Schweiz: Eine Astrostrom-Startup-Nation?
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Schweiz: Eine Astrostrom-Startup-Nation?
Arthur R. Woods (*)
Astrostrom GmbH
Talacker 12, 8259 Kaltenbach
052 741 37 40
arthur.woods@astrostrom.ch
astrostrom.ch
Version: 17. November 2021
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 1
Einleitung Um ihren Verpflichtungen aus dem Pariser Abkommen über den Klimawandel nachzukommen, hat sich die Schweiz verpflichtet, bis zum Jahr 2050 CO2-neutral zu werden. Die Reaktorkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 hat die Schweizer Regierung veranlasst, schrittweise aus der Kernenergie auszusteigen. Diese beiden Ziele bringen das Land in ein Energie-Dilemma, das im ersten Teil diesem Bericht beschrieben ist. Deshalb wird eine Reihe von Massnahmen und Strategien zur Energieeinsparung umgesetzt und die Unterstützung für die Erzeugung erneuerbarer Energien im Inland erhöht. Eine Analyse der heutigen Energieoptionen der Schweiz zeigt, dass die verfügbaren Nutzungsmöglichkeiten von erneuerbaren Energien wie Wasserkraft, Wind- und Solarphotovoltaik, unabhängig von solchen Massnahmen, zwar nützlich und zunehmend wichtig sind, jedoch nicht ausreichend skaliert werden können, um sowohl die Energiequellen Kernenergie als auch fossile Brennstoffe zu ersetzen. Dies wird zu erheblichen wirtschaftlichen Problemen und gesellschaftlichen Konsequenzen führen, wenn nicht genügend saubere Energieressourcen gesichert werden können. Im 2. Teil wird die Option Energie aus dem Weltall vorgestellt. Um aus dem Energiedilemma herauszukommen, wird die Energiegewinnung aus dem Weltall als potenzielle Option für die Schweiz vorgeschlagen. Die wirtschaftliche Machbarkeit wird zwischen einem Astrostrom-Kraftwerk (ASKW – Englisch: Solar Power Satellite - SPS) und einem Kernkraftwerk mit vergleichbarer Kapazität demonstriert. Dabei wird eine einfache Stromgestehungskosten-Berechnung durchgeführt (Levelized Cost of Electricity - LCOE), gefolgt von einem Vergleich von Engineering, Beschaffung und Baukosten (Engineering, Procurement and Construction - EPC) beider Systeme. Dann wird der Preis für den gelieferten Astrostrom pro kWh mit dem aktuellen Preis für Solarstrom in der Schweiz verglichen, um ein Rentabilitätsszenario zu ermitteln. Die Analyse zeigt, dass die Schweiz nicht nur ausreichend CO2-neutrale Energie liefern könnte, um ihre Ziele für 2050 zu erreichen, sondern auch potenziell bis Mitte des Jahrhunderts eine Energieunabhängigkeit erreichen könnte. Die Schweiz hat den Bedarf, die technischen Mittel und die finanziellen Ressourcen, um zu einer Astrostrom-Startup-Nation zu werden. Energieberechnungen Ein Gigawatt (GW) ist eine Leistungseinheit, die einer Milliarde Watt entspricht. Ein Terawatt (TW) ist eine Leistungseinheit, die einer Billion Watt entspricht. Eine Gigawattstunde (GWh) ist eine Energieeinheit. 1 GWh ist der Stromverbrauch, der einer Milliarde Watt entspricht, die in einer Stunde verbraucht werden. Eine Terawattstunde (TWh) ist der Stromverbrauch, der einer Billion Watt entspricht, die in einer Stunde verbraucht werden. Eine GWh entspricht 3,6 Terajoule (TJ). Eine GWh = 3‘600‘000‘000‘000 Joule. Ein TWh entspricht 3.6 Petajoule (PJ). Ein TWh = 3’600’000’000’000’000 Joule. Teil 1: Das Energie-Dilemma der Schweiz Um ihre Verpflichtungen aus dem Pariser Abkommen über den Klimawandel zu erfüllen, hat der Bundesrat 2019 beschlossen, bis 2050 ihre Netto-Treibhausgasemissionen auf null zu reduzieren. Nach der Reaktorkatastrophe von Fukushima im Jahr 2011 haben der Bundesrat und das Parlament beschlossen, dass die Schweiz von der Nutzung der Kernenergie aussteigt. 1 Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 2
Die Schweizer Regierung geht davon aus, dass die Bevölkerung der Schweiz bis zum Jahr 2050 um
20% zunehmen wird, von derzeit 8,5 Millionen auf rund 10 Millionen. 2 Ohne massive
Veränderungen in Gesellschaft und Infrastruktur könnte man annehmen, dass auch der
Energieverbrauch in diesem Zeitraum ebenfalls um mindestens 20% von 27 GW auf 33 GW steigen
würde [a]. In Bezug auf Energie würde eine Steigerung um 20% 289 TWh bedeuten, die jedes Jahr
bereitgestellt werden müssten.
