Empa Quarterly - ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN FOKUS
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Empa Quarterly
FORSCHUNG & INNOVATION II #71 II APRIL 2021
FOKUS
ENERGIEHAUSHALT
RENOVIEREN
KLEBER FÜR INNERE WUNDEN
SONNENENERGIE AUS DEM TIEFENLAGER
FARBMOLEKÜLE IN EKSTASE
www.empaquarterly.ch
[ EDITORIAL ]
[ INHALT ]
[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ]
IN KREISLÄUFEN
DENKEN
[ FOKUS ] [ THEMEN ] [ RUBRIKEN ] Liebe Leserin,
lieber Leser
14 ALTBAUTEN 08 RECYCLING 04 WISSEN IM BILD
Erst sortieren, dann Was bringen Altreifen im Fast alles hat einen Anfang
sanieren Asphalt? 06 IN KÜRZE und ein Ende: das Leben, die
Corona-Krise (hoffentlich), die
20 EIGENHEIM 12 MEDIZINTECHNIK 34 UNTERWEGS Präsidentschaft Donald Trumps
Wohnen in der Pflaster für innere – und unser Umgang mit Konsumartikeln. Her-
Kristallkugel Wunden stellen, nutzen, wegwerfen, entsorgen. Dass so
enorm viel Abfall anfällt und wertvolle Materiali-
22 SIMULATION 26 PERSONALISIERTE en verloren gehen, liegt auf der Hand. Dass un-
Neue Energiesysteme MEDIZIN sere natürlichen Ressourcen endlich sind, auch.
komponieren Der simulierte Patient
Logische Konsequenz: Wir müssen endlich
24 ENERGIESPEICHER 28 OPTIK vom Wegwerf- in den Kreislaufmodus wech-
Sonnenenergie aus dem Moleküle in kollektiver seln. Will heissen: (Fast) nix ist Abfall, (fast)
Tiefenlager Ekstase alles Rohstoff. Geht vermutlich nicht immer,
aber wir sollten es zumindest versuchen.
30 ALTLASTEN
14 Entgifter aus der Etwa, indem wir das Klimagas CO2 aus der
Deponie Atmosphäre in klimaneutrales Methan ver-
wandeln. Dieser geschlossene Kohlenstoff-
kreislauf, den wir im Mobilitätsdemonstrator
«move» erforschen, ist Thema einer neuen
Ausstellung im Verkehrshaus der Schweiz
[ TITELBILD ] [ IMPRESSUM ] (s. S. 34). Die gleiche Chemie beherrschen
Das Heizen und
Kühlen von Gebäuden HERAUSGEBERIN Empa auch Mikroben tief unten in der Erdkruste.
gehört zu den gröss-
ten CO2-Quellen in Überlandstrasse 129 Ein europäisches Forschungsprojekt will sich
der Schweiz. 1,8 Mil-
lionen Wohngebäude 8600 Dübendorf, Schweiz dies zunutze machen, um ebenfalls CO2-neu-
gibt es. Wenn die
Energiewende gelin- www.empa.ch trales Methan zu produzieren (s. S. 24).
gen soll, müssen die
meisten davon saniert REDAKTION Empa Kommunikation
werden. Was man tun
kann und wie man ART DIREKTION PAUL AND CAT. Selbst alte Autoreifen sollten nicht einfach
22 08
Prioritäten setzt, zeigt
dieses Heft.
Bild: iStockphoto
www.paul-and-cat.com
KONTAKT Tel. +41 58 765 47 33
in der KVA oder auf der Deponie landen;
Empa-Forschende nutzen sie, um daraus eine
empaquarterly@empa.ch neue Art Asphalt herzustellen und diesen auf
www.empaquarterly.ch seine Praxistauglichkeit zu testen (s. S. 8). Dass
Fotos: iStockphoto, Daniel Kellenberger, Empa
VERÖFFENTLICHUNG aus einer Mülldeponie auch einmal etwas
Erscheint viermal jährlich Nützliches kommt, zeigt die Entdeckung ver-
Drucksache
PRODUKTION schiedener Bakterienstämme aus Chemiemüll-
myclimate.org/01-21-197924 rainer.klose@empa.ch deponien. Diese zersetzen selbst hartnäckigste
Umweltgifte – völlig biologisch (s. S. 32).
ISSN 2297-7406
Empa Quarterly (deutsche Ausg.) Viel Spass beim Lesen!
26 30 Ihr MICHAEL HAGMANN
2 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 3
[ WISSEN IM BILD ]
HUSTEN SIE BITTE MAL!
Was passiert, nachdem ein Mensch gehustet hat?
Wie verbreiten sich Tröpfchen mit Erregern wie
SARS-CoV-2? Zwar gibt es bereits Modelle, die
solche Vorgänge beschreiben, doch Empa-Forscher
wollen sie verbessern – mit Hilfe einer Hustmaschi-
ne, die sie eigens entwickelt haben. Wie aus Lun-
genflügeln leiten zwei Schläuche Druckluft aus dem
«Mund» (siehe Bildmitte, unter der weissen Flasche).
Mit einer präzisen Steuerung simuliert die Maschine
unterschiedliche Hust-Ereignisse mitsamt Tröpfchen.
Die Luft ist auf Körpertemperatur aufgeheizt und hat
eine relative Feuchtigkeit von 98 Prozent, um dem
natürlichen Vorbild ganz nah zu kommen – ob mit
oder ohne Maske.
Information zum Forschungsprojekt:
https://www.empa.ch/web/s604/
corona-risiko-in-der-seilbahn
Foto: Empa
4 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 5
[ IN KÜRZE ]
DAS UNSICHTBARE TÜRSCHLOSS DIE SCHWEIZ WIRD SCHWERER
Empa-Forschende haben im im Auftrag des Bundesamtes für
Umwelt (BAFU) die gesamten Material- und Energieflüsse
VERBRAUCH (22 Mio .t/a)
der schweizerischen Volkswirtschaft erfasst. Ihr Synthese- IMPORT (48 Mio. t/a)
EXPORT (18 Mio. t/a)
bericht namens MatCH (Material flows Switzerland) liefert SCHWEIZER ENTSORGUNG (27 Mio. t/a)
VOLKSWIRTSCHAFT
nun wichtige Daten und Vergleiche. Interessant: Jedes Jahr INLÄNDISCHE GEWINNUNG
(56 Mio. t/a) LAGERZUWACHS
(52 Mio. t/a)
VERBORGENE SICHERHEIT wird die Schweiz durch Importe, die im Land verbleiben,
DEPONIE / KVA
In dieser scheinbar einfachen (12 Mio. t/a)
transparenten Folie sind
um 52 Millionen Tonnen «schwerer». 12 Millionen Tonnen LAGER
(3210 Mio. t)
unsichtbare Sensoren verbor- Material werden entsorgt, 18 Millionen Tonnen exportiert.
gen, die mit leitfähiger Tinte
RECYCLING / SEKUNDÄRZUFLUSS (15 Mio. t/a)
aufgedruckt wurden. www.empa.ch/web/s604/MatCH
Materialströme in der Schweiz (2018)
Auf den ersten Blick wirkt die Idee von Empa-Forscherin Evgeniia Gilshtein unscheinbar – oder genauer gesagt: unsicht- PRÄZISION
bar. Was zunächst lediglich wie eine simple Klarsichtfolie aussieht, verbirgt ein ganz neues Mass an Sicherheit in sich. Sensoren im CERN
werden oft mittels
Denn auf das transparente Trägermaterial sind unsichtbare Schaltflächen mit leitfähiger Tinte gedruckt, deren Position nur
Fäden oder Drähten
Eingeweihten bekannt ist. Derartige Schaltungen können etwa als Zugangscode mit einem Türschloss verbunden werden. positioniert. CONSOMMATION (22 Mio. t/a)
IMPORTATION (48 Mio. t/a)
Werden die Schaltflächen auf der Polymerfolie in einer festgelegten Sequenz gedrückt, lässt sich das Türschloss öffnen. EXPORTATION (18 Mio. t/a)
ÉCONOMIE SUISSE ÉLIMINATION (27 Mio. t/a)
https://www.empa.ch/web/s604/transparent-security EXTRACTION DOMESTIQUE
AUGMENTATION
(56 Mio. t/a)
DU STOCK
(52 Mio. t/a) DÉCHARGE /
USINE
D'INCINÉRATION
DES DÉCHETS
STOCK
(3210 Mio. t) (12 Mio. t/a)
RECYCLAGE / AFFLUX SECONDAIRE (15 Mio. t/a)
DIE FILIALE DER ZUKUNFT
Lidl Schweiz möchte seine Filialen künftig noch
nachhaltiger und effizienter betreiben. In einem Les flux de matières en Suisse (2018)
gemeinsamen Projekt mit der Empa wird dieses
Vorhaben nun in die Tat umgesetzt. Zunächst
werden der Energieverbrauch und das Zusammen-
spiel der Anlagen in bestehenden Filialen analy-
siert. Daraus entwickeln die Empa-Forscher ein
optimiertes Konzept für die Filialen der Zukunft.
