Einsatz von kohlenstoffbasierten Materialien im Schienenverkehr als Mittel zum Klimaschutz

Abstract

Das Deutsche Zentrum für Schienenverkehrsforschung beim Eisenbahn-Bundesamt (DZSF) hat eine Projektinitiative gestartet, um zu untersuchen, wie der Schienenverkehr zu einer Reduzierung des CO2-Anteils in der Atmosphäre beitragen und damit dem globalen Klimawandel entgegenwirken kann. Ansatz ist es, Materialien auf Basis von atmosphärischem Kohlenstoff für Anwendungen in den verschiedenen Bereichen des Schienenverkehrs zu verwenden. In vier Losen werden die Möglichkeiten zum Ersatz der derzeit verwendeten Materialien durch aus atmosphärischem Kohlenstoff gewonnene – sogenannte kohlenstoffbasierte Materialien – für das gesamte Schienenverkehrssystem einschließlich der Infrastruktur und aller Fahrzeuge vorgestellt. Der vorliegende Bericht beschreibt die Ergebnisse der Untersuchungen zu Los 4, die den potentiellen Einsatz kohlenstoffbasierter Materialien für Schienenfahrzeuge aufzeigt. Die durchgeführten Untersuchungen gliedern sich in die drei Phasen: Werkstoffrecherche, Analyse potenzieller Anwendungsfälle sowie ökologische und ökonomische Bewertung kohlenstoffbasierter Werkstoffe. Dem Bericht liegen Abschätzungen zu Grunde, wonach gemäß IPCC-Sonderbericht 2018 eine Decarbonisierung von 5 bis 20 Gt pro Jahr erforderlich ist, um das 1,5°-Ziel zu erreichen. Dabei hängen diese Werte von der erzielten Reduzierung der weltweiten CO2-Emissionen ab. Eine einfache Überschlagsrechnung zeigt bereits, dass – falls die gesamte Schienenfahrzeugflotte weltweit alle 35 Jahre erneuert würde – durch Ersatz konventioneller Werkstoffe durch kohlenstoffbasierte Materialien jährlich bis zu 3,8 Mt CO2 aus der Atmosphäre entfernt werden könnten. Ein vollständiges Ersetzen der weltweiten Stahlerzeugung durch kohlenstoffbasierte Werkstoffe würde bei einer jährlichen Weltstahlproduktion von knapp 2 Gt eine CO2-Entfernung von 1,8 Gt bewirken. Kohlenstoffbasierte Materialien können aus atmosphärischem Kohlenstoffdioxid (CO2) hergestellt werden, das direkt aus der Umgebungsluft abgeschieden wird. Von höherem Stellenwert ist jedoch die Aufnahme und Umwandlung atmosphärischen Kohlenstoffs in Form von CO2 durch Pflanzen oder Mikroorganismen und seine Weiterverwendung als biogener Rohstoff. Dabei bestehen Möglichkeiten einer direkten Nutzung etwa in Form von Schnittholz bis hin zur Verwendung von Biomasse als Rohstoff chemischer Prozesse, zum Beispiel zur Herstellung komplexer Polymermoleküle. Im Rahmen der Studie wird das Anwendungspotenzial der kohlenstoffbasierten Materialien bewertet, indem sie mit ihren strukturellen und funktionellen Eigenschaften den derzeit verwendeten Materialien zugeordnet werden. Basierend auf dieser Zuordnung werden mögliche Anwendungsfälle für kohlenstoffbasierte Materialien in Schienenfahrzeugen identifiziert und hinsichtlich ihres Marktpotentials, aber auch ihrer ökologischen Auswirkungen analysiert. Der Einsatz kohlenstoffbasierter Werkstoffe im Schienenfahrzeugbau ist im Hinblick auf die globale CO2-Bilanz durch Entfernen atmosphärischen CO2 gerade bei einer Beschränkung auf den deutschen Markt kaum relevant. Dagegen bietet der hier betrachtete Ansatz des Einsatzes kohlenstoffbasierter Werkstoffe offensichtliche Vorteile gegenüber konventionellen Werkstoffen sowohl im Hinblick auf Ressourcen- und Energieeffizienz als auch hinsichtlich größerer wirtschaftlicher Diversifikation.