Wer heute das Gelände von Empa und Eawag besucht, findet eine Grossbaustelle vor: Der neue Forschungscampus mit dem künftigen Laborgebäude im Zentrum wächst schnell in die Höhe. Doch interessante Aussichten liefern auch Installation unterhalb der Erde. 144 Erdsonden, die bis zu 100 Meter in die Tiefe reichen, werden in den kommenden Wintern Wärme liefern – eine innovative Technologie, die als Pilotprojekt auch neue Einsichten liefern soll.

Für die Empa ist das freilich erst ein Anfang. Auf dem Campus wird die Photovoltaik weiter ausgebaut; der Anteil an Biogas soll steigen. Intelligente Regelungen der elektrischen und thermischen Netze und ein automatisierter Gebäudebetrieb sollen den Verbrauch fossiler Energien weiter mindern. Die Einsichten, die dabei mit dem Ziel eines Null-Emissionsbetriebs gewonnen werden, sollen später auch vielen anderen Gebäudeprojekte nützen.

Um die Klimaziele der Schweiz bis 2050 zu erreichen, wird es nicht genügen, Autos zu elektrifizieren, Emissionen von Industriebetrieben zu mindern und andere Bereiche zu optimieren – auch dann werden weiter grosse Mengen an Treibhausgasen ausgestossen, zum Beispiel durch die Nutztier-Industrie der Landwirtschaft.

Für die angestrebte «Netto-Null» sind also Technologien mit einer negativen Treibhausgas-Bilanz nötig. Und dafür wiederum müssen Verfahren, Kohlendioxid (CO₂) aus der Luft abzuscheiden und zu speichern, deutlich effizienter werden. Ein Hoffnungsträger dafür sind Aerogele, mit denen sich Empa-Forschende seit Jahren befassen, und die Möglichkeit, CO₂ in Baustoffe umzuwandeln.

Ideen, Hoffnungen, Herausforderungen: Peter Richner, NEST-Mitbegründer und stellvertretender Direktor, erläutert im Interview den Fokus der Empa auf die Klimaziele.

Peter Richner, der neue Campus vom Empa und Eawag nimmt Gestalt an. Wenn Sie einen Wunsch für seine Zukunft frei hätten: Was wäre das?

Das wäre wirklich, dass unser saisonaler Wärmespeicher, den wir gerade gebaut haben, die Kapazitäten hat, die wir uns vorstellen. Damit könnte es uns gelingen, signifikante Mengen von Abwärme aus dem Sommer in den Winter herüberzuretten, um so den Spitzenenergiebedarf im Winter abzudecken.

Bis 2024 sollen die CO₂-Emissionen des Empa-Campus gegenüber 2006 um fast drei Viertel sinken Dazu soll auch vermehrt Biogas eingesetzt werden; die Photovoltaik wird ausgebaut … - was planen Sie noch?

Wir sind ja ein sehr energie-intensiver Betrieb; da gibt es immer ein grosses Potenzial für die Optimierung. Um Heizenergie zu sparen, läuft im Moment zum Beispiel ein Experiment in unserem Verwaltungsgebäude: Wir versuchen, die Technologie des Empa-Spinoffs «viboo», der aus der Abteilung «Urban Energy Systems» kommt, zu implementieren. Ich habe aber auch das Gefühl, dass wir auf der Seite des Forschungsbetriebs mit seinen Experimenten noch Potenzial haben, weil dort vergleichsweise wenig Sensibilität dafür vorhanden ist, wie viel Energie wir bei unseren Experimenten eigentlich konsumieren.

Konkreter?

Müssen Forschungsanlagen sieben Tage lang 24 Stunden laufen? Bei klimatisierten Räumen ist klar: Je präziser man das Ziel-Klima einstellt – etwa plus-minus 0,5 Grad Celsius und plus-minus 2 Prozent relative Luftfeuchtigkeit –, desto mehr Energie braucht man. Und die Frage ist: Gibt es nicht auch Zeiten und Experimente, wo wir mit mehr Schwankungen leben können. Das hätte sofort einen sehr positiven Einfluss auf unseren Energiebedarf. Ich glaube, das sind Dinge, die wir noch zu wenig angeschaut haben.