SPANNENDE SUPERFASER FÜRS CERN
Drähte, die gespannt werden, um Beschleunigerkomponenten am CERN auf den Mikrometer genau aus-
https://www.empa.ch/web/s604/partnerschaft-lidl
zurichten, fransen mit der Zeit aus. Das kann bei Messungen zu Ungenauigkeiten führen. Empa-For-
Fotos: Empa, Lidl Schweiz AG
scher entwickeln für das CERN nun ein mit einem speziellen Polymer beschichtetes, metallisiertes Garn,
Foto: Cern; Grafik: Empa
das die Komponenten über längere Zeit ausrichten kann, ohne dabei an Spannung zu verlieren.
www.empa.ch/web/s402
6 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 7
[ RECYCLING ]
A
utopendler, die über asphalt. Auch die ausgewählten Gum- die Gummipartikel in der Asphalt-
Verkehrsstress nörgeln, migranulate stammten aus der Schweiz, matrix auflösen und verteilen.
könnten dann und wann vom Hersteller Tyre Recycling Solutions
den Blick nach unten (TRS) in Préverenges im Kanton Waadt. Im Spaltzug-Test barsten Probekörper
richten. Denn dort liegt unter Druck von oben – je einer nass und
einer, der es schwerer hat: Asphalt NASS ODER TROCKEN? trocken, um zu ermitteln, wie empfind-
erträgt glühende Hitze, Kältestress und Gummi-Asphalt lässt sich mit zwei lich sie auf Wasser reagieren. Wie sich
jede Menge Druck von oben. Möglichst Verfahren herstellen. Bei der «nassen» das Material bei winterlicher Kälte ver-
leise soll er auch noch sein – und in Methode wird das Gummigranulat dem hält, zeigten Reissversuche bei minus 12
Zukunft natürlich umweltfreundlicher. heissen Bitumen zugefügt; dann mischt Grad. Schliesslich der Faktor Verkehr: Im
man die Mixtur mit der definierten Ge- «Hamburg Wheel Tracking»-Test erdulde-
Geformt aus einer heissen Gesteinsmi- steinskörnung – je nach Belag aus Sand ten Proben in 50 Grad heissem Wasser
schung und dem Bindemittel Bitumen und unterschiedlich grossen Steinen. Der 10 000 Überfahrten eines gut 70 Kilo-
bei etwa 160 Grad sorgt Asphalt für Haken dabei: Die Bitumen-Gummi-Masse gramm schweren Stahlrades – ein harter
hohen CO2-Ausstoss – durch Pro- wird mit der Zeit weniger zähflüssig und Test auf Spurrillen. In die gleiche Rich-
duktion, lange Transportwege und das Gummi beginnt sich zu zersetzen; tung zielte ein Empa-eigener Simulator:
den Einbau. Um seine Umweltbilanz sie lässt sich nur etwa 48 Stunden lang Er setzte Beläge von 1,20 Metern Länge
aufzubessern, wird Alt-Asphalt, schon verarbeiten. Beim «trockenen» Verfahren in acht Stunden 60 000 langsamen Rei-
heute rezyklierbar, künftig in grossem hingegen rieseln die Gummipartikel zu- fen-Überfahrten mit hohen Lasten aus.
Stil in neuen Belägen landen. Zudem nächst in die erhitzte Gesteinsmischung.
lassen sich Recyclingbeton oder andere Das Bitumen kommt erst später hinzu. Die Analysen zeigten: Feinheiten ent-
Reststoffe in ihm «entsorgen» – etwa Weil die Schweizer Fabrikanten darauf scheiden. So hängt zum Beispiel die
ausgediente Autoreifen, von denen eingestellt sind, wählte man diesen Weg. optimale Dauer zwischen dem Mischen
es in der Schweiz reichlich gibt. und dem Einbau auf der Strasse stark
Die Erfahrungen bei der Herstellung von Art und Menge des gewählten Gum-
Ein Innosuisse-Projekt unter Federfüh- waren beim Baustoffhersteller FBB in migranulats ab. Im Vergleich mit dem
rung der Empa-Abteilung «Beton und Bauma positiv. «Kein Problem», sagt altbekannten Polymerbitumen-Asphalt
BELASTUNGSTEST Asphalt» hat erkundet, welchen Nutzen Christian Gubler, Vorsitzender der erfüllten die Deckschicht-Asphalte mit
Seit Oktober 2020 liegt zu Testzwecken Gummi-Asphalt
an einer vielbefahrenen Kreuzung in Zürich. diese Idee hierzulande haben könnte. Geschäftsleitung, «das war einfach.» 0,7 oder 1 Prozent Gummi die Anfor-
Konkret: Können Gummipartikel die Die Partikel wurden durch eine Klap- derungen mehrheitlich. Der Widerstand
Polymere in polymer-modifiziertem pe hindurch in die Gesteinsmischung gegen Risse durch Kälte war bei einem
GIB GUMMI
Bitumen für hochbelasteten Asphalt geworfen – in Säcken, die sich bei Prozent Gummi deutlich grösser als
ersetzen? Schliesslich verleihen Ver- der hohen Temperatur auflösen. «So beim Polymerbitumen-Asphalt. Bei der
bindungen wie das verbreitete Sty- wie wir das auch machen, wenn wir Wasserempfindlichkeit erfüllten die
rol-Butadien-Styrol dem Belag mehr Farbstoffe hinzugeben, zum Beispiel Baustoffe die Schweizer Anforderungen,
FÜR DIE UMWELT
Plastizität, eine bessere Rückverfor- für roten Asphalt», erklärt Gubler. Auch allerdings mit einer Ausnahme. Und
mung und eine längere Lebensdauer. bei der Berner Weibel AG gab es keine im Empa-eigenen Reifenlastsimulator
Schwierigkeiten. «Das Handling war entstanden in den Gummi-Asphal-
Der Fokus des Projekts lag auf der Praxis: problemlos», sagt Samuel Probst, Leiter ten zwar kleine, aber tiefere Spuren
Nach einigen Vorversuchen entstanden bituminöse Baustoffe und Belagswerke. als im Polymerbitumen-Belag.
die Asphaltmischungen für die Experi-
mente bei den Herstellern FBB und Wei- STRESSTESTS UNTER WASSER, KÄLTE, DRUCK Fazit: Trotz einiger Nachteile erfüllte
Schweizer Autofahrer nutzen zahllose Autoreifen ab. Statt sie zu verbrennen, liessen sie sich
bel AG. Die Sorten orientierten sich am Die fertigen Produkte untersuchte ein der Gummi-Asphalt die Anforderun-
quasi vor Ort wiederverwenden: Im Asphalt anderer Länder steckt längst Gummi aus
Ernstfall: «SDA 4-12», ein «Flüster»-Deck- Empa-Team um Asphaltspezialistin Lily gen letztlich sicher. «Er ist auf jeden
Altreifen. Die Empa und Partner aus der Praxis beleuchten diese Idee für Schweizer Verhältnisse.
belag, in dem viele Luftporen die Poulikakos vom Mikro- bis hin zum Fall für weitere Untersuchungen für
Fotos: Gian Vaitl, Empa
Lärmemission mindern. Und «AC B22 Grossmassstab. Neben Standardtests den Einsatz im Strassenbau geeignet»,
Text: Norbert Raabe
H», der sich für eine so genannte Binder- auf Bitumengehalt und Luftporen resümiert Empa-Forscherin Poulikakos.
