Energie- und Umweltforschung am PSI

Die Energieforschung des Paul Scherrer Instituts konzentriert sich auf die Erforschung von Prozessen, die in nachhaltigen und sicheren Technologien für eine möglichst CO₂-freie Energieversorgung eingesetzt werden können. Die Schwerpunkte sind dabei die Entwicklung von Verfahren zur Nutzung erneuerbarer Energien, die emissionsarme Umwandlung von Energieformen sowie Arbeiten zur sicheren Anwendung der Kernenergie. Diese Aktivitäten werden ergänzt durch Analysen zur ganzheitlichen Betrachtung von Energiesystemen.

Des Weiteren betreibt das PSI Umweltforschung, bei der die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und die in ihr ablaufenden Prozesse untersucht werden. Darüber hinaus leitet das PSI das Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität CCEM des ETH-Bereichs.

Bereitstellung von nachhaltigen Energieträgern

PSI-Forschende arbeiten an einer Reihe von Verfahren, Treib- oder Brennstoffe für eine CO₂-freie Energienutzung zu erzeugen. Ein Weg dabei ist, die Brennstoffe in entsprechenden chemischen Reaktionen mit Hilfe von hoch konzentrierter Sonnenstrahlung zu erzeugen. Die Forschenden befassen sich vor allem damit, effiziente Solarreaktoren zu entwickeln, in denen unter den extremen Bedingungen konzentrierter Sonneneinstrahlung Prozesse stattfinden können, mit denen indirekt Wasserstoff erzeugt werden kann.

Ein anderer Weg zur CO₂-neutralen Erzeugung von Energieträgern ist die Nutzung von Biomasse – wie etwa Holz, Gülle oder Klärschlamm. Die PSI-Forschenden entwickeln Verfahren, mit denen aus Biomasse Brennstoffe wie etwa synthetisches Erdgas erzeugt werden können, und arbeiten daran, diese Verfahren für die Nutzung im grossen Massstab anzupassen. Die Nutzung von Biomasse ist CO₂-neutral, weil das CO₂, das bei der Verbrennung des Brennstoffs entsteht, in der nachwachsenden Biomasse gebunden wird.

Beispiel zum Thema Erzeugung von nachhaltigen Energieträgern: synthetisches Erdgas aus Holz.

Effiziente Umwandlung von Energieträgern in Nutzenergie

Die Effizienz des Energiesystems als Ganzes kann durch den Einsatz von Speichern erhöht werden – vor allem wenn das Energiesystem grössere Anteile von nachhaltigen Primärenergien enthält, wie Wind und Sonne, die nicht jederzeit zur Verfügung stehen. Der Schwerpunkt des PSI liegt hier auf der Charakterisierung und Entwicklung von Materialien, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien. Diese werden in zukünftigen Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen eine wesentliche Rolle spielen. Entscheidendes Forschungsziel ist eine hohe Energie- und Leistungsdichte.

Die Brennstoffzelle ist ein Aggregat, das Wasserstoff und Sauerstoff in Elektrizität umwandelt und dabei als einziges “Abfallprodukt” Wasser erzeugt. Der grosse Vorteil ist ein hoher Wirkungsgrad, das heisst der Energiegehalt des Wasserstoffs kann mit Ausbeuten von 40 bis zu 60 Prozent in Strom umgewandelt werden. Im Vergleich zum Verbrennungsmotor ist das durchschnittlich ein dreimal höherer Wirkungsgrad und bedeutet damit einen dreifach geringeren Energieverbrauch. Die Kooperation zur Entwicklung der Schweizer Brennstoffzelle, die das PSI mit der Firma Belenos Clean Power AG eingegangen ist, sieht den Ersatz der fossilen Treibstoffe Benzin und Diesel durch Wasserstoff vor, der mit Sonnenenergie hergestellt worden ist. Das Endprodukt soll ein marktfähiges Brennstoffzellenauto sein, das im Betrieb kein CO₂ erzeugt.

