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Energie und Umwelt

Forschung am Paul Scherrer Institut


Am Paul Scherrer Institut werden Methoden entwickelt, um die Emis­ sionen aus der Verbrennung von Biomasse oder von Kehrichtverbren­ nungsanlagen mit grosser Genauig­ keit zu messen.


Inhalt 4 Energieforschung für eine lebenswerte Zukunft 6 Biomasse – ein brachliegender Energieschatz

6 Gas aus dem Wald

7

Auch wässrige Biomasse anzapfen

7

Zukunftsvision: Biogas aus Algen

7

Kompetenzzentrum Bioenergie

8 Forschen für bessere Stromspeicher

8 Von Strom zu Gas

9 Langlebige, kostengünstige

Membranen

10 Gebündelte Sonnenkraft

11 Batterien – Energie zum Mitnehmen

11 Kompetenzzentrum Speicherung

12 Mobil ohne Rauchfahne

12 Von der Zelle zum System

13 Mit Wasserstoff in die Zukunft fahren

16 Gesucht: neue Flamme 18 Feinstaub, Wolken und Jahrringe

18 Wolken im Edelstahlbehälter

20 Klimapuzzle Aerosole

20 Umweltveränderungen an Isotopen

ablesen

21 Weniger Risiko, weniger Abfall

23 Wie KKW altern – Wissen aus den

heissen Zellen

25 Der Mensch als Risikofaktor

26 Sicher eingeschlossen

26 Wie sich Radionuklide im Gestein

fortbewegen

26 PSI-Sorptionsmodell bewährt sich

27 Vorsprung durch Hotzellen und

Synchrotronlicht

28 Energiesysteme: Blick für das Ganze 13 Profundes Fachwissen und einmalige Infrastruktur

13 Weniger Schadstoffe im Abgas

29 Analysen durch Szenarien

29 Den ökologischen Fussabdruck

vermessen

14 Katalyse – ein Beschleuniger der 29 Ausgewogene Bewertung von Risiken Energieeffizienz 31 Das PSI in Kürze

15 Wertvolles aus Pflanzenstoff

15 Massgeschneiderte Katalysatoren

31 Impressum 31 Kontakte

Umschlagbild Energieforschung benötigt komplexe Labormess­ geräte, wie dieses Photoelektronen-Röntgen­ spektrometer. Damit können PSI-Forschende die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Oberflächen von Katalysatoren untersuchen, die für die Funktion von Batterien, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren eine entscheidende Rolle spielen. 3


Energieforschung für eine lebenswerte Zukunft Unser aller Leben wird in beträchtlichem Ausmass davon geprägt, ob und zu welchen Bedingungen wir Zugang zu Energie haben. Die Verfügbarkeit von Strom und Wärme zu erschwinglichen Preisen in Haushalt, Gewerbe und Industrie ist die Grundlage unseres Wohlstands. Ebenso wichtig, aber auch energieintensiv sind der Transport von Waren und die Mobilität von Personen. Unser Energieverbrauch beruht auf endlichen natürlichen Ressourcen und hat Folgen für Umwelt und Gesundheit. Die Energieforschung am Paul Scherrer Institut PSI verfolgt das Ziel, grundlegende Erkenntnisse für Technologien zu liefern, die eine nachhaltige und sichere Energieversorgung gewährleisten. Ein wichtiger Schwerpunkt liegt auf effizienten Verfahren für die Umwand­ lung erneuerbarer Energien in nutzbare Endenergie wie Strom, Wärme oder Kraftstoffe. Forschende des PSI arbei­ ten an ebendiesen Verfahren, sodass die neuen Erneuerbaren nicht nur die Umwelt, sondern auch das Portemon­ naie schonen. Sie profitieren dabei von der schweizweit einmaligen Infrastruk­ tur des Instituts, insbesondere von seinen Grossforschungsanlagen. PSI-Forscher und -Forscherinnen inte­ ressieren sich beispielsweise für die in

entweder in Strom, Wärme oder Kraft­

Wasserstoff dafür könnte man zum Bei­

Biomasse schlummernde Energie. Die

stoffe für Autos umgewandelt werden.

spiel mit Solarwärme herstellen, wie

Biomasse ist nach der Wasserkraft die

Eine umweltfreundlichere Mobilität

PSI-Wissenschaftler in grundlegenden

heimische Energiequelle mit dem

liegt PSI-Forschenden ebenfalls am

Forschungsarbeiten gezeigt haben. Zu

grössten Potenzial. Um diesen noch

Herzen. Mit ihrer langjährigen Arbeit

weniger Umweltbelastung durch den

brachliegenden Schatz zu heben, ent­

an Brennstoffzellen haben sie eine

Verkehr tragen auch die PSI-Arbeiten

wickeln PSI-Wissenschaftler Verfahren,

Technologie weiterentwickelt, die er­

zu effizienteren Katalysatoren für Ver­

mit denen aus Holz, Gülle, Klärschlamm

neuerbar produzierbaren Wasserstoff

brennungsmotoren bei.

oder Algen energiereiches Biogas her­

effizient in Strom umwandelt und nur

Durch den Ausbau der neuen Erneuer­

gestellt werden kann. Das Biogas kann

Wasserdampf als Abgas ausstösst. Den

baren werden im Schweizer Energie­

4


Brennstoffzellen könnten als sauberer Antrieb für Autos unsere zukünftige Mobilität umweltfreundlicher machen. In Labortests versuchen PSI-Forschende die Mechanismen zu verstehen, die zur Alterung von Brennstoffzellen führen, um dann mögliche Lösungen zu erarbeiten.

Kernenergieforschung wird am PSI vor dem Hintergrund des globalen gesell­ schaftlichen Bedürfnisses nach siche­ ren Kernkraftwerken betrieben. Auch die wissenschaftliche Basis für die Planung der geologischen Tiefenlager für radioaktive Abfälle wird am Institut erarbeitet. Eine «neue Flamme», die etwa in Gas­ turbinen weniger schädliche Abgase produziert, erforscht man ebenfalls am PSI. Denn Verbrennungstechnologien dürften mittelfristig noch einen Teil der Energieversorgung der Schweiz bestrei­ ten. Auch der Blick für das Ganze fehlt am PSI nicht. Die Analyse von Energiesys­ temen in ihren komplexen Verflechtun­ gen von technologischen, ökonomi­ schen und ökologischen Aspekten soll Entscheidungsträgern aus Politik und Wirtschaft fundierte Grundlagen für stra­ tegische Weichenstellungen bieten. Nicht zuletzt befassen sich PSI-For­ schende auch mit den Folgen der Energienutzung für die Umwelt. Sie untersuchen etwa die Russ- und Fein­ staubemissionen aus Verkehr, Kraft­ werken und anderen Quellen. Zudem wird der Einfluss dieser Emissionen auf klimarelevante Prozesse und auf die menschliche Gesundheit erforscht. Details über die vielfältigen For­

system immer mehr Energiespeicher

träger wie Wasserstoff oder Methan,

schungsarbeiten zum Thema Energie

nötig. Denn Solar- und Windstrom fal­

die über längere Zeit gespeichert und

und Umwelt am PSI erfahren Sie auf

len nicht konstant an und erzeugen

über weite Strecken transportiert

den folgenden Seiten.

dadurch mal einen Stromüberschuss,

werden können. Auch Batterietech­

mal tageszeitliche und saisonale Ver­

nologien für die Speicherung von

sorgungslücken. Am PSI wird an ver­

Strom in Elektronikgeräten oder an

Mehr über die Energie- und

schiedenen Speichertechnologien

Bord von Autos sind Gegenstand von

Umweltforschung des PSI

geforscht. Der Fokus liegt dabei auf

Forschungsprojekten, bei denen das

erfahren Sie unter:

Verfahren zur Umwandlung von Über­

PSI zum Teil mit Industriefirmen zusam­

schuss-Strom in chemische Energie­

menarbeitet.

http://psi.ch/zCS5 5


Biomasse – ein brachliegender Energieschatz In Biomasse steckt viel Energie – Energie, die erneuerbar und klimaneutral ist und praktisch überall auf der Welt gewonnen werden kann. Für viele Länder wäre die Nutzung der in Biomasse gespeicherten Energie deshalb ein bedeutender Schritt in Richtung energetischer Unabhängigkeit. In der Schweiz ist die Biomasse nach der Wasserkraft die zweitwichtigste erneuerbare Energiequelle und hat – nachhaltig genutzt – das Potenzial, einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung zu leisten.

Gas aus dem Wald Forschende des PSI helfen, diesen Energieschatz zu heben. Sie untersu­ chen etwa die Umwandlung von Holz zu Synthesegas, einer Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Syn­ thesegas kann zu Methan (Hauptbe­ standteil von Erdgas) umgewandelt und zu flüssigen Treibstoffen wie Benzin und Diesel weiterverarbeitet werden. Methan aus Holz wäre als Brennstoff nahezu CO2-neutral, weil nur das CO2 freigesetzt wird, das von den Pflanzen zuvor der Atmosphäre entzogen wurde. Am PSI wird seit mehr als 10 Jahren ein Verfahren zur Herstellung von synthe­ tischem Erdgas aus Holz entwickelt. Zur Optimierung des Prozesses und der dabei verwendeten Katalysatoren grei­ fen die PSI-Forschenden auf umfang­ reiches Fachwissen in Gebieten wie Chemie und Materialwissenschaften

trationsanlage zur Methanherstellung

sowie auf vernetztes Ingenieurdenken

aus Holz geführt. Das am PSI entwi­

zurück. Die Zusammenarbeit der PSI-

ckelte Verfahren wurde mit dem Preis

Wissenschaftler mit Industriefirmen hat

«Watt d’Or» vom Bundesamt für Energie

bereits zur Realisierung einer Demons­

BFE ausgezeichnet.

6

In einer eigens dafür gebauten Anlage haben Forschende und Tech­ niker des PSI gezeigt, dass es technisch möglich ist, aus Algen und anderen wässrigen Biomassesorten das energiereiche Gas Methan zu gewinnen.


