Forum Vera Willkommen Welcome Bienvenue Prof. Gian-Luca Bona zum Thema: "Welche Energieträger können den stark steigenden Bedarf weltweit decken"?

Willkommen
 Welcome
 Bienvenue

Forum Vera
Prof. Gian-Luca Bona zum Thema:

«Welche Energieträger können den stark steigenden Bedarf weltweit decken»?

11. September 2020

Maslow‘sche Pyramide

 Selbst-
 verwirklichung

 Soziale
 Anerkennung

 Soziale Kontakte

 Sicherheit

 Körperliche Grundbedürfnisse

Mahatma Ghandi:
Die Welt hat genug für
jedermanns Bedürfnisse, aber
nicht für jedermanns Gier

Wir haben ein CO2-Problem, kein Energieproblem
Ungenutzte Sonneneinstrahlung in Wüstenregionen

Um den nicht durch die Wasserkraft abgedeckten Energiebedarf der Schweiz im Winterhalbjahr sowie den
Langstreckenverkehr ausschliesslich mit importierten synthetischen Energieträgern zu decken, wäre eine
Photovoltaik-Fläche in einer Wüste von zirka 700 km2 erforderlich; das sind 27 x 27 km oder 0,008 % der
Fläche der Sahara.

World Energy Outlook 2019 (IEA)

Fazit 2018

 +2.3% Primärenergie, höchster Zuwachs seit 2010

 höchste Zunahme der CO2-Konzentration in der Atmosphäre seit
 2010

 Energieeffizienzgewinne bei 1.2%, tiefster Wert sein 2010

Kaya Identität – der Link zwischen
Energie und Klima

 2 
 2 = 
 
 Fossiler Anteil
 des Energiemix

Kaya Identität – der Link zwischen
Energie und Klima

 2 
 2 = 
 
 Fossiler Anteil
 Effizienz
 des Energiemix

Kaya Identität – der Link zwischen
Energie und Klima

 2 
 2 = 
 
 Fossiler Anteil Wirtschafts-
 Effizienz
 des Energiemix wachstum

Kaya Identität – der Link zwischen
Energie und Klima

 2 
 2 = 
 
 Fossiler Anteil Wirtschafts- Bevölkerungs-
 Effizienz
 des Energiemix wachstum wachstum

 Technologie Sozio-ökonomische
 Faktoren

Herausforderungen

 Energieeffizienz muss verbessert werden

 Energiesystem muss decarbonisiert werden

 Entwicklung in Drittwelt- und Schwellenländern darf nicht behindert
 werden

 Suffizienz? Wohlstandseinbussen aus energetischen Gründen sind in
 den industrialisierten Ländern noch kaum akzeptabel

Herausforderung der schweizerischen Energie-
 und Klimapolitik

 Rest; 12.3%

Endenergienutzung
in der Schweiz
2019
 übrige
 Stromproduktion;
 24.7% Fossile
 Energieträger;
 63.0%

 Kernkraft; Auslandabhängigkeit:
 8.7%
 > 70%

 Quelle: Schweizerische Energiestatistik 2019, BfE

Herausforderung der schweizerischen Energie-
 und Klimapolitik

 Rest; 12.3%

Endenergienutzung
in der Schweiz
2019
 übrige
 Stromproduktion;
 24.7% Fossile
 Energieträger;
 63.0%

 Energiegesetz Kernkraft;
 2017 8.7%

 Quelle: Schweizerische Energiestatistik 2019, BfE

Herausforderung der schweizerischen Energie-
 und Klimapolitik

 Rest; 12.3%
Endenergienutzung
 Paris Abkommen
in der Schweiz
 CO2-Gesetz
2019
 übrige Netto Null 2050
 Stromproduktion;
 24.7% Fossile
 Energieträger;
 63.0%

 Energiegesetz Kernkraft;
 2017 8.7% Wir brauchen neue Lösungen
 für 72% unserer Endenergie

 Quelle: Schweizerische Energiestatistik 2019, BfE

Entwicklung Endenergiemix seit 1990

100.0%

 90.0%

 80.0%
 81% 79% 76%
 70.0%
 72%
 60.0%

 50.0%

 40.0%

 30.0%

 20.0%

 10.0%

 0.0%
 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2019

 Fossil KKW übriger Strom Rest

 Quelle: Schweizerische Energiestatistik 1990 ff, BfE

Trends

 Umstieg auf erneuerbare Energie (Anteil Endenergie 2019)
  PV (0.94%)
  Wind (0.06%)
  Wasser (15.7%)
  Biomasse (5.2%)

