Herausforderungen der Energieversorgung Schweiz - Lino Guzzella InfraWatt GV, Kursaal Bern - 15. Juni 2021, 30 Minuten

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Herausforderungen der Energieversorgung Schweiz - Lino Guzzella InfraWatt GV, Kursaal Bern - 15. Juni 2021, 30 Minuten
Lino Guzzella

Herausforderungen der Energieversorgung Schweiz
InfraWatt GV, Kursaal Bern – 15. Juni 2021, 30 Minuten

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Weltbevölkerung – UN Vorhersage

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UN Ziele für eine nachhaltige Entwicklung

Quelle: /www.un-page.org                     |   3   |
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Weltweit eingesetzte Energieträger (TWh/Jahr)

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CO2 Emissionen (Energie & Industrie)

30.109 t / Jahr

20.109 t / Jahr

10.109 t / Jahr

  Quelle: Our World in Data, Global Carbon Project (2021)
                                                            |   5   |
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Herkunft CO2-eq Emissionen 2016 (total 49.4 Gt/Jahr)

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CO2 Konzentration in der Atmosphäre

Quelle: https://www.esrl.noaa.gov (2021)   |   7   |
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Entwicklung globale Temperatur

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Koordinierte Energieforschung des Bundes (SCCER)

CREST (8 Partner)                                                                         EIP (6)
Competence Center for
                                                                 PSI                      Efficiency of Industrial
                                       Uni Basel 1
Research in Energy,                                               2 ETH Zurich      HSG   Processes
Society and Transition
                                                               FHNW
                                                                     3 1 Empa
                                              HES-SO                       EAWAG
                                                                                          SoE (15)
                                                                    ZHAW
H&ES (12)                                                            WSL   HSR            Supply of Electricity
                                                                                    NTB
Heat & Electricity Storage:                                     HSLU
                                                         BFH
Materials, Systems and                UniNE
                                                                UniLU                     Mobility (10)
Modelling                                                                                 Efficient Technologies
                                                 UniBE
                                                                                          and Systems for Mobility
                                         UniFR
BIOSWEET (10)
BIOmass for SWiss                                                                         FEEB&D (6)
EnErgy fuTure
                                     1 EPFL                                               Future Energy Efficient
                              UniL
                                                                                          Buildings and Districts
FURIES (10)
Future Swiss          UniGE                                                SUPSI
Electrical Infrastructure
                                                                              USI

Quelle: Innosuisse                                                                                           |      9   |
Herausforderungen der Energieversorgung Schweiz - Lino Guzzella InfraWatt GV, Kursaal Bern - 15. Juni 2021, 30 Minuten
Nur ökonomisch sinnvolle Lösungen sind wirksam

                            US$ 1’000’000’000’000   US$ 1’000’000’000’000

  Quelle: Economist, 2021 und Goldman Sachs
                                                                            |   10   |
Vorausgesagte Erwärmung Schweiz – Zwei Szenarien

               RCP 2.6                                 RCP 8.5

Quelle: IPCC WG1 SPM Fig. SPM.8, Zubler et al., 2014             |   11   |
In der Schweiz eingesetzte Energieträger
TWh/Jahr        220

                                            Strom   = 57 TWhe
                165
                                            Wärme = 64 TWhth
                110                         Mobilität = 78 TWhth

                55                          (Welt 160’000 TWh)

Quelle: Gesamtenergiestatistik, BfE, 2019                |   12    |
ZIEL NETTO NULL 2050 - BEDEUTENDE ROLLE DER ARA UND KVA
  Ergebnisse "Wärmeinitiative Schweiz"

  •     Wärmebedarf 2050: total 80 TWh/a
        Raumwärme 60 TWh/a, Prozesswärme 20 TWh/a
  •     Steigende Bedeutung von Wärmenetzen:
        heute 8% auf 27% bis 2050 (22 TWh/a)
  •     Potenzial (biv.): Angebot genutzt     nutzbar
        Abwasserwärme        7.5  0.1     6.9 TWh/a
        KVA-Abwärme         6.8   2.0     6.3 TWh/a

  •     Potenzial entspricht Deckungsanteil CH:
        Total Wärme      16% (1/6)                      Quelle: Wärmeinitiative Schweiz, 2020

        Raumwärme        22% (1/5)
        Wärmenetze       61% (2/3)

      Folie 13                                                                                  |   |
Elektrifizierung der Schweiz
Wärme

  Wärmedämmung - 32 TWhth (Sanierung aller Gebäude ergibt - 50% Bedarf)
  Gas- und Öl-Brenner durch Wärmepumpen ersetzen, ca. + 9 TWhe (COP=3.5)
  Elektroheizungen abstellen, ca. - 3 TWhe

