Optimale Kombination bringt den Erfolg

Energiezukunft

Optimale Kombination bringt den Erfolg

Neue Batteriekonzepte, Energieeffizienz, erneuerbare Energien: Das sind nur einige der Forschungsaktivitäten der Empa. Ein Gespräch mit Urs Elber, Leiter des Forschungsschwerpunkts Energie bei der Empa, über Wege in die Energiezukunft.

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Herr Elber, die Empa hat sich gegenüber früher verändert. Wie und in welchen Bereichen?

Die Empa war seit ihrer Gründung 1880 sehr lange eine traditionelle Materialprüfanstalt. In den letzten 20 Jahren hat sie sich aber rapide zu einer interdisziplinären Forschungseinrichtung für Materialwissenschaften und Technologie entwickelt.

In ihrer aktuellen Studie «Wege in die Energiezukunft» setzen Sie sich mit der Frage auseinander, wie viel Arbeit noch vor uns liegt, wenn die Schweiz dereinst ohne fossile Brenn- und Treibstoffe auskommen soll. Worin liegen die Herausforderungen?

Die Studie* befasst sich mit den Auswirkungen einer weitgehenden Elektrifizierung der Gebäudewärme und teilweise der Mobilität sowie dem Ausbau der Solarenerige unter Berücksichtigung des Wegfalls der Kernkraft. Wenn der Stromverbrauch ansteigt, ohne dass der Ausbau der erneuerbaren Energien damit Schritt halten kann, ist die Reduktion der Treibhausgasemissionen viel kleiner als erwartet. Das zukünftige Energiesystem muss sicher, bezahlbar und umweltfreundlich sein. Es braucht Begleitmassnahmen, vor allem im Bereich Energiespeicher und Netzentwicklung. Allein der Ausbau der erneuerbaren Energien wird eben nicht reichen. Der Zubau elektrischer Verbraucher und der Ausbau der erneuerbaren Energien, in Verbindung mit einer Weiterentwicklung der Speichermöglichkeiten und gleichzeitigem Effizienzgewinn, sollten sich in etwa die Waage halten.

Welche Bereiche sind die wichtigsten?

Der Bereich Wärme ist der wichtigste Faktor. Doch es gibt nicht mehr die traditionellen Silos wie Strom, Gebäude, Mobilität und so weiter, sondern die Bereiche verzahnen sich immer stärker ineinander. Aus den Kombinationen ergeben sich dann immer wieder neue Möglichkeiten. 

«Das zukünftige Energiesystem muss sicher, bezahlbar und umweltfreundlich sein. Dazu braucht es Begleitmassnahmen.» Urs Elber, Leiter Forschungsschwerpunkt Energie, Empa

Ist es da nicht schwer, zu fokussieren?

Nein, denn diese Fokussierung auf nur einen Bereich brauchen wir eben nicht mehr. Ein Beispiel: Wenn man Gebäudewärme elektrifiziert, verbrauchen wir zwar gesamthaft weniger Energie, da Wärmepumpen viel effizienter arbeiten als etwa Ölheizungen. Aber diese funktionieren mit Strom, der Stromverbrauch steigt also an. Als Kompensation kommt dann die Solarenergie hinzu, die im Sommer sehr viel, im Winter aber weniger Strom erzeugt. Es gibt eine saisonale Verschiebung, die man wiederum etwa mit Wasserkraft auffangen kann, wie dies auch bereits geschieht. Aber auch das wird nicht reichen, deshalb müssen weitere Technologien dazukommen. Auch auf Importe erneuerbarer Energien, sei es in Form von Strom oder anderen Energieträgern, werden wir nicht verzichten können. Die Überproduktion an Solarenergie in den Sommermonaten können wir auch in Form von Wasserstoff oder synthetischem Erdgas chemisch speichern oder in Erdwärmespeichern «zwischenlagern». Diese Energieträger können wir dann im Winter oder in anderen Sektoren nutzen. Gleichzeitig sehen wir im Bereich der Mobilität, dass auch da nicht alles mit E-Technologie gelöst werden kann, etwa beim Lastverkehr oder bei grösseren Distanzen. Es braucht also Alternativen wie Antriebe mit Wasserstoff-Brennstoffzellen. Das macht deutlich, dass eine Vernetzung aller Bereiche automatisch erfolgt.

Den Wasserstoffantrieb etwa gibt es ja schon lang, doch im Moment scheint diese Antriebsart fast vergessen. Warum?

Es gab keine Notwendigkeit und fossile Energie war günstig verfügbar… Inzwischen ist die Nachfrage nach lokal emmissionsfreien Fahrzeugen aber massiv gestiegen, denn mit Wasserstoff lassen sich auch grosse Lasten über grössere Distanzen transportieren. Immerhin werden in den nächsten Jahren viele neue Wasserstofftankstellen eröffnet und auch eine grössere Anzahl Wasserstoff-Lastwagen in Betrieb gehen.

