Schweizer Beitrag zur Energiezukunft: Forschung im ETH

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Schweizer Beitrag zur Energiezukunft:
Forschung im ETH-Bereich
Eidg. Forschungsanstalt für Wald,
Schnee und Landschaft WSL
Die vorliegende Publikation wendet sich an alle, die sich beruflich oder
privat mit Fragen der Umsetzung aktueller Energiestrategien beschäftigen.
Sie zeigt die nationale Aufgabe der Energieforschung im ETH-Bereich,
eingebunden in den weltweiten Zusammenhang. Sie beleuchtet mögliche
Wege und Systeme zur Deckung des künftigen Energiebedarfs, benennt
wichtige Handlungsfelder des Bereiches und verweist auf einige Referenzprojekte.
Mit der Erforschung neuer Lösungsansätze und Prozesse im Themenkomplex Energie trägt der ETH-Bereich zur Bewältigung der globalen Herausforderung der Klimaerwärmung bei und entwickelt gleichzeitig das für
die Schweiz notwendige Know-How für eine optimierte Energieversorgung
und -nutzung.
Die nationale Aufgabe
Zum Auftrag des ETH-Bereichs gehören Lehre, Forschung und Technologietransfer im
Dienste der Gesellschaft. Im Energiebereich sind die wichtigsten übergeordneten
Ziele Versorgungssicherheit, Minimierung der negativen Auswirkungen auf Mensch
und Umwelt sowie volkswirtschaftlicher Nutzen. Daraus ergeben sich Spannungsfelder mit Synergie- und Konfliktpotenzial. Der ETH-Bereich entwickelt und optimiert seine Vorschläge jeweils mit Blick auf das Gesamtsystem.
2
Von internationaler Bedeutung
World Energy Outlook 2008. Sie stellt ein Portfo-
Energienutzung steht in direktem Zusammenhang
lio von Massnahmen vor, dank derer es gelingen
mit dem Klimawandel. Der vierte Zustandsbericht
kann, den globalen CO2-Ausstoss bis 2050 zu
des Intergovernmental Panel on Climate Change
halbieren. Auch die EU hat ehrgeizige Ziele mit
(IPCC) aus dem Jahr 2007 zeigt eindrücklich, dass
derselben Stossrichtung formuliert, und am G8-
der Mensch den globalen Klimawandel wesent-
Gipfel vom Juli 2008 entstand erstmals unter
lich mitverantwortet und eine rasche Reduktion
den grossen Industrienationen ein Konsens,
der Emissionen unabdingbar ist. Darauf bezieht
energische Schritte in diese Richtung zu unter-
sich die Internationale Energieagentur (IEA) im
nehmen.
Szenarien im Vergleich: CO2-Einsparungsquellen gemäss IEA
Emissionen (Gt CO2)
70
Emissionen Basisszenario 62 Gt
60
50
40
30
20
Emissionen BLUE Map 14 Gt
10
450 PPM-Szenario, WEO 2007
Analyse, ETP 2008
0
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
CO2-Abtrennung und Speicherung (CCS)
in Industrie und Umwandlung 9%
CCS in der Stromerzeugung 10%
Kernkraft 6%
Erneuerbare Energien 21%
2040
2045
2050
Wirkungsgraderhöhung/
Energieträgerumstellung
in der Stromerzeugung 7%
Energieträgerumstellung
im Endverbrauch 11%
Effizienzsteigerung im
Stromendverbrauch 12%
Brennstoffeffizienz im
Endverbrauch 24%
Im Basisszenario der IEA würde der globale CO2-Ausstoss bis 2050 von 28 auf 62
Milliarden Tonnen CO2 pro Jahr zunehmen. Dies steht im scharfen Gegensatz zum
Klimaschutzziel einer Halbierung des CO2-Ausstosses. Das BLUE Map Szenario
zeigt, wie durch eine Kombination von Massnahmen (Nutzungseffizienz, Elektrizitäts-Erzeugungseffizienz, Brennstoffwechsel, erneuerbare Energien, Kernenergie, CO2-Abtrennung und Speicherung (CCS)) das Ziel erreicht werden könnte.
(Vorlage für die Abbildung: Internationale Energieagentur IEA)
3
DIE NATIONALE AUFGABE
Die Energieforschung des ETH-Bereichs definiert
Ab der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts
ihre Ziele in Kenntnis von und in Übereinstimmung
sollen die Trends eindeutig und unumkehrbar in
mit diesen internationalen Initiativen. Dabei be-
folgende Richtungen gehen:
rücksichtigt sie die Gegebenheiten und Möglich-
Der Primärenergiebedarf für die Schweiz ver-
keiten der Schweiz.
ringert sich um den Faktor 2 bis 3.
Der CO2-Ausstoss reduziert sich auf eine Tonne
Die Anstrengungen setzen an allen Punkten
der Energieumwandlungskette an. Der Aufwand
pro Person und Jahr.
an erforderlichen (v.a. fossilen) Energieträgern
Die Schadstoffemissionen und die Abfälle sind
sowie an anderen nicht erneuerbaren Ressour-
unkritisch für Mensch und Umwelt.
cen soll minimiert werden. Gleichzeitig wird der
Die mit der Energiegewinnung verbundenen
Ausstoss von Treibhausgasen, von festen Abfäl-
Stoffflüsse sind deutlich kleiner als heute, ins-
len und von Schadstoffen in Luft, Boden und
besondere werden Stoffkreisläufe geschlossen.