schicht darunter eignet – in diesem Fall zeigten Aufnahmen mit dem Elek- Auch beim Hersteller TRS zeigt man
zeitgemäss mit 30 Prozent Recycling- tronenmikroskop, ob und wie sich sich mit den Ergebnissen zufrieden:
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8 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 9
[ RECYCLING ]
«Wir haben damit eine professionelle «Das deutet daraufhin, dass er zu weich Dass es in der Branche auch Wider- der ETH Zürich. Dabei analysierte Piao
Bestätigung bekommen», sagt Sonia sein könnte», sagt Belagspezialist Martin stand gegen Asphalt als «Müllschlu- den gesamten Lebenszyklus von zwei
Megert, Chief Operating Officer. «Das Horat vom Tiefbauamt der Stadt Zürich. cker» für Recyclingstoffe und Skepsis Flüsterbelägen mit Gummiasphalt.
war eine sehr gute Zusammenarbeit.» «Mal schauen, ob es Verformungen gegenüber Gummi in der Strasse gibt, Seine Berechnung am Modell eines
gibt, wenn es im Sommer heiss wird.» versteht Beyeler freilich – aus eigener Strassenstücks von einem Kilometer
Dass damit nur ein erster Schritt ge- Erfahrung. Vor rund 15 Jahren erlebte Länge zeigt, dass diese Beläge beim
tan ist, ist freilich allen Partnern klar. Hans-Peter Beyeler, Direktor beim er, wie auf der A1 im Aargau ein Test Energieverbrauch ähnlich abschnei-
Das Labor entspricht trotz aller Mühen Verband «Eurobitume» in der Schweiz, mit gummi-modizifiertem Bitumen, den wie ein Polymerbitumen-Asphalt.
nicht den realen Verhältnissen, erklärt beunruhigt das nicht sonderlich. «Davon als Granulat zugegeben, gründlich Doch sie sorgen für deutlich geringere
Poulikakos. Die Experimente geben habe ich schon gehört. Ich würde mir daneben ging: Das Material war im CO2-Emissionen – vor allem wegen
zwar einen detaillierten Eindruck, doch da vorerst keine Sorgen machen», sagt Mischgut ungenügend aufgelöst; es der Polymere im Vergleichsprodukt.
wie sich die jahrelange Belastung in der der Fachmann, der zuvor fast 13 Jahre bildeten sich Klumpen im Asphalt. In
Realität auswirkt, «ist dann doch eine als Belagspezialist beim Bundesamt für der Fahrbahn verteilten sie sich an der Würden Gummigranulate in Strassen
andere Sache», so die Spezialistin. «Die Strassen (Astra) tätig war. Wenn Gummi Oberfläche; sie mussten ausgebohrt und also zum Klimaschutz beitragen? Piaos
Wahrheit liegt letztlich auf der Strasse.» und Bitumen vermischt würden, entste- mit Gussasphalt aufgefüllt werden. Antwort: Es kommt auf die Situation
he ein neues Material; auch in seinem an. In der Schweiz sparen Zement-
DREI VERSUCHSSTRECKEN Verhalten entspreche es nicht mehr den DIE WAHRHEIT LIEGT AUF DER STRASSE werke durch die Verbrennung von
Just dort fanden bereits weitere Schritte ursprünglichen Zutaten. Seine Einschät- Seitdem hat sich einiges getan; warum Altreifen so viel CO2-Ausstoss ein, dass
statt. In den Kantonen Jura und Waadt zung: «Der Nadeltest liefert womöglich also, findet Beyeler, nicht nochmals Asphalt mit Gummi unter dem Strich
errichtete die Weibel AG mit Gummigra- einfach keine brauchbare Aussage.» versuchen? Schliesslich gebe es auch ein klein wenig schwächer abschnei-
nulat-Asphalt zwei Teststrecken auf Kan- gute Erfahrungen – nicht nur in den det als mit Polymeren. Doch gelingt es
tonsstrassen. «Ein Rauasphalt auf einer USA, wo die Technologie seit langem den Zementwerken wie geplant, ihre
mittelstark belasteten Strecke», erläutert Praxis ist, sondern auch in Bayern. Dort CO2-Emissionen in den kommenden
Samuel Probst, «und ein Deckasphalt SCHADSTOFFE IM VISIER sind gummi-modifizierte Asphalte schon Jahren noch stärker zu senken oder
auf einer relativ hoch belasteten Strasse. Um gesundheitliche Risiken durch Gummi- Teil der Bauvorschriften – also Stand mit «Carbon-Capture»-Technologien
Es sollten ja echte Härtetests sein.» zusätze in Strassenasphalt abzuschätzen, der Technik. Die Vorteile, vor allem bei mitsamt unterirdischer Lagerung sogar
nahmen Chemiker von der Empa-Abteilung porösen Deckschichten: höhere Abrieb- teils zu neutralisieren: Die Karten wären
Anders als bei früheren Erfahrungen mit «Advanced Analytical Technologies» Be- festigkeit, langsamere Oxidation des neu gemischt – womöglich zu Gunsten
dem «nassen» Herstellungsverfahren standteile mit Risikopotenzial unter die Lupe. Bitumens in den vielen Luftporen und der Klimabilanz von Gummi-Asphalt.
verlief der Einbau «absolut problemlos», Die Resultate von Auswaschversuchen, die damit eine verzögerte Versprödung.
so der verantwortliche Leiter. Gerüche Auswirkungen eines Regengusses simulieren, Kurzum: eine längere Lebensdauer. Ob sich die Idee in der Schweiz durch-
durch erhitztes Gummi mussten die zeigten, dass die Gehalte an polyzykli- setzen könnte, hängt freilich auch
Mitarbeiter vor Ort nicht ertragen. Und schen aromatischen Kohlenwasserstoffen Rohstoff gäbe es jedenfalls genug. vom Markt ab. Einen Vorteil hätten
die Konsistenz und Verarbeitung des (PAK) im Gummi tiefer sind als im Asphalt. Rund 70 000 Tonnen Altreifen fallen sie, meint Fachmann Samuel Probst BITUMEN IM BLICK
Lily Poulikakos leitet an
Asphalts war mit einem Polymer-mo- Das gilt auch für PAK, die Krebs auslösen pro Jahr in der Schweiz an. Ein kleiner vom Hersteller Weibel AG: Zumindest der Empa die Testreihen
difizierten Asphalt vergleichbar. Seinen können. Bei Schwermetallen diente Zink Teil davon wird rezykliert; der gröss- im Moment seien sie günstiger als und hilft, die Eigenschaf-
ten von Gummi-Asphalt
wahren Charakter wird er freilich erst als Leitelement; davon wurde sehr wenig te Teil aber thermisch verwertet – in Polymerbitumen-Asphalte. Sein Fazit
realistisch einzuschätzen.
nach Jahren zeigen. Der Einbau fand im ausgewaschen. Blei und andere schädliche Kehrichtverbrennungsanlagen und, formuliert er gleichwohl zurückhaltend:
vergangenen Sommer statt; der Belag Schwermetalle waren nur in unbedenklichen en gros, in Zementwerken, wo die «Ich könnte mir schon vorstellen, dass
steckt damit noch in den Kinderschuhen. Spuren vorhanden. Doch die Tests zeigten, Reifen Kohle als Brennstoff ersetzen dafür einmal ein Markt entsteht», sagt
dass Benzothiazole, die bei der Reifenher- und so die CO2-Bilanz aufbessern. er, «wenn sich die Teststrecken auf
Genauso wie ein weiterer Testasphalt, stellung die Vulkanisation beschleunigen, lange Sicht positiv entwickeln.» ■
der als obere Schicht an einer hochbelas- schnell und in relativ hohen Dosen in die EIN NUTZEN FÜR DAS KLIMA?
