Zukunftsverkehr: Keine Science-Fiction auf der Strasse

Werden Brennstoffzellenautos die Benzinfahrzeuge ablösen? Wann sind auf unseren Strassen die ersten Leichtbau-Autos unterwegs? Reisen wir künftig mit der Magnet-schwebebahn zur Arbeit? Ein Blick in die Labors der Motoren- und Mobilitätsforschung.

Sollen Autos und Elektromobile entscheidend weniger Energie verbrauchen, müssen sie leichter werden. Die Firma ESORO in Fällanden (ZH) ist unter anderem auf die Entwicklung von Leichtbaufahrzeugen spezialisiert. Weniger Gewicht gilt nicht nur für den Bau der Karosserie, sondern für die Konstruktion aller Fahr-zeugkomponenten – wie zum Beispiel die Sitze. Sie müssen leicht, aber vor allem auch sicher sein. Die Stabilität ist bereits beim Entwurf das zentrale Thema und wird am Computer getestet
© Hans Schürmann

Dann steht es plötzlich vor uns, das erste Brennstoffzellen-Postauto der Schweiz. Unsere Augen auf die Zeitung gerichtet, hatten wir den Bus an diesem frühen Morgen im Brugger Bahnhof gar nicht kommen sehen, und zu hören war er auch nicht. Ansonsten aber unterscheidet er sich kaum von klassischen Postautos - nur das Dach ist um einen halben Meter erhöht, und am Bus prangt der stolze Slogan «Ein emissionsfreier Antrieb für unsere Umwelt».

Das Testfahrzeug verkehrt seit Dezember 2011 auf den Postautolinien in Brugg (AG). Es ist Teil des internationalen Forschungsprojekts CHIC (Clean Hydrogen in European Cities). Fünf Jahre lang wird in fünf europäischen Städten getestet, wie sich Brennstoffzellen-Busse im Alltag bewähren. Betankt werden sie an einer fixen Tankstelle mit lokal hergestelltem Wasserstoff. Dieser wird nicht wie üblich in einem chemischen Verfahren aus Erdgas oder Kohle gewonnen, sondern mittels Stromelektrolyse aus Wasser. Dazu dienen erneuerbare Energiequellen wie Wasserkraft, Solarstrom und Windkraft. In den Brennstoffzellen auf dem Dach des Busses wird der Wasserstoff in elektrische Antriebsenergie umgewandelt. Um die Leistungsfähigkeit zu steigern, verfügen die Fahrzeuge über eine Lithium-Ionen-Batterie. Sie dient als Zwischenspeicher für die elektrische Energie. Bremst der Bus, generiert der Elektromotor Strom, den er in die Batterie zurückspeist. Dies ist ein bedeutender Gewinn für Postautos, die häufig bremsen, anhalten und wieder beschleunigen müssen.

Die Schweizer Brennstoffzelle. Auf unserer Fahrt über die hügelreiche Strecke von Brugg nach Villigen zeigt der Bus keinerlei Schwächen. Pannen gebe es nur sehr selten, erklärt uns der Chauffeur. Er sei begeistert und stolz, bei diesem Experiment - «einem Projekt mit Zukunft» - mittun zu dürfen. Bald passieren wir den Elektronenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts (PSI), der wie ein gigantisches UFO auf einer Wiese steht. Dann geht es zu Fuss über eine Brücke zum Hauptgebäude des PSI, wo uns Philipp Dietrich, der Projektleiter für Brennstoffzellenantriebe, empfängt. Er führt uns durch das Labor zum Herzstück seiner Forschungstätigkeit - der «Schweizer Brennstoffzelle». Zusammen mit Nick Hayeks Belenos AG entwickelt das PSI ein Brennstoffzellensystem für einen Klein­wagen. Das Ziel lautet: Die Fahrleistung und die Kosten (Fahrzeugkauf plus Betrieb) des Brennstoffzellenautos sollen über die ganze Lebenszeit von rund zehn Jahren mit herkömmlichen Personenwagen vergleichbar sein. Noch ist man nicht so weit: «Die Kosten und die Lebensdauer der Brennstoffzellen weisen noch viel Optimierungspotenzial auf», sagt Dietrich. Doch man sei auf gutem Weg. Dies hat jüngst auch das Bundesamt für Energie (BFE) erkannt: Es zeichnete die Belenos AG und das PSI mit dem Preis Watt d'Or 2011 aus.

