Die Rolle der Netzinfrastruktur in der schweizerischen Energiewende

02.11.2023
Um eine klimaneutrale Schweiz bis 2050 zu erreichen, hebt eine Studie der EPFL und der HES-SO Valais-Wallis die entscheidende Notwendigkeit hervor, die elektrischen Netze zu stärken und erneuerbare Energien auszubalancieren.
Gastautor
Jonas Schnidrig
Doktorand Energy Doctoral School EPFL, EPFL & HES-SO Valais-Wallis
Disclaimer
Die «Carte blanche» ist eine Plattform innerhalb der Website des VSE, auf welcher der Verband Branche, Wissenschaft, Politik und Wirtschaft die kostenlose Möglichkeit bietet, für die Branche relevante Fachbeiträge und Artikel zu publizieren. Externe Autorinnen und Autoren äussern in diesen Beiträgen ihre persönliche Meinung. Diese gibt nicht zwingend die Ansichten und Haltung des VSE wieder.

Co-Autorin und -Autoren

Dieser Artikel entstand in Zusammenarbeit mit folgenden Personen: Dr. Rachid Cherkaoui, Lehr- und Forschungsbeauftragter und Dozent, DESL-PWRS EPFL in Lausanne, Dr. Yasmine Calisesi, Direktorin Energy Center EPFL in Lausanne, Prof. Dr. Manuele Margni, Professor in Lebenszyklusanalyse und Nachhaltigkeit HES-SO & Polytechnique Montréal, EPFL & HES-SO Valais-Wallis in Sitten sowie Prof. Dr. François Maréchal, Professor in Energiesystemn EPFL, IPESE EPFL Valais-Wallis in Sitten.

Die Umsetzung der Energiewende zur Begrenzung der Erderwärmung auf weniger als 1,5°C ist eine globale Herausforderung. Diese Aufgabe wird noch komplexer für Länder wie die Schweiz, die bereits ein dichtes und fortgeschrittenes Energiesystem haben. Unter den vielen Elementen dieser Transformation ist die Rolle der Energieinfrastrukturen, insbesondere der Stromnetze, von grundlegender Bedeutung. In der Schweiz machen diese Infrastrukturen bis zu 40% der Stromkosten und 35% der Kosten für die Elektromobilität aus. In diesem Kontext stellt sich dringend die Frage, wie Technologien, die erneuerbare Energien nutzen, in Symbiose mit den bestehenden Netzwerken konzipiert und implementiert werden können.

Während die Schweiz danach strebt, bis 2050 eine CO2-Bilanz von netto null zu erreichen, und dazu grossflächig auf erneuerbare Energien zurückgreift, gewinnt die Frage der Stärkung der elektrischen Netzwerke an Bedeutung. In dem Masse, wie der Anteil erneuerbarer Energien steigt und die Importe fossiler Energien abnehmen, werden die Energieinfrastrukturen, bestehend aus Netzwerken und Speichertechnologien, stärker in Anspruch genommen. Daher ist es unerlässlich, diese Infrastrukturen im Rahmen von Energiesystemen zu modellieren, um die Beschränkungen, die sie für technologische Entscheidungen für den energetischen Wandel darstellen, widerzuspiegeln.

Dieser Artikel präsentiert eine eingehende Studie, die an der EPFL und der HES-SO Valais-Wallis durchgeführt wurde und sich mit diesen entscheidenden Fragen beschäftigt. Durch die Verwendung des Modellierungsrahmens für multi-energetische und multisektorale EnergyScope untersucht diese Studie den Übergang von einem auf Importen basierenden Energiesystem zu einem auf Investitionen basierenden System und wie sich dies in einem langfristig wirtschaftlicheren und widerstandsfähigeren Energiesystem niederschlägt. Darüber hinaus behandelt dieser Artikel das Gleichgewicht zwischen saisonaler Energieproduktion und -speicherung und erforscht die Auswirkungen der Implementierung von Photovoltaik- und Windenergiekapazitäten auf dieses Szenario. Schliesslich werden die Auswirkungen der Netzwerkverstärkung, die technologischen Entscheidungen für die Energieumwandlung und -speicherung und wie diese Entscheidungen die Energieinfrastruktur beeinflussen, thematisiert.