 Quelle: Schweizerische Energiestatistik 2019, BfE

Ungleichgewicht Stromangebot und Nachfrage
heute bei hypothetischem Ersatz Nuklear durch PV
 2000

 GWh
 1500

 Photovoltaik
 1000
 Wind
 Pump und Speicher

 500 Laufwasser
 Geothermine
 Biomasse
 0
 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 Pumpenergie

 Wochen
 -500

50% der verfügbaren Dachflächen mit PV belegt -> gleiche Strommenge wie KKW (Jahresbilanz)
In Anlehnung an: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Ungleichgewicht Stromangebot und Nachfrage
heute bei hypothetischem Ersatz Nuklear durch PV
 2000

 GWh
 1500
 Photovoltaik
 Wind
 1000 Pump und Speicher
 Laufwasser
 Geothermine
 500
 Biomasse
 Pumpenergie
 0 Landesverbrauch
 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

 Wochen
 -500

50% der verfügbaren Dachflächen mit PV belegt -> gleich Strommenge wie KKW (Jahresbilanz)

Trends

 Umstieg auf erneuerbare Energie
  PV
  Wind
  Wasser
  Biomasse

 Elektrifizierung
  Wärme und Warmwasser in Gebäude
  Mobilität

Ungleichgewicht Stromangebot und Nachfrage in
heute bei hypothetischen Ersatz Nuklear durch PV
 2000
 Wärmepumpen und
 GWh Elektromobilität
 1500
 Photovoltaik
 Wind
 1000 Pump und Speicher
 Laufwasser
 Geothermine
 500
 Biomasse
 Pumpenergie
 0 Landesverbrauch
 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51

 Wochen
 -500

50% der verfügbaren Dachflächen mit PV belegt -> gleiche Strommenge wie KKW (Jahresbilanz)
In Anlehnung an: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Electricity Demand

Fossil Mobility

Fossil Heat

Nuclear Power

 Electricity Production

Electricity Demand

 (20%) BEV
 Substitution

 20% of useful
 kinetic energy
Fossil Mobility
 (75%) Heat pump
 80% of space heating (SH)
 50% of domestic hot water (DHW)
Fossil Heat
 (100%) PV
 50% of «suitable» CH roofs
 (26.5 GWp)
Nuclear Power

 Electricity Production

Electricity Demand Additional Demand
 BEV & Heat pumps

 (+) (+)

 (20%) BEV
 Substitution

 20% of useful
 kinetic energy
Fossil Mobility
 (75%) Heat pump
 80% of space heating (SH)
 50% of domestic hot water (DHW)
Fossil Heat
 (100%) PV
 50% of «suitable» CH roofs
 (26.5 GWp)
Nuclear Power
 (-) (+)

 Denuclearization
 Electricity Production (only +PV; no other renewables)

Electricity Demand Additional Demand Modified Demand
 BEV & Heat pumps

 (+) (+)

 (20%) BEV
 Substitution

 20% of useful
 kinetic energy
Fossil Mobility
 (75%) Heat pump
 80% of space heating (SH)
 50% of domestic hot water (DHW)
Fossil Heat
 (100%) PV
 50% of «suitable» CH roofs
 (26.5 GWp)
Nuclear Power
 (-) (+)

 Denuclearization
 Electricity Production (only +PV; no other renewables) Modified Production

Strom -Defizite und -Überschüsse
 -KKW +Solar 26.5 GWp
 Basis (2010) 61.4 TWh ohne KKW +20%km mit BEV
 mit 26.5 GWp Solar +75% Wärme mit WP

 Export

 Import

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Strom -Defizite und -Überschüsse
 -KKW +Solar 26.5 GWp
 ohne KKW
 Basis (2010) 61.4 TWh +20%km mit BEV
 mit 26.5 GWp Solar Konsequenzen:
 +75% Wärme mit WP
  Gleiche Energiemenge
 wie mit KKW, aber sehr
 viele Mangel- und
 Überschuss –
 Situationen

 (ohne weitere
 Massnahmen wie Speicher,
 Lastverschiebung, etc)

