{"id":118584,"date":"2013-10-01T12:00:00","date_gmt":"2013-10-01T12:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/2013\/10\/wokaun-4\/"},"modified":"2023-08-23T23:22:59","modified_gmt":"2023-08-23T21:22:59","slug":"wokaun-3","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/2013\/10\/wokaun-3\/","title":{"rendered":"Der Beitrag der Forschung zu vernetzten Energiesystemen"},"content":{"rendered":"

\"\" <\/p>\n

Im Prozess der Methanisierung, die in Anlagen wie der abgebildeten stattfindet, wird CO2 mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt, das nach geeigneter Konditionierung ins Erdgasnetz eingespeist werden kann.\u00a0 PSI<\/span><\/p>\n


\nStrom macht gegenw\u00e4rtig rund 25% des Endenergieverbrauchs der Schweiz aus. W\u00e4hrend die Diskussion auf zuk\u00fcnftige Optionen der Elektrizit\u00e4tsbereitstellung fokussiert, wird mit Recht darauf hingewiesen, dass 65% der Endenergie in Form von fossilen Brenn- und Treibstoffen bezogen wird. Deren Einsatz gilt es nicht nur im Hinblick auf die energiebezogenen, sondern insbesondere f\u00fcr die Erreichung der Klimaschutzziele zu reduzieren. Nur rund 2% der Energie wird als Fernw\u00e4rme bezogen. Das ist charakteristisch f\u00fcr die geringe Verf\u00fcgbarkeit von W\u00e4rmenetzen. Unser sehr zuverl\u00e4ssiges Stromnetz, das Gasnetz, die Verteilinfrastruktur f\u00fcr Treibstoffe und die wenigen W\u00e4rmenetze werden unabh\u00e4ngig voneinander betrieben und entwickelt. Dabei liegt gerade in der Vernetzung der Systeme f\u00fcr die Verteilung von Elektrizit\u00e4t, fl\u00fcssigen und gasf\u00f6rmigen chemischen Energietr\u00e4gern sowie W\u00e4rme und K\u00fchlfl\u00fcssigkeiten eine grosse Chance, die ambiti\u00f6sen Ziele der Energiestrategie in Anbetracht des erhofften Wirtschaftswachstums und des erwarteten Bev\u00f6lkerungswachstums zu erreichen.Die zweite grosse Herausforderung ist die Speicherung der fluktuierenden und nur unvollst\u00e4ndig prognostizierbaren Einspeisung von Strom aus Photovoltaik und Windenergie. Es fehlt an geeigneten Optionen, deren Zeitskala sich von Sekunden bis zur saisonalen Speicherung \u00fcber mehrere Monate erstreckt. F\u00fcr die Frequenzstabilisierung \u2013 die sogenannte prim\u00e4re und sekund\u00e4re Regelung \u2013 muss moderne Leistungselektronik zum Einsatz kommen. Bei der terti\u00e4ren Regelung mit einer Antwortzeit von 15 Minuten werden die Kapazit\u00e4tsm\u00e4rkte eine wichtige Rolle zu spielen haben \u2013 in den Versorgungsgebieten deutscher Netzbetreiber wurden \u00c4nderungen der eingespeisten Leistung aus Windturbinen von bis zu 8000 Megawatt innerhalb einer Stunde registriert. <\/p>\n