Sonnenenergie Forschungsgebiete des PSI Trockene Biomasse

Thermochemische Umwandlung

Produkte

Verbrennung

Nutzenergie

stand über, und in diesem Zustand sind Salze nicht wasserlöslich. Das erleich­

M Holz

den sogenannten überkritischen Zu­

tert die Rückgewinnung von wertvollen

Biomethan

Strom

Nährstoffen aus Gülle, Klärschlamm und Algen, sodass Naturressourcen ge­

Katalysatoren

Biodiesel

Heiztechnik

Wärme

Salze führt auch zu einer wesentlich längeren Einsatzdauer des Katalysators,

Wässrige Biomasse

Klärschlamm

schont werden. Die Abtrennung der

D

der bei der hydrothermalen Vergasung

B Chemische Verfahren

Biobenzin

Motoren

Bewegung

Gülle Feinchemikalien für die Kosmetik- und Lebensmittelherstellung (Öle, Fette, Proteine)

Algen

die Produktion von Methan ermöglicht.

Zukunftsvision: Biogas aus Algen Als langfristige Vision erforschen PSIWissenschaftler ein spezielles Verfah­ ren zur Energiegewinnung aus Algen.

Überreste aus der Herstellung von Feinchemikalien werden als Dünger für die Algenzüchtung rezykliert.

Auch wässrige Biomasse anzapfen Ein weiteres PSI-Verfahren zielt auf die effiziente Nutzung von nasser Biomasse wie etwa Gülle, Klärschlamm und Ernte­ resten – und langfristig auch Algen. Nasse Biomasse könnte rund 35 Peta­

Algen wachsen schnell und lassen sich In Biomasse steckt ein grosses Po­ tenzial für die Energieversorgung der Schweiz. Am PSI werden Verfahren entwickelt, um sowohl aus trockener wie aus wäss­riger Biomasse ener­ giereiche Gase wie Methan zu gewin­ nen. Ein wichtiger Bestandteil dieser Verfahren ist ein geeigneter Katalysa­ tor, ohne den die Umwandlung zu ineffizient oder gar unmöglich wäre.

joule Energie zur Schweizer Energiever­

sowohl zu Energieträgern als auch zu Feinchemikalien verarbeiten, ohne landwirtschaftlich nutzbare Fläche in Anspruch nehmen zu müssen. Aber der Forschungsbedarf zur Verwertung von Algen ist noch gross. Mit dem Ziel, die technisch-ökonomische Machbarkeit eines Verfahrens zur energetischen Nutzung von Algen zu demonstrieren, arbeitet das PSI mit der EPF Lausanne, der Empa und der Hochschule für Tech­

sorgung beitragen. Doch nur knapp ein

nik Rapperswil im Projekt SunCHem

Drittel davon wird heute verwertet. Der

peratur und unter Druck in das energie­

zusammen. Zum Zuge kommt dabei die

bei konventionellen Verfahren erforder­

reiche Gas Methan. Nebenbei lassen

am PSI entwickelte hydrothermale Ver­

liche Energieaufwand für die Trocknung

sich die in der Biomasse enthaltenen

gasung. Zudem schliesst das SunChem-

der Biomasse ist oft zu hoch für eine

Salze leichter abtrennen. Denn bei ge­

Verfahren die Stoffkreisläufe, weil die

wirtschaftliche Nutzung. Am PSI arbei­

nügend hohen Temperaturen und Drü­

Nährstoffe und das Wasser zum Wachs­

ten Forscher deshalb an einem Verfah­

cken (374 °C, 221 bar) geht Wasser in

tum der Algen rezykliert werden.

ren, das die Trocknung der Biomasse überflüssig macht, um die nasse Bio­ masse mit tieferen Energiekosten nutz­ bar zu machen. Insgesamt ist das Ver­ fahren – hydrothermale Vergasung

Kompetenzzentrum Bioenergie

genannt – effizienter als biotechnologi­

Seit Anfang 2014 agiert das PSI als federführendes Institut des vom Bund einge­

sche Alternativen wie die Vergärung. Bei

richteten Kompetenzzentrums für Energieforschung im Bereich Biomasse. Das

der hydrothermalen Vergasung können

Kompetenzzentrum BIOSWEET (BIOmass for SWiss EnErgy fuTure) vereint 12

60 bis 75 Prozent der in den Ausgangs­

Schweizer Forschungseinrichtungen und fördert somit die Zusammenarbeit zum

stoffen enthaltenen Energie in Form von

Thema energetische Nutzung von Biomasse, inklusive der fermentativen Verfah­

Methan gewonnen werden.

ren (Vergärung). Langfristig, so das ambitionierte Ziel von BIOSWEET, soll die

Bei der hydrothermalen Vergasung

Biomasse 100 Petajoule pro Jahr zur Schweizer Strom- und Wärmeversorgung

zerfällt die Biomasse unter Zusatz ge­

beisteuern – das entspricht rein rechnerisch knapp dreimal der jährlichen Strom­

eigneter Katalysatoren bei hoher Tem­

produktion des Kernkraftwerks Leibstadt. 7


Forschen für bessere Stromspeicher Der Schutz von Klima und Umwelt

der Wind kräftig bläst, kann der im

grosse Distanzen transportiert werden

sowie die Schonung der endlichen na-

Überfluss produzierte Strom die Netze

können. Elektrische Energie kann so

türlichen Ressourcen erfordern die

überlasten. Tageszeitliche und saiso-

über lange Zeit in chemischer Energie

vermehrte Nutzung nicht fossiler, er-

nale Speicherung von Energie ist in

gespeichert werden. Und das geht so:

neuerbarer Energiequellen wie Sonne,

einer Welt mit mehr erneuerbaren

Überschüssiger Strom, etwa an einem

Wind und Wasserkraft. Doch diese

Energiequellen deshalb ein Muss.

sonnigen Sommertag, kann für die Her­

Quellen stehen nicht immer zur Verfü-

stellung von Speichermedien wie Was­

gung: In der kalten Jahreszeit ist Son-

serstoff verwendet werden. Diesen

nenschein rar und Flüsse führen weniger Wasser. Auch der Wind weht nicht

Von Strom zu Gas

stellt man durch Elektrolyse von Wasser her. Bei der Elektrolyse wird das Wasser

immer und überall mit der nötigen

Am PSI werden die Grundlagen für ver­

durch einen elektrischen Strom und

Kraft. Wenn aber die Sonne scheint und

schiedene Speichertechnologien er­

mithilfe eines Katalysators in Wasser­

forscht. Eine wichtige Route ist die

stoff und Sauerstoff aufgespalten.

Speicherung von Strom durch dessen

Ein Elektrolyseur besteht im Kern aus

Umwandlung in Treib- und Brennstoffe,

Elektroden und einer geeigneten Elek­

die über längere Zeit gelagert und über

trolytmembran, die unkontrollierte Re­

Die Batterieforschung am PSI deckt das ganze Spektrum an Batterietypen ab: Von allen bisher etablierten bis zu den vielversprechendsten Konzep­ ten der Zukunft.

8


Mit erneuerbarem Überschussstrom …

Strom zu Gas

Speichermedium

Gas zu Strom

Sauerstoff und Wasserstoff

… wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. (Alternative 1)

in Brennstoffzelle

oder

… wird aus Kohlendioxid und Wasser Synthesegas hergestellt. Aus Synthesegas kann man Methan herstellen. (Alternative 2) oder

… wird aus Kohlendioxid und Wasserstoff Methan hergestellt. (Alternative 3)

Methan

in Gaskraftwerken

Von Strom zu Gas zu Strom: Mit dem voraussichtlichen Ausbau der neuen erneuerbaren Energien könnten die Stromnetze zeitweise überlastet werden. Um dies zu verhindern und die überschüssige Stromproduktion aus den Tagesstunden in die Nacht bzw. aus dem Sommer in den Winter hinüberzuretten, braucht es geeignete Speicher. Eine Lösung bietet die Umwandlung des Überschussstroms in ein leicht zu lagerndes und zu transportierendes Gas wie Wasserstoff oder Methan. Dieses Speicherkonzept nennt man Power to Gas. Die Gase kann man bei Bedarf wieder in Strom zurückverwandeln, sei es in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen. Die Umwandlung zu Methan kostet mehr Energie als jene zu Wasserstoff, weil mehr Umwandlungsschritte notwendig sind. Dafür könnte Methan kurz- bis mittelfristig eine gute Lösung bieten, weil man es in das gut ausgebaute Gasnetz einspeisen kann. Dieser Vorteil von Methan könnte den Nachteil der grösseren Energieverluste gegenüber Wasserstoff ausgleichen oder sogar überwiegen. Die Grafik zeigt drei Alternativen, um das Power-to-Gas-Konzept umzusetzen. Angegeben sind die Wirkungsgrade, d. h. der Anteil der anfänglichen Energie, der nach der Umwandlung von Strom zu Gas und zurück zu Strom noch zur Verfügung steht.

Langlebige, kostengünstige Membranen

aktionen zwischen Gasen verhindert,

erwünschten Produkte. Auch Verbes­

aber Ionen durchlässt, sodass die elek­

serungen an der Elektrolyt-Membran

trochemischen Reaktionen ablaufen

würden Effizienzgewinne nach sich

können. Diese Komponenten zu opti­

ziehen. Eine leitfähigere und gasdich­

Am PSI ist eine eigene Methode entwi­

mieren, ist eines der Hauptziele der

tere Membran würde sich durch eine

ckelt worden, um sehr leistungsfähige

Forschung am PSI. So kann die Effizienz

höhere Ausbeute und mehr Sicherheit

Polymer-Membranen mit sehr langer

der heute industriell verfügbaren Elek­

auszahlen. Auch sollen die Membranen

Haltbarkeit herzustellen. Man nutzt

trolyseure weiter verbessert werden.

möglichst kostengünstig hergestellt

dazu sehr preiswerte Kunststofffolien

Beispielsweise machen bessere Kata­

werden können und dabei immer noch

als Ausgangsmaterial und behandelt

lysatoren die elektrochemischen Reak­

stabil gegen chemischen und mecha­

diese mit einem Elektronenstrahl und

tionen an den Elektroden noch effizi­

nischen Verschleiss bleiben, sodass

durch Zugabe von chemischen Zusät­

enter und erhöhen die Ausbeute der

sich ihre Betriebsdauer verlängert.

zen, die der Membran die nötigen Ei­ 9


Funktionsweise der PEM-Elektrolysezelle

O2 O2 O2 O2 O2 O2

H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2 H2

An der Anode Mithilfe eines Katalysators, der sich an der Grenzschicht zwischen Anode und Membran befindet, wird Wasser (H2O) in SauerstoffMoleküle (O2), Protonen (H+) und Elektronen (e–) zerlegt. Der gasförmige Sauerstoff (O2) steigt auf und wird in einem Sauerstofftank gespeichert. Die Protonen (H+) wandern durch die PEM-Membran und gelangen zur Kathode. Die Elektronen (e–) fliessen als Strom zur Stromquelle.

