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31. Mai 2018

Energieforschung

Starke Förderung durch öffentliche Hand

Seit Fukushima hat die öffentliche Hand stark in die Energieforschung investiert. Die Budgets verschiedenster Förderinstrumente wurden erhöht, Kompetenzzentren aufgebaut und Nationale Forschungsprogramme lanciert. Wie sieht die Förderlandschaft der Schweiz heute aus, und welche Rolle nimmt das Bundesamt für Energie darin ein?
Rolf Schmitz, Sandra Hermle, Stefan Oberholzer, Stephan Renz, 

 

FORSCHUNG ALS TEIL DER ENERGIESTRATEGIE 2050

Nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima am 11. März 2011 haben sich Bundesrat und Parlament für den Ausstieg aus der Kernenergie entschieden. Das Bundesamt für Enerergie BFE wurde beauftragt, eine entsprechende Energiestrategie mit Zeithorizont 2050 zu erarbeiten. Mit dieser Strategie setzt sich die Schweiz ehrgeizige Richtwerte bezüglich Energieeffizienz. Daneben soll die Produktion von Strom aus erneuerbaren Quellen stark erhöht werden, um den wegfallenden Nuklearstrom längerfristig zu ersetzen. Eine systembetrachtende Studie zeigt, dass die Versorgungssicherheit der Schweiz trotz dieses Umbaus gewährleistet ist. Die Integration in den europäischen Strommarkt spielt dabei wie bisher eine wichtige Rolle [1].

Die Energieforschung war von Anfang an integraler Bestandteil der Energiestrategie. Im Bewusstsein, dass die Forschung möglichst schnell Resultate liefern muss, wurde dem Parlament bereits Anfang 2013 ein Aktionsplan [2] vorgelegt, mit dem der Aufbau von acht Kompetenzzentren, sogenannten Swiss Competence Centers in Energy Research (SCCER) vorangetrieben werden sollte (s. Box). Für eine erste Phase von 2013‒2016 hat das Parlament dafür 72 Millionen Franken gesprochen. In der zweiten Phase 2017–2020 stehen weitere 120 Millionen Franken zur Verfügung. Diese Finanzmittel sind ausschliesslich für den personellen Kapazitätsaufbau und für die Koordination der Aktivitäten zwischen den SCCER reserviert. Vorgegeben war der Aufbau von 552 zusätzlichen Vollzeitstellen bis Ende 2016. Tatsächlich wurden bis Ende 2016 786 neue Stellen geschaffen. Heute sind über 1200 Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen in den SCCER aktiv und in über 500 Forschungsprojekten engagiert.

Neben diesem Kompetenzaufbau hat die öffentliche Hand aber auch die Projektförderung wesentlich verstärkt. Zwischen 2013 und 2016 standen der Innosuisse zusätzliche 46 Millionen Franken für Forschungsprojekte im Energiebereich zur Verfügung und zwischen 2017 und 2020 weitere 19 Millionen Franken. Darüber hinaus wurden 2014 durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF) zwei Nationale Forschungsprogramme (NFP) zu den Themen «Energiewende» und «Beeinflussung des Energieverbrauchs» mit einem Gesamtvolumen von 45 Millionen Franken ausgeschrieben. Ab 2013 wurden die Mittel für Pilot- und Demonstrationsprojekte des Bundesamts für Energie BFE schrittweise von 5 auf 25 Mio. Franken erhöht und mit zusätzlichen Mitteln bis 2020 für Leuchtturmprojekte ergänzt. Die Ausgaben der öffentlichen Hand für Energieforschung sind also seit Fukushima von rund 250 Millionen auf beinahe 400 Millionen Franken pro Jahr angestiegen.