Wasser vermindert.
Entwicklungen und Zielwerte
t CO2 pro Person und Jahr
Schweiz/CORE 2007
IEA 2008, Weltweit
14
13.1
13
Business as usual
Neue Technologien
Scenario BLUE
Langfristiger Zielpfad
12
11
10
9
8
7
6.9
6
5
4
3.7
3
2
1.6
1
Ziel
0
2005
2050
2100
Mögliche Entwicklungen des normierten CO2-Ausstosses (in Tonnen CO2 pro Person
und Jahr): Das Basisszenario sagt für die Welt wie für die Schweiz (Annahme
eingefrorener Technologien) eine Zunahme der Emissionen voraus. Das Klimaschutzziel, zu dem die Strategie des ETH-Bereiches beiträgt, beinhaltet eine signifikante Absenkung bis 2050 und schlussendlich eine Konvergenz mit der Welt
in Richtung von einer Tonne CO2 pro Person und Jahr.
(Vorlagen für die Abbildung: IEA und Eidg. Energieforschungskommission CORE)
Die Grundannahmen
In Anlehnung an die Szenarien des IPCC geht der ETH-Bereich davon aus, dass sich
die Weltbevölkerung bis ins Jahr 2100 bei 9 bis 10 Milliarden Menschen stabilisiert. Die
Nutzung von Energiedienstleistungen in den Entwicklungs- und Schwellenländern wird
sich bis dann jener der Industrieländer annähern. Deshalb soll sich die Erbringung
von Energiedienstleistungen in den Industrieländern zeitgleich so entwickeln, dass sie
wirtschaftlich und ökologisch nachhaltig ist. Die baldige Abkehr von den begrenzt
vorhandenen, fossilen Brennstoffen und das Ausweichen auf alternative Energieträger
sind nicht zuletzt aus ökonomischen und geopolitischen Gründen notwendig.
4
Energiedienstleistungen als Treiber wirtschaftlicher Entwicklung
Energiedienstleistungen (relative Werte)
Um Lebensqualität und Wirtschaftswachstum zu ermöglichen, benötigt unsere Gesellschaft nicht Energie an sich,
sondern Energiedienstleistungen. Die
Vision einer nachhaltigen globalen
Entwicklung sieht vor, dass die Industrieländer ihre Energiedienstleistungen
stabil halten, während die Schwellenund Entwicklungsländer bei den verfügbaren Dienstleistungen, ausgehend
von einem niedrigeren Niveau, zulegen, sodass gegen Ende des Jahrhunderts Konvergenz erreicht wird.
i
20
15
10
n
5
0
1990
2000
2010
2020
2030
2040
2050
(Vorlage für die Abbildung: Paul Scherrer
Institut PSI)
industrialisierte Länder (i)
nicht-industrialisierte Länder (n)
CO2-Emissionen und Temperaturveränderung
CO2 Emissionen (Gt CO2)
120
Maximal erlaubter
CO2-Ausstoss im 21. Jh.:
~ 2000 Gt für max.
Temperaturanstieg < 2 °C
100
80
60
40
20
0
1900
stabiles Klima
1950
2000
Temperaturanstiegskurven
Tatsächliche Emissionen
A2: + 3.4 °C rasch weiter steigend
B1: + 1.8 °C steigend
EU Ziel: + 1.5 °C stabil
2050
2100
Der globale CO2-Emissionspfad wird
die Temperaturänderung im 21. Jahrhundert bestimmen. Ohne Massnahmen (IPCC-Szenario A2) würde die Temperatur in diesem Jahrhundert um
weitere 3.4 Grad zunehmen, mit steigender Tendenz. Das ökologisch gelenkte Szenario (B1) reduziert die Erwärmung, erreicht aber noch keine
Stabilisierung. Um das Klimaschutzziel
der EU (maximal 2 Grad im Vergleich
zum vorindustriellen Wert) zu realisieren, dürfen in diesem Jahrhundert
insgesamt maximal 2000 Milliarden
Tonnen CO2 emittiert, und der Ausstoss muss bis Ende des Jahrhunderts
auf 10 Milliarden Tonnen pro Jahr gesenkt werden.
(Vorlagen für die Abbildung: ETH Zürich,
ProClim und Weltklimarat IPCC)
5
Die Absenkpfade für die Schweiz
Heute beansprucht die Bevölkerung in der Schweiz 6500 Watt an Primärenergiefluss
pro Person. Das entspricht rund 9 Tonnen CO2-Emissionen pro Person und Jahr.1 Die
Welt insgesamt liegt deutlich tiefer, Europa aufgrund der Struktur seiner Volkswirtschaft etwas höher. Die globale Zielsetzung von 1 Tonne CO2 pro Person und Jahr bis
Ende dieses Jahrhunderts bedingt eine wesentliche Reduktion des Primärenergieumsatzes.
