Median stündlicher Strombedarf (Linien) und Produktion (Felder) im Sommer (oben)und Winter (unten). Bild: Empa

Die stündliche Stromproduktion in der Schweiz 2018. (RoR: run-of-river, PV: photovoltaics). Bild: Empa

Empa und Uni Genf: Mit 25 TWh Solar- und 12 TWh Windstrom gegen Importstrom mit hohen CO2-Emissionen und die Winterstromlücke

(Empa) Mehr Wärmepumpen in Gebäuden und mehr Elektroautos auf den Strassen führen künftig zu einem Anstieg des Stromverbrauchs in der Schweiz. Zur Deckung dieses steigenden Bedarfs sind wir auf Stromimporte angewiesen, die allerdings häufig einen grossen CO2-Fussabdruck aufweisen, da sie etwa aus Gas- oder Kohlekraftwerken stammen. In einer neuen Studie zeigen Forschende der Empa und der Universität Genf anhand verschiedener Szenarien auf, wie die Schweiz mit einem diversifizierten Zubau von erneuerbaren Energien diese CO2-belasteten Stromimporte reduzieren kann. (Texte en français >>)


Die Schweiz will bis 2050 klimaneutral werden – unter dem Strich also keine Treibhausgase mehr ausstossen. Viele Strategien auf diesem Weg zu «Netto Null» beinhalten den Ersatz von fossilen Brennstoffen durch Elektrizität – in der Mobilität in Form von Elektrofahrzeugen und im Gebäudebereich in Form von Wärmepumpen zum Heizen. In der Schweiz stammt der benötigte Strom heute grösstenteils aus Kern- und Wasserkraftwerken – Technologien mit einem geringen CO2-Fussabdruck. Betrachtet man aber ganz Europa, sieht die Lage anders aus: Schätzungen zufolge sind fossile Kraftwerke zur Stromerzeugung für rund 25% der gesamten europäischen Treibhausgasemissionen verantwortlich.

Spitzenstunden mit bis zu 600g CO2-Äquivalente
Bereits heute ist die Schweiz auf Stromimporte aus Nachbarländern angewiesen. Der Anteil des Importstroms macht rund 11% aus. Während der im Inland produzierte Strom rund 40g CO2-Äquivalente pro Kilowattstunde verursacht, liegt der Durchschnitt des gesamten Schweizer Strommix – also inklusive Importe – bei rund 108g. «In Spitzenstunden können es sogar bis zu 600g sein», sagt Martin Rüdisüli vom «Urban Energy Systems Lab» der Empa. Will man also die CO2-Belastung des Schweizer Strommix tief halten, ist ein genauer Blick auf diese Importe nötig. Bislang basierten Angaben zu den Treibhausgasemissionen von importiertem Strom auf Durchschnittswerten. In einer neuen Studie haben Forschende der Empa und der Universität Genf nun die Stromimporte im Stundenrhythmus analysiert und gleichzeitig sowohl die direkten als auch die indirekten CO2-Emissionen der Stromproduktion einbezogen.

Ersatz für Atomstrom
Aufgrund der steigenden Elektrifizierung rechnen die Forscher mit einem zusätzlichen Strombedarf von rund 12 Terawattstunden pro Jahr. Das sind gut 20% mehr als wir heute schon verbrauchen. «Gleichzeitig müssen wir den Atomstrom ersetzen, da der Bundesrat den schrittweisen Ausstieg aus der Kernenergie plant», erklärt Elliot Romano vom Institut für Umwelt- und Wasserwissenschaften der Universität Genf. Der Ersatz erfolgt durch erneuerbare Energien, die deutlich volatiler sind – also nicht gleichmässig auftreten – und dadurch wiederum die Menge und den Zeitpunkt von Stromimporten erheblich beeinflussen.

