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Woher kommt der Strom im Jahr 2050?

Peter Burgherr

Peter Burgherr

Peter Burgherr sieht das grösste Potenzial für die Strombereitstellung in der Schweiz in der Photovoltaik. Foto Paul Scherrer Institut/Markus Fischer. Bild ZVG PSI

Die Schweiz hat sich zum Ziel gesetzt, bis im Jahr 2050 keine Treibhausgasemissionen mehr auszustossen. Mit diesem Netto-Null-Ziel möchte sie ihren Beitrag dazu leisten, die Klimaerwärmung global auf weniger als 1.5 Grad zu begrenzen. Die Szenarien der Kompetenzzentren zeigen, dass sich das Netto-Null-Ziel technisch bis 2050 erreichen lässt. Dafür sind aber koordinierte und umfassende Anpassungen in verschiedenen Bereichen notwendig, welche die gesamte Gesellschaft betreffen.

Was dieses Ziel für den künftigen Strombedarf bedeutet und welchen Beitrag dazu insbesondere die Geothermie und die Wasserkraft leisten können, hat das Schweizer Kompetenzzentrum für Energieforschung – Strombereitstellung (SCCER-SoE) untersucht. Dabei hat sich der Fokus vom Ausbau der Erneuerbaren zu Beginn des Projekts hin zu einer viel umfangreicheren Problemstellung verschoben: Bis im Jahr 2050 wird der Strombedarf um 30 bis 50 Prozent steigen. Dieser Anstieg muss weitmöglichst klimaneutral erfolgen, was viel umfassenderer und vor allem integralerer Lösungen bedarf.

Unerlässlicher Bestandteil davon sind negative Emissionen, wobei CO2 dauerhaft aus der Atmosphäre entfernt wird. Das SCCER-SoE analysierte daher auch, welche Möglichkeiten der Schweizer Untergrund zur Speicherung von CO2 bietet. Hinzu kommt, dass es nicht nur zusätzlichen Strom braucht, sondern dieser auch zur gewünschten Zeit am richtigen Ort verfügbar sein muss. Der Zusammenschluss aus 25 Schweizer Wissenschaftseinrichtungen, Industrieunternehmen sowie Bundesbehörden führte in den vergangenen sieben Jahren zahlreiche Forschungs- und Innovationsprojekte durch, um die Strombereitstellung der Zukunft greifbar zu machen.

Stromnachfrage wird um bis zu 50 Prozent steigen

Wie sich das Stromangebot und die Nachfrage in Zukunft zusammensetzen, haben insgesamt acht Kompetenzzentren unter der Leitung des SCCER-SoE gemeinsam anhand von Szenarien modelliert. Die Resultate zeigen, dass die Stromnachfrage bis 2050 um 30 bis 50 Prozent steigen wird. Das ist mehrheitlich auf eine Elektrifizierung in zwei Bereichen zurückzuführen: Transport und Heizen. Fahrzeuge aller Art werden künftig soweit möglich elektrisch betrieben und nicht mehr mit fossilen Energieträgern.

Das betrifft nicht nur private Fahrzeuge, sondern auch den öffentlichen Verkehr sowie den Gütertransport. Wo dies aufgrund von Nutzerbedürfnissen nicht möglich ist, werden Wasserstofffahrzeuge eingesetzt. Für Heizzwecke setzt sich der Trend fort, umweltfreundliche Wärmepumpen oder Holzheizungen anstelle von Öl- und Gasheizungen einzusetzen. Zusammen mit umfassenden Massnahmen, um die Energiebilanz von Gebäuden zu verbessern, handelt es sich um effiziente und kostenwirksame Mittel zur Reduktion von CO2-Emissionen.

«Insgesamt lassen unsere Analysen darauf schliessen, dass die Stromversorgungskosten trotz sinkender Kosten für Erneuerbare voraussichtlich steigen werden», schätzt Peter Burgherr, Leiter der Gruppe Technology Assessment am Labor für Energiesystemanalysen des Paul Scherrer Instituts.

Um die steigende Nachfrage zu decken und insbesondere den Wegfall der Kernkraftwerke zu kompensieren, muss das Angebot erneuerbarer Energien bis 2050 nahezu verdoppelt werden. Den grössten Beitrag können dabei Technologien leisten, welche den Wind und insbesondere die Sonne nutzen.

