01. Juni 2011

In langfristigen Projekten erforschen die Wissenschafterinnen und Wissenschafter des ETH-Bereichs Möglichkeiten, um eine ressourcenschonende, klimaverträgliche, sichere und unabhängige Energieversorgung der Schweiz zu gewährleisten. Dabei geht es zum Beispiel darum, die Nutzung von Gaskombikraftwerken mit CO2-Abscheidung, tiefer Geothermie, Solarenergie, Wasserkraft und Biomasse zu optimieren und zu intensivieren.

Von der Empa entwickelte Dünnfilmsolarzellen auf transparenter Polyimidfolie. Durch die Flexibilität der Folie könnten die Solarzellen auf diversen Oberflächen aufgebracht werden. Quelle: Empa.

Die Energieforschung ist im ETH-Bereich langfristig orientiert und nimmt eine wichtige Rolle ein. Die Forschungsprojekte konzentrieren sich auf das Potential, die Machbarkeit und die Risiken verschiedener Energietechnologien und liefern so die Grundlage für politische Entscheidungen. Im Fokus der Forschenden steht neben der Effizienzsteigerung die Optimierung erneuerbarer Energien wie Wasserkraft, Biomasse, Solarenergie und tiefe Geothermie, sowie die Reduktion des CO2-Ausstosses von Gaskombikraftwerken. «Die Aufgabe der Forschung ist es, die Möglichkeiten und Herausforderungen unterschiedlicher Energietechnologien aufzuzeigen. Die Entscheidungen werden aber die Politikerinnen und Politiker fällen müssen», sagt Fritz Schiesser, Präsident des ETH-Rats.

Klimafreundliche Gaskombikraftwerke
Ein modernes Gaskombikraftwerk mit 400 Megawatt Leistung könnte ein Kernkraftwerk der Grösse Mühlebergs ersetzen. Damit wären allerdings zusätzliche Treibhausgasemissionen von rund einer Million Tonnen CO2 pro Jahr verbunden. Es ist heute technisch machbar, dieses CO2 vor dem Kamin abzuscheiden, um es anstatt in die Luft in den Boden zu leiten. In Tiefen von mindestens 800 Metern lässt es sich unterhalb dichter Gesteinsschichten, ähnlich natürlicher Öl- oder Erdgaslager, dauerhaft speichern. Ob und in welchem Masse dieses Verfahren auch in der Schweiz machbar ist, wird im Projekt CARMA unter der Leitung von Prof. Marco Mazzotti von der ETH Zürich untersucht. Die Speicherkapazität und die Kosten spielen dabei ebenso eine Rolle wie die Nachhaltigkeit und die Akzeptanz in der Bevölkerung. Für letztere ist vor allem die Wirksamkeit und Sicherheit der CO2-Speicherung zentral. Beides in einem Feldversuch zu demonstrieren, ist das erklärte Ziel der Forschenden. «Es ist Eile geboten, denn von der Planung bis zum Abschluss eines Feldversuches vergehen erfahrungsgemäss zirka zehn Jahre. Erst nach erfolgreicher Demonstration sollte die Speicherung der in Gaskombikraftwerken anfallenden CO2-Mengen realisiert werden», sagt Marco Mazzotti.

Unerschöpfliche Energie im Erdinneren
«Die Wärme im Erdinneren stellt eine kaum erschöpfbare Energiequelle dar. Das Potenzial der tiefen Geothermie ist nicht durch die vorhandenen Ressourcen, sondern durch die Technologie begrenzt», sagt Marco Mazzotti. Natürliche, Warmwasser führende Schichten, die alle Anforderungen zur Stromerzeugung erfüllen, gibt es nur an wenigen Standorten. Enhanced Geothermal Systems (EGS) ermöglichen es, einen wesentlich grösseren Teil der in der Tiefe vorhandenen Wärmeenergie zugänglich und an der Oberfläche nutzbar zu machen. Bei diesem Verfahren wird die Durchlässigkeit des Gesteins durch Stimulation erhöht, um die Wasserzirkulation durch das heisse Reservoir zu ermöglichen. Verschiedene Aspekte dieser fortschrittlichen Reservoirerschliessung werden im ETH-Bereich weiterentwickelt. Dazu zählen etwa die Vermeidung spürbarer seismischer Aktivität sowie neue Bohrverfahren.

Dünnfilmsolarzellen mit Marktpotential
Nicht nur das Erdinnere birgt ein immenses Energiepotenzial, auch die Sonne könnte unser Energieproblem theoretisch lösen. «In 80 Minuten trifft so viel Sonnenenergie auf die Erde, wie die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht», sagt Prof. Gian-Luca Bona, Direktor der Empa. Um die Sonnenenergie noch besser zu nutzen, konzentriert sich die Empa auf die Entwicklung einer neuen Generation von Solarzellen, die mittels Dünnfilmen auf Folien aufgebracht werden. Diese anorganischen Dünnfilmsolarzellen verfügen im Labor bereits über einen hohen Wirkungsgrad von über 18 Prozent. Der Wirkungsgrad beschreibt den Anteil der einfallenden Sonnenenergie, der in elektrischen Strom umgewandelt wird. Um die Dünnfilmsolarzellen grossflächig und damit kostengünstig auf unterschiedlichen Materialien aufzubringen, entwickeln die Forschenden der Empa eine Art Drucktechnik, die eine breite Anwendung von Dünnfilmsolarzellenbegünstigen könnte.

