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 14 15 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