Um die genannten Ziele zu erreichen, können ver-
rauf, den CO2-Ausstoss mit Blick auf den globalen
schiedene Wege verfolgt werden. Die «Vision der
Klimaschutz 4 signifikant zu senken; am deutlich-
2000-Watt-Gesellschaft» lenkt ihre Hauptauf-
sten wird letzteres vom Energy Science Center (ESC)
merksamkeit auf die Absenkung des Energieum-
der ETH Zürich mit der Priorisierung des 1 Tonne
satzes pro Person 2 als Leitgrösse, wobei gleich-
CO2-Zieles vertreten.5 Gemeinsam bilden diese Wege
zeitig die Reduktion der CO2-Emissionen im Auge
die Strategie eines möglichst rationellen Um-
behalten wird. Das PSI hat auf die Wichtigkeit
gangs mit Energie bei gleichzeitiger Reduktion
der Formulierung realistischer Zwischenziele bei
des Einsatzes fossiler Brenn- und Treibstoffe.
einer konzertierten Absenkung von Energieum-
Entsprechend wird im ETH-Bereich an einer
3
satz und CO2-Emissionen hingewiesen. Dieser Weg
Vielzahl von Optionen geforscht, die je nach Thema
der «Dekarbonisierung» betont die Dringlichkeit
und Gebiet zur Erreichung eines oder beider Ziele
einer Reduktion der CO2-Emissionen. Hinsichtlich
beitragen. Angesichts der ambitiösen Zielsetzungen
des Energieumsatzes pro Person wird ein grösserer
ist ein breit abgestütztes Vorgehen unbedingt
Spielraum eingeräumt. Alle Studien verweisen da-
notwendig.
Die Absenkpfade für die Schweiz
t CO2 pro Person und Jahr
Für die Absenkung der heute hoch
(rechts oben) liegenden Werte Primärenergiefluss und CO2-Ausstoss pro
Person können verschiedene Pfade
(nach links unten) eingeschlagen
werden.
2005
8
7
6
5
4
2050
3
(Berechnung und Angaben gemäss PSI, ESC,
novatlantis und CORE)
2050
2
2050
1
2150
2100 2100
2100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
kW/Person
Vision «2000-Watt-Gesellschaft» (z.B. novatlantis)
«Dekarbonisierung» (z.B. Strategie ESC/ETH Zürich)
1
Diese Zahlen berücksichtigen nur den Aufwand zur Gewinnung der Energieträger bis zur Gewinnungsstätte, nicht jedoch die Energiebilanz
der sonstigen über den Aussenhandel ausgetauschten Güter und Dienstleistungen.
2
Die Angabe eines Energieumsatzes pro Person bedarf einer sorgfältigen Definition. Hier wird der sog. kumulierte Energieaufwand KEA betrachtet. Er berücksichtigt sämtliche Energieaufwendungen, die bis zur Bereitstellung eines Energieträgers beim Endkunden anfallen. Dem
Absenkpfad «Vision 2000-Watt-Gesellschaft» liegen die Werte der ecoinvent 2.0 Datenbank zugrunde, entsprechend dem Methodik-Papier
«2000-Watt-Gesellschaft». Eine Bandbreite, wie sie bei der «Dekarbonisierung» sichtbar wird, ergibt sich aus unterschiedlichen Ansätzen,
wie der Wirkungsgrad des ersten Schrittes der Umwandlung erneuerbarer Energien berücksichtigt wird. Für stochastisch anfallende erneuerbare Energien sind zusätzlich Verluste bei der Speicherung zu bilanzieren. Die Spanne des Energieumsatzes für das Jahr 2100 zeigt die optimistischste Variante betreffend Energieeffizienz (Werte bis über 5 kW pro Person sind generell möglich). Wichtige Einflussfaktoren sind zudem
die gesellschaftlich akzeptierten Kosten für Energiedienstleistungen.
3
Energie-Spiegel Nr. 18, PSI, April 2007
4
Intergovernmental Panel on Climate Change, Fourth Assessment Report, 2007
5
Energiestrategie für die ETH Zürich, Februar 2008
Das Energiesystem von morgen
Das zu entwickelnde Energiesystem deckt den künftigen Bedarf an Energiedienstleistungen klimaneutral und nachhaltig. Effizienzerhöhung, der Einsatz CO2-armer
Energien, die Förderung erneuerbarer Energien und die Ablösung fossiler Energieträger
sind unabdingbar. Die notwendige Optimierung des Energiebedarfs wird mit der
Entwicklung von Alternativen zu konventionellen Energiedienstleistungen unterstützt.
6
Der ETH-Bereich forscht in jedem Glied der Ener-
Ressourcenorientierte Tätigkeiten
giekette an den Grundlagen und entwickelt Tech-
Angestrebt wird die Bereitstellung neuer, umwelt-
nologien, die nach volkswirtschaftlichen, sozio-
freundlicher Energieressourcen. Gleichzeitig soll
ökonomischen und umweltrelevanten Kriterien
der Verbrauch an fossilen Energieträgern und nicht
nachhaltig sind. Verfolgt werden Effizienz- und
erneuerbaren Rohstoffen minimiert werden. Die
Substitutions- sowie Elemente von Suffizienz-
in der Öffentlichkeit bekannte «Vision der 2000-
strategien:
Watt-Gesellschaft» ist ein erstes Beispiel, das
Verbesserung des Wirkungsgrads der Energie-
zur Erreichung dieser Ziele auf Veränderungen im
nutzung
Umgang mit Energiedienstleistungen und die
Ersatz fossiler Energieträger durch CO2-freie
konsequente Implementierung effizienter und
resp. CO2-arme Energieträger
weitgehend bekannter Technologien setzt. Lang-
Optimierung der Nachfrage nach Energie-
fristig sollen zwei Drittel des heutigen Primär-
dienstleistungen
energiebedarfs eingespart werden können.
