Swissmechanic_Journal_2022-05

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Energieforschung 20 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
von Gebäudedaten wie Ventilpositionen und Raumtemperatur ein Modell gelernt. In Kombination mit Vorhersagen zur lokalen Aussentemperatur und zur globalen Sonneneinstrahlung berechnet der Algorithmus dann bis zu zwölf Stunden im Voraus den idealen Energieaufwand, um das Gebäude auf die gewünschte Temperatur zu heizen oder zu kühlen. Praxistests im NEST hatten gezeigt, dass sich damit zwischen 25 und knapp 50 Prozent an Energie einsparen lassen. Inzwischen hat das Empa-Team ein Spin-off, viboo, gegründet. Kohlenstoff-Kreislauf: Das Treibhausgas CO 2 wird im Boden in Methan verwandelt. So entsteht «klimaneutrales» Erdgas. Illustration: RAG Technologietransfer-Plattformen der Empa: Energy-Hub bit.ly/3AxO55B Move bit.ly/2BHujYj Digital-Hub bit.ly/3NSjP8i NEST bit.ly/3ACwmKl Beitrag zur CO 2 -Speicherung im Boden: bit.ly/3yWSqhz ECO-Qube: bit.ly/3o2Wab3 Spin-off viboo: bit.ly/3NQxNaG Beitrag zur Dekarbonisierung der Schweizer Industrie: bit.ly/3alzIqd Forschungsschwerpunkt Energie: bit.ly/3Avt5w2 Forschungsschwerpunkt «Sustainable Built Environment»: bit.ly/3yNtYPq Energieforschung an der ETH ESC Das Energy Science Center (ESC) der ETH Zürich wurde 20<strong>05</strong> als ein interdeparte mentales Kompetenzzentrum gegründet, mit dem Ziel, die Energieforschung und -lehre über Forschungsgebiete und De -pa rtemente hinweg zu fördern. Durch den Zusammenschluss von über 60 Professorinnen und Professoren aus elf Departementen verstärkt das ESC die Zusammenarbeit zwischen der ETH Zürich, Industriepartnern, Verwaltung und der Gesellschaft in energierelevanten Themen. CCEM Aufgabe des CCEM ist die Förderung technischer Innovationen in Forschungsund Entwicklungsarbeit zur Etablierung einer nachhaltigen Energieversorgung und Stärkung der Wettbewerbsfähigkeit der Schweiz. Das CCEM unterstützt Energie-Forschungsprojekte, die den Fokus legen auf die Reduk tion von CO 2 -Emissionen, die Erhöhung der Versorgungssicherheit, die Minderung des Verbrauchs von nicht-erneuerbaren Energiequellen und die Minderung der Abhängigkeit von importierten fossilen Energieträgern. Das Zentrum bündelt Forschungskompetenzen der Institutionen des ETH-Bereichs – namentlich des PSI, der ETH Zürich und Lausanne, der Empa, des Wasserforschungsinstituts Eawag und der Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL. Projektbezogen wird eng mit Fachhochschulen zusammengearbeitet. Mit den beteiligten Partnern aus Industrie, Verwaltung und Politik konzentriert sich um das CCEM ein gesamtschweizerischer Schwerpunkt für Forschung im Bereich Energie und Mobilität. CER-ETH Das Center of Economic Research (CER- ETH) beschäftigt sich mit der Entwicklung und Anwendung innovativer Wirtschaftstheorien und bringt diese ETH- Studierenden aller Departemente näher. Forschende am CER-ETH sind in Energieund Ressourcenwirtschaft, Innovation und Risikoanalyse sowie in anderen mikro- und makroökonomischen Bereichen spezialisiert. esc.ethz.ch ccem.ch cer.ethz.ch
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