Swissmechanic_Journal_2022-05

Energieforschung
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Mobilität
Im Bereich der Mobilität erforscht die
Empa energieeffiziente Antriebssysteme
sowie Technologien für einen zukünftigen
Personen- und Güterverkehr, der
ohne fossile Energieträger auskommt.
Um die Energieversorgung weiterhin zuverlässig
und umweltfreundlich sicherzustellen,
entwickelt sie zudem verschiedene
Formen der Photovoltaik (fokussiert
auf Dünnschicht-Solarzellen mit
einer höheren Effizienz (z. B. als Tandem-
Zelle) und tieferen Herstellungskosten
dank neuer Materialien und Produktionstechnologien)
sowie neue Umwandlungs-
und Speichertechnologien.
Die Empa entwickelt ausserdem alternative
Batteriekonzepte wie Festkörperbatterien,
Batterien mit wässrigen Elektrolytsystemen
und Natrium-, Magnesiumund
Aluminium-basierte Batterien, testet
die Zuverlässigkeit von Batteriemodulen,
betreibt Lebenszyklusanalysen
und forscht an Konzepten zur Kreislaufwirtschaft,
unter anderem am Beispiel
von Batterien. Nur wenige Technologien
ermöglichen die Speicherung von
Energie mit einer ähnlichen Energiedichte
wie die von fossilen Brennstoffen. Einige
Hydride, Ammoniak und synthetische
Kohlenwasserstoffe erreichen eine Energiedichte
von ca. 10 kWh/kg. Heutige
Batterien wie Li-Ionen-Akkus ermöglichen
die Speicherung von lediglich rund
0,2 kWh/kg. Es besteht jedoch das Potenzial,
die Energiedichte neuartiger Batterien
auf ca. 1 kWh/kg zu erhöhen.
Synthetische Energieträger
Die Empa erforscht zudem synthetische
Energieträger als Ersatz für fossile Brennund
Treibstoffe. So lässt sich erneuerbare
Energie auch langfristig speichern
und einfach und sicher transportieren.
Die Empa erforscht weiter die saisonale
Wärmespeicherung, z.B. mittels Erdsonden
oder thermochemischen Wärmespeichern.
Energiesysteme
Energieerzeugung, -verteilung und -verbrauch
findet nicht nur in isolierten Einheiten
wie einzelnen Gebäuden oder Fahrzeugen,
sondern auch in grossen Systemen
wie Quartieren oder ganzen Städten statt.
An der Empa werden darum auch Energieflüsse
in derart komplexen Systemen modelliert
und berechnet.
Zur praxisnahen Erprobung neuer Konzepte
zusammen mit Partnern aus der Industrie
und dem akademischen Umfeld stehen
die Forschungs- und Technologietransfer-Plattformen
NEST (Bau und Betrieb
von Gebäuden), ehub (Energiesysteme
im Quartier), move (Mobilität) und
dhub (Digitalisierung) zur Verfügung.
CO 2
in den Boden
Die Empa ist an einem internationalen Forschungsprojekt
beteiligt, das eine unkonventionelle
Lösung ins Auge fasst: Im Sommer
wird überschüssige erneuerbare Energie
– beispielsweise Solarstrom – in Wasserstoff
(H 2
) umgewandelt. Dieser wird
dann zusammen mit Kohlendioxid (CO 2
) in
natürlichen Untergrundspeichern – zum
Beispiel ehemaligen Erdgaslagerstätten –
in über 1000 Metern Tiefe eingelagert. Mikroorganismen
aus der Urzeit, sogenannte
Archaeen, wandeln über ihren Stoffwechsel
Wasserstoff und CO 2
zu erneuerbarem
Methan (CH 4
) um (siehe Grafik). Dieses Methan
kann dann im Winter den Speichern
wieder entzogen und als CO 2
-neutrales
Erdgas vielfältig genutzt werden.
Überschuss von Solarstrom möglich
Für die Schweiz prognostizierte Martin Rüdisüli
von der Empa-Abteilung «Urban
Energy Systems» einen Überschuss von
gut 10 Terawattstunden (TWh) Solarstrom
in den nächsten Jahrzehnten – vorausgesetzt,
ein Grossteil der geeigneten Dachflächen
würde mit Photovoltaik ausgebaut,
was wiederum nötig ist, wenn damit der
wegfallende Atomstrom ersetzt werden
soll. Wandelt man den Überschussstrom
im Sommer in Methan um, liessen sich damit
rund eine Million Gasfahrzeuge ganzjährig
erneuerbar betreiben.
Aufspaltung von Methan
Von Interesse für die Forschung ist auch
die Aufspaltung von Methan (CH 4
) in energetisch
nutzbaren Wasserstoff (H 2
) und festen
Kohlenstoff (C). Wird dabei erneuerbares
Methan eingesetzt, sind gar «negative»
CO 2
-Emissionen möglich. Denn einzig der
Wasserstoff wird als Energieträger genutzt.
Der Kohlenstoff gelangt nicht mehr zurück
in die Atmosphäre, da er als Feststoff abgeschieden
und in der Bau- oder Landwirtschaft
eingesetzt werden kann. Zum sogenannten
blauen Wasserstoff forscht wiederum
das Paul Scherrer Institut (PSI).
Das energetische Potenzial zur Herstellung
von Methan in Wüstenregionen ist
enorm. Gelingt es, synthetisches Methan
über die bestehenden Handelsmechanismen
und Infrastrukturen in die Schweiz zu
transportieren und hierzulande in Wasserstoff
und festen Kohlenstoff aufzutrennen,
könnte man mehrere Probleme auf einmal
lösen: Erneuerbarer Wasserstoff stünde
zur Versorgung industrieller Prozesse
und zur Überbrückung der Winterstromlücke
zur Verfügung. Gleichzeitig könnten so
im Inland negative CO 2
-Emissionen erzeugt
werden.
Das ECO-Qube-Projekt
Im Projekt ECO-Qube untersucht das ehub-
Team der Empa mit internationalen Partnern
die Integration von Rechenzentren in
Gebäudesysteme. Dazu wurde im NEST ein
Rechenzentrum installiert. Im Fokus stehen
die Integration des Rechners ins thermische
Netz, sodass die Abwärme, die
beim Betrieb anfällt, als Wärmequelle genutzt
werden kann, sowie der effiziente,
nachhaltige Betrieb des Rechenzentrums.
In einem weiteren Projekt haben zwei Forscher
des ehub-Teams einen Algorithmus
entwickelt, der die Raumtemperatur vorausschauend
regelt. Dabei wird anhand