teten Kreuzung in Zürich verbaut wurde. Umwelt gelangen. Der Rat der Fachleute: Vor Welche Auswirkungen die Nutzung
Mehr Informationen zum Thema finden Sie unter:
Seine Laborwerte waren nicht über alle dem Einbau der Gummipartikel im Asphalt von Altreifen in Strassenbelägen auf die www.empa.ch/web/s308
Fotos: Gian Vaitl, Empa
Zweifel erhaben: Beim Härtetest des sollten diese Verbindungen entfernt werden, Umwelt hat, untersucht Empa-Forscher
Bitumens mit einer eindringenden Nadel zum Beispiel durch Auswaschen mit Wasser, Zhengyin Piao im Rahmen seiner Disser-
schwankten die Resultate stark und das anschliessend fachgerecht entsorgt wird. tation in Kooperation mit dem Institut
lagen teils deutlich über den Sollwerten. für Umweltingenieurwissenschaften
10 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 11
[ MEDIZINTECHNIK ]
PFLASTER FÜR E
in geplatzter Blinddarm oder lich oder gar giftig herausstellten, sind «Schliesslich würde man
eine lebensgefährliche Darm- diese Pflaster heutzutage aus bioab- eine lecke Milchtüte
verschlingung sind Notfälle, die baubaren Eiweissen. Das Problem: Der nicht mit der Nadel zu-
INNERE WUNDEN
eiligst von Chirurgen versorgt klinische Erfolg ist nicht immer optimal
nähen wollen.»
werden müssen. Eine rettende und variiert je nach verklebtem Gewe-
Operation, bei der Gewebe vom Verdau- be. Denn die Eiweisspflaster sollen vor
ungskanal wieder zusammengefügt wer- allem den Heilungsprozess unterstüt- Acrylsäuremethylester, Acrylamid und
den muss, birgt allerdings einige Risiken. zen, lösen sich jedoch beim Kontakt N,N‘-Methylenbisacrylamid arbeitet
Denn alles, was im Magen-Darmtrakt mit Verdauungssäften zu schnell auf dabei in perfekter Synergie, da jede
Wunden im Verdauungstrakt zu verschliessen, ist eine Herausforderung. stetig Richtung Aussenwelt befördert und halten nicht immer dicht. «Lecka- Komponente mit einer spezifischen
Empa-Forschende haben daher ein Polymer-Pflaster für den Darm entwickelt, mit wird, gehört auch tatsächlich dorthin – gen nach Bauchoperationen gehören Eigenschaft zum Gesamtwerk beiträgt:
dem Verletzungen stabil verklebt und abgedichtet werden können. und sollte keinesfalls ins Innere der auch heute noch zu den besonders eine stabile Bindung an die Schleim-
Bauchhöhle gelangen. Ätzende Verdau- gefürchteten Komplikationen», erklärt haut, die Ausbildung von Netzwerken,
Text: Andrea Six ungssäfte und keimbeladene Nahrungs- Empa-Forscherin Inge Herrmann, die die Stabilität gegenüber Verdau-
rückstände könnten eine Bauchfell auch die Professur für Nanopartikuläre ungssäften und Wasserdichtigkeit.
entzündung oder sogar eine tödliche Systeme an der ETH Zürich bekleidet.
MASSGESCHNEIDERTE PFLASTER
PATENTIERT STABIL
In Laborexperimenten zeigten die For-
Das Team um Inge Herrmann Das Kompositmaterial hält
und Alexandre Anthis auch bei Maximalbelastung. schenden, dass das Polymersystem die
hat ein Hydrogel-Pflaster Erwartungen erfüllt. «Die Haftfähigkeit ist
entwickelt, das Operations- bis zu zehnmal höher als bei herkömmli-
wunden stabil abdichtet.
chen Klebematerialien», sagt Empa-For-
scher Anthis. «Weitere Analysen ergaben
zudem, dass unser Hydrogel das Fünf-
fache der maximalen Druckbelastung
im Darm aushält.» Und im Design des
Materials liegt seine massgeschneiderte
Wirkung: Der gummiartige Verbundstoff
reagiert selektiv mit Verdauungssäf-
ten, die aus Darmwunden entweichen
könnten, quillt auf und schliesst umso
dichter. Der kostengünstige, biover-
Blutvergiftung (Sepsis) auslösen. Nadel Das Team um Herrmann und Alexandre trägliche Superkleber, der zu einem
und Faden allein sind allerdings nicht Anthis vom «Particles-Biology Inter- Grossteil aus Wasser besteht, könnte auf
unbedingt das ideale chirurgische Werk- actions» Labor der Empa in St.Gallen diese Weise Spitalaufenthalte verkür-
zeug, um zwei Darmstücke aneinander suchte deshalb gemeinsam mit Andrea zen und Gesundheitskosten einsparen.
zu fügen – schliesslich würde man auch Schlegel, Chirurgin am «Queen Elizabeth Alexandre Anthis plant daher bereits
eine lecke Milchtüte nicht zunähen wol- University Hospital» in Birmingham nach die nächsten Schritte Richtung klinische
len. Empa-Forschende haben daher jetzt einem Material, das Darmverletzungen Anwendung des neuen Wundpflasters:
ein Pflaster entwickelt, das zwei aneinan- und Operationswunden zuverlässig «Wir sind gerade dabei, ein Start-up zu
dergenähte Darmstücke stabil abdichtet abdichtet. Fündig wurden sie bei einem gründen, um dieses innovative Mate-
und somit gefährliche Lecks verhindert. synthetischen Kompositmaterial aus vier rial zur Marktreife zu bringen.» ■
Acryl-Substanzen, die ein chemisch stabi-
GEFÜRCHTETE KOMPLIKATIONEN les Hydrogel bilden. Zudem vernetzt sich
Die Idee, vernähtes Gewebe in der das Pflaster aktiv mit dem Darmgewebe
Bauchhöhle mit einem Pflaster zu bis keine Flüssigkeit mehr durchkommt.
versiegeln, ist bereits im Operationssaal Diese neuartige Technologie konnten die
Fotos: Empa
angekommen. Nachdem sich aber erste Forschenden bereits erfolgreich patentie- Mehr Informationen zum Thema finden Sie unter:
derartige Produkte als schlecht verträg- ren lassen. Die Quadriga aus Acrylsäure, www.empa.ch/web/s403/particles-4d
12 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 13
[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ] [ ALTBAUTEN ]
ERST SORTIEREN,
DANN SANIEREN
Die Schweiz ist bebaut. Rund 1.8 Millionen Gebäude stehen im Land, und pro Jahr
wird nur ein Prozent dieses Gebäudebestandes saniert. Es dauert also rechnerisch
100 Jahre, bis der Gebäudebestand im Land durchgehend erneuert ist – das wäre
zu langsam, um die Energiewende zu schaffen. Doch bevor die Politik stimulie-
rende Förderprogramme beschliesst, muss diese gewaltige Aufgabe zunächst
gegliedert werden: Welche Massnahmen sind wo sinnvoll? Womit fangen wir an?
Text: Rainer Klose
D
as Heizen und Kühlen Bewohner. Ergebnis: Die Mehrheit der
von Gebäuden trägt zum Gebäude wurde zwischen 1949 und
CO2-Ausstoss in allen 1994 erbaut, und 77 Prozent dieser
Industrieländern massgeb- Gebäude werden elektrisch, mit Öl
lich bei. Um die Klimaziele oder Gas beheizt. Hier zeigt sich also
des Bundesrats zu erreichen – Netto ein beachtliches Sanierungspotential.
Null bis 2050 – muss also auch der
Gebäudepark der Schweiz einen Beitrag Die gleiche Typisierung nahmen die
leisten. Doch Planer und Entscheider Forscher bei Gewerbebauten in der
brauchen eine Handreichung, um die Schweiz vor, sortierten sie an Hand von
passenden Massnahmen in der richti- Datenbanken in 45 verschiedene Arche
gen Reihenfolge einzuleiten. 2019 hat typen – Restaurants, Schulen, Spitäler,
Kristina Orehounig mit ihrem Forscher- Büros und Ladengeschäfte, jeweils
team eine solche Sortierung angestellt. unterteilt nach Grösse und Baujahr.
