Auf in die Energiezukunft

Der Ausbau des Energiesystems mit Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen (BEV) ist eine Strategie der Schweiz und vieler anderer Länder zur Reduktion der CO2-Emissionen. Ein so grosser Ausbau der Elektrifizierung stellt das Stromsystem jedoch vor mehrere neue Herausforderungen, insbesondere in Kombination mit einer gleichzeitigen Substitution von Kernkraftwerken (KKW) durch flüchtige erneuerbare Energien wie Photovoltaik (PV).

In dieser EMPA-Studie werden die Herausforderungen bezüglich des zusätzlichen Strombedarfs, Defizits und Überschüsse sowie einer effektiven CO2-Minderung in einem dynamischen und datengesteuerten Ansatz bewertet. Deshalb werden Strombedarfs- und Produktionsprofile aufgrund von Messdaten, Spezifikationen und Annahmen der Schlüsseltechnologien mit hoher zeitlicher Auflösung synthetisiert.

Der zusätzliche Strombedarf der Wärmepumpen wird aus stündlich gemessenen Wärmebedarfsprofilen eines Schweizer Fernwärmeversorgers geschätzt, während für das BEV verschiedene Lademuster kombiniert werden. Bei der Stromerzeugung werden die Kernkraftwerke vom aktuellen Stromerzeugungsprofil abgezogen, während die PV mit einer stündlichen Auflösung hinzugefügt wird. Um die CO2-Emissionen abzuschätzen, werden die CO2-Intensitäten der verschiedenen Technologien der Lebenszyklusanalyse (LCA) verwendet.

Es zeigt sich, dass bei einer BEV- und Wärmepumpenpenetration von 20 % bzw. 75 % eine fast 25 %-ige (13,7 TWh/Jahr) Steigerung des Strombedarfs und ein zusätzlicher maximaler Leistungsbedarf von 5,9 GWh/h (stündlich gemittelte Leistung) vorliegt. Ohne zusätzliche Speichermöglichkeiten müssen im Winter und in der Nacht grosse Mengen an Strom importiert werden, während im Sommer mittags ein grosser Überschuss an PV-Energie anfällt. Aufgrund ihrer hohen CO2-Intensitäten - zumindest für die nächsten Jahrzehnte - können Stromimporte und PV je nach Referenzszenario (mit oder ohne KKW) und Annahmen zu anderen Schlüsselparametern sogar die gesamten CO2-Einsparungen eines hoch elektrifizierten Schweizer Energiesystems ausgleichen.

Schlussfolgerungen aus der Studie

Bei einer geschätzten Substitution der fossilen Energie im Mobilitäts- und Heizungsbereich durch 20 % BEV und 75 % Wärmepumpen ergibt sich ein zusätzlicher Strombedarf von 13,7 TWh, davon 10 TWh für Wärmepumpen, bzw. 3,7 TWh für BEV. Dies ist ein Anstieg des aktuellen Strombedarfs (Endverbrauch) um 23 %. Zudem liegt der grösste Teil dieser zusätzlichen Nachfrage im Winter, wenn die heimische Stromproduktion am niedrigsten ist und CO2-intensivere Stromimporte oder neue Schweizer GKGT-Kraftwerke benötigt werden.

Im Hinblick auf den maximalen Leistungsbedarf werden zusätzlich 5,9 GWh/h (stündliche Durchschnittsleistung) benötigt. Dies ist auch für das Stromsystem eine grosse Herausforderung, da die Kapazitäten und Flexibilitäten in der Schweizer Stromproduktion begrenzt und faktisch nur aus (Pump-) Speicherkraftwerken verfügbar sind. In einem hochgradig elektrifizierten Energiesystem mit einem hohen Anteil an PV und keiner Grundlastkernkraft gibt es grosse Stromdefizite – meist im Winter und in der Nacht – sowie Überschüsse – meist im Sommer und am Mittag –, die nur teilweise durch kurz-, z.B. Batterien, Pumpspeicher, und langfristige, z.B. Power-to-Gas, Speicherung ausgeglichen werden können.

