Technologien

Wasserkraft ist die tragende Säule der Schweizer Stromversorgung. Ebenfalls grosse Mengen Strom produzieren die Schweizer Kernkraftwerke. Mit dem schrittweisen Ausstieg wird die Kernkraft dereinst aber vollständig durch andere Technologien zu ersetzen sein, namentlich durch Photovoltaik, erneuerbar betriebene thermische Kraftwerke und Windenergie. Eine Übersicht über die wichtigsten Technologien von heute und morgen.

Wasserkraft

Die Wasserkraft ist der wichtigste Energieträger zur Stromproduktion in der Schweiz. Bei der Wasserkraft wird zwischen der Grosswasserkraft und der Kleinwasserkraft unterschieden. Dabei werden Wasserkraftwerke mit einer Leistung unter 10 MW als Kleinwasserkraftwerke bezeichnet. Die Wasserkraftwerke werden weiter in die drei Kategorien Laufwasserkraft, Speicherwasserkraft und Pumpspeicherkraft unterteilt.

Laufwasserkraftwerke liegen an Flüssen und Bächen. Dabei nutzen sie unmittelbar und kontinuierlich das zufliessende Wasser und produzieren somit dauernd, allerdings mit starken saisonalen Schwankungen.

Speicherkraftwerke hingegen können ihre Produktion dem tagesaktuellen Bedarf anpassen – und damit wertvolle Spitzenenergie erzeugen. Sie liegen meist in alpinen Gebieten. Das Wasser kann in den Speicherseen zurückgehalten und bei erhöhtem Energiebedarf für die Stromproduktion entnommen werden. Das macht die Speicherwasserkraft besonders wertvoll für die Winterversorgung, weil das Wasser für die kalte Jahreszeit saisonal gespeichert werden kann.

Ein Teil der Speicherkraftwerke ist als Pumpspeicherkraftwerke gebaut. Pumpspeicherwerke verfügen im Unterschied zu reinen Speicherkraftwerken nicht nur über einen oberen Speichersee, sondern auch über ein unteres Wasserreservoir. Von dort kann Wasser wieder in den oberen See gepumpt werden. Sie sind aufgrund ihrer Flexibilität für ein jederzeitig zuverlässiges Stromversorgungssystem, insbesondere für die Netzstabilität, von zentraler Bedeutung.

​​​​​​Wichtigste Stromproduktionstechnologie – heute und zukünftig

Die Wasserkraft machte 2022 knapp 53 Prozent der Produktion aus, was 33,56 TWh entspricht. Der Anteil der Wasserkraft war 2022 deutlich kleiner als in den Vorjahren (-15,2 Prozent im Vergleich mit 2021), in denen die Wasserkraftwerke ca. 60 Prozent des in der Schweiz produzierten Stroms erzeugten. Das Jahr 2022 war geprägt durch eine Jahrhundert-Trockenheit. Vielerorts war es das niederschlagsärmste, wärmste und gleichzeitig auch das sonnigste Jahr seit Messbeginn (1864). Dies führt dazu, dass die Stromproduktion aus Wasserkraft im Jahr 2022 ausser­gewöhnlich tief ausgefallen ist. Zum Vergleich: Die Produktionserwartung pro Jahr liegt durchschnittlich bei rund 37,2 TWh.  

Die rund 1300 Wasserkraftanlagen liefern zuverlässig elektrische Energie und leisten einen sehr hohen Beitrag zur Stabilisierung des Netzes, da sie gut plan- und steuerbar sind. Zudem liefert Wasserkraft eine nützliche Kombination von Band- und Spitzenenergie und ermöglicht eine saisonale Speicherung des Stroms. All diese Faktoren machen die Wasserkraft auch für Winterstromversorgung besonders wertvoll.