ÜBERBLICK
Kristina Orehounig leitet seit
ARCHETYPEN ALLER HÄUSER DER SCHWEIZ Da Solarenergie eine wesentliche Basis 2018 die Empa-Forschungs-
abteilung «Urban Energy
Es gibt rund 1.8 Millionen Wohngebäu- für die Energieversorgung der Zukunft
Systems». Ihr Team forscht an
de in der Schweiz. Den Sanierungsbedarf darstellt, wurden alle Archetypen auf vernetzten Energiesystemen
für jedes Haus einzeln zu modellieren, ihre Eignung für Photovoltaik abgeklopft. mit dem Ziel, den Energiebe-
darf und den CO2-Ausstoss
würde einen gewaltigen Rechenaufwand Dazu dienten Klimadaten der jeweiligen von Gebäuden und Quartieren
bedeuten. Also griffen die Empa-For- Region, in der das Haus steht, sowie massiv zu senken. Dafür
arbeiten rund 30 Forschende
schenden auf «Data Mining» zurück. Dachgeometrie-Daten vom Bundes-
Foto: Daniel Kellenberger
aus unterschiedlichen Diszi-
Sie durchforsteten nationale Datenban- amt für Landestopografie (Swisstopo), plinen zusammen: Vertreten
ken und sortierten die Gebäude in 50 die Rückschlüsse auf die Grösse und sind die Bauingenieurswis-
senschaften, Maschinenbau,
verschiedene Archetypen, sortiert nach Neigung der Dachfläche ergaben. Elektrotechnik, Architektur
▲
Baujahr, Heizungstyp und Anzahl der und Umwelttechnik.
14 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 15
[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ] [ ALTBAUTEN ]
STADT UND LAND Schweizer Nachbarschafts-Archetypen: TREIBHAUSGASE EINSPAREN
Die Auswahl der passenden energeti- vier städtische (urban), vier vorstäd- Wichtig ist es, fossile Brennstoffe so
schen Sanierungsmethode hängt auch tische (suburban) und vier ländliche rasch als möglich zu ersetzen – durch
von der Bebauungsdichte ab: Häuser in Archetypen, die die Verteilung der Photovoltaik auf dem Dach und auf Fas-
der Stadt können effizient an ein Wär- Gebäude in der Schweiz beschreiben. saden. Die Wärmeerzeugung kann dann So bauen wir unser Energiesystem um –
menetz angeschlossen werden – etwa durch Luft-Wärmepumpen gesche-
bei weit auseinanderliegenden Gebäu- SO SANIERT MAN WIRKUNGSVOLL hen, die mit eigenem Solarstrom oder Forschung auf drei Ebenen
den auf dem Land ist ein Wärmenetz Nach all der Sortierarbeit konnten Sa- anderen erneuerbaren Energiequellen
oft nicht sinnvoll. Folglich muss der nierungsmassnahmen für die einzelnen betrieben werden. Auch Biomasse-Hei-
Schweizer Gebäudebestand auch nach Archetypen berechnet werden. Fazit: Es zungen – Biogas oder Holzpellets – ver-
Stadt und Land sortiert werden. lohnt sich, die Sanierung von Dächern ringern den CO2-Ausstoss wirkungsvoll.
und die Erneuerung von Fenstern
bei älteren Häusern besonders rasch Am Ende der Analyse zeigt sich Kristi-
«Treibhausgasemissionen anzugehen. Alleine dadurch kann der na Orehounig hoffnungsvoll: «Wenn
könnten um 60 bis 80 Bedarf an Heiz- und Kühlenergie um die vorgeschlagenen Massnahmen
Gebäude
Prozent gesenkt werden.» 20 bis 30 Prozent gesenkt werden. ergriffen werden, können die Treib-
hausemissionen im bestehenden
In einem nächsten Schritt sollten bei fast Gebäudepark der Schweiz um 60 bis
allen Haustypen Sanierungen der Heiz- 80 Prozent gesenkt werden.» ■
Die Forscher teilten die gesamte Schwei- anlagen folgen – Mehrfamilienhäuser,
zer Landesfläche in Kacheln von einem Schulen und Bürogebäude können dabei
Quadratkilometer Grösse auf, Kacheln oft kostengünstiger saniert werden als Mehr Informationen zum Thema finden Sie unter:
www.empa.ch/web/empa/urban-energy-systems
ohne Häuser wurden ignoriert. Der Rest freistehende Einfamilienhäuser. Warum?
wurde erneut mit Hilfe von öffentlichen Bei grösseren Gebäuden wirkt sich eine
Datenbanken sortiert – abhängig von Sanierung der Heizanlage auf viele Qua-
der Summe der Wohnfläche, die sich auf dratmeter bewohnter Fläche zugleich
Stadt
jeder Kachel befindet, sowie anderen aus. Jeder technische Eingriff ist damit
Charakteristiken. Das Ergebnis sind zwölf wirkungsvoller und kostengünstiger.
VERNETZUNG UND in Treibstoffe, um diese Herausforderung zu
SPEICHERUNG PLANEN meistern. Die Speicherung nachhaltig erzeugter
Energie sollte nicht nur auf nationaler Ebene,
Mit dem Umbau des Energiesystems wird die sondern auch auf Gebäude oder Nachbar-
Schweiz
Planung und der Betrieb von Gebäuden und schaftsebene geschehen. Zugleich müssen
Quartieren immer komplexer. Solarenergie wird möglichst rasch fossile Heizsysteme, etwa
vor allem im Sommer zur Mittagszeit generiert, Gasboiler, durch neue und nachhaltige Systeme
soll aber während des ganzen Tages, vielleicht ersetzt werden – etwa Wasserstoff-Brenn-
sogar im Herbst und Winter verbraucht stoffzellen, ein Fernwärme-Anschluss oder
werden. Es sind also neue Energiespeicher für Wärmepumpen, gespeist aus erneuerbarem
Stunden oder Tage, sowie Langzeitspeicher Strom. Der ganze Umbau soll zudem nach
2021 Energiewende 2050
über Monate notwendig, um die Energienach- sozialen und ökonomischen Kriterien ausbalan-
frage zu allen Zeiten zu decken. Die Empa ciert sein. All diese Entscheidungen brauchen
erforscht Batteriespeicher für Elektrizität sowie eine wissenschaftlich fundierte Basis. Den
verschiedene Wärmespeichertechnologien Forschenden, die Energiemodelle berechnen,
Grafik: Empa
ebenso wie die Umwandlung von Solarstrom wird die Arbeit so schnell nicht ausgehen.
16 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 17
[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ] [ EIGENHEIM ]
WOHNEN
Man muss also einen Berater ha-
ben, der einen durch die Angebote
lotst, die es auf dem Markt gibt.
IN DER KRISTALLKUGEL Ja. Doch man sollte nicht nur über die
Wärmepumpe nachdenken, sondern
von Anfang an das gesamte System
im Auge haben: die Wärmepumpe,
die Grösse der Photovoltaikanlage,
den Warmwasserspeicher, die Elektro
Alain Aerni probt den Blick in die Zukunft: Die von ihm entworfene Energiesteuerung «Crystalball» auto-Ladestation, die Storen für die
verbindet Photovoltaik, Wärmepumpe und Ladestationen und schätzt den Energiebedarf mit Hilfe Beschattung und allenfalls noch die
von Wetterberichten voraus. An der Empa-Akademie präsentierte er im Herbst 2020 sein System. Speicherbatterie. Sie wollen ja alles
gemeinsam steuern, damit alles optimal
Interview: Rainer Klose
zusammenspielt. Die Komponenten, die
Sie kaufen, müssen also mit der zentra-
len Steuerung kommunizieren können.
Herr Aerni, Sie sind Ingenieur und unterwegs ist und zugleich mit eige- ein Einfamilienhaus mit viel Umschwung Gibts da kein «Plug-and-Play», kei-
haben Ihr eigenes Wohnhaus, das 20 nem Solarstrom laden will, kommt um haben, ist das kein Problem. Für ein gros- nen gemeinsamen Standard?
