? Wie kann ich die Versorgung gewährleisten? Wieviel Strom brauche ich, um Treibstoff elektrisch herzustellen?

 

Interview: Hendrik Thielemann
Bildquellen: BFH, Porsche, Lidl
Artikel aus der STZ: Ausgabe Juli/August 2020