[a] 33 GW * 24 * 365 ÷ 1’000 = 289 TWh
Der Ansatz der Schweizer Regierung besteht darin, die Energieeffizienz durch bauliche Massnahmen
wie verbesserte Hausisolierung, um etwa 20% zu erhöhen und künftige Installationen von Öl- und
Gasheizungen zu verbieten. Dies wird zusätzlich zur Umsetzung von Regulierungsrichtlinien zum
Energieverbrauch und zu Steuern auf fossile Brennstoffe erfolgen, um die CO2-Emissionen zu
reduzieren. Andere Massnahmen sollen den Pro-Kopf-Energieverbrauch im Jahr 2020 um 16%, bis
2035 um 43% und den durchschnittlichen Pro-Kopf-Stromverbrauch bis 2035 3 um 13% senken. 4 Bei
einer Zunahme der Bevölkerung und des Energieverbrauchs um 20 % sind die Massnahmen, die zu
einer Verringerung des Gesamtenergieverbrauchs um 20 % führen, in etwa selbstauflösend. Um eine
plausible Schätzung des Energiebedarfs für das Jahr 2050 zu erhalten, werden in dieser Analyse
aktuelle Energieverbrauchsdaten verwendet.
Basierend auf den vom Bund veröffentlichten Informationen (Schweizerische Gesamtenergie-
Statistik 2019 - Abb. 1) betrug der gesamte Energieverbrauch 834'210 TJ, was umgerechnet in
Gigawattstunden 231'725 GWh entspricht [a], erzeugt durch eine installierte
Stromerzeugungskapazität von 26,5 GW [b]. 5 Unter Verwendung der Energiedaten aus dem Jahr
2019 geht diese Analyse davon aus, dass die Schweiz mindestens 27 GW Stromerzeugungskapazität
im 24/7-Betrieb benötigen würde, um ihren gesamten Energieverbrauch zu decken, was einer
Jahresproduktion von mindestens 236'520 GWh oder 237 TWh entspricht.
Von den im Jahr 2019 verbrauchten 26,5 GW Energie stammten 14% aus Wasserkraft, 8,7% aus
Kernkraft, 63% aus fossilen Kohlenstoffbrennstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle) und 14,3% aus
erneuerbaren Energien (Wind, Sonne, Holz, Abfall, Biogas) (Abb. 2). Deshalb müssen rund 72% des
schweizerischen Energieverbrauchs durch eine technologische Lösung ohne fossile Brennstoffe
ersetzt werden. Dies bedeutet, dass rund 19 GW [a] Energie mit einer Leistung von 166'842 GWh [b]
oder rund 167 TWh Strom ersetzt werden müssen. Wie aus dieser Analyse hervorgeht, können
optimistische Steigerungen der lokalen Energieproduktion aus Wasserkraft, Wind und Sonne (PV) bis
zum Jahr 2050 nur bis zu 91 TWh liefern. Dies ist das Energie-Dilemma der Schweiz.