H2O

+

H2O

Anode

H H H H

O O

eeee-

H+ +H H+ H

Membran eeeeee-

Mithilfe eines Katalysators, der sich an der Grenzschicht zwischen Kathode und Membran befindet, vereinigen sich die Elektronen (e–) aus der Stromquelle mit den Protonen (H+), die durch die PEM-Membran diffundiert sind, zu Wasserstoff-Molekülen (H2).

H2 H2

O2

Stromquelle

An der Kathode Die Elektronen fliessen als Strom von der Stromquelle (hier eine Fotovoltaikzelle) zur Kathode des Elektrolyseurs.

e- e ee-

eeeeeeeeee-

Der gasförmige Wasserstoff (H2) steigt auf und wird in einem Wasserstofftank gespeichert.

Elektrochemische Reaktionen

Kathode

Elektrolyse: Funktionsweise des PEM-Elektrolyseurs. PEM steht für Polymerelektrolytmembran, also die Membran, die im Elektrolyseur die Elektroden trennt, Wasserstoffionen durchlässt und die Durchmischung von Gasen verhindert. Im PEM-Elektrolyseur werden mithilfe eines elektrischen Stroms Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser gewonnen. Da Wasserstoff gelagert oder zu Methan weiterverarbeitet werden kann, stellt die Elektrolyse von Wasser eine gute Option dar, überschüssigen Strom – etwa aus Solar- und Windkraft – zwischen­ zuspeichern. Der Wasserstoff bzw. das Methan können bei Bedarf wieder zu Strom oder Wärme umgewandelt werden.

genschaften verleihen. Das Verfahren

und Sauerstoff aufzuspalten. Bringt

gas lagern oder transportieren. Hat

bezeichnet man als Strahlenpfropfen,

man das Zink später mit Wasserdampf

man einmal Wasserstoff hergestellt, ist

weil hier die chemischen Zusätze auf

in Kontakt, entsteht dabei wieder Zink­

man nur noch einen Schritt von der

den «Stamm» des Ausgangspolymers

oxid sowie Wasserstoff, der als Treib­

solaren Produktion von Synthesegas

aufgepfropft werden. Die PSI-Membra­

stoff genutzt werden kann. Mit diesem

entfernt. Dies ist eine Mischung aus

nen – in Brennstoffzellen eingesetzt

Verfahren haben PSI-Forschende welt­

Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die

– haben in Haltbarkeitstests im Labor

weit beachtete wissenschaftliche Er­

mit bekannten chemischen Verfahren

besser abgeschnitten als die besten

gebnisse erzielt; die Verbesserung des

in flüssigen Treibstoff umgewandelt

kommerziell erhältlichen Pendants.

Wirkungsgrades der Umwandlung zu

wird, der an den vorhandenen Tankstel­

Wasserstoff bleibt aber eine technische

len wie gewöhnliches Benzin getankt

Herausforderung. Der Vorteil dieses

werden kann.

thermochemischen Kreisprozesses be­

Bei der Untersuchung solcher solar­

steht darin, dass Sauerstoff und Was­

thermischer Verfahren gehen die PSI-

Ausserdem verfolgen die PSI-Forschen­

serstoff in getrennten Reaktionen ent­

Forschenden schrittweise vor. Ihre

den das Ziel, thermochemische Verfah­

stehen und man so nicht mit einem

Experimente beginnen stets im Labor.

ren zu entwickeln, um Wasserstoff mit

explosiven Gasgemisch hantieren

Sie machen sich dazu einen Hochfluss-

konzentrierter Solarkraft herzustellen.

muss. Ausserdem kann die zweite Re­

Solarsimulator zunutze, der mithilfe

Am PSI wurde eine Methode entwickelt,

aktion erst zu dem Zeitpunkt stattfin­

von Xenon-Lampen unabhängig vom

Zinkoxid mithilfe von konzentrierter

den, an dem der Wasserstoff benötigt

Wetter künstliche, tausendfach kon­

Sonnenenergie in metallisches Zink

wird – man muss also kein Wasserstoff­

zentrierte Sonnenstrahlung bereitstellt.

Gebündelte Sonnenkraft

10


Mit diesem Simulator und einem mit

zu reduzieren. Ausserdem werden die

terien, wurde von BASF und PSI auf ihre

konzentriertem Sonnenlicht betriebe­

Mechanismen, die die Lebensdauer

industrielle Machbarkeit evaluiert. Hier

nen Solarofen werden die thermoche­

der Batterien einschränken, mit mo­

stehen vor allem die Zyklenfestigkeit

mischen Prozesse zunächst in kleinen

dernsten Messtechniken untersucht.

und die Energieeffizienz der Batterie im

Solarreaktoren studiert. Darauf folgt

Neben den bereits kommerziell etab­

Vordergrund. Das heisst: Die Anzahl

der Härtetest mit grösseren Reaktoren

lierten Lithiumionen-Batterien be­

Lade- und Entladezyklen, denen die

an Solartürmen grösseren Ausmasses

schäftigen sich PSI-Forschende mit

Batterie standhält, soll erhöht werden,

in Spanien und Frankreich.

neuartigen Batterietypen, die eine

ebenso der Anteil der gespeicherten

noch bessere Leistung, tiefere Kosten

Energie, den man beim Entladen wieder

oder eine geringere Umweltbelastung

herausholen kann. Denn jeder Speicher­

Batterien – Energie zum Mitnehmen

versprechen. Dazu zählt die Lithium-

vorgang geht unweigerlich mit Verlusten

Schwefel-Batterie, deren Herstellung

einher, die es zu minimieren gilt.

ganz ohne Schwermetalle auskommt

Langfristig könnten lithiumbasierte Bat­

Eine vollständig elektrisch fahrende

und somit umweltschonender ist.

terien durch natriumbasierte Pendants

Verkehrsflotte halten viele für das Ideal

Schwefel ist zudem ein sehr preisgüns­

abgelöst werden. Natrium ist Lithium

der nachhaltigen Mobilität der Zukunft.

tiges Material und bietet aufgrund sei­

chemisch sehr ähnlich und könnte die­

Für den breiten Markterfolg voll elekt­

ner chemischen Eigenschaften ein

ses als Batteriematerial ersetzen. Dabei

rischer Autos stellen das Gewicht und

höheres theoretisches Speichervermö­

ist Natrium deutlich preiswerter als Li­

der Preis der Batterie noch Hürden dar.

gen als bisherige Batterietypen. Den­

thium. Natriumbatterien gibt es bereits

Obwohl Lithiumionen-Batterien – der

noch birgt der Einsatz von Schwefel

seit langem, allerdings werden sie bei

bisherige Standard – recht viel Energie

andere materialtechnische Herausfor­

sehr hohen Temperaturen mit flüssigem

pro Kilogramm und pro Kubikzentime­

derungen, die vor allem die Lebens­

Natrium betrieben. Für den effizienten

ter speichern können, reicht das noch

dauer der Batterie betreffen. In Koope­

Betrieb bei Zimmertemperatur mit fes­

immer nicht, um mit einer Batteriela­

ration mit dem Chemiekonzern BASF

tem Natrium müssen jedoch noch ma­

dung mehr als wenige Hundert Kilome­

suchen PSI-Forschende nach Lösun­

terialwissenschaftliche Hürden über­

ter weit zu kommen. Zudem sind her­

gen, die auch die Wirtschaftlichkeit

wunden werden. Forschende des PSI

kömmliche Kathodenmaterialien, die

und somit den Markterfolg dieses Bat­

arbeiten daran, die Grundlagen für

Lithium und Kobalt enthalten, relativ

terietyps sicherstellen.

natriumbasierte Batterien zu erarbei­

teuer. Hinzu kommt, dass einige Kom­

Auch die viel diskutierte Lithium-Luft-

ten, die eines Tages mindestens so viel

ponenten der jetzigen Lithiumionen-

Batterie, die theoretisch etwa fünfmal

Energie pro Kilogramm Batteriegewicht

Batterien ökologisch nicht ganz unbe­

so viel Energie pro Kilogramm speichern

speichern könnten wie heutige Lithium­

denklich sind.

könnte wie heutige Lithiumionen-Bat­

ionen-Batterien.

