Forschung
Renewables2Wheel: Szenarien für CO2-freie Mobilitätskonzepte
Unter dem Begriff Renewables2Wheel (auch: Renewables-to-Wheel, Renewables to Wheel oder R2W; bedeutet: "von der regenerativen Energiequelle bis zum Rad) wird die ganzheitliche Betrachtungs- und Analysemethode möglicher Konzepte zur CO2-freien Mobilität im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik beschrieben. Hierbei wird die gesamte Wirkungsgraskette für die Fortbewegung von der Gewinnung über den Energietransport, die Energiespeicherung bis hin zur Umwandlung in kinetische Energie untersucht. Diese Methode unterscheidet sich von der Well2Wheel-Betrachtung dahingehend, dass fossile Energieträger als Energiequelle unberücksichtigt bleiben. Bei der Bewertung der verschiedenen Möglichkeiten zur CO2-freien Mobilität ist auch die regionale, tages- und jahreszeitliche Verfügbarkeit regenerativer Energiequellen mitzuberücksichtigen, um die gewünschte Mobilität gewährleisten zu können. Bei dem heutigen und in Zukunft zu erwartenden Bedarf an Mobilität für Deutschland und die Europäische Union ist trotz sinkendem Primärenergie- verbrauch [2] davon auszugehen, dass Energie weiterhin in signifikanten Größenordnungen auch über große Entfernungen transportiert werden wird. Zu den Abhängigkeit von Energieimporten in die Europäische Union und nach Deutschland gibt es verschiedene Abschätzungen zu deren Entwicklung, bis hin zu einem Null-Import in 2050 [4]. 2020 wurde 62,5 % der in der Europäischen Union (Deutschland 68,5 %) genutzten Primärenergie importiert [3, 2]. Bei einer ganzheitlichen Betrachtung unter dem Gesichtspunkt, dass dauerhafter Erfolg nur bei gleichzeitigem sozialem, ökonomischem und ökologischem Handeln möglich ist [1], ist davon auszugehen, dass Energie auch langfristig in Form von regenerativ erzeugten chemischen Energieträgern importiert wird. Diese beispielsweise durch Strom aus Photovoltaik und Windkraft erzeugten chemischen Energieträger sind Wasserstoff, E-Methan, Ammoniak, Methanol, Liquid Organic Hydrogen Carriers (LOHC) sowie E-Fuels und weitere. Chemische Energieträger können mit einem sehr hohen Wirkungsgrad auch über weite Strecken transportiert werden. Weiter ist die Erzeugung in Regionen mit hoher Verfügbarkeit an Wind- und Sonneneinstrahlung kostengünstiger, was in Bezug auf die Umwandlungsverluste von Strom zu chemischen Energieträgern kompensierend wirkt. Auch kann sich die Erzeugung chemischer Energieträger in diesen Regionen, mit oft geringem Bruttoinlandsprodukt, weltpolitisch stabilisierend auswirken. [5] Die Speicherung großer Energiemengen in Form chemischer Energieträger ist gegenüber Strom technisch einfach realisierbar und kostengünstig. In Deutschland ist beispielsweise eine Bevorratung von Erdöl und Erdölprodukten für 90 Tage gesetzlich verankert (§3, ErdölBevG). Ein Speicherung von signifikanten Energiemengen ist nicht nur zur Überwindung von Versorgungsengpässen, sondern auch zum Ausgleich von tageszeitlichen und jahreszeitlichen Schwankungen der Verfügbarkeit von regionalem, regenerativ erzeugtem Strom zielführend. Mögliche Konzepte, deren Herausforderungen und deren Vorteile für die CO2-freie Mobilität sind in Abbildung 1 dargestellt. Bei einer ganzheitlichen Betrachtung ist folglich davon auszugehen, dass sich je nach Anwendung verschiedene Mobilitätskonzepte durchsetzen und am Markt etablieren werden. Sicher scheint: Die Zukunft wird vielfältig und bietet viele Möglichkeiten, welche erforscht und entwickelt werden wollen.