BFE ALS ZENTRALE FÖRDERSTELLE

Mit den SCCER hat sich die Forschungslandschaft der Schweiz in den letzten Jahren stark verändert. Neben den Universitäten, dem ETH-Bereich und den Fachhochschulen haben sich mit den Kompetenzzentren neue Wissenskonsortien etabliert. Entlang der Innovationskette decken diese den Bereich der anwendungsorientierten Forschung interdisziplinär ab, den das BFE mit seinen Förderinstrumenten bedient. In diesem Bereich ist das BFE eine der wichtigsten Förderinstitutionen. Forschungsförderung ist allerdings nur eine der Aufgaben, die das BFE in der Forschungslandschaft der Schweiz erfüllt. Die drei wesentlichen Aufgaben umfassen

– die Koordination der Energieforschung der Schweiz;

– die Vernetzung der Schweizer Forschenden mit den internationalen Forschungsthemen der Internationalen Energieagentur (IEA) und der EU sowie

– die Förderung von Forschungs-, Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekten.

Koordination der Forschung

Die Koordination der Energieforschung in der Schweiz erfordert seitens BFE entsprechende Fachkompetenz. Das BFE führt aktuell 19 Forschungsprogrammedie jeweils von einem BFE-internen Wissenschaftler bzw. einer Wissenschaftlerin geführt werden. Diese Forschungsprogrammleitenden stehen mit den wichtigsten Forschungspartnern im In- und Ausland in engem Kontakt und kennen so die nationalen und internationalen Aktivitäten im Programmbereich und in angrenzenden Gebieten. Für Schweizer Forschende, die die Vernetzung mit anderen Forschungsinstitutionen und Forschenden suchen oder Unterstützung bei der Suche nach Fördermitteln benötigen, sind die Forschungsprogrammleitenden somit die zentralen Ansprechpersonen.

Für die Gaswirtschaft sind einige der 19 Forschungsprogramme von Interesse. Neben der Verwendung von Gas in Industrie und Mobilität und als Energieträger im bebauten Bereich bestehen weitere Berührungspunkte. Dies beispielsweise bei der Sektorkopplung, beim Wasserstoff, bei den Brennstoffzellen, bei den Netzen oder bei der Bio- und Geoenergie. Generell sind sowohl grossskalige als auch dezentrale Energiespeicherung und die Substitution fossiler Treibstoffe durch alternative Treibstoffe und Energieträger (Wasserstoff, synthetische und Biotreibstoffe) förderungswürdige Themen.

Instrumente der Forschungsförderung 

In der Regel sind die Förderinstrumente des Bundes als Bottom-up-Instrumente ausgelegt. Die Projektförderung von Innosuisse setzt keine thematischen Vorgaben: Jedes Projekt, das die formalen Kriterien erfüllt, ist prinzipiell förderberechtigt. Auch das BFE verfügt mit seinen Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekten über eine solche Bottom-up-Förderung.

Neben der Bottom-up-Förderung bei den Pilot- und Demonstrationsprojekten verfügt das BFE mit seinen Forschungsprogrammen auch über ein wirksames Top-down-Instrument. Hierbei kann das BFE gezielte programmatische Projektförderung betreiben, indem es nicht nur auf Projekteingaben reagieren oder Ausschreibungen lancieren, sondern auch direkt spezifische Forschungsprojekte vergeben kann. Hierzu publiziert das BFE alle vier Jahre ein eigenes Energieforschungskonzept, in dem die strategische Ausrichtung der verschiedenen Forschungsprogramme dargestellt ist. Sämtliche Unterlagen und Informationen sind auf www.energieforschung.ch einsehbar.

Forschungsförderung

Die Forschungsförderung durch das BFE erfolgt subsidiär. Eine grundlegende Bedingung für eine Unterstützung durch das BFE ist, dass der Forschungsgegenstand zum Energieforschungskonzept des BFE passt [4]. Unterstützt werden in erster Linie anwendungsorientierte Projekte.

Prinzipiell kann die Förderung bis zu 100% des Projektumfangs betragen. Allerdings wird erwartet, dass sowohl Hochschulen als auch Wirtschaftspartner einen substanziellen Betrag beisteuern. Antragsberechtig sind sowohl Hochschulen als auch Unternehmen.

Über das aus den Projekten entstandene geistige Eigentum müssen sich die Antragsteller einigen. Das BFE verzichtet in der Regel auf die aus den Forschungsprojekten resultierenden Eigentumsrechte.