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Strom -Defizite und -Überschüsse
 -KKW +Solar 26.5 GWp
 Basis (2010) 61.4 TWh ohne KKW +20%km mit BEV
 mit 26.5 GWp Solar +75% Wärme mit WP

 Zusätzlicher Winterstromverbrauch führt
 zu grossen Lücken im Winter

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Dynamischer CO2 - Gehalt im Strom
 -KKW +Solar 26.5 GWp
 ohne KKW +20%km mit BEV
 Basis (2010) 61.4 TWh mit 26.5 GWp Solar +75% Wärme mit WP

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Dynamischer CO2 - Gehalt im Strom
 -KKW +Solar 26.5 GWp
 ohne KKW +20%km mit BEV
 Basis (2010) 61.4 TWh mit 26.5 GWp Solar +75% Wärme mit WP

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber – «Energies», open access)

Dynamischer CO2 - Gehalt im Strom
 (Annahme: Import/Produktionsdefizit mit Gaskombi-KW)
 Basis (2010) 61.4 TWh ohne KKW -KKW +Solar 26.5 GWp
 ohne
 mit KKW
 26.5 GWp Solar -KKW +Solar
 +20% 26.5
 km mit BEV
 Basis (2010) 61.4 TWh mit 26.5 GWp Solar GWp
 +75% Wärme mit WP
 +20%km mit BEV
 +75% Wärme mit WP

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber –«Energies», open access))

CO2-Bilanz

 Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies
 on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber –«Energies», open access))

Urbanisierung

 Über 50% der Weltbevölkerung
 Leben in Städten
  Trend stark wachsend

 Grafik: Bundesamt für Statistik

Konsequenzen Dekarbonisierung und Elektrifizierung

 Effizienz steigern (Gebäude, Mobilität, Industrie)

 PV hat das grösste Potential in der Schweiz, Zubau muss massiv
 beschleunigt werden (Dächer, Fassaden, techn. Installationen, …)
 aktuell trägt PV weniger als 4% zur Stromversorgung bei

 Speichermöglichkeiten ausbauen (Stunden, Tage, Wochen, Monate)

 Flexibilisierung Nachfrage (Stichwort Digitalisierung)

 Import erneuerbarer Energie
  Strom im Winter wahrscheinlich schwierig
  Synthetische Gase und Flüssigkeiten

Hauptreiber für gebäudebezogene CO2-
Emissionen
 Modifizierte Kaya-Identität:

 2 2 
 2 = 2
 
 Fossiler Anteil Wirtschafts- Bevölkerungs-
 Effizienz
 des Energiemix wachstum wachstum

 Technologie Sozio-ökonomische
 Faktoren

Beitrag des Gebäudesektors an die Ziele der
Schweizerischen Energie- und Klimapolitik
 Beispiel: Endenergie für Wärme in Privathaushalten
 130%

 120%

 110%

 100%

 90%
 84%
 80%

 70%
 Technologie

 60% 63%
 50%
 E/m2 EBF CO2/E
 1990 1995 2000 2005 2010 2015

 BfE, BFS, Bafu, alle Daten klimakorrigiert

Beitrag des Gebäudesektors an die Ziele der
Schweizerischen Energie- und Klimapolitik
 Beispiel: Endenergie für Wärme in Privathaushalten
 130%
 127%
 120%
 Sozio-ökon.
 110%
 109%
 100%

 90%
 84%
 80%

 70%
 Technologie

 60% 63%
 cap m2 EBF/cap
 50%
 1990 1995 2000 2005 2010 2015

 BfE, BFS, Bafu, alle Daten klimakorrigiert

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 1.2

 1 1990

 0.8

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 1.2

 1 1990

 0.8
 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 1.2

 1 1990
 -50% bis 2026/27

 0.8
 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 1.2
 2000
 1 1990
 -50% bis 2026/27

 0.8
 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 1.2 2005
 2000
 1 1990
 -50% bis 2026/27

 0.8
 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 2010
 1.2 2005
 2000
 1 1990
 -50% bis 2026/27

 0.8
 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 2017 in Privathaushalten
 1.4
Sozio.-ökon. Faktoren =

