Professor Dr. Andreas Paa, Professor Dr.-Ing. Georg Klepp, TH OWL-Präsident Professor Dr. Jürgen Krahl und Professor Dr. Thomas Schulte erläuterten den Medienvertretern die Komplexität und Vielfalt klimaschonender aktueller und zukünftiger Antriebsarten, an denen die TH OWL forscht. Die vier Wissenschaftler betonten, dass es bereits jetzt viele Möglichkeiten gibt, klimaschonende Energie zu produzieren und auch für den Fahrzeugverkehr einzusetzen. Diese Vielfalt der Forschungsthemen werde weiter im Fokus von Forschung und Lehre stehen, so die Professoren. Foto: TH OWL
An der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe wird an allen erdenklichen Formen der Energiegewinnung, -verteilung, -speicherung und -nutzung geforscht. Dazu gehören auch die diversen Antriebsarten für Fahrzeuge sowie unterschiedliche Verkehrssysteme. „Die Zukunft der Energie ist vielfältig. Wollen wir uns konsequent für eine klimafreundliche Energiewirtschaft einsetzen, müssen wir auch all diese Möglichkeiten untersuchen, um ihre Vor- und Nachteile zu erfassen “, so Professor Dr. Jürgen Krahl, Präsident der TH OWL während eines Pressegesprächs im Innovationzentrum des Kreises in Dörentrup-Wendlinghausen.
Er selbst hat vor seiner Zeit als Präsident der TH OWL in Coburg und Braunschweig an Kraftstoffen geforscht. Gemeinsam mit anderen Kraftstoffexperten hat er die Denkschrift „Die Energiesituation in Deutschland: Eine Analyse der aktuellen Situation und der Aussichten für postfossile Energiequellen“ geschrieben.
Darin kommen die Autoren zu dem Schluss, dass in der Mobilität alternative Technologien wie Batterie- und Brennstoffzellenfahrzeuge eine große Rolle spielen sollten. „Mittelfristig wird damit eine Treibhausgaseinsparung möglich sein, wenn der Strommarkt in der Lage sein wird, einen Überschuss an grüner Energie zu liefern. Bis diese Perspektiven Wirklichkeit werden, kann eine stark CO2-reduzierte Mobilität bereits heute durch die Nutzung von re- und bioFuels in etablierten Technologien umgesetzt werden“, so die Autoren.
„Und an der TH OWL haben wir mit dem „Kraftwerk Land“ und perspektivisch mit der „Modellregion postfossile Mobilität“ genau diejenigen Forschungsprojekte, die uns den offenen Blick auf die Vielfalt der Möglichkeiten zur Energiegewinnung und -nutzung ermöglichen“, so Krahl weiter. Bei ihrer Denkschrift gehen die Autoren von der Grundannahme aus, dass das Energiesystem der Zukunft zu großen Teilen auf Strom und dessen Speicherung in chemischer Energie beruht. Dabei wird angenommen, dass neben Wasserstoff auch flüssige Energieträger wesentliche Bedeutung zukommen wird.
Beispiele für grüne, strombasierte Kraftstoffe mit großem Potenzial sind Methanol, Methan und Ammoniak. Bisher allerdings trügen in der EU hauptsächlich Biodiesel und Bio-Ethanol zum Klimaschutz im Verkehrssektor bei. „Die Zukunft für strombasierte, nachhaltige Kraftstoffe und Energieträger bzw. Energiespeicher ist dringend weiterzuentwickeln und auszubauen“, so die Autoren. Genau das sei auch das Thema des Institutes für Energieforschung (iFE), an das die beiden Projekte „Kraftwerk Land“ und „Modellregion postfossile Mobilität“ angedockt seien.
In ihrer Denkschrift arbeiten die Autoren heraus, wie erneuerbare Kraftstoffe ökonomisch und ökologisch sinnvoll den Bedarf an fossilen Kraftsoffen reduzieren können. „Am Beispiel von Methanol, dem einfachsten und preiswertesten E-Fuel ist erkennbar, dass diese Kraftstoffe ökonomisch und ökologisch fossile Energieträger sowohl kurzfristig als auch auf lange Sicht ersetzen könnten“, so Krahl weiter. Auch die Nutzung von Erdgas bzw. biogener und regenerativer Energieträger in ausgereiften, robusten und kostengünstigen Verbrennungsmotoren könne bereits heute den Verbrauch fossiler CO2-intensiver Energieträger eindämmen.
