Autobahn mit viel Verkehr und Zug aus der Vogelperspektive
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Schnittstelle Energie und Verkehr

Der Verkehrssektor wird immer bedeutender für eine effektive Umsetzung der Energiewende und Klimaschutzpolitik in Deutschland. Zwar haben sich die fahrzeugspezifischen Emissionswerte in den vergangenen Jahren verbessert. Aufgrund des weiter zunehmenden Verkehrsaufkommens steigen jedoch die verkehrsbedingten Treibhausgasemissionen weiter an.

Auf den Verkehr entfallen knapp 30 Prozent des Endenergieverbrauchs in Deutschland. Vom kleinen privaten Pkw über Frachtschiffe bis hin zu Flugzeugen existiert hier großes Potenzial, den CO2-Ausstoß zu verringern.

Allerdings gilt hier nicht „one size fits all“, denn der Mobilitätssektor ist sehr vielseitig.  Für jede Transporttechnologie gibt es unterschiedliche Lösungen und Konzepte, die am besten geeignet sind, den Kraftstoffbedarf sinnvoll und finanzierbar auf regenerative Energiequellen umzustellen. Die wichtigsten Technologien für die Energiewende in Mobilität und Verkehr sind Elektromobilität, Kraftstoffe aus regenerativen Quellen wie biogenen Rest- und Abfallstoffen sowie Wasserstofftechnologien und Brennstoffzellen.

Als zentrales Element für den elektrischen Antriebsstrang bestimmt die Batterie  zu einem großen Teil die Fahrzeugeigenschaften. Nicht nur die Reichweite, auch die Leistung eines Elektroautos hängt vom Akku ab. Forschende wollen hier vor allem die Lebensdauer der Energiespeicher erhöhen, die Kosten senken und die Reichweite verbessern.

Eine wichtige Rolle kommt dabei der Materialforschung zu, aber auch Wertschöpfungskette, Nachnutzung und Recycling stehen im Fokus. Es braucht neue und innovative Ansätze für Zellchemien und –architekturen. Gefragt sind Batteriezellen und Speichersysteme für den mobilen Einsatz und die Integration in Fahrzeuge. Auch die Fertigungsverfahren für Zellen und Module müssen effizienter und flexibler werden.

Der Erfolg der Elektromobilität hängt auch mit dem Ausbau der Ladeinfrastruktur zusammen. Deshalb arbeiten Forscherinnen und Forscher unter anderem daran, Ladetechnologien und -konzepte im privaten und öffentlichen Raum so weiterzuentwickeln, dass sie energieeffizient und gleichzeitig bequem zu nutzen sind. Ladepunkte können zum Beispiel in die Hausenergieversorgung eingebunden werden. Zudem wird an Konzepten geforscht, wie Ladepunkte für Elektrofahrzeuge netzdienlich betrieben und die Ladeinfrastruktur in die Stromnetze eingebunden werden kann.

In bestimmten Einsatzgebieten kann die wasserstoffgespeiste Brennstoffzelle eine Alternative zur Batterie sein. Das gilt insbesondere für den Mobilitätssektor. Der Forschungsbedarf ist ähnlich wie bei der Batterieforschung, hat aber auch Schnittmengen zu anderen Bereichen – das steigert die Chancen zur Nutzung im Rahmen der Sektorenkopplung.

Werden Wasserstofffahrzeuge mit grünem Wasserstoff betankt, könnte die Nutzung von Wasserstoff ein Treiber für den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien sein. Forscherteams konzentrieren sich daher darauf, neue Material- und Technologiekonzepte sowie Designs zu entwickeln, die Brennstoffzellen effizienter und langlebiger machen. Vor allem in Verbindung mit der fluktuierenden Stromerzeugung Erneuerbarer-Energie-Anlagen ist es entscheidend, dass Brennstoffzellen flexibel und sicher betrieben werden können.

Auch das Thema Nachhaltigkeit ist für die Expertinnen und Experten ein zentrales Thema. Das bedeutet zum Beispiel den Einsatz von kostenintensiven oder nicht nachhaltig verfügbaren Rohstoffen zu reduzieren. Zudem gilt es, Umweltverträglichkeit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit über den gesamten Lebenszyklus zu analysieren und zu optimieren. Dazu gehören etwa die Wiederverwertbarkeit von einzelnen Modulen und Bestandteilen der Zellen sowie das Recycling.

Synthetische Kraftstoffe – besonders vielversprechend für lange Strecken und hohe Transportvolumina

Alternative Kraftstoffe sollen den CO2-Ausstoß im Verkehrssektor künftig senken  je schneller, desto besser. Da aber die existierenden Fahrzeuge nicht einfach für andere Kraftstoffe umgerüstet werden können, ist in diesem Zusammenhang die Erforschung sogenannter Drop-in-Fuels entscheidend.

Biomasseproduktion aus Algen:Probennahme aus einem Photobioreaktor. Mikroalgen sind für die Energiegewinnung besonders geeignet: Sie können fünfmal so viel Sonnenlicht in chemische Energie umwandeln wie Raps und Mais und dabei große Mengen an CO2–Emissionen aus Energie- und Industrieanlagen aufnehmen.
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Biomasseproduktion aus Algen: Probennahme aus einem Photobioreaktor.

