DE102022000177A1 - Überbauung und Nutzung der Fläche oberhalb versiegelter Flächen (Parkplatzflächen, Fahrbahnen, Autobahnen, etc.) zur emissionsfreien Erzeugung synthetischer Kraftstoffe. - Google Patents

Abstract

Überbauung und Nutzung der Fläche oberhalb versiegelter Flächen (Parkplatzflächen, Fahrbahnen, Autobahnen, etc.) zur emissionsfreien Erzeugung synthetischer Kraftstoffe.Zur Reduktion der CO2-Emission ist eine Abkehr von fossilen Brennstoffen unabdingbar. Eine Möglichkeit stellen synthetische Kraftstoffe dar. Die Erzeugung erfordert drei Bestandteile: Wasserstoff, Kohlenstoffdioxyd und elektrischen Strom zur Herstellung.CO2 ist in rauen Mengen vorhanden und soll reduziert werden. Zur Gewinnung wird elektrischer Strom benötigt. Wasser ist in Form von Niederschlag vorhanden bzw bietet auf versiegelten Flächen wie Fahrbahnen keinen Nutzen. Das Gegenteil ist der Fall (Überlastung der Kanalisation bei Starkregen, Flutgefahr (Beispiel Ahrtal), Aquaplaninggefahr auf Straßen, etc). Zur Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser mittels Elektrolyse wird elektrischer Strom benötigt. Der elektrische Strom ist der kritische Faktor. Er muss zur Erzeugung CO2 neutralen Kraftstoffs CO2 neutral hergestellt werden, wodurch Kohle, Gas, Öl,... ausscheiden. Durch eine Überbauung der oben genannten, versiegelten Flächen durch Solaranlagen werden keine weiteren Bauflächen benötigt. Zugleich kann der Niederschlag an der Anlage z.B. durch Regenrinnen aufgefangen werden. Dadurch werden die Risiken durch Aquaplaning, schlechte Sicht, etc. reduziert. Das Wasser muss nicht in die Kanalisation abgeführt werden, wodurch deren Überlastung vermieden wird. Darüber hinaus wird durch die Überbauung die Geräuschemission deutlich reduziert, was einen Zugewinn für umliegende Gebiete darstellt. Weiters wird auch die Sonneneinstrahlung auf die Fahrbahn (und damit die Blendgefahr) reduziert

Description

• Die vorliegende Erfindung beschreibt die Nutzung der Fläche oberhalb versiegelter Flächen, wie zum Beispiel Autobahnen oder Parkplätzen zur Erzeugung emissionsfreier, synthetischer Kraftstoffe.
• Einflussfaktor 1, globale Erwärmung/Klimawandel und CO2 Emissionen. Um adäquat auf den Klimawandel reagieren zu können, ist eine zeitnahe Reduzierung der CO2 Emissionen in allen Bereichen der Industrie und des täglichen Lebens notwendig. Da der Ausbau der Elektromobilität mit großen Investitionen in die Infrastruktur, einem hohen Rohstoffbedarf bei seltenen Erden (Lithium, Kobalt,...) und letztlich einem Austausch des gesamten, weltweiten Fahrzeugbestands verbunden ist, ist mit einer weltweiten Nutzung erst in einigen Jahren oder gar Jahrzehnten zu rechnen. Zusätzlich gilt auch zu beachten, dass das durchschnittliche Fahrzeugalter laut KBA in Deutschland derzeit bei 9,8 Jahren liegt (https://www.kba.de/DE/Statistik/Fahrzeuge/Bestand/bestand_node.html). Das heißt, die Haltedauer der Fahrzeuge verschiebt die endgültige Elektrifizierung des Fahrzeugbestandes in Deutschland nochmals um nahezu eine Dekade. Da mehr als 99% der Bestandsfahrzeuge in Deutschland noch mit Verbrennungsmotoren ausgestattet ist, ist es daher kurz- und mittelfristig durchaus als sinnvoll zu erachten, die bestehende Infrastruktur z.B. in Form des bestehenden Tankstellennetzes zu nutzen, aber anstatt fossiler Energieträger auf andere, klimaschonende Energiequellen zu setzen. Ein Einsatz sogenannter synthetischer Kraftstoffe (https://de.wikipedia.org/wiki/E-Fuel) (auch bekannt als eFuels, PTL,...) erscheint also naheliegend, scheitert aber derzeit am enorm hohen Energiebedarf. Synthetische Kraftstoffe werden durch die Zusammenführung von Kohlenstoff und Wasserstoff erzeugt. Laut Herrn Professor Dr. Maximilian Fichtner, dem Direktor des Helmholtz Institut Ulm, liegt der Energiebedarf zur Herstellung eines Liters synthetischen Kraftstoffs derzeit bei 27kw/h pro Liter (https://www.auto-motor-und-sport.de/tech-zukunft/alternative-antriebe/e-fuels-13–fragen-und-antworten-synthetische-kraftstroffe-wahrheit/). Dieser Wert wird sich mit der technischen Entwicklung in den kommenden Jahren sicherlich verbessern, dient aber derzeit als Richtwert für die mögliche Produktionsmenge. Grundsätzlich ist der Einsatz aber nur sinnvoll, wenn diese Energie CO2-neutral gewonnen wird.
• Einflussfaktor 2, Niederschlag auf versiegelte Bodenflächen.
  Im Zuge der Flutkatastrophe im Jahr 2021 wurde neben dem Klimawandel auch der steigende Anteil versiegelter Flächen und die damit reduzierte Aufnahmefähigkeit des Erdreichs für Niederschläge angesprochen (https://www.rnd.de/wirtschaft/neue-wege-gegen-unwetterkatastrophen-wie-schuetzen-wir-uns-in-zukunft-vor-hochwasser-XNTGI43KEVGUDMTMEGD2DMCZS4.html). Um ein Beispiel für versiegelte Flächen aufzugreifen, möchte ich gerne auf Straßen, Parkplätze und Autobahnen hinweisen. Alleine die letztgenannten Autobahnen weisen in Deutschland ein gesamtes Netz von 13.200 km auf. Die sogenannte Regelbefestigungsbreite der Entwurfsklasse 1 weist dabei eine Breite von 18,25m auf. Es gibt natürlich unterschiedlich breite Autobahnen und auch Tunnelpassagen, wodurch dieser Wert nicht zu 100% korrekt sein kann. Um einen groben Anhaltspunkt hinsichtlich der versiegelten Flächen durch Autobahnen zu erhalten, lautet die Hochrechnung also: $$13.200\text{km}\times \text{18}\text{.25m}=\mathrm{240.900.000}\text{qm}$$