Wie entscheidend ein Zusammenspiel vieler Bereiche beim Erreichen der Klimaziele ist, zeige folgende Rechnung: Das Pariser Klimaabkommen verlange eine Einsparung von 55 Prozent der Treibhausgasemissionen bis 2030 bezogen auf die Werte von 1990. Die Zahl, gegen die alle Anstrengungen zu messen seien, sei der Gesamtprimärenergiebedarf eines Landes. „Für Deutschland waren das 3.650 ThW im Jahr 2019 und ungefähr 4.100 TWh im Jahr 1990. Dabei bedeuten 55 Prozent Einsparung etwa 2.300 TWh für 2030. Der Anteil erneuerbarer Energien daran war 2019 nur 14,8 Prozent und stieg nur geringfügig auf 16,1 Prozent für 2021. Davon deckten Photovoltaik und Windturbinen etwa ein Drittel ab, ungefähr die Hälfte war die Optimierung von Heizungen“, so Krahl weiter.
Tatsächlich sei es möglich, den Primärenergiebedarf auf 2.000 TWh für 2050 zu reduzieren. Die entsprechenden großen Einsparungen kämen dann aus der direkten, lokalen Stromerzeugung in Deutschland (Wind und PV), aus Heizungen mit (elektrischen) Wärmepumpen, einer massiven Verbesserung der Hausisolierung sowie wesentlichen Verbesserungen in Antriebsarten (elektrisches Fahren und ausgefeilte Hybridkonzepte). Das Prinzip der direkten, lokalen Stromerzeugung im ländlichen Raum sei genau das, was am „Kraftwerk Land“ mit der Produktion von grünem Wasserstoff aus Wind und Photovoltaik sowie von Methan bzw. Methanol erprobt werde.
Aktuell klaffe hier noch eine große Lücke. So könnten nach einer Simulation etwa 1.000 TW/a Strom aus Wind und PV für 2050, also die Hälfte des gesamten Primärenergiebedarfs gedeckt werden. Zum Vergleich: 2019 waren das nur fünf Prozent der 180 TW/a von 3.560 TWh/a. „Das heißt für die Elektromobilität, dass Elektrofahrzeuge aktuell mit Strom aus Kohlekraftwerken versorgt werden“, macht Krahl deutlich.
Selbst die Argumentation mit dem „Deutschen Energiemix“ ziehe hier nicht, da der zusätzliche Strom allein durch das Zuschalten von Kohlekraftwerken bereitgestellt werde, die Ökobilanz sich also aktuell ständig verschlechtere. Die Autoren der Denkschrift plädieren ferner für flüssige, speicher- und erneuerbare Energieträger, die leicht zu transportieren seien. Auch die Nutzung von Biomasse könne die Situation verbessern. Auch das ist Teil des Konzeptes des „Kraftwerk Land“.
Auch in der Denkschrift ist der künftige Stromtransport und seine Speicherung ein wichtiges Thema. Batterien kämen hierfür aufgrund ihrer geringen Speicherdichte von weniger als 1/40 von Dieselkraftstoff kaum in Frage. „Ein einfacherer und heute kostengünstigerer Ansatz ist die chemische Speicherung“, berichtet TH OWL-Präsident Krahl aus der Denkschrift. Da Wasserstoff weder für Langzeit- und Kurzzeitspeicherung noch für den Langstreckentransport geeignet scheine, kämen die Wasserstoffderivate, insbesondere Methanol, ins Spiel.
Methanol lasse sich bei Raumtemperatur und Normaldruck flüssig lagern und transportieren, was eine sehr preiswerte und effiziente Logistik ermögliche. „Im Ergebnis ist festzustellen, dass elektrische Energie am Ort der Entstehung in einen speicher- und transportierbaren Zustand umgewandelt werden muss. Genau das erproben wir hier am Kraftwerk Land“, so der TH OWL-Präsident.
