Forschung und Entwicklung für die Energiewende

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1 Forschung und Entwicklung für die Energiewende Dr. Peter Richner; Empa Mitgliederversammlung Trägerverein Energiestadt 25. April 2013

2 Maslow sche Pyramide Selbstverwirklichung Soziale Anerkennung Soziale Kontakte Sicherheit Körperliche Grundbedürfnisse

3 Globale CO 2 -Konzentration Kyoto-Protokoll erstellt ppm Februar 2005 Kyoto-Protokoll tritt in Kraft Ölschock 280 Vorindustrielles Niveau: ca. 275 ppm Quelle: Dr. Pieter Tans, NOAA/ESRL (

4 Endenergienutzung CH 2010 Rest Übrige Stromproduktion Kernkraftwerke Fossile Energieträger Schweizerische Energiestatistik 2010, BfE

5 Herausforderungen der Zukunft I Rest Übrige Stromproduktion Austieg aus der Kernenergie zwischen Fossile Energieträger

6 Herausforderungen der Zukunft II Austieg aus der Kernenergie zwischen Übrige Stromproduktion Rest Fossile Energieträger Reduktion der Emission klimawirksamer Gase Reduktion der Auslandabhängigkeit in Sachen Energieversorgung

7 Energiestrategie 2050 Ziele Reduktion des Endenergieverbrauchs von von 237 TWh (2011) auf 152 TWh (2035) bzw. 125 TWh (2050) Stabilisierung des Stromverbrauchs ab 2020 und Reduktion von 60 TWh (2011) auf 53 TWh (2050) Reduktion der jährlichen CO 2 -Emissionen von 4.8 t pro Kopf (2011 gemäss CO 2 Gesetz) auf t pro Kopf (2050) Quelle: Erläuternder Bericht zur Energiestrategie 2050 (Vernehmlassungsvorlage) vom 28. September 2012

8 Das Energiesystem Nachfrage Gebäude Erneuerung Bestand Gebäude als Kraftwerk Mobilität Antriebskonzepte Leichtbau Industrie/DL Effiziente Prozesse Transport Umwandlung Speicherung Smart Grid Lokale Energiehubs Wasserstoff Methan Batterien Bereitstellung Wasserkraft Photovoltaik Wind WKK Gas- und Dampf- Kombikraftwerk Tiefe Geothermie Biomasse

9 Das Energiesystem Nachfrage Gebäude Erneuerung Bestand Gebäude als Kraftwerk Mobilität Antriebskonzepte Leichtbau Industrie/DL Effiziente Prozesse Transport Umwandlung Speicherung Smart Grid Lokale Energiehubs Wasserstoff Methan Batterien Bereitstellung Wasserkraft Photovoltaik Wind WKK Gas- und Dampf- Kombikraftwerk Tiefe Geothermie Biomasse

10 Endenergieverbrauch nach Nutzer 2009 Industrie, Dienstleistungen, Landwirtschaft 24% Mobilität: 29% Gebäude: 47% Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszweck, 2010, BfE

11 Endenergieverbrauch nach Nutzer 2009 Industrie, Dienstleistungen, Landwirtschaft 24% Mobilität: 29% Gebäude: 47% Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszweck, 2010, BfE

12 Energieverbrauch Wohngebäude nach Baujahr Neubauten 50 kwh/m²a Mill. m 2

13 Energieverbrauch Wohngebäude nach Baujahr Neubauten Mio Gebäude kwh/m²a Mill. m 2

14 Energieverbrauch Wohngebäude nach Baujahr Neubauten 50 Ziel nachhaltige Bauerneuerung kwh/m²a Mill. m 2

15 Retrofit Advisor

16 Mehrfamilienhaus Zug, Architekt Reto Miloni Mehrfamilienhaus Zürich, Architekt Beat Kämpfen Projekt CCEM Retrofit und IEA Annex 50, Mark Zimmermann

17 Und was machen wir mit diesen Gebäuden?

18 Hochleistungsisolationsmaterialien für schützenswerte Gebäude Spritzputz auf Basis Aerogel und Kalk Wärmeleitfähigkeit < 30 mw / m K 99% mineralisch Offen für Wasserdampfdiffusion Hydrophob Schichtdicke bis 8 cm möglich Projekt CCEM SuRHib, Th. Stahl

19 ccem SuRHiB IEA ECBCS Annex 50 Sustainable Renovation of Historical Buildings Prefab Retrofit of Buildings

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22 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe

23 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Rückbau von einzelnen Gebäuden

24 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Ersatz durch Plusenergie-Gebäude (Potential klein) Bâtiment à énergie positive réalisé dans le quartier à haute densité d habitation de Matthäus à Bâle (Feldbergstrasse 4-6, bâtiment de 1896, inscrit au patrimoine, combinaison d une sur isolation thermique, d implantation de capteurs solaires thermiques et photovoltaïques et de mise en place de réservoirs saisonniers de chaleur dans l immeuble) (Prix Solaire Suisse 2009).