  

  Im Durchschnitt fällt in Deutschland pro Quadratmeter Fläche ein Niederschlag von 805 Litern (https://de.statista.com/statistik/daten/studie/249926/umfrage/niederschlag-im-jahr-nach-bundeslaendern/).
• Dadurch ergibt sich allein auf den versiegelten Flächen bundesdeutscher Autobahnen eine Niederschlagsmenge von: $$\mathrm{240.900.000}\text{qm}\times \text{805 l/qm}=\mathrm{19.392.450.000}\text{l}$$

  
• Ergänzend: Aus 9 Kilogramm Wasser kann 1 kg Wasserstoff hergestellt werden (https://www.tga-fachplaner.de/energietechnik/energietraeger-wasserstoff-wie-viel-wasser-wird-dafuer-benoetigt). Ein Liter Wasser entspricht einem Kilogramm.
• Möglicher Nutzen:
• Emissionsfreiheit wird durch drei Faktoren erlangt:
  • - Nutzung der Sonnenenergie zur Stromgewinnung
  • - Nutzung des durch Niederschlag anfallenden Wassers
  • - Nutzung des in der Umgebungsluft befindlichen CO2
• Die bebauten Flächen in Form der Autobahnen könnten künftig in verschiedener Form genutzt werden, wenn sie zur Gewinnung von Solarenergie überbaut werden. (vgl. Anlage 6, Seite 1&2, 1&2)
• Diese Fläche könnte nach derzeitigem, technischem Stand pro 10 Quadratmeter per Anno ca. 1.000kW/h produzieren (https://www.solarwatt.de/ratgeber/einstrahlungskarte). Multipliziert mit der nutzbaren Fläche ergibt sich also folgende Energiemenge: $$\mathrm{240.900.000}\text{qm}\times \text{1}\text{.000kW/h/10qm}=\mathrm{24.900.000.000}\text{kWh}$$

  
• Durch die Überbauung der Autobahnen allein könnte also folgende Menge Kraftstoff synthetisch hergestellt werden:
• Aus der reinen Wassermenge auf den Autobahnen könnten 2.154.716.666 Kilogramm Wasserstoff hergestellt werden: $$\mathrm{19.392.450.000}\text{kg:9}=\mathrm{2.154.716.666}\text{kg}$$
  
• Die Niederschlagsmenge kann entweder direkt an der Straße aufgefangen werden oder an den Solarpanels. Ich würde zu letzterer Option tendieren, um möglichst Verschmutzungen zu verhindern. (vgl. Anlage 6, Seite 3, 3)
• Ein Liter Kraftstoff besteht zu 10-14% aus Wasserstoff (https://auto-umwelt.at/_print/6_Kraftstoffe.pdf). Da es sich bei dem Wasserstoff um einen kritischen Faktor der Kalkulation handelt, rechne ich mit dem größtmöglichen Wert, 14%. Ein Liter Benzin wiegt etwa 750g, ein Liter Diesel ca. 840g (https://www.bdbe.de/daten/umrechnung-und-formeln).
• Um einen Liter Benzin herzustellen benötigt man folglich 105g Wasserstoff. $$750\text{g}\times 14\text{\%}=105$$

  
• Um einen Liter Diesel zu erzeugen benötigt man demnach 117,6g Wasserstoff. $$840\text{g}\times 14\text{\%}=\mathrm{117,6}\text{g}$$