Förderung von Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekten

Das Energiegesetz [5] gibt vor, dass die Finanzhilfe an Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekten max. 40% der nicht amortisierbaren Mehrkosten betragen kann. Ein Spezialfall sind somit Anlagen, die als Laborpiloten ausgeführt werden. Da bei diesen in der Regel sämtliche Kosten nicht amortisierbar sind, beträgt die Förderung in diesem Fall max. 40% der Projektkosten.

Demonstrations- und Leuchtturmprojekte dienen in erster Linie dazu, die Machbarkeit im reellen Massstab aufzuzeigen. Die starke Beteiligung von Wirtschaftspartnern ist daher eine wichtige Voraus-setzung.

Der Gegenstand der Anträge muss aus dem Bereich der Energieeffizienz oder der erneuerbaren Energien stammen. Bei Leuchtturmprojekten sind zusätzlich geeignete Kommunikationsmassnahmen in einem entsprechenden Konzept darzulegen. Anders als bei der Forschungsprojektförderung besteht bei Gesuchen um Finanzhilfen an Pilot-, Demonstrations- und Leuchtturmprojekten eine Rekursmöglichkeit.

Vorgehen bei der Antragstellung

Prinzipiell können die auf der Website des BFE publizierten Gesuchsformulare für Subventionsbeiträge verwendet werden. Es empfiehlt sich aber, vorgängig mit der entsprechenden Programmleitung Kontakt aufzunehmen und die Projektidee zu diskutieren. Dadurch lassen sich unnötige Arbeitsschritte vermeiden, beispielsweise, weil die vorhandenen Mittel bereits ausgeschöpft sind, die Förderinstrumente des BFE für das Projekt nicht geeignet sind oder die Projektidee inhaltlich oder qualitativ den Ansprüchen nicht gerecht wird.

 

BEISPIELE

«SMARTCAT» – FÜR EIN HOCHEFFIZIENTES BIOGAS-UPGRADE

Erneuerbare Energieträger ‒ und damit auch die Biomasse ‒ spielen eine wichtige Rolle in der Energieversorgung der Schweiz. Die Produktion von Biomethan hat in der Schweiz stark zugenommen. Die Schweizer Gaswirtschaft will – weil der Anteil an inländischem Biomethan erst 1% beträgt – dessen Einspeisung markant erhöhen und bis 2030 einen Anteil von 30% im Wärmemarkt erreichen.

Es ist aber nicht damit getan, einfach mehr Biogasanlagen zu bauen. Biogas besteht lediglich zu etwa 50% aus Methan (CH4). Die restlichen Komponenten ‒ Kohlendioxid (CO2) und Feuchtigkeit ‒ müssen vor der Einspeisung in das Gasnetz aufwendig abgetrennt werden. Auch wenn Biomethan als CO2-neutral deklariert ist, da der Kohlenstoff vornehmlich aus natürlichen Ressourcen stammt, wird das CO2 dennoch in die Umgebung freigesetzt. Ein Ausbau an Biogasanlagen alleine löst somit das Problem der Ressourcenineffizienz nicht.

Genau diesem residualen und scheinbar wertfreien CO2 widmet sich das vom BFE und dem Forschungsfonds des Verbandes der Schweizer Gasindustrie (FOGA) gemeinsam geförderte Projekt «Smartcat», in welchem ZHAW und Empa ein neuartiges Katalysatorkonzept entwickelt haben. Es ermöglicht eine substanziell höhere Biogasausbeute ohne zusätzlichen Biomasseeinsatz.

Anstatt das CO2 aus dem Rohbiogas abzutrennen, wird es durch Zugabe von Wasserstoff (H2) mittels eines speziellen Nickelkatalysators in CH4 umgewandelt. Dieses Verfahren ist heute als Power-to-Gas bekannt. Doch im Gegensatz zu den bekannten Methoden erledigt der neuentwickelte Katalysator diese Umwandlung so effizient, dass der Methananteil verdoppelt wird. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass CO2 und Wasserstoff zu 100% zu CH4 umgewandelt werden können und dieses CH4 sogar trocken anfällt. Damit besitzt das so produzierte Methan direkt einspeisefähige Qualität, und es muss kein CO2 abgetrennt werden. Bislang erprobte Verfahren und Katalysatoren sind dazu nicht in der Lage: Sie können den H2 als Kostenverursacher erst gar nicht vollständig umsetzen und weisen einen deutlich geringeren CH4-Anteil von max. 80% in trockenem Biogas auf. Das neue Konzept kann auch in ähnlichen Prozessen eingesetzt werden, denen es an Effizienz mangelt und bei denen eine höhere Ressourceneffizienz gewünscht ist.