Während die Schweiz den ambitionierten Weg der energetischen Transformation beschreitet, können diese Schlussfolgerungen eine aufschlussreiche Perspektive darüber bieten, wie man am besten in Richtung einer nachhaltigen, unabhängigen und kohlenstoffneutralen energetischen Zukunft navigiert.

Eine unabhängige und neutrale Schweiz 2050

Es ist einfacher, seinen Weg zu wählen, wenn man sein Ziel kennt. Und aus diesem Grund wurde an der EPFL ein Modell des Energiesystems entwickelt, das die möglichen Umsetzungen der Energiewende berechnen kann. Die Technologien, die zur Umwandlung, Speicherung, Verteilung und letztendlichen Bereitstellung von Energiedienstleistungen verwendet werden, sind basierend auf dem Potenzial der verfügbaren Energiequellen dimensioniert. Dieses Modell ermöglicht zunächst, die Energie- und Materialflüsse sowie die zu installierenden Kapazitäten zur Deckung des Bedarfs der Schweiz zu berechnen und anschliessend die Kosten des Systems zu bestimmen, indem die Investitionen über ihre Lebensdauer (mit einem Zinssatz von 2,2%) annualisiert und die Importpreise berücksichtigt werden. Dieses Modell wurde kalibriert und validiert, indem die Flüsse und die Kosten des aktuellen Systems berechnet und die Ergebnisse mit den Statistiken des BFE [1] verglichen wurden. Für das aktuelle Energiesystem variieren die berechneten Kosten zwischen 112 und 168 CHF/Monat pro Einwohner, je nach dem «guten Willen» der internationalen Energiemärkte und den geopolitischen Faktoren, die diese beeinflussen. Das Modell ermöglicht auch die Berechnung der damit verbundenen Emissionen von 4 t CO2-Äquivalenten pro Jahr pro Einwohner.

Die Definition der möglichen Szenarien des zukünftigen Energiesystems erfordert die Modellierung des Entscheidungsprozesses zur Durchführung der Transition. Anstelle von Expertenentscheidungen wurde beschlossen, die Wahl eines «wohlwollenden Diktators» zu modellieren, der sich für das kostengünstigste System zur Durchführung der Transition entscheidet und dabei den Willen der schweizerischen Bevölkerung respektiert. In diesem erstellten Modell äussert sich dieser Wille in Form eines unabhängigen und neutralen Schweizer Staates; unabhängig durch die Entscheidung, keine fossilen Energieressourcen, Uran und Elektrizität mehr zu importieren. Dies ermöglicht die Entwicklung eines Energiesystems, das die Versorgungssicherheit gewährleistet und die Schweiz vor geopolitischen Unsicherheiten schützt. Und neutral in Bezug auf Treibhausgasemissionen: Dies äussert sich in einer Menge von 374 kg CO2, die pro Einwohner und Jahr [2] sequestriert werden, um die lokale Produktion von Treibhausgasen auszugleichen. Diese Beschränkung garantiert der Schweiz jedoch nicht, CO2-neutral zu sein, da heute mehr als zwei Drittel ihrer Emissionen durch Importe von Gütern und Dienstleistungen im Ausland verursacht werden [3].

Das auf diese Weise berechnete Energiesystem maximiert die Nutzung lokaler und erneuerbarer Ressourcen und beinhaltet eine Strategie zur Lagerverwaltung, die die Versorgungssicherheit garantiert. In der nachstehend präsentierten Studie wurde das Modell angepasst, um die notwendigen Verstärkungen der elektrischen, Erdgas-, Wasserstoff- und Wärme-Netze zu quantifizieren.