Abhängig vom Referenzszenario (mit oder ohne Kernenergie) und der Annahme der wichtigsten Parameter, z.B. Umfang der Gebäudesanierung, CO2-Intensität der Importe, Wärmepumpe und BEV-Penetration, etc., variieren die CO2-Einsparungen eines elektrifizierten Energiesystems und können sogar durch einen Anstieg CO2-intensiver Importe im Winter ausgeglichen werden. Der wichtigste Parameter für eine erfolgreiche Elektrifizierung des Energiesystems im Hinblick auf die CO2-Minderung ist daher eine geringe CO2-Intensität der Stromimporte im Winter. Darüber hinaus sollten Energiesysteme für eine effektive CO2-Minderung ganzheitlich betrachtet werden, mit Fokus- und Minderungsschritten auf alle Energieträger (auch fossile) und Technologien.

Abhängigkeiten vom Ausland

Da Nachbarländer wie Deutschland und Frankreich vor ähnlichen Herausforderungen bezüglich der Dekarbonisierung ihres Energiesystems stehen, sind erneuerbare Stromimporte aus diesen Ländern schwieriger (und teurer) zu beschaffen. Eine Schweizer Energiestrategie und Dekarbonisierung, die stark auf (erneuerbare) Stromimporte angewiesen ist, hängt daher wirtschaftlich und technisch immer mehr vom Zeitplan der Dekarbonisierung des europäischen Energiesystems ab.

Wichtig, aber nicht ausschliesslich

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Elektrifizierung nicht die einzige Lösung für einen Energieübergang zu weniger CO2 sein kann. Dennoch wird die Elektrifizierung von Wärme und Mobilität im zukünftigen Energiesystem eine wichtige Rolle spielen, nicht zuletzt aus anderen Gründen als der CO2-Reduktion, wie z.B. lokale Luftverschmutzung und Lärmminderung, etc. Es erscheint wichtig, dass der Ausbau der erneuerbaren Energien, sei es Strom oder andere Energieträger, zeitnah und quantitativ auf den Mehrverbrauch der jeweiligen Energieträger abgestimmt wird.

Im Hinblick auf weitere Studien sollten insbesondere die folgenden Untersuchungen durchgeführt werden:


Auf Produktionsseite:

  • Untersuchungen für das Management über die effektiven Potenziale von Hydro- und Pumpspeichern in den verschiedenen Szenarien, zusammen mit anderen Speichertechnologien, z.B. Batterien, etc.
     
  • Untersuchungen zu den Auswirkungen unterschiedlicher Ausstiegsszenarien (in Zeit und Intensität) auf die CO2-Emission und die Stromversorgung

Auf Nachfrageseite:

  • Untersuchungen zu konkreten Möglichkeiten der Gebäudeflexibilität wie Nah- und Fernwärmespeicherung, Speichermöglichkeiten auf beiden Seiten von Wärmepumpen (Strom oder Wärme), etc.
  • Untersuchungen zu konkreten nachfrageseitigen Steuerungsstrategien für die Mobilität, z.B. Ladeplanung, Vehicle-to-Grid, etc.


Nicht zuletzt sind auch die mit allen Optionen verbundenen Kosten in dieser und weiteren Studien ein entscheidender Faktor für die Untersuchung. Daher sollte auch eine Kostenschätzung verschiedener Ansätze zur CO2-Minderung, z.B. im Hinblick auf die Anpassung der Infrastruktur usw., durchgeführt werden.


Article «Energies», Vol. 12: Impacts of an Increased Substitution of Fossil Energy Carriers with Electricity-Based Technologies on the Swiss Electricity System (EMPA, Web)

Gesamtenergiestatistik 2018: Die energetische Identitätskarte der Schweiz (BFE, Web)

Solarpotenzial von Schweizer Gemeinden (BFE, Web)

«Energie – sonnenklar», Photovoltaik: Technik und Infrastruktur (Info-Broschüre, PDF)

Fachbuch: Photovoltaik, Heinrich Häberlin (Shop)

Mit Photovoltaik-Fassade Eigenverbrauch optimiert, PV-Fassade (Artikel, bulletin.ch)

Photovoltaik: Rekordergebnisse trotz starker Hitze (Blog)



Veranstaltungshinweise

 

Quelle: EMPA-Studie von Martin Rüdisüli, Sinan L. Teske and Urs Elber
Übersetzung: DeepL
Foto: pixabay

 

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