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Energie und Umwelt

Forschung am Paul Scherrer Institut


Die Versuchsplattform ESI – kurz für Energy System Integration – des Paul Scherrer Instituts testet erneuerbare Energiealternativen in ihrem komplexen Zusammenspiel miteinander.


Inhalt 4 Energie − Treibstoff des Lebens

22 Der Kern der Dinge 22 Wie ein Schwamm für Wasserstoff

6 Eine Plattform – viele Energiesysteme 7

Vereint im Dienste der Energieforschung

10 Energie in Gas speichern 10 Gewinnung von Wasserstoff 11 Methanisierung 11 Weissbuch Power-to-X

12 Wertvoller Wasserstoff 13 Saubere Energie dank Brennstoffzelle 14 Die Möglichmacher 15 Saubere Abgase dank Schwammstruktur 15 Weg vom «schmutzigen Diesel» 15 Wasser spalten

23 Simulationen machen Kernanlagen sicherer 24

Flüssigsalzreaktoren –

die Erforschung einer Möglichkeit

24 Mit Sicherheit eingeschlossen 24 Eine Zukunftsfrage

25 «Man kann international nur mitreden, wenn man Kompetenz hat» 26 Hotlabor: Wissen aus den heissen Zellen 28 Energiesysteme: Der Blick für das Ganze 28 Energiemix der Zukunft 29 Mobilität von morgen

16 Das Thema Energie und Umwelt 31 Das PSI in Kürze 31 Impressum hat ungemein viele Facetten 31 Kontakte

17 Gut und lange geladen 18 Die Atmosphäre im Blick 18 Hoch oben 20 Dicke Luft in Delhi 20

Vom Grossen zum Kleinen

21 Umwelt mobil

Umschlagbild Brennstoffzellenforschung am PSI. 3


Energie − Treibstoff des Lebens Wie man Energie nachhaltig gewinnt

• Sichere Nutzung der Kernenergie

und speichert, ist eine entscheidende

• Sichere Entsorgung radioaktiver

Zukunftsfrage für jede Gesellschaft. Die Forschung des PSI hilft dabei, heute Antworten auf diese Fragen von morgen zu finden.

Abfälle • Ganzheitliche Bewertung von Energiesystemen • Auswirkungen von Energienutzung auf Klima und Atmosphäre

Jedes Lebewesen benötigt Energie in Form von Nahrung. Der Mensch konsu-

Ziel der PSI-Forschenden ist es, bei

miert über Nahrung hinaus aber noch

Energiegewinnung, Energienutzung,

weitaus grössere Mengen an Energie:

Energiespeicherung und bei deren Um-

in privaten Haushalten, der Wirtschaft

weltauswirkungen eine möglichst hohe

und für die Mobilität. Würde man den

Effizienz bei gleichzeitiger Schonung

weltweiten Primärenergiebedarf aus-

der Ressourcen zu erreichen. Dazu ist

schliesslich mit Erdöl decken, dann

es notwendig, die eingesetzten Mate-

bräuchte man dafür mehr als 135 Bil­

rialien und ihr Verhalten unter den ver-

lionen Tonnen. Die Schweiz benötigte

schiedenen Einsatzbedingungen genau

davon über 26 Millionen Tonnen oder

zu kennen.

knapp 0,2 Prozent.

Die Forschungsinfrastruktur des PSI bietet dafür ideale Voraussetzungen.

Energie tritt in unterschiedlichen For-

Die Grossforschungseinrichtungen wie

men auf, zum Beispiel:

die Synchrotron Lichtquelle Schweiz

• als elektrische Energie

SLS, der Freie-Elektronen-Röntgenlaser

in Form von Strom • als thermische Energie

SwissFEL, die Schweizer SpallationsNeutronenquelle SINQ, die Schweizer

in Form von Wärme

Forschungsinfrastruktur für Teilchen-

• als kinetische Energie

physik CHRISP und die Schweizer

in Form von Bewegung

Myonenquelle SμS erlauben tiefe Einblicke in die allerkleinsten Strukturen

Die verschiedenen Energieformen las-

von Materialien. Auch die Energy-

sen sich ineinander umwandeln. PSI-

System-Integration-Plattform, kurz ESI,

Forschende arbeiten daran, möglichst

das Hotlabor und neue leistungsfähige

effiziente Verfahren zu entwickeln, um

Grossrechner helfen den Forschenden

Energie zu erzeugen, zu speichern und

des PSI dabei, entscheidende Fort-

umzuwandeln.

schritte bei der Sicherung einer nach-

Dabei konzentrieren sie sich auf fol-

haltigen Energieversorgung zu erzielen.

gende Bereiche:

Neben der physikalischen und chemi-

• Erforschung nachhaltiger Energie-

schen Erforschung von Stoffen und

quellen, zum Beispiel Biomasse

Verfahren hat die Modellierung von

• Effiziente Umwandlung von Ener-

neuen Materialien und die Simulation

gieträgern zur Speicherung und

von Energiesystemen grosse Bedeu-

Wiedergewinnung von Energie für

tung.

Wärme, Strom, Mobilität 4


Energie nachhaltig gewinnen, umwandeln und speichern – ein Forschungsziel für heute und morgen.

5


Eine Plattform – viele Energiesysteme Weltweit befinden sich die Energiesysteme im Umbau. Vermehrt wird dabei auf die sogenannten neuen erneuerbaren Energieträger gesetzt: Das sind Sonne, Wind und Biomasse. Auch in der Schweiz steigt ihr Anteil an der Energieversorgung und soll dies auch weiterhin tun. Um die Effizienz zu steigern, ist die Erforschung und Entwicklung neuer Materialien und Verfahren notwendig − sowohl bei der Gewinnung von Energie aus erneuerbaren Quellen als auch bei deren Verteilung und Nutzung. Das PSI bietet mit seiner Energy-System-Integration-Plattform eine einmalige Kombination verschiedener Energiesysteme an einem Ort und dadurch exzellente Möglichkeiten, Verfahren zu erforschen, um Energie effizient zu gewinnen, zu speichern und umzuwandeln. Ziel ist es, in enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Industrie verschiedene Varianten der Energiespeicherung (siehe auch Energie in Gas speichern, Seite 10f.) und der energieeffizienten Nutzung von Biomasse auf ihre technische und wirtschaftliche Machbarkeit hin zu untersuchen und weiterzuentwickeln. So wurde mithilfe der ESI-Plattform ein Verfahren entwickelt, mit dem sich wesentlich mehr Methan aus Biomasse, zum Beispiel aus Bioabfällen von Haushalten, erzeugen lässt. Methan ist der Hauptbestandteil von herkömmlichem Erdgas und somit ein bewährter Energieträger. Üblicherweise entsteht Methan aus Bioabfällen durch mikrobielle Prozesse, durch sogenannte Vergärung. Dabei entwickeln sich aber auch grosse Mengen Kohlendioxid. Das Gemisch 6

Die ESI-Plattform erforscht, wie überschüssige erneuerbare Energie aus Wind und Sonne gespeichert und bei Bedarf wieder verfügbar gemacht werden kann. Die einzelnen Elemente der ESI-Plattform sind in Containern untergebracht, damit man sie flexibel vor Ort einsetzen kann.


aus beiden Gasen, das Rohbiogas, be-

Die Möglichmacher, Seite 14f.). Das im

dustriellen Massstab sehr gut eignet.

steht zu 60 Prozent aus Methan und zu

Rohbiogas enthaltene Kohlendioxid

Das neue Verfahren zur effizienten Me-

40 Prozent aus Kohlendioxid. Letzteres

wird nahezu vollständig zu Methan

thangewinnung aus Biomasse beein-

wird in der Regel aufwendig vom Me-

umgewandelt. Das resultierende End-

druckte selbst die Experten des Bun-

than getrennt und nicht weiter verwer-

produkt ist so hochwertig und gleicht

desamts für Energie. Sie zeichneten

tet.

handelsüblichem Erdgas so sehr, dass

das PSI und Energie 360° für diesen

Den Forschenden des PSI ist es gelun-

es direkt in das Gasnetz eingespeist

wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen

gen, dieses Kohlendioxid durch Zugabe

werden kann.

Energieversorgung mit dem Schweizer

von Wasserstoff direkt in das Rohbio-

In einem Gemeinschaftsprojekt mit

Energiepreis Watt d’Or aus und kürten

gas nun auch noch in Methan umzu-

dem Zürcher Versorgungsunternehmen

beide gemeinsam zum Sieger in der

wandeln. Dazu benötigen sie unter

Energie 360° testeten die PSI-Forschen-

Sparte Erneuerbare Energien.

anderem sogenannte Katalysatoren −

den ihre Entwicklung unter realen Be-

Substanzen, die die Umwandlung von

dingungen. Mit der mobilen Anlage

einer chemischen Verbindung in eine

Cosyma, in der die Umwandlung von

andere erst möglich machen, sodass

Wasserstoff und Kohlendioxid zu Me-

sich Wasserstoff und Kohlendioxid mit-

than abläuft, zeigten sie, dass das neue

einander zu Methan verbinden (siehe:

Verfahren sich für den Einsatz im in-

Vereint im Dienste der Energieforschung Im Projekt ReMaP unter Federführung der ETH Zürich wird die ESI-Plattform mit den Demonstratoren der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) virtuell zusammengeschaltet. Gemeinsam mit den Plattformen NEST (zukünftige Gebäude), move (zukünftige Mobilität) und ehub (Energienetze auf Quartierebene) der Empa bietet die ESI-Plattform eine einmalige Versuchsanordnung für Forschung und Industrie, um das Wissen und die technischen Grundlagen für die Energiesysteme der Zukunft zu entwickeln.