Die Energiekette
Erneuerbare Energien
Fossile Energieträger
CO2 + andere Treibhausgase
EnergieUmwandlungskette
Mineralische Rohstoffe
Nicht-erneuerbare Ressourcen
Ressourcenorientierung
Energiedienstleistungen
Feste Abfälle
Schadstoffe an Luft + Wasser
Nutzungsorientierung
Energiedienstleistungen (vgl. Seite 5) werden ausgehend von verschiedenen Primärenergien über verschiedene Umwandlungsschritte bereitgestellt. Aus Sicht der Versorgungssicherheit, des Umwelt- und des Klimaschutzes gilt es, den Verbrauch
an fossilen Energieträgern, mineralischen Rohstoffen und nicht-erneuerbaren Ressourcen sowie die Abgabe von Treibhausgasen, Schadstoffen und Abfällen an die Umwelt zu minimieren. Strategien dazu können an beiden Enden der Energiekette ansetzen.
(Vorlage für die Abbildung: PSI)
7
rechnete 1-Tonne-CO2-Ausstoss pro Person und
nutzung
Jahr, der notwendig ist, um die Erwärmung der
Mit Blick auf die gesamte Energiekette steht hier
Atmosphäre im 21. Jahrhundert auf unter 2°C zu
die Minimierung des Ausstosses an Treibhaus-
begrenzen. Effizienz- und Substitutionsstrategien
gasen sowie die geringste Abgabe von Abfällen
auf Basis auch radikal neuer Technologien stehen
und Schadstoffen an Boden, Wasser und Luft im
im Vordergrund. Die Technologieentwicklung bie-
Zentrum. Als Richtwert für ersteres gilt der auf-
tet grosse Möglichkeiten für die Schweizer Wirt-
grund der Empfehlungen des Weltklimarats be-
schaft.
Schlüsselrolle der Elektrizität
Solar-thermisch,
Umweltwärme
Wärmebereitstellung
Photovoltaik
Zusatzelektrizität für
Wärmepumpen
Wind
Nuklear
mit CO2-Abtrennung
DAS ENERGIESYTEM VON MORGEN
Arbeiten an den Auswirkungen der Energie-
Kohle
Gas
Wasser
Effiziente Speicherung
und elektrisches Netz
Konventionelle elektrische
Anwendungen
Zusatzelektrizität für
Kurzstrecken-Verkehr
(Personen, Güter)
Biomasse
flüssige
Kraftstoffe
Mittel-/LangstreckenVerkehr
Um die Effizienz des Energiesystems zu steigern, kommt der Elektrizität eine Schlüsselrolle zu. Elektrizität kann aus einer
breiten Palette von Primärenergien erzeugt werden. Neben den bekannten Anwendungen kann sie zudem im Kurzstreckenverkehr eine sinnvolle Rolle übernehmen. Elektrizität ist für den Antrieb von Wärmepumpen wichtig, welche zusammen
mit Solarwärme die fossilen Energien bei der Raumheizung substituieren müssen.
(Vorlage für die Abbildung: ETH Zürich)
Handlungsfelder und Projekte
Der ETH-Bereich erforscht zum Themenkomplex «Energie» zahlreiche Fragestellungen
und entwickelt unterschiedliche Lösungsansätze. Trans- und interdisziplinäres Arbeiten ist dabei unabdingbar. Über hundert Forschungsgruppen bearbeiten Projekte auf dem Gebiet der Energie. Viele davon entwickeln sich unter konstruktiver
Mitwirkung von Wirtschaft und Behörden und eröffnen zahlreiche Chancen für den
Wirtschaftsstandort Schweiz.
8
Handlungsfelder und Projekte im ETH-Bereich
Biomasse
finden sich entlang der gesamten Energiekette.
Erdölderivate sollen als Treibstoff für den Verkehr
Von der Primärenergie bis hin zur Energiedienst-
möglichst abgelöst werden können. Das PSI ent-
leistung wird an zukunftsfähigen Lösungen ge-
wickelt dazu Verfahren zur Produktion von Methan
arbeitet.
als Biotreibstoff der zweiten Generation. Im Projekt
«Methan aus Holz» werden Abfall-, Rest- und
Herstellung von Energieträgern
Altholz durch thermische Vergasung zu Synthese-
Hier steht die ganze Breite der verfügbaren erneu-
gas umgesetzt und dann in einem einstufigen
erbaren und nicht erneuerbaren Ressourcen im
katalytischen Prozess in Methan umgewandelt.
Zentrum. Bei der Nutzung fossiler Energieträger
Forschungsfragen sind die Heissgas-Reinigung
wie Kohle im europäischen und globalen Umfeld
des Synthesegases, die Auslegung des Wirbel-
werden Möglichkeiten zur Abtrennung und Ein-
schichtreaktors für die Methanierung sowie die
lagerung des Kohlendioxids untersucht. Bei den
Aufbereitung des Produktgases auf Gasnetz-
erneuerbaren Ressourcen werden ergänzend zur
Qualität. Die WSL liefert mit ihrem Simulations-
Wasserkraft die verschiedenen Möglichkeiten der
modell die notwendigen Daten über verfügbare
Nutzung von Solarenergie und Biomasse erforscht.