Trumpfkarte Pumpspeicherwerke<\/h2>\n


\nDie am wenigsten w\u00fcnschbare Kapazit\u00e4tsreserve sind fossile Kraftwerke, die mit schlechtem Wirkungsgrad bei wenigen Prozent ihrer Nennleistung im Standby betrieben werden. Mit ihren Pumpspeicherkraftwerken verf\u00fcgt die Schweiz hier \u00fcber eine alternative Trumpfkarte, deren Ausbau unbedingt vorangetrieben werden sollte. Es m\u00fcssen Mechanismen gefunden werden, um die Sicherheit und Rentabilit\u00e4t dieser grossen und langfristigen Investitionen sicherzustellen.Die Pumpspeicherung erfolgt \u00fcberregional mit Elektrizit\u00e4ts\u00fcbertragung auf der h\u00f6chsten oder zweith\u00f6chsten Spannungsebene. In einem System mit einer grossen Zahl kleiner, dezentraler Produzenten ist es w\u00fcnschenswert, Speicheroptionen auch auf der Verteilnetzebene vorzusehen, um die Regelbarkeit des Gesamtsystems zu erleichtern und Verluste durch mehrfache Spannungstransformation zu vermeiden. Mit dem Zeithorizont des Ausgleichs zwischen Tag und Nacht, also zwischen Zeiten hoher und niedriger Last im Netz, richtet sich die Hoffnung auf Fortschritte der Forschung bei station\u00e4ren Batteriesystemen, wo weniger die Energiedichte als die Zyklenfestigkeit und die Kosten pro Speicherkapazit\u00e4t relevant sind. Eine Reihe innovativer Ans\u00e4tze, die von Redox-Flussbatterien bis zu Fl\u00fcssigmetallbatterien reichen, werden an den Forschungsinstitutionen der Schweiz als Alternative zu den festen Elektrodenmaterialien untersucht. <\/p>\n

Kopplung von Elektrizit\u00e4t und W\u00e4rme<\/h2>\n


\nDie folgenden Abschnitte en auf die notwendige Kopplung zwischen den Netzen der verschiedenen Energietr\u00e4ger. Eine erste M\u00f6glichkeit der Koordination zwischen den Energietr\u00e4gern Strom und W\u00e4rme ist die in der Praxis noch wenig genutzte W\u00e4rmespeicherung. So kann eine mit Biomasse betriebene W\u00e4rme-Kraft-Koppelungsanlage Strom nach Bedarf produzieren und die W\u00e4rme in einem Speicher deponieren. Umgekehrt werden zu Zeiten hoher Elektrizit\u00e4tseinspeisung und niedrigen Verbrauchs bevorzugt W\u00e4rmepumpen betrieben oder grosse K\u00fchlzentren in ihrer Temperatur tiefer abgesenkt, um dadurch zum Peak Shaving<\/i> beizutragen. Eine entsprechende Pilotanlage wurde k\u00fcrzlich in Betrieb genommen. Als physikalische Speicher bieten sich \u2013 neben Wassertanks und Sorptionssystemen, an denen die Empa arbeitet \u2013 f\u00fcr gr\u00f6ssere \u00dcberbauungen vor allem Erdsondenfelder an, in welchen W\u00e4rme im Erdreich deponiert und mittels W\u00e4rmepumpen wieder entnommen werden kann. Sie sind in einem Klima mit steigenden Temperaturen zus\u00e4tzlich f\u00fcr die K\u00fchlung n\u00fctzlich. Im Energieversorgungssystem des Science City Campus der ETH Z\u00fcrich wird ein solcher Speicherring aufgebaut. <\/p>\n

Energiespeicherung mit Wasserstoff und\u00a0Sauerstoff\u2026<\/h2>\n


\nDie zweite innovative Kopplung ist jene zwischen Elektrizit\u00e4t und chemischen Energietr\u00e4gern, welche den grossen Vorteil der Speicher- und Lagerf\u00e4higkeit aufweisen. Durch Elektrolyse wird mit Strom aus Photovoltaik oder Windkraftwerken Wasserstoff und Sauerstoff produziert, welche als Gase gespeichert und bei Bedarf wieder elektrifiziert werden k\u00f6nnen. Das Paul Scherrer Institut (PSI) arbeitet an Elektrolyseuren der zweiten Generation, welche leistungsm\u00e4ssig f\u00fcr dezentrale Anwendungen optimiert sind, dank neuer Elektrodenmaterialien kosteng\u00fcnstiger produziert werden k\u00f6nnen und die Gase Wasserstoff und Sauerstoff in komprimierter Form erzeugen. In Kombination mit den hier entwickelten Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellensystemen lassen sich Roundtrip-Wirkungsgrade von \u00fcber 50% erreichen. Das bedeutet, dass die H\u00e4lfte der urspr\u00fcnglich produzierten Elektrizit\u00e4t auf Abruf im Netz wieder zur Verf\u00fcgung steht. Diese Option erlaubt eine Speicherung \u00fcber mehrere Monate und erg\u00e4nzt die effiziente Pumpspeicherung sinnvoll hinsichtlich der Zeitskala und der Kapazit\u00e4t. <\/p>\n

