Aufbruch in die neue Mobilität
Im Kontext der Energie- und Verkehrswende stehen aktuell Elektroantriebe mit Batterien oder Brennstoffzellen und der Einsatz strom- und biomassebasierter Kraftstoffe in Verbrennungsmotoren im Mittelpunkt einer kontroversen Diskussion. Umso größere Bedeutung kommt daher dem Austausch zwischen Industrie und Wissenschaft zu.
Die dafür geeignete Plattform hat Tobias Weber entwickelt:
Mit der Reihe „Voith TechTalk“ bringt der Senior Vice President R&D Mobility bei Voith Industrievertreter und Forscher zusammen. Es gehe darum, „zu erkennen, was aus Unternehmenssicht zielführend ist, und aus diesen Erkenntnissen markttaugliche Produkte zu entwickeln“, beschreibt Weber das Ziel.
Bei der nächsten Veranstaltung, am 4. November 2020, soll es um den Stand der Forschung bei der Mobilität von morgen gehen. Vier Wissenschaftler werden in Heidenheim zum Thema „Zukunft der Mobilität – Innovation oder Disruption?“ sprechen.
Im Folgenden stellen wir einige ihrer Erkenntnisse und Thesen vor.
Wir brauchen wieder Technologieoffenheit
Im Straßenverkehr findet bei Pkw ebenso wie bei Nutzfahrzeugen ein politisch propagierter Paradigmenwechsel hin zur Elektromobilität statt. Die EU-Richtlinie 2009/33/EG zielt explizit darauf ab, dass jeder Linienverkehrsbetreiber konsequent und sukzessive auf Batterie- oder Brennstoffzellen-(Hybrid-)Busse umstellt, denn nur sie sind „am Auspuff“ emissionsfrei.
Die ausschließliche, isolierte Fokussierung auf den Fahrbetrieb und damit das völlige Ausblenden der anderen Phasen des Lebenszyklus kann zu fatalen Schlüssen führen. Eine „Nullemission“ der Elektro- mobilität im Einsatz kann beispielsweise durch eventuell höhere Emissionen in der Fahrzeugproduktion oder der Kraftstoffbereitstellung signifikante ökologische Nachteile ergeben. Dadurch werden bei Linienbussen falsche ökologische Maßstäbe angelegt. Als technologieneutraler Forscher halte ich die disruptive Strategie der europäischen und deutschen Politik für unverantwortlich und mahne zur Technologieoffenheit, die Wirkvorschriften statt Technologievorschriften zur Maßgabe hat.
Für die umfassende ökologische Bewertung von Linienbusverkehrssystemen müssen alle Stationen des Lebenszyklus in die Analyse einfließen, ebenso lokale und globale Emissionen aus diesen Prozessen. Dann zeigt die Ökobilanz, dass beim aktuellen deutschen Strommix keine Verbesserungen durch den Einsatz alternativer elektrischer Antriebsvarianten erreicht werden.
Die Elektrobus-Entwicklung steht zumeist noch am Anfang, konventionelle Diesel- und Erdgas-Antriebe für Linienbusse haben hingegen einen hohen Reifegrad erreicht. Moderne abgasnachbehandelte Euro-VI-Verbrennungsmotoren weisen ein lokales Nahe-Null-Emissionsniveau auf. Handlungsbedarf besteht nur beim Schonen fossiler Ressourcen. Dafür sind bei Verbrennungsmotoren besonders die sogenannten E-Fuels aussichtsreich, denn für sie lässt sich die bestehende Infrastruktur zum Energieverteilen und Betanken unverändert nutzen.
Die Energieeffizienz des elektrischen Pfades ist zwar ungleich höher als jene der flüssigen oder gasförmigen E-Fuels, spielt bei unendlich verfügbaren erneuerbaren Energieträgern in anderen Weltregionen jedoch eine untergeordnete Rolle: Die vorhandene Infrastruktur macht also auch E-Gas- und E-Fuel-Konzepte vielversprechend.
Vorfahrt für Wasserstoff
Deutschlands Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 um 80 Prozent zu verringern, ist aus technischer und ökonomischer Perspektive machbar, zeigt eine Studie des Instituts für Techno-ökonomische Systemanalyse. Bei minus 95 Prozent entstehen erhebliche Mehrkosten.
Sowohl Batterie- als auch Brennstoffzellenfahrzeuge erfordern hohe Investitionen in neue Infrastrukturkonzepte. Für eine Marktdurchdringung mit 20 Millionen Fahrzeugen liegen die Kosten für eine Stromladeinfrastruktur (rund 50 Milliarden Euro) deutlich höher als für eine Wasserstoffinfrastruktur (rund 40 Milliarden Euro).
Im Vergleich zu Batteriefahrzeugen fällt bei den Brennstoffzellenvarianten die Energiedichte des Stromerzeugungssystems fünfmal höher aus. Und Brennstoffzellenantriebe sind energieeffizient, obwohl ihr Wirkungsgrad unter dem von Batteriefahrzeugen liegt. Dass sich aus grünem Strom hergestellter Wasserstoff lange lagern lässt und auch bereitsteht, wenn kein Sonnen- oder Windstrom erzeugt und ins Netz eingespeist wird, ist in Energiesystemen mit hohem Anteil an erneuerbaren Energien bedeutsam.
Wasserstoff ließe sich hervorragend als Transportmedium für den Import erneuerbarer Energien aus entfernten Sonnen- und Windregionen nutzen. Dadurch entstünde ein flexibler „Wasserstoff-Pool“ aus heimischen und überregionalen Quellen. Würden vorhandene Erdgas-Pipelines zum Transport genutzt, sänken die Pipelinekosten über die lange Strecke um 50 bis 80 Prozent, die Vorlaufzeiten für Planung, Genehmigung und Bau um etwa die Hälfte.
