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. Datei-Upload durch TIB The German Centre for Rail Traffic Research has initiated a research initiative to investigate how rail transport can contribute to a reduction of CO2 content in the atmosphere and thus help to counteract global climate change. The project is looking at an approach to use materials based on atmospheric carbon for applications in the different areas of rail transport. In its four batches, the projects present the possibilities of replacing currently used materials with materials made from atmospheric carbon - so-called "carbon-based" materials - for the entire rail transport system, including the infra-structure and all vehicles. This report describes the results of the investigations of batch 4, which shows the potential use of carbon-based materials for rail vehicles. The investigations are divided into three phases: material screening, analysis of potential applications, and ecological and economic evaluation of carbonbased materials. The report is based on estimates according to the IPCC Special Report 2018 that a necessary CO2 removal of 5 to 20 Gt per year is required to achieve the 1.5° target. These values depend on the reduction achieved in global CO2 emissions. A simple rough calculation already shows that - if the entire rail vehicle fleet worldwide were renewed every 35 years - up to 3.8 Mt CO2 could be removed from the atmosphere annually by replacing conventional materials with carbon-based materials. A complete replacement of the world's steel production with carbon-based materials would result in a CO2 removal of 1.8 Gt from an annual world steel production of just under 2 Gt. Carbon-based materials can be derived from atmospheric carbon captured directly from the ambient air. Of greater importance, however, is the consumption and conversion of atmospheric carbon by plants or microorganisms and its further use as a biogenic raw material. There are possibilities for direct use, for example in the form of sawn timber, and even for the use of biomass as a raw material in chemical processes, such as the production of complex polymer molecules. Within the scope of the study, the application potential of carbon-based materials is evaluated by assigning them to the currently used materials with their structural and functional properties. Based on this classification, promising application cases for carbon-based materials in rail vehicles are identified and analysed with regard to their market potential but also their ecological impact. The use of carbon-based materials in rail vehicle manufacturing is hardly relevant with regard to the global CO2 balance by removing atmospheric CO2, especially when limited to the German market. In contrast, the approach of using carbon-based materials considered here obviously offers advantages over conventional materials in terms of resource and energy efficiency as well as greater economic diversification.