[a] 26,5 GW * 0,72 = 19 GW
[b] 231’725 GWh * 0,72 = 166’842 GWh
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 3
Abbildung 1 - Gesamtnettoenergieverbrauch in der Schweiz 2019 Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 4
Die Schweizer Atomkraft wird aus dem Verkehr gezogen
Im Jahr 2013 produzierten die Schweizer Kernreaktoren mit einer Gesamtleistung von 3,3 GW 24,8
TWh Strom, was einem Rückgang von 5,8% gegenüber 2007 entspricht, als noch 26,4 TWh
produziert wurden. Mit der Stilllegung des Kernkraftwerks Mühleberg im Dezember 2019 beträgt die
derzeitige Kernkraftkapazität in der Schweiz nur 2,87 GW. Im Jahr 2019 machte die Kernenergie 9%
des gesamten Energieverbrauchs der Schweiz aus, indem sie ungefähr 20'134 GWh oder 20,1 TWh
produzierte.
• Beznau 1 und 2: je 365 MW = 730 MW (0,73 GW)
• Gösgen: 970 MW (0,97 GW)
• Leibstadt: 1’165 MW (1,17 GW)
• Mühleberg: 355 MW (0,36 GW) (2020 stillgelegt)
Als Referenz hat das Schweizer Kernkraftwerk Gösgen eine Nennkapazität (Typenschild) von fast
1 GW [a], einer typischen Grösse für viele Kernreaktoren. Die Betriebsverfügbarkeit beträgt 90%,
was bedeutet, dass der Reaktor 10% der Zeit für Wartung oder Betankung abgeschaltet ist. Somit
kann die Energiekapazität eines typischen 1-GW-Kernkraftwerks während der 90%
Betriebsverfügbarkeit 7‘884 GWh [b] oder 7,9 TWh elektrische Energie erzeugen. Gösgens
Energieproduktionspotential liegt mit 7’647 GWh etwas darunter [c].
[a] 970 MW = 0,97 GW
[b] 1 GW * 0,9 * 8’760 =7’884 GWh
[c] 7’884 * 0,97 = 7’647,5 GWh
Gemäss der „Energiestrategie 2050“ der Schweizer Regierung wird die Kernenergie auslaufen. 6 Es
werden keine neuen Kernkraftwerke gebaut. Bestehende Anlagen werden so lange betrieben, bis sie
für eine weitere Nutzung als unsicher eingestuft werden. Mit einer Verfügbarkeit von 90% wird die
Schweizer Kernkraftkapazität, die jetzt 22,6 TWh (2,87 * 8‘760 * 0,9 = 22‘627 GWh = 22,6 TWh)
liefert, kontinuierlich reduziert, bis die verbleibenden Kernkraftwerke stillgelegt sind.
Wasserkraft in der Schweiz
Derzeit ist Wasserkraft die wichtigste erneuerbare Energiequelle der Schweiz. Sie deckt 14% des
gesamten Energieverbrauchs ab und liefert 56% der 60 TWh Strom, die in der Schweiz jährlich
verbraucht werden. Per 31. Dezember 2019 gab es in der Schweiz 674 Wasserkraftwerke mit einer
Leistung von mindestens 300 Kilowatt, die insgesamt durchschnittlich 36’567 GWh pro Jahr
produzieren. Laut Schweizer Energiestatistik 2019 betrug diese Menge 32'260 GWh. Die
Stromproduktion aus Wasserkraft kann nicht wesentlich über das heutige Niveau hinaus skaliert
werden, und die Schweizer Energiestrategie 2050 geht davon aus, dass diese bis 2050 auf 38‘600
GWh ansteigen wird. 7
Windenergie in der Schweiz
Die Schweiz ist für Windenergie nicht besonders geeignet. Im Jahr 2019 produzierten insgesamt 37
Windkraftanlagen rund 114 GWh Strom. 8 Suisse Eole, die Organisation für Windenergie in der
Schweiz, prognostiziert, dass die Windenergie bis zum Jahr 2050 bis zu 4’300 GWh liefern könnte.
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 5
Solarenergie in der Schweiz
Da viel Wert auf die Erzeugung von Solarenergie gelegt wird, um die Ziele der Schweiz zu erreichen,
muss man verstehen, wie Photovoltaik-Solarenergie (PV) berechnet wird.
A. Wie Solarenergie in der Schweiz berechnet wird.
365 Tage * 24 Stunden = 8‘760 Stunden in einem Jahr
Die Sonnenstrahlung senkrecht zu einer Fläche von 1 m2 am Äquator um die Mittagszeit beträgt
an einem sonnigen Tag ca. 1 kW auf der Erdoberfläche. 9 Multipliziert mit den Stunden eines
Jahres, könnte mit dieser 1 m2 Fläche 8’760 kWh Strom pro Jahr produziert werden.