Ein Kleinwagen wie der Prototyp ESORO H301 wiegt in Leichtbauweise rund ein Viertel weniger als gängige Autos.
© Hans Schürmann

Hayeks Antriebssystem bekommen wir an diesem Vormittag aus Geheimhaltungsgründen nicht zu sehen, dafür ein ähnlich konzipiertes Brennstoffzellensystem zum Antrieb eines Schiffsmotors. Daran ist eine Vielzahl von Messgeräten angeschlossen. «Das Prinzip einer Brennstoffzelle ist einfach», erklärt der Forscher und reicht uns eine Zelle, klein wie eine Streichholzschachtel. Eine Membran in der Mitte der Zelle lässt die Wasserstoffmoleküle kontrolliert ausströmen. Diese treffen auf der anderen Seite auf Sauerstoff; daraus entsteht elektrischer Strom. Im Prinzip könne sich jedes Schulkind eine Brennstoffzelle bauen, sagt der Projektleiter. Die Vorgänge im Nano- und Mikrobereich zu verstehen und zu optimieren ist die Aufgabe der Forscher. Wann ist mit dem Durchbruch zu rechnen? «Bei der Leistungsdichte sind wir nah dran», sagt Philipp Dietrich. Wasserstoff sei zwar teurer als Benzin, aber im Fahrzeug doppelt so effizient. Der hohe Preis ist eine Folge der aufwändigen Herstellung und der vergleichsweise schlechten Energiebilanz: Um Wasserstoff mit dem Energiegehalt eines Liters Benzin zu produzieren, muss man die Energie von rund drei Litern Benzin einsetzen. Zudem, so räumt Dietrich ein, fehle in der Schweiz ein Grundversorgungsnetz mit Wasserstoff-Tankstellen, wie es derzeit in Deutschland gebaut werde. Erst dann folgten die Autokäufer. Einfacher sei der Einstieg für Stadtbusse und Postautos: Wie im Testbetrieb in Brugg können die Fahrer stets dieselbe Tankstelle ansteuern.Erdgas mit grossem Potenzial.Ähnliches hören wir ein paar Tage später von Christian Bach, Motorenentwickler an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf (ZH). Er beschäftigt sich seit Jahren mit der Entwicklung eines verbrauchsarmen Erdgasfahrzeugs. «Erdgas und Biogas sind attraktive Treibstoffe mit deutlich geringeren CO2-Emissionen als Benzin oder Diesel», erklärt er und führt uns ins Motorenlabor. Dort hantiert ein Mechaniker an einem grünen VW Touran. Auf den ersten Blick unscheinbar, beherbergt das Auto ein komplexes Erdgas-Elektrohybrid-Antriebssystem. Es ist im Rahmen des Projekts «CLEVER» (Clean and Efficient Vehicle Research) entwickelt und von Bosch, VW sowie den Bundesämtern BFE und BAFU mitfinanziert worden. Jüngst konnten die Forscher zeigen, dass der Erdgas-Elektrohybrid-Motor 35 Prozent CO2 einspart, mit Biogasbeimischung nimmt die CO2-Belastung noch mehr ab. Erstaunlicherweise kostet ein Erdgas-Elektrohybrid-Auto über die ganze Lebensdauer nicht mehr als ein Benziner. Gehört ihm also die Zukunft? «Die Knacknuss ist das Versorgungsnetz», sagt Christian Bach. Noch stehen den Erdgasfahrern in der Schweiz bloss 132 Tankstellen zur Verfügung, in ganz Frankreich sind es lediglich 25, was die Reiseplanung erschwert. Doch das werde sich ändern, ist der Entwickler überzeugt. «Erdgasmotoren haben noch viel Effizienzsteigerungspotenzial. Die tiefen Erdgaspreise und die neuen CO2-Vorschriften ab 2015 werden zu einer deutlichen Zunahme der Erdgasfahrzeuge führen. Dann folgen die Tankstellen.» An ein baldiges Ende des Verbrennungsmotors glaubt auch der Maschinenbauer Lino Guzzella von der ETH Zürich nicht: «Auch in Zukunft werden die meisten Autos mit Otto- oder Dieselmotoren ausgerüstet sein», sagt der neue Rektor der Hochschule. Im Unterschied zum öffentlichen Bahn- und Stadtverkehr, der weitgehend von Stromleitungen abhängig sei, müsse der Individualverkehr seine Energie selber mitführen. Aus der Schublade seines Schreibtischs kramt er Schokolade hervor und fragt: «Wenn Sie auf eine Wanderung gehen, packen Sie dann eine Tafel Schoggi ein oder gut zwei Kilogramm Brokkoli mit dem gleichen Energiegehalt?» Die Antwort gibt er gleich selbst: «Mit dem Treibstoff ist es dasselbe: Benzin und Diesel haben fantastische Energiewerte, viel höhere als Batterien.» Dazu komme der sehr günstige Preis von Benzin, das pro Liter kaum teurer sei als Mineralwasser. Dieser finanzielle Fehlanreiz habe allerdings zum Bau von zu schweren und zu leistungsstarken Autos geführt.

