Energy System Integration ESI: Neue Wege zum Energiesystem der Zukunft

Die ESI-Plattform des PSI ebnet mit vielversprechenden Lösungsansätzen zur Integration neuer erneuerbarer Energien in das Schweizer Energiesystem den Weg in die industrielle Anwendung.

Die Bedeutung von Technologien, die elektrische Energie langfristig speicherbar machen, nimmt zu. Die Verknüpfung der Energiesysteme (Strom, Gas, Wärme) ist dabei von besonderer Relevanz. So kann zum Beispiel das Gasnetz als Speicher für umgewandelte elektrische Energie dienen. Auf der Energy-System-Integration-Plattform (ESI) des Paul Scherrer Instituts (PSI) können Partner aus Forschung und Industrie, insbesondere Energieversorger, vielversprechende Ansätze für solche Technologien testen. Im Jahr 2015 bestand der Schweizer Stromerzeugungsmix zu knapp zwei Dritteln aus Wasserkraft und zu einem Drittel aus Kernkraft. Lediglich 2,6 % wurden aus anderen erneuerbaren Energien wie Wind- und Sonnenenergie und 4 % aus sonstigen Quellen wie  Kehrichtverbrennung erzeugt. Die Energiestrategie 2050 sieht für die Schweiz eine Energieversorgung ohne einheimische Kernkraft vor.

Strommix Schweiz 2050: Viele offene Fragen

Welchen Strommix könnte die Schweiz 2050 unter diesen Bedingungen haben? Welche Technologien können in Zukunft wettbewerbsfähig sein? Hat eine Reduktion des CO2-Ausstosses Auswirkungen auf  die Stromkosten? Soll die Schweiz in das europäische Energienetz eingebunden oder eher autark sein? Und wie lässt sich eine zuverlässige Stromversorgung sicherstellen, auch wenn es keine Energie aus Schweizer Kernkraftwerken mehr gibt?

PSI_Strommix der Schweiz

Diese Fragen untersuchen Forschende am Paul Scherrer Institut PSI im Rahmen von Energiesystem- Studien. Mehr als 800‘000 Variablen beziehen sie in ihre aufwendigen Computerberechnungen ein. Dabei werden beispielsweise die Verfügbarkeiten der verschiedenen Energiequellen einberechnet und unterschiedlichste Kraftwerkstechnologien samt deren künftigen Emissionen und Kosten mit einkalkuliert. Die voraussichtliche Entwicklung des Strombedarfs der Schweiz wird ebenso in Betracht gezogen wie die Stromausbeute aus Sonnen- und Windenergie, die im Laufe des Tages und zwischen den Jahreszeiten stark schwankt und von Region zu Region verschieden ist.

Stromproduktion wird teurer

Eines der Ergebnisse der PSI-Forschenden ist: Teurer als heute wird die Stromproduktion mit und ohne Klimaschutzziel. Die Kosten der Stromproduktion je Kilowattstunde in der Schweiz werden im Jahr 2050 zwischen 20 und 120 % höher ausfallen als heute, wobei die Kosten mit zunehmenden CO2-Einsparungen ansteigen. Ihre Höhe variiert am Ende aber stark – je nachdem, ob die Schweiz ihre Investitionen in Zusammenarbeit mit den EU-Ländern tätigen will, was deutlich günstiger wäre,  oder ob sie ein autarkes Stromsystem anstrebt.

Speichertechnologien als Schlüsseltechnologie

Allen Szenarien ist gemeinsam, dass die Wasserkraft ihre Bedeutung behält. Die Analyse der  Forschenden zeigt aber auch eine zunehmende Bedeutung von Speichertechnologien. Für ein Stromsystem mit einem hohen Anteil an Sonnen- und Windenergie müsste im Vergleich zu heute mehr als doppelt so viel Strom zwischengespeichert werden können, da diese Energien unregelmässig zur Verfügung stehen. Sowohl die Speicherung innerhalb eines Tages als auch zwischen den Jahreszeiten wird dann notwendig. Für den Fall, dass die Schweiz grössere Stromimporte im Winter vermeiden möchte, ist eine Speicherung von Strom zwischen den Jahreszeiten in Höhe von zwei bis drei Terawattstunden nötig.

