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Mehr zum Thema / Anna Riedler, Stefan Thaler / Mittwoch 01.12.21

Inno­va­ti­on plus Ver­än­de­rung: Umsteu­ern wird kein Kinderspiel

Neue Antriebstechnologien, erneuerbare Energieträger und ressourcenschonende Bauweisen: Spannende Ansätze, um CO2 zu vermeiden, zu reduzieren oder zu „vergraben“ gibt es derzeit viele. Was davon tatsächlich zielführend ist und warum man trotz aller Innovationen letztlich nicht daran vorbeikommen wird, tägliche Routinen und traditionelle Ansätze zu verändern, erklären Experten im Gespräch mit APA-Science.

„Ein Großteil der Gebäude wird fossil beheizt, ein Großteil der Mobilität wird mit fossil befeuerten Autos und Lkws bewerkstelligt und im Produktionsbereich gibt es ganz harte Nüsse wie Beton und Stahl“, skizziert Helmut Haberl vom Institut für Soziale Ökologie der Universität für Bodenkultur (Boku) die großen CO2-Problemfelder. Natürlich gebe es in diesen Bereichen viel versprechende Technologien. Letztendlich bedürfe es aber einer Gesamtumstellung, wie unsere Gesellschaft funktioniert: „Die Vorstellung, dass die Ingenieure irgendetwas machen und dann leben wir nachhaltig weiter als wäre nichts gewesen, halte ich für höchst naiv“, so Haberl.

"Wir brauchen jede Reduktion, die wir kriegen können." Sozialökologe Helmut Haberl

Technologische Innovation und die Reduktion des Ressourcenbedarfs seien nicht voneinander zu trennen. „Wir brauchen jede Reduktion, die wir kriegen können. Den Rest, bei dem das nur sehr schwer möglich ist, durch erneuerbare Energie zu decken, wird schwierig genug“, verweist der Experte beispielsweise auf das Thema Wasserstoff. Alleine für die Stahlindustrie bräuchte es gigantische Mengen, die man ökologisch verträglich derzeit nicht zur Verfügung habe. „Wasserstoff ist bekanntlich kein Primärenergieträger. Den kann man in keinem Bergwerk abbauen. Man muss ihn erzeugen, indem man eine Menge Energie investiert“, erläutert Haberl.

Methanpyrolyse aus Erdgas bei der elementarer Kohlenstoff und Wasserstoff entstehen, könnte eventuell eine Brückentechnologie sein. Aber auch das werde in quantitativer Hinsicht keine Lösung sein, durch die man den heutigen fossilen Energiebedarf ersetzen könnte. Natürlich lasse sich Wasserstoff durch Elektrolyse klimafreundlich erzeugen, wenn der Strom aus Photovoltaik (PV) stammt – allerdings brauche es dann große Mengen Rohstoffe für die Anlagen und Land für die PV-Paneele, also sei auch das nicht unbegrenzt.

Wasserstoff ist kein Wunderwuzzi

Wasserstoff sollte Anwendungen vorbehalten bleiben, bei denen eine direkte Elektrifizierung mit grünem Strom nicht möglich ist – etwa in der Industrie, bei Fernflügen und im Schiffsverkehr, streichen auch Experten aus sechs deutschen Instituten in einem Papier für das von Berlin geförderte Kopernikus-Projekt Ariadne hervor. Um bis 2030 auch nur ein Prozent der Endenergienachfrage in der EU mit heimischem grünem Wasserstoff zu decken, müsse dessen Produktion um rund 70 Prozent pro Jahr von 2023 bis 2030 steigen, sagt Falko Ueckerdt vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung. Dem Potenzial von Wasserstoff hat sich APA-Science im Vorjahr ausführlich in einem Themenschwerpunkt gewidmet.

„In der Schifffahrt wird versucht, auf Wasserstoff und Brennstoffzelle umzurüsten. Das passt, weil das Betriebsverhalten von Brennstoffzellen darauf ausgelegt ist, eine konstante Leistung über einen konstanten Zeitraum abzugeben“, erklärt Christof Sumereder vom Institut für Energie-, Verkehrs- und Umweltmanagement an der FH Joanneum. Das eigne sich auch gut für Züge, LKW, Busse – also große Einheiten, die lange konstant und weit fahren. Für Autos im Stadtverkehr brauche es hingegen einen Pufferspeicher für die überschüssige Energie. „Meines Erachtens kann man mit Wasserstoffahrzeugen zeigen, was technisch alles möglich ist, aber ich glaube nicht, dass sie sich gegen Elektroautos durchsetzen werden“, so Sumereder, der gleichzeitig auf das derzeitige Problem mit dem Batterierecycling hinweist. Hier gebe es aber bereits Projekte, um den Batteriezyklus durch den anderweitigen Einsatz als Stromspeicher zu verlängern.

