Energiesituation global und national Energieperspektiven Schweiz, Beitrag des ETH-Bereichs

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1 39. ITS TECHNO-APÉRO Nachhaltige Energieversorgung und -nutzung Montag, 31. Oktober Uhr, Wüscherstrasse 6, Neuhausen am Rheinfall Energiesituation global und national Energieperspektiven Schweiz, Beitrag des ETH-Bereichs Dr. Xaver Edelmann, Mitglied der Direktion Empa Materialforschungs- und Technologieinstitution des ETH-Bereichs Inhalt Ökologischer Fussabdruck Weltenergieverbrauch, Bevölkerungsdynamik Situation Schweiz, Energieperspektiven 2050 Elektrizität Kompetenzzentrum Energie und Mobilität des ETH-Bereichs Beitrag der Forschung Mobilität Gebäude Photovoltaik «Biotreibstoffe» 2000 Watt-Gesellschaft Netz der Zukunft Zukünftiger, globaler Energiemix Ausblick

2 Global Footprint Network ( Globaler ökologischer Fussabdruck Ökologischer Fussabdruck pro Person (ha) USA: 8 ha/person (No 5) Schweiz: 5 ha/person (No 27) Weltdurchschnitt: 2.5 ha/person

3 Globaler, jährlicher Verbrauch von verschiedenen Energieträgern "New Policies Scenario" Mtoe = million tonnes of oil equivalent = Millionen Tonnen Erdöläquivalent Quelle: IEA, World Energy Outlook (2010) Materials Sci ence & Technolog y Globaler, jährlicher Primärenergieverbrauch, Perspektiven ~ 80% fossile Energieträger Mtoe = million tonnes of oil equivalent 1000 Mt Öl = t ~ m 3 = 1km 3 1 Cubic Mile of Oil (CMO) = 4.17 Kubikkilometer ~Weltjahresverbrauch von Öl Quelle: IEEE Spectrum 2007 Hewitt Crane and Ed Kinderman Quelle: IEA, World Energy Outlook (2010) Materials Sci ence & Technolog y

4 Entwicklung der Weltbevölkerung: Dynamik in Schwellen- und Entwicklungsländern North America Europe Africa Asia South America Southeast Asia Quelle: Population Reference Bureau, World Population Prospects: The 2008 Revision. Highlights. New York: United Nations. Elektrizitätsverbrauch und Bruttosozialprodukt pro Person im Jahr '500 15'000 Kuwait USA Norway kwh per capita and year 10'000 5'000 India 0 France Korea Germany Russian Fed. Spain Italy Portugal Hungary Poland Brazil China 0 10'000 20'000 30'000 40'000 50'000 60'000 GNI per capita (US-$) Quelle: UN Statistical Yearbook New Zealand Japan Netherlands Switzerland

5 9 Prof. Lino Guzella, ETHZ 10 Gewichtsentwicklung Mittelklassautos Rebound-Effekt: effizientere Motoren, Autos mit grösserem Gewicht!

6 Durstiger als andere Paradies für grosse Wagen Emissionsreduktionen sind zwingend sowohl in Schwellen- wie in Industrieländern Schweiz heute 6 t CO2/Person/Jahr stabiles Klima bei 1t CO2/Person/Jahr (bei 10 Mia Personen) Quelle: Denk-Schrift Energie der Akademien Schweiz 2008

7 Endenergieverbrauch CH nach Energieträgern Quelle: BFE, Schweizerische Gesamtenergiestatistik 2010 Fernwärme Elektrizität Gas Treibstoffe 52% Wasserkraft 42% Nuklear 6% andere 2/3 Fossil Erdölbrennstoffe Kohle Holz 13 Aufteilung des Energie-Endverbrauchs nach Verbrauchergruppen (2010)