Waldholzpotentiale. Der Prozess steht kurz vor
Die zentrale Elektrizitätserzeugung in Grosskraft-
der Markteinführung durch Industriepartner.
werken betreffen die Kernenergie, Gasturbinen
für Kombikraftwerke und die Zukunftsoption der
Kernenergie
Fusion.
Die Bereitstellung von Elektrizität mittels Kernenergie kombiniert das Wissen um die Quanten-
Hydroelektrizität
struktur der Kerne mit den Gesetzen der Thermo-
Die Schweiz verdankt ihren hohen Anteil an erneu-
dynamik und dem Beherrschen der Fluidmechanik.
erbaren Energien in ihrer Elektrizitätsversorgung
Das PSI konzentriert seine Forschungsarbeiten
dem Ausbau der Wasserkraft. Die Versuchsanstalt
auf das genaue Verständnis der neutronenphy-
für Wasser (VAM) der ETH Zürich, das Laboratoire
sikalischen Abläufe im Reaktorkern, auf höchst-
des Machines Hydrauliques (LMH) und das Labo-
zuverlässige Wärmeabfuhr, z.B. durch passive
ratoire des Constructions Hydrauliques (LCH) der
Kühlsysteme, und auf die Voraussage des Mate-
EPFL sind führend bei der Entwicklung innovativer
rialverhaltens bei Dauerbeanspruchung, Strah-
Konzepte für die hydroelektrische Produktion
lenbelastung und thermischen Zyklen. Die Re-
und in der Auslegung von Pumpspeicherwerken.
sultate tragen zum sicheren und effizienten Be-
Diese leisten für die Integration der intermit-
trieb der gegenwärtigen Kernkraftwerke bei und
tierend verfügbaren Elektrizität aus Wind- und
steigern die Nachhaltigkeit der Technologie durch
Photovoltaikanlagen in das Energiesystem einen
das Studium innovativer Reaktorkonzepte. Das
wesentlichen Beitrag.
akademische Umfeld des ETH-Bereichs sowie die
kerntechnischen und analytischen Einrichtungen
des PSI bilden die Basis für die Ausbildung wissenschaftlicher Nachwuchskräfte und junger Ingenieure und Ingenieurinnen auf dem Gebiet
der Kerntechnik.
9
HANDLUNGSF ELDER UND PROJ EKTE
Kontrollierte Fusion
Verbrennungsmotoren
Das Zentrum für Plasmaphysikforschung (CRPP) an
Die Institutionen des ETH-Bereichs verfolgen eine
der EPFL mit seinem Hauptstandort in Lausanne
Vielzahl von Projekten auf den Gebieten der Gas-
und zusätzlichen Laboratorien und Grossanlagen
turbinen und der Verbrennungsmotoren. Im
am PSI repräsentiert die Schweiz im Euratom-
CCEM-Projekt CELaDE (Clean and Efficient Large
Programm und trägt zum Ziel bei, einen ersten
Diesel Engines) arbeiten die ETH Zürich, PSI und
voll funktionsfähigen Fusionsreaktor für die Elek-
EMPA an Schiffsantrieben mit höherer Energie-
trizitätsproduktion zu realisieren. Eine Schlüssel-
effizienz (verminderter CO2-Ausstoss, minimale
kompetenz dieses Center of Excellence ist das
Schadstoffemissionen). Daran beteiligt sind mit
bessere Verständnis der Kontrolle des Plasmas in
Wärtsilä Schweiz, ABB Turbo Systems AG und
künftigen Fusionsreaktoren.
Kistler AG führende Schweizer Industrieunternehmen. Der für die Arbeiten notwendige Grossmo-
Photovoltaik
torenprüfstand steht am PSI, er wurde aus eigenen
Die Verbesserung von Dünnfilm-Zellen steht im
und CCEM-Mitteln finanziert. Weitere Beiträge
Zentrum der Projekte an verschiedenen Institu-
stammen aus einem Darlehen des Kantons Aargau
tionen. Dabei werden Fragen zur Silizium-ba-
und dem Forschungsprogramm FP7 der EU.
sierten Dünnfilmtechnik, Chalkogenidhalbleiter,
Farbstoff-Solarzellen und organische PV-Zellen
Erdgas als Treibstoff
erforscht. Im CCEM-Projekt «ThinPV» arbeiten die
Methan weist sehr gute Eigenschaften als Treib-
Gruppen aus der EMPA, EPFL, ETHZ, IMT Neuen-
stoff für Verbrennungsmotoren auf. Methangas-
burg und diverse Industriepartner im Bereich der
antriebe haben ein Effizienzsteigerungspotential
PV-Forschung mit Industrieunternehmen zusam-
von mindestens 10%. Biogenes Methan kann aus
men. Synergien im Bereich der Modellierung und
organischen Abfällen, Kläranlagen, Gülle und Holz
Analysetechniken werden genutzt sowie Ausbil-
gewonnen werden, was die einheimische Wert-
dungsbedürfnisse zwischen den einzelnen Tech-
schöpfung und die CO2-Reduktion weiter erhöht.
niken evaluiert und befriedigt.