\u2026oder im Erdgasnetz<\/h2>\n


\nIn einer Periode, in welcher die Infrastruktur zur Handhabung und Verteilung von Wasserstoff noch nicht aufgebaut ist, bietet das Konzept Power to Gas eine interessante Alternative. Der mittels Elektrolyse produzierte Wasserstoff wird mit CO2 zu Methan umgesetzt und dieses nach geeigneter Konditionierung ins Erdgasnetz eingespeist. Das grosse Volumen des verlegten R\u00f6hrensystems erm\u00f6glicht die Speicherung \u00fcber mehrere Monate und die Entnahme des regenerativen Gases f\u00fcr W\u00e4rme-Kraft-Koppelungsanlagen oder allenfalls als Teilstrom f\u00fcr Gas-Kombikraftwerke. Forschungsplattformen und Pilotanlagen, welche dieses Konzept demonstrieren und weiterentwickeln, entstehen am PSI in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern. Die Methanisierung stellt zudem eine der wenigen M\u00f6glichkeiten der \u00abNutzung\u00bb von CO2 in gr\u00f6sserem Massstab dar (siehe Kasten 1)<\/i> <\/p>\n

Methanisierung \u2013 eine M\u00f6glichkeit der Nutzung von CO2<\/h3>\n


\nUnter den Massnahmen zur Reduktion des CO2-Ausstosses wird neben der Vermeidung (Mitigation) und der geologischen Lagerung (Carbon Capture and Storage, CCS) neuerdings auch die Nutzung (Utilization, CCSU) diskutiert. Analysiert man global gesehen die M\u00f6glichkeiten der Nutzung, so kommt man schnell zum Schluss, dass die Synthese von Chemikalien \u2013 selbst bei optimistischsten Annahmen \u2013 nur einen Bruchteil (weniger als 10%) des emittierten CO2 binden k\u00f6nnte.
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\nEinzig der Energiesektor k\u00f6nnte in der terti\u00e4ren Erd\u00f6lf\u00f6rderung und in der Synthese von Brenn- und Treibstoffen gr\u00f6ssere CO2-Str\u00f6me umsetzen und verwerten. In der Schweiz k\u00f6nnte diese Option zur Diskussion kommen, falls im Energiesystem Gaskraftwerke ben\u00f6tigt werden und die Emissionen im Inland kompensiert werden sollen. Die Option Power to Gas und die Technologie der Methanisierung in der Forschung voranzutreiben, ist also auch unter diesem Aspekt unbedingt empfehlenswert. <\/p>\n