Das mag sein, aber gleichzeitig hat sich die E-Mobilität zum Renner entwickelt.

Auch das Wasserstoffauto hat letztlich einen elektrischen Antrieb. Das Problem sind bei batterie-elektrischen Antrieben die langen Ladezeiten, und die Reichweite ist begrenzt. Beim Wasserstoffantrieb ist die Batterie sehr klein, diese wird permanent über die Brennstoffzelle mit Wasserstoff nachgeladen. Das bedeutet weniger Gewicht, höhere Reichweite, keine lokalen Schadstoffe. Den Wasserstoff muss man allerdings auch erst erzeugen und das kostet wiederum Energie. Für den Personen-und Kleintransport und kürzere Distanzen ist der E-Antrieb da wohl die effizientere Lösung. Für lange Distanzen und im Schwerlastverkehr jedoch kann das eine gute Lösung sein. Die Infrastruktur dazu ist im Ausbau und es gibt vielversprechende Ansätze. Auch wir bei der Empa treiben da die Forschung voran.

Sind also diese komplementären Technologien der Weg in die Energiezukunft?

Ja, auch synthetisches Erdgas oder andere synthetisch hergestellte Treibstoffe sind Optionen. Das kann man im Sommer mit dereinst überschüssig vorhandener Solarenergie teilweise in der Schweiz erzeugen, wenn der Solarausbau gross genug ist - oder an irgendwelchen Standorten in der Welt. In Form von Flüssiggas etwa kann dann diese erneuerbare Energie in die bestehenden Vetriebskanäle eingespiesen werden. Das Potential wäre also da, die Kombination aller verfügbaren Technologien bringt uns weiter. Das wären Alternativen zu einer reinen Elektrifizierung von Wärme und Mobilität.

Ist es also ein Fehler, nur auf Strom zu setzen?

Eine der Gefahren ist, dass wir jetzt alles elektrifizieren und der Ausbau der erneuerbaren Energien damit nicht Schritt halten kann. Der Klimagewinn ist dann nicht in genügendem Mass gegeben. Es braucht Begleitmassnahmen, Speicherthematik, Netzthematik. Man muss immer weitergehende Überlegungen anstellen. Der Zubau an elektrischen Verbrauchern und der Ausbau an erneuerbaren Energien, in Verbindung mit einer Weiterentwicklung der Speichermöglichkeiten und gleichzeitigem Effizienzgewinn sollten sich da in etwa die Waage halten. Allein der Ausbau der erneuerbaren Energien wird eben nicht reichen.

Ist das in absehbarer Zeit wirtschaftlich realisierbar?

Ja. Was ökonomisch ist oder nicht, wird teilweise durch den Skaleneffekt der Technologie bestimmt: Je mehr man realisieren kann, umso günstiger wird es auch. Gerade beim Strom im Winter wird die Nachfrage nach erneuerbarer Energie höher, im Sommer jedoch wird es Überschüsse geben. Dann rentieren saisonale Speichertechnologien besser. Das wird ein kontinuierlicher Prozess sein. Was sich im Bereich der Rahmenbedingungen wie Lenkungsabgaben, Förderungen oder CO2-Steuer abspielen wird, ist nicht mehr Gegenstand unserer Forschung, sondern findet auf der politisch-administrativen Ebene statt.

Die Herausforderung in Ihrem Bereich besteht also in der Speicherung der Energie …

… das Wichtigste ist, dass wir den Energieverbrauch im Winter senken können, denn dann muss man auch weniger speichern. Gerade bei der Gebäuderenovation und -isolation gibt es noch viel Potenzial, etwa bei neuartigen, hocheffizienten Dämmstoffen. Doch wir müssen auch schauen, dass wir die Lastverteilung besser regeln, die Flexibilität der Lasten muss höher werden. Es gibt keinen vernünftigen Grund dafür, Boiler nachts zu laden, wenn der Strom dafür mit Sonnenenergie tagsüber erzeugt wird. Man muss also die jeweils erwartete Erzeugung und den Verbrauch übereinanderlegen. Mit einer cleveren Steuerung, wie zum Beispiel der Kombination eines Heizungs- und Lüftungssystems mit Wetterdaten, kann man da sehr viel erreichen.

Ist also Diversifikation der Weg in die Energiezukunft?

Ja, denn es gibt nicht die eine richtige Lösung, erst die Kombination mehrerer Lösungen führt zum Erfolg. Und auch dem Verbraucher kommt darin eine wichtige Rolle zu. Das Potenzial ist da, aber nur eine sinnvolle Kombination aller verfügbaren Technologien wird uns zukünftig voranbringen. Und daran forschen wir weiter.