  
• Die Niederschlagsmenge auf den Autobahnen würde demnach im ungünstigsten Fall also für 1.832.242.057 Liter Dieselkraftstoff ausreichen. $$\mathrm{2.154.716.666}\text{kg}:\mathrm{0,1176}\text{kg/l}=\mathrm{18.322.420.629}\text{l}$$

  
• Oder für 20.521.111.104 Liter Benzin: $$\mathrm{2.154.716.666}\text{kg}:\mathrm{0,105}\text{kg/l}=\mathrm{20.521.111.104}\text{l}$$

  
• Die Verfügbarkeit des CO2 ist mit einer Emission von 644.469.893.500.000 Tonnen allein in Deutschland nicht gefährdet. (https://www.umweltbundesamt.de/daten/klima/treibhausgas-emissionen-in-deutschland#treibhausgas-emissionen-nach-kategorien)
• Zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe stehen aus der Solarenergie auf den Autobahnen zur Verfügung. Ausgehend von 27kW/h pro Liter eFuel können aus dieser Energie demnach 892.222.222 Liter hergestellt werden: $$\mathrm{24.900.000.000}\text{kWh}:27\text{kW/h/l}=\mathrm{892.222.222}\text{l}$$

  
• Einschränkender Faktor ist in diesem Szenario also die verfügbare Energie. Diese kann bei Erweiterung auf Nebenflächen neben den Autobahnen, Bundesstraßen, Parkplätze oder Ähnliches noch deutlich gesteigert werden. Ebenfalls denkbar wäre der Aufbau zusätzlicher Windkraftanlagen entlang der Autobahnen und Straßen.
• Durch die eingereichte Erfindung kann also allein durch die Überbauung der Autobahnflächen in Deutschland pro Jahr eine Kraftstoffmenge von 892.222.222) Kraftstoff klimaneutral hergestellt und die Bestandsfahrzeuge ebenso klimaneutral betrieben werden. Diese Menge entspricht 1,8% des Gesamtbedarfs an Kraftstoffen für den PKW und Kombi in Deutschland (ca. 50.000.000.000l) (https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Umwelt/Material/fluesse-Energiefluesse/tabellen/fahrleistungen-haushalte.html). Eine Abhängigkeit von erdölfördernden Ländern und Konzernen würde dadurch reduziert.
• Zusätzlicher Nutzen wäre die Reduzierung der Wassermengen, die auf versiegelten Flächen anfällt.
• Durch die Überbauung der Autobahn ergibt sich darüber hinaus noch der Vorteil der verringerten Geräuschemission und eine Erhöhung der Verkehrssicherheit durch Reduzierung der Blendung durch tierstehende Sonne und der Reduzierung der Gefahr durch Niederschläge auf die Fahrbahn.
• 1 zeigt die Überbauung am Beispiel einer Autobahn analog zur Überbauung durch beispielsweise Brücken mit einer Höhe von 4,70m. Die Solarpanels sind grundsätzlich fest nach Süden ausgerichtet.
1. 1. Beispiel Autobahn: Je zwei Fahrspuren + Standstreifen pro Fahrtrichtung = Regelbefestigungsbreite der Entwurfklasse 1 -> 18,25m
2. 2. Bauhöhe z.B. analog Autobahnbrücken = 4,70m
3. 3. Solarpanel in Südausrichtung
• 2 zeigt die Draufsicht der Anlage (Ausschnitt). Denkbar ist eine Produktion direkt an der Autobahn, wodurch auch Transportkosten und -emissionen eingespart werden können. Eine Ansaugen von CO2 ist ebenfalls direkt an der Anlage denkbar, da die Fahrzeuge das Gas direkt emittieren.
1. 1. Fahrpuren
2. 2. Überbauter Bereich (Schematische Darstellung)
3. 3. Ableitung Elektrizität
4. 4. Nutzung Nebenfläche z.B. zur Produktion direkt vor Ort
5. 5. Ableitung Regenwasser
• 3 zeigt beispielhaft die Auffang- und Abflussmöglichkeit des Regenwassers an den Solarpanels.
1. 1. Solarpanel
2. 2. Regenrinne
3. 3. Ablaufrohr

Claims (1)

1. Überbauung und Nutzung der Fläche oberhalb versiegelter Flächen (Parkplatzflächen, Fahrbahnen, Autobahnen, etc.) zur emissionsfreien Erzeugung synthetischer Kraftstoffe Die Überbauung von Plätzen, Wegen und Straßen jeglicher Art (Landes-, Bundesstraßen, Bundesautobahnen, etc.) zur a) Gewinnung elektrischer Energie aus Solarenergie, b) Sammlung und Verwendung von Wasser aus Niederschlägen c) Abstufung und Verwendung von Kohlendioxyd (CO2) aus der Atemluft sowie der Erzeugung von Wasserstoff (H2) und synthetischer Kraftstoffe aus den unter a) - c) aufgeführten Bestandteilen. Auch gültig, wenn einer oder mehrere Bestandteile aus anderen Quellen stammen (z.B. Nutzung der erzeugten elektrischen Energie aus dem Bauwerk und Nutzung von Wasser/Wasserstoff und CO2 aus anderen Quellen)

Images