Kopplung zwischen Haushalten, Prozessen und Mobilit\u00e4t<\/h2>\n


\nEine neue Dimension der Speicherung erschliesst sich, wenn wir die Sektoren gemeinsam mit der Mobilit\u00e4t betrachten. Mit geeigneten Ladealgorithmen kann \u00dcberschusselektrizit\u00e4t in Elektro- oder Plug-in-Hybridfahrzeugen gespeichert werden. Dazu laufen Pilotversuche in verschiedenen Schweizer St\u00e4dten und Gemeinden.Mit der beschriebenen Umwandlung der intermittierenden regenerativen Elektrizit\u00e4t in Wasserstoff und Methan er\u00f6ffnet sich eine neue Dimension der Nutzung von erneuerbaren Energien in der Mobilit\u00e4t. Der Verkauf von Gasfahrzeugen stagnierte in Europa \u2013 mit Ausnahme weniger L\u00e4nder \u2013 auf niedrigen St\u00fcckzahlen, k\u00f6nnte aber aufgrund der Schiefergas-Revolution in den USA neuen Aufschwung gewinnen; und mit der Verf\u00fcgbarkeit von regenerativem Gas aus Elektrolyse und Methanisierung er\u00f6ffnet sich eine M\u00f6glichkeit zur Substitution von fossilem Treibstoff. Die Empa untersucht alternativ dazu die Nutzung einer Bemischung von Wasserstoff zum Methan (Hythan<\/i>). Ziel ist es, die Effizienz von Gas-Hybridantrieben nochmals zu steigern und die CO2-Emissionen weiter zu senken. Schliesslich wird in den Entwicklungsabteilungen der Fahrzeugkonzerne \u2013 in enger Zusammenarbeit mit Forschungslabors wie denjenigen des PSI \u2013 intensiv die Markteinf\u00fchrung von serientauglichen Brennstoffzellen-Hybridfahrzeugen vorbereitet. <\/p>\n

Das energetisch selbstregulierende Quartier<\/h2>\n


\nDie Kombination der genannten Optionen gipfelt in der Vision eines Quartiers, welches seine Energiefl\u00fcsse auf der lokalen Ebene selbst\u00e4ndig verwaltet und optimiert. Als erster Schritt wird die Lastaufnahme durch aktives Management so weit wie m\u00f6glich an das Profil der verf\u00fcgbaren Leistung aus der lokalen regenerativen Erzeugung angepasst. Die zentrale Energiedrehscheibe kontrolliert nicht nur das Elektrizit\u00e4tsverteilnetz, das W\u00e4rmenetz, die K\u00fchlmittelverteilung und das Gasnetz, sondern verf\u00fcgt auch \u00fcber die Wandler zwischen den Energiespeichern. W\u00e4rme- und K\u00e4ltespeicher, station\u00e4re Batterien und Ladestationen f\u00fcr Elektrofahrzeuge, Elektrolyseure, Methanisierungsanlagen und Tankstellen f\u00fcr Wasserstoff sowie Methan\/Hythan sind installiert. Bei Gemeinden im l\u00e4ndlichen Umfeld wird die regionale Biomassenutzung in verschiedenen Varianten in das Konzept einbezogen. Die Institutionen des ETH-Bereichs stehen mit mehreren Schweizer St\u00e4dten und Gemeinden im Kontakt, um Elemente dieser Vision in die Stadtplanung aufzunehmen und schrittweise zu realisieren.All diese Steuerungsaufgaben ben\u00f6tigen innovative elektronische Komponenten, welche sich durch geringen Eigenenergieverbrauch und tiefe Kosten auszeichnen. Bei den zentralen Schalteinheiten sowie auf den h\u00f6heren Netzebenen kommt moderne Leistungselektronik zum Einsatz. Es er\u00fcbrigt sich zu erg\u00e4nzen, dass der Informations- und Kommunikationstechnologie und der Regelungstechnik bei der Realisierung eine essenzielle Bedeutung zukommt. Diesen Aufgaben sollen im Rahmen des Energieforschungs-Kompetenzzentrums \u00abNetze\u00bb intensive Forschungsanstrengungen gewidmet werden. <\/p>\n