Forschende des PSI pflegen den wis­ senschaftlichen Austausch mit den Forschungsabteilungen einiger Auto­ mobilbauer und Zulieferer, die bestrebt sind, die Kosten von Lithiumionen-

Kompetenzzentrum Speicherung

Batterien über die gesamte Betriebs­

Seit Anfang 2014 ist das Kompetenzzentrum des Bundes zum Thema Energiespei­

zeit eines Elektroautos zu senken.

cherung am Paul Scherrer Institut beheimatet. Das PSI mit seinem Labor für

Auch die Sicherheit der Batterien steht

Elektrochemie leitet das Kompetenzzentrum, an dem sich weitere Forschungsein­

im Fokus dieser Arbeiten. Der Beitrag

richtungen sowie Industriepartner beteiligen. Die Arbeit im Kompetenzzentrum

des PSI basiert auf einer umfangrei­

ist in 5 Arbeitspakete unterteilt. In 3 dieser Arbeitspakete (fortgeschrittene Bat­

chen Expertise zu Batteriematerialien.

terien und Batteriematerialien, Wasserstoffherstellung und -speicherung sowie

So wird an alternativen Materialien

katalytische und elektrokatalytische CO2-Reduktion) werden von PSI-Arbeitsgrup­

geforscht, um die Kobaltmengen in den

pen massgebliche Arbeiten geleistet. Die anderen 2 Arbeitspakete befassen sich

Batterien – und somit die Kosten – bei

mit Wärmespeicherung und der Wechselwirkung der verschiedenen Speichertech­

gleichbleibender Leistungsfähigkeit

nologien. 11


Mobil ohne Rauchfahne Das Bedürfnis nach individueller Mo-

bereits den erfolgreichen Einsatz in

hin zu kompletten Systemen, die aus

bilität ist aus unserer modernen Welt

Fahrzeugen unter Beweis gestellt. Wei-

einem Zellenstapel und zusätzlichen

nicht wegzudenken. Diesel oder Ben-

tere Forschung bleibt jedoch nötig, um

Aggregaten bestehen.

zin im Automotor zu verbrennen, be-

Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit

Eine Brennstoffzelle alleine erzeugt

lastet aber die Luftqualität in den Städ-

dieser Technologie zu verbessern.

nämlich zu wenig Strom bei einer

ten und kann für das globale Klima

sehr tiefen elektrischen Spannung. Für

unerwünschte Folgen haben. Brenn-

praktische Zwecke müssen deshalb

stoffzellen, die sauber und mit hoher

mehrere Zellen (in der Regel mehrere

Effizienz Wasserstoff in Strom umwandeln, haben das Potenzial, die indivi-

Von der Zelle zum System

Dutzend bis Hunderte) zu einem Zel­ lenstapel zusammengeschaltet wer­

duelle Mobilität in eine umweltfreund-

Die Brennstoffzellen-Forschung am PSI

den. Das Zusammenspiel der Zellen im

lichere Zukunft zu führen. Das PSI

umfasst alle Komplexitätsstufen dieser

Stapel bringt zusätzliche Komplexität

erforscht und entwickelt seit mehr als

Technologie: von der Entwicklung leis­

mit sich.

10 Jahren solche Wasserstoff-Brenn-

tungsfähigerer Materialien über die

Für ein voll funktionsfähiges Brennstoff­

stoffzellen. Erste Praxistests haben

Verbesserung der Zellen als Ganzes bis

zellen-System, etwa für den Antrieb

Die Brennstoffzellen-Forschung am PSI blickt auf eine über Jahrzehnte aufgebaute Expertise und viele Demonstrations­ projekte zurück. An diesem Prüfstand wird ein komplettes Wasserstoff-Brennstoffzellen-System getestet. 12


Profundes Fachwissen und einmalige Infrastruktur

zunächst um Dieseloxidationskatalysa­

im Inneren der Brennstoffzelle müssen

Die Expertise des PSI zu Wasserstoff-

aus dem Abgas entfernt werden. Aber

mit genügend Wasser versorgt werden,

Brennstoffzellen ist schweizweit ein­

auch um Katalysatoren für die Reduk­

damit sie ihre Funktion erfüllen können.

malig. Sie wird von Wissenschaftlern

tion von Stickoxiden mit Ammoniak,

Auch eine Kühlung ist nötig, denn die

und Ingenieuren getragen, die sowohl

Katalysatoren für die Oxidation von

Zellen erwärmen sich im Betrieb (Brenn­

Grundlagen- als auch anwendungsnahe

Russ auf Dieselpartikelfiltern sowie

stoffzellen wandeln zwischen 30 und

Forschung betreiben. Dabei profitieren

Dreiwegekatalysatoren zur Verhinde­

50 Prozent der chemischen Energie in

sie auch von der Nutzung der Grossfor­

rung von Methan-Emissionen in Erdgas­

Wärme um). Ein gutes Beispiel für ein

schungsanlagen des PSI. Zur Untersu­

motoren. Neben grundlagenorientierten

Brennstoffzellen-System, in dessen

chung vieler in Brennstoffzellen ablau­

Arbeiten werden viele Forschungsarbei­

Entwicklung Wissen aus dem PSI ein­

fender Vorgänge eignet sich etwa die

ten in Kooperation mit der Industrie

geflossen ist, findet sich in den neuen

Bildgebung mit Neutronen. Diese elek­

durchgeführt, die mithilfe der Ergeb­

SBB-Minibars. Hierfür haben PSI-For­

trisch neutralen Teilchen, die in Atom­

nisse verbesserte Katalysatoren auf

schende das Befeuchtungskonzept

kernen vorkommen, werden in der

dem Markt anbieten kann.

entwickelt und Beiträge zum Kühlungs­

Spallations-Neutronenquelle SINQ des

Dieselmotoren sind nicht nur im Stras­

konzept geleistet.

PSI als freie Teilchen produziert und

senverkehr weit verbreitet. Auch der

stehen damit für Experimente zur Ver­

Schiffsverkehr setzt auf diese Antriebs­

eines Autos, sind neben dem Zellensta­ pel weitere Komponenten erforderlich, so etwa ein Befeuchter. Die Membranen

toren, mit denen Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe durch Oxidation

fügung. So konnten PSI-Forschende

technologie, allerdings mit bisher we­

Mit Wasserstoff in die Zukunft fahren

zum Beispiel erstmals die Verteilung

niger strikten Umweltauflagen. Schiffs­

von Eis und flüssigem Wasser in einer

diesel stossen zwar nur einen geringen

Brennstoffzelle kartieren. Damit eröff­

Teil des weltweiten CO2-Volumens aus

In Zusammenarbeit mit der Belenos

net sich die Perspektive, das Problem

der Erdölverbrennung aus. Sie blasen

Clean Power AG haben PSI-Forschende

der Eisbildung in Brennstoffzellen eines

hingegen grosse Mengen an Stickoxiden

zwei Generationen eines Brennstoffzel­

Tages zu lösen. In kälteren Klimaregio­

und Russpartikeln in die Meeresluft.

lenantriebs für Autos entwickelt, der

nen kann das Wasser in den Brennstoff­

Schärfere Vorschriften sollen hier Bes­

mit Wasserstoff und reinem Sauerstoff

zellen nämlich über Nacht gefrieren und

serung bringen. Die technischen Vor­

bzw. mit Luft betrieben wird. Im Jahr

so die Funktion der Zelle beeinträchti­

aussetzungen für eine bessere Schad­

2011 erhielten sie für diese Arbeiten die

gen. Aber auch flüssiges Wasser kann

stoffreduktion bei Dieselmotoren von

Auszeichnung «Watt d’Or» des Bundes­

einen Störfaktor darstellen, wenn es

Schiffen werden auch am PSI erforscht.

amtes für Energie BFE in der Kategorie

Poren verstopft, durch die Gase in der

Dazu verfügen die PSI-Forschenden über

«Energieeffiziente Mobilität». Das ge­

Zelle hin und her wandern sollen.

einen Viertaktmotor mit 6 Zylindern und

würdigte Brennstoffzellen-System, in­

1,1 Megawatt Leistung. An diesem Test­

klusive Infrastrukturleistungen, konnte

stand können die Forschenden nicht nur

Weniger Schadstoffe im Abgas

Massnahmen entwickeln, die die Funk­

kurrenzfähig zu sein. Ausserdem un­

In Verbrennungsmotoren werden Ab­

katalytische Reduktion von Stickoxiden

tersuchen PSI-Forschende im Rahmen

gase produziert, die für Umwelt und

unter kontrollierten Bedingungen unter­

eines europäischen Projekts zusam­

Gesundheit schädlich sind. Dazu zäh­

suchen. Die Forschungsarbeiten werden

men mit Partnern den Einsatz von

len Kohlenmonoxid, Kohlenwasser­

in Zusammenarbeit mit dem finnischen

Brennstoffzellen-Antrieben in Postau­

stoffe und Stickoxide sowie Russparti­

Hersteller von Schiffsdieselmotoren

das Potenzial zeigen, als Antrieb eines Kleinwagens mit herkömmlichen Pen­ dants, in Sachen Betriebskosten kon­

tionsweise im Innern des Motors selbst betreffen, sondern auch im Abgas die

tos. Gemeinsam mit der Empa haben

kel in Dieselmotoren und Methan in

Wärtsilä durchgeführt, der in der

PSI-Forschende das weltweit erste

Erdgasmotoren, die – je nach Betriebs­

Schweiz (Winterthur) ein Entwicklungs­

Kehrfahrzeug mit Brennstoffzellen-

bedingungen im Motor – in unter­

zentrum betreibt. Forschung an grossen

Antrieb für die städtische Strassenrei­

schiedlichen Mengen anfallen. For­

Dieselmotoren betreiben PSI-For­

nigung, das 2009 während 6 Monaten

schende des PSI arbeiten an der

schende auch in enger Partnerschaft mit

in der Stadt Basel im Testbetrieb war,

Verbesserung der dafür notwendigen

der Firma ABB (Geschäftsbereich Turbo­

entwickelt.

Katalysatoren. Dabei handelt es sich

lader). 13


Katalyse – ein Beschleuniger der Energieeffizienz

14


Für die nachhaltige Nutzung von Ener-

Wertvolles aus Pflanzenstoff

gie – sei es bei deren Umwandlung oder Speicherung, etwa in Brennstoff-

Katalysatoren, die am PSI erforscht

zellen bzw. in Batterien – ist oft ein

werden, dienen beispielsweise der Ge­

Katalysator notwendig. Als Katalysator

winnung von Kraftstoffen und Grund­

bezeichnet man ein Material, das che-

chemikalien aus dem Pflanzenstoff

mische Reaktionen beschleunigt oder

Lignin. Sie eignen sich aber auch zur

überhaupt erst möglich macht, dabei

Umwandlung von sonst verschwende­

aber selbst nicht verbraucht wird. Die

tem Methan in die flüssige, speicher-

Ausbeute des gewünschten Reaktions-

und transportierbare Grundchemikalie

produktes soll durch den Katalysator-

Methanol, zur Verbesserung von Brenn­

einsatz optimiert, die Produktion un-

stoffzellen und Batterien sowie zu effi­

erwünschter Nebenprodukte jedoch

zienteren und umweltschonenderen

unterdrückt werden. Diese Selektivität

Verbrennungstechnologien in Fahr­

von Katalysatoren hilft, Industriepro-

zeugmotoren oder Gasturbinen. Dabei

zesse umweltfreundlicher zu gestalten,

geht es stets um die Optimierung der

weil Abfallmengen generell minimiert

drei Grundpfeiler eines jeden Katalysa­

oder Schadstoffemissionen gezielt

tors: Aktivität, Selektivität und Stabili­

gedrosselt werden. Katalysatoren ma-

tät. Das heisst: Der Katalysator soll die

chen diese Umwandlungsprozesse

chemische Reaktion kräftig ankurbeln,

auch energieeffizienter, denn die Aus-

dabei nur die gewünschten Produkte

beute nimmt bei gleichbleibendem

herbeiführen und dies während mög­

Energieaufwand zu.

lichst vieler Betriebsstunden ohne Funktionsstörungen.

