Erneuerbare Energien: Versuchsplattform ESI startet

Bis ins Jahr 2050 soll das Schweizer Energiesystem schrittweise umgebaut werden. Dabei sieht das als „Energiestrategie 2050“ erarbeitete Massnahmenpaket des Bundes einen starken Ausbau der neuen erneuerbaren Energien wie Solar- und Windenergie vor.

Leuchtturm der Energieforschung

Die Integration des dezentral und mit zeitlichen Schwankungen produzierten Stroms aus Fotovoltaik und Windenergie stellt die Stromnetze jedoch vor eine grosse Herausforderung. Mit der Energy-System-Integration-Plattform (kurz: ESI-Plattform) nimmt im Herbst eine Versuchsplattform ihren Betrieb auf, auf der vielversprechende Ansätze zum Umwandeln und Speichern von dezentralen, erneuerbaren Energien zusammengeführt werden. Die ESI-Plattform wurde heute im Rahmen der Doppeltagung „Vernetzte Energieforschung Schweiz“ den Medien und rund 150 Vertretern aus Politik, Industrie und Wissenschaft vorgestellt. „Mit der ESI-Plattform haben wir am PSI eine Einrichtung geschaffen, mit der wir demonstrieren können, wie integrale Speicherkonzepte aussehen müssen, damit eine dezentrale Energieversorgung mit erneuerbaren Energien funktionieren kann“, sagt Alexander Wokaun, Bereichsleiter Energie und Umwelt am PSI, der die Tagung eröffnet. „Mit der ESI-Plattform ist ein Leuchtturm entstanden, der einen Schlüsselaspekt der Energiestrategie 2050 sichtbar und erlebbar macht.“

Enge Zusammenarbeit mit Forschung und Industrie

Eine grosse Bedeutung komme dabei einer engen Zusammenarbeit mit Partnern aus Forschung und Industrie zu. So wurde die ESI-Plattform in Koordination mit der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) realisiert und auch die ETH Zürich ist an den Kooperationsprojekten beteiligt. Zudem stelle die ESI-Plattform einen Ausgangspunkt für die Anbahnung neuer Zusammenarbeiten des PSI mit der Industrie im Rahmen von PARK INNOVAARE dar. Der Innovationspark entsteht zurzeit in unmittelbarer Nähe des PSI. Durch enge Kooperationen zwischen dem PSI und Unternehmen sollen dort Innovationen generiert und rasch zur Marktreife gebracht werden.

Technische Machbarkeit ausloten

Im Mittelpunkt der ESI-Plattform steht die sogenannte Power-to-Gas-Technologie. Dabei werden Stromüberschüsse, die die Netze überlasten würden, zur Herstellung von Wasserstoff genutzt. Dieser kann direkt eingesetzt oder für die Produktion von Methan weiterverwendet werden. Der Strom wird also zu energiereichen Gasen umgewandelt. Der Vorteil von Wasserstoff oder Methan ist, dass die Gase lange gelagert und weit transportiert werden können. Bei Bedarf werden sie wieder in Strom oder Wärme umgewandelt. Die Gase lassen sich aber auch als Rohstoff in der Industrie nutzen oder als Treibstoff in Fahrzeugen.

Einzelne Komponenten der Power-to-Gas-Technologie sind seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung am PSI: „Bei der ESI-Plattform geht es darum, all diese bisher isoliert erforschten Bausteine erstmals in ihrem komplexen Zusammenspiel im Pilotmassstab zu untersuchen“, erklärt Peter Jansohn, Leiter Energy System Integration am PSI. Mit der Integration von Methan und Wasserstoff auf einer gemeinsamen Plattform betritt die ESI-Plattform hierbei Neuland: „Damit haben wir die Möglichkeit, vielfältige Varianten des Power-to-Gas-Konzepts durchzuspielen – das unterscheidet die ESI-Plattform von anderen Ansätzen“, unterstreicht Jansohn.

Ziel sei es, ein Anlagensystem mit einer Leistung von 100 Kilowatt auf die Grenzen des technisch Machbaren auszuloten sowie die Kosten und die Möglichkeiten der Skalierung auf eine Anlage im Megawattbereich herauszufinden. So werden die vom PSI geleiteten Kompetenzzentren zu Strom- und Wärmespeicherung (SCCER Heat and Electricity Storage) und für Bioenergie (SCCER BIOSWEET) ihre neu entwickelten Technologien auf der ESI-Plattform testen. Sie sind zwei der im Rahmen des Aktionsplans „Koordinierte Energieforschung Schweiz“ vom Bund initiierten Kompetenzzentren für Energieforschung.

Die Energieeffizienz steigern

Mit dem Durchspielen verschiedener Varianten des Power-to-Gas-Konzepts kann ausgelotet werden, welche Varianten eine besonders effiziente Energienutzung erlauben. „Wasserstoff als Energieträger ist ein wesentlicher Baustein aller Power-to-Gas-Anlagen, da er flexibel eingesetzt werden kann“, betont Thomas J. Schmidt, Leiter des Kompetenzzentrums Strom- und Wärmespeicherung. Einerseits könne er in Brennstoffzellen-Fahrzeugen zur Dekarbonisierung des Mobilitätssektors beitragen. „Andererseits kann er, wie es auf der ESI-Plattform demonstriert werden wird, direkt in Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen effizient und unter Bildung von ausschliesslich Wasser wiederverstromt werden.“

Welche Möglichkeiten eine Weiterverarbeitung zu Methan eröffnet, erläutert Science-Case-Koordinator Tilman Schildhauer: „Bis zu einer geringen Menge kann Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist werden – durch die weitere Umwandlung von Wasserstoff zu Methan kann diese Einspeisung jedoch in nahezu unbegrenzter Menge geschehen.“ Auf der ESI-Plattform wird diese sogenannte Methanisierung ebenso untersucht, wie die Quellen des dafür benötigten Kohlendioxids: Biogas-Anlagen, Holzvergaser oder Industrie-Abgase. „Insbesondere im Fall von Biogas-Anlagen ermöglicht die Methanisierung unter Wasserstoffzugabe, die Biomethan-Produktion um mehr als die Hälfte zu steigern“, so Schildhauer.

10 Jahre Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität

Der zweite Teil der Doppeltagung widmete sich dem 2006 ins Leben gerufenen Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität CCEM. Dieses Forschungsnetzwerk des ETH-Bereichs fördert technische Innovationen für eine nachhaltige Energieversorgung und für die Stärkung des Wirtschaftsplatzes Schweiz. Ergebnisse und deren Einfluss auf die aktuellen Energiethemen wurden diskutiert.

Text: Paul Scherrer Institut/Martina Gröschl

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 370 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

(Stand 05/2016)