Empa und die ETH Zürich forschen gemeinsam
mit grossen Autoherstellern und Zulieferfirmen
Umwandlung und Speicherung
an niedrigstemittierenden und verbrauchsarmen
Eine Vielzahl von Projekten widmet sich der Effi-
Methangasantrieben.
zienz bei der Umwandlung von Energieträgern in
Nutzenergie. Dazu gehören Energiewandler auf
Antriebssysteme für Brennstoffzellen-Hybrid-
der Basis von Verbrennungsprozessen, Antriebs-
fahrzeuge
stränge für Transportsysteme und Module für
Für den Markterfolg von effizienten Brennstoff-
die Stromversorgung von tragbaren Geräten. Mit
zellenfahrzeugen sind Durchbrüche bei den Kosten
Blick auf die Effizienzsteigerung kommt auch der
sowie bei der Langlebigkeit notwendig. Das PSI
Bereitstellung von Optionen der Energiespeiche-
liefert hierzu Beiträge an die Produktion stabiler
rung auf verschiedenen Skalen, aber auch der
Membranen als Festelektrolyten, Innovationen
Weiterentwicklung der Verteilnetze eine grosse
beim Stapelbau sowie Konzepte zur Vereinfachung
Bedeutung zu.
des Gesamtsystems. Diagnose und Charakterisierung der Brennstoffzellen unter Betriebsbedingungen liefern entscheidende Hinweise für die
Weiterentwicklung. Für die Umsetzung der Tech-
10
nologie in Zusammenarbeit des PSI mit Industrie-
Energie-Dienstleistungen für die Gesellschaft
partnern besteht ein Joint Venture mit Belenos
Energieumsatz in Gebäuden
Clean Power.
In privaten und kommerziellen Gebäuden wird
die Hälfte der in der Schweiz konsumierten Ener-
Elektrifizierung des Individualverkehrs
gie umgesetzt. Optimierungen hier sind also von
Deutlich weniger regionale Schadstoffemissionen,
zentraler Bedeutung. Gefragt sind innovative Tech-
massive Reduktion des CO2-Ausstosses aus dem
nologien für den Neubau sowie effektive Kon-
Individualverkehr, Darstellung der erforderlichen
zepte für die energetische Sanierung und Reno-
Stabilität des Stromnetzes und erneuerbare Ener-
vation von Altbauten. Hier setzt die Empa einen
gien im Mobilitätssystem: Diese Ziele verfolgen am
Schwerpunkt. Im CCEM-Projekt «Advanced Energy-
Beispiel der Agglomeration Zürich das Institut für
Efficient Renovation of Buildings» arbeitet sie
Verkehrsplanung und Transportsysteme, das Ins-
mit der ETH Zürich, der EPFL, dem PSI, den Fach-
titut für Elektrische Energieübertragung und das
hochschulen Nordwestschweiz und Zentralschweiz
Laboratorium für Aerothermochemie und Verbren-
sowie mehreren Industriepartnern zusammen,
nungssysteme des Instituts für Energietechnik,
um energieeffiziente Renovationen an verschie-
alle ETH Zürich. Sie arbeiten an «plug-in»-Hybrid-
denen Gebäudetypen zu ermöglichen. Weiter
antrieben für Autos, die mit CO2-armem Strom
wird ein Tool entwickelt, das bezüglich Energie
«aufgetankt» werden.
und Ökonomie die Entscheidungsfindung unterstützt. Das Projekt ist stark in internationale Ak-
Materialien für Umwandlung und Speicherung
tivitäten eingebettet.
Die Empa entwickelt auf dem Gebiet der Thermoelektrizität nanostrukturierte, thermoelektrisch
Mobilitätssysteme
aktive p- und n- leitende Oxide. Sie kommen in
Ergänzend zu den Projekten zu alternativen Treib-
neuartigen thermoelektrischen Demonstratoren
stoffen und neuen Antriebssystemen untersu-
zum Einsatz, um deren Anwendung für die direkte
chen verschiedene Gruppen des ETH-Bereichs das
Umwandlung von Solarstrahlung, Erdwärme oder
Thema Mobilität und seine Auswirkungen auf
Motorenabwärme in Strom zu testen. Wasserstoff
die Verkehrsplanung, die Weiterentwicklung des
als synthetischer Energieträger erfordert die Ent-
multimodalen Verkehrssystems, den Einsatz von
wicklung von Materialien zur effizienten Produk-
Informationstechnologie und die langfristige
tion und kompakten Speicherung. Die Abteilung
Raumplanung. Für die Entwicklung der Transport-
Hydrogen & Energy an der Empa erforscht die
nachfrage sind Fragen der gesellschaftlichen
Wechselwirkung von Wasserstoff mit Festkörpern
Präferenz und nach der Diffusion technischer In-
und Nanostrukturen. Neue komplexe Hydride er-
novationen wichtig.
lauben die Speicherung von Wasserstoff mit mehr
als der doppelten Dichte von Flüssig-Wasserstoff.
Dienstleistungen für die Industrie
Die industrielle Produktion bietet zahlreiche Möglichkeiten, durch Produktentwurf und Prozessinnovation den Energieeinsatz zu senken. In dieser
wichtigen, facettenreichen Aufgabe arbeiten die
Institutionen des ETH-Bereichs in vielfältigen
Projekten mit grossen, mittelständischen und
kleinen Unternehmen zusammen.
11
HANDLUNGSF ELDER UND PROJ EKTE
Energierelevanz von Wasser
Partnerschaft mit den Gemeinden
Nahrungsmittelproduktion, Wasserbedarf und
Basel, Zürich und Genf sind Partnerstädte von
Energieverbrauch sind eng miteinander verbunden.