Jahre alt ist, energetisch optimiert. eine Speicherbatterie nicht herum. ses Mehrfamilienhaus brauchen Sie grös-
Diese Dienstleistung bieten Sie mit sere Maschinen: grössere Lüfter, grössere Wir sind da noch nicht weit genug. Es
Ihrer Firma Soleco auch anderen Was muss der Kunde noch Kompressoren. In einer eng bebauten gibt etwa einen gemeinsamen Standard
Hausbesitzern an. Mit welcher Idee berücksichtigen? Nachbarschaft wird das schwierig. für die Steuerung von Wärmepumpen,
sollte man anfangen, wenn man das «SG Ready Label». Doch damit sind
so ein Projekt starten möchte? Wichtig ist die Frage, wie lange man Das wird dann von der Baubehörde nicht alle Funktionalitäten abgedeckt,
noch in seinem Haus zu bleiben gedenkt. möglicherweise nicht bewilligt? die man für ein gutes System haben
Es fängt immer mit den Bedürfnissen des Der Zeithorizont beeinflusst die Auswahl muss. Das SG Ready Label muss wei-
Kunden an. In einem ersten Schritt sollte der Komponenten. Es gibt langlebige Stimmt. Sie müssen die Grenzwerte terentwickelt werden. Wir sind mit
man den Heizwärmebedarf des Hauses Bauteile, wie etwa eine Erdwärmeson- einhalten. Zum Glück gibt es auch Partnern dran, einen gemeinsamen
ermitteln. Was brauche ich, um übers de – ein sehr effizientes System, um ein sogenannte Split-Geräte: Dort sind Standard vorzuschlagen. Doch zugleich
ganze Jahr eine Raumtemperatur von 22 Haus zu heizen. Die sind für 50 Jahre nur der Verdampfer und der Ventilator gibt es immer mehr Hersteller, die ihre
Grad Celsius zu erreichen? Wie hoch ist Nutzungsdauer ausgelegt, aber sie aussen angebracht, der Kompressor ist Systeme nach aussen hin abschotten,
mein Warmwasserverbrauch? Möchte ich amortisiert sich auch erst über Jahrzehn- im Haus verbaut. Diese Geräte sind leiser. um ihren Marktanteil auszubauen.
allenfalls bald ein oder zwei Elektroautos te. Kunden, die nur zehn bis 15 Jahre
in der Garage laden, und wie viele Kilo- vorausplanen möchten, empfehle ich Wieviel Vernetzung ist sinnvoll?
meter möchte ich damit täglich fahren? lieber eine Luft-Wasser-Wärmepumpe.
ALAIN AERNI Kann man da auch übertreiben?
Brauche ich eine Speicherbatterie, wenn Und wenn ich meinen Wärmebe- GEBOREN: 3. Mai 1960 in Moudon / VD. Wenn man effizient sein will, muss man
ich ein Elektroauto anschliessen will? darf kenne und meinen Zeithori- AUSBILDUNG: Dipl. Ing. EPFL und Master vor allem die grossen Verbraucher im
zont, dann kann es losgehen? in Science of Management MIT. Auge haben: Heizung, Warmwasserbe-
Wenn Sie Solarenergie in ihrem Haus BERUF: Gründer und CEO der Soleco AG, darf, Elektromobilität und Speicherbat-
besonders wirtschaftlich nutzen wol- (lächelt) Nein, noch nicht ganz. Jetzt Maur / ZH. terie. Es ist nicht entscheidend, wann
len, sollten Sie gegenwärtig noch auf kommt der Faktor Lärm ins Spiel. Wenn AUSZEICHNUNG: Digital Journey Award die Waschmaschine und der Tumbler
eine Speicherbatterie verzichten. Falls Sie eine Luft-Wasser-Wärmepumpe 2018 des Centre d’Electronique et de laufen. Die kann man per Hand einschal-
Sie also Tage mit Homeoffice haben, nutzen und mit Solarstrom vom eigenen Microtechnique (CSEM). Verliehen für die ten. Wichtig ist dagegen Berücksichti-
ALAIN AERNI
können Sie das Elektroauto an diesen Dach betreiben, dann ist das sehr effi- Entwickung einer Plattform zum Manage- gung der Sonneneinstrahlung. Unsere Der Ingenieur hat sein
Fotos: privat
Tagen laden und am nächsten Tag zient. Aber so eine Anlage macht Lärm ment erneuerbarer Energien in Gebäuden. Steuerung «Crystalball» (siehe Box) 20 Jahre altes Wohnhaus
energetisch saniert und
damit fahren. Nur wer tagsüber immer und kann die Nachbarn stören. Wenn Sie kann mit Hilfe des Wetterberichts ▲ vernetzt.
18 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 19[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ] [ SIMULATION ]
NEUE ENERGIESYSTEME
GUT VERTEILT
In Alain Aernis Haus wird So- «CRYSTALBALL»
larenergie optimal eingesetzt.
PLANT IN DIE ZUKUNFT
KOMPONIEREN
Alain Aerni hat mit zwei weiteren Part-
nerfirmen und dem CSEM das intelligente
Gebäudesteuerung «Crystalball» entwickelt.
Die Software regelt das Zusammenspiel
zwischen Photovoltaikanlage, Wärmepumpe,
Speicherbatterie und Elektroauto-Ladestati-
on. Mit Hilfe des Wetterberichts plant sie die
Energieflüsse drei Tage im Voraus, lädt die
Moderne, dezentrale Energiesysteme sind eine hochkomplexe Angelegenheit. Diese optimal und
benötigte Reichweite ins Elektroauto, kühlt
kosteneffizient zu planen, stellt eine grosse Herausforderung für Energieplanerinnen und -planer dar.
die Erwärmung an sonnigen Tagen und das wir ins Netz speisen können. Wir oder beheizt das Haus und sucht sich die
Das Empa Spin-off «Sympheny» bietet dazu eine Software, die Planern dabei hilft, das geeignete
die Wärmeverluste an kalten Tagen können in Zukunft aus Überschussstrom günstigsten Stromtarife aus, um Elektrizität
Energiekonzept für ein Gebäude, ein Quartier oder gar eine ganze Stadt zu finden und so deren Ziele
voraussagen, und so die Wärmepumpe auch Wasserstoff herstellen. Das lohnt ins öffentliche Netz zu laden oder daraus
hinsichtlich Nachhaltigkeit und Energieeffizienz zu erfüllen.
sparsamer und gezielter einsetzen. sich natürlich nicht in einem einzelnen zu beziehen. Durch die vorausschauende
Text: Loris Pandiani
Einfamilienhaus. Aber irgendwann wird Planung können die massiven Decken und
Sie kühlen Ihr Haus seit dem Umbau es Anbieter geben, die uns Hausbesit- Wände des Hauses als Gratis-Wärmespeicher
auch mit eigenem Solarstrom. Sie zern im Sommer den Strom abkaufen genutzt werden. https://crystalball.solar/
haben Ihre 20 Jahre alte Fussboden- und daraus Wasserstoff machen.
heizung zu einer Fussbodenkühlung
umgebaut. Geht das so einfach? Na, dann ist ja alles auf bestem Ich kann mit meinem Steuerungssystem
Wege in Richtung Energiewende! zu einem stabilen Stromnetz beitragen,
Dazu muss man nicht einmal etwas um- ohne dass jemand von aussen Zugriff
bauen. Wichtig ist nur, dass das Wasser, Naja, es gibt da schon noch einen hat. Mein System ist auf Kostenopti-
das durch den Boden läuft, nicht zu kühl Konflikt: Einige Elektrizitätsversorger mierung eingestellt. Der Elektrizitäts-
ist. Sie brauchen also eine regulierba- möchten mit Sperrzeiten Geräte mit versorger muss mir nur die variablen
re Wärmepumpe, deren Leistung zur grossem Energiebedarf – zum Beispiel Tarife bekannt geben – möglichst acht
Fläche passt, die Sie kühlen möchten. Wärmepumpen und Ladestationen – oder sogar 24 Stunden im Voraus, dann
so steuern, dass das Netz entlastet wird. wird «Crystalball» die Wärmepumpe
Wie gross muss die Photovoltaik- Dies führt dazu, dass sie Ihre Wärme- und andere Stromverbraucher automa-
anlage auf dem Dach dimensioniert pumpe vielleicht gerade dann nicht in tisch auf die richtige Weise einsetzen.
sein? Kann man da übertreiben? Betrieb nehmen können, wenn sie mit
Ihrer Photovoltaik am meisten Strom Dieses Gebäude, in dem wir hier sitzen,
Es gibt sicher ein Optimum, das zum produzieren. Sie müssten den Strom ist ein beträchtlicher Energiespeicher:
Energiesystem des Hauses passt. dann zu einem sehr niedrigen Tarif an Jedes Grad Temperatur in den Mauern
Wenn Sie ihre gesamte Dachfläche den Elektrizitätsversorger verkaufen. Der bedeutet 74 Kilowattstunden Energie.
mit Fotovoltaik belegen, sind sie sicher optimiert seine Gewinnzone in diesem Wenn heute Abend der Stromtarif hoch
darüber. Aber das ist nicht schlimm. Fall auf Kosten der Hausbesitzer. ist, und jetzt ist er niedrig, dann heize
ich ein paar Stunden voraus und heute
Warum? Eine zentrale Steuerung ist aus Gründen Abend nicht mehr – und habe damit
der Netzstabilität aber nötig, oder? das Stromnetz wirkungsvoll entlastet.
