Durchbruch im Kampf gegen das CO₂

Die Zahlen sind bekannt. Und alarmierend. Nach den vom Bundesamt für Umwelt (Bafu) gemeldeten Werten stellen in der Schweiz die CO₂-Emissionen aus dem Güter- und Personenverkehr mit 32.4 Prozent den grössten Anteil an den gesamten Treibhausgasemissionen dar, weit vor der Landwirtschaft (14.2 %), den Haushalten (16.6 %) und sogar der Industrie (24.1 %). Während die letztgenannten Sektoren Treibhausgase wie Methan, Distickstoffmonoxid und synthetische Gase emittieren, entstehen verkehrsbedingte CO₂-Emissionen hauptsächlich durch die Verbrennung verschiedener Treibstoffe wie Benzin, Diesel, Erdgas und Kerosin. Von diesen 32.4 Prozent verursacht der Personenverkehr den grössten Anteil der Treibhausgasemissionen im Verkehrssektor. Aber auch der Güterverkehr steht häufig in der Kritik, zumal er seit 1990 stark zugenommen hat.

Unzureichende Elektrifizierung
Obwohl die Elektrifizierung heute von den verschiedenen PW-Herstellern ausnahmslos akzeptiert zu sein scheint, stellt sie im Güterverkehr offenbar keine Lösung dar, wie Yves Loerincik, Physikingenieur der ETH Lausanne (EPFL), erklärt: «Natürlich wissen wir, dass es eine Zunahme von Elektroautos geben wird. Das scheint heute offensichtlich. Andererseits sind wir uns der Tatsache bewusst, dass die Elektrifizierung keine wirklich sinnvolle Lösung für Boote und Lastwagen darstellt, da sie den Einsatz einer grossen Menge an Batterien erfordert.» Aufgrund ihrer relativ geringen Energiedichte können Batterien (Lithium-Ionen-Akku 0.2 kWh/kg) nicht mit Kohlenwasserstoffen (Benzin 13 kWh/kg) mithalten – daher müssen Elektrofahrzeuge Hunderte Kilogramm schwere Batterien mitführen. Ist also Wasserstoff die Lösung? Obwohl das Thema in Studien, insbesondere von Hyundai (AR 43/2020), eingehend untersucht wird, würde das für Wasserstoff erforderliche, völlig neue Konzept eine komplette Umstellung der derzeitigen Fahrzeugflotte notwendig machen. Welche Lösung bleibt also?

Eine Professorin der EPFL, die amerikanische Chemikerin Wendy Lee Queen, fand nun eine Antwort auf diese Frage. Sie beschäftigt sich intensiv mit der Konstruktion von Anlagen, die in der Lage sind, Flüssigkeiten zu trennen. Sie hat ein revolutionäres Material entwickelt, das CO₂-Moleküle binden kann. Es ist ein Glücksfall für EPFL-Professor François Maréchal, dessen Team sich der Sache annahm und ein Patent für die Technologie angemeldet hat, um sie bei Lastwagen mit konventionellem Verbrennungsmotor einzusetzen.

Ein ziemlich komplexer Prozess
«Das Grundprinzip der Technologie», erklärt François Maréchal, «besteht darin, dass wir die Abgase mit einem Wärmetauscher kühlen.» Dadurch wird Wasser aus den Verbrennungsrückständen entfernt. Dann werden die Abgase durch das von Wendy Lee Queen entwickelte Absorptionsmaterial geleitet. «Einfach gesagt», fährt Maréchal fort, «bindet dieses Material CO₂-Moleküle – und lässt gleichzeitig Stickstoff, der keine Bindungs­affinität zum Filter hat, passieren. Das CO₂-haltige Absorptionsmaterial wird dann erhitzt (mittels der heissen Abgase – Red.), um das CO₂ abzuscheiden, das dadurch völlig isoliert wird.» Der nächste Schritt besteht darin, das Kohlendioxid abzusaugen und zu verdichten. «Bis auf 75 bar», so Yves Loerincik. «Unter diesem Druck nimmt CO₂ bei Raumtemperatur flüssige Form an», führt François Maréchal aus.

Natürlich wird für diese Komprimierung viel Energie benötigt. Die beiden Ingenieure und ihr Team beschlossen jedoch, dafür keine alternative Energiequelle zu nutzen, sondern die durch die Abgase freigesetzte Energie wiederzuverwenden, wie Maréchal erklärt: «Wir haben den von der Neuenburger Abteilung der EPFL entwickelten Turbo­lader verwendet. Das CO₂ wird von einem Kompressor verdichtet, der wiederum von einer Turbine angetrieben wird. Das Gas, das ihn antreibt, ist nichts anderes als das durch die Abgase erwärmte CO₂. Im Grunde ist es dasselbe Prinzip wie bei ­einem Turbolader im Motor, der ja auch Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt.» Das bedeutet, dass für den gesamten Prozess ausser der durch die Abgase freigesetzten Energie keine weitere Energiequelle benötigt wird. Darüber hinaus würde das System auch die Erzeugung von Kälte ermöglichen, die für die Klimatisierung der Fahrerkabine oder sogar die Kühlung des Laderaums genutzt werden könnte.

Im Leerzustand kaum schwerer
Im Leerzustand wird der Lastwagen etwas schwerer, denn durch den Verbrauch eines Kilogramms Benzin entstehen immerhin drei Kilogramm CO₂. Wenn ein Lastwagen beispielsweise 300 Liter Treibstoff mitführt (bei 0.755 kg/l), wird er etwa 700 Kilogramm flüssiges CO₂ im Speicher mit zurückbringen. Technisch gesehen, könnte der Abscheider auf dem Dach des Lastwagens installiert werden. «Nach unseren Berechnungen würde er nicht viel mehr Platz beanspruchen als ein einfaches Kühlsystem, das sich ebenfalls über der Kabine befindet», sagt Maréchal.