Doch damit nicht genug: In Biogasen kommen diverse Schwefelkomponenten vor, die dem eingesetzten Nickelkatalysator schaden und ebenfalls erst entfernt werden müssen. Doch auch dafür haben die Forscher ein Konzept entwickelt: Der «Smartcat» ist in der Lage, sich von den Katalysatorgiften selbst zu reinigen. Er kann – ähnlich einem Schwamm, der reversibel Wasser aufsaugt und wieder abgibt – das katalytisch aktive Nickel in die keramische Struktur aufnehmen und auslösen, wobei zeitgleich die Katalysatorgifte entfernt werden. Danach steht ein regenerierter, frischer Katalysator zur Verfügung. Diese Eigenschaft wird derzeit im Langzeiteinsatz untersucht.

Der «Smartcat» wird nun in einer neuen Power-to-Gas-Anlage unter Realbedingungen in einem semi-industriellen Umfeld getestet. Die Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass die Erfolgsgeschichte «Smartcat» und das dabei zugrundeliegende Konzept einen substanziellen Beitrag in der Schweizer Energiewirtschaft leisten kann: Hin zu einer effizienteren, nachhaltigeren Einbindung von erneuerbaren Ressourcen.

Gasmotorenforschung

Die gasmotorische Verbrennungsforschung hat stark an Bedeutung gewonnen. Dies weil der Brennstoff Erdgas im Vergleich zu Benzin oder Diesel rund 25% weniger Kohlendioxid CO2 produziert und damit die CO2-Reduktionsziele besser erreicht werden können. Zudem erzeugt die Verbrennung von Erdgas in einem Motor deutlich weniger Stickoxide und fast keine Partikel. Dies ermöglicht beispielsweise der Schifffahrt die Grenzwerte in den Emission Control Areas (ECA) – festgelegt von der UNO-Organisation International Maritime Organization (IMO) – einzuhalten. Umgesetzt wird dies mit Motoren, die ausschliesslich mit Gas betrieben werden, oder solchen, die vom Brennstoff Marine-Diesel auf Gas umgeschaltet werden können, sobald das Schiff eine ECA erreicht. Hinzu kommt, dass vermehrt erneuerbare Gase entwickelt werden und verfügbar sind. Diese werden aus biogenen Basisstoffen oder wie Wasserstoff synthetisch hergestellt. Interessant sind Kombinationen oder Mischungen davon.

Ein Beispiel ist die mit dem Watt d’Or 2018 ausgezeichnete Cosima-Anlage des Paul Scherrer Instituts und von Energie 360°. Wasserstoff aus einer Power-to-Gas-Anlage wird mit Biogas aus einer Kläranlage direkt zu Methan synthetisiert und steigert die Methanausbeute um 60%. Das Beimischen von Wasserstoff zu komprimiertem Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG) für den Betrieb von Fahrzeugen wurde in einem vom BFE mitfinanzierten Projekte von der Empa untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine Verbrauchsreduktion um 2%, einen vollständigen Abbau der Kohlenwasserstoffe im Katalysator sowie ein besseres Fahrverhalten.

Das Laboratorium für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme (LAV) der ETH in Zürich hat sich insbesondere in den letzten zehn Jahren eine hohe Kompetenz in der Erforschung von Brennverfahren im Gasmotoren angeeignet. Dies wurde möglich durch eine Reihe von Forschungsprojekten, die sowohl von Industriepartner als auch von der öffentlichen Hand finanziert wurden. Dazu gehören die Untersuchung verschiedener Zündverfahren von Gasgemischen mit Zündkerze, Vorkammerzündung oder Piloteinspritzung in mehreren Projekten des BFE und der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (D);
die Entwicklung eines Vorkammerzündsystems im Rahmen eines von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) mitfinanzierten Projekts des Schweizer Motorenherstellers Liebherr Machines Bulle SA oder des EU-Horizon 2020-Projekts
Gas-On in Zusammenarbeit mit führenden Autoherstellern, Zulieferer und akademischen Partnern. Das LAV leitet zudem seit 2012 das Themengebiet «Gasmotoren» des Technology Collaboration Programme on Combustion im Energie-Technologie-Netzwerk der Internationalen Energie Agentur (IEA).

