Fahrzeugantriebe der Zukunft

Gemäss dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) sind drei Viertel der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor auf Personenwagen, Lastwagen und Busse zurückzuführen. Die Antriebe dieser Fahrzeuge beeinflussen wesentlich, ob die Schweizer Ziele zur Reduzierung von Treibhausgasen erreicht werden können. Um die CO2-Emissionen zu senken setzen PSI-Forschende an der Verbesserung von Antriebssystemen an.

In einer Studie haben Experten des PSI-Labors für Energiesystemanalyse ermittelt, wieviel Abgas (insbesondere Treibhausgase) die verschiedenen Antriebsarten von Personenwagen aktuell produzieren und wie viel sie nach aktuellen Trends 2040 weiterhin ausstossen werden. Dabei spielt der gesamte Lebenszyklus der Autos eine Rolle. Die Untersuchungen beruhen deshalb auf den Resultaten von der Herstellung bis zur Entsorgung.

Insbesondere Dieselfahrzeuge waren in der Vergangenheit starker Kritik ausgesetzt. Sie stossen besonders viele gesundheitsschädliche Stickoxide aus. Die PSI-Forschungsgruppen haben herausgefunden, wie sich diese Emissionen erheblich vermindern lassen: Schon heute wird vielen Dieselfahrzeugen der Hilfsstoff «AdBlue» ins Abgas eingespritzt, der dort zu Ammoniak zerfällt. Unter Mithilfe eines Katalysators reagiert das Gemisch mit den Stickoxiden zu harmlosem Stickstoff und Wasser. Dies funktioniert jedoch nur dann, wenn die Abgase mehr als 200 C° aufweisen. In den ersten Minuten nach dem Start der Motoren sowie an kalten Wintertagen bleibt daher viel Stickoxid übrig.

Was kann hier verbessert werden? Mit dem konzentrierten Röntgenlicht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS haben die Forschenden das Katalysatormaterial (eine Kupfer-Zeolith-Verbindung) durchleuchtet und genau beobachtet. Zu viel Ammoniak vermindert bei niedrigen Temperaturen die Wirkung des Kupfers. Je nach Temperatur und Betriebszustand sollten daher verschiedene Mengen Ammoniak eingespritzt werden, um seine Wirkung zu optimieren. Die Stickoxid-Emissionen lassen sich so um bis zu 90 % reduzieren. Dennoch haben Diesel- und mehr noch Benzinmotoren durch ihren höheren Energieverbrauch negative Klimaauswirkungen. Will man Abgase massiv reduzieren, sind neue Antriebstechnologien nötig, die möglichst gar keine schädlichen Abgase entwickeln.

Zwei wichtige Fragen zu Akkus

Elektroantriebe bieten sich bezüglich Emissionen an. Die Forscher des PSI sind intensiv daran, deren Technik und vor allem die Reichweite zu verbessern. Zwei Fragen, die in diesem Zusammenhang äusserst relevant sind, beziehen sich auf den Energiespeicher von Elektrofahrzeugen: Welcher Elektrolyt im Akku überträgt die Energie am besten? Wie müssen die Elektroden des Akkus beschaffen sein, um eine maximale Energiedichte zu erreichen, ohne dass damit deren Explosionsgefahr steigt? Mit der Lösung dieser beiden Fragestellungen liesse sich bereits mit herkömmlichen Lithium-Ionen-Akkus eine deutliche Reichweitensteigerung erzielen.

e_autoherstellung

In einem Projekt widmet sich beispielsweise eine Gruppe PSI-Chemiker dem Mengenverhältnis der sogenannten Übergangsmetalle, die in der positiven Elektrode, also der Kathode, der Batterie stecken. Sie möchten herausfinden, wie sich Änderungen der Zusammensetzung auf die Stabilität und Sicherheit der Batterie auswirken. Die gebräuchlichste Verbindung ist das sogenannte NCM, bestehend aus verschiedenen Anteilen Nickel, Kobalt und Mangan. Das Ziel sei, den Anteil von Nickel zu erhöhen und jenen von Kobalt so weit wie möglich zu senken. Kobalt ist nicht nur toxisch, es ist auch selten und teuer. Es wird ausserdem unter sozial und ökologisch fragwürdigen Bedingungen im Kongo abgebaut. Der technische Vorteil eines höheren Nickelanteils ist ausserdem, dass er die Kapazität der Kathode und damit die Reichweite des Elektroautos steigert. Die Forschenden möchten in weiterer Zukunft sogar komplett auf Kobalt verzichten. Allerdings neigt NCM mit mehr Nickel und weniger Kobalt dazu, an der Luft instabil zu sein und sich in der Batterie chemisch reaktionsfreudiger zu verhalten als gewünscht. Mit verschiedenen Tricks könnten die neuen Materialien dennoch stabilisiert werden: Getestet wird derzeit die Beigabe extrem geringer Mengen weiterer Elemente oder eine gezielte Oberflächenbeschichtung. Mit den ultrapräzisen Lichtquellen an den Grossforschungsanlagen des PSI wird untersucht, warum genau die Elektroden ohne diese Tricks instabil werden und welche der Änderungen erfolgversprechend sind.