In Zukunft wird der Empa-Campus also eine «Klimabaustelle» – mit Herausforderungen, die auch für die Schweiz gelten. Bei der Zementherstellung sind Treibhausgas-Emissionen auf absehbare Zeit so unvermeidlich wie in der Landwirtschaft. Die Empa startet nun das Projekt «Below Zero» über vier Jahre. Was hat es damit auf sich?

Wir müssen natürlich Emissionen reduzieren oder verhindern. Aber wir sehen auch: Da wir als internationale Gemeinschaft viel zu spät und zu langsam auf den Klimawandel reagiert haben, werden wir wohl oder übel über die CO₂-Emissionsziele internationaler Abkommen hinausschiessen, die es erlauben würden, die Erderwärmung auf 1,5 bis 2 Grad zu begrenzen. Das heisst: Wir müssen Technologien entwickeln, die dazu führen, dass die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre sinkt. Und wir summieren diese Negativ-Technologien unter dem Stichwort «Below Zero» – und die entsprechende Forschungsinitiative unter dem Namen «CO₂UNTdown».

Und gerade den Bausektor sehen Sie als wirkungsvollsten Hebel …

Ja, das Bauwerk Schweiz spielt mit seinem Materialkonsum und Ressourcenumsatz, die mit hohen CO₂-Emissionen verbunden sind, eine zentrale Rolle. Auch im Betrieb: Wir haben immer noch sehr viele fossile Heizsysteme. Und diese Verhältnisse müssen wir ändern. Wenn der Bau die Kurve nicht kriegt, kriegt sie auch die Schweiz nicht. Das ist klar.

Nach einem Chemiestudium und Dissertation an der ETH Zürich forschte Peter Richner an der «Indiana University» (USA) an Plasma-Massenspektrometrie und kam 1990 an die Empa. Ab 1995 war er für die Abteilung «Korrosion/Oberflächenschutz» verantwortlich und wurde 2002 Leiter des Departements «Ingenieurwissenschaften». Er verantwortet den Forschungsschwerpunkt «Energie» und ist Mitbegründer des Experimentalgebäudes NEST, das 2016 eröffnet wurde.

Recycling mit Stil: Peter Richer vor einer Trennwand im NEST, die mit gebrauchten Fachbüchern und Zeitschriften errichtet wurde. Bild: Empa

Was sind für Sie Favoriten unter den Zukunftstechnologien?

Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, mit CO₂ aus der Atmosphäre umzugehen: Man kann versuchen, es unterirdisch einzulagern und hoffen, dass es dort entweder als Gas verbleibt oder mineralisiert wird – es gibt gewisse Gesteinsformationen, die das Potenzial dazu haben. Oder man sagt: Nein; ich versuche, dieses CO₂ in ein Material umzuwandeln, mit dem ich andere Materialien substituieren kann. Und wenn man wirklich Millionen Tonnen an Material verwenden will, um einen echten Effekt in Richtung Negativ-Emissionen zu erreichen, kann das eigentlich nur im Baubereich sein, weil er die grössten Mengen umsetzt. Und innerhalb des Bausektors ist Beton das wichtigste Material, dann Asphalt und vielleicht noch Isolationsmaterialien – dort haben wir grosse potenzielle Senken.

CO₂-negative Zemente auf Magnesiumbasis werden an der Empa bereits erforscht und entwickelt …

Das ist ein Zement, der über Absorption von CO₂ unter dem Strich negativ werden kann. Grosses Potenzial sehe ich aber auch, wenn wir Zuschlagstoffe für Beton oder Asphalt ersetzen können – Sand, Kies, Schotter – etwa durch kohlenstoff-basierte Materialien, die ihren Ursprung im CO₂ in der Atmosphäre haben. Nur ist da die Hauptschwierigkeit: Wir müssen das Gas zunächst einmal effizient aus der Atmosphäre «einfangen».

Die Empa arbeitet seit langem mit höchst porösen Aerogelen, die auch bei solchen Technologien helfen könnten. Wie ist da der aktuelle Stand?