Die Wasserkraft noch besser nutzen
Wasserkraftwerke produzieren 55 Prozent des Stroms in der Schweiz. Die Wasserkraft ist damit die bedeutendste erneuerbare Energie unseres Landes. Vor allem Pumpspeicherwerke erfüllen eine wichtige Rolle bei der Abdeckung von Nachfragespitzen, der Bildung von Stromreserven und der Integration neuer erneuerbaren Energien ins Stromnetz. An der EPFL (ETH Lausanne) laufen verschiedene Projekte zur Erforschung effizienter Betriebsarten für Pumpspeicherwerke und deren umfassende Überwachung. Auch dem Unterhalt der Kraftwerke komme eine grosse Bedeutung zu, ist Massimiliano Capezzali, stellvertretender Leiter des Energy Center der EPFL, überzeugt: «Durch die Renovation und Vergrösserung von Schweizer Wasserkraftwerken könnte deren Energieproduktion erheblich gesteigert werden.»

Das Wasserforschungsinstitut Eawag untersucht parallel dazu, welche Auswirkungen die Wasserkraftnutzung auf die aquatischen Ökosysteme hat und wie negative Folgen, zum Beispiel für die Fischwanderung oder die Auendynamik, vermieden werden können. An der WSL laufen Studien zum künftigen Wasserangebot in der Schweiz. Die Forschenden untersuchen etwa, wie viel Wasser in einem wärmeren Klima mit weniger Schnee und teilweise abgeschmolzenen Gletschern für die Stromproduktion zur Verfügung stehen wird.

Methan für dezentrale Stromversorgung
Nach dem Wasser ist Biomasse die zweitwichtigsteerneuerbare Energiequelle der Schweiz. Biomasse bezeichnet sämtliches durch Fotosynthese erzeugtes organisches Material, das nicht wie Erdöl oder Kohle durch geologische Prozesse verändertwurde. Bei der Energiegewinnung wird die Biomasse durch Katalyse oder Vergasung in Treibstoffe, Chemikalien oder Methan umgewandelt. «Methan könnte eine dezentrale Stromversorgung antreiben oder für Fahrzeuge mit Gasmotoren verwendet werden», sagt Prof. Alexander Wokaun, Leiter des Bereichs Allgemeine Energie am PSI. Bei der Energiegewinnung mit Biomasse kommt vorallem holzartiges Abfallmaterial zum Einsatz. Die Produktion von Methan aus Holz (Bio-SNG) böte der Schweiz gemäss einer Studie der Eawag eine gute Ergänzung zu etablierten Energietechnologien.

Viel genutztes Holz
Die Wärme- und Energiegewinnung aus Holz hat durch die Knappheit der fossilen Brennstoffe in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Für die Planung eines allfälligen Ausbaus der Holzenergie ist es wichtig, die in den Schweizer Wäldern vorhandenen Holzvorräte zu kennen. Eine Bestandsaufnahme dieser Vorräte bietet das Landesforstinventar (LFI), das die WSL zusammen mit dem Bundesamt für Umwelt durchführt. Der Wald dient nicht nur als Energieressource sondern auch der Erholung, der Biodiversität oder dem Schutz vor Naturgefahren. Zudem ist Holz ein wichtiges Baumaterial. Dies alles kann zu Nutzungskonflikten führen. Die WSL erforscht deshalb, wie viel Holz künftig für die Energieproduktion zur Verfügung stehen wird. Dazu entwirft sie verschiedene Szenarien rund um Faktoren wie Klima, Bewirtschaftung oder Nutzung für andere Zwecke.

Auch wenn Abfallholz eine sinnvolle Biomasse darstellt, forschen Alexander Wokaun und sein Team an alternativen Stoffen, die ein hohes, noch ungenütztes energetisches Potential aufweisen. Vielversprechend ist gemäss Alexander Wokaun wasserhaltige Biomasse wie Gülle oder Klärschlamm, die unter hohem Druck in Methan umgewandelt wird. Die Forschenden entwickeln am PSI derzeit eine Pilotanlage für dieses Verfahren.

Energieeffizienz ist unabdingbar
Auch wenn die Schweiz die Energiegewinnung optimiert, ist es unerlässlich, die bereitgestellte Energie effizienter zu nutzen. Das am PSI angesiedelte Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität (CCEM) fördert institutionsübergreifende Energieforschungsprojekte im ETH-Bereich. Damit leistet es einen Beitrag zur Lösung der grossen Herausforderungen, die an das Schweizer Energiesystem gestellt werden: Dieses soll die Energiedienstleistungen ressourcenschonend, emissionsarm, zuverlässig und ökonomisch bereit stellen. Die Wege zur Erreichung dieser Nachhaltigkeitsziele werden am CCEM erforscht. Sie umfassen die Effizienzsteigerung bei allen Energieumwandlungsschritten, die Energiespeicherung sowie den Ersatz fossiler Brennstoffe durch CO2-arme Energieträger. An den Institutionen des ETH-Bereichs laufen zahlreiche Projekte zur Entwicklung energieeffizienter Technologien. Das PSI forscht etwa an effizienteren Fahrzeugen. In Zusammenarbeit mit der Industrie haben PSI-Forschende ein Brennstoffzellensystem entwickelt, das als Grundlage für einen marktfähigen Fahrzeugantrieb dienen könnte. An der Empa suchen die Wissenschafter nach Technologien, die den Energieverbrauch von Gebäuden senken. Interessant sind beispielsweise Verputze auf der Basis von Nanomaterialien. Ein solcher Hochleistungsdämmputz der Empa isoliert zwei- bis dreimal besser als herkömmliche Verputze und ist sowohl für Neubauten als auch für Renovationen geeignet. Die Eawag entwickelt energiesparende Verfahren zur Abwasserbehandlung weiter, die unter anderem in einer Kläranlage der Stadt Zürich bereits eingesetzt werden. Die EPFL entwickelt schliesslich gemeinsam mit den Städten La Chaux-de-Fonds, Lausanne, Martigny und Neuenburg eine Software, mit der Städte die Energieversorgung und Energienachfrage besser planen und verwalten können.