8 Elektrizität Klimadialog ialo log in den Regionen, n, Rathaus Luzern, 15. März Materials ss Sci ence & Technolog y 16

9 Kompetenzzentrum Energie und Mobilität (CCEM) des ETH-Bereichs (Leading House PSI) ETH Rat Forschungskommittee Leading House PSI Lenkungsgremium Programm Management Beirat Erneuerbare Brennund Treibstoffe Transfer: Novatlantis Mobilität Elektrizität Wärme & Gebäude Forschungsprojekte Ausbildungsprojekte Industriezusammenarbeit Energie- Departmente PSI Energy Science Center ETHZ Energy Center EPFL Bau / Mobilität Materialien Techno-/Atmosphäre EMPA Universitäten of Applied Sciences Competence Center Energy and Mobility - CCEM Alexander Wokaun, Philipp Dietrich April Forschungsschwerpunkte der Empa Gesundheit & Leistungsfähigkeit Natürliche Ressourcen und Schadstoffe Nanostrukturierte Materialien Materialien für Energietechnologien Nachhaltig gebaute Infrastruktur

10 H 2 O H 2 H 2 O U O 2 O 2 «Research Focus Areas» Materialien für Energietechnologien Energieumwandlung Energiespeicherung Photovoltaik (CIGS) H 2 O 2 OH - H 2 O e - H OH - e - Electrolyte KOH/H 2 O Elektrolyse / Brennstoffzelle Wasserstoffspeicherung Energieverbrauch Nachhaltigkeitsbewertung «Saubere» Mobilität Drastische Reduktion des Schadstoff- und CO 2 -Ausstosses, u.a. durch Optimierung von Erd-/Biogasmotoren, Hybridisierung, neuartige Katalysatortechnologien Zusammenarbeit mit internationalen Industriepartnern

11 CCEM-Projekt: hy.muve, ein mit Wasserstoff angetriebenes Kommunalfahrzeug Industrielle Partner: Bucher Schörling (Kommunalfahrzeughersteller), BRUSA Elektronik AG (Elektroantrieb), Messer Schweiz AG (Wasserstofftankstelle) Beteiligte Institutionen: Empa (Projektleitung), PSI, Novatlantis (ETH-Bereich), BFE, Kanton Basel-Stadt (Präsentation Mai 2009), Stadt St. Gallen Kompetenzzentrum Energie und Mobilität CCEM des ETH-Bereichs Projekt Retrofit (Wohnbauerneuerung), Projektleitung Empa Energieverbrauch / Energiebezugsfläche (Wohnbauten Kanton Zürich) Neue Gebäude 50 CCEM Retrofit-Ziel kwh/m²a Mio m 2 EBF Klimadialog in den Regionen, Rathaus Luzern, 15. März 2008

12 Erneuerung braucht Modularität und Planungssicherheit CCEM Projekt: integrales Gebäudekonzept keine technischen Kompromisse wenige beteiligte Unternehmen gut koordinierte Module Qualitätssicherung effizienter, schneller Produktionsprozess Mark Zimmermann, EMPA/CCEM Materials Sci ence & Technolog y RETROFIT Erneuerungsstrategie Gebäude Zeitgemässe Raumaufteilung - 25% Endenergieverbrauch in der Schweiz Energiebedarf senken - 50% CO 2 Emissionen Effiziente Gebäudetechnik Renovationsprojekt Mehrfamilienhaus Zürich Höngg, Architekt Beat Kämpfen - 50% Auslandabhängigkeit in der Energieversorgung zig-tausend Erneuerbare Energie Arbeitsplätze auf Jahrzehnte hinaus Materials Sci ence & Technolog y

13 2006 Forum Chriesbach Neudefinition des State-ofthe-art für Energie- und Wasserkonsum Benutzerdominiert Statisch 2010 self Autonome Lebens- und Arbeitseinheit Forschungsdominiert Mobil 2013 Nest Ganzheitlich: Von Materialien zu Systemen und Benutzern (Wohnen Arbeiten) Forschungs- und Technologietransfer dominiert Dynamisch, Adaptierbar NEST: Ein Demonstrator vor der Umsetzung! Empa / P. Gröning 26

14 Ein ganzheitlicher und nachhaltiger Ansatz Umwelteinflüsse Benutzerakzeptanz Energie Neue Materialien & Systeme Innenklima Wasserverbrauch Gebäudehülle Intelligente Gebäude

15 «Vision Hügelstadt» Gewässer Wasserstrasse mit Hafenanlagen Windgeneratoren Produktionszentrum VISION HILL Erich Chiavi Kreation 30