7


3

1

2

4

Die ESI

1

 Minigasturbine

Die Gasturbine im Miniformat wandelt Methan in Strom und Wärme um. Das ermöglicht es, Strom zu gewinnen, wenn der Wind gerade nicht weht und die Sonne gerade nicht scheint. An der Minigasturbine untersuchen die Forschenden, wie viel Wasserstoff sie dem Methan beisetzen können, damit die Umwandlung noch sicher und effizient geschieht. Denn Wasserstoff lässt sich leicht gewinnen, verbrennt schnell und könnte dabei helfen, auf schnelle Last­ änderungen zu reagieren.

8

2

 GanyMeth

In diesem Reaktor entsteht Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid. Das Produkt wird auch Synthetic Natural Gas (SNG) genannt. Die Reaktion findet in einem Wirbelschichtreaktor mithilfe von Katalysatoren statt (siehe: Die Möglichmacher, Seite 14f.). In dem Reaktor werden Feststoffpartikel, bestückt mit einem Katalysator, durch eine aufwärtsgerichtete Luftströmung ständig durcheinandergewirbelt, sodass eine grosse Oberfläche entsteht, an der die Reaktion stattfinden kann.

3

 HydroPilot

In einer Pilotanlage erforscht das PSI die hydrothermale Vergasung von nasser Biomasse mit überkritischem Wasser. Dabei werden Abfälle mit hohem Wasseranteil wie Klärschlamm, Kaffeesatz und Gülle einem hohen Druck und einer hohen Temperatur ausgesetzt. Dadurch entsteht aus den Abfällen ein hochwertiges Gas, ähnlich dem Biogas. In dem Projekt werden ähnliche Vorgänge untersucht wie an Konti-C, allerdings in grösserem Massstab, um industrieähnlichere Bedingungen zu simulieren.

4

5

6

 Gas-Tanks

Wasserstofftank (4) Kohlendioxidtank (5) Sauerstofftank (6)

7

 Elektrolyseur

Aus Wasser entsteht mithilfe von Strom Wasserstoff und Sauerstoff.


10

12

11

7 8 6 9

5

Leitungen n Nasse Biomasse n Kohlendioxid (CO2) n Wasserstoff (H2) n Sauerstoff (O2) n Strom n (Synthetisch rohes) Biogas n Wasser n Luft

8

 Cosyma

Rohbiogas aus einer Biogas­ anlage enthält nur etwa 60 Prozent Methan, der Rest ist Kohlendioxid. Die Test­ anlage Cosyma (Containerbased System for Methanation) verarbeitet das Rohbiogas weiter, indem sie Wasserstoff zuführt, das mit dem Kohlendioxid reagiert. So erhöht sich die Methan­ ausbeute. Der Prozess nennt sich Direktmethanisierung.

9

 Konti-C

Die Versuchsanlage untersucht, wie sich aus nasser Biomasse – Gülle, Klärschlamm oder Algen – Energie gewinnen lässt. Bei hohen Temperaturen und Drücken wird die Biomasse in synthe­ tisches Biogas, also Methan, umgewandelt. Das hat den Vorteil, dass die Biomasse zuvor nicht getrocknet werden muss, denn dieser Vorgang benötigt viel Energie und macht eine Verarbeitung wirtschaftlich oft unrentabel.

10   Kontrollraum und Besucherplattform

11

 Gasreinigung/trocknung

Hier werden Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Elektro­lyseur getrocknet und gereinigt, um dann in Speichertanks gepumpt zu werden.

12  Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle erzeugt Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei entsteht Wasser. Da ein Brennstoff­ zellensystem alleine zu wenig Strom erzeugt, sind in diesem Container vier Systeme aus je 236 Einzelzellen zusammengeschaltet. So wird eine industrielle Umgebung simuliert.

9


Energie in Gas speichern Ein Problem bei Wind- und Solarkraft

ihre direkten Treibhausgasemissionen

ist, dass ihre Quellen nicht immer

drastisch zu reduzieren. Gemäss der

gleichmässig zur Verfügung stehen.

Energiestrategie 2050 will sie den Aus-

Wenn genügend Wind weht, produzie-

stoss von Treibhausgasen bis 2030 im

ren Windkraftanlagen ausreichend

Vergleich zu 1990 um 50 Prozent ver-

Strom; bei Flaute versiegt diese Quelle.

ringern, bis 2050 bis zu 85 Prozent.

Auch die Einstrahlung des Sonnen-

Nach 2050 soll die Energieversorgung

lichts ändert sich nicht nur im Tag-

in der Schweiz vollkommen klimaneu-

Nacht-Rhythmus, sondern auch wetter-

tral erfolgen. Um dieses Ziel zu errei-

abhängig und saisonal.

chen, kommt den neuen erneuerbaren

Eine zuverlässige Energieversorgung

Energien, also Biomasse, Wind- und

braucht deshalb effektive Energiespei-

Solarkraft, eine entscheidende Bedeu-

cher: Sie konservieren die Energie, die

tung zu – und der Frage, wie man die

in produktionsstarken Phasen gewon-

produzierte Energie speichern kann.

nen wurde, und geben sie ab, wenn gerade Windstille herrscht oder die

H2: Wasserstoff CH4: Methan

Schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien H2

ELEKTROLYSE

Wasserstoff

+ Anode

e– e–

Sauerstoff

e– H+

H+

e–

Bei der Proton-Exchange-MembraneElektrolyse (PEMEL) führt elektrischer Strom dazu, dass sich Wasser an der sogenannten Anode in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Zunächst entstehen Sauerstoff und positiv geladene Wasserstoff-Ionen (Protonen). Diese wandern durch die nur für sie durchlässige Membran und vereinigen sich an der Kathode mit Elektronen zu gasförmigem Wasserstoff.

METHANISIERUNG

CH4

H2 H2

Stromzufuhr Kathode –

Membran

Die Schweiz hat sich das Ziel gesetzt,

Sonne nicht ausreichend scheint. Ein Erdgasnetz

Gasspeicher

Verfahren, das dabei zum Einsatz kommt, heisst Power-to-Gas. Dabei werden mit elektrischem Strom, zum Beispiel aus Wind- oder Sonnenener-

Industrielle Nutzung

Mobilität

Stromerzeugung

Wärmeversorgung

gie, Gase wie Wasserstoff oder Methan erzeugt. Diese Gase dienen als Energiespeicher und speisen bei Bedarf ihren Energieinhalt wieder in die Ener-

Mit Wasserstoff lassen sich beispielsweise Fahrzeuge mit einer Brennstoffzelle betreiben (siehe Seite 13). Das Gas lässt sich auch in das Erdgasnetz einspeisen. Die Industrie wiederum kann es verwenden, um ihre Produktionsprozesse aufrechtzuerhalten: Wasserstoff ist ein wichtiger Rohstoff, etwa bei der Herstellung von Stickstoffdünger in der chemischen Industrie oder beim «Aufbrechen» (Cracken) von Kohlenwasserstoffen in Erdölraffinerien.

gieversorgung zurück.

Gewinnung von Wasserstoff Wasserstoff entsteht unter anderem durch die Elektrolyse von Wasser. Im Prinzip wird dabei Strom in Wasser

10


geleitet, das sich daraufhin in seine

Methan erzeugt, dem Hauptbestandteil

neues Verfahren dafür entwickelt und

Bestandteile Wasserstoff und Sauer-

von herkömmlichem Erdgas.

so erreicht, dass sich aus Biogas aus

stoff zerlegt. Für die Elektrolyse existie-

Ein Spezialfall der Methanisierung ist

Bioabfällen bis zu 60 Prozent mehr

ren unterschiedliche Verfahren. Das PSI

die sogenannte Direktmethanisierung.

Bio-Methan gewinnen lässt (siehe:

wendet die Protonen-Austausch-Mem-

Dabei wird der Wasserstoff nicht mit

Eine Plattform – viele Energiesysteme,

bran-Elektrolyse an (Proton Exchange

reinem Kohlendioxid zusammenge-

Seite 6f). Die höhere Methanausbeute

Membrane Electrolysis, PEMEL, siehe

bracht, sondern mit Biogas, das bereits

schont damit Ressourcen und die Um-

Seite 10).

zu einem guten Teil aus Methan be-

welt.

steht, aber noch einen vergleichsweise

Sowohl bei der Gewinnung von Was-

hohen Anteil an Kohlendioxid enthält.

serstoff als auch bei der Methanisie-

Auch direkt in diesem Gasgemisch

rung kommen Hilfssubstanzen zum

lässt sich aus Kohlendioxid mit Was-

Einsatz, die die Reaktionen überhaupt

Eine weitere Möglichkeit, Energie in

serstoffzugabe zusätzliches Methan

erst ermöglichen. Es handelt sich um

Gas zwischenzulagern, ist die soge-

erzeugen und so der Methangehalt im

sogenannte Katalysatoren, die am PSI

nannte Methanisierung. Dabei wird aus

Biogas deutlich erhöhen, bis zur Erd-

ebenfalls intensiv erforscht werden

Wasserstoff und Kohlendioxid das Gas

gasqualität. PSI-Forschende haben ein

(siehe Seite 14f.).