Wir sind da in einem frühen Stadium. Aerogele sind geeignet, weil sie mit ihren vielen Poren eine sehr, sehr grosse spezifische Oberfläche haben – ähnlich wie ein Schwamm –, die es für die Interaktion mit dem Gas braucht. Und diese Oberfläche muss man so modifizieren, dass CO₂ absorbiert wird, dass man es später aber auch wieder desorbieren kann – in hoher Konzentration. Mittels Modellierung versuchen wir herauszufinden, wie die Porenstruktur aussehen muss, damit diese Interaktion stattfindet. Und natürlich: Wie können wir die Oberfläche chemisch so modifizieren, dass ein Molekül, wenn es darauf trifft, haften bleibt und reagiert.

Skeptische Stimmen äussern immer wieder, dass «Netto Null» trotz vieler Anstrengungen bis 2050 nicht zu erreichen sein wird. Wie wollen Sie den Prozess beschleunigen, neue Ideen in die Baupraxis zu bringen?

Zuerst müssen wir mal zeigen, dass es praktikable Lösungen gibt. Und dann kommt natürlich sehr schnell die Frage der Kosten: Es ist absolut match-entscheidend, dass CO₂ einen fairen Preis bekommt. Solange wir Bereiche in unserer Wirtschaft haben, die CO₂ praktisch gratis emittieren dürfen, wird es extrem schwierig sein, dort CO₂-neutrale Lösungen zu etablieren. Wir sehen das auch in der Schweiz: Je nachdem, ob sie CO₂ aus Heizöl emittieren, aus Diesel in einem Fahrzeug oder aus Kerosin in einem Flugzeug, fallen ganz unterschiedliche oder sogar gar keine Abgaben an. Die Politik muss da für gleich lange Spiesse sorgen – denn fürs Klima ist es egal, woher das CO₂-Molekül stammt.

Ehrgeizige Ziele wie die der Empa erfordern also auch Unterstützung. Wenn Sie da einen Wunsch an die Politik frei hätten: Was wäre das?

Es wird ja jetzt über ein neues CO₂-Gesetz diskutiert; da gehen die Meinungen stark auseinander. Es gibt eine Denkschule, die sagt: Das erste Gesetz wurde abgelehnt, weil die Leute nicht mehr Abgaben wollen – also dürfe es auch im neuen Entwurf keine zusätzlichen Abgaben geben. Aber dann ist die Frage: Wie soll sich überhaupt etwas bewegen? Ich neige eher dazu, dass man unabhängig davon, an welcher Quelle Treibhausgase emittiert werden, jedes Molekül gemäss seiner Wirkung gleich besteuert oder mit einer Abgabe belegt. Aber die sollte man im Sinne einer Lenkungsabgabe auch zu 100 Prozent wieder zurückverteilen.

Nach heutigem Wissensstand: Glauben Sie, die Schweiz wird die Netto-Null bis 2050 erreichen?

Wenn wir wollen, dann schaffen wir das. Es dreht sich einzig um die Frage, ob wir wollen – wirklich nur darum.

Die Vision «Below Zero» ist Teil der Forschungsinitiative «CO₂UNTdown» der Empa. Sie soll die Expertise der Forschenden für den Einsatz gegen den Klimawandel weiter fokussieren und nutzbar machen. Bei «Below Zero» liegt ein erster Schwerpunkt dabei auf der Entwicklung neuartiger Materialen; gefolgt von ihrer Skalierung und Umsetzung bis hin zu Pilot- und Demonstrationsprojekten – auf dem neu entstehenden Campus der Empa, etwa im Experimental- und Demonstrationsgebäude NEST. Dies soll ab etwa zwei Jahren nach Beginn in Kooperation mit Partnern aus der Industrie geschehen, die auch an der Evaluierung neuer Lösungen beteiligt werden – mit Blick auf den praktischen Einsatz in der Baubranche.

Entwicklung Bauwerk Schweiz

Das gesamte Bauwerk Schweiz ist so komplex wie seine Herausforderungen für die Zukunft. Eine Expertengruppe hat eine Initiative für eine Gesamtschau lanciert – für neuen Schub in Forschung und Praxis.