Umweltschutz

Auswege aus der Klimaproblematik: Kann die Technik unsere Welt retten?

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Umweltschutz bedeutet nicht einfach Verzicht und Verbote. Am wirksamsten sind oft neue technische Möglichkeiten.

Der Verzicht ist nicht des Menschen liebste Wahl. Verbote gehören auch nicht dazu. Deshalb vertreten viele die Meinung, mit technischen Lösungen sei die Welt zu retten. Bestätigt erhält man dies an einem kleinen Beispiel aus dem Alltag. Man braucht nur an der Autokolonne an einer geschlossenen Barriere vorbeizugehen: Ein grosser Teil der Motoren läuft, obwohl über mehrere Minuten kein Meter gefahren werden kann.

Die Fahrerinnen und Fahrer sind zu bequem oder uninteressiert, um auf den Stop-Knopf zu drücken oder am Zündschlüssel zu drehen und den Motor auszuschalten. In modernen Autos hilft da die Technik: Die Start-Stop-Automatik stellt das Auto innert Sekunden selbst ab und startet erst wieder, wenn der Motor gebraucht wird.

Christian Bach, Antriebsforscher bei der Empa in Dübendorf, sagt, man müsse die Diskussion um die Wirksamkeit von technischen und nichttechnischen Massnahmen gliedern. Da werde viel durcheinandergebracht: Freiwillige, organisatorische Massnahmen wie Sharing-Modelle, die Erhöhung der Benzin-Kosten, Langsamverkehr, Bike-to-Work oder automatisierte Fahrzeuge könnten helfen, das Verkehrsproblem in belasteten Gebieten zu lösen. Das für das Klima entscheidende CO2-Problem werde damit aber nur beschränkt gelöst. Diese nichttechnischen Lösungen helfen die Verkehrsprobleme in städtischen Gebieten und auf Kurzstrecken zu entschärfen.

, sagt Christian Bach.

Ausschlaggebend für den Ausstoss von Kohlendioxid sind die Langstreckenfahrten, wofür es selten organisatorische Massnahmen gibt. Politische Massnahmen wie Benzin-Steuern und Verbote würden wirken – wenn man wollte. Deutlich populärer und ebenfalls wirksam sind die technische Massnahmen: der Umstieg auf erneuerbare Energien wie Solar und Wind, die Hybridisierung, die Elektrifizierung und der Leichtbau.

Dabei müssen die Mechanismen gut überlegt sein, damit es ohne Regulierungen nicht zu unerwünschten Rebound-Effekten kommt: Kauft eine Familie zum Beispiel ein Elektroauto mit beschränkter Reichweite, fährt sie vielleicht nicht mehr mit dem Auto in die Ferien, sondern nimmt das Flugzeug, wenn das Ticket günstig bleibt, und belastet die Umwelt damit noch mehr.

Gemäss dem Antriebsexperten der Empa können CO2-Reduktionen deswegen praktisch nur mit technischen und politischen Massnahmen gleichzeitig erreicht werden. Allerdings nicht nur mit der Elektrifizierung. Für den auf das Treibhausgas überproportional wirkenden Langstrecken- und Transportverkehr braucht es eine andere Technologie: Für einen Lastwagen auf Europatour bräuchte es übermässig grosse und schwere Batterien und zu viele Schnellladesäulen.

Eine bessere Lösung wäre gemäss Bach für Langstrecken der Wechsel von fossilen auf erneuerbare synthetische Treibstoffe. Sie könnten auch auf Kurzstrecken in Städten eingesetzt werden. Dort ist aber die Elektromobilität wirtschaftlicher und führt neben der CO2-Reduktion zu einer wohltuenden Feinstaub- und Lärmminderung. Der Empa-Forscher sieht für die Zukunft, dass Personenwagen mit Batterien und als Hybridfahrzeuge unterwegs sein werden, Lastwagen primär mit Wasserstoff.

Anwendungen für Auto, Lastwagen, Bus und Schiff

Das sieht Markus Friedl von der Fachhochschule Rapperswil, der an Power-to-Gas-Verfahren forscht, gleich. Eingesetzt werden nach Friedl in Zukunft Batterie- und Wasserstofffahrzeuge sowie solche, die mit Biogas oder synthetischen Treibstoffen fahren. Generell wird die Elektrizität wichtiger werden. Heute ist ein Viertel der Energieversorgung elektrisch, dieser Anteil wird auf 50 Prozent steigen. Um die hohe Elektrifizierung zu erreichen, wird in der Schweiz vor allem die Solarenergie ausgebaut werden müssen.