Automatisierte Sicherheitssysteme sollen künftig Unfälle auf der Strasse verhindern – beispielsweise durch Kommunikationsmöglichkeiten der Autos untereinander. Die Car2Car-Technologie basiert auf Nachrichten, welche sich die Fahrzeuge gegenseitig senden. Sie dienen als Grundlage zum Erkennen von kritischen Situationen.
© Car2Car

Computergesteuerte Fahrzeuge.Lino Guzzella wünscht sich leichtere und sparsamere Autos. Dabei setzt er auf kleine, turbogeladene Motoren und pneumatische Hybriden mit einer Kombination aus Druckluft- und Verbrennungsmotor, wie sie im Keller des Instituts erprobt werden. Nötig sei zudem ein radikaler Leichtbau aus Aluminium, Kohlefasern oder Magnesium, wie ihn etwa die Schweizer Firmen Georg Fischer, Esoro oder Horlacher, aber auch Industriegrössen wie Audi und BMW vorantreiben. «Das Gewicht des Fahrzeugs wird zur zentralen Grösse», prophezeit Lino Guzzella. Als Konsequenz darf das Auto der Zukunft keine Zusammenstösse mehr erleiden. Weil an den allermeisten Unfällen die Fahrer schuld sind, braucht es automatisierte Sicherheitssysteme. Das Feld der diskutierten Hilfsmittel ist gross: Bordcomputer, Satellitennavigation, vorprogrammierte Strassenprofile, Steuerhilfen, Kommunikation der Autos untereinander (Car2Car) und mit Verkehrssignalen. Der Internetkonzern Google testet gar ein Hightech-Auto, das auf einen autonomen Betrieb umschalten kann. Jüngst hat das US-Patentamt ein entsprechendes Patent gewährt. Damit liessen sich nicht nur Unfälle, sondern auch Staus vermeiden, sind die Google-Techniker überzeugt. Sie rechnen vor, unsere Strassen könnten doppelt so viele computergesteuerte Autos aufnehmen wie von Menschenhand gelenkte. «Technisch ist das alles machbar», sagt Lino Guzzella. «Der grosse Widerstand sitzt in den Köpfen, denn die Leute könnten dann nicht mehr nach Herzenslust beschleunigen.»

Das Funksystem für die Car2Car- Kommunikation basiert auf dem drahtlosen lokalen Netzwerk (WLAN) und hat einen Radius von wenigen hundert Metern. Sobald zwei oder mehrere Fahrzeuge in Funkdistanz sind, bauen sie ein Ad-hoc-Netzwerk auf.
© Car2Car

Führerlose Systeme im Test.Auch Giovanni D’Urbano, Maschineningenieur und Leiter der BAFU-Sektion Verkehr, kann sich eine Koppelung der Fahrzeuge auf viel befahrenen Strecken wie Autobahnen vorstellen. In dichten Ballungszentren schwebt ihm der Einsatz von Personal-Rapid-Transit-Systemen (PRT) vor, wie sie der Flughafen Heathrow in London testet. In einem Pilotversuch werden hier Passagiere mit kleinen, führerlosen Elektrowagen von einem Parkplatz zum gewünschten Terminal befördert. Wie also wird der Individualverkehr in 20 bis 30 Jahren aussehen, fragen wir den Fachmann auf einer Zugfahrt zwischen Bern und Zürich? Giovanni D’Urbano sieht einen Mix aus verschiedenen Antriebssystemen und Treibstoffen: saubere Diesel, kleine Benzinautos, Hybridfahrzeuge, Erdgasautos, reine Elektromobile, E-Bikes und Velos. Entscheidend seien auch die Entwicklung der Treibstoffkosten und gesetzliche Rahmenbedingungen wie CO2-Gesetz, Abgasvorschriften oder finanzielle Lenkungsabgaben. «Es ist anzunehmen, dass die fossilen Treibstoffe künftig teurer werden. Deshalb dürften sich die sparsamen Modelle durchsetzen», sagt Giovanni D’Urbano und greift nach seinem Abonnement, das er dem Zugführer entgegenstreckt. Und wie wird sich der öffentliche Verkehr entwickeln? Werden wir dereinst mit Magnetschwebebahnen das Mittelland queren, wie es die Projekte «Swiss Metro» (unterirdisch) oder «SwissRapid Express» skizzieren? «Es sind noch zu viele Fragen offen», erklärt der BAFU-Verkehrsspezialist. «Die Forschung muss zuerst zeigen, was technisch und finanziell überhaupt machbar ist.»

Die Züge der Zukunft werden sich also nicht grundsätzlich von den heutigen unterscheiden. Doch immerhin will uns die SBB künftig geräumigere Wagen und auf den Hauptverkehrsachsen zusätzliche Fahrten im Viertelstundentakt bieten.

Nicolas Gattlen

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Letzte Änderung 28.08.2012

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