Was die CO₂-Speichertanks betrifft, so haben sie natürlich einen gewissen Platzbedarf, da sie immerhin das dreifache Fassungsvermögen des Treibstofftanks aufweisen müssen, wenn sie das gesamte CO₂ aufnehmen sollen, das der Motor bei einer Tankfüllung erzeugt. «Der Zielmarkt bei diesem Projekts sind Lastwagen, die während des Tages 150 bis 200 Kilometer zurücklegen, bevor sie zu ihrem Ausgangspunkt zurückkehren», erklärt Yves Loerincik. «So kann der Lastwagen jedesmal, wenn er an einer Abladestation vorbeikommt, das CO₂ entsorgen», fügt François Maréchal hinzu. Und weiter: «Falls der CO₂-Speicher einmal voll sein sollte, kann er selbstverständlich umgangen werden, was bedeutet, dass der Lastwagen weiterfahren kann, aber das CO₂ dann in die Atmosphäre abgibt.»

Recyclingmöglichkeiten
Wenn das CO₂ wieder zur Zentrale zurückkommt, wird es abgepumpt. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten. Die erste und interessanteste ist die Umwandlung von CO₂ in synthetische Treibstoffe mit Hilfe erneuer­barer Energien. «Vereinfacht gesagt, können wir mehrere Wasserstoffatome an das Kohlenstoff­molekül anhängen, um Diesel, C₁₂H₂₄, herzustellen und den Sauerstoff in Form von Wasser entziehen. Der LKW kann so mit Kohlenwasserstoff betankt werden, dessen Kohlenstoff recycelt wird.» Die zweite Möglichkeit ist die Verwendung des CO₂ für andere Zwecke. Entweder zur Herstellung von Materialien, für die Kohlendioxid als Rohstoff benötigt wird, oder durch chemische Bindung des CO₂. Die vielversprechendste Option ist die Mineralisierung von CO₂, also die Umwandlung von CO₂ in CO₃ unter Hinzufügung eines Minerals wie beispielsweise Magnesium (Magnesiumkarbonat MgCO₃). Dieser Stoff wird zum Beispiel bei der Herstellung von Zement im Bau eingesetzt.

Preis und Wartung
Obwohl es vermutlich noch zu früh dafür ist, über Preise zu sprechen, versichern die beiden Vertreter dieses Konzepts, dass sie davon ausgehen, dass die Technologie nicht sonderlich kostenintensiv sei. Denn «der Preis hängt sehr stark von der Menge des Absorptionsmittels ab», wie François Maréchal erklärt. «Hinzu kommt der Einbau, denn unser Ziel ist vor allem, dass die Anlage in bereits existierende Lastwagen eingebaut wird. Dadurch erspart man der Industrie, dass sie komplett bei null anfangen muss.» Deshalb ist die CO₂-Rück­gewinnung für die Konstrukteure auch keine Konkurrenz zur Wasserstoff- oder Elektrotechnologie, sie sehen sie viemehr als ergänzende Lösung.

«Aktuell sind noch einige Dinge zu klären», gibt François Maréchal zu bedenken. «Zum Beispiel wissen wir noch nicht, was mit den Partikeln und dem NO_x passiert. Dies ist vom theoretischen Standpunkt aus sehr schwer zu beurteilen. Werden sie zusammen mit dem CO₂ abgeschieden oder verunreinigen sie im Gegenteil das absorbierende Material?» Was die beiden Ingenieure aber jetzt schon sagen können, ist, dass das CO₂-Absorptions­material mit Sicherheit ein kritischer Punkt ist. «Dennoch wollen wir sicherstellen, dass seine Lebensdauer der von anderen Abgasbehandlungs­systemen wie dem Katalysator oder den Partikelfiltern entspricht», erklärt Yves Loerincik. Das heisst, von den Kosten für Technologie und Wartung muss man den Wiederverkaufspreis von CO₂ sowie die in Europa immer weiter steigenden Steuern abziehen. François Maréchal erklärt zum Abschluss: «Nach unseren Berechnungen kann man von einem Return on Investment von zehn Jahren ausgehen.»

Zürich ist mit im Boot
Neueste Studien weisen darauf hin, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts jährlich zehn Milliarden Tonnen CO₂ aus der Luft entfernt werden müssen. Die direkte Entnahme aus der Umgebung ist eine Lösung. Climeworks, ein Spinn-off der ETH Zürich, entwickelt, baut und betreibt parallel zu der von der ETH Lausanne (EPFL) entwickelten Technologie stationäre Maschinen, die CO₂ direkt aus der Luft abscheiden können. Wie bei der von der EPFL vorgeschlagenen Lösung kann das CO₂ wiederverwendet oder komplett aus der Luft entfernt werden, um anschliessend chemisch gebunden zu werden. «Unsere Maschinen», schreibt Climeworks, «bestehen aus modularen CO₂-Kollektoren, die zu Anlagen beliebiger Grösse gestapelt werden können. Sie werden ausschliesslich mit erneuerbarer Energie oder mit Abfällen betrieben und erzeugen weniger als zehn Prozent graue Emissionen. Von 100 Tonnen CO₂, die der Luft entnommen werden, werden mindestens 90 Tonnen dauerhaft entsorgt und nur zehn Tonnen wieder emittiert.»