HyMethShip: Emissionsfreie Schifffahrt

 

Auf die Schifffahrt entfallen rund 80 Prozent des globalen Warenverkehrs. Das Marineforschungsprojekt HyMethShip vom Large Engines Competence Center (LEC) und der TU Graz sowie weiteren Partnern aus sechs EU-Ländern hat sich das Ziel gesetzt, die Treibhausgasemissionen in diesem Bereich stark zu reduzieren und gleichzeitig die Energieeffizienz zu steigern. Dafür werden mehrere Technologien kombiniert: ein Membranreaktor, ein System zur CO2 -Abscheidung, ein Speichersystem für CO2 und Methanol und ein Wasserstoffverbrennungsmotor. Der Wasserstoff dafür wird direkt an Bord des Schiffes hergestellt. Damit sollen CO2-Emissionen um 97 Prozent und Stickoxide um 80 Prozent reduziert und gleichzeitig die Energieeffizienz um 45 Prozent gesteigert werden.

„Superblock“ statt Stau

„Jeden Kilometer, den man nicht mit dem Auto fährt, muss man nicht dekarbonisieren“, ortet Haberl in der Trennung von Wohnen und Arbeiten ein Riesenproblem: „Je größer die Distanzen sind, die die Menschen jeden Tag zurücklegen müssen, desto größer sind die Schwierigkeiten, diese Wege Kohlenstoff-neutral zu machen.“ Er sieht hier vor allem Infrastrukturpolitik, Raumordnung und Siedlungsentwicklung gefordert und verweist auf das „Superblock“-Modell, das beispielsweise in Barcelona angewendet wurde. Hier gehe es um einfache Lösungen, die das Leben im dicht verbauten Gebiet attraktiver machen sollen, etwa durch mehr Grünflächen und Gemeinschaftsplätze im Freien. „Wir forschen daran, was man tun kann, um das auch in Wien umzusetzen“, sagt Haberl.

Der angenehmste Arbeitsweg wäre seiner Ansicht nach, wenn man 500 Meter oder einen Kilometer vom Arbeitsort entfernt wohnen würde und dort gemütlich hinspazieren oder mit dem Fahrrad fahren könnte – und das womöglich in einer angenehmen Umgebung. „Wir müssen uns überlegen, wozu wir denn die Mobilität überhaupt brauchen. Ich habe ein Problem damit, dass das immer als Verzichtsdebatte geframed wird und man sagt, dass die Menschen auf tolle Dinge, die sie heute haben, in Zukunft verzichten müssen. Als ob es so attraktiv wäre, mit dem Auto auf der Einfahrtsstraße im Stau zu stehen, wenn man nach Wien pendelt“, so der Sozialökologe, der laut der vom Datenkonzern Clarivate veröffentlichten Liste der "Highly Cited Researchers 2021" zum "Who is who" der weltweit einflussreichsten Forscher zählt.

Tiny Power Box: Viel Batterieleistung auf kleinem Raum

 

Der Akku ist neben dem Elektromotor das zentrale Bauteil eines Elektro-Autos. Aktuell bedeutet eine größere Batterie auch eine größere Reichweite. Das Projekt Tiny Power Box der Silicon Austria Labs will das verändern und eine kleinere Batterie mit weniger Gewicht, weniger Bestandteilen entwickeln, die gleichzeitig weniger Energie in Form von Wärme verliert und mehr Leistung erbringt.

Nullenergie-Häuser als Standard

Nur zu einem geringen Grad durch Verhaltensänderungen beeinflussen könne man den Heizenergiebedarf im Gebäudebestand. Im Neubau wiederum würden die technischen Mittel kaum ausgeschöpft. „Man könnte ja auch Nullenergie-Häuser, die gar kein aktives Heizsystem brauchen, bauen. Wir tun es nicht. Das ist total schizophren angesichts des Versprechens, dass wir in 18 Jahren CO2-neutral sein wollen. Die Heizsysteme, die da verbaut werden, müssen wir dann wieder dekarbonisieren“, kritisiert Haberl. Es sei unverständlich, dass man nicht auf den Nullenergiestandard setze – „technisch seit 20 Jahren machbar und auch betriebswirtschaftlich nicht außerhalb der Reichweite“. Es habe zwar in den vergangenen Jahren Verbesserungen gegeben, aber bei weitem nicht genug.