25 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Umfassende Erneuerung und erneuerbare Energie (Minergie A, Minergie P)

26 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Geschützte Gebäude: (saisonale) Speicherung

27 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Energiezentrale: Energieumwandlungseinheit Aufbereitung, Speicherung, Verteilung

28 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Lokale Energiequellen: Biomasse, Wind, Solar,

29 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe Integration auf Stufe Kommune Wärme/Kälte, IT, Stromnetz, Flexibilität

30 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe City scale community

31 SELBSTREGULIERENDE ENERGIESYSTEME auf Quartierstufe National Regional City scale Sub-urban Smart grid Urban

32 Endenergieverbrauch nach Nutzer 2009 Industrie, Dienstleistungen, Landwirtschaft 24% Mobilität: 29% Gebäude: 47% Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszweck, 2010, BfE

33 Wasserstoff-Hybridantriebe (hy.muve) Off-Highway-Fahrzeuge verbrauchen 15% der Treibstoffe Kommunalfahrzeug + Brennstoffzellenantrieb Emissionsfreier und lärmarmer Einsatz in sensiblen Bereichen (Fussgängerzonen, Hallen, nächtlicher Einsatz) 50-70% niedrigerer energetischer Verbrauch möglich Türöffner für Wasserstoffantriebe in der Praxis Onex-Genf

34 Das hy.muve-antriebskonzept Diesel-Hydraulik Wasserstoff-Elektro-Antrieb Diesel Motor 55 kw Antriebsräder 28 kw v,f 7 kw Sauger Zusatzaggregate: kw Bürsten, Lenkung, Bremsen Dieseltank Brennstoffzellensystem H 2 H bar 20 kw = = 12 kwh Leistungsbatterie (Li-Po) = = = = ~ ~ ~ = 28 kw 7 kw 5 kw Sauger M M <1 kw 12V Batterie Fahr- M antrieb Zus.- Klima- Hydr. anlage Dieselmotor/Hydraulikantrieb Wasserstoff-BZ/Elektroantrieb

35 Das Energiesystem Nachfrage Gebäude Erneuerung Bestand Gebäude als Kraftwerk Mobilität Antriebskonzepte Leichtbau Industrie/DL Effiziente Prozesse Transport Umwandlung Speicherung Smart Grid Lokale Energiehubs Wasserstoff Methan Batterien Bereitstellung Wasserkraft Photovoltaik Wind WKK Gas- und Dampf- Kombikraftwerk Tiefe Geothermie Biomasse

36 Bereitstellung: Photovoltaik Ziel: Stromproduktion zu wettbewerbsfähigen Preisen Lösungsansätze: Effizienzsteigerung (kwh Strom pro Fläche) Kostenreduktion (CHF pro kwh)

37 CIGS Dünnschichtzellen TCO Kontakt CdS CuInGaSe 2 Absorber Metall Kontakt Substrat Hohe Effizienz auf unterschiedlichen Substraten Sehr gute Langzeitstabilität Potential für kostengünstige Produktion 2013: = 20.4%! Dünnfilme und Photovoltaik, Ayodhya Tiwari

38 Der Schritt in die Industrialisierung

39 Solarkataster Zug

40 Das Energiesystem Nachfrage Gebäude Erneuerung Bestand Gebäude als Kraftwerk Mobilität Antriebskonzepte Leichtbau Industrie/DL Effiziente Prozesse Transport Umwandlung Speicherung Smart Grid Lokale Energiehubs Wasserstoff Methan Batterien Bereitstellung Wasserkraft Photovoltaik Wind WKK Gas- und Dampf- Kombikraftwerk Tiefe Geothermie Biomasse

41 Mega-Trend im Energiebereich Stark fluktuierende Energieströme (Sonne + Wind)

42 Mobility System controller Photovoltaics ~ = = Charging Station ~ excess electricity from Grid 60 % 40 % AC Bus Batteries + ~ = Electrolyser Comp. Hydrogen CO 2 45 % Methanisation Energy Hydrogen storage 400 bar 10 % Energy SNG Mixing- Station Hythane 25 vol% H 2 Methane storage 300 bar 45 % Energy e-mobility Fuel Cell Mobility Internal Combustion Mobility Visit Dr. Garner, June 16, 2010 Mobility Clean and Efficient

43 ZIEL: Eine nachhaltige Energieversorgung Minimale Belastung der Umwelt (Klima, Ressourcen, Wasser, Raum, ) Ökonomische Dimension Bezahlbar (Erstellung, Betrieb und Unterhalt) Ökologische Dimension Soziale Dimension Sicher und zuverlässig

44 Energiestädte und die Energiewende Lokale Energieverbünde Potentiale nutzen, die sich aus unterschiedlichen Lastprofilen ergeben Lokale Nutzung neuer erneuerbarer Energien Förderung verdichtetes Wohnen Transformation existierender Quartiere Optimierung Mobilität Eigene Fahrzeuge mit minimalen CO 2 -Emissionen Attraktive Angebote für Langsamverkehr Leistungsfähiger öffentlicher Verkehr

45 Braucht es vielleicht noch etwas anderes? M. Ghandi: «Die Welt hat genug für jedermanns Bedürfnisse, aber nicht für jedermanns Gier.» Ist Suffizienz umsetzbar? (Wohnraum, Mobilität, )