Mit Gespür fürs Pragmatischezur Mobilitätswende

Mit den Steinen bauen, die verfügbar sind. Wie das Paul-Scherrer-Institut mit einem neuen Energiespeichersystem für den Strassenverkehr die Mobilität CO2-ärmer machen will.

Die Dekarbonisierung des Verkehrs gilt als Schlüsselherausforderung auf dem Weg zur Klimaneutralität. Denn obwohl schon in vielen Bereichen CO2 eingespart wird, stammt immer noch ein grosser Teil der Emissionen aus dem Strassenverkehr. Im Jahr 2022 verursachte der Verkehr in der Schweiz (ohne internationale Luftfahrt) rund 13,6 Millionen Tonnen CO2 – das sind 41 Prozent der gesamten nationalen Emissionen. Eine Forschergruppe der ETH Zürich um Professor Kay Axhausen schlägt als Lösung für die Stadt Zürich das kaum praktikable Projekt «E-Bike-City» vor, wonach die Hälfte der heutigen Strassenfläche den Fahrrädern und Trottinetts mit und ohne Motor zugeschlagen werden soll. Auch eine signifikante Anzahl Parkplätze soll gemäss der ETH-Vision wegfallen.

Wie Erdgas oder Treibstoffe, aber nachhaltig: Vergärwerk Werdhölzli der Biogas AG in Zürich.
© KEYSTONE / CHRISTIAN BEUTLER

 

Strom aus erneuerbaren Quellen

Einen weitaus pragmatischeren Ansatz hat das Paul-Scherrer-Institut (PSI) in Würenlingen, Forschungsanstalt des ETH-Bereichs, gewählt, das in einer Studie aufzeigt, wie die bestehende Mobilität auf wirtschaftlich tragfähige Weise deutlich klimafreundlicher gestaltet werden könnte. Elektroautos gelten als das Mittel der Wahl für die CO2-arme Fortbewegung im Personenverkehr. Im Bereich der schweren Nutzfahrzeuge sind hingegen Wasserstoffantriebe vielversprechender, da sie mit höherer Reichweite, geringerer Ladezeit und besserer Nutzlast überzeugen. Entscheidend für beide Antriebsformen ist jedoch, dass der benötigte Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, denn nur so lässt sich wirklich CO2 einsparen. Doch gerade dieser Punkt stellt eine zentrale Hürde dar, unterliegt doch die Stromproduktion aus erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windkraft jahreszeitlichen Schwankungen. Besonders im Winter sinkt die Verfügbarkeit drastisch, was den Bedarf an Speichertechnologien in den Vordergrund rückt.

Die PSI-Forscher Emanuele Moioli, Tilman Schildhauer und Hossein Madi bringen ein Konzept in die Diskussion ein, das gleich mehrere bestehende Technologien kombiniert und weiterentwickelt. Überschüssiger Strom aus den sonnenreichen Monaten wird zur Elektrolyse von Wasser genutzt. Bildlich: Die Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle werden mit erheblichem Energieaufwand voneinander getrennt. Dabei entsteht Wasserstoff, der allerdings nicht direkt gespeichert wird: Zu gross ist sein Volumen und zu gering seine Energiedichte, was Lagerung und Transport aufwendig und teuer macht.

Stattdessen wird der Wasserstoff weiterverarbeitet. In Kombination mit CO2 entstehen zwei synthetische Kraftstoffe: Methan (CH4) und Methanol (CH3OH), die sich deutlich einfacher speichern, transportieren und wieder in Energie umwandeln lassen. «Sie sind unsere Energiespeichermoleküle und spielen im Konzept eine zentrale Rolle», lässt sich Moioli vom Labor für nachhaltige Energieträger und Prozesse am PSI-Zentrum für Energie- und Umweltwissenschaften zitieren.

Für die Umwandlung von Wasserstoff in Methan oder Methanol braucht es als Reaktionspartner CO2. Hier kommt ein dritter Baustein ins Spiel: Biogasanlagen. Diese produzieren CO2 als Nebenprodukt, das bislang kaum genutzt wird. Laut dem PSI-Ansatz soll dieses CO2 direkt vor Ort aufgefangen und für die Synthese der Kraftstoffe verwendet werden, was nicht nur günstig ist, sondern auch die Infrastruktur bestehender Biogasanlagen optimal nutzt. So entstehen an einem Standort gleich mehrere Verarbeitungsstufen. Die Biomasse wird zu Biogas vergoren, das CO2 abgeschieden, der Wasserstoff aus Überschussstrom hinzugegeben – und Methan oder Methanol produziert und gespeichert.