Wie viel wird das Energiesystem 2050 kosten?

Das Konzept des «wohlwollenden Diktators» für das Jahr 2050 schlägt das kostengünstigste Energiesystem vor, mit Kosten von 92 bis 94 CHF pro Monat pro Einwohner (siehe untenstehende Grafik), und das widerstandsfähigste im Angesicht geopolitischer Schwankungen. Es zeichnet sich durch einen hohen Anteil von Investitionen in Technologien zur Energieernte, -umwandlung, -verwaltung und -verteilung in der lokalen Wirtschaft aus, nämlich 77% der Kosten des Energiesystems, und durch die maximale Nutzung lokaler Ressourcen, im Gegensatz zum aktuellen System, das hauptsächlich auf vermeintlich günstige Energieimporte angewiesen ist.

Vergleich der Kostenstruktur des aktuellen und zukünftigen Energiesystems. Das Modell unterscheidet drei Arten von Kosten: Investitionen, die im Gebiet des untersuchten Systems getätigt werden, Wartung, die mit dem Betrieb der Technologien verbunden ist, und Betrieb, der für den Kauf importierter Energieressourcen oder den Preis für die Sammlung von Ressourcen innerhalb des Systems steht. Die Abbildung zeigt die Zusammensetzung der modellierten jährlichen Kosten für die aktuellen Systeme sowie das kostengünstigste System im Jahr 2050. Die Kosten sind auf die Gesamtinvestitionen des Systems 2020 normalisiert. Der absolute Wert pro Monat und Einwohner ist jeder Kostenkolonne hinzugefügt.

Ein Schlüsselmerkmal des vorgeschlagenen Systems ist seine wirtschaftliche Effizienz, die eine Kostensenkung von 45 bis 60% im Vergleich zu den aktuellen Systemen bietet. Diese Effizienz ist nicht nur eine Folge der Verwendung günstigerer Ressourcen, sondern auch das Ergebnis eines Systems, das Geld von den aktuellen Importen (12,6 bis 22,4 Milliarden CHF) in Form von Investitionen in der Schweiz umlenkt. Die Umsetzung dieses Systems entspricht einer Investition von 10,6 bis 11,9 Milliarden CHF pro Jahr, ähnlich dem von Swissbanking vorgesehenen Betrag (12,9 Milliarden CHF pro Jahr) [4]. Auf der Nutzung heimischer Ressourcen basierend, wird dieses System auch widerstandsfähiger gegenüber geopolitischen Schwankungen, während es seine Fähigkeit behält, Energiemanagementdienstleistungen für den Rest Europas anzubieten.

Die Bedeutung des Energiemanagements

Im aktuellen Strommix, der hauptsächlich auf Kern- und Wasserkraft basiert, könnte man sehr niedrige CO2-Emissionen erwarten. Der Wert von 112 kg CO2/MWh [5] ist durch das Energiemanagement bedingt, das auf einem Anteil an fossiler Elektrizität aus Importen basiert. Im untersuchten System spielen das Management und die saisonale Speicherung von Energie eine grundlegende Rolle bei der Ausbalancierung von Produktion und Nachfrage. Die folgende Grafik zeigt die Entwicklung des Energiemixes und der Speichertechnologien in Bezug auf die installierte Photovoltaikleistung. Das optimale System basiert auf einem PV-Wind-Verhältnis von 2:3 (12 GW PV und 20 GW Wind) und nutzt Produktionssynergien, während es sich auf Wasserkraft zur Speicherung von Produktionsüberschüssen stützt. Die Nutzung von Biomasse und deren Integration mit der Power-to-Gas-Technologie ist eine weitere Energiespeichermethode. Sie ermöglicht, das bestehende Erdgasnetz zur Speicherung des sommerlichen lokalen Produktionsüberschusses zu nutzen. Dieser zentralisierte Speicher wird im Winter distribuiert, um den winterlichen Bedarf zu decken. Die Sensitivitätsanalyse zur Photovoltaik-Durchdringung zeigt, dass hohe Installationsraten von PV zu einer Reduktion von Wind sowie zu einer erhöhten Nutzung von Erdgas führen, was auf die höhere saisonale Dephasierung von Produktion und Konsum zurückzuführen ist.