«Die Photovoltaik hat das weitaus grösste Potenzial zur Stromproduktion mit erneuerbarer Energie in der Schweiz», sagt Burgherr. «Die Nutzung der zusätzlichen Potenziale von Wind, Biomasse, Geothermie und Wasserkraft ist aber entscheidend für einen insgesamt widerstandsfähigen Stromsektor.»

Sie können ihr Potenzial aber nur ausschöpfen, wenn gleichzeitig in ausgeklügelte Speichersysteme investiert wird, um die Schwankungen in der Nachfrage abzudecken (Wasserkraft, Geothermie). Sie bedürfen zudem der Unterstützung in weiten Teilen der Bevölkerung. Ergänzend brauchte es auch unter optimistischen Annahmen weiterhin Stromimporte oder inländische Gaskraftwerke, um den Bedarf abzudecken sowie geothermische Energie für direkte Wärmenutzung oder Stromerzeugung.

Effizienzsteigerung und Negativemissionen

Neben dem Ausbau der erneuerbaren Energie, einer Effizienzsteigerung bestehender Technologien und Massnahmen, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten, benötigt die Schweiz zusätzlich negative Emissionen, um das Netto-Null-Ziel zu erreichen. Solche negativen Emissionen lassen sich beispielsweise durch die Verbrennung von Biomasse mit anschliessender CO2-Abscheidung und langfristiger Speicherung im Untergrund erzielen. Die aktuellen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die Speicheroptionen im Schweizer Untergrund geringer sind als ursprünglich erhofft, was weiterführende Untersuchungen erfordert sowie parallele Abklärungen zu Speicheroptionen im Ausland.

«Alle Erneuerbaren erlauben bis 2050 eine ‘kohlenstoffarme’ Stromerzeugung, wobei Wasserkraft, Windkraft und Photovoltaik am besten abschneiden», so Burgherr. Bei der Biomasse besteht eine grosse Abhängigkeit vom Ausgangsmaterial. Genauso wie beim Erdgas braucht es zudem eine Lösung, um das anfallende CO2 abzuscheiden und langfristig zu speichern. Für die künftige Stromversorgung ist somit nicht nur der Ausbau der Erneuerbaren entscheidend, sondern auch ihr Zusammenspiel und die gesellschaftliche Unterstützung. Die gesetzten Klimaziele lassen sich nur erreichen, wenn rasch umfassende Änderungen am Gesamtsystem vorgenommen werden.

Wasserkraft bleibt wichtigste Energiequelle

Die Wasserkraft ist heute und auch in Zukunft die wichtigste einheimische Energiequelle in der Schweiz. Neben ihrem direkten Beitrag zur Elektrizitätsversorgung übernimmt die Wasserkraft eine wichtige Rolle als Energiespeicher. In Zeiten mit tiefen Strompreisen können Pumpspeicherwerke gefüllt und bei Bedarf energiebringend geleert werden. Zudem lassen sich grosse Stauseen als saisonale Speicher nutzen, um beispielsweise Elektrizität für den Winter bereitzustellen.

Ein signifikanter Ausbau der Wasserkraft in den kommenden Jahrzehnten ist aufgrund der hohen Anforderungen an den Umweltschutz und der gesellschaftlichen Akzeptanz solcher Projekte unrealistisch. Daher sollte die Effizienz bestehender Anlagen optimiert und diese wenn möglich, sinnvoll und akzeptabel erweitert werden. Das gilt auch für das Speicherpotenzial, das mit einer Erhöhung bestehender Stauanlagen vergrössert werden könnte. Mit dem Rückzug von Gletschern entstehen zudem neue Möglichkeiten für Stauseen, die es in einem partizipativen Prozess zu prüfen gilt.

In jedem Fall sollten allfällige Erweiterungen oder Neuerschliessungen frühzeitig angegangen werden, da solche Vorhaben üblicherweise 15 oder mehr Jahre beanspruchen. Dabei gilt es insbesondere den ökologischen Fussabdruck dieser Vorhaben genau zu analysieren und sie entsprechend zu priorisieren. Damit die Wasserkraft ihren essenziellen Beitrag für die Klimastrategie leisten kann, benötigt es Anstrengungen im Hinblick auf die Optimierung bestehender Anlagen sowie deren Ausbau, neuer Anlagen und begleitender Forschung.