Die Untersuchung der Wirkungsgrade unterschiedlicher Antriebsmodelle und -energieformen ist auch das Ziel der im Aufbau befindlichen „Modellregion postfossile Mobilität“. Das Großprojekt des Instituts für Energieforschung an der TH OWL (iFE) wird von der Bundesregierung mit 18 Millionen Euro gefördert. Dass hier Handlungsdruck herrscht, belegen die Zahlen. „Im Jahr 2022 war der Verkehrssektor für rund 148 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente verantwortlich. Damit liegen die Treibhausgasemissionen dieses Sektors rund 1,1 Millionen Tonnen über dem Wert von 2021 und rund neun Millionen Tonnen über der im Bundesklimaschutzgesetz für 2022 zulässigen Jahresemissionsmenge von 138,9 Millionen Tonnen CO2-Äquivalente.
Der Verkehr ist somit der einzige Sektor, der sein Ziel verfehlt und darüber hinaus einen Emissionsanstieg gegenüber dem Vorjahr verzeichnet“, so Professor Dr. Thomas Schulte. Der Professor für Regelungstechnik und Simulation befasst sich bereits seit längerem mit modernen und nachhaltigen Antrieben. So ist er gleichzeitig Leiter des an der TH OWL mit weiteren Partnern entwickelten autonomen Einschienensystems „MONOCAB“ und ist ebenfalls im Vorstand des Instituts für Energieforschung. In dieser Funktion baut er auch das Projekt „Modellregion postfossile Mobilität auf“.
Er stellt klar, dass nur ein möglichst ganzheitlicher Ansatz auch die gewünschten Lösungen bringt. So seien Entwicklungen auf vielen Ebenen notwendig, etwa bei der Sharing-Economy, der Digitalisierung für intelligente und effizientere Verkehrssysteme oder dem Ausbau der Fahrradinfrastruktur und des öffentlichen Verkehrsangebotes. Dabei stelle eine entsprechende nachhaltige Transformation des Verkehrssystems insbesondere für den ländlichen Raum eine große Herausforderung dar.
„Sharing-Angebote für strukturschwache Räume stehen vor anderen Herausforderungen wie im urbanen Umfeld. Hier kann man sich aber Verschränkungen mit On-Demand-Systemen des ÖPNV als Lösungsansätze vorstellen. Das alles wollen wir bei unserem Forschungsansatz mit berücksichtigen“, so Schulte. „Entscheidend ist, dass wir uns hier keine Denkverbote auferlegen, denn die Zukunft unserer Mobilität wird vielschichtig und vielfältig sein“, so der Dekan des Fachbereichs Elektrotechnik und technische Informatik der TH OWL weiter.
Dies gelte auch für die unterschiedlichen klimafreundlichen Antriebskonzepte bei Straßenfahrzeugen. Als solche gelten heute batterieelektrische Fahrzeuge, die mit teilweise oder vollständig regenerativ gewonnener Energie geladen werden, Brennstoffzellenfahrzeuge, die mit teilweise oder vollständig grünem Wasserstoff betankt werden sowie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren, die teilweise oder vollständig mit klimaneutralen Kraftstoffen, sogenannten E-Fuels, betankt werden.
Darüber hinaus gebe es noch Mischkonzepte wie plug-in-hybridelektrische Fahrzeuge, die bei entsprechender Betankung ebenfalls klimafreundlich unterwegs sein könnten. „Entscheidend ist hier, dass nicht primär der Fahrzeugantrieb, sondern die Herkunft des Energieträgers entscheidend für den CO2-Aquivalent-Fußabdruck ist“, so Schulte weiter.
Beim Vergleich der tatsächlichen Kosten müsse genau hingeschaut werden. Zwar gebe es derzeit ein staatlich gefördertes Hoch bei batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugen, doch seien die Realkosten hier gegenüber konventionellen Fahrzeugen deutlich höher. „Das wird bei einem zukünftigen Wegfall von Förderungen und steuerlichen Vergünstigungen zu erheblichen Mehrkosten für die Nutzer führen“, erläuterte der Professor. Hinzu komme, dass die Klimafreundlichkeit batterieelektrischer Fahrzeuge entscheidend von der Verfügbarkeit regenerativer elektrischer Energie abhänge. Größtes Problem dabei sei, dass elektrische Energie nicht in signifikantem Maß gespeichert werden könne.