Entwicklung der Kostenstruktur des wirtschaftlich optimalen Systems in Bezug auf die installierte Photovoltaikleistung. Die sekundäre Achse repräsentiert die erforderliche saisonale Speicherkapazität. Fallstudie einer unabhängigen und neutralen Schweiz im Jahr 2050 zu minimalen Kosten.

Hausmüll trägt ebenfalls zur Energieverwaltung bei, insbesondere wenn er zur Deckung des saisonalen Bedarfs gespeichert werden kann. Müllverbrennungsanlagen werden mit CO2-Abscheidung ausgestattet, um die zur Erreichung der Neutralität erforderlichen negativen Emissionen zu erzeugen.

Hin zu einem dezentralisierten System

Im untersuchten Energiemodell liegt der Fokus auf der entscheidenden Bedeutung der Netzinfrastrukturen, insbesondere der elektrischen Verteilnetze mit niedriger und mittlerer Spannung. Untenstehende Grafik zeigt den Verbrauch (Linie), die Produktion (weiss) und die Umwandlung von Elektrizität auf verschiedenen Ebenen (Farben). Es zeigt sich, dass die Photovoltaik-Produktion vollständig auf ihrer Produktionsebene verbraucht wird (keine Transformation auf die Mittelspannung), jedoch nur 29,5% des Niederspannungsverbrauchs ausmacht. Die Windproduktion auf Mittelspannungsebene ergänzt den erhöhten Niederspannungsbedarf aufgrund der Präsenz von Elektrofahrzeugen. Auf der Mittelspannungsebene entspricht die Stromproduktion dem doppelten Bedarf auf dieser Ebene, aber nur 26% der Produktion werden dort verbraucht. Drei Viertel des Stroms werden auf einer niedrigeren Ebene zum Verbrauch umgewandelt, oder auf einer höheren Ebene zur Verwaltung in den Staudämmen. Die Veränderungen in Produktion und Verbrauch auf den Nieder- und Mittelspannungsebenen zeigen, dass eine Verstärkung dieser elektrischen Verteilnetze notwendig sein wird, um dezentralisierte Wind- (82% der Mittelspannungskapazität) und Solarproduktion sowie elektrische Mobilität (+61% der Niederspannungsnetzkapazität) zu integrieren. Hier ist eine Schwäche des Modells hervorzuheben, bei dem der Eigenverbrauch auf Niederspannungsebene, insbesondere die Produktion von Photovoltaik-Panels (PV), sowie der Betrieb von Batterien von Elektrofahrzeugen zentralisiert modelliert wurde.

Entwicklung von Produktion und Umwandlung von Elektrizität auf verschiedenen Spannungsebenen. Der farbige Strom kommt von höheren oder niedrigeren Ebenen. Der positive Teil ist die Produktion auf der eigenen Netzebene oder Import von einer anderen Spannungsebene 7, während der negative Teil die Energieexporte zu einer anderen Spannungsebene veranschaulicht.

Bezüglich der elektrischen Übertragungsnetze und des Gasnetzes sind die Ergebnisse in Bezug auf notwendige Verstärkungen weniger ausgeprägt, da sie historisch für ein zentralisiertes Hochspannungssystem, das für elektrische Importe sowie für Kern- und Wasserkraft und für Hochdruck aufgrund von Erdgasimporten konzipiert wurde, dimensioniert sind. Diese Netze spielen jedoch eine strategische Rolle im Hinblick auf die Energiespeicherung.