Gemäss der VSE Studie «Energiezukunft 2050» wird die Wasserkraft die tragende Säule der Schweizer Stromversorgung bleiben. Ihr Ausbaupotenzial wird auf rund 2 Terawattstunden pro Jahr bemessen. Dieses Ausbauvolumen soll bis 2040 realisiert werden. Um die Wintersicherheit des Energiesystems zu erhöhen, haben sich Behörden, Strombranche und verschiedene Interessengruppierungen an einem runden Tisch zudem auf 15 Wasserkraftprojekte geeinigt, die 2 TWh mehr Winterstrom bringen sollen (Verlagerung von Sommern in Winter, keine Mehrproduktion). Weil die Winterversorgung der Knackpunkt ist, ist die Realisierung dieser 15 Projekte vom Bundesparlament für dringlich erklärt worden.

Photovoltaik

Unter Photovoltaik (PV) versteht man die direkte Umwandlung von Sonneneinstrahlung in Strom mittels Solarzellen. Dabei wird Gleichstrom erzeugt, welcher durch einen Wechselrichter zu Wechselstrom wird und dann zum Eigenverbrauch genutzt oder in das Stromnetz abgegeben werden kann.

Solarstrom kann auf jeder Aussenfläche produziert werden. Am meisten verbreitet sind Solaranlagen jedoch auf Dächern und Fassaden, sprich auf bestehender Infrastruktur. Das technische Potenzial ist riesig. PV-Anlagen können aber auch auf Freiflächen realisiert werden. Das bedeutet auf Feldern wie grosse Wiesen oder in (hoch-)alpinen Gebieten. Die Freiflächensolaranlage kann fix montiert oder sogenannt nachgeführt sein. Im letzteren Fall folgen die Panels dem Stand der Sonne. In der Schweiz gewinnen Freiflächenanlagen an Bedeutung, viele Projektideen sind am Entstehen und in Umsetzung. Mit ein Grund dafür sind nicht zuletzt die vom Parlament beschlossenen Massnahmen (u.a. Solaroffensive), die die Realisierung von PV-Freiflächenanlagen beschleunigen und vereinfachen sollen.

Die zunehmende Bedeutung der Solarenergie in der Stromversorgung ist eine Herausforderung für die Stromnetze. Im Gegensatz zu heute, wo wenige grosse zentrale Kraftwerke den Grossteil der Stromproduktion verantworten, werden zukünftig viele kleine, dezentrale Produktionsstätten wie PV-Anlagen Strom produzieren. Die Stromnetze, insbesondere auf den unteren Netzebenen (Verteilnetz), müssen weiterentwickelt werden, um diesen vermehrt dezentral produzierten Strom aufnehmen und verteilen zu können.

Schon bald der wichtigste Energieträger neben der Wasserkraft

Der Anteil von PV an der Stromproduktion betrug im Jahr 2021 2,9 TWh. 2022 produzierten PV-Anlagen bereits 3,9 TWh Strom, was rund 7 Prozent der Schweizer Stromerzeugung entspricht. Der Anteil Solarstrom wächst von Jahr zu Jahr kontinuierlich an.

Die Technologie hat ein grosses PotenzialGemäss verschiedenen Quellen könnte mehr Solarstrom pro Jahr produziert werden, als zurzeit im Land verbraucht wird.  Das Potenzial von PV auf bestehender Infrastruktur wird auf rund 60 TWh geschätzt (je nach Quelle). Auf gut 5 TWh pro Jahr wird das Potenzial von PV-Freiflächenanlagen in alpinen Gebieten bemessen. Der grosse Vorteil von alpinen Freiflächenanlagen ist, dass ihr Jahresertrag fast doppelt so gross ist als eine vergleichbare Anlage im Flachland. Zudem ist eine alpine PV-Anlage besonders ergiebig in den Wintermonaten, was zusätzlicher Winterstrom und dadurch zusätzliche Sicherheiten für die Winterversorgung bedeutet.