 2010
 1.2 2005
 2000
 1 1990
 -50% bis 2026/27

 0.8
 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

2 2 2
 2 = 2 
 
 1.8
 CO2 = Technologie x sozio-ök.
 
 1.6
 2 
 
 Endenergie für Wärme
 2018 in Privathaushalten
Sozio.-ökon. Faktoren =

 1.4
 2010
 2005
 1.2 +40%
 2000
 1990
 2018
 1
 -50% bis 2026/27 -49% Total: -28%
 0.8 -40% bis 2020

 0.6
 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
 2 
 Technologie = 2
 

Zukünftige Rolle von Gebäuden

Integraler Teil des Energiesystems

 Produzenten
  PV

 Konsumenten
  Strom
  Wärme, Kälte

 Speicher

Ausgangslage und Zielsetzung des
 Energiesystems
 Konventionell

 Niedrigenergie
 (Minergie)

 Passiv
 (Minergie-P)

 Energie-autark

 E-Plus

 Service Provider

Quellen: Abbildung BFE – UVEK 2018

Ausgangslage und Zielsetzung des
Energiesystems
 Konventionell

 Niedrigenergie
 (Minergie)

 Passiv
 (Minergie-P)

 Energie-autark

 E-Plus

 Service Provider

Multi-energy systems

 ICT, Control

 Energy hub

Multi-energy
 grid

Dynamic modelling of energy demand
 Results

 Energy Demand, CO2 Emissions
 & PE Consumption Maps

Wang, D., Landolt, J., Mavromatidis, G., Orehounig, K., Carmeliet, J. (2018) 'CESAR: A bottom-up housing stock model for Switzerland to address sustainable energy transformation strategies'
Energy and Buildings Vol 169, 9-26.

Retrofit modelling – change in energy demand

 Business as usual

 Low

 High
 2015
 2020
 2035
 2040
 2050

Retrofit modelling – change in energy demand

 New Energy Policy

 Low

 High
 2015
 2020
 2035
 2040
 2050

Modelling – Optimisation of MES
 Dynamic grid CO2 factor
Energy strategy goals Boundary conditions

 Solutions space
 Energy Potentials Pareto Front
 Costs

 Optimisation
 “Energy hub”
 approach
 Energy scenario
 Configurations Building data

 Target or CO2 –
 threshold Emissions
 value

 Business models
 Energy demands
 Dynamic pricing

Multi-Energie Systeme

 • Welche Energieträger, Umwandlung und
 Speichertechnologien sollen integriert
 werden (z.B. PV, Wärmepumpen, BHKW,
 P2G,…)
 • Wie sollen diese Technologien ausgelegt
 werden?
 • Wie sollen diese Technologien betrieben
 werden?

Modelling – Optimisation of MES
 Which energy sources?
 Production at district
 or building level?
 Potential contribution of
Location of energy renewable energies?
 hub?
 Optimisation

 Structure &
 “Energy hub”
 approach
 Solar-PV? Roof?
 Dimensioning of Facade?
 networks?
 Heating or gas
 Seasonal storage? network?
 Batteries? How
 and Where?

Application examples

Brig-Glis Zürich Zernez Zürich Lengg Suurstoffi, Risch

 Lauber Iwisa Zernez Helbling Consulting Zug Estates

 AHB, EKZ,
 e360, SBB

Areal Sommerau Baden Nord Rheinfelden Kt. Basel Stadt Zürich Altstetten
Nord, Gossau
 Stadtwerke St.Gallen Regionalwerke Baden IWB, AUE, WWF

Anwendungsbeispiel Gossau
 Entwicklung eines Energie-Konzepts für einen kommerziellen/industriellen Campus

 Hauptfragen:
 • Optimaler Mix aus Produktions- und
 Speichertechnologien?
 • Optimale Lage einer Energiezentrale?
 90’000m2
 • Optimale Topologie und Temperaturniveau des
 Wärmenetzes?
 • Mögliche Installation von Dach-PV und Fassaden-
Partner: SGSW, SWG, GMOS, HSLU PV und saisonalen Erdwärmespeichern?

