Reduktion von Treibhausgasen
Das Absorptionsverhalten von Kohlendioxid ist verantwortlich für seine Wirkung als Treibhausgas. Eine starke Reduktion der Treibhausgasemissionen wird notwendig sein, um die zukünftige Erderwärmung zu mindern.
Die Reduktion von Treibhausgasemissionen ist ein grundlegendes Thema mit vielfältigem Bezug zum Programm „Mobilität der Zukunft" (MdZ) des BMK. Der Themenbereich Fahrzeugtechnologie ist einer der Eckpfeiler des Mobilitätsforschungsprogrammes MdZ, die Reduktion von Treibhausgasemissionen (THG; im Kontext dieses Textes vor allem CO2) ist einer der Programmschwerpunkte.
Fahrzeuge verursachen Emissionen, von der Produktion über ihren Betrieb und bei der Aufarbeitung am Ende ihrer Nutzung. Der Verbrennungsmotor (ICE) ist seit über 100 Jahren die dominante Antriebsquelle von Kraftwagen. Egal in welcher Ausführung, wenn Kohlenwasserstoffe verbrannt werden, wird Kohlendioxid (CO2) freigesetzt. Stammen die Kohlenwasserstoffe aus fossilen Quellen, wird die Atmosphäre mit CO2 angereichert und dieses CO2 trägt indirekt zur Erwärmung unserer Atmosphäre bei.
Um Verbesserungen hinsichtlich der Emissionen von Fahrzeugen zu bewerten, muss ein praktikables und idealerweise kostengünstiges Prozedere hinsichtlich deren quantitativer Bestimmung festgelegt werden. Neben Personenkraftwagen zählen auch Nutzfahrzeuge zu wesentlichen Treibhausgas-Emittenten im Verkehrssektor. Seit 1. Januar 2019 erhalten Kundinnen und Kunden beim Kauf eines neu produzierten Lastkraftwagen (schweres Nutzfahrzeug) ein Zertifikat mit Angaben zu Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen, welche über das digitale Simulationstool VECTO bestimmt werden. Die EU-Kommission hat die Software gemeinsam mit Herstellern und Wissenschaftlern bzw. Wissenschftlerinnen entwickelt. Ab voraussichtlich 2021 sollen auch Hybridantriebe mithilfe von VECTO zertifiziert werden, wofür im Projekt HyCover (TU Graz, 2016–2018) die VECTO-Software um die entsprechenden Komponenten und Hybridregelstrategien erweitert wurde.
Zurück zu den Auswirkungen der Treibhausgasemissionen: Die Atmosphärentemperatur in Bodennähe und die Temperatur der Ozeane haben signifikanten Einfluss bezüglich der Lebensbedingungen auf unserem Planeten. Bestimmende Quelle für diese Temperaturen ist die Sonne. Im Vergleich zu ihrem Energieeintrag ist die Energieumwandlung in Wärmeenergie durch den Menschen und der Energiefluss aus dem heißen Erdkern unbedeutend. Wie viel Wärmeenergie im Wasser, dem Boden und in der Atmosphäre zu einem gegebenen Zeitpunkt gespeichert ist, hängt vom Energiezufluss und Energieabfluss (reflektierte Sonnenstrahlung und Wärmestrahlung in Richtung Weltall) ab.
Ein Teil der Wärmestrahlung wird durch Verbindungen in der Atmosphäre wieder in Richtung Oberfläche der Erde abgegeben, was Treibhauseffekt genannt wird. Der Betrag des Treibhauseffektes wird durch die Zusammensetzung der Atmosphäre (im Spurenbereich) bestimmt, nämlich durch die Wärmestrahlung bestimmter, gasförmiger Verbindungen in gewissen Höhen der Atmosphäre. Diese Verbindungen sind Wasserdampf (H2O), CO2, Methan (CH4) und Ozon (O3).
Wie auch die Zusammensetzung der Erdatmosphäre hinsichtlich der Treibhausgase, schwankt die Strahlungsaktivität der Sonne. Auch die Erdumlaufbahn und die Neigung der Erdachse sind nicht konstant gleich. Diese Schwankungen änderten das Klima auf unserer Erde seit jeher, allerdings innerhalb längerer Perioden (z. B. Eiszeiten). Kurzfristige Einflüsse wurden allenfalls durch massive Vulkanausbrüche oder Meteoriteneinschläge verursacht.
Seit der Industriellen Revolution werden fossile Energieträger (Torf, Kohle, Erdgas und Erdölprodukte) verbrannt, um die darin enthaltene Energie zu nutzen – hauptsächlich für die Wärmegewinnung, den Antrieb von Produktionsanlagen, die Umwandlung in elektrische Energie und für den Transport von Personen und Waren.
Insbesondere nach dem Zweiten Weltkrieg durch die großen, ehemals sogenannten Industriestaaten und seit den 1990ern vor allem auch durch das wiedererstarkte China sowie in reduziertem Maße Indien.
Die Kreisläufe von Wasser und Kohlendioxid auf der Erde und in der Atmosphäre sind durchaus komplex, für den menschengemachten Anstieg der Treibhausgase in der Atmosphäre und dem damit verbundenen durchschnittlichen Temperaturanstieg auf der Erde gibt es aber eindeutige Nachweise. Bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehen vor allem CO2 und Wasser, beides Treibhausgase. Bei der Förderung von Öl und Gas entweicht auch Methan.