Windenergie

Windenergieanlagen wandeln die kinetische Energie der anströmenden Luft in Elektrizität um. Eine Windkraftanlage besteht aus dem Mast, der Gondel und dem Rotor, der meistens mit drei Rotorblättern bestückt ist. Für eine Windkraftanlage wird etwa die Fläche eines Einfamilienhauses benötigt. Eine Windkraftanlage produziert bereits ab einer Windgeschwindigkeit von 10 Kilometern pro Stunde Strom. Die Anlagen sind äusserst robust und müssen nur bei sehr starken und länger andauernden Sturmböen von über 150 Kilometern pro Stunde abgeschaltet werden, um Schäden zu vermeiden. So produzierten die Windkraftanlagen während 80 Prozent der Zeit Strom.

In der Schweiz sind 12 Windparks mit insgesamt 41 Windkraftanlagen in Betrieb (Stand 2022). Dies entspricht einer installierten Leistung von 87 Megawatt und einer Jahresproduktion von 0,15 TWh. Ein weiterer Windpark mit 6 Anlagen befindet sich in Bau. Zudem stehen 18 Projekte mitten in Bewilligungsverfahren und weitere 35 Windkraftparks werden geplant (Stand 2022).

In der Schweiz gibt es verschiedene Standorte, die für die Windkraft geeignet sind. Windkraftanlagen produzieren rund zwei Drittel des Stroms in der kalten Jahreszeit, was diese Technologie für die Winterversorgung besonders wertvoll macht.

Wichtige Ergänzung für eine resilientere Stromversorgung

Der Anteil der Windkraft an der Schweizer Stromproduktion ist derzeit noch gering: Windenergie produzierte im Jahr 2022 ca. 0,15 TWh, was lediglich 0,2 Prozent der Landeserzeugung entspricht. Das Ausbaupotenzial ist ein Vielfaches grösser: Das Bundesamt für Energie (BFE) schätzt das gesamte Windenergiepotenzial in der Schweiz bei 29,5 TWh pro Jahr. Das entspräche einer Windstromproduktion im Winter von 19 TWh. Gemäss Konzept Windenergie verfolgt der Bund das Ziel, dass die Windkraft bis ins Jahr 2050 4,3 TWh des Schweizer Stroms produziert.

In der VSE Studie «Energiezukunft 2050» findet der Ausbau der Windkraft vor allem in den offensiven Szenarien statt, sprich bei hoher inländischer Akzeptanz für neue Energieinfrastruktur. In der Studie wird ein realisierbares Ausbaupotenzial bis 2050 von 3 TWh pro Jahr angenommen. Dies entspräche 2 TWh wertvollen Winterstrom. Die Windkraft wird in der «Energiezukunft 2050» als wichtige Ergänzung zu den anderen erneuerbaren Energiequellen betrachtet, die sie Stromversorgung als Ganzes resilienter macht und vor allem zusätzliche Sicherheiten im Winter liefert.

(Quelle: Kernkraftwerk Gösgen)

Kernkraft

Die Kernenergie ist heute die zweitbedeutendste Stromproduktionstechnologie in der Schweiz. Sie produziert rund um die Uhr Strom (Bandenergie). Ein Kernkraftwerk ist de facto ein Wärmekraftwerk. In einem Kernkraftwerk werden Uranatome kontrolliert gespalten. Dadurch wird Energie frei, mit der Wasser unter hohem Druck aufgeheizt wird. Es entsteht Dampf, der eine mit einem Generator verbundene Turbine antreibt. Im Gegensatz zu anderen Wärmekraftwerken wie Kohle- oder Gaskraftwerke erzeugen Kernkraftwerke keine Luftschadstoffe und Treibhausgase. Der Strom aus der Kernkraft ist weitestgehend CO2-frei, was die Stromproduktion der Schweiz äusserst klimaschonend macht.

Durch die Spaltung der Uranatome entsteht radioaktiver Abfall, der in massive Schutzbehälter verpackt und teilweise in einem geologischen Tiefenlager jahrhundertelang entsorgt werden muss. Ein breit abgestütztes, demokratisch legitimiertes Verfahren für die definitive Wahl eines Tiefenlagers ist im Gange. Bis das Tiefenlager steht, werden die radioaktiven Abfälle sicher in einem Zwischenlager untergebracht.