Anwendungsbeispiel Gossau
Energienachfrage Verfügbare Solarenergie
 erneuerbare
 Energieresourcen

 Optimierung

Energieversorgungstechnologie
n
Strom

3 Netz-Szenarien:
• Hochtemperaturnetz
Wärme

• Niedertemperaturnetz
• 4-Leiter-Netz
Kälte

Application example Gossau

 1

 3
 1

 CO2: -65% LCC: +7%
 3

The Problem Local energy planning

 The Solution Software for optimization-based planning – Sympheny S

Local energy planning – optimized www.sympheny.com

Energiespeicherung

Charakteristika
 Zeitlich
  Kurz: Stunden
  Mittel: Tage und Wochen
  Lang: Saisonal
 Art
  Chemisch: Batterien, Power to X
  Gravimetrisch: Pumpspeicher
  Wärme/Kälte: Wasser, Fels, Untergrund

Energiebereitstellung,
-umwandlung und
-speicherung
Photovoltaik
Batterien
Power to X
Saisonale Wärmespeicher

 Forschungsschwerpunkt Energie der Empa

Eliminate dendrites in alkali metal anodes

 Lithium metal

 PEO/LiTFSI

 1 mm
 Lithium metal

 Lowest potential, highest capacity  10x faster charging with sodium vs lithium
 Dendrites prevent fast charging  Patented interface conditioning

Fu et al. ACS Appl. Mater. Interf. 2020 Bay et al. ACS Appl. Energy Mater. 2019 Bay et al. Mater. Today Comm. 2020
Fu et al. EP 20141498.8 patent application Bay et al. Adv. Energy Mater. 2019 Landmann et al. Mater. Today Energy 2020
Grissa et al. in preparation Bay et al. US 16/560,229 patent application Heinz et al. J. Power Sources 2020

Eliminate dendrites in alkali metal anodes
 Running and new projects at
 Lithium metal SNSF MassBat SFOE P&D HiPerSonick

 0.4 m CHF 09/20 - 08/23 3.5 m CHF 07/18 - 06/21
 Bridge PoC SodiumPower H2020 Solstice
 PEO/LiTFSI
 0.1 m CHF 09/20 - 08/21 7.7 m EUR 01/21 - 12/23
 InnoSuisse Camelot H2020 Solidify
 1 mm
 Lithium metal
 0.9 m CHF 04/19 - 06/21 7.8 m EUR 01/20 - 12/23

 Lowest potential, highest capacity  10x faster charging with sodium vs lithium
 Dendrites prevent fast charging  Patented interface conditioning

Fu et al. ACS Appl. Mater. Interf. 2020 Bay et al. ACS Appl. Energy Mater. 2019 Bay et al. Mater. Today Comm. 2020
Fu et al. EP 20141498.8 patent application Bay et al. Adv. Energy Mater. 2019 Landmann et al. Mater. Today Energy 2020
Grissa et al. in preparation Bay et al. US 16/560,229 patent application Heinz et al. J. Power Sources 2020

Reduce cobalt in cathode
 Half reaction potential
 Li+ + 1e- ⇋ Li -3.05 V
 Na+ + 1e- ⇋ Na -2.71 V
 Fe2+ + 2e- ⇋ Fe -0.44 V
 Ni2+ + 2e- ⇋ Ni -0.25 V
 2H+ + 2e- ⇋ H2 0.00 V
 Mn4+ + 1e- ⇋ Mn3+ +0.19 V*
 Fe3+ + 1e- ⇋ Fe2+ +0.35 V**
 Co4+ + 1e- ⇋ Co3+ +0.74 V*
 Ni4+ + 1e- ⇋ Ni3+ +0.77 V*
 F2 + 2e- ⇋ 2 F- +2.87 V
 (*-R 3 2’’, **-P 2ac 2n, www.materialsprojects.org)

 Fluorine is the most oxidizing element  Nickel less stable than cobalt
 6200 Wh/kg vs 250 Wh/kg  Stabilization through electrolyte additives

 Vidal Laveda et al, ACS Appl. Energy Mater.

Li-ion

 From lab to market batteries
 (Gen3b)
 Solid-state
 batteries 4
 (Gen4)

 3

 Green
Synthetic fuels batteries
for long distance (GenX)
and long time scale
 2
 1

 SNSF, SFOE, InnoSuisse Swatch, FZSonick, Contact
 ETH Board, H2020 BASF, Northvolt corsin.battaglia@empa.ch
TRL

Energiebereitstellung,
-umwandlung und
-speicherung
Photovoltaik
Batterien
Power to X
Saisonale Wärmespeicher

 Energienachfrage
 Energieeffiziente Materialien & Prozesse
 Kreislaufwirtschaft
 Gebäudebetrieb und -überwachung
 E- und H2-Mobilität, synthetische Kraftstoffe