Methanisierung

Weissbuch Power-to-X Wissenschaftler des PSI haben gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen von sechs Schweizer Hochschulen und Forschungsinstitutionen umfangreiche Informationen zu verschiedenen Aspekten von Power-to-X-Technologien zusammengetragen. So werden Technologien bezeichnet, mit denen Energie in Zeiten eines Überangebots von elektrischem Strom in anderen Energieformen, zum Beispiel chemischen Energieträgern, gespeichert werden. Unter anderem haben die Forschenden in einem Weissbuch zusammengefasst, welches Potenzial Power-to-X-Verfahren für die Energiestrategie 2050 haben, vor welchen Herausforderungen die Technologie steht und welche Schlüsselfaktoren eine Verbreitung begünstigen. In Auftrag gegeben hat das Weissbuch die Eidgenössische Energieforschungskommission (CORE), erstellt haben es die Partner des Swiss Competence Center for Energy Research (SCCER) Heat and Electricity Storage, Biosweet, Crest, Furies und Mobility, und finanziert haben es die Schweizerische Agentur für Innovationsförderung Innosuisse sowie das Bundesamt für Energie (BFE). Ein Fazit: Die Beiträge, die Power-to-X in einzelnen Energiesektoren wie Verkehr, Heizung oder durch die Rückverstromung leisten kann, sind sehr unterschiedlich. So ist die erneute Gewinnung von Strom aus Energieträgern wie Wasserstoff oder Methan, die mit Power-to-X-Verfahren erzeugt wurden, derzeit noch sehr teuer. Die Kosten für solche − auch Power-to-Power genannten − Verfahren könnten aber durch Technikfortschritte und durch zunehmende Erfahrung im Umgang mit diesen Technologien bis 2030 um bis zu zwei Drittel sinken. Kraft- und Brennstoffe, die mit Strom aus erneuerbaren Energien in Power-to-X-Verfahren entstehen, können fossile Energieträger wie Heizöl, Erdgas, Benzin und Diesel ersetzen und somit helfen, Kohlendioxid-Emissionen zu reduzieren. Wirtschaftlich wird dies aber nur sein, wenn entsprechende umweltpolitische Anreizmechanismen zum Tragen kommen. Download «Power-to-X: Perspektiven in der Schweiz» unter https://bit.ly/38ceyW5

11


Wertvoller Wasserstoff Wasserstoff ist das häufigste Element

than, was die Effizienz der gesamten

sehr schnell verbrennt, könnte die

im Universum. Auf der Erde spielt er

Umwandlungskette steigert und viel-

Turbine mit mehr Wasserstoff im Brenn-

eine bedeutende Rolle für das Leben

fältige Speicheroptionen eröffnet. Un-

gasgemisch vielleicht sogar besser auf

und den Energiekreislauf in der Natur.

tersuchungen mit Gasbrennern haben

schnelle Laständerungen ansprechen,

Im Energiesystem der Zukunft entsteht

gezeigt, dass man Methan bis zu 20

hoffen die Wissenschaftler. Dass Gas-

er in Power-to-Gas-Verfahren, treibt

oder gar 30 Prozent Wasserstoff zuset-

netze für hohe Wasserstoffanteile fit

Brennstoffzellen an oder lässt sich in

zen kann, ohne dass die Gasbrenner

gemacht werden können, zeigt ein Blick

das vorhandene Erdgasnetz einspei-

durch lokale Überhitzung Schaden

in die Vergangenheit: Noch bis vor rund

sen.

nehmen. Deshalb wollen die PSI-For-

50 Jahren war Stadtgas in der Schweiz

schenden herausfinden, ob auch die

weit verbreitet und enthielt bis zu

Ins Erdgasnetz eingespeist wird Was-

kleine Gasturbine so viel Wasserstoff

50 Prozent Wasserstoff

serstoff bereits jetzt, allerdings in ei-

verträgt und wie sie bei einem höheren

nem sehr geringen Anteil. Über einen

Wasserstoffanteil auf kurzfristig nach-

weiteren Schritt kann Wasserstoff auch

gefragte Lastspitzen reagiert. Da Was-

zu Methan – dem Hauptbestandteil von

serstoff sehr reaktionsfreudig ist und

Erdgas – umgewandelt werden. PSI-Forschende prüfen jetzt an einer Minigasturbine, wie sich der Wasserstoffanteil im Erdgasgemisch erhöhen lässt. Die Anlage ist in ihrem Gehäuse nicht grösser als ein Kleiderschrank und liefert eine elektrische Leistung von 100 Kilowatt. Damit könnte man den Leistungsbedarf eines kleinen Quartiers mit etwa fünf bis sieben Einfamilienhäusern abdecken – passend zum Trend, die Stromversorgung zu dezentralisieren. Die Minigasturbine ist ein kommerzielles Produkt und eine typische Anlage zur Wärme-Kraft-Kopplung, wie sie in Hotelanlagen, Wohnsiedlungen und auf Campingplätzen zum Einsatz kommen kann, um die dortige Infrastruktur mit Strom und Wärme zu versorgen. Wasserstoff lässt sich in Zukunft umweltfreundlich mithilfe der Elektrolyse gewinnen (siehe Seite 10), wenn genügend Strom aus neuen erneuerbaren Energien zur Verfügung steht. Wenn sich mehr Wasserstoff im Erdgas verwenden lässt, entfällt der Umwandlungsschritt von Wasserstoff zu Me12

Die Minigasturbine ist Teil der ESI-Plattform und wandelt Methan in Strom und Wärme um. PSI-Forschende prüfen an ihr, wie sich der Wasserstoffanteil im Erdgasgemisch erhöhen lässt.


Saubere Energie dank Brennstoffzelle So kann beispielsweise Wasser, das Abfallprodukt aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, für Brennstoffzellenantriebe in der Praxis ein Problem darstellen. In kälteren Klimaregionen kann das Wasser nämlich bei abgeschaltetem Antrieb gefrieren und die Funktion der Brennstoffzellen beeinträchtigen. PSI-Forschende haben deshalb mithilfe der Spallations-Neutronenquelle SINQ die Verteilung von Eis und Wasser in einer Brennstoffzelle direkt abgebildet. Ebenso überprüften sie, wie ein speziell entwickeltes Material das entstehende Wasser besser ableitet. Mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS untersuchten PSI-Forschende ausserdem, wie die PolymerWenn wir atmen, nehmen wir Sauer-

-beschleuniger – durchführen, welche

elektrolytmembran einer Brennstoffzelle

stoff in unseren Körper auf. Das lebens-

einzigartige Einblicke in das Innere der

verschleisst. Das bessere Verständnis

wichtige Gas benötigen wir, um Ener-

Brennstoffzellen und der genutzten

dieser Vorgänge in einer Brennstoffzelle

gie zu gewinnen. Eine Reaktion dabei

Materialien ermöglichen. Dadurch ge-

wird dabei helfen, bessere Materialien

ist die Verbindung von Wasserstoff und

winnen die Forschenden ein grundsätz-

und Verfahren für deren Einsatz im Ener-

Sauerstoff zu Wasser. Genau das ge-

liches Verständnis der Vorgänge in der

giesystem zu entwickeln.

schieht auch in einer Brennstoffzelle.

Brennstoffzelle und können sie sehr gezielt verbessern.

Eine Brennstoffzelle erzeugt elektrischen Strom aus einem Brennstoff und Sauerstoff. Der Brennstoff ist meist Wasserstoff, kann aber auch Methanol, Butan oder Erdgas sein. Bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff wird Energie frei und es entsteht Wasser. Auf diese Weise liefert eine Brennstoffzelle Kohlendioxid-freie, saubere Energie. Das PSI engagiert sich seit vielen Jahren

Anode Wasserstoff

+ Kathode Sauerstoff

e

e– PEM e– (Protonen- e– AustauschMembran) e–

e–

auf verschiedenen Stufen der Brenn-

H+

stoffzellenforschung: von der Optimie-

H

rung einzelner Komponenten bis zur

H+

Untersuchung vollständiger Brennstoff-

H+

zellensysteme. Am PSI können For-

e–

+

Prinzip der PEM-Brennstoffzelle: An der Anode wird Wasserstoff unter Abgabe von Elektronen zu Protonen (H+) oxidiert, die durch die Membran wandern. An der Kathode wird Sauerstoff durch Elektronen (e–) reduziert; es entsteht Wasser. Anode und Kathode sind an einen elektrischen Verbraucher angeschaltet; es fliesst Strom.

Wasser

schende Untersuchungen mithilfe von Grossanlagen – Teilchenerzeuger und 13


Die Möglichmacher

Am PSI entwickeln Forscher effizientere Katalysatoren sowie die dafür notwendigen Trägermaterialien.

Katalysatoren sind Substanzen, die eine

giereicheren Methan umzuwandeln,

chemische Reaktion beschleunigen,

benötigt man Katalysatoren. Für die

effizienter machen oder gar erst ermög-

Reaktion von Kohlendioxid mit Was-

lichen. Die Rolle von Katalysatoren über-

serstoff zu Methan ist das Element

aufgelöster Spektroskopie an der Syn-

nehmen in der Biologie Enzyme. Das

Nickel besonders geeignet. Es kommt

chrotron Lichtquelle Schweiz SLS den

sind natürliche Eiweissmoleküle, die es

bei der Direktmethanisierung zum Ein-

Verlauf von chemischen Reaktionen zu

dem Menschen beispielsweise ermög-

satz, einer am PSI entwickelten Tech-

beobachten. Das hat gegenüber kon-

lichen, Stärke in Zucker umzuwandeln.

nologie, um die Methanausbeute bei

ventionellen Verfahren einen entschei-

Auch in der Industrie sind Katalysatoren

der Vergärung von Bioabfällen deutlich

denden Vorteil: Statt nur Momentauf-

von unschätzbarem Wert.

zu erhöhen (siehe die Seiten 6, 7 und

nahmen lässt sich der Verlauf der

11). Der Katalysator sorgt dafür, dass

Reaktionen darstellen. Es ist wichtig,

Kohlendioxid ist als Endprodukt vieler

sich Kohlendioxid und Wasserstoff zu

genau zu verstehen, wie sich die Ab-

Verbrennungen ein vergleichsweise

Methan und Wasser verbinden.

läufe mit der Zeit verändern, denn wäh-

träges Gas, das nicht gerne mit anderen

Bei der Untersuchung und Optimierung

rend einer chemischen Reaktion vari-

Substanzen reagiert. Um Kohlendioxid

von Katalysatoren profitieren PSI-For-

ieren unter Umständen Temperaturen

bei moderaten Temperaturen zum ener-

schende von der Möglichkeit, mit zeit-

und die Mengen der Ausgangsstoffe.