Die technische Grundlage für diese Umwandlungen ist die Power-to-Gas- beziehungsweise Power-to-Liquid-Technologie. Man produziert also chemische Verbindungen, die von der Anwendbarkeit her an Erdgas oder Treibstoffe erinnern, aber nachhaltig sind. Methan entsteht durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Kohlendioxid, bekannt als Sabatier-Reaktion. Diese verläuft bei erhöhter Temperatur (250–400 Grad Celsius) und Druck unter Einsatz eines Katalysators.

 

Nutzung bestehender Biogasanlagen

Das so erzeugte synthetische Methan kann wie Erdgas verwendet und über existierende Gasnetze transportiert werden. Methanol entsteht hingegen über eine katalytische Reaktion, bei der CO2 und Wasserstoff bei rund 200 bis 300 Grad zu einem flüssigen Alkoholmolekül reagieren. Methanol ist ein vielseitiger Energieträger, lässt sich gut lagern und transportieren und kann leicht in Wasserstoff oder Strom umgewandelt werden. Zudem lässt es sich auch direkt als Treibstoff einsetzen, etwa in Methanol-Brennstoffzellen.

Im Winter, wenn erneuerbarer Strom knapp ist, würden die gespeicherten Kraftstoffe dann zum Einsatz gelangen. Sie werden mit Lastwagen (Methanol) oder über bestehende Gasleitungen beziehungsweise komprimiert in Gasflaschen auf der Schiene (Methan) zu Strom-H2-Tankstellen transportiert. Dort erfolgt die Rückumwandlung. Zunächst werden durch Reformierung Wasserstoffmoleküle aus Methan oder Methanol gewonnen, die sofort zum Tanken von Brennstoffzellen-Fahrzeugen verwendet werden können. Die weitere Rückverwandlung erfolgt entweder in einer Gasturbine (Methan) oder in einer Brennstoffzelle (Methanol), um Strom für Elektroautos bereitzustellen. Die beiden synthetischen Moleküle übernehmen dabei unterschiedliche Rollen: Methanol eignet sich besonders gut zur Herstellung von Wasserstoff, während Methan aufgrund seines besseren Wirkungsgrads bei der Verbrennung bevorzugt für die Stromerzeugung genutzt wird.

Doch ist diese Lösung auch wirtschaftlich tragfähig? Diese Frage haben die Forschenden am Beispiel der Zürcher Biogasanlage Werdhölzli untersucht. Sie analysierten öffentlich zugängliche Daten und berechneten, wie gross eine solche Anlage zur Kraftstoffsynthese sein müsste und welche Investitionskosten entstehen würden. Das Ergebnis: Die CO2-arme Energie aus gespeichertem Methan oder Methanol ist derzeit zwar noch teurer als fossiles Benzin. Doch der Abstand ist kleiner als vielfach angenommen, wenn man die bestehende Infrastruktur geschickt kombiniert und nutzt.

 

Wettbewerbsfähigkeit – ein Muss

Die Integration von Biogasanlagen, die vorhandene Erdgasleitungen und der modulare Ausbau der Syntheseanlagen sollen die Kosten signifikant senken. Schon moderate politische Anreize wie CO2-Zertifikate könnten reichen, um die neue Technologie wettbewerbsfähig zu machen. Noch gar nicht berücksichtigt in dieser Kalkulation sind mögliche Einsparungen durch vermiedene Treibhausgasemissionen oder gar sogenannte negative Emissionen, etwa wenn CO2 dauerhaft gebunden wird. Damit könnte mit dem PSI-Konzept langfristig sogar mehr Klimagas aus der Atmosphäre entfernt werden, als freigesetzt wird.

Langfristig hängt der Erfolg der Idee allerdings an einer Grundvoraussetzung: Der Ausbau erneuerbarer Stromproduktion muss massiv vorangetrieben werden. Doch genau hier sieht Moioli ein Problem. «Werden mehr PV-Anlagen installiert, haben die neuen weniger Kunden. Denn im Sommer, wenn Solarstrom in grossen Mengen verfügbar ist, decken die bestehenden Anlagen bereits die Nachfrage», erklärt er. Das führe dazu, dass Investitionen in neue Fotovoltaikprojekte ausbleiben. Nur wenn die Kapazität zur Zwischenspeicherung deutlich erhöht werde, werde auch die Grundlage für einen echten Ausbau der erneuerbaren Energieproduktion und damit auch für klimafreundliche Mobilität geschaffen.