Denken Sie an die Nachbarn. Sie kön- Trotzdem ist es im Haus angenehm
PROJEKT CHUR
nen innerhalb des Quartiers Strom an Ich möchte das als Hauseigen- warm. Wir müssen also nur Tarife Sympheny sucht mit
andere liefern, die noch keine Photo- tümer eindeutig nicht. Und kommunizieren und den Markt spielen dem Churer Versogungs-
unternehmen IBC neue
voltaik haben. Und denken Sie an die das ist auch nicht nötig. lassen, dann kann jeder Eigentümer
Energielösungen für
Foto: iStockfoto
gesamte Landesversorgung. Im Winter, auch die Hoheit über seine Hausinstal- Stadtquartiere.
Fotos: Empa
wenn die Sonne flach steht, sind wir Wie würden denn Sie das lationen behalten. Und trotzdem
um jedes bisschen Solarstrom froh, Problem lösen? wird die Energiewende gelingen.
▲
■
20 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 21[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ] [ SIMULATION ]
E
in nachhaltiges Energiesys- miert, was wiederum ein effizienteres dieser Vielzahl von Angaben hilft das AUF DEM BILDSCHIRM
tem ist vergleichbar mit einer Zusammenspiel der einzelnen Energie- Online-Tool den Planern, das optima- Sympheny hilft Planerinnen
Symphonie. Damit die verschie- und Speichertechnologien ermöglicht. le Energiesystem für den Standort zu und Planern dabei, nachhal-
tige Energiekonzepte zu ent-
denen Komponenten unterei- finden. Es beantwortet dabei zentrale wickeln und die Energieflüsse
nander harmonieren, genügt Für die Planer bedeutet dies, dass sie Fragen, beispielsweise, ob und welche eines Standorts in Harmonie
zu bringen.
es nicht, einfach ein paar Noten auf die Energiesysteme zwingend in ihrer Photovoltaik-Anlagen auf dem Dach
ein Blatt Papier zu schreiben. Vielmehr Ganzheit betrachten und aus einer oder an der Fassade angebracht werden
bedarf es erfahrener Komponisten, grossen Zahl an Technologien und deren sollen, welche saisonalen Speicher man
die die ideale Komposition und die möglichen Kombinationen die optima- einbauen sollte oder wie die thermischen
geeigneten Instrumente dafür finden len Lösungen finden müssen. Durch Netzwerke aufgebaut sein sollten. Vor
sowie einen Dirigenten, der dafür sorgt, Innovation nimmt zudem das Angebot allem aber kann die Plattform Energie-
dass die Musiker perfekt miteinander an verfügbaren Lösungen stetig zu. planern helfen, diese unterschiedlichen
harmonieren. Erst wenn alles perfekt Gleichzeitig müssen die Energieplaner Fragen im Gesamtkontext zu betrachten
zusammenspielt, entsteht eine wohl- die Netzstabilität gewährleisten und im- und Antworten darauf zu liefern, die
klingende Symphonie. Im Energiesystem mer auch die Wirtschaftlichkeit im Auge die zahlreichen Abhängigkeiten und
nehmen die Rolle des Komponisten behalten. Eine wohlklingende Symphonie Wechselwirkungen zwischen den Tech-
Energieplanerinnen und Energieplaner zu kreieren und nicht einfach auf gängi- nologien und Energieflüssen an einem
ein. Deren Aufgabe wird allerdings ge Standard-Stücke zurückzugreifen, die bestimmten Standort mitberücksichtigen.
zunehmend komplex, da laufend neue Dutzende von Orchestern bereits gespielt
Technologien auf den Markt kommen haben, wird damit zu einer hochkom- KNOWHOW AUS DER FORSCHUNG Gleichzeitig fördert die Software auch In der Detailanalyse hat das Projekt-
und die Anforderungen – beispielsweise plexen Aufgabe. Ein Unternehmen, das Die Grundlagen für die Software liefern die Einbindung von nachhaltigen und team zudem für jede Lösung definiert, URBAN SYMPHENY AG
im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Zu- dieses Problem erkannt hat und Abhilfe langjährige Forschungsarbeiten. Das erneuerbaren Energiequellen. Damit will welche Massnahmen für den Umbau Sympheny bietet eine Software (Web-Tool)
verlässigkeit – sich konstant verändern. schafft, ist das Empa Spin-off «Symphe- «Urban Energy Systems Lab» der Empa das Sympheny-Team einen wertvollen des bestehenden Energiesystems nötig an, um lokale Energieplaner dabei zu un-
ny». Der Name ist nicht zufällig gewählt. forscht bereits seit mehreren Jahren an Beitrag zur Energiewende leisten. sind. Für IBC Energie Wasser Chur dürfte terstützen, optimale Energieversorgungslö-
ENERGIESYSTEME NEU DENKEN Ziel des Start-ups ist es nämlich, die neuen Methoden zur Optimierung von dabei vor allem interessant sein, dass ein sungen für Areale, Quartiere, Stadtteile und
Die steigende Komplexität ist vor allem unterschiedlichen Energieflüsse eines dezentralen Energiesystemen. Aus der EIN STÜCK AUS DER PRAXIS Umbau ihres heutigen Energiesystems in Gemeinden zu identifizieren. Die Dienstleis-
der Umstellung von zentralen auf dezen- Standorts miteinander in Harmonie zu Forschung ging schliesslich das Tool Gemeinsame Projekte mit Industrie- ein CO2-freies System möglich ist, ohne tung von Sympheny stützt sich auf neuartige
trale Energiesysteme geschuldet. Getrie- bringen – und so maximale Energieeffi- hervor, das in Zusammenarbeit mit partnern zeigen, dass das Tool von die Lebenszykluskosten zu erhöhen – Berechnungsmethoden und Algorithmen
ben wird diese Veränderung durch den zienz und Nachhaltigkeit zu erreichen. Industriepartnern stetig weiterentwi- Sympheny ein enormes Potenzial birgt. und dies obwohl hohe Investitionen ab, die an der Empa und an der ETH Zürich
Wandel hin zu einer klimafreundlichen ckelt wurde. Im letzten Jahr entschloss Ein Beispiel: Gemeinsam mit der Empa für den Umbau benötigt werden. Im entwickelt wurden. Das Tool ermöglicht
Gesellschaft. In dezentralen Energiesys- EIN WEB-TOOL FÜR DIE PLANUNG sich das Team schliesslich dazu, den half Sympheny dem Versorgungsunter- Transformationsprozess hat das Unter- die schnelle Bewertung einer Vielzahl
temen werden mehrere Gebäude in Sympheny bietet Planerinnen und Pla- Sprung auf den Markt zu wagen. So nehmen IBC Energie Wasser Chur dabei, nehmen zudem die Möglichkeit, die konventioneller und neuartiger Energiever-
einem Quartier oder Areal zusammenge- nern ein cloudbasiertes Tool, mit dessen wurde im April 2020 das Spin-off neue Energiekonzepte für Quartiere bevorstehenden Umbauschritte auf sorgungslösungen – unter Berücksichtigung
schlossen, die erneuerbare Energien und Hilfe sie einfach und kosteneffizient das «Urban Sympheny AG» gegründet. der Bündner Hauptstadt zu finden, mit Basis der neuesten Daten, beispiels- des Zusammenspiels zwischen verschiedenen
verschiedene Umwandlungs- sowie Spei- optimale Energiesystem für ein Gebäu- denen diese die CO2-Emissionen bis weise neue Technologien, erneut zu Ressourcen, Energieströmen und Technologi-
chertechnologien gemeinsam nutzen. de, Quartier oder gar eine Stadt planen «Wir sehen ein grosses Marktpotenzial zum Jahr 2040 auf netto Null senken berechnen und allfällige Anpassungen en – und das Finden optimaler, standortspe-
Die Gebäude sind nicht nur Energiever- können. «Unsere Plattform berücksich- für unsere Lösung, denn die Energiepla- können. Das Team erstellte zunächst mit vorzunehmen. Dadurch lässt sich das zifischer Lösungen. www.sympheny.com
braucher, sondern auch Energieprodu- tigt eine Vielzahl an Faktoren wie die nung wird zunehmend komplexer. Für der Sympheny-Software ein digitales Risiko für den Umbau des Ener-
zenten, indem sie überschüssige Energie, verfügbaren erneuerbaren Energien Energieplanerinnen und Energieplaner Modell für die Stadt. Um die optimalen giesystems erheblich senken. ■
beispielsweise aus ihrer Photovoltaik-An- und Lieferanten an einem bestimmten spielt zudem der Zeitfaktor eine zent- Lösungen zu finden, wurden im nächs-
lage, sowohl speichern wie auch zurück Standort, die unterschiedlichen Ener- rale Rolle. Es ist deshalb wichtig, ihnen ten Schritt mithilfe der Algorithmen
Mehr Informationen zum Thema finden Sie unter:
ins Netz speisen. Damit werden sie selbst giebedürfnisse oder die relevanten dabei zu helfen, die optimale Lösung von Sympheny verschiedene mögliche https://www.sympheny.com/
zu einem wichtigen Bestandteil des Technologien. Gleichzeitig werden auch so schnell wie möglich zu finden. Durch Energiekonzepte bewertet und deren
Systems. Ein wesentlicher Vorteil von die verschiedenen Ziele der Planerin- unsere leistungsstarken Algorithmen und Kosten sowie CO2-Bilanz berechnet. Mit
dezentralen gegenüber traditionellen, nen und Planer miteinbezogen, etwa unsere Cloud-basierte, nutzerfreundliche dieser Auswahl an möglichen Konzepten
Grafik: Sympheny AG
zentral organisierten Energiesystemen ist, die Reduktion der CO2-Emissionen, der Anwendung wird die Komplexität für kann das Versorgungsunternehmen nun
dass die Energie dort bereitgestellt wer- Ausbau von erneuerbaren Energien oder Planer stark reduziert. Sie sind so in der einfacher diejenige Lösung finden, die
den kann, wo sie auch verbraucht wird. die Kostensenkung», erklärt Andrew Lage, schnellere und bessere Planungs- ihm dabei hilft, sein «Netto-Null»-Ziel
Transportwege werden dadurch mini- Bollinger, CEO von Sympheny. Anhand entscheidungen zu treffen», so Bollinger. mit minimalen Kosten zu erreichen.
