Energie und Klima
Die Energieforschung am PSI konzentriert sich auf Prozesse, die in nachhaltigen und sicheren Technologien für eine möglichst CO2-freie Energieversorgung eingesetzt werden können. Wichtiger Schwerpunkt sind erneuerbare Energien. Auf der Versuchsplattform ESI (Energy System Integration) können Forschung und Industrie Lösungsansätze zur Einbindung erneuerbarer Energien in das Energiesystem testen. Ein weiterer Schwerpunkt des Bereichs ist die sichere Anwendung von Kernenergie. Diese Aktivitäten werden ergänzt durch Analysen zur ganzheitlichen Betrachtung von Energiesystemen. In der Klima- und Umweltforschung werden chemische Prozesse in der Atmosphäre untersucht.
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Zukünftige Computerchips mit "elektronischem Blutkreislauf"
Im Rahmen des Sinergia-Programms fördert der Schweizerische Nationalfonds das dreijährige Forschungsvorhaben REPCOOL. Unter der Leitung von IBM Research à Zürich arbeiten in diesem Projekt Wissenschaftler der ETH Zürich, des Paul Scherrer Instituts in Villigen und der Università della Svizzera italiana in Lugano gemeinsam an der Erforschung eines elektronischen Blutkreislaufs für zukünftige 3D-Computerchips. Vom menschlichen Gehirn inspiriert, entwickeln die Forscher ein Mikrokanalsystem mit einer elektrochemischen Flussbatterie, die 3D-Chipstapel gleichzeitig kühlen und mit Energie versorgen. Ultimatives Ziel ist die Entwicklung eines Supercomputers in PC-Grösse.
Ein Blick in die Zukunft der globalen Energieversorgung
Wie wird sich die Welt im Jahr 2050 mit Energie versorgen und was werden die ökonomischen, ökologischen und sozialen Folgen verschiedener Entwicklungsziele und politischer Rahmenbedingungen sein? Diese Fragen beantworten Forscher des Paul Scherrer Institus PSI in Zusammenarbeit mit dem Weltenergierat WEC durch eine Untersuchung von zwei Szenarien, einem eher marktwirtschftlich und einem eher regulatorisch orientierten. Die Ergebnisse der nun abgeschlossenen Untersuchung werden vom 13. bis 17. Oktober am World Energy Congress des WEC in der südkoreanischen Stadt Daegu präsentiert werden
Partikelbildung in der Atmosphäre
Wolken bestehen aus Wolkentröpfchen, die sich aus winzigen Partikeln bilden, die in der Atmosphäre schweben. Wie diese Partikel entstehen, ist in grossen Teilen noch nicht verstanden. Nun gelang erstmals die Beschreibung der Partikelbildung aus Aminen und Schwefelsäure. Ein Meilenstein in der Atmosphärenforschung.
Computersimulationen: wichtige Stütze für die KKW-Sicherheit
Ohne Computersimulationen wäre der Betrieb von Kernkraftwerken kaum möglich. Ob es um den Einbau neuer Komponenten oder um Tests und Versuche zur Wahrung der Sicherheit geht, fast alles muss vorher am Computer im Voraus berechnet und analysiert werden. Im Labor für Reaktorphysik und Systemverhalten des Paul Scherrer Instituts PSI werden dafür Rechenmodelle und Computerprogramme entwickelt. Die PSI-Forscher fungieren damit als unabhängige Forschungspartner der Aufsichtsbehörde, des Eidgenössischen Nuklearsicherheitsinspektorats ENSI, und leisten so einen wichtigen Beitrag zur Gewährleistung der Sicherheit von schweizerischen Kernkraftwerken.