Mobilität

  Elektromobile 20 TWh (6.3 Mio. Autos, 16’000 km/Jahr, 20 kWh/100 km)

Total zusätzlich 26 TWh
                                                                         |   |   14
Stromversorgung Schweiz – Jahresbetrachtung Prognosen
                                                                       16 TWh/Jahr

                                                                     8 TWh/Jahr

                                                                                     34TWh/Jahr

                                                                                     |   15   |
Quelle: Szenarienrechnungen Ecoplan, TEP, Infras und Prognos, 2021
Produktion und Leistung Wasserkraft

                                                                                               Total Produktion 36.7 TWh
                                                36.7 TWh/Jahr

                                                                  15.5 GWp                     Installierte Leistung 15.5 GWp

                                                                                               Davon 3.5 GWp PSP-KW

                                                                                               Davon 3 GWp in LW-KW

                                                                                               Rest SSP-KW und Kleinanlagen

                                                                                               Lastfaktor 36.7 TWh/135.7 TWh = 0.27

   1910                                                              2020

Quelle: https://www.bfe.admin.ch/bfe/de/home/versorgung/statistik-und-geodaten/energiestatistiken/elektrizitaetsstatistik.html/   |   16   |
Saisonale Speicherung Wasserkraft

                                                                                                                       100% = 9 TWh

                                                                                                                       10% = 0.9 TWh

Quelle: https://www.bfe.admin.ch/bfe/de/home/versorgung/statistik-und-geodaten/energiestatistiken/elektrizitaetsstatistik.html/   |   17   |
Potenzial Ausbau bestehende Wasserkraftwerke

Total ca. 2.3 TWh/Jahr
Quelle: Robert Boes, ETH Zürich, 2019      |   |   18
Photovoltaik Schweiz – Monatsbetrachtung

Quelle: Eigenmessungen, Standort St Gallen
                                             |   19   |
Stromversorgung Schweiz – Energie und Leistung von PV

                                                        34TWh/Jahr   PV-Anlagen CH, Jahr 2020:

                                                                     Installierte Leistung 2.9 GWp

                                                                     Generierte Elektrische Energie 2.75 TWh/Jahr

                                                                     Lastfaktor 2’750 GWh/(2.9 GW x 365 x 24 h) = 0.11

                                                                     Quelle: Swissolar, Faktenblatt, 2021

                                                                     PV-Anlagen CH, Prognosejahr 2050:

                                                                     Zu generierende Elektrische Energie 34 TWh/Jahr

                                                                     Dafür benötigte installierte Leistung 36 GWp

Quelle: Szenarienrechnungen Ecoplan, TEP, Infras und Prognos, 2021

                                                                                                             |      20   |
Saisonale Unterschiede
• Im Sommer 2050 PV-Leistung zu Spitzenzeiten 36 GW

• Im Sommer 2050 mittlerer Bedarf (heute 6.5 GW):

       8.0 GW Strom + 0.5 GW Wärme + 1.5 GW E-Mobilität = 10 GW

• Reduktion Wasserkraft auf 0 GW (Laufwasserkraftwerke?)

• Tagesspeicherung (Batterien, Pumpspeicherkraftwerke), Annahme 10 GW (120 GWh/Tag)

• Was passiert mit den restlichen 16 GW?

• Export? Ausland hat die gleiche Situation …

• Abregeln durch Leistungselektronik? Das reduziert Jahresertrag …

• Saisonale Speicherung?
                                                                            |   21   |
Grosse Batteriespeicher

                                           Quelle: Axpo, 2010
Quelle: https://www.ekz.ch/de/ueber-ekz/newsroom/medienmitteilungen-2018   |   22   |
Abschätzung Kosten Batteriespeicher
       ▪   Kosten 6 Mio. CHF
       ▪   Leistung 18 MWp
       ▪   Gespeicherte Energie 7.5 MWh
       ▪   Masse 150 t
       ▪   Fläche 450 m2

       -» Annahme saisonaler Speicherbedarf von 4 TWh (Sommer                              Winter)
       -» Ergibt 530’000 Anlagen
       -» Kosten 3’200 Mia. CHF
       -» Flächenbedarf 240 km2 (30’000 Stade de Suisse)

Alle Angaben mit   aus: https://www.ekz.ch/de/ueber-ekz/newsroom/medienmitteilungen-2018
                                                                                                     |   23   |
Pumpspeicher-Kraftwerke

                                                |   24   |
Quelle: https://www.axpo.com/psw-limmern.html
Abschätzung Kosten Pumpspeicher-Kraftwerke (PS-KW)