22 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 23[ FOKUS: ENERGIEHAUSHALT RENOVIEREN ] [ ENERGIESPEICHER ]
Untergrundspeichern – zum Beispiel der Universität Bern untersucht werden, zu viel. In einer Analyse zum Potenzial
PILOTPROJEKT ehemaligen Erdgaslagerstätten – in und den ökonomischen Randbedin- der «Power-to-Gas»-Technologie – also
Die Anlage der RAG Austria pumpt über 1000 Metern Tiefe eingelagert. gungen, die von der OST erarbeitet der Umwandlung von erneuerbarem
Wasserstoff in die Erde.
werden, soll daraus eine Landkarte Strom in chemische Energieträger wie
Dort kommen dann die kleinen Helfer- mit möglichen Standorten für die Wasserstoff oder Methan – in der
chen ins Spiel: Mikroorganismen aus der Anwendung der «Underground Sun Schweiz prognostizierte Empa-Forscher
Urzeit, sogenannte Archaeen, wandeln Conversion»-Technologie entstehen. Rüdisüli einen Überschuss von gut
über ihren Stoffwechsel Wasserstoff 10 TWh Solarstrom in der Schweiz in den
und CO2 zu erneuerbarem Methan (CH4) Martin Rüdisüli hält die Technologie für nächsten Jahrzehnten – vorausgesetzt
um. Archaeen sind auf der ganzen Welt vielversprechend. Insbesondere deshalb, rund die Hälfte der geeigneten Dachflä-
verbreitet, vorwiegend in anaeroben, weil sie neben der biologischen Me chen würde mit Photovoltaik ausgebaut,
also sauerstoffarmen Umgebungen, thanisierung auch gleich eine Antwort was wiederum nötig ist, wenn damit der
und sie waren vor Millionen von Jahren auf das saisonale Speicherproblem wegfallende Atomstrom ersetzt werden
bereits für die Umwandlung von Biomas- liefert: «Auch bei einem grossen Anstieg soll. Wandelt man den Überschussstrom
se in Erdgas verantwortlich. Durch die der Methangasproduktion bräuchte im Sommer in Methan um, liessen sich
Zuführung von Wasserstoff und CO2 in es dank der natürlichen Speicher im damit rund eine Million Gasfahrzeuge
geeignete poröse Sandsteinlagerstätten Erdinnern keinen Ausbau der oberirdi- ganzjährig erneuerbar betreiben. «Die
wird dieser Prozess quasi von neuem schen Speicherinfrastruktur», sagt er. Umwandlung von erneuerbarer Elektrizi-
gestartet. Das dort unten «hergestellte» tät in saisonal speicherbare Energieträger
Methan kann dann im Winter den Spei- DEKARBONISIERUNG DES ENERGIESYSTEMS ist ein wichtiger Pfeiler eines dekarboni-
chern wieder entzogen und als CO2-neu- Die Volatilität der erneuerbaren Ener- sierten Energiesystems», so Rüdisüli. ■
trales Erdgas vielfältig genutzt werden. giequellen stellt eine der grossen
Herausforderung der Energiewende dar.
SUCHE NACH GEEIGNETEN STANDORTEN Im Winter haben wir grundsätzlich zu Mehr Informationen zum Thema finden Sie unter:
Zur Weiterentwicklung der Technologie wenig erneuerbaren Strom, im Sommer https://www.underground-sun-conversion.at/
SONNENENERGIE
haben sich nun österreichische und
Schweizer Energieunternehmen und
Forschungseinrichtungen zusammenge-
schlossen. In einem vom europäischen
AUS DEM TIEFENLAGER
Forschungsrahmenprogramm ERA-Net
und hierzulande vom Bundesamt für
Energie (BFE) geförderten Projekt werden erneuerbares Erdgas
in den nächsten zwei Jahren die techni-
schen und wirtschaftlichen Potenziale in
Strom Elektrolyse CO 2 CH 4
U
der Schweiz und Österreich ausgelotet.
H2
Im Winterhalbjahr fehlt es in ganz Europa an erneuerbarer Energie. nderground Sun Conver- In der Schweiz sind das Energieunter-
Ein internationales Projekt fasst nun eine unkonventionelle Lösung ins sion»: Die vom österrei- nehmen Energie 360°, die Empa, die
Der aus erneuerbaren Energie- energetische Nutzung
Auge: Erneuerbarer Wasserstoff und Kohlendioxid werden zusammen in chischen Energieunter- Universität Bern und die Ostschweizer quellen (Sonne + Wind) erzeug-
te Strom wird mittels Elektroly-
den Boden gepumpt, wo natürlich vorkommende Mikroorganismen die nehmen RAG Austria AG Fachhochschule OST beteiligt. Die severfahren in H2 umgewandelt.
beiden Stoffe in Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, umwandeln. patentierte Technologie mit Empa entwickelt dabei eine Perspek-
dem spannenden Namen bietet einen tive auf das gesamte Energiesystem:
Weg, um erneuerbare Energie saisonal «Wir schauen uns an, wann und wo
Text: Stephan Kälin und in grossem Massstab zu speichern Überschussstrom anfällt, wo geeignete
Mikroorganismen wandeln
und ganzjährig verfügbar zu machen. CO2-Quellen wären und wo letztlich H2 und CO2 in erneuerba-
Im Sommer wird dabei überschüssige auch die Nachfrage nach erneuerbarem res Erdgas (CH4) um.
erneuerbare Energie – beispielsweise Erdgas vorhanden ist», erklärt Martin
KOHLENSTOFF-KREISLAUF
Solarstrom – in Wasserstoff (H2) umge- Rüdisüli von der Empa-Abteilung «Urban Das Treibhausgas CO2 wird im
Grafik: RAG
Foto: RAG
wandelt. Dieser wird dann zusammen Energy Systems». Zusammen mit den Boden in Methan verwandelt. So
entsteht «klimaneutrales» Erdgas.
mit Kohlendioxid (CO2) in natürlichen geologischen Voraussetzungen, die von
24 I EMPA QUARTERLY II APRIL 2021 II # 71 # 71 II APRIL 2021 II EMPA QUARTERLY I 25Sie können auch lesen