Oder doch besser mit Festtoffbatterie?

Vielleicht liegt die Zukunft des Elektroantriebs aber auch in der sogenannten Feststoffbatterie. Eine Feststoffbatterie enthält eine feste Keramik statt des typischen flüssigen Elektrolyts, der die Ladung zwischen den Elektroden transportiert. Die Vorteile: Sie ist weniger entzündlich als flüssige Elektrolyte. Diese Batterie widersteht auch ohne Kühlung hoher Spannung und hohen Temperaturen. Sie kann also theoretisch schneller laden und spart den Platz für die Kühlung. Auch sie verspricht eine höhere Energiedichte als derzeitige Lithium-Ionen-Batterien. Jedoch dauert der Ladevorgang von Feststoffbatterien noch vergleichsweise lang, weil nur eine relativ geringe Stromstärke angelegt werden kann. Die Forschenden sind dieser Tatsache mit der sogenannten Operando Röntgentomografischen Mikroskopie auf den Grund gegangen. Diese funktioniert prinzipiell wie eine Computertomografie in einem Spital. Allerdings ist der Photonenfluss in der Grossforschungsanlage SLS um einige Grössenordnungen höher. Somit kann die erforderliche räumliche und zeitliche Auflösung erreicht werden. Die Forscher konnten präziser denn je beobachten, wie sich in der Keramik – in diesem Fall aus Lithium- und Phosphorsulfid – beim Laden Risse bilden: Die Lithium-Ionen zwängen sich in das Molekülgitter von Zinnkügelchen, die in die Keramik eingebettet sind. Dadurch vergrössern sie deren Volumen um bis zu 300 %. Sie konnten verfolgen, wie sich die Risse ausbreiten und den Fluss der Ionen zwischen den Elektroden stören. Zwar schliessen sich die Risse beim Entladen wieder, da der feste Elektrolyt eine gewisse Elastizität aufweist. Die Einschränkung beim Laden bleibt jedoch bestehen. Mit dem gewonnen Verständnis lässt sich nun leichter nach anderen Elektrolytmaterialien suchen, die weniger stark auf die Ausdehnung der Zinnkugeln reagieren. Der Weg ist noch lange bis zu einer fehlerfreien Massenproduktion von Feststoffbatterien.

Reichweitenvorteil durch Brennstoffzelle

Die Antriebe mittels Brennstoffzellen haben gegenüber der Batterie vor allem einen Reichweitenvorteil. Die Energieeffizienz fällt allerdings geringer aus.

«Die Technologie ist ausgereift, es gibt da eigentlich kein grosses Hindernis mehr», sagt Thomas J. Schmidt, Leiter des Forschungsbereichs Energie und Umwelt des PSI. «Es fehlt nur noch am politischen Willen».

Derweil wird die Brennstoffzelle weiter optimiert. Auch hier ermöglichen die einzigartigen Bildgebungsverfahren den Forschenden tiefergreifende Erkenntnisse. So wurden die Vorgänge innerhalb der Brennstoffzelle bislang noch nicht in allen Einzelheiten verstanden. Neutronenradiografie und der Röntgentomografie per Synchrotronstrahlung gewähren während des Betriebs Einblick in die Zelle.

PSI_Brennstoffzelle_Konzept

Die Gase Wasserstoff und Sauerstoff verbinden sich in einer Brennstoffzelle zu Wasser und setzen dabei Energie frei. Dies spielt sich an den beiden porösen Katalysatorschichten der Elektroden ab. Diese sind durch eine Membran getrennt. Durch diese Schichten müssen einerseits die beiden Gase diffundieren und andererseits das entstehende Wasser entfernt werden. Vor allem Letzteres ist wichtig, damit eine Brennstoffzelle gut funktioniert. Andernfalls verstopft das Wasser die Poren der Elektroden und behindert so die Gase. Im Winter drohen sogar mechanische Schäden. Die Forschenden testen deshalb, wie sich der Wasser- und Gasfluss etwa durch Veränderung der porösen Komponenten in der Zelle optimieren lässt.