«novatlantis – Nachhaltigkeit im ETH-Bereich».
Mit den Fragen des Wassers und Abwassers be-
Hier werden die neusten Erkenntnisse aus dem
schäftigt sich die Eawag, das Wasserforschungs-
ETH-Bereich im Alltag verankert, zum Beispiel
institut des ETH-Bereichs. Sie bearbeitet Fragen
CLEVER-Naturgas-Fahrzeuge, Wasserstoff-Brenn-
mit Energierelevanz im Bereich der Wassernut-
stoffzellen-Fahrzeuge, neuartige Baumaterialien
zung, der Siedlungswasserwirtschaft und in Stu-
und Sanierungsmethoden oder modernste Tech-
dien zur globalen Wasserversorgung.
niken der Versorgung mit erneuerbaren Energieträgern. Um die Energievisionen des ETH-Bereichs
Energiesystemanalysen
international zu verankern, gründete Novatlantis
Die Analyse der Auswirkungen von Energieketten
2006 das «ISCN - International Sustainable Cam-
und Produktzyklen im Sinne des vollständigen
pus Network». Ihm gehören aktuell über siebzig
Lebenszyklus hat am PSI (Energie), an der Empa
Universitäten auf der ganzen Welt an.
(Materialien) und den beiden technischen Hochschulen (Chemie, Prozesse, Methoden) Tradition
Forschung und Gesellschaft
und wird in der gemeinsamen Kompetenz «eco-
Die Klimapolitik bleibt weit hinter ihren Möglich-
invent» weiterentwickelt. Bei der strategischen
keiten zurück. EPF Lausanne, Eawag sowie das
Bewertung von Biotreibstoffen arbeiten Empa,
Institut für Umweltentscheidungen und das De-
PSI und EPFL intensiv zusammen (CCEM-Projekt
partement für Management, Technologie und
«Second Generation Biogas»). Diese Aktivitäten
Ökonomie (beide ETH Zürich) untersuchen die Ur-
werden ergänzt durch die Analyse der Risiken
sachen für das Missverhältnis zwischen klimabe-
technischer Systeme und die Entwicklung von
zogenem Wissen und klimafreundlichem Handeln.
Szenarien für die Energieversorgung im 21. Jahr-
Sie entwickeln Vorschläge für technologische und
hundert mit den Methoden der Energie-Ökono-
institutionelle Innovationen, die den Klimawandel
mie (PSI und ETH Zürich).
bremsen können, und beziehen Industrie-, Entwicklungs- und Schwellenländer in die Analyse ein.
Überblick über die Projekte
Der ETH-Bereich hat im Jahr 2005 eine Bestandesaufnahme zur Energieforschung vorgenommen
und in der Publikation «Energy Research in the
ETH Domain» dokumentiert. Das Portfolio umfasst über 500 Projekte und entwickelt sich dynamisch. Ein PDF der Publikation kann unter
www.ethrat.ch/content/energie.php abgerufen
werden.
Interdisziplinäre Plattformen im ETH-Bereich
Die Energiethematik ist überaus komplex. Das Zusammenspiel von Natur- und Ingenieurwissenschaften unterschiedlicher Provenienz hat traditionell einen hohen
Stellenwert. Zusätzlich laufen im ETH-Bereich zahlreiche Initiativen, die sich des
Energiesystems Schweiz mit Blick auf die globale Dimension inter- und transdisziplinär annehmen. Einige Beispiele:
12
1998 lanciert der ETH-Rat die
Beide Hochschulen errichten
2006 werden im ETH-Bereich
«Strategie Nachhaltigkeit».
ein Energiezentrum: 2005
auf Anregung des ETH-Rates
Ihre Umsetzung wird getra-
entsteht innerhalb der ETH-
unter anderen die Kompe-
gen durch die Initiative
Zürich das Energy Science
tenzzentren CCES (Competence
«novatlantis» und deren
Center. Es umfasst mehr als
Center Environment and Su-
Projekt «Vision der 2000-
40 Forschungsgruppen aus 12
stainability), CCMX (Compe-
Watt-Gesellschaft». Seit 2000
der insgesamt 16 ETH-Depar-
tence Center for Materials
engagiert sich novatlantis
temente, was eine interdis-
Science and Technology) und
zusammen mit Partnern aus
ziplinäre Forschung und
CCEM (Competence Center
Wissenschaft, Wirtschaft,
Lehre ermöglicht. 2007 bün-
Energy and Mobility) etabliert.
Behörden und Politik dafür,
delt auch die EPFL in Lau-
Letzteres bündelt und koor-
dass Erkenntnisse sowie
sanne ihre Kompetenzen in
diniert unter Federführung
Ressourcen schonende Tech-
einem interdisziplinären
des PSI die Forschungskom-
nologien in der Gesellschaft
Energy Center.
petenzen der Technischen
verwendet und verbreitet
werden.
Hochschulen und ForschungsAm Paul Scherrer Institut wer-
institutionen in der Schweiz
den die Aktivitäten auf dem
im Bereich Energie und Mo-
Gebiet der Energiesystem-
bilität.
analysen 2006 zu einem gemeinsamen Labor der Forschungsbereiche Allgemeine
Energie und Nukleare Energie, Sicherheit zusammengefasst.