Die Stromerzeugung aus Kernkraftwerken birgt trotz hohen Sicherheitsstandards gewisse Risiken. Im Frühling 2011 haben Bundesrat und Parlament im Zuge der Nuklearkatastrophe in Fukushima entschieden, dass in der Schweiz keine neuen Kernkraftwerke mehr gebaut werden sollen. Der schrittweise Ausstieg aus der Kernkraft sowie ein Neubauverbot wurden 2017 von der Schweizer Bevölkerung bestätigt (Annahme Energiestrategie 2050). Die bestehenden Anlagen können so lange weiter betrieben werden, wie ihre Sicherheit gewährleistet ist. Diese Sicherheitsprüfung erfolgt durch das Eidgenössische Nuklearsicherheitsinspektorat (ENSI).

Aktuell sind vier Kernkraftwerke in der Schweiz am Netz: Beznau-1 (seit 1969), Beznau-2 (seit 1972), Gösgen (seit 1979) und Leibstadt (seit 1984). Das Kernkraftwerk Mühleberg, das wie Beznau-2 1972 in Betrieb gegangen war, ging 2019 vom Netz.

Wichtiger Beitrag bis zur Stilllegung

Die Kernkraft ist eine bedeutende Säule der Schweizer Stromversorgung. Die vier Kernkraftwerke produzierten im Jahr 2022 über einen Drittel des Schweizer Stroms, was gut 21 TWh bedeutet. Da Kernkraftwerke Bandenergie erzeugen, sprich rund um die Uhr zuverlässig produzieren, trägt die Kernkraft das ganze Jahr (also Tag und Nacht) über massgeblich zu Versorgungssicherheit und Netzstabilität bei.

Die Schweiz hat sich für den schrittweisen Ausstieg aus der Kernkraft entschieden. Ein fixes Abschaltdatum gibt es im Gegensatz zu anderen Ländern aber nicht. Die vier Meiler dürfen so lange betrieben werden, wie sie sicher sind. Bei einer Laufzeit von 60 Jahren würde Leibstadt Mitte der 2040er Jahre als letztes Kernkraftwerk vom Netz gehen. Die Kernkraft wird folglich noch viele Jahre zur Stromversorgung beitragen. Bis zum Ende der Laufzeiten muss der Ausbau der erneuerbaren Energien entsprechend weit fortgeschritten sein, um die Kernkraft vollständig ersetzen und den steigenden Strombedarf decken zu können, der durch die Dekarbonisierung entstehen wird.

Wasserstoff

Wasserstoff (H2) ist das am häufigsten vorkommende Element und praktisch in allen organischen Verbindungen präsent. Er ist unsichtbar, farb- und geschmacklos sowie ungiftig. Wasserstoff ist das chemische Element mit der geringsten Atommasse, weist dabei aber eine enorme Energiedichte auf (H2 enthält pro Masse 3-mal mehr Energie als Benzin oder 7-mal mehr als Holzpellets).

Im Wesentlichen gibt es drei Möglichkeiten, Wasserstoff zu gewinnen. Der aktuell am weitverbreitetsten Weg ist die Dampfreformierung von Erdgas. Das erhitzte und aufgespaltete Erdgas reagiert dabei mit Wasserdampf. Das Endprodukt ist grauer Wasserstoff – grau, weil bei diesem Prozess CO2-Emissionen entstehen. Wird das emittierte CO2 eingefangen und eingelagert, bezeichnet man den Wasserstoff als blau. Grüner und damit CO2-freier Wasserstoff entsteht in einem Verfahren, das Wasser statt Erdgas als Ausgangsstoff verwendet. Das Wasser wird durch die Elektrolyse in Wasser- und Sauerstoff aufgespalten. Grün ist der Wasserstoff aber nur dann, wenn für die Elektrolyse erneuerbar produzierter Strom eingesetzt wird.