Ein aktuelles vom BFE finanziell unterstütztes Projekt untersucht experimentel und numerisch die Zündung und Entflammung sowie die Wand- und Flamm-interaktionen im System Vorkammer – Brennraum eines Gasmotors. Ein neuartiger und erstmals in dieser Form entwickelter Versuchsträger erlaubt Einblicke in den Zündvorgang in einer Vorkammer, die Ausströmung der Flamme durch die düsenförmige Öffnung in den Brennraum sowie die Entflammung im Brennraum. Von besonderem Interesse ist auch, wie sich die Flamme innerhalb der Düse verhält, durch die sie mit hoher Geschwindigkeit austritt. 

Die Versuchsanlage wurde vom LAV entwickelt und mit Unterstützung des Instituts für Thermo- und Fluid-Engineering der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) realisiert. Sie ist hoch automatisiert und erlaubt verschiedene Drücke und Methan-Lüftverhältnisse in der Vorkammer und dem Brennraum einzustellen sowie die Beheizung der Komponenten. In der Zukunft können damit auch unterschiedliche Gasgemische untersucht werden, insbesondere solche mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff als Beimischung zu Erdgas oder Biogas.

 

Mikro-Blockheizkraftwerk

Blockheizkraftwerke mit niedriger Leistung (Mikro-BHKW) sind darauf ausgelegt, Ein- und Mehrfamilienhäuser dezentral mit Strom und Wärme zu versorgen. Zwei Institute der ETH in Zürich entwickeln zurzeit mit dem Heizungsunternehmen Hoval und der Schmierölproduzentin Bucher AG ein solches Mikro-BHKW. Dieses verfügt über einen für diese Leistungsklasse bisher ungekannt hohen elektrischen Wirkungsgrad und erzielt sehr tiefe Schadstoffemissionen. Das neuartige Gerät liegt bisher als Laboranlage und in mehreren Einheiten als Funktionsmuster vor. Es nutzt Erdgas, ebnet bei Betrieb mit Biogas aber auch den Pfad in eine erneuerbare Energieversorgung. Das Vorhaben wird vom BFE als Forschungs- und Entwicklungsprojekt sowie als Pilot- und Demonstrationsprojekt mitfinanziert.

Herzstück des Mikro-BHKW ist ein kleiner Einzylinder-Viertaktmotor, der von Swissauto Wenko AG entwickelt wurde und von Polaris Industries in grosser Stückzahl hergestellt wird. In seiner Grundform kommt der Motor in Quadbikes oder Motorschlitten zum Einsatz. Für den Einsatz im BHKW wurde der Motor in einem Forschungsprojekt des LAV der ETHZ auf Gasbetrieb umgerüstet und zur Erhöhung des mechanischen Wirkungsgrads und nahezu Null Schadstoffemissionen weiterentwickelt. Das Institute for Dynamic System Controll (IDSC) der ETHZ entwickelt für das Mikro-BHKW das Regelungssystem und Hoval die Gesamtanlage inklusive Wärmetauscher für die maximale Nutzung der Abwärme.

Um den Motor mit maximalem Wirkungsgrad und mit geringem Wartungsaufwand zu betreiben, ist auch ein optimiertes Schmieröl erforderlich. Damit soll die Reibung reduziert, der Spalt zwischen Kolbenring und Zylinderwand abgedichtet und der Verschleiss minimiert werden. Letzteres ist wichtig, damit der Motor über deutlich mehr Betriebsstunden als beim üblichen Einsatz in Fahrzeugen sicher betrieben werden kann. Die Entwicklungsabteilung von Bucher AG testet im Rahmen des Projekts verschiedene Mischungen aus Basisölen und Additiven, um geeignete Mixturen zu identifizieren.