14


Saubere Abgase dank Schwammstruktur

Struktur bietet enorm viel Oberfläche.

sen sich Empfehlungen ableiten, wann

Wenn sich darin das Palladium fein

dem Katalysator wie viel Ammoniak

verteilt, kann es noch besser mit den

zugeführt werden sollte, um die Stick-

Katalysatoren leisten wertvolle Dienste

Abgasen reagieren – der Schadstoff-

oxide im Abgas zu jeder Zeit so gering

beim Filtern von Abgasen. So arbeiten

ausstoss verringert sich deutlich.

wie möglich zu halten.

Weg vom «schmutzigen Diesel»

Wasser spalten

Kanäle aus Keramik geleitet. Deren

In Dieselmotoren entstehen bei der

serstoff: Er lässt sich in Tanks speichern

Oberfläche ist mit dem eigentlichen

Verbrennung des Kraftstoffs gesund-

und später, zum Beispiel in Brennstoff-

Katalysator beschichtet. Meist besteht

heitsschädliche Stickoxide. Um diese

zellen, wieder in elektrische Energie

er aus fein verteilten Edelmetallparti-

zu reduzieren, wird dem Abgas gasför-

umwandeln. Gewonnen wird Wasser-

keln, häufig Palladium auf einer Träger-

miges Ammoniak zugegeben, das, an-

stoff aus Wasser in sogenannten Elek-

substanz. Je nach Motortyp bleiben

geregt durch einen Katalysator, mit den

trolyseuren mit Strom (siehe Seite 10).

beim Verbrennen von Erd- oder Biogas

Stickoxiden zu harmlosem Stickstoff

Forschende des PSI haben ein neues

aber recht grosse Mengen des Haupt-

und Wasser reagiert. Katalysator ist in

Material entwickelt, das dort als Kata-

bestandteils Methan übrig. Dieses lässt

diesem Fall Kupfer auf einem Zeolith-

lysator die Aufspaltung der Wassermo-

sich mit üblichen Katalysatoren nicht

Gerüst. Bei niedrigen Temperaturen

leküle beschleunigt.

so einfach zersetzen.

funktioniert der Prozess jedoch noch

Ziel der Forschenden am PSI ist ein

In Tests, die die PSI-Forschenden

nicht optimal.

Katalysator, der gleichzeitig effizient

durchführten, erwiesen sich für diesen

Die Forschenden untersuchten Struktur

und günstig ist, weil er ohne Edelme-

Zweck Zeolithe als am besten geeignet.

und Funktion eines Kupfer-Zeolith-Ka-

talle auskommt. Dafür greifen sie auf

Das sind hochporöse Substanzen auf

talysators unter realistischen Betriebs-

ein bekanntes Material zurück: Perows-

Basis von Siliziumdioxid. Unter dem

bedingungen an der SLS. Das wich-

kit, eine komplexe Verbindung der Ele-

Mikroskop sehen sie aus wie ein

tigste Ergebnis: Eine stufenweise

mente Barium, Strontium, Kobalt, Eisen

Schwamm: durchzogen von vielen win-

Dosierung des Ammoniaks erlaubt eine

und Sauerstoff.

zigen Löchern, die über Kanäle mitein-

schnellere Reaktion als eine bei kons-

Sie entwickelten als Erste ein Verfah-

ander verbunden sind. Eine solche

tanter Ammoniakzugabe. Daraus las-

ren, das Perowskit in Form von winzigen

Forschende des PSI daran, leistungsfähigere Katalysatoren für Gasautos zu entwickeln. In einem Fahrzeugkatalysator wird das Abgas durch eine Vielzahl paralleler

Ein Energieträger der Zukunft ist Was-

Nanopartikeln erzeugt. Nur so kann es effizient wirken, denn ein Katalysator Zeolithe sind aufgrund ihrer Schwammstruktur hervorragende Trägermaterialien für Katalysatoren. In ihrem Gerüst fein verteilte Metalle können besonders effektiv mit den Abgasen reagieren.

benötigt eine möglichst grosse Oberfläche. Macht man die Partikel des Katalysators möglichst klein, addieren sich deren Oberflächen zu einer umso grösseren Gesamtoberfläche. Das neue Herstellungsverfahren liefert grosse Mengen des Katalysatorpulvers und dürfte sich leicht an einen industriellen Massstab anpassen lassen.

15


Das Thema Energie und Umwelt hat ungemein viele Facetten Sie arbeiten intensiv mit der Industrie zusammen. Das verbindet man auf den ersten Blick nicht mit dem PSI und seiner Grundlagenforschung. Im Endeffekt geht es insbesondere in der Energieforschung darum, Technologien und Expertise bereitzustellen, damit die Schweizer Energiestrategie erfolgreich umgesetzt werden kann. Hierfür wurden schweizweit mehrere Kompetenzzentren, die SCCERs, gegründet, von denen zwei das PSI leitet: eines zur Energiespeicherung und eines zur energetischen Nutzung von Biomasse. Zudem arbeiten wir in vielen Einzelprojekten mit Partnern aus der Was macht die Forschung im Bereich

kungen auf unsere Umwelt haben: Koh-

Industrie zusammen. Diese Zusammen-

Energie und Umwelt so interessant?

lendioxid, Feinstaub, organische Kom-

arbeit hat den Vorteil, dass man direkt

Thomas Justus Schmidt: Das Thema ist

ponenten aus Verbrennungsprozessen

lernt, welche Punkte für die Industrie

nicht nur ein Forschungsthema, son-

und andere, die potenziell gesund-

beziehungsweise ein spezielles Pro-

dern auch politisch und gesellschaftlich

heitsschädliche Stoffe bilden. Hier

dukt wichtig und entscheidend sind.

wichtig. Unsere Arbeit ist immer vor dem

müssen wir schauen: Was passiert mit

Diese Fragen aus der Industrie führen

Hintergrund der Schweizer Energiestra-

Schadstoffen, die durch unseren Ener-

nicht selten zu grundlegenden For-

tegie zu sehen. Zum Beispiel: Wie las-

gieverbrauch in die Umwelt gelangen?

schungsaufgaben, die trotzdem sehr

sen sich 35 Prozent nukleare Energie

Was geschieht mit Abgasen? Wie ver-

relevant für unsere Industriepartner

mittelfristig durch erneuerbare Energie-

ändern sich die Schwebstoffe in der

sind. Deswegen bezeichnen wir unsere

quellen ersetzen? Welche Auswirkun-

Atmosphäre? Das alles ist auch wichtig,

Forschung oft auch als angewandte

gen hat das auf das Schweizer Energie-

um zu verstehen, welche Auswirkung

Grundlagenforschung.

system? Wie kann die Schweiz ihre

wir als Faktor Mensch haben.

Emissionsziele bezüglich Kohlendioxid umsetzen? Unsere Aufgabe ist es, Lösungen anzubieten. Nicht nur für heute oder morgen, sondern auch langfristig für in 10 bis 20 Jahren und danach. Wie hängen die Themen Energie und Umwelt zusammen? Jede Energieform, die wir verbrauchen, verbrauchen wir infolge von Energieumwandlungsprozessen. Diese Umwandlungsprozesse sind natürlich nie zu 100 Prozent vollständig und können Emissionen verursachen, die Auswir16

Zur Person Thomas Justus Schmidt (geboren 1970 in Konstanz) ist seit Januar 2018 Leiter des Forschungsbereichs Energie und Umwelt (ENE) des PSI. Er studierte Chemie an der Universität Ulm/Deutschland, wo er auf dem Gebiet der Elektrokatalyse von Brennstoffzellenreaktionen promovierte. Seine wissenschaftliche Karriere führte ihn über das Lawrence Berkeley National Laboratory, Kalifornien/USA, in das Elektrochemielabor des PSI. Nach einem achtjährigen Abstecher in die chemische Industrie wurde er 2011 zum Professor für Elektrochemie im Departement für Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich ernannt und übernahm die Leitung des Labors für Elektrochemie des PSI. Seit 2014 leitet er zudem eines der Kompetenzzentren für Energieforschung des Bundes: das Kompetenzzentrum zu Strom- und Wärmespeicherung (SCCER Heat and Electricity Storage).


Gut und lange geladen Strom sorgt für Licht und Wärme, treibt

len, dem gängigen Material für die

Ein tiefer Blick in einen völlig anderen

die meisten Haushaltsgeräte an und

Elektroden handelsüblicher Akkus.

Typ von Batterien offenbarte Verbesse-

versorgt unsere Unterhaltungsgeräte

Durch ausgeklügelte Optimierung der

rungspotenzial bei den sogenannten

mit Energie. Durch den Mobilitätswan-

Graphitanode – der negativen Elek­

Feststoffbatterien. Diese Art Akku

del und neue Verkehrskonzepte wird

trode – bei einer herkömmlichen Lithi-

kommt völlig ohne Flüssigkeiten aus,

elektrische Energie auch hier an Be-

umionen-Batterie erhöhten die For-

die in herkömmlichen Akkus für den

deutung gewinnen. Strom lässt sich in

schenden die bei hohen Strömen

Ladungstransport zuständig sind. Da

Batterien, auch Akkumulatoren ge-

nutzbare Speicherkapazität unter La-

diese Flüssigkeiten brennbar sind, wür-

nannt, speichern und so auch mobil

borbedingungen auf das Dreifache.

den Feststoffbatterien die Elektromo-

einsetzen. Das stellt Stromspeicher

Eine Zugabe von Silizium erhöhte die

bilität deutlich sicherer machen. Rönt-

vor Herausforderungen, die PSI-For-

nutzbare Speicherkapazität weiter.

genaufnahmen an der Synchrotron

schende lösen.