„Das bedeutet, dass ich bei batterieelektrischer Mobilität im Gegensatz zu anderen Antriebsarten keine „grüne Energie“ speichern und dann abrufen kann, wenn ich sie fürs Fahren benötige. Schulte wies auch noch auf ein Dilemma hin: „Während es in absehbarer Zeit sicher eine akzeptable Ladesäulen-Infrastruktur geben wird, sind die elektrischen Versorgungsnetze überhaupt nicht für eine massive Elektromobilität gerüstet und ein Ausbau in kurzer Zeit kaum realisierbar.“
Fahrzeuge mit batterieelektrischem Antrieb seien aus seiner Sicht heute hervorragend für den Kurzstrecken- und Stadtbereich geeignet, für den Langstreckenbetrieb würden zwar Lösungen angeboten, die gingen aber mit ihren großen Batterien sehr zu Lasten des Gewichts und des Verbrauchs seltener Erden und Mangelressourcen wie Lithium. Von einem ausgereiften klimafreundlichen Gesamtsystem könne daher derzeit nicht die Rede sein. Er plädiere daher für einen anwendungsspezifischen Antriebsmix. Denn auch die anderen Antriebsarten hätten Vor- und Nachteile. So befänden sich Brennstoffzellenfahrzeuge derzeit noch in einem „erweiterten Experimentalstadium“.
Und auch bei ihnen hänge die Klimafreundlichkeit von der Verfügbarkeit eines klimafreundlich gewonnenen Brennstoffs („grüner“ Wasserstoff, Biomethan oder E-Methan) ab. Auch würden hier ebenfalls seltene Erden und Mangelressourcen verwendet, aber „grüner“ Wasserstoff sei im Gegensatz zu „grünem“ Strom transportier- und lagerbar sowie auf der Basis einer klassischen Tankstellenstruktur verteilbar. Mittel- und langfristig könne sich daher die Wasserstofftechnologie als die klimafreundlichere Technologie zumindest bei Langstrecken durchsetzen. All das wolle man an der TH OWL mit der „Modellregion postfossile Mobilität“ untersuchen.
Bei klimafreundlichen Kraftstoffen handle es sich um Kraftstoffe, die durch das Recycling von CO2 gewonnen werden. „Klimafreundliche Kraftstoffe können direkt oder als Beimischung zu fossilen Kraftstoffen in Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennermotoren verwendet werden“, erläutert Schulte. Dies geschehe auch bereits, und es gebe schon jetzt mehrere zugelassene Varianten. „Sie sind gut bevorratbar, transportabel und können über eine vorhandene Infrastruktur (Tankstellen) bereitgestellt werden. Klimafreundliche Kraftstoffe bieten daher grundsätzlich die Chance einer schnellen Defossilierung der individuellen Mobilität auch in der Bestandsflotte ohne dass große Abhängigkeit und eine mangelnde Resilienz entstehen“, so Schulte.
Insgesamt könne gesagt werden, dass biogene Kraftstoffe auch in Deutschland wirtschaftlich herstellbar und bereits in signifikanten Mengen verfügbar seien. „Biogene Kraftstoffe sind derzeit die einzige bereits verfügbare technische Lösung klimafreundlicher Mobilität, die ohne Nutzung ausgewiesener technologischer Mangelressourcen wie Lithium oder seltener Erden auskommt“, so Schultes Fazit.
Die biogene Produktion von Methan im Rahmen des Projektes bioCO2nvert von Prof. Jan Schneider, Institut für Lifesciencetechnologies (ILT.NRW), gehört auch am „Kraftwerk Land“ der TH OWL zum Untersuchungsfeld der Anlage. Professor Dr.-Ing Georg Klepp, Vorstandsmitglied des Instituts für Energieforschung (iFE) der THOWL und Experte für Strömungsdynamik, Fluiddynamik und Energie erläuterte den anwesenden Medienvertetern die Funktionsweise des Kraftwerk-Demonstrators für die dezentrale Energieproduktion und -versorgung im ländlichen Raum. So werde zum einen aus Windenergie und Photovoltaik grüner Wasserstoff produziert.