Der Weg in die gesellschaftliche Realit\u00e4t<\/h2>\n


\nEinige k\u00fcrzlich abgeschlossene, umfangreiche Feldversuche mit Smart Metering<\/i> haben interessante Einsichten gebracht. Die Visualisierung des eigenen Verbrauchs resultierte bei den teilnehmenden \u2013 mutmasslich f\u00fcr das Konzept aufgeschlossenen \u2013 Haushaltungen in einer Stromeinsparung von 1%\u20132%. Eine Wirkung des sozialen Vergleichs oder der Stromberatung konnte noch nicht signifikant erh\u00e4rtet werden. Der Weg \u00fcber Verordnungen erscheint in einem freiheitlichen Gesellschaftssystem schwierig. Wie kann man sich unter diesen Umst\u00e4nden die Transformation einer ganzen Gemeinde, einer kleinen Stadt oder eines Quartiers zur energetisch selbstregulierenden Einheit vorstellen?Hier mag ein Vergleich mit der Informations- und Kommunikationstechnik hilfreich sein. Der grosse Durchbruch der \u00abintelligenten\u00bb Mobiltelefonie und der privaten Computernutzung beruht auf der F\u00e4higkeit der Endger\u00e4te, \u00fcber drahtlose Kommunikation die M\u00f6glichkeiten der Vernetzung mit anderen Einheiten quasi selbst\u00e4ndig zu identifizieren und aufzubauen. Diese \u00abbessere\u00bb L\u00f6sung setzte sich auf dem Markt ohne die Notwendigkeit einer F\u00f6rderung durch und verdr\u00e4ngte mehrere \u00e4ltere Technologien. Zugegebenermassen arbeitet der Energiesektor mit (teilweise viel) l\u00e4ngeren Zeitskalen und wesentlich h\u00f6heren, langfristigen Investitionen. Trotzdem ist zu erwarten, dass sich die vernetzte Einbindung in das Energiesystem dann durchsetzen wird, wenn sie sich f\u00fcr ihn eindeutig als die \u00fcberlegene, g\u00fcnstigere L\u00f6sung darstellt und seitens der Versorger als Standardl\u00f6sung angeboten wird. <\/p>\n

Grundlagen schaffen f\u00fcr eine Gesamtsicht des Energiesystems<\/h2>\n


\nDie Gesamtsicht auf das Energiesystem mit seinen vernetzten Elementen ist eine notwendige Voraussetzung f\u00fcr das Gelingen der \u00abEnergiestrategie 2050\u00bb. Die Botschaft zur Energiestrategie stellt richtig fest, dass zur Erreichung dieser Ziele verst\u00e4rkte Forschung erforderlich ist und gef\u00f6rdert werden soll. Die Forschenden greifen im Rahmen der Swiss Competence Centers for Energy Research<\/i>, \u00fcber welche diesen Herbst entschieden wird, die Herausforderung auf, damit dank koordinierter Energieforschung wesentliche Grundlagen f\u00fcr die Realisierung der Vision geschaffen werden k\u00f6nnen.
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Im Prozess der Methanisierung, die in Anlagen wie der abgebildeten stattfindet, wird CO2 mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt, das nach geeigneter Konditionierung ins Erdgasnetz eingespeist werden kann.\u00a0 PSI Strom macht gegenw\u00e4rtig rund 25% des Endenergieverbrauchs der Schweiz aus. W\u00e4hrend die Diskussion auf zuk\u00fcnftige Optionen der Elektrizit\u00e4tsbereitstellung fokussiert, wird mit Recht darauf hingewiesen, dass […]<\/p>","protected":false},"author":3943,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"om_disable_all_campaigns":false,"ep_exclude_from_search":false,"footnotes":""},"post__type":[66],"post_opinion":[],"post_serie":[],"post_content_category":[],"post_content_subject":[230],"acf":{"seco_author":3943,"seco_co_author":null,"author_override":"","seco_author_post_ocupation_year":"","seco_author_post_occupation_de":"Bereichsleiter Allgemeine Energie, Head of General Energy Research Department, Paul Scherrer Institut PSI, Villingen","seco_author_post_occupation_fr":"Directeur du d\u00e9partement \u00c9nergie non nucl\u00e9aire, Institut Paul Scherrer PSI, Villingen","seco_co_authors_post_ocupation":null,"short_title":"","post_lead":"Der Bundesrat hat die Botschaft zur Energiestrategie 2050 verabschiedet und darin ein umfangreiches Paket von Massnahmen vorgeschlagen, um die Ziele hinsichtlich Endenergie und Elektrizit\u00e4tsverbrauch gem\u00e4ss dem mittleren Szenario \u00abPolitische Massnahmen\u00bb zu erreichen. Dem Thema der Energiespeicherung ist darin ein vergleichsweise kurzer Abschnitt gewidmet. Das Faktenblatt h\u00e4lt fest: \u00abDie Entwicklung von Energiespeichern wird durch verst\u00e4rkte Forschung und durch die Anreizwirkung der Verg\u00fctung von steuerbarer Produktion gef\u00f6rdert.\u00bb Worin besteht der Beitrag der Forschung zur Erreichung dieser Ziele?","post_hero_image_description":"","post_hero_image_description_copyright_de":"","post_hero_image_description_copyright_fr":"","post_references_literature":"","post_kasten":[{"kasten_title":"Kasten 1:","kasten_box":"