Aerogel-Holz Elementbau

 Aerogel-Holz Komposite für schlanke Modulbauweise
 Innosuisse Projekt:
 Ziel U< 0.2 W/m2 K
 Gesamtdicke maximal 15cm
 Statische Auslegung für Stockwerkerweiterung «City lifting»
 Grundlage: P&D Projekt “Hohlstrasse 100”, Zürich

 Lighthouse Projekt
 «Hohlstrasse 100»
 Projektüberwachung

 Entwicklung diverser Holzelement-Konfigurationen
 und Aerogel-Integrationskonzepte

 Building Energy Materials and Components 70

Energiebereitstellung,
-umwandlung und
-speicherung
Photovoltaik
Batterien
Power to X
 Systemintegration
Saisonale Wärmespeicher
 Ausgleich von Bereitstellung &
 Bedarf
 Sektorkopplung
 Resiliente Energiesysteme
 Demonstratoren & Fallstudien

 Energienachfrage
 Energieeffiziente Materialien & Prozesse
 Kreislaufwirtschaft
 Gebäudebetrieb und -überwachung
 E- und H2-Mobilität, synthetische Kraftstoffe

 Gebäude & Quartier Mobilität

 ehub & dhub

 NEST move

Post Fossile Mobilität?

2.0 -80% -60% -40% -20% 0% +20% +40% +60% +80% +100%

 1.8

 Sozio-ökonomische Faktoren
 1.6 2030
 +8% 2015
 1.4 -35%
 1.2 +46%
 1.0 1990
 -20%
 0.8

 0.6
 Zielberei
 0.4 ch
 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1
 Technologische Faktoren

Tages-Anzeiger, 30.1.2019

Herausforderungen in der Strassenmobilität
Wie werden Fahrzeuge eingesetzt?

 Typische Tages-Fahrstrecken privater Haushalte

70% der «typischen» Tages-Fahrstrecken privater
Personenwagen sind kürzer als 50 km.

 Kumulativer Anteil in %
 Anteil der Fahrten in %
Diese machen nur 30% der gefahrenen Kilometer aus.

 Kurz- und Mittelstreckenfahrten sollten von
 Langstrecken
 verbrennungsmotorischen Fahrzeugen auf
 Elektrofahrzeuge umgestellt werden. Kurztrecken

Die 30% längsten Tages-Fahrstrecken machen -10 1 10 100 1000

insgesamt 70% der gefahrenen Kilometer aus. Tages-Fahrstrecken in km

 Langstreckenfahrzeuge sollten von fossilen auf
 erneuerbare synthetische Treibstoffe umgestellt werden.

 … die z.B. aus ungenutztem Sonnenstrom im Sommer hergestellt
 (z.B. Power-to-Gas) oder importiert (z.B. LNG, Flüssiggas) werden

CO2-Emissionen der Mobilität
Hohe Relevanz des Flugverkehrs

 Starker Zuwachs (vor Corona) im
 Flugreiseverkehr (ca. 5% p.a.).
 Setzt sich dies (nach Corona)
 weiter fort, kompensiert der
 Flugverkehr die Minderungen bei
 den Personenwagen.
 Ca. 2030 übersteigen die CO2-
 Emissionen des schweizerischen
 Luftverkehrs diejenigen des
 Personenwagenverkehrs.
 Synth. Treibstoffe sind für eine
 CO2-Reduktion unumgänglich

 2027 - 2030

Quelle: ETHZ (2018)

Research and Technology Transfer Platform
Future (post fossil) mobility
 CO2 collector
 PtX study
 Switzerland

 methanation (Empa) PtG mobility

 Real world fuel
 consumption
 model

 350 bar
 350 bar HCNG- H2-sweeper 700 bar H2-
 field test Grid battery /
 passenger car smart charging

Konvergenz
 Gasbetriebene
 Elektromobilität Wärme-/Kälte Wärmepumpe
 Anergienetze, Wärmespeicher
 Strom zu Wasserstoff-
 Wasserstoff Speicherung
 Batterie-
 (Elektrolyse)
 Speicher
 Pumpspeicher

 BHKW
 Leistung

 Wasserstoff-
 Fahrzeug

 Erdgas

 0h Zeit 24h/Saisonal
 Erdgasspeicher: Erdgas/Biogas-Fahrzeug
 Wasserstoff- Erdgas/Biogas-Fahrzeug
 Netz Gasspeicher, «Bohrloch»