Eine runde Sache für weniger nuklearen Abfall
Bereits in den 1960er Jahren entstand die Idee, die Brennstoffe für Kernkraftwerke in Form von dicht gepackten Kugeln statt der heutigen üblichen Pellets herzustellen. Man versprach sich davon eine Vereinfachung der Brennstoffherstellung sowie eine deutliche Verminderung der radioaktiven Abfallmenge sowohl bei der Herstellung des Brennstoffs selbst als auch nach dessen Nutzung in einem Kernkraftwerk. Der kugelförmige Brennstoff kam jedoch nie zum Einsatz, weil sich die schnellen Reaktoren, für die er vorgesehen war, nicht durchsetzen konnten. Auch das Paul Scherrer Institut PSI trug in der Vergangenheit zur Erforschung des kugelförmigen Kernbrennstoffes bei. Zurzeit laufen am PSI wieder mehrere, zum Teil EU-finanzierte Projekte, um die Herstellung der Brennstoffkügelchen weiter zu verfeinern. Zum Einsatz kommen könnte diese Art von Brennstoff entweder in speziellen Anlagen zur Reduktion von radioaktivem Abfall (sogenannten ADS-Anlagen) oder in schnellen Reaktoren der vierten Generation, die in einem geschlossenen Zyklus ebenfalls weniger langlebigen Abfall produzieren.
Rekonstruktion des Nuklearunfalls von Fukushima
Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI beteiligen sich zurzeit an einem internationalen Projekt mit dem Ziel, die Vorgänge zu rekonstruieren, die sich beim Nuklearunfall vom März 2011 im Inneren der Reaktoren des japanischen Kernkraftwerks Fukushima Daiichi ereigneten. Insbesondere die Rekonstruktion des Endzustandes der Reaktorkerne soll dem Betreiber des havarierten Werkes, der Tokyo Electricity Company TEPCO dabei helfen, die Dekontaminierungsarbeiten in der Reaktorschutzhülle vorzubereiten. Zudem soll die Übung auch zur weiteren Verfeinerung der Computerprogramme beitragen, mit deren Hilfe Nuklearunfälle simuliert werden.
Fünfmal weniger Platin: Brennstoffzellen könnten dank neuem Aerogel-Katalysator wirtschaftlich attraktiver werden
Wasserstoff-Brennstoffzellen haben das Potenzial, die individuelle Mobilität in eine umweltfreundliche Zukunft zu führen. Das Paul Scherrer Institut PSI erforscht und entwickelt seit mehr als 10 Jahren solche Brennstoffzellen. Erste Praxistests haben deren erfolgreichen Einsatz in Autos und Bussen demonstriert. Weitere Forschung bleibt jedoch nötig, um ihre Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit zu verbessern. Ein internationales Forscherteam mit PSI-Beteiligung hat nun ein neues Nanomaterial hergestellt und charakterisiert, das Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit dieser Brennstoffzellen um ein Vielfaches erhöhen könnte - bei gleichzeitiger Senkung der Materialkosten.
Wie Radionuklide durchs Gestein irren: Erkenntnisse für ein Tiefenlager
Wie bewegen sich radioaktive Substanzen durch das Wirtsgestein in einem Tiefenlager für nukleare Abfälle? Dieser Frage gehen Forscher der Gruppe für Diffusionsprozesse im Labor für Endlagersicherheit am Paul Scherrer Institut PSI nach. Recht gut bekannt sind die Transporteigenschaften von negativ geladenen Radionukliden, die von den ebenfalls negativ geladenen Oberflächen von Tonmineralien abgestossen werden und somit kaum am Gestein haften. Für positiv geladene und daher stark haftende Radionuklide werden derzeit die entsprechenden Erkenntnisse im Rahmen eines EU-Projekts erarbeitet, an dem sich auch das PSI beteiligt.
Wissen für morgen aus den „heissen Zellen“
Die Manipulation und Untersuchung von bestrahlten und daher radioaktiven Materialien, sei es aus Kernkraftwerken oder aus Forschungsanlagen, erfordert strenge Sicherheitsvorkehrungen. Untersuchungen dürfen nur in sogenannten heissen Zellen durchgeführt werden, hinter deren bis zu einem Meter dicken Beton- und Bleiwänden die Radioaktivität hermetisch eingeschlossen und abgeschirmt wird. In den heissen Zellen des Hotlabors am PSI werden regelmässig die abgebrannten Brennstäbe aus den Schweizer Kernkraftwerken materialwissenschaftlich untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen den KKW-Betreibern, die Effizienz und Sicherheit ihrer Kraftwerke zu optimieren. Neben dieser Dienstleistung für die Kernkraftwerke beteiligt sich das Hotlabor an internationalen Forschungsprojekten.