Methanisierung \u2013 eine M\u00f6glichkeit der Nutzung von CO2<\/h3> \n
Unter den Massnahmen zur Reduktion des CO2-Ausstosses wird neben der Vermeidung (Mitigation) und der geologischen Lagerung (Carbon Capture and Storage, CCS) neuerdings auch die Nutzung (Utilization, CCSU) diskutiert. Analysiert man global gesehen die M\u00f6glichkeiten der Nutzung, so kommt man schnell zum Schluss, dass die Synthese von Chemikalien \u2013 selbst bei optimistischsten Annahmen \u2013 nur einen Bruchteil (weniger als 10%) des emittierten CO2 binden k\u00f6nnte.<\/div> \n
Einzig der Energiesektor k\u00f6nnte in der terti\u00e4ren Erd\u00f6lf\u00f6rderung und in der Synthese von Brenn- und Treibstoffen gr\u00f6ssere CO2-Str\u00f6me umsetzen und verwerten. In der Schweiz k\u00f6nnte diese Option zur Diskussion kommen, falls im Energiesystem Gaskraftwerke ben\u00f6tigt werden und die Emissionen im Inland kompensiert werden sollen. Die Option Power to Gas und die Technologie der Methanisierung in der Forschung voranzutreiben, ist also auch unter diesem Aspekt unbedingt empfehlenswert.<\/div>"}],"post_notes_for_print":"","first_teaser_header_de":"","first_teaser_header_fr":"","first_teaser_text_de":"","first_teaser_text_fr":"","second_teaser_header_de":"","second_teaser_header_fr":"","second_teaser_text_de":"","second_teaser_text_fr":"","kseason_de":"","kseason_fr":"","post_in_pdf":118587,"main_focus":null,"serie_email":null,"frontpage_slider_bild":"","artikel_bild-slider":null,"legacy_id":"7299","post_abstract":"","magazine_issue":null,"seco_author_reccomended_post":null,"redaktoren":null,"korrektor":null,"planned_publication_date":null,"original_files":null,"external_release_for_author":"19700101","external_release_for_author_time":"00:00:00","link_for_external_authors":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/exedit\/554365381f995"},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/118584"}],"collection":[{"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3943"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=118584"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/118584\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":127189,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/118584\/revisions\/127189"}],"acf:user":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/3943"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=118584"}],"wp:term":[{"taxonomy":"post__type","embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/post__type?post=118584"},{"taxonomy":"post_opinion","embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/post_opinion?post=118584"},{"taxonomy":"post_serie","embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/post_serie?post=118584"},{"taxonomy":"post_content_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/post_content_category?post=118584"},{"taxonomy":"post_content_subject","embeddable":true,"href":"https:\/\/dievolkswirtschaft.ch\/de\/wp-json\/wp\/v2\/post_content_subject?post=118584"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}