Energieforschung sowie das übergeord­ nete Ziel einer nachhaltigen Chemie erfordern also auch die Erforschung der Katalyse. Am PSI besteht diese primär

Diese Experimentierstation in der Synchrotronlicht­ quelle Schweiz SLS des PSI dient der Erforschung der Grundlagen katalytischer Prozesse. Die Katalyse beschleunigt chemische Reaktionen und macht somit viele Energieumwandlungsprozesse effizienter oder überhaupt erst möglich.

Massgeschneiderte Katalysatoren

in der Entwicklung und Herstellung

Katalyseforschung am PSI verfolgt das

neuer Katalysatoren mit massgeschnei­

ultimative Ziel, Katalysatoren mit mass­

derten Eigenschaften und in der Unter­

geschneiderten Eigenschaften für ver­

suchung dieser neuartigen und indust­

schiedene Anwendungen nach Wunsch

riell hergestellten Katalysatoren. Die

herzustellen. Mit Grossforschungsan­

Forschenden des PSI profitieren dabei

lagen wie dem Freie-Elektronen-Rönt­

von den Experimentierstationen an der

genlaser SwissFEL wird man diesem

Synchrotronlichtquelle Schweiz SLS. Mit

Ziel einen grossen Schritt näherkom­

Synchrotronstrahlung lässt sich die ato­

men, da die ultraschnellen Prozesse,

mare Struktur und die Funktion vieler

die bei der Katalyse eine Schlüsselrolle

Katalysatoren mit hoher räumlicher Auf­

spielen, in Echtzeit und Atom für Atom

lösung und praktisch in Echtzeit unter

beobachtet werden können.

die Lupe nehmen.

15


Gesucht: neue Flamme Erst Holz, dann Kohle, später Erdöl: Ihren Energiehunger hat die Menschheit traditionell durch Verbrennung verschiedener Stoffe zu stillen gesucht. Und es hat sich noch lange nicht ausgebrannt. Effiziente Gas- und Dampfturbinen, in denen etwa Erdgas (Hauptbestandteil Methan) zur Stromherstellung verbrannt wird, könnten in Zukunft einen wichtigen Beitrag zur Stromversorgung leisten. Auch im Verkehrssektor werden uns Verbrennungsmotoren noch lange begleiten.

Am PSI forschen Wissenschaftler und Ingenieure daran, Verbrennungsvor­ gänge effizienter und umweltfreundli­ cher zu gestalten. Im EU-Projekt «H2IGCC» beispielsweise tragen sie dazu bei, Gasturbinen zu entwickeln, die mit einer wasserstoffreichen Brennstoffmi­ schung angetrieben werden. In solchen Turbinen dient also nicht wie bisher nur Erdgas (Methan) als Brennstoff. Viel­ mehr wird die Brennstoffmischung mit Wasserstoff angereichert oder gar durch Wasserstoff ersetzt, was geringere CO2Emissionen zur Folge hat. Die Heraus­ forderung dieser neuen Technologie besteht darin, die Flamme in der Tur­ bine stets unter Kontrolle und am ge­ wünschten Ort zu halten. Hierzu haben PSI-Forschende bereits wichtige Er­ kenntnisse gewonnen. In Flammen finden sehr vielfältige Re­ aktionsabläufe statt, und es kommen verschiedenste chemische Spezies vor (zum Teil auch nur als kurzlebige Zwi­ schenprodukte). Die Details von Ver­ brennungsvorgängen sind so komplex, dass man sie ohne vereinfachende Modellrechnungen nicht beschreiben 16


könnte. Dennoch: Genauere mikrosko­ pische Einblicke in die Eigenschaften und das Verhalten der in Flammen vor­ kommenden chemischen Substanzen Techniker, Ingenieure und Wissenschaftler des PSI arbeiten mit an der Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer Verbrennungsmotoren, auch für die Schifffahrt.

sind immens wichtig. Denn sie können die entscheidenden Erkenntnisse lie­ fern, die helfen, die Ausbreitung einer Flamme in einem bestimmten Brenn­ stoff-Luft-Gemisch zu verstehen. Am PSI arbeiten Forschende deshalb auch an einer immer besseren Charakteri­ sierung der in Flammen auftretenden Moleküle (mit laserbasierenden Visu­ alisierungsverfahren). Weil viele dieser Verbindungen extrem kurzlebig sind, muss man sie – teilweise unter spezi­ ellen Bedingungen – im Labor erst her­ stellen, bevor man sie untersuchen kann. Dazu erzeugen Forschende des PSI spezielle Molekularstrahlen, in de­ nen die kurzlebigen Spezies etwas länger überleben können. Ihre Eigen­ schaften, insbesondere ihre Energie­ spektren, werden dann mithilfe von Lasermesstechniken studiert und quantifiziert. Auch mit mathemati­ schen Simulationen wird am PSI nach neuen, umweltfreundlichen Arten der thermischen Energieumwandlung ge­ sucht. Forschende feilen etwa an der Lösung komplexer mathematischer Gleichungen, mit denen sich Strömun­ gen durch enge Kanäle und mikropo­ röse Materialien beschreiben lassen, bei denen gleichzeitig noch chemische Reaktionen ablaufen. Anwendung fin­ den die Erkenntnisse bei der Entwick­ lung von Katalysatoren, Dieselpartikel­ filtern und anderen technischen Vorrichtungen, die sich durch eine verästelte Struktur mit mikroskopisch kleinen Poren auszeichnen. Solche Bedingungen treten nicht nur bei Ver­ brennungsvorgängen auf, sondern auch in Brennstoffzellen, in denen che­ mische Energie direkt, also ohne Ver­ brennung, in elektrischen Strom umge­ wandelt wird. 17


Feinstaub, Wolken und Jahrringe Viele menschliche Aktivitäten – nicht zuletzt die Umwandlung und Nutzung

Wolken im Edelstahlbehälter

von Energie – produzieren Emissionen,

Zudem beteiligen sich Wissenschaftle­

die die Atmosphäre der Erde verändern.

rinnen und Wissenschaftler des PSI an

Häufig geben diese Emissionen zur

den Experimenten in der CLOUD-Kam­

Bildung von Aerosolen Anlass. Die For-

mer am CERN in Genf. In diesem äus­

schenden des PSI betreiben mehrere

serst reinen und mit präzisen Messge­

Smogkammern, um die Mechanismen

räten ausgestatteten Edelstahlbehälter

der Bildung und Umwandlung von

können sie – gemeinsam mit Kollegen

Aerosolen zu ergründen. Auch die che-

aus aller Welt – kleinste Details der

mische Zusammensetzung der Aero-

Bildung von Aerosolpartikeln, die die

sole sowie die damit zusammenhän-

erste Stufe der Wolkenbildung darstel­

genden Folgen für die Gesundheit

len, unter kontrollierten Bedingungen

können aus diesen Untersuchungen

studieren.

abgeleitet werden. Vor allem bei der

Die Forschenden des PSI können aber

Erforschung der sekundären Aerosole

auch die meisten ihrer Messgeräte ins

– solcher, die erst in der Atmosphäre

Feld transportieren und die Aussenluft

entstehen – liefern PSI-Forschende

an verschiedenen Orten messen. Dies

immer wieder quantitative Erkennt-

geschieht meist in internationaler

nisse, beispielsweise zur Belastung

Zusammenarbeit. Die Kombination von

durch Emissionen aus Verkehr, Holz-

Feldmessungen (z.B. in Paris, Barce­

feuerungen und natürlichen Prozessen.

lona, Beijing) mit Emissions- und

Die Smogkammern des PSI stehen

Alterungsexperimenten lassen Rück­

auch Forschenden anderer Institute zur

schlüsse auf die Emissionsquellen von

Verfügung.

Schadstoffen in diversen Regionen der

Was sind Aerosole? Aerosole sind feste oder flüssige Schwebeteilchen in der Luft. Sie werden auch als Feinstaub bezeichnet. Aerosole können einerseits direkt von na­ türlichen oder menschlichen Quellen emittiert werden wie beispielsweise Pollen, Verbrennungsrückstände, Meersalz oder Wüstensand. Andererseits können sie aber auch erst durch chemische Umwandlung von Abgasen oder natürlich vorkommenden Spurengasen in der Atmosphäre gebildet werden. Durch Oxidationsprozesse in der Atmosphäre entstehen zum Teil nichtflüch­ tige Gase, die auf bestehenden Partikeln kondensieren oder sich zu neuen Partikeln verklumpen. Diese mikroskopisch kleinen Partikel beeinflussen das Klima und können durch Einatmen in die Lungen gelangen und dort gesundheitliche Schäden anrichten. Wissenschaftler des PSI untersuchen, wie Feinstaub entsteht, aus welchen chemischen Substanzen er sich zu­ sammensetzt, wie er sich in der Atmosphäre verändert und welche Auswir­ kungen er hat.

18


In der Smogkammer des PSI kann man studieren, wie aus Gasen und festen Partikeln Feinstaub entsteht und wie dieser Feinstaub sich in der Atmosphäre verändert.

19


Beim Experiment CLOUD am CERN arbeiten Forschende des PSI mit da­ ran, die Vorgänge hinter der Bildung von Wolken besser zu verstehen.

Welt zu. Dabei analysieren Forschende die von unterschiedlichsten Messinst­ rumenten gesammelten Messdaten mithilfe komplexer statistischer Metho­ den, um den Feinstaub seinen Quellen zuzuordnen. Diese Erkenntnisse unter­ stützen die zuständigen Behörden bei der Initiierung von Massnahmen zur Verbesserung der Luftqualität.