16 Vision Hügelstadt Die Stadt «Vision Hill» für Einwohner löst viele Probleme: 1. ist ökologischer braucht weniger Energie, sammelt Abfälle braucht weniger Wasser (Chiavi Wasserdüse) 2. hat neue Energiequellen Windturbinen, Solarzellen, Infrarot 3. bringt mehr Gemeinschaft ins Leben man kommuniziert und unternimmt mehr zusammen die Stadt isoliert die Leute weniger VISION HILL Erich Chiavi Kreation 31 CCEM-Projekt: Dünnfilm Photovoltaik CH Materials Sci ence & Technolog y BFH VHF Tec. SA ETHs, FH, Universitäten und weitere VISION HILL Industrie Erich Chiavi Kreation 32 ThinPV Final Meeting, «swisselectric research», Bern

17 Verbundhalbleiter für Dünnschichtsolarzellen CIGS (Cu(In,Ga)Se2) für hohe Wirkungsgrade CdTe für tiefe Herstellungskosten Weltrekord Effizienzen Technologie auf Glas und Folien wird zur Industrie transferiert F&E für Aufskalierung und Transfer von hochstehenden Forschungsresultaten zur Industrie. Laboratory for thin films and photovoltaics 33 Weltrekordeffizienz von 18.7% für flexible CIGS Solarzellen auf Plastik 34

18 Flexibel und leicht Vorteile: Rolle-zu-Rolle Herstellung Tiefe Installationskosten Kurze Energierücklaufzeiten Kompakte Lagerung und Transport Versatile Anwendungsmöglichkeiten, massgeschneiderte Lösungen 35 Gewebeelektroden für organische Solarzellen 36

19 Ökologische Bewertung von Biotreibstoffen Bundesamt für Energie BFE, Bundesamt für Umwelt, BAFU,Bundesamt für Landwirtschaft BLW Rainer Zah et. al., Empa, Materials Sci ence & Technolog y Europas Netz der Zukunft Source: National Geographic Magazine, July 2010, S. 139 NGM Maps, sources: 3Tier (solar and wind data analysis); Platts, a division of McGraw-Hill Companies (proposed generation and transmission infrasturcture); Desertec; Supersmart Grid (DC conceptual Network) Materials Sci ence & Technolog y 38

20 2000-Watt-Pfad Leistungsbedarf Status-Quo & 2050 Technologie Status-Quo Technologie Liter-Auto 1-Liter-Auto (Gas/Wasserstoff) 5000 Watt/Person Liter-Haus 1-Liter-Passivhaus Fossile Energieträger Erneuerbare Energieträger 0 Status-Quo 2050 Mobilität Wohnen Ernähren Konsum Grosses Abfallaufkommen Abfallvermeidung/Recycling NOVATLANTIS Mai ST/Proj/20420/Vorträge/Standardfoliensatz/novatlantis_D_V06

21 Veränderung des globalen Energiemix 2050/2100 im exemplarischen Pfad (2003, Wissenschaftlicher Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen Materials Sci ence & Technolog y

22 Ausblick Nicht verbrauchte Energie als Potenzial Reduktion Verbrauch und effiziente Verwendung von Energie Reduktion fossile Energieträger Gebäudebereich mit grossem Einsparpotenzial, aber kleine Erneuerungsrate Mobilität: kleiner und leichter, weniger fahren Elektrizität mit dezentraler Energieeinspeisung und Speicherung als Herausforderung Individuelle Einsparmöglichkeiten: bewusster und weniger verbrauchen Ziele der 2000 Watt-Gesellschaft bieten gute Ansätze Langfristig Sonnenenergie wichtigste Energiequelle Materials Sci ence & Technolog y Dank Dank für Folien Erich Chiavi, Davos Daniele Ganser, Uni Basel Prof. Lino Guzella, ETHZ Roland Stulz, Novatlantis Prof. Alexander Wokaun, PSI Christian Bach, Prof. Gian-Luca Bona, Dr. Peter Hofer, Prof. Frank Nüesch, Dr. Peter Richner, Prof. Ayodhya Tiwari, Dr. Rainer Zah, Mark Zimmermann, Empa Weitere Informationen: Danke für die Aufmerksamkeit! xaver.edelmann@empa.ch Materials Sci ence & Technolog y