Das Mikro-BHKW soll mit einer elektrischen Leistung von 7 kW vor allem dann in Betrieb sein, wenn vom Eigentümer oder im Netz viel Strom nachgefragt wird und auch ein höherer Preis zu bezahlen ist. Dementsprechend soll die Anlage nicht für die Grundlastversorgung eingesetzt werden und möglichst viele Betriebsstunden pro Jahr erreichen, sondern mit gezieltem Betrieb entsprechend der Stromnachfrage nur rund 2000 Stunden pro Jahr laufen. Ob sich dieses Konzept wirtschaftliche umsetzen lässt, wird auch von den regulatorischen Rahmenbedingungen abhängen.

Die bisher gemessenen Werte sind vielversprechend. Das seriennahe Funktionsmuster erreicht einen elektrischen Wirkungsgrad von 32,7% und der thermische Wirkungsgrad liegt bei einer Rücklauftemperatur aus dem Heizungskreislauf von 30°C bei 76% (bezogen auf den unteren Heizwert des Erdgases). Minimal sind dagegen die Schadstoffemissionen, sie betragen für Stickoxid (NOx) weniger als 5,0 mg/Nm3 Abgas. Die Luftreinhalteverordnung erlaubt bei dieser Anlagegrösse 250 mg/Nm3.

Eine Herausforderung für die Forscher ist, die geringen NOx-Emissionen auch beim Kaltstart und häufigem Ein- und Ausschalten der Anlage einzuhalten. Weiterführende Untersuchungen werden zudem für den Betrieb der Anlage mit Biogas durchgeführt werden.

Brennstoffzellen – Röntgentomographie und Modellierung 

Brennstoffzellen können chemisch gespeicherte Energie in Form von Wasserstoff sehr effizient in Elektrizität umwandeln. In Brennstoffzellenfahrzeugen kommen dabei PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane, dt. Protonenaustauschmembran) zum Einsatz, welche die am weitesten verbreiteten Brennstoffzellen sind. Das effiziente Entfernen von Produktwasser, das durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, und das Feuchtigkeitsmanagement der Membran sind äusserst wichtige Elemente für den Betrieb von PEM-Brennstoffzellen: Einerseits muss die Polymermembran, welche Anode und Kathode trennt, genügend befeuchtet sein, damit ihre Ionenleitfähigkeit entsprechend hoch ist, um den Austausch von Wasserstoffionen (Protonen) zu ermöglichen. Andererseits kann flüssiges Wasser die Poren in der Gasdiffusionsschicht (GDL) verstopfen und so den Zugang der Reaktionsgase Wasserstoff und Luft/Sauerstoff an die Membran blockieren, speziell bei hohen Lasten.

Kommerzielle Gasdiffusionsschichten sind poröse Strukturen aus Kohlenstofffasern mit einem typischen Durchmesser von 6 bis 8 Mikrometern und einer Gesamtdicke im Bereich von 100 bis 300 Mikrometern. Die Porosität variiert dabei stark, je nach Komprimierungsgrad und Anteil an Bindermaterial, welches die Fasern zusammenhält. In einer vom BFE mitgeförderten Forschungsarbeit des Institute of Computational Physics der ZHAW und dem PSI wurden Methoden und Modelle entwickelt, um quantitativ den Zusammenhang zwischen der Mikrostruktur der Schichten und den effektiven Transporteigenschaften in verschiedenen GDL zu beschreiben. Dreidimensionale Mikrostrukturen von GDL lassen sich über Röntgentomographie ermitteln, indem verschiedene Röntgenbilder unter unterschiedlichen Winkeln aufgenommen werden und die dreidimensionale Struktur errechnet wird. In dem gemeinsamen Projekt von ZHAW und PSI wurden kommerzielle GDL zunächst in trockenem Zustand bei verschieden starker Kompression untersucht und die Porosität ermittelt. Die Wasserverteilung in feuchten GDL wurde danach mit In-situ-Experimenten ermittelt, in denen die GDL unterschiedlich starken Wassereinpressdrücken ausgesetzt wurden mit anschliessenden Röntgentomographieaufnahmen. Diese experimentellen Ergebnisse wurden dann mit Resultaten aus Simulationsrechnungen ausgehend von derselben dreidimensionalen Mikrostruktur in trockenem Zustand verglichen. So kann etwa der Durchbruchdruck, bei welchem die gesamte GDL geflutet wird, experimentell ermittelt und mit dem theoretischen Modell verglichen werden. Die Arbeiten konnten aufzeigen, dass die Entwicklung der relativen Permeabilität, d. h. der Anteil der Permeabilität der GDL, der vom Sättigungsgrad mit Wasser und der räumlichen Verteilung des in die GDL eingedrungenen Wassers abhängt, mit dem Kapillardruck und dem Sättigungsgrad signifikant von gängigen in der Fachwelt benutzten semi-empirischen Modellen abweicht.