Wasserstoff dürfte künftig eine wichtige Rolle in der europäischen Energieversorgung und auch in der Schweiz spielen. In der «Energiezukunft 2050» geht der VSE davon aus, dass sich ein globaler Wasserstoffmarkt mit entsprechenden europaweiten Wasserstoffnetzen entwickelt. Dafür spricht insbesondere, dass auf europäischer Ebene im Rahmen des European Green Deal die Nutzung von grünem Wasserstoff als tragende Säule des Energiesystems vorgesehen ist und entsprechende Entscheide bereits gefällt wurden. Auch Deutschland hat eine nationale Wasserstoffstrategie mit konkreten Zielen und Massnahmen verabschiedet. Die grossen europäischen Gasversorger arbeiten an einem Konzept zur Anpassung und Erweiterung des Erdgasnetzes, um bis 2040 ein europäisches Wasserstoffnetz zur Verfügung zu haben. Aus heutiger Sicht wird es deshalb als gesichert betrachtet, dass sich ein trans-europäischer Wasserstoffmarkt entwickeln wird. Für die Schweiz stellt sich die Frage, wann und zu welchen Bedingungen sie an diesen angeschlossen wird.

Abbildung 22 aus «Energiezukunft 2050»: Wasserstoffbilanzen der vier Szenarien für die vier gewählten Stützjahre.

Der Import von grünem Wasserstoff über die entstehende europäische Wasserstoffinfrastruktur kann neben Wasserkraft und PV zu einer tragenden Säule der Energieversorgung werden, speziell auch im Winter. Im Szenario «offensiv-integriert» liefern mit Wasserstoff betriebene Gaskraftwerke ganzjährig rund 13 TWh Elektrizität, davon 9 TWh im Winter, womit sie rund 20% des Winterbedarfs decken würden.

Weitere Technologien

Wärme-Kraft-Kopplung (WKK)

Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen (WKK) erzeugen gleichzeitig Wärme und Strom. Ausschlaggebend für den Betrieb ist die Wärme, die für Industrieprozesse, Heizzwecke oder zur Warmwasseraufbereitung nötig ist. Der im selben Prozess erzeugte Strom kann lokal verwendet oder ins Elektrizitätsnetz eingespeist werden. Je mehr Wärme erzeugt wird, umso effizienter ist die WKK-Anlage. WKK-Anlagen sind gut steuerbar. Mit ihrer Flexibilität tragen die Anlagen zur Stabilität das Verteilnetzes und zur Versorgungssicherheit bei.

2021 produzierten WKK-Anlagen 2,2 TWh Strom. WKK macht über die Hälfte der thermischen Kraftwerksproduktion aus, jedoch unter 5 Prozent der gesamtschweizerischen Stromerzeugung.

Die heutzutage meistens fossil oder teilfossil befeuerten Anlagen können dereinst grösstenteils mit Wasserstoff oder synthetischen Gasen betrieben werden, was sie für ein dekarbonisiertes Energiesystem interessant machen. Zudem erzeugen sie sowohl Wärme als auch Strom. So gehen die Modellierungen der VSE «Energiezukunft 2050» auch davon aus, dass erneuerbar befeuerte thermische Kraftwerke wie WKK-Anlagen besonders in den Wintermonaten eine grosse Stütze für die Strom- und Wärmeversorgung sein werden.

Biomasse

Organisches Material wie Holz, Grüngut aus Landwirtschaft und Gartenanlagen, Küchenabfälle und Biomasse im Landwirtschafts- und Siedlungsabwasser ist eine wertvolle Ressource, mit der man umweltfreundlich Strom und Wärme erzeugen kann. Die Nutzung der Biomasse erfolgt dabei auf verschiedene Arten. Der grösste Teil des aus Biomasse erzeugten Stroms stammt heute aus Kehrichtverbrennungsanlagen, weil die Hälfte der Siedlungsabfälle als Biomasse zählt.

