Technologien für den Weg zu einer CO2-neutralen Welt

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1 Technologien für den Weg zu einer CO2-neutralen Welt Marco Mazzotti (mit Mischa Repmann) Institute of Process Engineering und Energy Science Center, ETH Zürich ETH-Klimarunde - Vision Null: Wege zu einer CO2-neutralen Gesellschaft Zürich, 04. Nov. 2015

2 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering CO 2 Emissionen: Herkunft und Ausblick Beitrag fossiler Energieträger zum globalen Primärenergieverbrauch CO 2 entsteht bei der Verbrennung fossiler Energieträger zwecks Gewinn von Strom, Wärme, etc. Kohle/Erdöl/-gas entstanden über Jahrmillionen aus der biogeochemischen Umwandlung von Biomasse Biomasse entsteht durch die Aufnahme von CO 2 aus der Atmosphäre à CO 2 -Bilanz aus heutiger Sicht: CO 2 -positiv IEA Key World Energy Statistics 2014 IEA World Energy Outlook 2012

3 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering CO 2 Emissionen: Herkunft und Ausblick Historische und zukünftige Entwicklung der CO 2 -Emissionen (gemäss Szenarien & Simulationen des IPCC AR5) Beitrag fossiler Energieträger zum globalen Primärenergieverbrauch 2035?? Historische CO 2 -Emissionen IPCC WGI AR5 TS IPCC WGI AR5, IEA Key World Energy Statistics 2014 Fuss et al., 2014 Nature Climate Change IEA World Energy Outlook 2012

4 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering CO 2 Emissionen: Herkunft und Ausblick Historische und zukünftige Entwicklung der CO 2 -Emissionen (gemäss Szenarien & Simulationen des IPCC AR5) Kaya Identität: Historische CO 2 -Emissionen CO 2 -Emissionen = Bevölkerung x Bruttoinlandsprodukt x Energieintensität x CO 2 -Intensität [gco 2 ] [Kopf] [$] [Kopf] [kwh] [$] [gco 2 ] [kwh] IPCC WGI AR5 TS IPCC WGI AR5, Fuss et al., 2014 Nature Climate Change

5 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering CO 2 Emissionen: Herkunft und Ausblick Historische und zukünftige Entwicklung der CO 2 -Emissionen (gemäss Szenarien & Simulationen des IPCC AR5) Globale CO 2 -Emissionen nach Sektor (2012) 2012 Historische CO 2 -Emissionen Emissionen reduzieren 0 Gt CO 2 /J: CO 2 neutrale Welt IPCC WGI AR5 TS IPCC WGI AR5, Fuss et al., 2014 Nature Climate Change IEA CO2 Emissions from Fuel Combustion Highlights 2014

6 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Elektrizität und Wärme Schweiz HEUTE Quelle: A. Gunzinger / Supercomputing Systems AG

7 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Elektrizität und Wärme Schweiz MORGEN Chancen & Herausforderungen Das Energiesystem der Zukunft wird deutlich komplexer, Das Lastmanagement (Saisonal und im Tagesverlauf) braucht fortgeschrittene Speichersysteme Quelle: A. Gunzinger / Supercomputing Systems AG und Regelungsmethoden, sowie eine effiziente Kommunikation zwischen den Prosumern Netzumbau und/oder Ausbau («Smartgrid», Nord-Süd Stromtrassen)

8 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Transport Quelle: Cabalzar et al., SCCER-Mobility, EMPA Dübendorf Chancen & Herausforderungen Reduktion der CO 2 -Intensität der Fahrzeugflotte (mehr Effizienz, Leichtbau, etc.) Weiterentwicklung alternativer Antriebsysteme (Elektro, Wasserstoff, Gas) Erschliessung von Rohmaterial für Biotreibstoff ohne Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion Verknüpfung von Mobilität & Stromversorgung (Lastmanagement, Speicherung von Überschussstrom)

9 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Industrie Beispiel CEMCAP CO 2 -Abscheidung bei der Zementherstellung H2020 Projekt Zementofen Lufttrennanlage Energieeffizienz CO 2 -Intensität Kondensator/ Kompressor Quelle: V. Hoenig, ecra Direkte Massnahmen setzten bei einzelne Prozessschritten an z.b. verbesserte Abwärmenutzung z.b. biogener Abfall statt fossiler Brennstoffe Veränderung des Prozesses z.b. Verbrennung mittels reinem Sauerstoff statt Luft (zwecks simpler Trennung von CO 2 vom Abgas) Chancen & Herausforderungen Direkte Massnahmen sind machbar, aber nicht immer erste Priorität (Marktdurchdringung bereitstehender Technologie) Prozessänderungen brauchen F&E, Pilot & Demonstration, viel Zeit und grosse Investitionen, und schliesslich eine Kulturänderung in der Branche

10 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Haushalte Beispiel NEST Forschung am Gebäude der Zukunft (Empa, Dübendorf) Chancen & Herausforderungen Quelle: Das Gebäude als Energiekonsument & -produzent («Prosumer»), sowie -speicher Ressourcenschonendes Bauen (Recycling, Leichtbau, Naturmaterialien) Digitale Bauprozesse und intelligente Technik im Betrieb («Digital living») Nachhaltige Konzepte und Technologien zur Renovation des Gebäudeparks Optimierung der Wassernutzung

11 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Forschungsinitiativen in allen Sektoren Acht SCCERs: Schweizer Kompetenzzentren für Energieforschung