Eine positive Entwicklung im Gebäudebereich, die auf Initiativen wie „Raus aus dem Öl“, die Installation von Solarthermie- und Photovoltaikanlagen, die thermische Sanierung beziehungsweise den Niedrigenergiestandard im Neubau zurückzuführen ist, sieht auch Sumereder. Finanzielle Anreize, Förderungen oder schlicht das Bewusstsein etwas beitragen zu können, sei für viele Motivation an der Klimawende teilzuhaben und damit den CO2-Austoß zu reduzieren oder zu verhindern, ist der Experte überzeugt. Allerdings gebe es noch immer 600.000 Haushalte in Österreich, die mit Öl beheizt werden. Durch den Umstieg auf Photovoltaik und eine Wärmepumpe, ließe sich viel CO2 einsparen, auch weil Transport- und Umwandlungsverluste wegfallen. Außerdem würden die Netze entlastet.

Biomasse aus weiter Ferne

Groß im Kommen sei Biomasse, allerdings stehe in Österreich davon zum Teil nicht genügend zur Verfügung. „Es ist ja auch schon durch die Presse gegangen, dass Holz oder Pellets von irgendwoher tausende Kilometer nach Österreich angeliefert wurden. Das ist natürlich dann auch nicht toll“, so Sumereder. Ziel wäre, die heimischen Ressourcen zu nutzen. „Mit Sorge“ sieht hingegen Haberl Programme, wo Ölheizungen durch Biomassekessel ersetzt werden sollen: „Das halte ich für problematisch, weil man die Biomasse nur in einem bestimmten Maße Kohlenstoff-neutral bereitstellen kann. Biomasseverbrennung ist nicht per se Kohlenstoff-neutral.“

Abgesehen vom Heizen gehe es letztlich auch um die Frage, wie viel überhaupt neu gebaut werden müsse. „Viele Objekte sind ja nicht unbedingt einem dringenden Wohnbedürfnis geschuldet, sondern dem Investitionsbedürfnis von Menschen, die viel Geld haben und dieses Geld als Betongold anlegen wollen. Aber je mehr wir bauen, desto mehr werden wir in Zukunft Ressourcen brauchen, um diese Gebäude zu benutzen und zu beheizen, zu beleuchten sowie mit Unterhaltungselektronik und Kühlschränken voll zu stellen“, meint Haberl. Letztendlich würden so wieder energieintensive Strukturen geschaffen.

Gebäude mal einfach recyceln?

Neue Ansätze, Gebäude zu recyceln, seien zwar gut, würden aber sehr schnell an Grenzen stoßen. „Materialgemische wieder zu entmischen, damit man etwas Sinnvolles daraus machen kann, braucht zum Teil viel Energie. Wenn ich mein Handy anschaue, da ist es das ganze Periodensystem der Elemente drinnen. Wenigstens ein paar Komponenten am Ende des Produktlebens, das ja nicht sehr lang ist, wieder auseinander zu bekommen, scheint eine ziemliche Herausforderung zu sein“, konstatiert der Experte. Knackpunkt sei, ob die Umweltbelastungen durch die Trennung der Ressourcen höher sind als der Gewinn durch die Nichtverwendung von Primärressourcen. Hier müsse man schon beim Design ansetzen, „damit die Dinge am Ende zerlegbar sind“.

Außerdem sei Gebäuderecycling meist ein Downcycling. Es werde also aus einem Material, das vorher eine hochwertige Funktion hatte, wie zum Beispiel ein Stahlbetonelement, hinterher ein Material, das eine niedrigwertige Funktion hat, zum Beispiel ein Beschüttungselement. Trotzdem sei es in vielen Bereichen sinnvoll, die Stadt als Sekundär-Rohstofflager zu betrachten und zum Beispiel beim Gebäudeabriss das Kupfer rauszubekommen. „Wenn man das einigermaßen sauber macht, dann ist es natürlich energiesparender den Kupferschrott einzuschmelzen und neue Sachen daraus zu machen als Primär-Kupfer zu erzeugen“, erklärt Haberl.

Wachstum braucht Primär-Material

Grundsätzlich könnte die Inputseite aber nicht 100 Prozent zirkulär werden, solange immer mehr Gebäude und Infrastrukturen entstehen. „Wenn die Bestände wachsen, was sie tun, brauche ich Primär-Material, um zumindest dieses Wachstum zu ermöglichen. Dazu kommt, dass es umso mehr Erneuerung und Investitionen braucht, je älter diese Bestände werden. Und umso mehr Ressourcenverbrauch hat man, um auf dem Level zu bleiben. Das wird nie perfekt zirkulär werden. Man kann sich dem annähern versuchen, aber es gibt ein natürliches Limit.“