Kein Tröpfchen zuviel
In vielen technischen Prozessen spielt die Bereitstellung eines mit Dampf gesättigten Gasgemisches eine entscheidende Rolle. So werden zum Beispiel durch eine hohe Dampfsättigung der Gasmischung bei der Dieselverbrennung die Emissionen von Stickoxiden reduziert. Ein Forscher des Paul Scherrer Instituts sorgt mit einer neuen Erfindung dafür, dass dies in Zukunft durch eine einfache, flexible und robuste Technik industriell umgesetzt werden kann.
Schnelle Neutronen für mehr Sicherheit
Neutronen sind ein hervorragendes Mittel zur zerstörungsfreien Abbildung des Innern von Gegenständen. Sie bieten sich als Ergänzung zur vorherrschenden Röntgenradiografie an. Bei bestimmten Materialien, die unter Röntgenstrahlung praktisch undurchsichtig sind oder kaum unterscheidbar sind, stellen Neutronen das einzige aussagekräftige Sezierwerkzeug dar. Untersuchungen mittels Neutronenradiographie finden in der Regel in spezialisierten Laboren oder auf ortsfesten Anlagen statt, da die Erzeugung der Neutronen auf komplexe, teure und nicht transportierbare Maschinen angewiesen ist. Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI wollen nun mit einer Bildgebungstechnik auf der Basis von schnellen Neutronen eine flexible Alternative anbieten.
ecoinvent – weltweit führende Datenbank für Ökobilanzen lanciert Version 3.0
Die Ökoinventar-Datenbank ecoinvent bildet die Basis für Ökobilanzierungsprojekte, Öko-Design oder Produkt-Umweltinformationen. Unternehmen, Politiker und Konsume nten haben seit 2003 dank ecoinvent die Möglichkeit, ihre Produkte mehr im Einklang mit der Umwelt herzustellen, neue Politiken umzusetzen oder ihr Konsumverhalten ökologischer zu gestalten. Die neue Version 3.0 ist ein weiterer Meilenstein in der Ökobilanzierung: Neue und aktualisierte Daten, zum Beispiel in den Bereichen chemische Produktion, Lebensmittel und Gemüse sowie Elektrizität, bieten den Nutzern von ecoinvent mehr Anwendungsmöglichkeiten.
Kehrichtverbrennung: Der Reinheit letzter Schluss?
Haushaltskehricht landete früher ausnahmslos unbehandelt in Deponien, die Auswirkungen dieser Praxis sind bekannt: der Standort dieser Abfall-Endlager wurde nicht selten zur ökologischen Todeszone. Mit der städtischen Kehrichtverbrennung kam eine gewisse Entschärfung dieser Problematik: Die von Deponien beanspruchten Flächen sind in den letzten Jahrzehnten trotz der insgesamt zunehmenden Abfallmengen nur dank Recycling und Abfallverbrennung in Schranken gehalten worden. Doch ein Allheilmittel ist die Abfallverbrennung noch lange nicht. Einige für die menschliche Gesundheit und die Umwelt schädliche Verbrennungsprodukte können nicht vollständig verbrannt werden und finden immer noch den Weg über die Kehrichtverbrennungsanlagen in die Endstation Deponie.
Die Luft in der Pariser Megacity: besser als ihr Ruf
Megacities werden in der Öffentlichkeit oft als grosse Luftverschmutzer à auch ihres Umlands- wahrgenommen. Jüngste Studien aber stellen den Millionenstädten kein so schlechtes Umweltzeugnis aus. Ein internationales Forscherteam mit Beteiligung des Paul Scherrer Instituts PSI bestätigt nun anhand von Aerosolmessungen in Paris, dass sogenannte postindustrielle Metropolen die Luftqualität ihrer nahen Umgebung weit weniger beeinflussen als man denken mag.
Ein hauchdünner Speicher aus Kohlenstoff
Für die Entdeckung und Charakterisierung des Wundermaterials Graphen à eine genau 1 Atom dünne Schicht aus Kohlenstoff à erhielten zwei russischstämmige Physiker im Jahr 2010 den Nobelpreis und viel Medienrummel. Seit der ersten Isolierung von Graphen stürzten sich deshalb weltweit Wissenschaftler auf die Suche nach Anwendungen. Forscher am Paul Scherrer Institut PSI haben nun die Grundlagen für einen Graphen-basierten Superkondensator erarbeitet. Mit dessen Hilfe liesse sich etwa die Lebensdauer von Batterien in Hybridautos deutlich verlängern.
