Grundlagen für das Energiesystem von morgen

Das heutige Energiesystem der Schweiz basiert zum einen auf dem Import von fossilen Energieträgern wie Gas, Benzin und Erdöl, zum anderen auf relativ wenigen, grossen Nuklear- und Wasserkraftwerken. Der von diesen Kraftwerken erzeugte Strom gelangt über das Übertragungs- und Verteilnetz zu den Verbraucherinnen und Verbrauchern. Speicherseen, Pumpspeicher und der Stromhandel mit anderen Ländern gleichen Nutzungsschwankungen, zum Beispiel zwischen Tag und Nacht, aus.

Dieses System dürfte sich in den nächsten Jahrzehnten grundlegend verändern. Das 2018 in Kraft getretene Energiegesetz sieht vor, dass die Schweiz schrittweise auf nukleare Energie verzichtet und vermehrt erneuerbare Energiequellen nutzt. Weiter sollen Gebäude, die Industrie und die Mobilität energieeffizienter werden. Der Netto-CO₂-Ausstoss soll im Jahr 2050 bei null liegen. Das könnte den Stromverbrauch zusätzlich erhöhen, etwa durch die vermehrte Nutzung von Elektrofahrzeugen oder Wärmepumpen.

Eine Herausforderung besteht darin, den Anteil der Nuklearenergie am Schweizer Strommix (heute rund 35 Prozent) durch erneuerbare Energie zu decken. Eine grosse Rolle wird dabei die Fotovoltaik spielen, eine vergleichsweise geringere Rolle die Windkraft. Beides sind volatile Energiequellen, weil sie saisonal und je nach Wetter unterschiedlich viel Leistung produzieren.

Um Produktion und Nachfrage in Einklang zu bringen, sind Technologien gefragt, die Energieformen umwandeln, effizient speichern und dann in der benötigten Form wieder bereitstellen können. So könnte mit der überschüssigen Solarenergie vom Sommer der erhöhte Bedarf im Winter gedeckt werden. Mit flexiblen Umwandlungs- und Speichertechnologien, gepaart mit digitalen Lösungen, wären vermehrt sogenannte Sektorkopplungen möglich. Zum Beispiel könnte dann mit günstig verfügbarem Strom aus Fotovoltaikanlagen Wasserstoff hergestellt werden, um Lastwagen zu betanken. Das Stromnetz der Zukunft wird dezentraler, flexibler und vernetzter.

Ein Ökosystem für die Energieforschung

Dasselbe muss für die Forschung gelten, die die Grundlagen dafür liefert. «Wer eine einzelne Technologie isoliert erforscht, kann nur eine beschränkte Aussage treffen», meint John Lygeros, Professor am Institut für Automatik der ETH Zürich. «Es braucht bereits in der Forschung ein vernetztes Ökosystem, um alle möglichen Technologien im Wechselspiel miteinander zu testen.»

Lygeros leitet eines der zehn Forschungsprojekte unter dem Dach der Plattform ReMaP («Renewable Management and Real-Time Control Platform»), die teilweise vom Bundesamt für Energie unterstützt wird und  im Juni 2019 von der ETH Zürich, der Empa und dem Paul Scherrer Institut PSI der Öffentlichkeit vorgestellt worden ist. Die Institutionen verfügen über eine grosse Bandbreite an Forschungsinfrastrukturen, die im Rahmen des ReMaP-Projekts verbunden und erweitert werden. Diese Infrastrukturen umfassen heute die Plattformen ESI des PSI sowie ehub der Empa.

«Das Ziel der ESI-Plattform ist es, möglichst viel Biomasse für das Energiesystem zu erschliessen sowie grosse Energiemengen aus der Elektrizität effizient und flexibel speicherbar zu machen», erklärt Marcel Hofer, Projektmanager und Koordinator des ESI-Projekts am PSI. «Diese Energie kann dann bei Bedarf in geeigneter Form wieder bereitgestellt werden.» Dieses System soll zur Lösung grosser Herausforderungen im zukünftigen Energiesystem beitragen, dazu gehören die saisonale Speicherung und die Sektorkopplung.

ehub wiederum bietet die Möglichkeit, Energieflüsse in den Wohn-, Arbeits- und Mobilitätssektoren zu untersuchen. Es nutzt die Demonstratoren NEST – ein ständig belebtes «vertikales Quartier» für nachhaltiges Bauen – sowie move, eine Tankstelle für Treibstoffe aus erneuerbarer Energie.

Das Herzstück von ReMaP bilden das Control Framework und das Simulation Framework. Sie ermöglichen den Nutzerinnen und Nutzern, für ihre Experimente beliebig physische Geräte von verschiedenen Standorten sowie digitale Modelle von Geräten in Echtzeit miteinander zu verknüpfen und deren Wechselwirkungen zu untersuchen. Die Daten aus den Versuchen gelangen in eine zentrale Datenbank. An der Erarbeitung der nötigen Software sind zusätzlich zwei Industriepartner beteiligt: Die Firma smart grid solutions und das ETH-Spin-off Adaptricity. Andreas Haselbacher, Dozent am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich und Leiter des ReMaP-Projekts, sagt: «Momentan gibt es weltweit keine vergleichbaren Forschungsplattformen, die es ermöglichen, diverse Energiesysteme auf Quartierebene sowohl hardware- wie auch softwareseitig zu verstehen.»