Der Haken: Strom lässt sich nur schwer direkt und schon gar nicht langfristig als Strom speichern. Einen Weg aus diesem Dilemma weist die Power-to-Gas-Technologie, die im Mittelpunkt der Forschung an der «Energy System Integration»- Plattform, kurz ESI-Plattform, des PSI steht. Mit Hilfe der Power-to-Gas-Technologie lässt sich Strom in energiereiche Gase wie Wasserstoff oder Methan umwandeln. Diese lassen sich gut speichern und bei Bedarf wieder in Strom zurückwandeln. Die Gase lassen sich auch als Rohstoff in der Industrie nutzen oder als erneuerbarer Treibstoff in Wasserstoff- beziehungsweise Erdgasfahrzeugen einsetzen, wie sie gerade am «Future Mobility Demonstrator» der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in Dübendorf getestet werden. Die Infrastruktur der ESI-Plattform erlaubt eine detaillierte Untersuchung dieser Speicher- und Umwandlungsprozesse.

Biomasse als weiterer Trumpf

Aber die Schweiz hat noch einen weiteren Trumpf im Ärmel: Biomasse. Im Gegensatz zu Solar- oder Windkraft lässt sich aus Biomasse bedarfsgerecht erneuerbare Energie erzeugen. Biomassen sind  Energiespeicher per se. In der Schweiz bergen insbesondere Holz und Gülle noch ungenutztes Potenzial für eine effiziente und nachhaltige Energieversorgung. Rund 10 % des Schweizer Energiebedarfs könnte mit Biomasse abgedeckt werden. Biomasse kann zudem ebenso helfen, die Schwankungen, die durch Solar- und Windstrom entstehen, auszugleichen. Auch hier bietet die ESI-Plattform die geeignete Infrastruktur, um die Energieerzeugung aus Biomasse in ihren unterschiedlichen Zusammensetzungen zu testen.Energy Systems Integration ESI am Paul Scherrer Institut PSI

ESI: Versuchsplattform für Forschung und Industrie

Die ESI-Plattform steht Partnern aus Forschung und Industrie als Versuchsplattform offen. Als erster Schritt vom Labor zur industriellen Anwendung bietet sie die Möglichkeit, unterschiedliche Prozesse und Verfahren auf ihre technische Machbarkeit hin zu untersuchen. So können neue Ideen im anwendungsnahen Massstab getestet werden, und ihr Potenzial für eine industrielle Nutzung kann realistisch beurteilt werden. Das PSI nutzt die ESI-Plattform, um seine vielfältige Expertise in der Energieforschung zusammenzuführen und zu testen. Das unmittelbar Machbare ist ebenso im Blick wie die Einbettung der Ergebnisse in die Entwicklung von Szenarien für mögliche künftige Energiesysteme. Dabei ist eines gewiss: Die Herausforderungen der Schweizer Energiezukunft lassen sich nur gemeinsam bewältigen. So leitet das PSI zwei der im Rahmen des Aktionsplans «Koordinierte Energieforschung Schweiz» vom Bund initiierten Kompetenzzentren für Energieforschung: das Kompetenzzentrum zu Strom- und Wärmespeicherung (SCCER Heat and Electricity Storage) und das Kompetenzzentrum für Bioenergie (SCCER BIOSWEET). Und auch mit industriellen Partnern wie der Schweizer Betreibungsgesellschaft von Übertragungsnetzen Swissgrid, dem Zürcher Energieanbieter Energie 360°, Siemens oder Swiss Hydrogen arbeitet das PSI bereits heute an der Energieversorgung von morgen.

psi-martina-groeschl Text: Martina Gröschl | Paul Scherrer Institut

 

Dieser Text ist ein Auszug aus dem Electrosuisse Lohnradar 2017. Unter dem Titel «Wissen, wo man steht» gibt die Lohnstudie der Elektrotechnik- und Energiebranche Auskunft über regionale Lohnunterschiede, Einstiegslöhne Unterschiede zwischen den einzelnen Fachbereichen und vieles Mehr.

 

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