Eine Energieversorgung zu 100 Prozent sei aus Stabilitätsgründen nicht machbar, sagt Friedl. Somit werden Treibstoffe aus erneuerbaren Energien entscheidend. Friedl denkt, dass in urbanen Gebieten 70 Prozent der Autos mit Batterien unterwegs sein werden, wie auch Busse und Fähren. Wasserstoff wird für längere Strecken genutzt werden. Biogas sowie synthetisches Methan sieht Friedl als schnell einsetzbare Übergangstechnologie sowie als langfristige Lösungen für Autos, Busse, Lastwagen und Schiffe über lange Distanzen.

Synthetische flüssige Treibstoffe

Mit der solaren Mini-Raffinerie auf dem Dach der ETH Zürich wird aus Licht und Luft Treibstoff hergestellt.

Mit der solaren Mini-Raffinerie auf dem Dach der ETH Zürich wird aus Licht und Luft Treibstoff hergestellt.

Ein Vorzeigeprojekt steht auf dem Dach der ETH-Zürich: Eine solare Mini-Raffinerie, mit der aus Sonnenlicht und Luft flüssiger Treibstoff hergestellt wird. In einem ersten Schritt wird in der Anlage in einem weissen Container aus der Zürcher Umgebungsluft Kohlendioxid (CO2) und Wasser abgeschieden.

In einem zweiten Schritt wird über die Bündelung der Sonnenstrahlen im Solarreaktor eine Hitze von 1500 Grad Celsius erzeugt, mit der in einem porösen Keramikschaum CO2 und Wasser aufgespalten wird. Daraus entsteht ein synthetisches Gas, eine Mischung aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), welches anschliessend in der danebenliegenden Mini-Raffinerie zu flüssigem Solar-Metanol oder Kerosin verarbeitet wird.

Der synthetische flüssige Treibstoff kann danach in einem Auto- oder in einem Flugzeugmotor eingesetzt werden. Gerade beim Fliegen hat dieser synthetische Treibstoff grosses Potenzial. Denn Flugzeuge mit schweren Batterien sind nicht effizient. Zudem steckt in flüssigem Treibstoff 20- bis 60-mal mehr Energie als in einer Batterie. Gemäss ETH-Projektleiter Phillip Furler könnten synthetische flüssige Treibstoffe in zwanzig Jahren eine substanziellen Teil des weltweiten Verbrauchs abdecken.

Bill Gates’ Laufwellenreaktor

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Bill Gates schwebt ein neuartiger Reaktor vor, der Laufwellenreaktor. Dafür hat der Microsoft-Gründer viele Millionen in die Forschung investiert und die Firma TerraPower gegründet. Dieser Reaktortyp nutzt schwer spaltbares Uran 238. Damit erschliesst sich ein riesiges Energiereservoir, da dieses Uranisotop sowohl in den ausgedienten Brennelementen der Atomkraftwerke, der heutigen Leichtwasserreaktoren, zu finden ist wie auch in den Rückständen der Urananreicherung.

«Wenn zudem der Brennstoffkreislauf ganz geschlossen werden kann, entschärft sich die Endlagerfrage, da sich die nötige Einschlusszeit der nuklearen Abfälle auf weniger als tausend Jahre reduziert», erklärt Matthias Rey vom Nuklearforum Schweiz. Bill Gates mit seiner Firma TerraPower hat sich zur Förderung des Laufwellenreaktors mit China verbündet. Zwar hat die Firma kürzlich einen kleinen Förderbeitrag des Energiedepartements der USA erhalten, ist aber in die Streitigkeiten zwischen den beiden Regierungen geraten. TerraPower arbeitet derzeit an Materialfragen. In absehbarer Zeit dürfte allerdings nicht mit dem Bau eines Reaktors begonnen werden.

«Zum Einsatz kommen werden eher stark verkleinerte und technisch vereinfachte Reaktorsysteme, sogenannte ‹Small Modular Reactors›. Sie beruhen auf der herkömmlichen Leichtwasser-Reaktortechnik, wie die Schweizer Kernkraftwerke», sagt Rey. Diese Reaktoren erzeugen allerdings nukleare Abfälle. Eine Wiedergeburt erlebt eine andere nukleare Technologie: Der Kugelhaufenreaktor soll demnächst in China den Demonstrationsbetrieb aufnehmen.