13
Die Zeit läuft
Sollen bis 2100 die Klimaerwärmung stabilisiert und die Energieversorgung der Weltbevölkerung mit nachhaltigen Energieträgern gesichert sein, müssen bereits heute
Entscheidungen gefällt werden, deren Konsequenzen erst die nachfolgenden Generationen erleben werden.
Im Wissen um die zahlreichen fachlichen, weltanschaulichen und politischen Spannungsfelder
Relevante Begriffe:
beim Thema Energie versteht sich der ETH-Bereich
Primärenergie: Energie, die der Natur
als Forschungs- und Entwicklungsabteilung der
entnommen wird, inkl. der zur Förderung
Schweiz, als unvoreingenommener wissenschaft-
benötigten Energie.
licher Vordenker und als fachlicher Sparringpart-
Importierte graue Energie: Energieauf-
ner der verschiedenen Interessengruppen.
wand von der Herstellung bis zur Entsor-
Darüber hinaus sind wir als Individuen auf-
gung eines Produktes, der ausserhalb
gefordert, unseren persönlichen Energieumsatz
jenes Landes entsteht, in welchem das
auf den Prüfstand zu stellen. Als Bürgerinnen und
Produkt genutzt wird.
Bürger sind wir bei der Festlegung der Rahmen-
Endenergie: Kommerziell gehandelte
bedingungen in die Verantwortung eingebunden
Energieträger wie Heizöl, Benzin/Diesel,
und als Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft-
Erdgas, Holzpellets, Strom, Fernwärme.
ler ist es unsere Aufgabe, nach bestem Wissen
Nutzenergie: Letztlich genutzte Energie-
und Gewissen zukunftsträchtige Wege zu finden
form wie Heizwärme am Radiator, Licht
und aufzuzeigen.
zur Beleuchtung, Fortbewegungsenergie
am Rad eines Fahrzeugs.
Energiedienstleistungen: Leistungen, die
den Einsatz technischer Lösungen mit
Energieeinsatz benötigen (z.B. Temperatur im Raum, Informationsverarbeitung,
Individuelle Verschiebung einer Person
von A nach B mit x Gepäckvolumen).
Effizienzstrategie: In allen Umwandlungsschritten, von der Primärenergie bis
zur Energiedienstleistung, werden die
Umwandlungsverluste minimiert.
Substitutionsstrategie: Die CO2-Intensität
der Endenergie (kg CO2/MJ) wird verringert, indem CO2-intensive durch CO2arme Energieträger ersetzt werden.
Dieser Prozess stellt eine «Entkarbonisierung» des Energiesystems dar.
Suffizienzstrategie: Individuen ersetzen
bewusst energieintensive Dienstleistungen durch solche mit geringerem Energiebedarf (z.B. Videokonferenz statt Flugreise).
Im Dialog mit der Bevölkerung
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Publikationen aus dem ETH-Bereich zum Stand
der Arbeiten:
novatlantis news update
Die vorliegende Publikation wurde inhaltlich von
einer Arbeitsgruppe aus dem ETH-Bereich betreut.
PSI Energiespiegel
Prof. Dr. Alexander Wokaun, Paul Scherrer
ESC-Energiestrategie: Bericht des Energy
Institut PSI, Leiter Forschungsbereich Allgemeine
Science Center der ETH Zürich, Februar 2008
Energie, Direktionsausschuss PSI
(Leitung der Arbeitsgruppe)
Veranstaltungen:
Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos, ETH Zürich,
Energietrialog Schweiz
Leiter Laboratorium für Aerothermochemie und
novatlantis Bauforum
Verbrennungssysteme, Leitung Energy Science
ESC-Kolloquien
Center
(14-täglich während des Semesters)
Dr. Philipp Dietrich, Paul Scherrer Institut PSI,
Schweizer Status-Seminar der Energie- und
Competence Center Energy and Mobility CCEM-
Umweltforschung im Bauwesen, Empa/brenet
CH, Geschäftsführer
Internationale Konferenzen und Kongresse
Prof. Dr. Hans-Björn Püttgen, EPF Lausanne,
Eine Auswahl:
Energy Systems Management Chair, Director
Smart Energy, Zürich, zweijährlich, ESC
Energy Center
International Advanced Mobility Forum
Dr. Veronika Stöckli, Eidg. Forschungsanstalt
IAMF, Genf, jährlich, Koorganisator PSI
für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Leitung
R’09 Twin World Congress, zweijährlich,
Programm CO2
Davos/Nagoya, Koorganisator Empa
Roland Stulz, novatlantis, Geschäftsführer
Mark Zimmermann, Eidg. Materialprüfungs- und
Forschungsanstalt Empa, Abt. Bautechnologien
Impressum
Herausgeber
ETH-Rat
CH-8092 Zürich
Inhalt
CCEM (Competence Center Energy and Mobility)
Prof. Dr. Alexander Wokaun und Arbeitsgruppe des
ETH-Bereichs
Projektleitung/Redaktion
Markus Bernhard, Stab ETH-Rat
Barbara Trautweiler, Projekte, Zürich
Layout und Produktion
BrandNew, Zürich
© 2008 ETH-Rat
Diese Broschüre existiert auch in französischer und
englischer Sprache.
ETH-Rat
ETH Zentrum
CH-8092 Zürich
Tel. +41 (0)44 632 20 50
Fax +41 (0)44 632 1 1 90
www.ethrat.ch
Eidg. Forschungsanstalt für Wald,
Schnee und Landschaft WSL
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