    ▪ Kosten Linth-Limmern (LL) PS-KW: 2.1 Mia. CHF1)
    ▪ Pumpen und Turbinen Leistung 1 GWp
    ▪ Energie LL = m . g . Dh = 39 GWh

    -» Kapazität = 4 TWh sind ca. 100 LL (alle Stauseen in der CH ca. 9 TWh2))
    -» Pumpleistung = 8 GW, 8 Pumpen LL (vor Speicher)
    -» Turbinenleistung = 1.8 GW, 2 Turbinen LL
    -» Kosten im Bereich von einigen 100 Mia. CHF
    -» Eingriffe in eine sensible Natur und Landschaft

Quellen:   1)   Alle Angaben mit aus: https://www.axpo.com/psw-limmern.html
           2)   https://www.axpo.com/ch/de/ueber-uns/magazin.detail.html/magazin/erneuerbare-energien
                                                                                                        |   25   |
Lokale Speicherung mit H2

                    H2

                                                         F
   H2: Wasserstofftank                                   C
                                             ≈
   FC: Brennstoffzelle                                       W
   EL: Elektrolyseur                             =
                                                         E       W
   W: Wärmespeicher
                                                         L       P
   WP: Wärmepumpe

Quelle: T. Auckenthaler, IDSC-ETH und aimotronix, 2021               |   26   |
Fallstudie EFH-Siedlung

▪ 23 Einfamilienhäuser in St. Gallen
▪ Baujahr 2007
▪ Durchschnitt Stromverbrauch: ca. 80% mehr als CH-Durchschnitt
▪ Durchschnitt Heizenergiebedarf: ca. doppelt so hoch wie Minergie-P Standard
▪ Mehrheit der Häuser mit Gasheizung
▪ Fahrleistung Autos: ca. 20’000 km/Jahr (pro Haushalt)

                                                                         |   27   |
Fallstudie EFH-Siedlung – Energiezentrale

Photovoltaik-Anlage                            Wasserstoffspeicher
Benötigte Dachfläche ohne Fahrzeuge 2070 m2    Benötigter Speicher: rund 20% des gesamten
                                               Verbrauchs
Benötigte Dachfläche mit Fahrzeugen 2870 m2
                                               → 3070 kg Wasserstoff ohne E-Mobile
Nutzbare Dachfläche                 1500 m2
                                               → 3700 kg Wasserstoff mit E-Mobile
Für eine Realisierung müssten auch Fassaden-
flächen genutzt werden!                        → 4-5 Tanks: 50m Länge, 2.7m Durchmesser, 30 bar

  Benötigte Fläche (ohne Auto)
                                 Zusätzliche
                                   Fläche
         Verfügbare Fläche
                                  für Auto
                                                                                     2.70 m

                                                                     50 m              |    28   |
Fallstudie EFH-Siedlung – Investitionskosten ohne Fahrzeuge
PV-Anlage, Batterie, Wasserstoff-Elektrolyse, -Brennstoffzelle, -Tanks):
                                                                                    Strombedarf
3.1 Mio. CHF, entspricht ca. 0.5 CHF/kWh auf 25 Jahre
→Kosten für die Wärmeerzeugung und Verteilung in der Überbauung
 (ca. 0.8 Mio Fr.) und den Aushub und Installation Wasserstofftanks
 (ca. 0.5 Mio.), Wartung, Zinsen nicht inbegriffen. Netzanschluss?
→In den nächsten 5 Jahren ist mit einem Preisreduktion
 der Investitionskosten von ca. 30% zu rechnen

 Kosten 2021         Kosten 2025
                                                                       Haushalt
                                                                       Wärmepumpe
                                   Photovoltaik                        Fahrzeug
                                   Batterie
                                   Elektrolyseur und Brennstoffzelle
                                   Wasserstofftank
                                                                                            |     29   |
Bio-Masse Schweiz
Kann Bandenergie oder Spitzenenergie liefern
Bedarf thermische Kraftwerke (WKK, ARA, …)

Heute genutzt 14 TWh, weiter 12 TWh nutzbar.1)
Umwandlung von 12 TWh zu Elektrizität mit 30% Wirkungsgrad, zusätzliche 4 TWhe

1) Oliver Thees, et al., Biomassenpotenziale der Schweiz für die energetische Nutzung, WSL Report
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"Persönlichkeiten werden nicht durch schöne Reden geformt, sondern durch Arbeit und eigene Leistung”

Albert Einstein

        Merci für Ihre Aufmerksamkeit!
        Folien guzzella@mac.com

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