Der Kernbrennstoff hat in diesem Reaktor die Form von tennisballgrossen Kugeln und wird nicht wie bei herkömmlichen Kernreaktoren in meterlange Rohre eingefüllt. Beim Kugelhaufenreaktor ist es aus naturgesetzlichen Gründen nicht möglich, dass es zu einer Kernschmelze kommt. Verhindert wird das durch eine Graphitschicht in den Kugeln. Der Nachteil der extrem soliden Verpackung des Brennstoffs ist, dass die Wiederaufarbeitung zum Rezyklieren des Brennstoffs sehr aufwendig ist. Das sicherere System erzeugt also mehr Abfall. Die Hoffnung ruht somit auf Bill Gates’ Laufwellenreaktor.

Wasserstoff an jedem Haus

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Ein Wasserstoffauto ist eigentlich ein Elektroauto, weil der Wasserstoff für die Stromerzeugung im Fahrzeug genutzt wird. Kritiker bemängeln, dass die Herstellung von Wasserstoff zu viel Energie verschlinge. Da widerspricht der Empa-Antriebsexperte Christian Bach. Ein Brennstoffzellenauto benötige zwar über alles betrachtet knapp dreimal mehr Strom als ein E-Mobil. Effizienz sei in der «fossilen Welt» wichtig, verliere in der «erneuerbaren Welt» aber an Bedeutung. In ihr wird es Zeiten geben, an denen zu viel oder zu wenig Strom erzeugt wird. Ersteres kann man effizient nutzen, wenn man überschüssigen Strom für die Wasserstoffproduktion verwendet.

«Konkret bedeutet es, dass der Zeitpunkt der Stromentnahme in Zukunft wichtiger wird als die Wirkungsgrade der Systeme und Fahrzeuge», sagt Bach. Die Effizienz des Energiesystems nimmt zu, obwohl ineffizientere Systeme eingesetzt werden. Ausschlaggebend für den Durchbruch erneuerbarer Energien wird die Speicherung sein.

Andreas Züttel von der ETH Lausanne hat ein System entwickelt, welches das Speichern und Verdichten von Wasserstoff in einem Schritt ermöglicht. Dabei nimmt ein Metallhydrid Wasserstoff auf wie ein Schwamm. So entstehen Mini-Wasserstoff-Tankstellen, die an jedem Haus installiert werden können. Mini-Tankstellen funktionieren im Gegensatz zu grossen Wasserstoff-Tankstellen ohne Hochdruck und damit ohne Lärm und Vibrationen. Die Technik funktioniert, die Wirtschaftlichkeit muss sich zeigen.

Solare Dächer

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Der Solarexperte Christophe Ballif von der ETH Lausanne sagt, dass die Schweizer Gebäude, also Dächer und Fassaden, für die Fotovoltaik ausreichten, um zusammen mit der Wasserkraft genug Energie für die Schweiz zu erzeugen. Im Moment stehen aber erst auf drei Prozent unserer Dächer Fotovoltaikanlagen. Doch die Zukunft ist gemäss dem Solarforscher sonnig. Er hat farbige Solarzellen entwickelt, so dass Fassaden und auch denkmalgeschützte Häuser mit Solarmodulen in Terracotta oder Weiss gestaltet werden können. Weiter wird sich der Wirkungsgrad der Solarmodule weiter verbessern

Synthetisches Methan, Power-to-Gas-Anlage

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Beim Power-to-Gas-Verfahren werden erneuerbarer Strom, Wasser und CO2 in synthetisches Methan umgewandelt. Das künstliche Methan kann im Erdgasnetz gespeichert werden und in konventionellen Technologien zur Wärmeerzeugung und in der Mobilität eingesetzt werden. An der Hochschule für Technik Rapperswil wird mit der Power-to-Gas-Methode mit einer Elektrolyseanlage Wasserstoff und daraus mit der Beigabe von CO2 Methan hergestellt.

Für Markus Friedl, Leiter des Instituts für Energietechnik in Rapperswil, ist Power-to-Gas die beste Möglichkeit, nachhaltig Methan oder Wasserstoff zu produzieren. Gemäss einer Studie der Empa und des Paul-Scherrer-Instituts besteht in der Schweiz das Potenzial, in Zukunft bis zu einer Million Autos mit synthetisch erzeugtem Methan zu betreiben.

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