Diese Arbeiten und Erkenntnisse sind für ein tieferes Verständnis in PEM-Brennstoffzellen, insbesondere auch von Degradationsphänomenen, bedeutsam. Darüber hinaus fliessen die methodischen Ansätze auch in andere Energietechnologiebereiche ein, wo das Verständnis von porösen Mikrostrukturen wichtig ist, so etwa in die Batterieforschung (siehe etwa EU-Projekt FlowCamp4).

Ein Wissenstransfer im Bereich modellierungsbasierter Materialentwicklung und Analyseservice für PEM-Brennstoffzellen ist im Gange, und erste Kontakte mit der Industrie sind geknüpft.

Bibliographie

[1] BFE (2017): Studie zu System Adequacy. www.bfe.admin.ch/php/modules/publikationen/stream.php?extlang=de&name=de_442297091.pdf

[2] Kaiser, T.; Hotz-Hart, B.; Wokaun, A. (2012): Aktionsplan Koordinierte Energieforschung Schweiz. Bezug bei: Staatssekretariat für Bildung und Forschung und Innovation SBFI, www.sbfi.admin.ch

[3] Lüdi, R. (2017): Angebote der Innovationsförderung im Energiebereich ‒ für Schweizer Firmen und Forschungsinstitute. www.bfe.admin.ch/wtt > Angebote der Innovationsförderung

[4] Bundesamt für Energie: Energieforschungskonzept 2017‒2020. www.energieforschung.ch

[5] Energiegesetz (EnG) vom 30. September 2016. Amtliche Sammlung AS 2017. www.admin.ch > Bundesrecht

[6] Holzer, L. et al. (2017): Electrochimica Acta 241: 414–432

Acht Kompetenzzentren

Mit dem «Aktionsplan für eine koordinierte Energieforschung Schweiz» wurde der Grundstein für den Aufbau von acht Kompetenzzentren (SCCER) im Bereich der Energieforschung gelegt.

SCCER FEEB&D

Future Energy Efficient Buildings & Districts

SCCER EIP

Efficiency of Industrial Processes

SCCER FURIES

Future Swiss Electrical Infrastructure (Netze)

SCCER HaE

Heat & Electricity Storage

SCCER SoE

Supply of Electricity (Geothermie und Wasserkraft)

SCCER CREST

Center for Research in Energy, Society & Transition (Sozio-Ökonomie)

SCCER Mobility

Mobility

SCCER BIOSWEET

Biomass for Swiss Energy Future

Jedes dieser Zentren wird von einem Leading House geführt und beherbergt ausgesuchte Forschungsgruppen im jeweiligen Fachgebiet.

Hochdruckverbrennung

Die stationäre Hochdruckverbrennung von Erdgas in der Gasturbine ist sehr gut erforscht und weiterführende vom BFE unterstützte Forschungs- und Pilotprojekte befassen sich mit der Steigerung des Wirkungsgrads von grossen Gesamtsystemen im Bereich über 60%, der flexiblen Lastregulierung und der Nutzung von Brennstoffen mit hohem Wasserstoffanteil.

Die instationäre Hochdruckverbrennung von Gasen im Motor ist international weniger erforscht und viele Phänomene sind noch nicht genau verstanden. Dazu gehören beispielsweise die Zündung des im Vergleich zu flüssigen Brennstoffen trägen Gases und die Brennvorgänge im Brennraum des Motors. Diese habe einen grossen Einfluss auf die Schadstoffbildung (vor allem Stickoxide), die Vollständigkeit der Verbrennung (Methanschlupf) und den Wirkungsgrad.

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