Flexibilität als Hauptziel

John Lygeros und seine Doktorandin Marta Fochesato können zum Beispiel von der ETH aus sowohl einen Elektrolyseur am Paul Scherrer Institut als auch eine Wasserstofftankstelle an der Empa nutzen. Im Elektrolyseur wird Strom dazu genutzt, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Die beiden wollen die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff optimieren.

Sie untersuchen unter anderem, wie man einen bestimmten Bedarf an Wasserstoff am kostengünstigsten decken kann. Anhand des Wirkungsgrades, der thermischen Dynamik und dem Regelverhalten des Elektrolyseurs entwickelten sie einen optimalen digitalen Regler, also einen Algorithmus, der jede Minute anhand des aktuellen Strompreises entscheidet, mit welcher Leistung der Elektrolyseur laufen soll. Ist der Strom teuer, wird der Wasserstoff nur hergestellt, wenn ein akuter Bedarf herrscht – wenn also zum Beispiel ein Auto mit Wasserstoff zu tanken ist. Ist er günstig, stellt das Gerät Wasserstoff auf Vorrat her. Die Stromkosten sind so tiefer, als wenn der Elektrolyseur immer nur auf Bedarf reagieren würde.

Entscheidend am Experiment ist es, die flexible Umwandlung und Speicherung von Energie so effizient wie möglich zu machen – um schliesslich einen wichtigen Beitrag zum bisher ungelösten Problem der wirtschaftlichen saisonalen Speicherung von Solar- oder Windenergie zu leisten. «Infrastruktur verschiedener Institutionen in dasselbe Experiment einzubinden, ist anspruchsvoll. ReMaP ist darin einzigartig, dass es eine solche Zusammenarbeit wie hier zwischen ETH, Empa und PSI in dieser Grössenordnung ermöglicht», sagt Lygeros.

Ein anderes ReMaP-Projekt konzentriert sich auf Blockheizkraftwerke. Diese bestehen oft aus einem Verbrennungsmotor und einem Generator, der Elektrizität erzeugt. Diese kann bei einem Überschuss zurück ins System gespeist werden. Die Abwärme aus der Verbrennung wird zum Beispiel eingesetzt, um Gebäude zu heizen. Diese Wärme stünde bei bis zu 750 Grad Celsius zur Verfügung. Um ein Gebäude zu heizen, wird sie aber bei rund 80 Grad Celsius genutzt, wodurch ein beträchtliches Nutzungspotenzial verloren geht, denn eine höhere Temperatur kann flexibler und effektiver genutzt werden.

Konstantinos Boulouchos und Christian Schürch von der Professur für Aerothermochemie der ETH Zürich verfolgen den Ansatz, mit einem Teil der Abwärme anstatt zu heizen, eine chemische Reaktion in einem Dampfreformer anzutreiben und sogenanntes Synthesegas, eine Mischung aus Wasserstoff, Methan und Kohlenstoffdioxid, herzustellen. So sinkt zwar die Heizleistung des Blockheizkraftwerks, aber das Kraftwerk erzeugt damit eine höherwertige und flexibler einsetzbare Energieform: Das Synthesegas ist ein saisonal speicherbarer Energieträger.

Die beiden Forscher suchen nun nach dem besten Betriebskonzept für solche Kraftwerke. Das für das Experiment verwendete Blockheizkraftwerk steht im ML-Gebäude auf dem Campus Zentrum der ETH Zürich, ist aber im Empa-Netzwerk eingebunden – alle Daten werden dort verarbeitet. «Aufbauend auf der ehub-Plattform der Empa können wir für ReMaP weitere Komponenten an unterschiedlichen Standorten einbinden und so verteilte Systeme integrativ und vernetzt betrachten», sagt Philipp Heer, Leiter des ehub an der Empa.

Offen für weitere Partner

ReMaP befindet sich weiter im Aufbau. Diese Experimente zeigen, dass dereinst auch weitere physische Systeme wie Biogasanlagen oder Wasserkraftwerke in die Plattform integriert werden könnten, auch wenn sie an keinem der drei Standorte stehen. Projektleiter Andreas Haselbacher richtet den Blick in die Zukunft: «Wir sind sehr daran interessiert, weitere Partner einzubinden – seien es Universitäten, Hochschulen oder Akteure aus der Industrie.»

Der erklärte Zweck von ReMaP ist nämlich nicht nur Forschung und Entwicklung, sondern auch Bildung und Kommunikation: Die Plattform soll dabei helfen, die nächste Generation von Forschenden und Fachkräften auszubilden und gleichzeitig der breiten Gesellschaft sowie Entscheidungsträgern aus Politik und Wirtschaft Einblicke in das Energiesystem der Zukunft zu bieten. Detlef Günther, Vizepräsident Forschung der ETH Zürich, zeigt sich erfreut: «Um in der Forschung schneller voranzuschreiten und schliesslich die Energiewende zu schaffen, müssen wir vernetzt und interdisziplinär arbeiten und die Industrie genauso einbinden wie die Politik und die Öffentlichkeit. ReMaP ist ein gutes Beispiel dafür, wie der ETH-Bereich bei diesen Themen vorangeht.»

Text: Erstellt auf der Grundlage einer Medienmitteilung der ETH Zürich mit Ergänzungen des Paul Scherrer Instituts