Auch bei einem anderen Batterietyp

Lichtquelle Schweiz SLS des PSI liefer-

auf Lithiumbasis erzielten PSI-For-

ten Forschenden bislang einmalige

Ob in Smartphones, Tablets, Laptops

schende eine deutliche Leistungsstei-

Einblicke in die Abläufe einer Feststoff-

oder Elektrofahrzeugen – ein Problem,

gerung. Lithium-Schwefel-Akkus kön-

batterie sowohl beim Auf- als auch

das sich bei allen mobilen Stromspei-

nen theoretisch deutlich mehr Energie

beim Entladen. Das verbessert das

chern stellt, ist ihre Haltbarkeit. Mit

liefern als die üblichen Lithiumionen-

Verständnis von den Schädigungen,

anderen Worten: Nicht nur wie schnell,

Akkus, die heutigen Prototypen verlie-

die der Akku dabei erleidet, und hilft,

sondern auch wie oft und wie zuverläs-

ren aber schon nach wenigen Ladezy-

bessere Energiespeicher für die Zukunft

sig kann ich wie viel Energie darin spei-

klen merklich an Kapazität. Durch die

zu entwickeln.

chern und abrufen? Forschende des

Optimierung der Elektrodenstruktur

PSI-Labors für Elektrochemie arbeiten

liess sich die Zahl der Ladezyklen deut-

daran, bestehende Systeme zu verbes-

lich steigern.

sern, zum Beispiel solche auf Basis von Lithium, aber auch neue Speichersysteme zu entwickeln, zum Beispiel auf Basis anderer Elemente wie Natrium. Mithilfe der Grossforschungsanlagen des PSI blicken die Forschenden in die Materialien, um die Vorgänge beispielsweise beim Auf- und Entladen teilweise bis auf die Ebene einzelner Atome hinab zu verfolgen. Dabei berücksichtigen sie alle Komponenten einer Batterie, von den Kontakten, über die Strom zu- oder abfliesst, bis zum eigentlichen Speichermaterial, das die elektrische Energie vorhält. So gelang es einer Forschergruppe des PSI in Kooperation mit Forschenden der ETH Zürich, ein neues Verfahren zu

Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS ermöglicht direkten Einblick in die Vorgänge innerhalb einer Batterie.

entwickeln, um deutlich leistungsfähigere Elektroden aus Graphit herzustel17


Die Atmosphäre im Blick Wenn wir Energie gewinnen oder nut-

archiv zu bewahren, beteiligen sich

zen, beeinflussen wir auch immer un-

PSI-Forschende am internationalen

sere Umwelt, vor allem die Erdatmo-

Ice-Memory-Projekt. Im Rahmen dieses

sphäre. Das PSI erforscht darum

Projektes werden weltweit Eisbohr-

Vorgänge in der Luft − sowohl nahe an

kerne gewonnen, die dann geschützt

der Erdoberfläche als auch in mehreren

vor Klimawandel und steigenden Tem-

tausend Metern Höhe. Das Wissen da-

peraturen in einem Lager in der Antark-

rüber hilft, richtige Entscheidungen in

tis aufbewahrt werden sollen.

Sachen Luftreinhaltung zu treffen.

Mithilfe von Eisbohrkernen aus den Alpen zeigten PSI-Forschende beispiels-

Was haben die Arktis und Antarktis,

weise erstmals, dass industrieller Russ

Grossstädte wie Peking oder Neu-Delhi

kaum verantwortlich sein kann für die

und das Schweizer Jungfraujoch ge-

Schmelze der Alpengletscher, die sich

mein? An allen diesen Orten arbeiten

vor allem zwischen 1850 und 1875 voll-

PSI-Forschende. Sie messen Umwelt-

zog. Erst ab etwa 1875 übersteigt der

faktoren und sammeln Daten, um sich

Russgehalt der Luft den natürlichen Wert

ein besseres Bild von den Vorgängen

und lässt sich somit auf menschliche

in der Atmosphäre zu machen.

Aktivitäten zurückführen. Zuvor stammte

In den Alpen gewinnen PSI-Forschende

der Russ vorwiegend aus natürlichen

Eisbohrkerne aus Gletschern. In ihnen

Quellen, vor allem aus Waldbränden.

sind Spurenstoffe aus der Atmosphäre längst vergangener Zeiten eingeschlossen. Durch die Analyse ihrer Zusam-

Hoch oben

mensetzung lassen sich Trends in der Klimageschichte ermitteln. Diese er-

Auf rund 3500 Metern Höhe, in der

möglichen es wiederum, Prognosen für

Forschungsstation auf dem Jungfrau-

die künftige Entwicklung unseres Kli-

joch, untersuchen PSI-Forschende un-

mas aufzustellen. Um dieses kalte Ge-

ter anderem Aerosole, die landläufig

dächtnis der Erde als einmaliges Klima-

besser als Feinstaub bekannt sind.

Die Smogkammer des PSI ist ein Partner innerhalb des Infrastrukturprogramms EUROCHAMP-2020, einem internationalen Programm zur Integration von europäischen Simulationskammern, um atmosphärische Prozesse zu untersuchen. Dieses Programm unterstützt Forscher beim Zugang zu hochmodernen Smogkammeranlagen in Europa, einschliesslich der PSI-Smogkammer. EUROCHAMP-2020 bietet Forschern die Möglichkeit, ihre Instrumente und ihr Fachwissen in verschiedene Simulationskammern für Messkampagnen und Instrumentenprüfungen einzubringen. www.eurochamp.org

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


Aerosolforschung auf dem Jungfraujoch hilft unter anderem dabei, besser zu verstehen, wie in den verschiedenen Jahreszeiten Russteilchen zu Wolkentröpfchen werden.

Auch sie beeinflussen das Klima. An-

Luft in gigantischen Metropolen wie

ders als die Treibhausgase Kohlendi-

dem indischen Delhi untersuchen. Dort

oxid und Methan tragen sie aber nicht

messen sie zwanzig bis dreissig Mal

dünner Teflonfolie. In diesen Raum

immer zur Erwärmung bei, sondern

höhere Konzentrationen von Schadstof-

lassen sich gezielt Gase leiten. Um die

können das Klima auch abkühlen. Man-

fen als in der Schweiz – vornehmlich

natürliche Umgebung möglichst gut

che absorbieren Sonnenlicht, erhitzen

aus menschlichen Quellen. Mit ihren

nachzustellen, lässt sich die Kammer

sich dadurch und tragen so zur Erwär-

Geräten und Analysen decken die Wis-

mit UV-Licht bestrahlen, das dem UV-

mung der Atmosphäre bei. Andere

senschaftler auf, welche Quellen und

Anteil des Sonnenlichts entspricht. So

streuen das Licht zurück ins All, haben

Prozesse wie viel Feinstaub produzie-

können Wissenschaftler Vorgänge in

also einen kühlenden Effekt. Zudem

ren und welche Massnahmen daher die

der Atmosphäre unter kontrollierten

bilden sich an Aerosolpartikeln Wol-

Situation verbessern können.

Bedingungen beobachten und analy-

kentröpfchen. Dank der Höhenlage des

In China ist das bereits gelungen: Dort

sieren.

Jungfraujochs lässt sich dort sehr gut

haben PSI-Forschende gezeigt, dass

erforschen, wie sich die kurzlebigen

der Smog in Peking zu einem wesent-

Partikel auf dem Weg von der Erdober-

lichen Teil aus sekundär gebildetem

fläche in die höheren Schichten der

Feinstaub besteht, zu dem auch weit

Atmosphäre verändern und dort

entfernte Quellen beitragen. Neben

Energieproduktion geht einher mit

schliesslich die Wolkenbildung beein-

Messungen vor Ort führten sie dafür

Emissionen in Form von Feinstaub und

flussen.

auch Experimente in der Smogkammer

Gasen. Die daraus resultierenden

am PSI durch und importierten dafür

Klima- und Gesundheitseffekte sind

einen chinesischen Ofen samt Kohle.

das Resultat einer enormen Zahl kom-

Dicke Luft in Delhi

Vom Grossen zum Kleinen

Die Erkenntnisse trugen dazu bei, die

plexer Prozesse in der Atmosphäre. Um

An einem Standort mit weitaus höheren

Luftqualität in Peking durch Massnah-

Auswirkungen der Energieproduktion

Temperaturen als an den Polen der Erde

men der Regierung zu verbessern.

bestimmten Quellen oder Prozessen

oder in den alpinen Lagen der Alpen

Das Herz der Smogkammer des PSI ist

zuzuordnen oder Auswirkungen in die

arbeiten PSI-Forschende, wenn sie die

ein 27 Kubikmeter fassender Kubus aus

Zukunft zu projizieren, benötigen wir

20


nebst der Diagnose in der Atmosphäre

eines Eiskeims organisieren. Oder sie

stehen auch externen Nutzern für Fra-

auch Experimente im Labor, die es er-

bekommen Einblick in das Schicksal

gen an der Schnittstelle von Umwelt-

lauben, einzelne physikalische und

von Nitrat, einem Abbauprodukt von

forschung und physikalischer Chemie

chemische Phänomene im Detail zu

Stickoxiden, an der Eisoberfläche, be-

zur Verfügung.

verstehen. Dazu gehören die Smog-

vor es in einem Gletscher archiviert

kammern, aber auch mit modernsten

wird. Schliesslich lernen sie das Zu-

analytischen Methoden ausgerüstete

sammenspiel von gelösten Stoffen an

Reaktoren im Labor.

der Wasseroberfläche verstehen, zum

Hier kommen auch die Grossfor-

Beispiel wenn sich ein Wolkentröpf-

Um nicht nur an einzelnen Orten die

schungsanlagen des PSI zum Zuge.

chen bildet. Ein anderes Experiment

Umwelt zu erforschen, können For-

PSI-Forschende haben an der Synchro-

erlaubt es, mit Röntgenblick in Fein-

schende das sogenannte Smogmobil

tron Lichtquelle Schweiz SLS Infrastruk-

staubteilchen hineinzuschauen, um zu

nutzen. Das Fahrzeug kann mit vielen

turen aufgebaut, um Vorgänge an Ober-

sehen, wie sie aufgebaut sind oder wie

verschiedenen Messinstrumenten

flächen von Feinstaub, Eis oder Wasser

sie unter dem Einfluss einer chemi-

ausgestattet werden. Bei Messfahrten

auf molekularer Ebene zu untersuchen.

schen Reaktion oder unter veränderten

können sie damit sowohl die räumliche

So lernen sie zu verstehen, wie sich

Umweltbedingungen ihre Struktur än-

als auch die zeitliche Verteilung von

Wassermoleküle auf der Oberfläche

dern. Diese experimentellen Anlagen

Schadstoffen in der Luft untersuchen.