Kehrichtverbrennungsanlagen arbeiten – wie Holzkraftwerke – grundsätzlich gleich wie andere thermische Kraftwerke: Mit der Verbrennungswärme wird Wasserdampf erzeugt. Der Dampf treibt dann eine Turbine an. Grüngut sowie Biomasse aus Siedlungsabwasser und Landwirtschaft werden meist vergärt und in Biogas umgewandelt. Mit diesem Biogas lassen sich dann ein Motor und damit wiederum ein Stromgenerator antreiben. Auch die dabei entstehende Wärme kann genutzt werden, wodurch ein hoher Gesamtwirkungsgrad erzielt wird.

Biomasse hat 2021 etwas mehr als ein Prozent der Produktion ausgemacht, was 0,7 TWh entspricht. Das inländische Potenzial von Biomasse für das Energiesystem ist begrenzt. Die energetische Nutzung von Biomasse kann jedoch mit Importen (grösstenteils in Form von Biomethan) erhöht werden.

Gaskombikraftwerke

Gaskombikraftwerke (GuD) verfügen neben einer Gasturbine auch über eine Dampfturbine zur Stromerzeugung. Sie haben einen hohen Stromwirkungsgrad, weshalb sie zu den äusserst effizienten thermischen Kraftwerken zählen. GuD zeichnen sich zudem durch eine hohe Betriebsflexibilität aus. Das ist u.a. vorteilhalft für die Netzstabilität.

Das Verbrennen von Erdgas zum Befeuern von Gaskombikraftwerken ist mit CO2-Emissionen verbunden. Der Vorteil an GuD ist jedoch, dass sie auch mit Biogas und anderen synthetischen (erneuerbaren) Gasen sowie dannzumal mit Wasserstoff betrieben werden können. Das macht GuD zu einer interessanten und vielseitigen Technologie, wie auch die «Energiezukunft 2050» des VSE festhält. Die Studie geht von einer maximal verfügbaren GuD-Leistung von 2 GW im Jahr 2050 aus. Mit dieser Leistung können wasserstoffbetriebene GuD zwischen 7,5 und 12,1 TWh Strom erzeugen – je nach Szenario.

Geothermie

Geothermie (Erdwärme) ist eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle. Geothermie lässt sich unabhängig von Klima, Tages- und Jahreszeit zur Wärmegewinnung und Stromproduktion nutzen. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen in den verschiedenen Erdschichten wird unterschieden zwischen untiefer Geothermie und tiefer Geothermie. Beide Verfahren nutzen die in Tiefen von drei bis fünf Kilometern vorhandenen Temperaturen von 100 bis 200 Grad Celsius.

Während die Erdwärme bereits ab einer Temperatur von 40 Grad Celsius fürs Heizen nutzbar ist, kann Strom erst ab einer Temperatur von 100 Grad Celsius produziert werden. In der Schweiz gibt es noch keine Anlage, die Strom mit Erdwärme produziert (weltweit gibt es mehrere hundert Anlagen in 29 Ländern, die erneuerbaren Strom produzieren). Eine Anlage in Riehen BS versorgt seit 1994 gut 8'800 Haushalte mit Erdwärme fürs Heizen.

2021 lieferten geothermische Wärmesysteme 4,6 TWh Heizenergie. Davon stammen 96,4 Prozent von Anlagen, die mit Wärmepumpen verbunden sind. Die übrigen 3,6 Prozent entsprechen einer direkten Nutzung der Erdwärme.

Das Potenzial von Geothermie für die Stromproduktion ist sehr gross. Weil der tiefe Untergrund aber nur punktuell bekannt ist, kann sich die mitteltiefe bis tiefe Geothermie nicht entwickeln. Das Hindernis soll durch Forschung und Analysen beseitig werden. Aus diesem Grund werden Geothermie-Erkundungsprojekte mit Beiträgen gefördert.