Veränderungen Fahrzeugantriebssysteme
Unterschiedliche Entwicklung in den Segmenten

 Personenwagen (D) Lieferwagen (D) B. Helgeson (Energieökonom) hat die
 Antriebskonzepte für eine CO2-Reduktion
 um 90% nach ihrer Wirtschaftlichkeit
 analysiert (für D).
 Dabei zeigt sich, dass:
  BEV im PW/LiW-Bereich und
  synth. Treibstoffe im LKW-Bereich sehr
 Lastwagen (D) Gesamtflotte (D)
 relevant werden könnten.
 Die Laufleistung der LKW-Verkehrs ist
 insgesamt zwar 10 x geringer, aber die
 Verbräuche könnten 2050 10 x höher sein.
 Im LKW-Bereich ist eine direkte
 Elektrifizierung deutlich schwieriger und
 teurer als im PW-Bereich.
Quelle: B. Helgeson et al; Applied Energy (2020)

Kaya Identität – der Link zwischen
Energie und Klima

 2 
 2 = − 2
 
 Fossiler Anteil Wirtschafts- Bevölkerungs- CO2 negative
 Effizienz
 des Energiemix wachstum wachstum Technologien

Kaya Identität – der Link zwischen
Energie und Klima

 2 
 2 = − 2
 
 Fossiler Anteil Wirtschafts- Bevölkerungs- CO2 negative
 Effizienz
 des Energiemix wachstum wachstum Technologien

CCS
 Carbon
 Capture
 and Storage

Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_capture_and_storage

Capture Strategien

 Punktquellen
  Zementwerke
  Fossile Kraftwerke
  Stahlwerke
  Biomasse Kraftwerke
  …

 Atmosphäre (z.B. Climeworks)

Bedeutung CCS

 IPCC Okt. 2018: CCS Teil von 3 der 4 vorgestellten Szenarien
 IEA: ≥ 7% der Reduktionen über CCS
 Bedarf global: 2’000 Anlagen

 Stand der Technik:
  Knapp 20 Anlagen in Betrieb
  5 im Bau
  20 im Planung

 Kosten: bis zu 100 $ / t CO2

Holzbau
Temporäre
Einlagerung
von gebundenem
Kohlenstoff in
Gebäuden

Zusammenfassung

 Energiepolitik ist Klimapolitik und umgekehrt
 und auch Wirtschaftspolitik

 Decarbonisierung des Energiesystems ist zwingend
  Effizienzsteigerung in allen Sektoren
  Erschliessung erneuerbare Energiequellen
  Speichertechnologien kurz/mittel/lang
  Internalisierung externer Kosten

 CO2-negative Technologien notwendig um 1.5°C Ziel zu erreichen

Collaboration for a sustainable future
 Society:
 Policy makers
 Technology agnostic

 Economy:
Science: R&D technologies for a circular economy Industry

Backup

So What?

 Gian Franco Kasper,
 Präsident des Internationalen Skiverbandes

 Interview im Tages-Anzeiger, 4. Februar 2019

 Kasper: „Und dann gibt es auch noch den sogenannten
 Klimawandel . . .“

 TA: . . . sogenannt?

 Kasper: „Es gibt keinen Beweis dafür. Wir haben Schnee,
 zum Teil sehr viel.“

Svante August Arrhenius
(1859-1927)
Philosophical Magazine and Journal of Science
Series 5, Volume 41, April 1896, pages 237-276.

 On the Influence of Carbonic Acid in the
 Air upon the Temperature of the Ground

 Erste Überlegungen zum Einfluss von CO2 aus der Verbrennung
 fossiler Energieträger auf das Klima durch den Anstieg der CO2 –
 Konzentration in der Atmosphäre

Temperaturentwicklung Schweiz

Endenergiebedarf Schweiz 2018: 734 PJ

 Industrie,
 Dienstleistung,
 Landwirtschaft: 26%
 Gebäude: 42%

 Mobilität: 32%

Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs 2000-2018
nach Verwendungszweck, 2019, BfE

Mobilität der Zukunft

Erneuerbare Energie für eine CO2-freie Mobilität
Research and Technology Transfer Platform «move»