Umwelt mobil

Das Smogmobil des PSI. Darin installieren lässt sich unter anderem eine Apparatur, die Luft durch die Poren eines Filters zieht. Die Ablagerungen können Forschende dann analysieren.

21


Der Kern der Dinge Die Schweiz wird aus der Kernenergie aussteigen − das sieht die Energiestrategie 2050 vor. Voraussichtlich in etwa 25 Jahren wird das letzte Kernkraftwerk vom Netz gehen. Über diesen Zeitpunkt hinaus soll das Wissen zum Umgang mit Kernenergie und allen sicherheitsrelevanten Aspekten erhalten und durch Forschung verbessert werden. Nur so lassen sich auch in Zukunft valide Fakten vorhalten, damit die Schweiz in Bezug auf die Kernenergie weiterhin national und international gute Entscheidungen treffen und als kompetenter Gesprächspartner mitreden kann. Die Forschenden im PSI-Bereich Nukleare Energie und Sicherheit (NES) arbeiten an folgenden Aufgaben: • Erwerb neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse über nukleare Sicherheit • Weiterentwicklung modernster Simulationsmethoden für Sicherheitsbewertungen • Bewertung und/oder Aktualisierung der Kriterien für die nukleare Sicherheit, um Änderungen der Strategien für die Stromerzeugung, die technologische Entwicklung, Modernisie-

Konkrete Fragen lauten beispielsweise:

rungen und den langfristigen Betrieb

Wie altert das Material, das in Kern-

zu berücksichtigen

kraftwerken verwendet wird? Wie ver-

Wie ein Schwamm für Wasserstoff

• Entwicklung von experimentellen

halten sich die Brennstäbe, insbeson-

So fand beispielsweise die Gruppe Nu-

Einrichtungen zusammen mit mo-

dere die Hüllrohre, die den eigentlichen

klearbrennstoffe heraus, wie die Integ-

dernsten Instrumentierungstechni-

Brennstoff, das Uranoxid, einschlies-

rität der Hüllrohre von Kernbrennstäben

ken für das Design, die Durchführung

sen, während des Betriebs und nach

beeinflusst werden könnte. Dafür nutz-

und die Interpretation von Messun-

ihrem Einsatz? Was würde im Falle ei-

ten die Forschenden bildgebende Ver-

gen an realen physikalischen Phä­

nes schweren Reaktorunglücks passie-

fahren mit Neutronen. Das Neutronen-

nomenen von hoher Sicherheits­

ren: Wie reagiert beispielsweise das

Imaging ist ein am PSI perfektioniertes

relevanz, die für die Verifizierung,

Brennstoffmaterial bei einer Kern-

Verfahren, das eine eigene PSI-Arbeits-

Validierung und Qualifizierung von

schmelze und wie lässt sich sicherstel-

gruppe an der hiesigen Grossfor-

Berechnungsmethoden erforderlich

len, dass radioaktive Substanzen nicht

schungsanlage SINQ, der Schweizer

sind

in die Umwelt gelangen?

Spallations-Neutronenquelle, mit einem

22


Mit Rechenmodellen und Computersimulationen untersuchen Forschende die Vorgänge in Kernkraftwerken und machen die Anlagen so sicherer.

sondere in der Schweiz im Einsatz. Sie

heit der schweizerischen Kernkraftwerke

schützen die Hüllrohre gegen mecha-

zu gewährleisten und fortwährend zu

nische Beschädigungen.

verbessern.

Liner haben, so fanden die Forschen-

Im Laufe der Zeit haben sich die Grenzen

den heraus, einen positiven Effekt:

des mit Simulationen Machbaren immer

Hüllrohre, die über eine solche Schutz-

weiter verschoben, und auch die An-

schicht verfügen, weisen darunter we-

sprüche an die Genauigkeit und Zuver-

niger Hydride auf. Der Wasserstoff

lässigkeit bei der Bewertung der Sicher-

dringt vermehrt in diese Beschichtung

heit von Kernkraftwerken haben sich

ein und wird schon dort gestoppt. Der

stark weiterentwickelt. Schon seit eini-

Liner wirkt wie ein Schwamm für den

gen Jahren geht der Trend hin zu soge-

Wasserstoff. Als würde eine Person im

nannten Best-Estimate-Modellen, das

Bademantel in den Nieselregen gehen:

heisst realistischen Rechenmodellen.

Das Frottee saugt das Wasser auf, die

Man versucht dabei, die Vorgänge in

Haut bleibt trocken. Die Beschichtun-

einem Reaktor auf Grundlage physika-

gen, die ursprünglich zum mechani-

lischer Gesetze möglichst genau zu

schen Schutz eingeführt wurden, sta-

beschreiben und zu quantifizieren. Da-

bilisieren so vermutlich die Hüllrohre

bei werden auch die Unsicherheiten,

auf lange Sicht zusätzlich.

die diesen wie allen Berechnungen anhaften, mithilfe einer etablierten statistischen Methode ermittelt. Hypotheti-

Simulationen machen Kernanlagen sicherer

sche Ereignisse, die zwar extrem

Computersimulationen helfen entschei-

tersuchen will, kann man damit erfor-

dend dabei, Kernkraftwerke sicher zu

schen, beispielsweise Störfälle in kom-

betreiben. Auch Aufsichtsbehörden

plexen Nuklearanlagen.

überprüfen damit die Sicherheit der

Die Forschenden am Labor für Simula-

unwahrscheinlich sind, die man aus Sicherheitsgründen aber trotzdem un-

Anlagen. Ob es um den Einbau neuer

tionen und Modellierung (LSM) am PSI

der weltweit besten Neutronenmikros-

Komponenten oder um Tests und Ver­

profitieren dabei von der rasanten Ent-

kope regelmässig durchführt. Verschie-

suche zur Wahrung der Sicherheit geht,

wicklung der Computertechnologie.

denste Arten von Gegenständen lassen

fast alles muss vorher am Computer

Von der Theorie inspiriert konstruieren

sich damit durchleuchten.

berechnet und analysiert werden. For-

die Forschenden ein Modell. Letztend-

Bei ihren Untersuchungen konzentrier-

schende am PSI entwickeln dazu Re-

lich heisst das: Sie entwerfen ein Com-

ten sich die Forschenden auf Wasser-

chenmodelle und Computerprogramme,

puterprogramm als Modell und damit

stoff, der in das Metall der Hüllrohre

die Komponenten und Teilsysteme so-

führen sie Simulationen durch.

eindringt und dort sogenannte Hydride

wie deren Zusammenspiel im Kernreak-

In der aktuellen Entwicklungsphase

mit den Metallen bildet, was die Stabi-

tor immer genauer modellieren. Sie

müssen Computer nicht unbedingt

lität der Rohre beeinträchtigt. Die Ar-

fungieren damit als unabhängige For-

mehr vom Menschen programmiert

beitsgruppe untersuchte nun, wie sich

schungspartner der Schweizer Auf-

werden, sondern lernen selbst. Die

eine zusätzliche Schutzschicht bei

sichtsbehörde, des Eidgenössischen

Funktionsweise ähnelt der unseres Ge-

Hüllrohren auswirkt, die sogenannten

Nuklearsicherheitsinspektorats ENSI,

hirns. Dieses lernt auf verschiedenste

Liner. Diese sind weltweit und insbe-

und tragen dadurch dazu bei, die Sicher-

Art und Weise, indem es Eindrücke von 23


Kernbrennstab aus UranbrennstoffPellets, umgeben von einem Hüllrohr aus Zirkoniumlegierung.

Mit Sicherheit eingeschlossen

aussen verarbeitet. Ähnlich ge-

In der Schweiz schreibt das Kernener-

schieht das auch

giegesetz eine geologische Tiefenlage-

beim sogenannten Ma-

rung der hochaktiven sowie der

chine Learning, nur dass dabei

schwach- und mittelaktiven Abfälle aus

Daten die äusseren Eindrücke er-

Kernkraftwerken und anderen Quellen

setzen. Machine Learning wird auch

vor. Forscher des PSI wirken an diesem

als viertes Standbein der Wissenschaft

wichtigen gesellschaftlichen Unterfan-

bezeichnet, neben der Theorie, dem

gen mit, indem sie die Naturvorgänge

Experiment und dem Hochleistungs-

erforschen, die für die Sicherheit eines

rechnen. Wir sind hier erst am Anfang:

Tiefenlagers von Bedeutung sind.

Grosse Fortschritte darf man in der nahen Zukunft erwarten. Mit Machine Learning können PSI-Forschende noch viel genauer als zuvor die Vorgänge in Nuklearreaktoren simulieren, beispielsweise die Wärmeübertragung von einem Medium auf ein anderes sowie die Bildung von Wasserdampfblasen, wenn sich Wasser erwärmt, ausgelöst durch die nuklearen Zerfälle in den Brennstäben.