Klimapuzzle Aerosole auch als Kondensationskeime dienen,

len-, Sauer- und Wasserstoff in Pflan­

Aerosole beeinflussen das Klima der

an denen sich Wasserdampf absetzt

zenmaterial (Blätter, Wurzeln, Boden­

Erde: Sie absorbieren und streuen das

und Wolkentröpfchen bilden, woraus

material oder Jahrringe) oder in

Sonnenlicht. Ausserdem habe sie eine

ebenfalls ein Klimaeffekt hervorgeht.

bestimmten Pflanzenextrakten sehr

Auswirkung auf die Bildung von Wol­

Forschungsarbeiten am PSI zeigen zu­

spezifisch erkannt und zugeordnet wer­

kentröpfchen und verändern die Eigen­

dem, dass Russ sich auch auf die Um­

den. Als Isotope bezeichnet man ver­

schaften von Wolken, die eine wichtige

welt auswirkt, indem er sich auf Glet­

schiedene Varianten eines chemischen

Rolle für die Energiebilanz der Erde

schern ablagert und deren Schmelzen

Elements, die sich untereinander nur

spielen. Insgesamt haben die direkten

durch Lichtabsorption – unabhängig

durch das Gewicht der Atome unter­

und indirekten Einflüsse von Aerosolen

vom Klimawandel – beschleunigt.

scheiden. Das Verhältnis der Isotopen

eine kühlende Wirkung auf das Klima.

eines bestimmten Elements in den

Über das Ausmass dieses Effektes be­

Pflanzen (beispielsweise Kohlenstoff,

Umweltveränderungen an Isotopen ablesen

Sauerstoff) gibt Auskunft über die kli­

auch durch wegweisende Messungen

Im Zusammenhang mit den Belastun­

nen die Pflanze gewachsen ist. Die

auf dem Jungfraujoch – mit internatio­

gen der Luft und den Veränderungen

Bestimmung der Isotopenverhältnisse

naler Beteiligung – zu einem besseren

der Umwelt bzw. des Klimas werden am

in Pflanzen erfolgt am PSI im Labor mit

Verständnis der Wechselwirkungen

PSI auch Auswirkungen auf die Pflan­

Massenspektrometern oder im Feld mit

zwischen Aerosolen und Wolken bei.

zen untersucht. Hier zeigt sich, dass

Laserspektroskopie. Die Methoden der

Ein weiteres Nebenprodukt von Ver­

menschengemachte Veränderungen

Isotopenanalyse eignen sich ausser­

brennungsvorgängen, das die PSI-For­

der Umwelt, insbesondere des Wasser­

dem zur Untersuchung von Aerosolen,

schenden beschäftigt, ist Russ. Dieser

haushalts sowie der CO2- und Schad­

sei es, um deren Ausgangssubstanzen

entsteht bei der Verbrennung von orga­

stoff-Konzentrationen in der Luft,

zu bestimmen oder um bestimmte Me­

nischem Material wie Benzin, Öl, Holz

langfristige Auswirkungen auf die

chanismen der Aerosolbildung zu be­

und besteht zum grössten Teil aus Koh­

Pflanzenwelt haben. Diese Auswirkun­

leuchten. Das PSI verfügt über eines

lenstoff. In der Atmosphäre absorbiert

gen können durch die Analyse der re­

der weltweit führenden und am besten

Russ Sonnenlicht und wärmt dadurch

lativen Verhältnisse von stabilen, also

ausgerüsteten Labors zur Analyse sta­

die Luft auf. Russpartikel können aber

nicht radioaktiven Isotopen von Koh­

biler Isotopen.

stehen aber noch grosse Unsicherhei­ ten, die genaue Klimaprognosen er­ schweren. Forschende des PSI tragen

20

matischen Bedingungen (etwa CO2Konzentration, Regenfälle), unter de­


Weniger Risiko, weniger Abfall

Das Verhalten von Brennelementen in Kernreaktoren ist einer von vielen Vorgängen, die PSI-Wissenschaftler mithilfe von Computersimulationen erforschen.

In der Schweiz leistet die Kernenergie

durch die Aufsichtsbehörde kaum mög­

heute einen Beitrag von rund 40 Pro-

lich. Ob es um den Einbau neuer Kom­

zent zur Stromversorgung. Am PSI for-

ponenten oder um Tests und Versuche

schen Wissenschaftler und Ingenieure

zur Wahrung der Sicherheit geht, fast

zu vielen Aspekten der Sicherheit von

alles muss vorher am Computer berech­

Kerkraftwerken (KKW) und tragen so

net und analysiert werden. Forscher

und tragen dadurch zur Gewährleistung

dazu bei, dass die schweizerischen

des PSI entwickeln dazu Rechenmo­

der Sicherheit der schweizerischen

KKW bis zum Ende ihrer Laufzeit sicher

delle und Computerprogramme, mit

Kernkraftwerke bei.

und wirtschaftlich nachhaltig betrie-

denen Komponenten und Teilsysteme

Im Laufe der Zeit haben sich die Gren­

ben werden können.

sowie deren Zusammenspiel im Kern­

zen des mit Simulationen Machbaren

reaktor immer genauer modelliert

immer weiter verschoben, und auch die

werden. Sie fungieren damit als unab­

Ansprüche an die Genauigkeit und Zu­

Ohne Computersimulationen wäre der

hängige Forschungspartner der Auf­

verlässigkeit bei der Bewertung der

sichere Betrieb von Kernkraftwerken

sichtsbehörde, des Eidgenössischen

Sicherheit von KKW haben sich stark

sowie die Überprüfung ihrer Sicherheit

Nuklearsicherheitsinspektorats ENSI,

weiterentwickelt. Schon seit einigen 21


An dieser Testanlage werden die Details eines chemischen Verfahrens untersucht, mit dem radioaktives Jod bei schweren KKW-Unfällen in speziellen Filtern zurück­ gehalten werden könnte. 22


Fragen zur Zukunft der Kernenergieforschung

ausgeschlossen ist? Kann man den nuklearen Brennstoff­

Nach dem Unfall von Fukushima haben die Schweiz und

zyklus so gestalten, dass nur noch sehr geringe Abfall­

einige andere Staaten die Rolle der Kernenergie bei der

mengen mit drastisch reduzierter Langzeit-Radioaktivität

Planung der Energieversorgung zurückgestuft. Andere

anfallen? An der Beantwortung dieser Fragen arbeiten

Länder halten aber an der Technologie der Stromerzeu­

Forschende des PSI in internationalen Forschungsprojek­

gung durch Kernspaltung (Fission) fest. Und gross ange­

ten mit. Die zukunftsgerichteten Themen unter dem Motto

legte internationale Versuche, die Kernfusion nutzbar zu

«Weniger Risiko, weniger Abfall» sollen auch dazu dienen,

machen, schreiten weiter voran. Expertenwissen über

die Attraktivität der Ausbildung für angehende Nuklear­

Kernenergiefragen wird in der internationalen Gemein­

ingenieure zu erhalten.

schaft also nach wie vor gefragt sein. Die Schweiz hat ein

Bei der Ausbildung angehender Nuklearingenieure in der

Interesse daran, die globalen Entwicklungen der Nukle­

Schweiz spielt das PSI eine zentrale Rolle. Der Nachwuchs

artechnik aktiv zu verfolgen. Zum einen, weil Fragen der

wird – unabhängig davon, welche Route die Schweiz in

nuklearen Sicherheit über Staatsgrenzen hinausgehen

Sachen Energieversorgung wählt – auch in Zukunft vor

(viele europäische Staaten halten an der Kernenergie

wichtigen Aufgaben stehen. Das betrifft nicht nur das

fest). Zum anderen aber auch, weil Nukleartechnologien

Personal der Kraftwerke selbst, sondern auch die Mitarbei­

der Zukunft, die sowohl das Unfallrisiko als auch die

tenden der Aufsichtsbehörde, des Eidgenössischen Nuk­

Menge und Radioaktivität des Abfalls wesentlich reduzie­

learsicherheitsinspektorats ENSI. Aber auch die Forschen­

ren würden, eine höhere gesellschaftliche Akzeptanz

den, die – sei es im Auftrag der KKW-Betreiber oder des

geniessen könnten. In diesem Sinne haben sich auch

ENSI – zur kontinuierlichen Verbesserung der Sicherheit

Bundesrat und Parlament geäussert und festgehalten,

beitragen. Auch nach Ende der Laufzeit der schweizerischen

dass sie Bildung, Lehre und Forschung zu sämtlichen

KKW wird für Stilllegung und Rückbau Fachwissen von

Kernenergietechnologien weiterhin unterstützen werden.

Nuklearingenieuren gefragt sein. Mit der Betreuung von

Viele Fragen zur Zukunft der Kernenergie sind aus techni­

Studierenden, Doktorierenden und jungen Wissenschaft­

scher Sicht noch offen: Wird es gelingen, inhärent sichere

lern trägt das PSI zusammen mit der ETH Zürich und der

Kernkraftwerke zu realisieren, in denen aufgrund der

EPF Lausanne dazu bei, die Fachkompetenz in Sachen

Naturgesetze ein Unfall mit Freisetzung von Radioaktivität

Nuklearenergie in der Schweiz langfristig zu erhalten.