45% geringeren Treibhausgasemissionen
Vor diesem Hintergrund haben die Forschenden verschiedene Szenarien entwickelt und analysiert, wie sich der Schweizer Strommix künftig zusammensetzen sollte, damit die Importe (und dadurch auch die strombedingten Treibhausgasemissionen) minimiert werden können. Die Studie zeigt, dass der Anteil an Importstrom im Schweizer Strommix in jedem Fall ansteigen wird – und dadurch auch die CO2-Emissionen. Trotz dieser höheren «importierten» Emissionen wird die zunehmende Elektrifizierung von Wärme und Mobilität aber zu bis zu 45% geringeren Treibhausgasemissionen im gesamten Schweizer Energiesystem führen.

Wind gegen die Winterstromlücke – und «Power-to-X»-Technologien
Im Winter wird die Schweiz aufgrund geringerer Erträge aus der Photovoltaik weiterhin am stärksten auf Stromimporte angewiesen sein. Das Szenario, das hinsichtlich Emissionsreduktion in der Studie am besten abgeschnitten hat, sieht deshalb neben einem Ausbau der Solarenergie auf 25 Terawattstunden (von derzeit 2.7 TWh) auch einen grossen Anteil an Windenergie von rund 12 Terawattstunden (von derzeit 0.1 TWh) vor. «Windenergie fällt mehrheitlich im Winter und in der Nacht an», so Martin Rüdisüli. «Sie kann also helfen, unsere Importabhängigkeit in diesen Zeiten zu verringern.»

Eine zunehmend grosse Herausforderung orten die Studienautoren bei der saisonalen Speicherung von Energie. In allen durchgerechneten Szenarien sind aufgrund der ausgebauten Photovoltaik grosse Stromüberschüsse im Sommer zu erwarten. Das grösste Potenzial, diese Überschüsse in den Winter zu überführen, sehen die Forschenden in «Power-to-X»-Technologien, die die Umwandlung von überschüssigem Strom in speicherbare chemische Energieträger wie Wasserstoff oder synthetisches Methan ermöglichen, sowie in thermischen Speichern wie etwa Erdsondenfeldern.

M Rüdisüli, E Romano, S Eggimann, MK Patel; Decarbonization strategies for Switzerland considering embedded greenhouse gas emissions in electricity imports; Energy Policy (2022) >>

Text: Empa

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3 Kommentare

Peter E.

Nachtrag:
Bei Speicher-Kraftwerken haben wir beim Heraufpumpen und wieder Turbinieren des Wassers einen relativ grossen "Umwandlungsverlust". Es wäre zu prüfen, ob dieser kleiner wäre, wenn das Wasser mittels einer Art "Pater-Noster-Lift" hinauf und bei Bedarf wieder hinunter transportiert würde. Ich könnte mir vorstellen, dass vor allem beim Hochbefördern des Wassers die direkte mechanische Beförderung um einiges effizienter ist als via Wasserturbinen.

Peter E.

Um die Winterstromlücke zu verringern, gibt es folgende Lösungen:

- Tiefenbohrungen bis in den Bereich, wo die Erdkruste 90 Grad warm ist. Das geförderte Wasser ist dann bereits heiss genug zum Heizen und es braucht keine Wärmepumpe, bloss etwas Strom für die Zirkulation.

- 2015 hat die EMPA Versuche mit einer Betonheizung durchgeführt. Dieser Spezialbeton verdunstet im Sommer Wasser und nimmt so die Wärme auf (gleichzeitig Kühlfunktion für die Umgebung). Im Winter fügt man Wasser hinzu, dies führt zu einer Erhitzung des Betons und generiert so Heizwärme. Auch hier braucht es nur wenig Strom für das Wasser-Management. Da nicht bloss CO2-neutral, sondern sogar Wärme-neutral, da die in der Atmosphäre freigesetzte Wärme im Sommer wieder entzogen wird. Eine geniale Lösung, die ansatzweise funktionierte. Leider wurde mit den Versuchen aufgehört. Meines Erachtens ein grosser Fehler!

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