Auch andere Ansätze, wie Kohlenstoff in Baustoffen zu verwenden („So viel können wir gar nicht bauen“) oder Kohlenstoff abzuscheiden und irgendwo zu lagern beziehungsweise in die Böden zu bringen, seien quantitativ betrachtet keine Lösung. „Das ist ganz wenig im Vergleich zu dem, was man tun müsste, um die fossile Energie loszuwerden. Da reden wir über komplett andere Größenordnungen“, so Haberl. Durch Kohlenstoffabscheidung, also CO2 aus den Abgasen rausholen, verflüssigen und dann in Erdgas- und Erdöl-Lagerstätten verpressen, könne fossile Energie bestenfalls Kohlenstoff-neutral werden. Bei Bioenergie mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (BECCS) wiederum werde Kohlenstoff aus der Atmosphäre gefiltert und unterirdisch gebunden. „Das kann man schon machen. Allerdings sind dafür enorme Investitionen in die Freimachung der Flächen notwendig, wenn man das in großem Stil machen will. Dann ist der Netto-Effekt gleich schon wesentlich kleiner“, verweist Haberl auf aktuelle Publikationen.

Erste CCS-Pilotanlagen sind Energiefresser

An Technologien wie CCS (Carbon Capture and Storage) werde schon länger geforscht. Laut Sumereder haben die ersten Pilotanlagen (CarbFix in Island und Climeworks in Hilwil) gezeigt, dass der Anlagenbetrieb unverhältnismäßig viel Energie benötigt und zusätzliche Emissionen verursacht: Für die Filterung von einer Tonne CO2 würden 300 bis 580 Tonnen CO2-Äquivalente produziert. „Neben den Errichtungskosten der Anlage selbst darf der Grundflächenbedarf nicht vergessen werden, es fallen Betriebskosten für das notwendige Sorptionsmittel an und auch der Wasserbedarf muss gedeckt und die Feinstaubentwicklung bewältigt werden“, streicht der Leiter des Energy Analytics & Solution Lab gegenüber APA-Science hervor.

„Ich glaube nicht, dass die Lösung eine technische Innovation sein wird, das kann ich mir nicht vorstellen. Ich glaube eher, die Lösung wird sein, bestehende Prozesse zu optimieren“, meint Sumereder. So habe eine Papierfabrik in der Nähe von Graz ungenutzte Prozesswärme durch eine mit eigenem Ökostrom betriebene Wärmepumpe thermisch angehoben und ins Fernwärmenetz eingespeist. Am Erzberg sei wiederum der Transport des Erzes elektrifiziert worden. „Die schweren Lastfahrzeuge fahren jetzt mit Elektromotoren, wie eine Straßenbahn mit Oberleitung. So kommt man auch im Bergbau zunehmend weg vom Verbrennungsmotor“, nennt Sumereder Beispiele. Aktuelle Forschungsprojekt im Bereich Industrie und Verkehr sind auch im Gastbeitrag des Klima- und Energiefonds angeführt.

„Glaube nicht mehr an Silberkugeln“

In Österreich würden derzeit einige Schritte in die richtige Richtung gemacht, etwa Investitionen in den Ausbau des öffentlichen Verkehrs oder die Überprüfung der Infrastrukturprojekte im Bereich des Straßenbaus, so Haberl. Im Gebäudebereich habe es Verbesserungen des Standards gegeben, aber bei weitem noch nicht genug. „Im Großen und Ganzen versucht man zumindest umzusteuern. Die Frage ist, ob es gesellschaftlich passieren wird. Das ist keine technische Frage und es ist grotesk so zu tun als ob. Es geht auch nicht um eine Verzichtsdebatte. Möglicherweise ist es ein anderes Leben als das heutige, aber nicht unbedingt schlechter. Die Frage ist, ob man es will und ob es gelingt, in den Strukturen entsprechend umzusteuern. Aber ohne die politische Auseinandersetzung geht es nicht. Ich bin bald 60 und glaube nicht mehr an Silberkugeln“, resümiert Haberl.

SOLIFLY: Multifunktionale Flugzeug-Bauteile  

 

Obwohl der Luftverkehr seit Ausbruch der Coronapandemie abgenommen und die davon ausgestoßenen CO2-Emissionen 2020 im Vergleich zu 2019 um rund ein Drittel gesunken sind, spielt der Flugverkehr dennoch eine große Rolle im Klimawandel. Seit Frühling 2021 forscht das Austrian Institute of Technology gemeinsam mit der Universität Wien sowie internationalen Forschungspartnern an multifunktionalen Bauteilen für Flugzeuge, um die Elektrifizierung der Flugbranche voranzutreiben.

 

Die Bauteile sollen einerseits ihre reguläre mechanische Funktion erfüllen, andererseits auch als elektrische Energiespeicher dienen. Die dafür eingesetzten Batterien sollen die Entwicklung von hybriden elektrischen Flugzeugen ermöglichen.

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