Jahren geht der Trend hin zu sogenann­

rung von Sicherheitsmargen für alle

thode zur Bildgebung mit schnellen

ten realistischen Rechenmodellen.

möglichen Unfallszenarien garantiert

Neutronen entwickelt, die das Poten­

Man versucht dabei, die Vorgänge in

werden konnte. Im Rahmen des For­

zial hat, hochauflösende Bilder von

einem Reaktor auf der Grundlage phy­

schungsprogramms STARS (Steady-

sonst undurchsichtigen Gegenständen

sikalischer Gesetze möglichst genau

state and transient analysis research

zu liefern. Die Messtechnik würde sich

zu beschreiben und zu quantifizieren.

for the Swiss reactors) arbeiten PSI-

vor allem zur Detektion von Sprengstof­

Dabei werden aber auch die Unsicher­

Wissenschaftler deshalb mit der Auf­

fen in grossen Containern eignen. Die

heiten, die diesen wie allen Berechnun­

sichtsbehörde ENSI zusammen, um die

PSI-Wissenschaftler haben nicht nur

gen anhaften, mithilfe einer etablierten

Sicherheitsbewertungen für Schweizer

die Methode erdacht, sondern auch die

statistischen Methode ebenfalls ermit­

KKW modernen Anforderungen anzu­

Quelle der schnellen Neutronen sowie

telt. Dieser neue Ansatz steht im Ge­

passen.

die dazu notwendigen Instrumente

gensatz zu den früher verwendeten,

Um die Sicherheit von Kernkraftwerken

entwickelt und gebaut.

vereinfachten empirischen Modellen

weiter zu verbessern, muss man auch

mit konservativen Annahmen, bei de­

Messtechniken entwickeln, die den

nen Vorgänge nicht so detailreich be­

Zustand des Reaktors im Betrieb mög­

schrieben wurden: So wurden zum

lichst zeitnah erfassen. Auch auf die­

Beispiel die Versagensgrenzen von

sem Gebiet arbeiten Wissenschaftle­

Komponenten oder Systemen bewusst

rinnen und Wissenschaftler des PSI.

Die gesamte wissenschaftliche Exper­

pessimistisch eingeschätzt. Das führte

Und manchmal hat ihre Forschung

tise der Schweiz zum Thema Material­

aber oft dazu, dass Komponenten und

unerwartete Nebeneffekte mit Anwen­

verhalten und Alterung von KKW ist am

Sicherheitssysteme überdimensioniert

dungen jenseits der Nuklearenergie.

PSI konzentriert. Vom nuklearen Brenn­

wurden, ohne dass dadurch die Wah­

So haben PSI-Forschende eine Me­

stoff selbst über die Hüllrohre von

Wie KKW altern – Wissen aus den heissen Zellen

23


Die Sicherheit der in der Schweiz lau­ fenden KKW bedarf komplexer For­ schung. Hier wird beispielsweise un­ tersucht, wie Wasserstoff in das Hüllrohr von Brennstäben eindringen und diese spröde machen kann.

Brennstäben bis hin zu den Kühlmittel­

Radioaktivität aus einem Kernreaktor

unfällen relevante Vorgänge werden am

leitungen – Forschende des PSI unter­

ist im Betrieb sehr hohen Belastungen

Computer modelliert. So etwa die Küh­

suchen, wie sich die Materialien unter

wie etwa Korrosion oder Eindringen von

lung der Reaktorschutzhülle, die Oxi­

den harschen Bedingungen während

Wasserstoff ausgesetzt. Dringt zu viel

dation des Hüllrohrs der Brennstäbe

des Betriebs eines Kernkraftwerks ver­

Wasserstoff ins Hüllrohr, bilden sich

bei Kühlmittelverlust sowie die damit

ändern.

sogenannte Hydride. Diese machen

verbundene Freisetzung und Verbrei­

Ausführliche Untersuchungen von Ver­

das Hüllrohr spröder und begünstigen

tung von Wasserstoff in der Reaktor­

änderungen an verbrauchten Brennstä­

das Wachstum bestehender Risse. PSI-

schutzhülle (Containment). Letzteres

ben bilden die Kernaufgabe des PSI-

Wissenschaftler nutzen die hauseige­

ist ein Phänomen, das seit dem Fuku­

Hotlabors. In dieser schweizweit

nen Grossforschungsanlagen und die

shima-Unfall erhöhte Aufmerksamkeit

einzigartigen Anlage werden hoch ra­

Hotzellen des Hotlabors, um besser zu

erhalten hat. In einem von der Organi­

dioaktive Materialien in speziellen,

verstehen, wie der Wasserstoff aufge­

sation für wirtschaftliche Zusammen­

abgeschirmten Kammern – genannt

nommen wird, wie er sich im Hüllrohr

arbeit und Entwicklung OECD koordi­

Hotzellen – mit modernen Analyseme­

verteilt und dieses mechanisch

nierten Projekt helfen PSI-Forschende

thoden unter die Lupe genommen

schwächt.

dabei, die Vorgänge, die sich im Innern

(siehe Infografik). Im Mittelpunkt steht

Das PSI verfügt zudem über umfangrei­

der Reaktorkerne beim Unfall von Fu­

dabei die kontinuierliche Verbesserung

che Expertise im Bereich Schwere Nu­

kushima abspielten, nachträglich zu

des Designs der Brennstäbe, sodass

klearunfälle – auf der Grundlagen- wie

rekonstruieren. Diese Arbeiten helfen,

aus einem sicher eingeschlossenen

auf der anwendungsnahen Ebene. PSI-

die Dekontaminierungsarbeiten im ha­

Brennstoff möglichst viel Energie ge­

Forschende analysieren die Unfallver­

varierten Werk vorzubereiten und eb­

wonnen werden kann.

läufe im Kernkraftwerk und erarbeiten

nen den Weg für spätere Untersuchun­

Dem Hüllrohr der Brennstäbe gilt ein

Massnahmen zur Unfallverhütung und

gen des Unfallhergangs.

besonderes Augenmerk. Diese erste

zur Begrenzung entstandener Schäden.

Was den Umgang mit schweren Unfäl­

Schutzhülle gegen das Austreten von

Fundamentale, bei schweren Nuklear­

len betrifft, gehört zum PSI-Fachwissen

24


Der Mensch als Risikofaktor

auch, wie man die Freisetzung radio­

Venting müssen radioaktive, im Dampf

aktiver Substanzen minimieren kann.

schwebende Partikel (Aerosole) her­

Bei einem schweren Unfall versucht

ausgefiltert werden, was üblicherweise

Eine weitere Forschungsgruppe am PSI

man, durch das sogenannte Venting

in grossen Wassertanks geschieht.

befasst sich mit der Rolle des Men­

– eine Druckentlastung durch Ablassen

Forschende des PSI haben für dieses

schen als Sicherheits- bzw. Risikofak­

von Dampf aus der Reaktorschutzhülle

Filtern ein spezielles Verfahren entwi­

tor, insbesondere im Umfeld von Kern­

– das Versagen der Druckhülle und

ckelt und patentieren lassen. Damit

energieanlagen. Man fragt sich dabei,

damit die unkontrollierte Freisetzung

kann durch die Zugabe bestimmter

warum Operateure in kritischen Situa­

von Radioaktivität zu verhindern. Beim

Chemikalien das bei solchen Unfällen

tionen richtige Entscheidungen nicht

in grossen Mengen produzierte radio­

ausführen oder wie es möglich ist, dass

aktive Jod bis auf Bruchteile eines Pro­

sie falsche Entscheidungen treffen. Die

milles zurückgehalten werden.

Antworten liegen in so verschiedenen Bereichen wie Qualität der Ausbildung, Ergonomie am Arbeitsplatz, Arbeits­ belastung oder festgelegte Abläufe. PSI-Forschende lassen diese Einfluss­ grössen in mathematische Modelle einfliessen, sodass Risiken mithilfe von Wahrscheinlichkeitsberechnungen quantifiziert und in der Folge reduziert

UO2-Pellets

werden können. Eine neuere For­ schungsrichtung versucht, dieses Wis­ sen mit der Simulation von Störfällen zu kombinieren.

Hüllrohr aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy)

Hotlabor: Im Hotlabor des PSI werden seit vielen Jahren bestrahlte Brennstäbe aus den Schweizer KKW in Hotzellen und anderen Versuchsstationen eingehend untersucht. Diese Untersuchungen helfen, entstehende Schäden an den Brennstäben frühzeitig zu erkennen und zu verhindern. Die Brennstäbe durchlaufen jeweils eine anderthalbjährige Testreihe, an deren Ende wichtige Erkenntnisse über Veränderungen ihrer Material- und geometrischen Eigenschaften unter Bestrahlung resultieren. Mit diesem Wissen kann das Design der Brennelemente und insbesondere der Brennstab-Hüllrohre verbessert werden.

25


Sicher eingeschlossen In der Schweiz schreibt das Kernener-

falls grundlegend verstanden sein. Im

giegesetz eine geologische Tiefenla-

Prinzip kennen die Forscher bereits den

gerung aller Abfälle aus Kernkraftwer-

Grund für dieses Haften: Radionuklide,

ken und anderen Quellen vor. Forscher

insbesondere solche, die als positiv

des PSI wirken an diesem wichtigen,

geladene Atome (Ionen) vorkommen,

gesellschaftsrelevanten Unterfangen

werden von den negativen Ladungen

mit, indem sie die Vorgänge erfor-

an den Tonoberflächen elektrostatisch

schen, die für die Sicherheit eines

angezogen. Dennoch sind Unter­

Tiefenlagers von Bedeutung sind.

schiede zwischen den einzelnen Ra­ dionukliden sowie Details des Mecha­ nismus noch nicht vollständig geklärt.

Wie sich Radionuklide im Gestein fortbewegen

So können andere Prozesse neben dem

Als Wirtsgestein, in dem die Abfälle

den. Und weil Tongesteine aus einer

sicher eingeschlossen werden sollen,

Vielzahl von Mineralien bestehen, gilt

ist in der Schweiz der Opalinuston vor­

es auch herauszufinden, welche dieser

gesehen. Deshalb liegt der Fokus der

Mineralien als die effizientesten Radio­

Forschung auf den für die Sicherheit

nuklid-Fänger fungieren.

elektrostatischen Haften dazu führen, dass Radionuklide zurückgehalten wer­

des Tiefenlagers relevanten Eigen­ schaften dieses Tongesteins. So wer­ den am PSI etwa die Bewegungen der radioaktiven Atome (Radionuklide) durch den Opalinuston theoretisch

PSI-Sorptionsmodell bewährt sich

modelliert und im Labor gemessen.