12 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Von der Forschung zur Anwendung CO2-Reduktion in grossen Rechenzentren Von der Mikrofluidik-Forschung hin zur Kopplung von Warmwasserkühlung mit Raumheizung Verbesserung der Energieeffizienz um 40% 70 75oC Umsetzung: vom Aquasar (ETH, 2010) zum SuperMUC (IBM, 2012, Leibnitz Rechenzentrum, München) 50 60oC Aquasar gekoppelt an ETH Heizsystem IBM SuperMUC, München Weiterentwicklung THRIVE: eine zusätzliche Adsorptionswärmepumpe ermöglicht die Nutzung der Abwärme zum Klimatisieren (SNF/NFP70 Projekt ETH, PSI, EMPA, FHs, IBM) Weiterentwicklung REPCOOL: Hochleistungs-Elektrochemie für gleichzeitige Stromversorgung und Kühlung von Computerchips (SNF/ Sinergia Projekt ETH, PSI, USI, IBM) 12

13 Von CO 2 -neutral zu CO 2 -negativ Marco Mazzotti Institute of Process Engineering marco.mazzotti@ethz.ch Historische CO 2 -Emissionen Emissionen reduzieren 0 Gt CO 2 /J: CO 2 neutrale Welt Negative Emissionen «produzieren»

14 Negative CO 2 Emissionen Marco Mazzotti Institute of Process Engineering marco.mazzotti@ethz.ch «Carbon Dioxide Removal - CDR» Entfernung von CO 2 aus der Atmosphäre Treibhauseffekt 0 Gt CO 2 /J: CO 2 neutrale Welt Negative Emissionen «produzieren»

15 «Climate Engineering» Marco Mazzotti Institute of Process Engineering «Solar Radiation Management - SRM» Erhöhung des Rückstrahlungsvermögens (Albedo)

16 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering SRM: Konzepte und Einschätzung der Experten «Solar Radiation Management - SRM» Erhöhung des Rückstrahlungsvermögens (Albedo) Royal Society: Geoengineering the climate, 2009 National Academies: Climate intervention, 2015 Reflektoren im Weltall Reflektoren in der Wüste (oder auf Ozean treibend) «Momentan sind SRM- Massnahmen begrenzt durch unbekannte und nicht bezifferbare Risiken, weniger durch zu hohe Kosten» Vermehrung/ Modifikation von Wolken Einfärbung von Dachflächen, Strassen, etc. Ausbringen von Partikeln (Aerosolen) in der Stratosphäre «Deshalb wird empfohlen: Breitflächiger Einsatz Nein Forschungsbemühungen Ja»

17 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering CDR: Konzepte und Einschätzung der Experten Wiederaufforstung: Wälder speichern CO 2 (Kohlenstoff) «Carbon Dioxide Removal - CDR» Entfernung von CO 2 aus der Atmosphäre Royal Society: Geoengineering the climate, 2009 National Academies: Climate intervention, 2015 «CDR-Massnahmen besitzen das Potential, den Netto-CO 2 -Ausstoss zu bremsen oder gar rückgängig zu machen» Bio-kohle herstellen und vergraben «Die vielversprechendsten CDR-Massnahmen sind momentan begrenzt durch die hohen Kosten» Ozeane düngen zur Förderung von Algenwachstum (= CO 2 -Aufnahme) Gesteins-Verwitterung fördern um CO 2 in Karbonaten zu binden Bioenergie-CCS BECCS CO 2 -Abscheidung aus der Luft DACCS («Direct-air capture») CO 2 -Abscheidung & Speicherung CCS («Carbon Dioxide Capture & Storage»)

18 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Negative Emissionen dank CCS-Technologien Heute Gewinn Einsatz Bilanz Fossiler Brennstoff CO 2 -positiv

19 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Negative Emissionen dank CCS-Technologien CCS Gewinn Einsatz Heute Fossiler Brennstoff CCS Extra-Brennstoff Bilanz CO 2 -positiv CO 2 -neutral

20 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Negative Emissionen dank CCS-Technologien BECCS CCS Heute CCS BECCS Gewinn Einsatz Fossiler Brennstoff Extra-Brennstoff Fläche für Anbau Bilanz CO 2 -positiv CO 2 -neutral CO 2 -negativ

21 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Negative Emissionen dank CCS-Technologien BECCS DACCS CCS Heute CCS BECCS DACCS Gewinn - Einsatz Fossiler Brennstoff Extra-Brennstoff Fläche für Anbau aus erneuerbarer Energie, Fläche für Kollektoren Bilanz CO 2 -positiv CO 2 -neutral CO 2 -negativ CO 2 -negativ

22 Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Negative Emissionen dank CCS-Technologien BECCS DACCS CCS Heute CCS BECCS DACCS CO 2 -Nutzung Gewinn - Chemikalien, Treibstoffe Einsatz Fossiler Brennstoff Extra-Brennstoff Fläche für Anbau aus erneuerbarer Energie, Fläche für Kollektoren Viel aus erneuerbarer Energie Bilanz CO 2 -positiv CO 2 -neutral CO 2 -negativ CO 2 -negativ CO 2 -positiv / neutral

23 Fazit Marco Mazzotti Institute of Process Engineering Emission zu reduzieren stellt uns vor die gezeigten Herausforderungen, aber es ist machbar. Dazu benötigen wir ein breites Portfolio von Technologien und Massnahmen. Ein Grossteil des Portfolios ist bereits bekannt, allerdings noch nicht routinemässig im Einsatz, aufeinander abgestimmt und optimiert. Daran arbeitet die Forschung auf Hochtouren. Emissionen reduzieren 0 Gt CO 2 /J: CO 2 neutrale Welt Negative Emissionen zu produzieren ist wesentlich schwieriger und kostspieliger. Negative Emissionen produzieren Wir stehen unter grossem Zeitdruck: Reduktionsmassnahmen dürfen nicht verzögert werden, sonst werden die technischen und finanziellen Herausforderungen für kommende Generationen umso grösser.