Flüssigsalzreaktoren – die Erforschung einer Möglichkeit Am PSI erforscht eine kleine Gruppe von Wissenschaftlern mit theoretischen Modellen mögliche zukünftige Kernreaktoren: die sogenannten Flüssigsalzreaktoren. Sie zählen zu den Kernkraftwerken der Generation IV, welche hohen Anforderungen an Sicherheit, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit entsprechen müssen. Die Gruppe für Schnelle Reaktoren am PSI beschäftigt sich sowohl mit dem Potenzial als auch mit den Problemen von solchen möglichen zukünftigen Kernreaktoren. 24

Eine Zukunftsfrage Während die Schweiz im Rahmen ihrer Energiestrategie 2050 de facto den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen hat, halten andere, auch europäische Länder an der Stromerzeugung durch Kernspaltung (Fission) fest. Zusätzlich schreiten gross angelegte internationale Versuche, die Kernfusion nutzbar zu machen, weiter voran. Expertenwissen über Kernenergiefragen wird in der internationalen Gemeinschaft also nach wie vor gefragt sein. Die Schweiz hat ein Interesse daran, die globalen Entwicklungen der Nukleartechnik aktiv zu verfolgen. Zum einen, weil Fragen der nuklearen Sicherheit über Staatsgrenzen hinausgehen, zum anderen, weil Nukleartechnologien der Zukunft, die sowohl das Unfallrisiko als auch die Menge und Radioaktivität des Abfalls wesentlich reduzieren würden, eine höhere gesellschaftliche Akzeptanz geniessen könnten. In diesem Sinne haben sich auch Bundesrat und Parlament geäussert und festgehalten, dass sie Bildung, Lehre und Forschung zu sämtlichen Kernenergietechnologien weiterhin unterstützen werden. Bei der Ausbildung angehender Nuklearingenieure in der Schweiz spielt das PSI eine zentrale Rolle. Der Nachwuchs wird – unabhängig davon, welchen Weg die Schweiz in Sachen Energieversorgung wählt – auch in Zukunft vor wichtigen Aufgaben stehen. Das betrifft nicht nur das Personal der Kraftwerke selbst, sondern auch die Mitarbeitenden der Aufsichtsbehörde, des Eidgenössischen Nuklearsicherheitsinspektorats ENSI, aber auch die Forschenden, die – sei es im Auftrag der Kraftwerksbetreiber oder des ENSI – dazu beitragen, die Sicherheit kontinuierlich zu verbessern. Auch nach Ende der Laufzeit der schweizerischen Kernkraftwerke wird für die Stilllegung, den Rückbau der Anlagen und die Entsorgung Fachwissen von Nuklearingenieuren gefragt sein. Mit der Betreuung von Studierenden, Doktorierenden und jungen Wissenschaftlern trägt das PSI zusammen mit der ETH Zürich und der ETH Lausanne dazu bei, die Fachkompetenz in Sachen Nuklearenergie in der Schweiz langfristig zu erhalten: Im standortübergreifenden Masterstudiengang Nuclear Engineering lernen Ingenieure, wie man Kernkraftwerke effizient und sicher betreibt, wie man sie stilllegt und radioaktive Abfälle entsorgt.


«Man kann international nur mitreden, wenn man Kompetenz hat» weis: Wir betreiben sichere Kernanla-

Zur Person Andreas Pautz (Jahrgang 1969) leitet seit 2016 den Forschungsbereich Nukleare Energie und Sicherheit (NES) am PSI. Er studierte Physik an den Universitäten Hannover und Manchester und promovierte in Kerntechnik an der TU München. Nach fünfzehn Jahren als Nuklearsicherheits- und Reaktorphysikexperte in Industrie, Aufsicht und Forschung übernahm er 2012 am PSI die Leitung des Labors für Reaktorphysik und Systemverhalten und wurde zum Professor für Kerntechnik an der ETH Lausanne ernannt.

gen seit über 50 Jahren und haben eine breite Erfahrung zu bieten. Wie ist das PSI bei der Errichtung eines Schweizer Endlagers für radioaktiven Abfall involviert? Beispielsweise bei der Suche nach einem geeigneten Standort. An drei potenziellen Standorten werden Bohrungen durchgeführt, und die Bohrproben kommen zu uns ans PSI. Hier untersuchen wir, ob die Ansprüche, die man an das Wirtgestein stellt, auch erfüllt sind. Aber auch danach, bis zur Inbe-

Warum forscht das PSI an nuklearer

blöcke. Es geht weltweit also weiter −

triebnahme und darüber hinaus wird

Energie und Sicherheit, wenn die

da ist es ziemlich unerheblich, was wir

sicherlich immer wieder wissenschaft-

Schweiz doch aus der Kernenergie aus-

hier in der Schweiz machen.

liche Expertise von uns und anderen

steigen wird?

Kerntechnikexperten gefragt sein.

Andreas Pautz: Trotz Ausstiegsbe-

Sprich: Die Schweiz soll in puncto Kern-

schluss werden einige Kernkraftwerke

technik weiterhin mitreden können?

Was hat sich in den letzten Jahren in

in der Schweiz noch 25 Jahre und mög-

Ja, und weiterhin über tiefgehendes

Ihrem Forschungsbereich verändert?

licherweise weit darüber hinaus laufen.

kerntechnisches Knowhow verfügen.

Wir haben unser Forschungsportfolio

Entsprechend lange müssen wir in der

Wir sind in internationalen Gremien gut

in den letzten Jahren enorm verbreitert:

Lage sein, die Werke und die Sicher-

vertreten, etwa bei der Internationalen

In mindestens drei Laboren gehen un-

heitsbehörde wissenschaftlich-tech-

Energieagentur und der Nuklearenergie-

sere Arbeiten heute weit über klassi-

nisch zu unterstützen, wo es notwendig

Agentur der OECD; das sind wichtige

sche kerntechnische Themen hinaus.

wird. Hinsichtlich der Aufsichtsbehörde

Gremien, in denen auch Entscheidun-

So beispielsweise beim Labor für Ra-

ist das sogar ein Mandat, das wir durch

gen getroffen und Forschung vorange-

diochemie und dem Labor für Energie-

den Bund erhalten. Ausserdem: Es wird

trieben wird – und da kann man nur

systemanalysen: Wie soll das Energie-

auch in 50 Jahren noch Kernkraftwerke

mitreden, wenn man langfristig nukle-

system der Schweiz in 30, 40 Jahren

geben − und wahrscheinlich sogar

are Kompetenzen erhält.

aussehen, welche Optionen haben wir?

mehr als heute.

Wir haben uns auch neue Themen auf Liegt es im Interesse der Schweiz, sich

die Fahnen geschrieben, darunter das

Sie meinen in anderen Ländern?

für die Sicherheit von Kernkraftwerken

wissenschaftliche Rechnen. Das Labor

Genau. Die meisten Werke stehen dann

in anderen Ländern einzusetzen?

für Scientific Computing und Modeling

vermutlich nicht mehr in Europa und

Unbedingt. Es gibt Newcomer-Staaten,

soll eine tragende Säule in allen Fragen

Nordamerika, sondern in Asien und in

die neu in die Kernenergie einsteigen

der Simulation fürs gesamte PSI wer-

Afrika. China alleine hat in den letzten

wollen, die aber kaum Infrastruktur

den, dazu, wie man bestimmte Daten,

zehn Jahren 35 Kernkraftwerke in Be-

besitzen. Die brauchen kompetente

die von einer der Grossforschungsan-

trieb genommen und baut beziehungs-

Unterstützung, und sicher kann das PSI

lagen kommen, erfasst, analysiert und

weise plant fast 60 weitere. Aber auch

da eine Rolle spielen. Die Schweiz hat

auswertet.

Ungarn plant zwei grosse Kraftwerks-

einen ausgezeichneten Leistungsaus25


Hotlabor: Wissen aus den heissen Zellen Die gesamte wissenschaftliche Exper-

nur unter strengen Sicherheitsvorkeh-

Rund 35 Mitarbeitende betreuen die

tise der Schweiz zum Materialverhalten

rungen untersucht werden. Solche Un-

sicherheitstechnische und analytische

und der Alterung von Kernkraftwerken

tersuchungen geschehen im PSI-Hot-

Infrastruktur des Hotlabors – und arbei-

ist am PSI konzentriert. Vom nuklearen

labor, einer schweizweit einzigartigen

ten zudem an weiteren Forschungsthe-

Brennstoff selbst, über die Hüllrohre von

Anlage. In den sogenannten „heissen

men, zum Beispiel für die Medizin. So

Brennstäben bis hin zu den Reaktor-

Zellen“, hinter bis zu einem Meter di-

produzieren Wissenschaftler des PSI in

druckbehältern und Kühlmittelleitungen

cken Betonwänden und Bleiglasfens-

den heissen Zellen einen Teil ihrer Ra-

– Forschende des PSI untersuchen, wie

tern, ist die Radioaktivität hermetisch

diopharmaka − radioaktive Medika-

sich die Materialien unter den harschen

eingeschlossen und abgeschirmt – das

mente gegen Krebs, die Tumore direkt

Bedingungen während des Betriebs ei-

schützt die Mitarbeitenden und vermei-

im Körper bestrahlen. Das dafür benö-

nes Kernkraftwerks verändern.

det eine Kontamination der Umwelt.

tigte radioaktive Isotop Terbium-161 soll

Mit von aussen gesteuerten Greifarmen

in Zukunft an der Spallations-Neutro-

Bestrahlte und daher radioaktive Ma-

können die Forschenden Experimente

terialien, sei es aus Kernkraftwerken

mit dem radioaktiven Material im Inne-

oder aus Forschungsanlagen, dürfen

ren der Kammern sicher durchführen. Das Hotlabor des PSI untersucht in seinen abgeschirmten Hotzellen seit vielen Jahren verbrauchte Brennstäbe aus den Schweizer Kernkraftwerken, um Schäden frühzeitig zu erkennen.