Das von PSI-Wissenschaftlern entwi­

Dabei spielt die Diffusion, d.h. die von

ckelte Modell der Sorption von Radio­

der Temperatur im Tiefenlager angetrie­

nukliden beschreibt mathematisch,

bene, zufällige Fortbewegung der Ra­

wie Radionuklide am Mineral Illit – dem

dionuklide eine zentrale Rolle. Die Zeit,

Hauptbestandteil von Tongesteinen,

die ein Radionuklid braucht, um durch

haften. Das Sorptionsmodell des PSI

Diffusion eine bestimmte Strecke zu­

hat sich in einer Reihe von Versuchen

rückzulegen, ist bisweilen derart lang,

bewährt, und zwar nicht nur beim Opa­

dass deren Messung Jahrhunderte in

linuston, für den es ursprünglich ent­

Anspruch nehmen würde. Mit speziel­

wickelt wurde. Auch für den in Ungarn

len Messtechniken sind PSI-Wissen­

vorkommenden Bodaton hat das PSI-

schaftler jedoch in der Lage, diese

Modell richtige Vorhersagen zum Haft­

Zeiten in Laborversuchen zu bestim­

verhalten von Radionukliden getroffen.

men.

Dies gelang in einem von der EU mitfi­

Aber nicht nur die Beweglichkeit der

nanzierten Projekt, bei dem ungarische

Radionuklide im Tiefenlager interes­

und schweizerische Forschende ihre

siert die Forschenden. Die günstige

Expertise austauschen konnten. Um

Kehrseite, das Haften der Radionuklide

die Solidität ihrer wissenschaftlichen

an der Gesteinsoberfläche, will eben­

Arbeit sicherzustellen, sind Forscher

26

PSI-Forschende wollen verstehen, welche physikalischen und chemi­ schen Prozesse die Rückhaltung radioaktiver Substanzen in Tongestein bestimmen. Dafür verwenden sie sowohl theoretische Rechenmodelle und Computersimulationen als auch Laborversuche.


nämlich auch auf dem Gebiet der Ent­ sorgung radioaktiven Abfalls auf inter­ nationale Kooperationen angewiesen. Die Komplexität des Verhaltens im Tie­ fenlager wird zusätzlich dadurch er­ höht, dass nicht nur Gestein und radio­ aktive Abfälle darin vorhanden sind. Zum Tiefenlager für schwach aktive Abfälle gehören auch Kavernen mit einer Betonverkleidung, die mit dem Gestein in Berührung kommt. An dieser Grenzschicht läuft – allerdings in Zeit­ lupe – eine Reaktion zwischen dem eher sauren Gestein und dem einer Lauge ähnlichen Zement ab, die zur gegenseitigen Neutralisierung führt. Forscher des PSI untersuchen, wie sich dieser Prozess auf die Sicherheit des Tiefenlagers auswirken könnte. Sie tun dies mithilfe von Computersimula­ tionen und Beobachtungen in Natur­ analoga (geologische Formationen mit vergleichbaren Bedingungen wie im Tiefenlager). Dabei haben sie bereits erste Erkenntnisse erlangt, etwa dass sich durch die Säure-Base-Reaktion Mineralien bilden, die die Poren im Gestein in kleinem Abstand von der Kontaktstelle schliessen.

Vorsprung durch Hotzellen und Synchrotronlicht Für viele dieser Untersuchungen, bei denen mit radioaktivem Material han­ tiert werden muss, sind gut gegen Strahlung abgeschirmte Anlagen nötig. Deshalb werden viele der Versuche zur Sicherheit der Tiefenlager im PSI-Hot­ labor durchgeführt. Die Aufklärung der Details von Vorgängen auf atomarer oder molekularer Skala wiederum ge­ schieht teilweise an der Synchrotron­ lichtquelle Schweiz SLS des PSI, die für solche Studien als eine Art riesiges Röntgen-Mikroskop dient. 27


Energiesysteme: Blick für das Ganze Am PSI erforschen Wissenschaftler und

auch ihr Zusammenspiel unter die

bale Anstrengungen zum Schutz des

Wissenschaftlerinnen verschiedenster

Lupe. Unter anderem werden die ver-

Klimas durch den Ausbau nicht fossi-

Fachrichtungen Energiesysteme in ih-

netzten Systeme auf ihre wirtschaftli-

ler, erneuerbarer Energietechnologien

rer ganzen Komplexität, und zwar auf

che Nachhaltigkeit hin geprüft. Im

oder umfassende Liberalisierungen der

nationaler wie globaler Ebene. Dazu

Mittelpunkt steht etwa die Frage nach

Energiemärkte mit dem Ziel, Wirt-

nehmen die Forschenden sowohl die

den volkswirtschaftlichen Auswirkun-

schaftswachstum zu generieren.

einzelnen Bereiche (Strom- und Wär-

gen von energiepolitischen Entschei-

meversorgung sowie den Verkehr) als

dungen. Dies sind beispielsweise glo-

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Analysen durch Szenarien

hängige und wissenschaftlich fundierte Grundlage für die Ökobilanzierung ha­

Um Energiesysteme zu analysieren,

ben PSI-Forschende mit der weltweit

entwickeln die Forschenden zunächst

führenden Ökobilanz-Datenbank eco-

Szenarien und treffen Annahmen dar­

invent mit aufgebaut.

über, welche übergeordneten politi­ Um Energiesysteme in ihrer ganzen Komplexität und unter verschiedenen Aspekten besser zu verstehen, braucht es die Zusammenarbeit von Spezialisten und Spezialistinnen aus vielen Fachgebieten.

schen Vorgaben, gesellschaftlichen Trends oder technischen Entwicklun­ gen den Energiemix eines Landes, ei­ ner Region oder der Welt beeinflussen

Ausgewogene Bewertung von Risiken

könnten. Ihre Ergebnisse sind also

Über die Umweltbelastung hinaus wer­

keine in Stein gemeisselte Prognosen,

den am PSI die verschiedenen Energie­

sondern vielmehr fundierte Antworten

technologien in Bezug auf ihre Risiken

auf die Frage: «Was wäre, wenn …?»

verglichen. Die Datengrundlage für ihre

Das ausgewiesene ökonomische Fach­

Risikoanalysen haben PSI-Forschende

wissen am PSI hat zu einer Partner­

mit der Einrichtung der Datenbank EN­

schaft mit dem Weltenergierat (World

SAD (Energy-Related Severe Accident

Energy Council WEC) geführt, in deren

Dabase) selbst geschaffen. In dieser

Rahmen Szenario-Analysen über die

Datenbank werden schwere Unfälle der

globale Stromversorgung bis 2050 er­

Energiebranche erfasst. Die auf ENSAD

stellt werden.

basierenden Analysen zeigen, dass alle Energietechnologien mit Risiken behaf­ tet sind, dass aber die Risikoprofile

Den ökologischen Fussabdruck vermessen

bezüglich Häufigkeit und Folgen der

Zur Untersuchung von Energiesyste­

Diese Erkenntnisse helfen dabei, eine

men gehört am PSI der Aspekt der

ausgewogene Perspektive auf die Risi­

Ökobilanz von Produkten, Dienstleis­

ken im Zusammenhang mit der Ener­

tungen oder Technologien. Man schaut

gieversorgung zu entwickeln und die­

sich etwa die wahren ökologischen

nen somit als auf Fakten basierende

Folgen des Ausbaus der Elektromobili­

Entscheidungsgrundlage für Politiker

tät an, und zwar unter Berücksichtigung

wie auch für die öffentliche Diskussion.

der gesamten Wertschöpfungskette:

In Zusammenarbeit mit externen Part­

vom Abbau der Rohstoffe über die Her­

nern bewerten PSI-Forschende auch

stellung der Fahrzeuge bis hin zu mög­

aufkommende Technologien wie die

licherweise anfallenden Stromimpor­

Tiefengeothermie (Strom- und Wärme­

ten aufgrund erhöhter Nachfrage. So

gewinnung aus tiefen Gesteinsschich­

wird ein verkürzter Blick auf scheinbar

ten) oder die CO2-Abscheidung und

umweltfreundliche Lösungen vermie­

Speicherung, mit der das klimaschädli­

den und eine bessere Grundlage für

che CO2 aus Kraftwerken und der Indus­

den Vergleich verschiedener Optionen

trie abgetrennt und im Untergrund gela­

geschaffen. Eine transparente, unab­

gert werden soll.

Unfälle für die verschiedenen Techno­ logien starke Unterschiede aufweisen.

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Das Paul Scherrer Institut aus der Vogelperspektive.

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Das PSI in Kürze Das Paul Scherrer Institut PSI ist ein Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften. Am PSI betreiben wir Spitzenforschung in den Bereichen Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Durch Grundlagen- und angewandte Forschung arbeiten wir an nachhaltigen Lösungen für zentrale Fragen aus Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft. Das PSI entwickelt, baut und betreibt komplexe Grossforschungsanlagen. Jährlich kommen mehr als 2500 Gastwissenschaftler aus der Schweiz, aber auch aus der ganzen Welt zu uns. Genauso wie die For­ scherinnen und Forscher des PSI führen sie an unseren einzigartigen Anlagen Experimente durch, die so woanders nicht möglich sind. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende. Damit sind wir das grösste For­ schungsinstitut der Schweiz.

Impressum Konzeption/Texte/Redaktion Leonid Leiva Lektorat Evelyne Gisler Fotos Scanderbeg Sauer Photography Markus Fischer Gestaltung und Layout Monika Blétry Druck Paul Scherrer Institut Zu beziehen bei Paul Scherrer Institut Events und Marketing 5232 Villigen PSI, Schweiz Telefon +41 56 310 21 11 Villigen PSI, Juli 2016

Kontakte Forschungsbereichsleiter Energie und Umwelt Prof. Dr. Alexander Wokaun Tel. +41 56 310 27 51 alexander.wokaun@psi.ch Forschungsbereichsleiter Nukleare Energie und Sicherheit Prof. Dr. Andreas Pautz Tel. +41 56 310 34 97 andreas.pautz@psi.ch Leiterin Abteilung Kommunikation Dagmar Baroke Tel. +41 56 310 29 16 Fax +41 56 310 27 17 dagmar.baroke@psi.ch


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Energie und Umwelt_d, 7/2016

Energie und Umwelt  
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Forschung am Paul Scherrer Institut. Das Paul Scherrer Institut PSI ist das grösste Forschungszentrum für Natur- und Ingenieurwissenschafte...