 Schwerpunkte Future Mobility
 Demonstrator «move»:
 a) Fokussierung auf mit
 erneuerbarer Energie
 betriebene Fahrzeuge
 first 700 bar
 fast fuelling site
 (E, H2, e-Fuels)
 in Switzerland b) Mobilität muss einen
 «Systemnutzen» leisten
 (Speicher, Flexibilität, Nutz.
 Überschüsse)

 Closed carbon cycles for a
 sustainable mobility

Future Mobility – alle Antriebe nötig
move @ Empa: enabler, WTT - Plattform
 move @ Empa

 100% fossil today 100% renewable tomorrow

 e-mobility hydrogen synthetic fuel

Kurze und mittlere Distanzen Längere Distanzen Für Langstreckenfrachtfahrten
 wie Stadt- und Pendlerfahrten Wasserstoff eignen sich
 Autos mit Elektroantrieb (und synthetische) Kraftstoffe. synthetische Kraftstoffe

 + Effizienz + Flexibilität beim Strombezug + Transportfähigkeit
 - Langstreckenmobilität - Infrastrukturaufbau - Kosten

Die Strassenmobilität der Zukunft
CO2-Lebenszyklusemissionen für Stadt- und Autobahnfahrt

 CO2 in Stadtfahrt Für die CO2-Reduktion entscheidend ist der
 Fossil Erneuerbar Wechsel von fossiler auf erneuerbare Energie.
 g/km g/km
 Das Antriebskonzept spielt eine untergeordnete
Benzin / Gas 240 / 180 (>60) / 60
 Rolle und sollte entsprechend dem haupt-
Elektro (25 kWh)*
 )
 130 50
*) Batteriekapazität sächlichen Einsatz gewählt werden:
  Im städtischen Einsatz (Kurzstrecken)
 CO2 in Autobahnfahrt
 sind Elektrofahrzeuge verbrennungsmotorischen
 Fahrzeugen überlegen.
 Fossil Erneuerbar
 g/km g/km Zusatznutzen: Stadtluft-qualität wird verbessert.
Diesel / Gas 190 / 140 40 / 30  Bei Autobahnfahrten (Langstrecken)
Elektro (50 kWh) *) 160 70 weisen verbrennungsmotorische Fahrzeuge mit
 erneuerbaren Treibstoffen die niedrigsten CO2-
*) Batteriekapazität Emissionen auf.
Quelle: Zusatznutzen: Reduzierter Bedarf an
Zapf M., Pengg H., Bütler T., Bach C., Weindl C.; Kosteneffiziente und nachhaltige Automobile;
Springer Vieweg (2019; in press) Schnelladesystemen.
Angegebene Daten basieren auf Verbrauchsmessungen an Kompaktfahrzeugen im realen Betrieb.
Annahme der CO2-Emission bei der Batterie-Herstellung: 145 kg/kWh

European battery projects at Empa
 Sustainable next-generation lithium-ion battery technology
 (Gen 3b) with scalability to gigafactories
750 Wh/l

 11 partners, 7 countries, coordinated by
 10.3 m EUR 02/2020 - 01/2024

 Upscale materials, processes and architectures for liquid-
 processed solid-state Li-metal batteries (Gen 4)
 14 partners, 9 countries, research partner
1200 Wh/l

 7.8 m EUR 01/2020 - 12/2023

 Sodium-zinc molten-salt battery
 12 partners, 9 countries, research partner
 7.7 m EUR 01/2021 - 12/2024
 Cathode particle
 Coordination of large-scale European research initiative
 Anode particle to invent the batteries of the future
 Lithium metal 23 partners, 14 countries, Swiss contact
 Liquid electrolyte 2.1 m EUR 09/2020 - 08/2023
 Solid electrolyte
 S 3.5 m EUR for Empa Materials for Energy Conversion

ETH Domain
present in 13 of 26 cantons

 50% 30%

 11% 4% 2.5% 2.5%

Empa’s Research Focus Areas
 Health & Nanostructured
 Performance Materials &
 Technologies

 Analytical Methods Instruments & Tools
 Measurement Techniques

 Assessment of Sustainability, Reliability &
 Safety 20.38%

 Computational
 Modelling Material
 Synthesis

 Resources Energy
 & Pollutants

 Sustainable Built
 Environment

Digital Layer

 dhub
facilities partners

 Through focused innovation in the digital layer
 We can enhance innovation possibilities in the physical layer
 mobility energy building

 move ehub NEST

 Empa’s Demonstrator Park
 Physical Layer