Die nächste Generation Brennstoffzellen soll dank des besseren Wassermanagements und optimierter Katalysatoren nicht nur haltbarer sein, sondern auch eine höhere Energiedichte aufweisen.

«Die Stromdichte», so Schmidt, «ist vor allem für die Flexibilität des Antriebs wichtig. Und dies wirkt sich direkt auf die Grösse der Brennstoffzellensysteme und damit auf ihre Kosten aus».

Ein weiteres, grosses Thema bezüglich alternativer Antriebe ist auch Erdgas. Schon fossiles Erdgas, mit dem einige Autos heute schon fahren, schneiden bezüglich Treibhausgasemissionen besser ab als Benzin- oder Dieselantriebe. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und hat chemisch ein günstigeres Verhältnis zwischen Wasserstoff und Kohlenstoff und eine höhere Klopffestigkeit als Benzin oder Diesel. Dadurch kann das Gas im Motor stärker komprimiert werden und effizienter verbrennen. Die CO2-Emissionen sind zwar geringer, dafür muss aber unverbranntes Methan aus dem Abgas entfernt werden. Die dazu benötigten Katalysatoren werden erforscht und entwickelt.

Interessant könnten auch Gasmotoren werden, die mit Biomethan laufen, das also aus Biomasse gewonnen wird, auch «Synthetisches Erdgas» (SNG) genannt. Der Kohlenstoff wurde zuvor der Atmosphäre entzogen. Dadurch sind zumindest die direkten Emissionen der Fahrzeuge so gut wie klimaneutral. Am PSI werden verschiedene Möglichkeiten erforscht, um Biomethan zu erzeugen. Dazu können organische Abfälle in Biogasanlagen vergärt werden. Eine entsprechende Testanlage hat in einem Langzeittest bereits bewiesen, dass sie für den Alltagseinsatz geeignet ist. Das verwendete Verfahren ist besonders effizient, weil nicht nur Methan aus der Vergärung gewonnen wird, sondern auch noch Kohlendioxid in den Gärgasen mithilfe von zugesetztem Wasserstoff zu Methan umgewandelt wird. Ökologisch ergibt das Verfahren aber nur dann Sinn, wenn auch der zugesetzte Wasserstoff mit erneuerbarer Energie produziert wird. Das gilt hier wie auch bei den Brennstoffzellen; zum Beispiel per Elektrolyse.

Effizienz über alles

«Effizienz» ist in der Tat das Zauberwort in der Weiterentwicklung vieler alternativer Antriebe. Die Experten betonen dabei, dass man stets das Gesamtverkehrssystem und die Wirtschaftlichkeit im Auge behalten müsse:

«Schliesslich geht es darum, möglichst umweltschonend und bezahlbar von A nach B zu kommen», sagt Serge Biollaz, Forschungsgruppenleiter für thermochemische Prozesse am PSI. «Dafür müssen wir viele Lösungen sinnvoll verketten. Und wir brauchen nicht nur eine Antriebstechnologie für die Mobilität der Zukunft, sondern eine ganze Fülle. Nur dann können wir die Schweizer Ziele für ein effizientes und CO2-armes Verkehrssystem erreichen.»


Mobilität von morgen (PSI-Magazin, Web) 

Nachhaltigere Mobilität, Ökobilanz-Betrachtungen: Vergleich der Antriebsarten (Artikel, bulletin.ch)

Duplexstahl für Elektromotoren, Neuartiger Motoraktivteil für PM-Synchronmotoren (Artikel, bulletin.ch)

Übersicht der energieeffizienten Antriebssysteme (Web, e-mobile)

«Anschluss finden», Elektromobilität und Infrastruktur (Info-Broschüre, PDF)

Die Zahl der Elektroautos steigt weltweit (Blog)

Mythen rund um die Elektromobilität (Blog)

 

Veranstaltungshinweise

 

Textquelle: Jan Berndorff / PSI
Foto: PSI Magazin
Header: pixabay 

 

Kommentare zum Beitrag

Noch keine Kommentare zu diesem Beitrag vorhanden.

Einen Kommentar schreiben


Weitere Beiträge