Beispiel zum Thema Brennstoffzellen: Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff

Sichere Nutzung der Kernenergie

Ein wichtiges Thema der Energieforschung am PSI sind Arbeiten zur sicheren Nutzung der Kernenergie. Ein Schwerpunkt der Forschung ist dabei, die Vorgänge in vorhandenen und zukünftigen Kernkraftwerken noch besser zu verstehen, um so zu deren sicherem Betrieb beizutragen. So untersuchen die PSI-Forschenden die integralen Prozesse beim Betrieb eines Reaktors, analysieren die detaillierten Vorgänge in den Brennstäben, betrachten die Wasserströme im Kreislauf oder erforschen die Veränderungen in Materialien, die in Kernkraftwerken über lange Zeit starker Strahlung ausgesetzt sind. Diese Untersuchungen erfolgen einerseits mittels grosser Experimenter, andererseits aber auch vermehrt mittels Computersimulationen.

Beispiel zur Erforschung von zuverlässigen Materialien für Kernreaktoren

Sichere Entsorgung von radioaktiven Abfällen

Ein weiterer Aspekt der Nutzung der Kernenergie, der am PSI erforscht wird, ist die sichere Endlagerung radioaktiven Abfalls. Ziel der Arbeiten auf diesem Gebiet ist, zu bestimmen, wie gut unterschiedliche geologische Formationen geeignet sind, radioaktiven Abfall über lange Zeiträume sicher zu verwahren. Dabei befassen sich die Forschenden sowohl mit allgemeinen Fragestellungen als auch der Untersuchung spezifisch schweizerischer Gegebenheiten.

Beispiel zur sicheren Endlagerung: Untersuchung spezifisch schweizerischer Gegebenheiten

Ganzheitliche Bewertung von Energiesystemen

Über Untersuchungen zu einzelnen Energietechnologien hinaus, widmen sich Forschende des PSI auch der ganzheitlichen Betrachtung und dem Vergleich von nuklearen, fossilen und erneuerbaren Energiesystemen: So analysieren sie die Strukturen und Auswirkungen nationaler und internationaler Energiesysteme, um die Zusammenhänge zwischen Energie, Wirtschaft, Umwelt und Technik besser zu verstehen oder sie untersuchen verschiedene Optionen für die Energieversorgung. Die dabei gewonnenen Indikatoren sollen – als einer von zahlreichen Aspekten – Energieunternehmen, Regierungen und nicht staatliche Organisationen bei der Entscheidungsfindung unterstützen, z. B. wenn es darum geht, den richtigen Energiemix der Zukunft zu finden. Weitere Themen sind Sicherheitsanalysen sowie die Untersuchung des Einflussfaktors von menschlichem Handeln im Energiesystem.

Beispiel zum Thema Strukturen und Auswirkungen nationaler und internationaler Energiesysteme: nationale Klimaziele Schweiz

Auswirkungen der Energienutzung auf Atmosphäre und Klima

Die Umweltforschung am PSI befasst sich vorrangig mit der Zusammensetzung der Atmosphäre und den Prozessen, die diese Zusammensetzung bestimmen. Dabei wird z. B. die Atmosphäre in den Alpen (auf dem Jungfraujoch) untersucht, wobei insbesondere der menschliche Einfluss auf die Atmosphärenzusammensetzung erforscht wird. Ein anderes Beispiel sind Eisbohrkerne aus verschiedenen Weltgegenden, mit denen man die Atmosphärenzusammensetzung über länger zurückliegende Zeiträume bestimmen kann – Informationen, die zum Teil wesentliche Rückschlüsse auf Klimaentwicklungen in der Vergangenheit erlauben. Ein drittes Schwerpunktthema ist die Entstehung von Feinstaub, dessen Grenzwert vor allem in den Wintermonaten immer wieder überschritten wird.

Beispiel zur Atmosphärenforschung am PSI: Gefrorenes Klimagedächtnis