Werden Kraftstoffe (u. a.) aus Biomasse gewonnen, spricht man u. a. von „Alternativen Kraftstoffen". Diese Kraftstoffe geben bei ihrer Verbrennung kein zusätzliches CO2 an die Atmosphäre ab, da das freigesetzte CO2 zeitlich relativ kurz davor aus der Atmosphäre gebunden wurde. Der Einsatz solcher Kraftstoffe erlaubt eine signifikante Treibhausgasreduktion, bei Beibehaltung der bestehenden Infrastruktur und leicht angepasster Motorentechnologie. Das Projekt Oxy-Gen2 (TU Wien, 2014–2017) untersuchte regenerative, sauerstoffhaltige Diesel-Ersatzkraftstoffe als Chance für Effizienzsteigerung und Emissionsminimierung. Besonders schwere Fahrzeuge und lange Wege bevorzugen rasch nachtankbare Kraftstoffe mit hohem spezifischen Energieinhalt.
In diese Nische stoßen auch Wasserstofffahrzeuge. Sofern Wasserstoff (H2) aus regenerativen Quellen gewonnen wird, gilt dieser als möglicher zukünftiger universeller Energieträger. H2 kann zur Wärmegewinnung oder zur Gewinnung elektrischer Energie (über Generatoren) verbrannt, in chemischen Prozessen als Reaktant eingesetzt oder in Brennstoffzellen mit Sauerstoff (O2) elektrochemisch zu elektrischer Energie umgesetzt werden. Vor rund 20 Jahren wurde die erste Kleinserie mit Straßenzulassung von Wasserstoff-Verbrennungskraftwagen gebaut. Aufgrund des besseren Wirkungsgrades ist heute in der Entwicklung, Demonstration und Kleinserie das Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug dominant. In der Brennstoffzelle wird elektrische Energie erzeugt, welche über die Elektrokraftmaschine in Vortrieb umgewandelt wird. Ein Schlüsselaspekt von Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen ist die Speicherung des H2 im Fahrzeug, einerseits hinsichtlich Sicherheit (und damit Gewicht), andererseits wegen dem Wirkungsgradverlust durch die starke Komprimierung oder Verflüssigung des H2. Das Projekt KC4HiPS betrachtete die Aspekte der Speicherbehälter- und Ventiltechnik und leistete einen Beitrag zur Kosten- und Gewichtsreduktion von Brennstoffzellenfahrzeugen.
In der tatsächlichen Nutzung auf der Straße sind Brennstoffzellenfahrzeuge noch unbedeutend (46 zugelassene Personenkraftwagen in Österreich mit Stichtag 30.04.2020), anders sieht es bei batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) aus. Vor rund 15 Jahren sorgte der Markterfolg eines Hybridfahrzeuges für eine Renaissance dieses Antriebskonzeptes. Dieser Erfolg fiel zusammen mit der zunehmenden Verbreitung von Lithium-Ionen Akkumulatoren, welche zu Beginn der 1990er erstmals kommerziell angeboten wurden und deren grundlegende Erforschung und Entwicklung auch in Deutschland und Österreich stattfand. Der entscheidende Vorteil gegenüber anderen Akkumulatoren war und ist die hohe Energiedichte bzw. hohe spezifische Energie. Naturgemäß lag es nahe, diese Technologie in BEV einzusetzen. Der Akkumulator hat einen signifikanten Anteil an den Fahrzeugkosten und speichert eine große Menge an Energie, weshalb Sicherheit, Nutzungsdauer und Wiederverwertbarkeit eine große Rolle spielen. Das Forschungsprojekt DianaBatt erarbeitete eine Technologie, welche die Analyse emittierter Gase aus Akku-Zellen erlaubt, um so Rückschlüsse auf die Alterung der Zellen zu erlauben.
Technologien brauchen Zeit, um sich durchzusetzen, selbst wenn sie gesamtgesellschaftlich Vorteile mit sich bringen, da etablierte Systeme träge sind und Interessenlagen manchmal kollidieren. Mit 30.04.2020 waren 32.203 Batterie-Personenkraftwagen in Österreich zugelassen, die bereits zur Reduktion des Flottenverbrauchs beitragen. Unter Flottenverbrauch versteht man den durchschnittlichen Verbrauch einer Flotte, z. B. der Diesel-Personenkraftwagen in Österreich. Aus diesem Verbrauch ergibt sich auch eine durchschnittliche CO2-Emission pro Fahrzeug.
Am Flottenverbrauch, d.h. an der Höhe der CO2-Emissionen pro Fahrleistung, kann man zeitverzögert die vergangenen technologischen Fortschritte ablesen. Um diese Fortschritte auch in Zukunft zu erzielen, wird heute an den Technologien von morgen gearbeitet.
Das Nachfolgeprogramm von MdZ wird gegenwärtig in einem Strategieprozess von der Abteilung Mobilitäts- und Verkehrstechnologien der Sektion III des BMK entwickelt. Neben Fahrzeugtechnologie werden die Themenbereiche Personenmobilität, Gütermobilität und Innovationen der Verkehrsinfrastruktur Kernthemen des Mobilitätsforschungsprogrammes sein.