Ingenieure entwickeln nachhaltige Alternativen zu fossilen Treibstoffen

Ingenieure suchen Alternativen zu fossilen Treibstoffen

Die Transportbranche muss ihre Emissionen drastisch senken, wenn die Welt die Netto-null-Ziele erreichen will. Doch bis Ingenieure völlig neue Fahrzeugkonzepte zur Marktreife bringen, richtet sich der Blick vor allem auf Ersatz für Öl, Benzin und Kerosin.

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Um die weltweit steigende Nachfrage nach Mobilität zu bedienen und zugleich die Klimawirkung des Sektors zu begrenzen, werden Technik und Politik mehrere Hebel gleichzeitig betätigen müssen. Am wirksamsten wäre wohl, Reisen generell zu reduzieren – insbesondere Flugreisen. Doch angesichts heutiger Reisegewohnheiten und einer wachsenden, wohlhabender werdenden Mittelschicht in bevölkerungsreichen Ländern wie Indien und China ist ein solcher Kurs kaum durchzusetzen.

Forschende entwickeln deshalb Systeme, die den CO₂-Ausstoss des Verkehrs entweder über effizientere Fahrzeugkonzepte oder über weniger klimaschädliche Treibstoffe senken sollen.

Kosten als Knackpunkt

Ein chemisches Element steht im Zentrum fast aller alternativen flüssigen Treibstoffe: Wasserstoff, das einfachste und zugleich häufigste Atom im Universum. Ingenieure haben Verfahren entwickelt, um Wasserstoff in Treibstoffe umzuwandeln, die mit heutigen Motoren kompatibel sind. Und sie haben unterschiedliche Methoden ausgearbeitet, um Wasserstoff zu gewinnen – angefangen bei der Elektrolyse von Wasser.

«Das Problem ist, dass wasserstoffbasierte flüssige Treibstoffe heute fünf- bis zehnmal teurer sind als ihre fossilen Pendants», sagt Kevin Sivula, Chemieingenieur und Leiter des Labors für molekulare Technik optoelektronischer Nanomaterialien an der EPFL.

Ein Ansatz, die Kosten zu senken, ist eine effizientere Wasserstoffproduktion aus Wasser. «Es gibt verschiedene Wege», sagt Sivula. «Gemeinsam ist ihnen, dass wir Systeme brauchen, die auf reichlich vorhandenen, günstigen und gut verfügbaren Materialien beruhen – und sich im grossen Massstab umsetzen lassen. Nur so können wir alternative Treibstoffe billig genug und in ausreichenden Mengen herstellen, um die weltweite Nachfrage zu decken und zugleich die Umweltbelastung zu reduzieren.»

Die Sonne in den Dienst genommen

In Sivulas Gruppe entsteht dafür ein «Photoelektrolyseur» in Pulverform: Er lässt sich mit Wasser mischen und unter Sonnenlicht setzen – die Reaktion spaltet Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. «Wir testen derzeit organische Halbleiter, die Resultate sind durchaus ermutigend», sagt Sivula. «Bislang erreichen wir eine Umwandlung von rund 1 Prozent, und wir müssen die Stabilität des Pulvers noch verbessern. Unsere Modelle zeigen: Mit diesem Ansatz und diesem Material wären 10 Prozent ausreichend, damit das Verfahren wirtschaftlich wird – und das liegt in Reichweite.» Er hoffe auf einen Durchbruch, der die Entwicklung deutlich beschleunigt.

Dass es für solche Technik einen Markt gibt, ist offensichtlich. Besonders Fluggesellschaften – sie müssen ihren Betrieb bis 2050 dekarbonisieren – drängen voran. Heute verweisen sie darauf, ihren Tanks kleine Anteile synthetischer Treibstoffe beizumischen. Doch am Ende werden sie Kerosin fast vollständig ersetzen müssen. Dafür braucht es verlässliche Lieferketten und genügend alternative Treibstoffe. Gleiches gilt für die Schifffahrt und den Fernverkehr auf der Strasse. «Bei anderen Fahrzeugtypen, etwa Personenwagen, reichen Batterien», sagt Sivula.

Auch wenn er Wasserstoff für den vielversprechendsten Weg hält, werden weitere Routen geprüft: Biotreibstoffe, Ammoniak-Synthese aus Luftstickstoff, CO₂-Abscheidung und -Umwandlung sowie die Aufarbeitung industrieller Nebenprodukte wie Glycerin. «All diese Ideen – und noch mehr – verdienen es, untersucht zu werden», sagt Sivula. «Und weil die Sonne die zentrale Energiequelle unseres Planeten ist, können wir weiterhin viel daraus lernen, wie Solarenergie umgewandelt wird – insbesondere von Pflanzen, die dabei bemerkenswert elegante chemische Prozesse nutzen.»

Science-Fiction-Autoren haben sich mit futuristischen Verkehrsmitteln oft überboten. Die Realität ist nüchterner. Selbst das modernste Elektroauto besteht im Kern aus denselben Bauteilen – Kabine, schwere Batterie, vier Räder – wie der «Tilbury», ein Elektroauto, das Charles Jeantaud 1881 entwickelte. Und Hoverboards wie in «Back to the Future» oder fliegende Autos im Stil der «Jetsons» sind vorerst Wunschbilder – auch wenn Flugtaxis ein erster, wenngleich lauter Schritt in diese Richtung sein könnten.

Ganz ohne neue Konzepte ist die Branche dennoch nicht geblieben. Ein Beispiel ist Swissmetro: In den 1980er Jahren entstand an der EPFL die Idee eines unterirdischen Zugs, der in Tunneln mit sehr niedrigem Luftdruck fährt. Das Projekt wurde sistiert – doch der Grundgedanke lebt im «Hyperloop» weiter, an dem mehrere Firmen arbeiten. Swisspod etwa baute einen Prototyp, der bei Tests in Colorado Geschwindigkeiten von über 100 km/h erreichte. Zudem prüfen Ingenieure Hyperloop-Varianten für den Gütertransport: einfacher, langsamer, aber weiterhin in Röhren unter der Erde.

Auch die Schifffahrt braucht rasch saubere Technik. Der Seegüterverkehr verursacht rund 3 Prozent der menschengemachten CO₂-Emissionen und 18 Prozent der Stickoxid-Emissionen – Stickoxide sind für die Ozonschicht besonders schädlich. Erste Firmen entwickeln Hochseefrachter mit grossen «Segeln», also starren Flügeln, die den Treibstoffbedarf deutlich senken können. Für den Personenverkehr konstruierte Alain Thébault – bekannt als Entwickler der «Hydroptère», die mit EPFL-F&E-Unterstützung entstand – ein elektrisches Shuttleboot auf Tragflächen. Zwar wurde seine Firma jüngst geschlossen, doch andere Unternehmer treiben das Konzept schneller, emissionsarmer Segler weiter.

In der Luftfahrt sind die Fortschritte ebenfalls eher inkrementell: autonome «Riesendrohnen» als Flugtaxis, Verbundwerkstoffe für ultraleichte Tragflächen, Tests mit Stratosphären- oder Hyperschallflug, elektrische Flugzeuge – und ein Comeback der Luftschiffe, etwa mit dem französischen Projekt «Flying Whales».

All das zeigt, wie selten wirklich disruptive Technik im Verkehr ist. Absehbar bleibt es bei Träumen – von fliegenden Autos und Bussen, wie sie Jean-Marc Côté 1899 in seinen Illustrationen «Im Jahr 2000» so elegant zeichnete.