Diese ähneln den konventionellen Kraftstoffen so sehr, dass sie diese direkt ersetzen können ohne den Motor zu beschädigen. Forscherinnen und Forscher arbeiten deshalb mit Hochdruck daran, Kraftstoffe wie Kerosin, Benzin oder Diesel künstlich herzustellen. Vor allem für Bereiche, in denen andere Antriebstechnologien schwer zum Einsatz kommen können, sind synthetische Kraftstoffe eine vielversprechende Option. Das sind beispielsweise Luftfahrt, Schifffahrt und Schwerlast-Transport.

Grundlage sind etwa Strom, Biomasse, solar-thermochemische Produktion oder künstliche Photosynthese. Welcher Kraftstoff für welche Anwendung geeignet ist, muss in konkreten Projekten getestet und bewertet werden. Dabei muss etwa das Verbrennungsverhalten untersucht, die Effizienz der unterschiedlichen Kraftstoffe verglichen und das optimale Einsatzgebiet bestimmt werden.

Die Herstellung der Kraftstoffkandidaten sollte systemdienlich, flexibel, skalierbar und kostengünstig sein, damit sie später in der Praxis auch im industriellen Maßstab möglich und dabei wirtschaftlich ist. Jenseits der Technologien muss zudem untersucht werden, welche Effekte Herstellung und Nutzung solcher Kraftstoffe auf das Energiesystem in Deutschland und weltweit haben.

Wichtigster Rohstoff für die Herstellung alternativer Kraftstoffe ist Wasserstoff, der mittels Elektrolyse auf Basis von grünem Strom erzeugt werden kann. Überschussstrom von Windenergie-Anlagen kann so für den Verkehr nutzbar gemacht werden. Besonders interessant sind diese strombasierten Kraftstoffe für lange Strecken und hohe Transportvolumina, wie etwa im Schwerlast- oder Schiffsverkehr.  Aber auch die Entwicklung von strombasiertem Kerosin für den Flugverkehr ist mit Blick auf die CO2-Bilanz der Luftfahrt-Branche ein wichtiges Forschungsfeld.

Bei der typischen Photosynthese, wie sie Landpflanzen, Algen und einige Bakterien betreiben, wird Kohlenstoffdioxid aus der Luft in Verbindung mit Wasser aus dem Boden zu energiereichen Kohlehydraten umgewandelt, die den Pflanzen als Nahrung dienen. Als Abfallprodukt wird Sauerstoff abgeschieden. Energiequelle für diesen Vorgang ist die Sonne. Pflanzen sind also in der Lage, sehr effizient Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten und energiereiche Kohlenwasserstoffe zu erzeugen.

Diesen Vorgang will sich die Energieforschung zunutze machen, zum Beispiel in speziellen Bioreaktoren. Hier können bestimmte Algenarten mittels Photosynthese Wasserstoff herstellen, der sich zu anderen Kraftstoffen weiterverarbeiten lässt.
Es braucht aber nicht immer lebende Organismen für die Photosynthese. Energiereiche Kohlenwasserstoffe für Solare Kraft- und Wertstoffe  können auch mittels künstlicher Photosynthese hergestellt werden. Das Prinzip ist ganz ähnlich der natürlichen, also biotischen Photosynthese. Allerdings ist die Ausbeute deutlich höher. Auch die sogenannte photokatalytische Wasserspaltung, die Wasserspaltung mittels Sonnenlicht, ist eine Art künstliche Photosynthese und eine vielversprechende Technologie für CO2-neutrale Kraftstoffe.

Damit diese Technologien effizient und zeitnah angewendet werden können, müssen die Verfahren zur Herstellung solarer Kraftstoffe weiterentwickelt und in größerem Maßstab erforscht und getestet werden. Es braucht integrierte Anlagensysteme, bessere Bioreaktoren sowie Konzepte für Hybridsysteme aus biologischen und nicht biologischen Komponenten. Wichtig dabei: Das dazu verwendete Material sollte verfügbar und ungiftig, die Anlagentechnik recyclingfähig sein.

Ein weiteres wichtiges Verfahren ist die Herstellung nachhaltig erzeugter flüssiger und gasförmiger Biokraftstoffe aus Biomasse beziehungsweise biogenen Rest- und Abfallstoffen. Biomethan – auch Bioerdgas genannt – lässt sich zum Beispiel durch Gärung und anschließender Aufbereitung aus Gülle oder organischen Reststoffen aus der Landwirtschaft herstellen. Großes Potenzial und Forschungsbedarf für den Verkehrsbereich liegt im Erzeugen von Lignocellulose-Kraftstoff aus holzartigen Biomassen.

Auch Power-to-Gas-Technologien werden erforscht. Die Sektorkopplung spielt hier eine entscheidende Rolle: Es gilt, biologische und strombasierte Verfahren miteinander zu koppeln und ein effizientes Zusammenspiel zu ermöglichen. Insbesondere biomassebasierte Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)-Lösungen sind gefragt: Als zusätzlicher Verbraucher am Netz können Bio-Power-to-Gas-Anlagen das Stromnetz entlasten, indem sie die lokalen Überschüsse aufnehmen und damit Methan produzieren. Das Methan kann ins Gasnetz eingespeist und bei geringer Einspeisung erneuerbarer Energien in KWK-Anlagen genutzt werden.

Pilot- und Demonstrationsvorhaben sollen Lücken zwischen Forschung und Markt schließen und kleine und mittlere Unternehmen beteiligen.

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