Memory-Effekt nun auch bei Lithiumionen-Batterien nachgewiesen
Lithiumionen-Batterien dienen als leistungsstarke Energiespeicher in vielen kommerziellen Elektronikgeräten. Sie können viel Energie auf kleinem Raum und bei relativ geringem Gewicht fassen, so viel steht fest. Zudem eilt ihnen der gute Ruf voraus, keinen Memory-Effekt aufzuweisen. Darunter verstehen Fachleute eine Abweichung der Arbeitsspannung der Batterie, die bei unvollständigem Laden bzw. Entladen auftritt und dazu führen kann, dass die gespeicherte Energie nur teilweise nutzbar und der Ladezustand der Batterie nicht zuverlässig abzuschätzen ist. Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun, zusammen mit Kollegen des Toyota-Forschungslabors in Japan, bei einem weit verbreiteten Typ der Lithiumionen-Batterie doch einen Memory-Effekt entdeckt. Besonders hohe Relevanz besitzt der Fund im Hinblick auf den bevorstehenden Einzug der Lithiumionen-Batterien in den Elektromobilitätsmarkt. Die Arbeit erschien heute in der Fachzeitschrift Nature Materials
Der goldene Weg, schädliche Abgase im Auspuff zu ersticken
Abgase aus der Dieselverbrennung werden mit Hilfe einer wässrigen Lösung aus Harnstoff von schädlichen Stickstoffoxiden befreit. Das ist der Stand der Technik. Der Harnstoff zerfällt dabei zu Ammoniak und dieser wiederum reduziert die Stickoxide zu harmlosem Stickstoff. Die Harnstofflösung kann jedoch unerwünschte feste Rückstände bilden und zudem bei strenger Kälte gefrieren. Nun haben Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI einen Katalysator entwickelt, mit dem bessere Reduktionsmittel als Harnstoff für die Stickoxidverminderung genutzt werden können.
Von Methan zu Methanol- oder wie man die Fackeln der Verschwendung löscht
In aus dem Weltraum aufgenommenen Nachtfotos sind die grossen Metropolen der Erde an der Flut ihrer öffentlichen Beleuchtung leicht zu erkennen. Wohl nur das geübte Auge kann da jedoch nebst New York oder Tokyo auch den Standort mancher Erdölförderbrunnen ausmachen. Das Licht stammt in diesem Fall primär aus der Verbrennung von Methan. Diese Verschwendung eines energiereichen Gases hat gravierende ökonomische und ökologische Folgen. PSI-Forschende sind auf der Suche nach einer Lösung: die Umwandlung von Methan zum flüssigen Energieträger Methanol
Szenarien für den Umbau des Schweizer Stromsystems
Mit ihrem eigens für den Schweizer Stromsektor angepassten Modell STEM-E haben Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI verschiedene Szenarien der zukünftigen Schweizer Stromversorgung analysiert. Sie kommen zu dem Schluss, dass jede Alternative zur heutigen Stromversorgung mit zusätzlichen Systemkosten, mit Risiken und Chancen verbunden sein wird. Auch Nachaltigkeitsziele wie der Klimaschutz und die Unabhängigkeit vom Ausland bei der Stromversorgung der Schweiz könnten Abstriche erleiden. Zudem deutet die Analyse der PSI-Wissenschaftler darauf hin, dass die Stromerzeugungskosten bis 2050 wahrscheinlich um mindestens 50 Prozent steigen werden.
Eine neue Generation von Lithium-Batterien rückt der industriellen Umsetzung näher
Lithiumionen-Batterien stellen heute eine der besten Technologien für elektrochemische Energiespeicherung dar. Sie weisen eine hohe Energiedichte bzw. spezifische Energie auf und eine genügend lange Lebensdauer für den Einsatz in Mikroelektronikgeräten und Autos. Der kommerzielle Aufstieg der Li-Ionen-Batterien in den letzten zwei Jahrzehnten ist eindrücklich. Doch Verbesserungen sind immer noch möglich, und daran arbeiten auch Forscher am Paul Scherrer Institut PSI. Gleichwohl ist das Potenzial der Li-Ionen-Batterie chemisch begrenzt: Eine noch höhere Energiedichte, kritisch vor allem für die Elektromobilität , wird nur durch den Einsatz anderer, neuer Batterietypen erreichbar sein.