Die Dezentralisierung zeigt sich auch in der kombinierten Produktion von Wärme und Elektrizität, auch bekannt als Kraft-Wärme-Kopplung. Brennstoffzellen spielen hier eine Schlüsselrolle, indem sie eine dezentralisierte Kraft-Wärme-Kopplung in Gebäuden oder Quartieren ermöglichen. Das zukünftige Modell wird daher dezentralisierter als das aktuelle System sein, was bedeutet, dass die Rolle der Netzinfrastrukturen in Richtung einer dezentralisierteren und verteilten Energieverwaltung auf Quartiersebene neu überdacht werden muss.

Schlussfolgerungen

Bei der Modellierung einer energetisch unabhängigen und CO2-neutralen Schweiz bis 2050 wurde nachgewiesen, dass durch die Umleitung der Gelder von den Energieimporten hin zu Investitionen in erneuerbare Energien und deren Management in der Schweiz, die Kosten für Energiedienstleistungen niedriger sein werden als heute. Zudem wird dieses neue System resistenter gegen geopolitische und Marktschwankungen sein, was zu einer grösseren wirtschaftlichen Stabilität beitragen wird.

Die Energiewende in der Schweiz wird eine bedeutende Dezentralisierung des Energiesystems mit sich bringen. Diese grundlegende Umwandlung wird sich auf eine intelligente und lokale Energieverwaltung stützen und dabei den Fokus auf den Eigenverbrauch legen. Die Rolle der Verteilernetze muss neu definiert werden, um die Umwandlung von traditionellen Verbrauchern in «Prosumer» zu integrieren, also Personen, die Energie in ihren Nachbarschaften produzieren und verbrauchen, und die stärker auf grosse Infrastrukturen für ihre Versorgungssicherheit und für die saisonale Speicherung als für die Energieversorgung angewiesen sein werden.

Die Sensibilitäts- und Unsicherheitsanalysen des in der vorgestellten Studie verwendeten Modells zeigen, dass es viele äquivalente Lösungen gibt, wenn es darum geht, die Zukunft vorherzusagen.

Referenzen

[1] Kost, Michael, «Gesamtenergiestatistik 2020», BFE, Bern, 10537, Juli 2021.

[2] X. Li et al., «Decarbonization in Complex Energy Systems: A Study on the Feasibility of Carbon Neutrality for Switzerland in 2050», Front. Energy Res., vol. 8, p. 549615, Nov. 2020.

[3] H. Ritchie, M. Roser, and P. Rosado, «CO and Greenhouse Gas Emissions», Our World Data, May 2020, Accessed: Sep. 25, 2023.

[4] A. Benz et al., «Finance durable – Besoins en investissement et financement pour la neutralité climatique de la Suisse d’ici 2050», Association suisse des banquiers, Basel, 1, 2021.

[5] A. Santecchia, «Enabling renewable Europe through optimal design and operation», EPFL, Sitten, 2022.

Carte blanche – Die Branche hat das Wort

Die «Carte blanche» ist eine Plattform innerhalb der Website des VSE, auf welcher der Verband Branche, Wissenschaft, Politik und Wirtschaft die kostenlose Möglichkeit bietet, für die Branche relevante Fachbeiträge und Artikel zu publizieren.

Autorinnen und Autoren äussern in diesen Beiträgen ihre persönliche Meinung. Diese gibt nicht zwingend die Ansichten und Haltung des VSE wieder. Der VSE entscheidet abschliessend darüber, ob er einen angebotenen Beitrag veröffentlicht. PR-Artikel werden nicht akzeptiert.

Haben Sie ein interessantes Projekt, eine aufschlussreiche Studie oder eine bahnbrechende Lösung, welche andere Energieversorgungsunternehmen, die Politik oder die Forschung interessieren? Dann melden Sie sich bei Julien Duc, der Ihre Fragen gerne beantwortet.