26


nenquelle SINQ des PSI erzeugt und

und Oxidation der Brennstabhüllen ge-

ausgesetzt, etwa Korrosion oder dem

dann in den abgeschirmten Zellen des

nauestens unter die Lupe. Im Mittel-

Eindringen von Wasserstoff. Dringt zu

Hotlabors von dem Element, aus dem

punkt steht dabei, das Design der

viel Wasserstoff ins Hüllrohr, bilden

es entsteht, abgetrennt werden.

Brennstäbe kontinuierlich zu verbes-

sich Hydride, Verbindungen von Was-

Kernaufgabe des PSI-Hotlabors sind

sern, sodass aus dem sicher einge-

serstoff und den Metallen des Hüllrohr-

ausführliche Untersuchungen an be-

schlossenen Brennstoff möglichst viel

materials, die das Hüllrohr spröder

strahlten Brennstäben, um zu verste-

Energie gewonnen werden kann. Die

machen und das Wachstum bestehen-

hen, wie sie sich während des Betriebs

Erkenntnisse helfen den Kernkraftwerk-

der Risse begünstigen. PSI-Wissen-

oder in der Phase der Zwischenlagerung

betreibern, ihre Kraftwerke effizienter

schaftler nutzen die hauseigenen

verändern. Forschende im Hotlabor

und sicherer zu machen.

Grossforschungsanlagen und die heis-

untersuchen regelmässig materialwis-

Dem Hüllrohr der Brennstäbe gilt ein

sen Zellen des Hotlabors, um besser

senschaftlich die abgebrannten Brenn-

besonderes Augenmerk. Diese erste

zu verstehen, wie der Wasserstoff auf-

stäbe aus den Schweizer Kernkraftwer-

Schutzhülle gegen das Austreten von

genommen wird, sich dann im Hüllrohr

ken mit modernen Analysemethoden.

Radioaktivität aus einem Kernreaktor

verteilt und dieses dadurch mecha-

Sie nehmen die mögliche Versprödung

ist im Betrieb sehr hohen Belastungen

nisch schwächt.

27


Energiesysteme: Der Blick für das Ganze

Am PSI erforschen Wissenschaftler

welche politischen Vorgaben, gesell-

derem zu einer Partnerschaft mit dem

Energiesysteme in ihrer ganzen Kom-

schaftlichen Trends oder technologi-

Weltenergierat (WEC) geführt, in des-

plexität, auf nationaler wie globaler

schen Entwicklungen das Umfeld be-

sen Rahmen Szenarioanalysen über die

Ebene. Dazu nehmen die Forschenden

stimmen könnten. Ihre Ergebnisse sind

globale Stromversorgung entstehen.

sowohl die einzelnen Bereiche −

keine in Stein gemeisselte Prognosen,

Alle drei Jahre werden die Weltenergie-

Strom- und Wärmeversorgung sowie

sondern vielmehr fundierte Antworten

szenarien in einer aktuellen Version

den Verkehr − als auch ihr Zusammen-

auf die Frage: «Was wäre, wenn?»

veröffentlicht. In drei unterschiedlichen

spiel unter die Lupe. Ausserdem prüfen

Szenarien beschreiben Forschende das

sie diese vernetzten Systeme darauf,

globale Energiesystem und liefern eine

ob sie wirtschaftlich nachhaltig sind.

Energiemix der Zukunft

Dazu entwickeln die Forschenden Sze-

Das erwiesene wirtschaftsökonomi-

2040 und darüber hinaus weiterentwi-

narien und treffen Annahmen darüber,

sche Fachwissen am PSI hat unter an-

ckeln könnte.

Vorstellung davon, wie es sich unter bestimmten Rahmenbedingungen bis

28


«Unfinished Symphony» nehmen Re-

Mobilität von morgen

gierungen deutlich grösseren Einfluss darauf, wie sich das Energiesystem

Benzin, Diesel, Erdgas, E-Auto, Hybrid

entwickelt, beispielsweise durch Ge-

oder Brennstoffzelle – welche Techno-

setze, langfristig stabile Rahmenbedin-

logien und Treibstoffe sind die umwelt-

gungen und Subventionen. In diesem

freundlichsten? In einer Ökobilanz im

Szenario kommen klimapolitische Ent-

Auftrag des Bundesamts für Energie

scheidungen und andere Nachhaltig-

analysierte das Labor für Energiesystem-

keitsaspekte viel stärker zum Tragen.

analysen am PSI, wie sich die verschie-

«Hard Rock» wiederum geht von einem

denen Arten von Personenwagen auf die

geringeren Wirtschaftswachstum aus

Umwelt auswirken. Dabei berücksich-

als die beiden anderen Szenarien; die

tigten die Forschenden den gesamten

einzelnen Staaten kooperieren weniger

Lebenszyklus der Fahrzeuge, also Pro-

und es gibt weniger Innovationen.

duktion, Betrieb und Entsorgung. Ihre

Das Labor für Energiesystemanalysen

Ergebnisse umfassten beispielsweise

des PSI hat über die vergangenen Jahre

Treibhausgasemissionen, Primärener-

ein computergestütztes Modell des

giebedarf sowie die Bildung von boden-

weltweiten Energiesystems aufgebaut

nahem Ozon oder von Feinstaub.

und kontinuierlich weiterentwickelt.

Ein Ergebnis: Aus Klimaschutzperspek-

Das wendet es für die Weltenergiesze-

tive sind alternative Fahrzeuge und

narien an. Dieses Modell – das Global

Treibstoffe – Batterie- und Brennstoff-

MARKAL Model, kurz GMM – bildet die

zellenfahrzeuge sowie synthetisches

heutigen Strukturen des Energiesys-

Methan – nur dann sinnvoll, wenn die

tems mit seinen Wechselwirkungen ab

Elektrizität zum Betrieb des Elektromo-

und integriert viele mögliche zukünftige

tors beziehungsweise zur Produktion

Optionen für die Energieversorgung. So

von Wasserstoff und Methan aus Koh-

berechnen die Forschenden, wie sich

lendioxid-armen Quellen stammt. Dies

Entwicklungsziele und Rahmenbedin-

gilt heute und in Zukunft. Mit Strom aus

gungen auswirken werden, etwa auf

annähernd Kohlendioxid-freier Produk-

den Energiemix, den Zugang zu Ener-

tion (Wasser-, Wind- und Kernkraftkraft-

gie, auf die Kohlendioxid-Emissionen

werke) ermöglichen es Batteriefahr-

und das Wirtschafts- und Bevölke-

zeuge, Brennstoffzellenfahrzeuge und

rungswachstum. Ein Ergebnis, das für

Antriebe auf Basis von synthetischem

alle drei Szenarien gilt: Elektrizität wird

Methan, die Treibhausgasemissionen

Die Szenarien tragen musikalische

zunehmend wichtiger. Auch erreicht

auf etwa die Hälfte gegenüber her-

Bezeichnungen, die eine gewisse

der durchschnittliche Pro-Kopf-Ener-

kömmlichen Benzin- und Dieselautos

Grundstimmung ausdrücken. «Modern

gieverbrauch in den kommenden zehn

zu reduzieren. Falls jedoch Erdgaskraft-

Jazz» geht davon aus, dass sich die

Jahren ein Maximum und sinkt danach

werke den zusätzlichen Strombedarf der

Märkte vergleichsweise frei entwickeln

wieder ab. Der Gesamtenergiever-

Elektromobilität decken, dann sinken

und sich das Verbraucherverhalten

brauch wird allerdings in keinem der

die Treib­hausgasemissionen nicht. Pa-

sprunghaft und durchgreifend ändert,

drei Szenarien geringer, sondern wird

rallel zum Ausbau der Elektromobilität

also beispielsweise sehr schnell sehr

sich in zwei der drei Szenarien sogar

muss also immer auch die erneuerbare

viele Elektroautos gekauft werden. In

noch mehr als verdoppeln.

Stromproduktion ausgebaut werden.

Forschende am PSI vergleichen im Detail die Umweltauswirkungen von Personenwagen mit unterschiedlichen Antriebsarten und ermitteln deren Ökobilanz.

29


Das Paul Scherrer Institut aus der Vogelperspektive.

30


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 Forscherinnen 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 2100 Mitarbeitende. Damit sind wir das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Impressum Konzeption/Texte/Redaktion Sebastian Jutzi, Brigitte Osterath Fotos Scanderbeg Sauer Photography, Markus Fischer, Mahir Dzambegovic Gestaltung und Layout Monika Blétry Druck Paul Scherrer Institut Zu beziehen bei Paul Scherrer Institut Events und Marketing Forschungsstrasse 111 5232 Villigen PSI, Schweiz Telefon +41 56 310 21 11 Villigen PSI, Februar 2021

Kontakte Forschungsbereichsleiter Energie und Umwelt Prof. Dr. Thomas J. Schmidt Tel. +41 56 310 57 65 thomasjustus.schmidt@psi.ch Forschungsbereichsleiter Nukleare Energie und Sicherheit Prof. Dr. Andreas Pautz Tel. +41 56 310 34 97 andreas.pautz@psi.ch Leiterin Abteilung Kommunikation Mirjam van Daalen Tel. +41 56 310 56 74 mirjam.vandaalen@psi.ch


Paul Scherrer Institut  ::  5232 Villigen PSI  ::  Schweiz  ::  Tel. +41 56 310 21 11  ::  www.psi.ch

Energie und Umwelt_d, 3/2021

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Energie und Umwelt  

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

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