References
[1] Bartol A. and Herkommer E. DER AKTUELLE BEGRIFF. WISSENSCHAFTLICHE DIENSTE DES DEUTSCHEN BUNDESTAGES, 2004.
[2] Eurostat. Abhängigkeit von Energieimporten in Deutschland in den Jahren 2002 bis 2022. Statista GmbH, 2024.
[3] Eurostat. Anteil der importierten Energie in ausgewählten EU-Ländern im Jahr 2022. Statista GmbH, 2024.
[4] Lehmann H. et al. 2050: 100 %. Umweltbundesamt, 2010.
[5] Edenhofer O. et al. Den kritischen Zeitpunkt nicht verpassen: Leitideen für die Transformation des Energiesystems. Leopoldina Nationale Akademie der Wissenschaften, 2023.
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Neue Kraftstoffverbrauchsmessanlage im Labor Kolbenmaschinen
Fast überflüssig zu erwähnen ist, dass die Anforderungen an zukünftige Antriebskonzepte in den letzten Jahren enorm gestiegen sind und in Zukunft facettenreicher werden. Ziel in Forschung und Entwicklung ist neben einer Reduzierung der Verbräuche und der Emissionen auch die Erforschung regenerativ erzeugter Kraftstoffe, von welchen zu erwarten ist, dass diese in Zukunft zur Lösung der Energieproblematik beitragen werden.
Dabei gibt es prinzipiell zwei Kategorien von regenerativen Flüssigtreibstoffen berichtet Professor Andreas Paa. Zum einen Kraftstoffe wie Bioethanol und Rapsölmethylester (Bio-Diesel), welche direkt aus Pflanzen gewonnenen werden. Zum anderen die als e‑Fuel bezeichneten Kraftstoffe, welche mittels elektrischer Energie, Wasser und aus der Atmosphäre rückgewonnenem CO2 hergestellt werden.
Aus Kundensicht besteht darin hohes Potenzial auch, die derzeit auf unseren Straßen fahrenden Fahrzeuge mit CO2-Neutralem Treibstoff in gewohnt kurzer Zeit und ohne Einbußen an Reichweite zu betanken. Wodurch hohe Kosten für die Neuanschaffung von Fahrzeugen oder dem Ausbau von Infrastruktur entfallen.
Aus Umweltgesichtspunkten ist eine Betankung der derzeit genutzten Fahrzeuge mit regenerativ erzeugten Kraftstoffen ebenfalls sinnvoll. Bei einem momentanen Durchschnittsalter der in Deutschland gefahrenen Fahrzeuge von etwa zehn Jahren würde ohne diese Technologie viel Zeit vergeht, bis jeder ein Fahrzeug mit neuer, CO2-Neutralenr Antriebstechnologie besitzen würde.
Dies führt auch auf der Seite der Prüfstandsmesstechnik zu neuen Herausforderungen, ergänzt Paa. Das Labor Kolbenmaschinen der TH OWL ist stolz, eine neue, hochgenaue Kraftstoffverbrauchsmesseinrichtung in Betrieb nehmen zu können. Diese erweitert die Möglichkeiten des Labors enorm. Neben den heutigen Anforderungen an die Messgenauigkeit kann damit auch der Verbrauch von Kraftstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen oder e-Fuels genau gemessen werden.
Ein weiterer, in Zukunft sehr interessanter Energiespeicher wird Wasserstoff sein. Im Rahmen der „Nationalen Wasserstoffstrategie“ werden vom Bundesforschungsministerium Ansätze zur Produktion, Transport und Nutzung von „Grünem“, also regenerativ erzeugtem Wasserstoff, mit über 300 Millionen Euro gefördert.
An der TH OWL wurde bereits mit dem Neubau der Laborgebäude begonnen. Inwieweit sich hier Prüfstände zur Erforschung der Wasserstofftechnologie integrieren lassen, ist derzeit in Prüfung.