Geothermie mit grossem Potenzial

Die Geothermie hat in der Schweiz das Potenzial, künftig einen grossen Anteil des Wärmbedarfs für Heizzwecke, Warmwasser und gewisse industrielle Prozesse abzudecken. Dazu kann einerseits Wasser im Untergrund erhitzt und dann gefördert werden. Anderseits kann der Untergrund als Speicher für an der Oberfläche erwärmtes Wasser genutzt werden, das beispielsweise mittels überschüssiger Energie aus der Photovoltaik oder Kehrichtverbrennungsanlagen erwärmt wurde. Wird das Potenzial ausgeschöpft, kann die Geothermie einen wichtigen Beitrag zur Dekarbonisierung in diesem Bereich leisten.

Um dieses Potenzial für den Wärmebedarf auszuschöpfen sowie die direkte Stromgewinnung mittels Geothermie weiter zu erkunden, braucht es ein noch besseres Verständnis davon, wie der lokale Untergrund aussieht und reagiert. Zudem gilt es weiter zu untersuchen, welche Verfahren und Techniken sich für die Wärmegewinnung anbieten. Weil die Effizienz der Geothermie mit der Tiefe steigt, sind insbesondere Untersuchungen in grösseren Tiefen, wie sie beispielsweise im BedrettoLab der ETH Zürich vorgenommen werden, von grosser Bedeutung.

Die im Rahmen des SCCER-SoE gewonnenen Erkenntnisse stimmen optimistisch, dass die Geothermie künftig für die Wärmegewinnung eine wichtige Rolle übernehmen könnte und einen möglichen Beitrag an die direkte Stromversorgung. In jedem Fall empfiehlt sich ein schrittweises Vorgehen, das fortwährend tiefere Einblicke in den Untergrund gewährt und Aufschluss über die Wahl und/oder Ausgestaltung des Verfahrens bietet.

Um das Netto-Null-Ziel erreichen zu können, sind negative Emissionen unabdingbar. Dazu kann CO2 entweder direkt aus der Luft oder im Zuge industrieller Prozesse abgeschiedenen und in geeignete tiefe geologische Formationen gepumpt werden, wo es dauerhaft verbleibt. Dort kann es langfristig mineralisieren und sich so mit dem Umgebungsgestein verbinden.

Es muss davon ausgegangen werden, dass das Potenzial für die CO2-Speicherung in der Schweiz tiefer liegt als bisher erhofft. Um das effektive Potenzial abschätzen zu können, sind jedoch weitere detaillierte Analysen des Untergrunds notwendig. Parallel dazu empfiehlt es sich, Speicheralternativen im Ausland zu erkunden, weil es sich abzeichnet, dass solche unabdingbar für die Erreichung des Netto-Null-Ziels sind.

Text erstellt auf Grundlage einer Mitteilung der ETH Zürich

Quelle: Paul Scherrer Institut

4.10.2021

Das Schweizer Kompetenzzentrum für Energieforschung – Strombereitstellung SCCER-SoE

Das Schweizer Kompetenzzentrum für Energieforschung – Strombereitstellung (SCCER-SoE, Swiss Competence Center for Energy Research – Supply of Electricity) steht für innovative und nachhaltige Forschung in den Bereichen Geo-Energie und Wasserkraft. Das SCCER-SoE erforschte, entwickelte und testete neue Technologien und optimierte bestehende Infrastrukturen für die zukünftige Energieerzeugung. Dazu schaffte das SCCER-SoE in enger Zusammenarbeit mit der Industrie innovative Forschungsstellen, gründete Technologieplattformen, investierte in Labore und koordinierte nationale sowie internationale Forschungsprojekte. Die Aktivitäten erfolgten in Abstimmung mit dem Bundesamt für Energie. Finanziert wurde das SCCER-SoE durch den Schweizerischen Nationalfonds und die Kommission für Technologie und Innovation. Letztere war zudem für die Steuerung des SCCER-SoE zuständig.

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

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