Wasserstofftechnologien besitzen erhebliches regionales Wertschöpfungspotenzial. Der Markt für Batterietechnik wird weitgehend von China und den USA beherrscht. Bei der Brennstoffzellentechnik haben Deutschland und Europa gute Chancen, ganz vorn mitzuspielen.
Quelle: Studie des Instituts für Techno-ökonomische Systemanalyse (IEK-3):
„Transformationsstrategien für das deutsche Energiesystem bis zum Jahr 2050“
Mit Open Innovation zu neuen Konzepten
Die Mobilitätswende erfordert grundlegendes Umdenken. Für die extrem komplexen Aufgaben fehlen uns Erfahrungswerte, zumal ein eingespieltes und erfolgreiches System wie die Automobilwirtschaft sehr stabil und schwierig zu ändern ist. Doch die Begeisterung für nachhaltige Technologien und Öko-Innovationen wächst und das wirtschaftliche Potenzial wird erkennbar.
Am Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe konnten wir belegen, dass die Elektromobilität zwar Investitionen in Stromnetze erfordert, die Strompreise für Haushalte aber sinken, wenn viele Elektrofahrzeuge unterwegs sind. In einer anderen Studie zeigen wir, dass Plug-in- Hybridfahrzeuge ein eben so großes CO2-Reduktionspotenzial besitzen wie Elektroautos mit reinem Batterieantrieb.
Für die Zukunft der Mobilität genügt es nicht, Forschung und Entwicklung auf alternative Antriebstechnologien, Sensorsysteme und die Fahrzeug-Einbindung in Datennetze zu beschränken. Gesellschaftliche Entwicklungen und realweltliche Probleme fordern neue Konzepte.
Nachhaltige Innovationen müssen vor allem Lösungsansätze für menschliche Bedürfnisse liefern. Wir brauchen ein völlig neues Verständnis von Mobilität: Es geht nicht um das Produkt Auto, sondern um einen Service, nämlich Mobilität. Sie bedeutet selbstbestimmte Teilhabe am gesellschaftlichen Leben. Die Wende ist keine rein technologische und wirtschaftliche, sondern eine gesellschaftliche Herausforderung.
Wir benötigen eine Forschungsinfrastruktur, die Wissenschaft, Wirtschaft und Bevölkerung zusammenbringt. Dieser Austausch setzt Offenheit voraus und die Erkenntnis, dass Wissen aus anderen Bereichen wertvoll und nützlich ist. Das kann zu Erfolgen wie der auf drei Meter präzisen Georeferenzierung von weltweiten Standorten des Londoner Start-ups what3words führen: Sie hielt innerhalb eines Jahres Einzug in die Serienprodukte von Daimler.
Die Öffnung der Unternehmensgrenzen, die Open Innovation, um externes Wissen und externe Technologien zu nutzen oder ungenutztes internes Wissen außerhalb des eigentlichen Geschäftsbereichs einzusetzen, wird zunehmend relevant. Diese organisationale Fähigkeit, Ideen von Kunden, Zulieferern, Forschern oder Start-ups mit internem Know-how zu verbinden, wird als Absorptive Capacity bezeichnet. Sie lässt sich als dynamische Fähigkeit charakterisieren, die es Unternehmen erlaubt, flexibel auf Umweltänderungen zu reagieren. Umweltänderungen zum Beispiel, die zur Notwendigkeit der Mobilitätswende führten.
Busse und Lkw bieten Chancen für Autonomie
Die Künstliche Intelligenz (KI) steht in der Automobiltechnik noch am Anfang, das komplett selbstfahrende Auto ist wegen der vielen Eventualitäten im Straßenverkehr in weiter Ferne. Busse hingegen könnten autonom auf einer eigenen abgeschlossenen Spur und in höherem Takt fahren, rund um die Uhr. Ebenso denkbar sind Lkw, die autonom in der Kolonne fahren.
Im Projekt INTERACT untersuchen wir derzeit im Hamburger Hafen die Integration autonomer Lkw in die Betriebsabläufe moderner geschlossener Containerterminals. Sie besitzen im Gegensatz zum Lkw- Verkehr auf der öffentlichen Straße einen hohen Automatisierungsgrad. Das größte Problem ist die Kommunikation mit Fahrzeugen verschiedener Hersteller und Betreiber, auch an der Infrastruktur mangelt es: Die großen Datenmengen, die KI verarbeiten muss, setzen ein flächendeckendes Hochleistungs-Mobilfunknetz voraus. Bei Sicherheit und allgemeingültigen Testverfahren liegt ebenfalls noch eine Wegstrecke vor uns.
Für automatisierte Busdepots, die erhebliche Geschäftsvorteile bringen können, sehe ich gute Chancen. Hier ist nur wenig Ausrüstung erforderlich, um die Kosten zu senken. Als enge, kontrollierte Areale mit exakt vorhersehbaren Verkehrsströmen zählen Busdepots momentan zu den geeignetsten Bereichen, um selbstfahrende Fahrzeuge einzuführen.
Eines unserer Forscherteams hat kürzlich eine Studie in einem Busdepot in Stuttgart-Gaisburg durchgeführt. Dort fahren täglich 150 Busse des öffentlichen Nahverkehrs durch und halten an mehreren Stationen. Außer der Innenreinigung und Wartung lässt sich fast alles automatisieren. Unsere Hochrechnungen ergaben, dass das Depot mittels Automatisierung jährlich über 100.000 Euro Personalkosten sparen könnte, bei höherem Durchsatz und weniger Kollisionen. Viele andere Depots könnten noch größere Einsparungen erzielen. Mit ausgewählten deutschen Verkehrsbetrieben arbeiten wir jetzt daran, das Konzept im Realbetrieb umzusetzen.