Dieser werde dann in Methanol umgewandelt und sei so transport- und lagerfähig. Parallel dazu produzieren Mikroben in einem Bioreaktor durch das Zersetzen von CO2 und grünem Wasserstoff Methan. Dieses könne entweder als Erdgas-Ersatz ins Gasnetz eingespeist oder zu Methanol synthetisiert werden, das dann wiederum als Kraftstoff eingesetzt werden kann. Bereits das zeige die Vielschichtigkeit, aber auch die Perspektiven der Nutzung grüner Energie im ländlichen Raum. So könnte Biogas aus den vorhandenen landwirtschaftlichen Anlagen mit durch Windkraft und Photovoltaik gewonnenem Wasserstoff zu Methan als „grünem Erdgas“ weiterverarbeitet werden.
Dies könne schließlich nach einer entsprechenden Aufbereitung in Nahversorgungsnetze eingespeist oder als klimafreundlicher Kraftstoff für Fahrzeuge mit Erdgasantrieb genutzt werden. Auch die Produktion von Methanol sei möglich. Dies könnte sogar in den Verbrennungsmotoren der jetzigen Fahrzeugflotte als Beimischung zum Benzin genutzt werden. Genau dies sei am „Kraftwerk Land“ der nächste Versuchsschritt, der dann auch eine Verbindung zum Projekt „Modellregion postfossile Mobilität“ herstelle. „Insgesamt kann ich schon jetzt sagen, dass die CO2-Reduzierung durch ein solches klimaneutrales Kraftwerk wie hier deutlich größer ist, als dies mit Strom beim aktuellen Strommix möglich wäre“, so Klepp
Auch Professor Dr. Andreas Paa setzt auf die Erforschung der vielfältigen Energieformen und ihre Anwendungsmöglichkeiten. Er vertritt an der TH OWL mit seiner Professur im Fachbereich Maschinenbau und Mechatronik sowohl das Fachgebiet der Verbrennungsmotoren als auch das der elektrischen Antriebe, forscht und lehrt also in beide Richtungen. „Werden nicht alle Energiesysteme und Antriebsmöglichkeiten wie hier an der TH OWL erforscht, kann es auch keinen Wettbewerb geben somit dann auch sicherlich nicht die effektivste, klimafreundlichste und preisgünstigste Lösung“, so der Wissenschaftler.
„Bezahlen wir nicht mehr für die Energie in €/kWh, sondern für die Emissionen €/gCO2, wird die Technologie mit den geringsten Emissionen die wirtschaftlichste und erfolgreichste sein. Dies kann und wird sich aber je nach Anwendung unterscheiden. Die Zukunft ist ganz simpel, es wird schlicht und einfach nur vielfältiger“, gibt der Professor zu bedenken.
Besonders kurzfristig leiste E-Mobilität aufgrund der guten Wirkungsgradkette einen Beitrag zur Senkung der CO2-Emission. Mittel- und langfristig werde sich aber zeigen müssen, wo und wie Energie in ausreichender Menge am preisgünstigsten gewonnen, verteilt und gespeichert werden könne. Davon hänge ab, welchen Erfolg welche Technologie haben werde.
Dabei sei die Reduzierung von CO2-Emissionen eine globale Aufgabe und brauche daher auch globale Lösungen. Hier müsse eine ganzheitliche und weltweite Betrachtung der Nachhaltigkeit im Sinne der Definition der Vereinten Nationen erfolgen. Hier machen die vier Forscher einen Vorschlag: So könnte das Ernten von Energie in äquatornahen Regionen eine Existenzgrundlage durch die Verbesserung der ökonomischen, ökologischen und sozialen Situation in diesen Ländern darstellen. So könne der Raubbau an der Natur durch den Abbau von Ressourcen verringert und einer möglichen Verlagerung der Verbrennung fossiler Kraftstoffe entgegengesteuert werden.
Insgesamt, so die vier Wissenschaftler der TH OWL, könne effizienter Klimaschutz sowohl sofort im Bestand und in der bestehenden Infrastruktur, als auch in Zukunftsantrieben in den Mittelpunkt aller Anstrengungen gestellt werden. Die TH OWL werde diese Sichtweise jedenfalls auch zukünftig in der ihr eigenen Einheit von Forschung und Lehre vertreten.
Pressemeldung: TH OWL