1 kW/m2 * (24 h/Tag) = (24 kWh/m2) /Tag
(24 kWh/m2) /Tag * (365 Tage/Jahr) = (8’760 kWh/m2) /Jahr.
In Solarzellen wird die Sonneneinstrahlung in Gleichstrom umgewandelt. Ein Wechselrichter
wird verwendet, um Gleichstrom vor der Netzeinspeisung in Wechselstrom umzuwandeln. In der
Schweiz sind kleine PV-Dachanlagen am verbreitetsten. Etwa die Hälfte der installierten Leistung
entfällt auf Einheiten unter 100 kW, etwa die Hälfte auf Einheiten über 100 kW. In Bezug auf die
Anzahl der Installationen wird mehr als die Hälfte der Einheiten auf Einfamilienhäusern
installiert. In Bezug auf die installierte Kapazität sind PV-Anlagen auf Industrie- und
Landwirtschaftsgebäuden jedoch wichtiger. Abb. 3 zeigt die durchschnittliche jährliche
Sonneneinstrahlung in den Regionen der Schweiz. Die durchschnittliche jährliche
Bestrahlungsstärke im Schweizer Plateau (Mittelland) beträgt 1’100 kWh/m2 pro Jahr. 10
Der Wirkungsgrad von Photovoltaik-Solarzellen zur Umwandlung von Sonnenlicht in Energie liegt
zwischen 10% und 25%. Der tatsächliche Wirkungsgrad von PV in der Schweiz liegt bei etwa 13%.
Zur Information: Der geografische Breitengrad der Schweiz liegt bei durchschnittlich 47o N. Somit
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 6
werden 1’100 kWh/Jahr * 0,13 (Leistung) = 143 kWh/Jahr (100 Watt pro Stunde *13% (Leistung) = 13 Watt pro Stunde) durch ein einzelnes 1 m2 Photovoltaik-Solarpanel in der Schweiz erzeugt. B. Swisssolar – Der Schweizerische Fachverband für Sonnenenergie Swisssolar veröffentlichte am 14. Juli 2020 in einem Artikel aktuelle Daten: „2,5 Gigawatt installierte Solarleistung - wir brauchen 20-mal mehr“. 11 Swisssolar publizierte auch ein Faktenblatt. 12 Diese Informationen basieren auf einer Studie des Bundesamtes für Energie (BFE), die am 10. Juli 2020 unter dem Titel „Markterhebung Sonnenenergie 2019“ veröffentlicht wurde. 13 Das BFE berichte, dass die derzeit installierte Photovoltaikkapazität von 2,5 GW 2‘400 GWh elektrischen Strom liefert, und schlägt vor, diese Zahl bis zum Jahr 2050 um das 20-fache auf 50 GW zu erhöhen, was 48‘000 GWh oder 48 TWh ergeben würde. Die folgenden Informationen waren im Faktenblatt enthalten: • Neu installierte Solarenergie im Jahr 2019 350 Megawatt (MW) • Neu installierte PV-Solarmodule 2’000’000 m2 • Jährliche Solar-PV-Produktion 2’400 Gigawattstunden (GWh) • Gesamte installierte Solar-PV-Leistung 2’517 MW (2,5 GW) • Gesamtfläche derzeit 19’000’000 m2 • Anteil des Stromverbrauchs 4% • Durchschnittliche Kosten für Solarenergie CHF 0,12 / kWh Aus diesen Informationen können die folgenden nützlichen Daten extrahiert werden: In der Schweiz liefert 1 GW installierter Solarstrom 960 GWh elektrischen Strom. (2`400 GWh ÷ 2,5 GW = 960) 2‘400 GWh machen 4% des Schweizer Stromverbrauchs aus. 60 TWh (2’400 GWh ÷ 1’000 ÷ 0,04 = 60) entspricht ungefähr der Strommenge, die derzeit in der Schweiz verbraucht wird. Dieser Betrag entspricht nur etwa einem Viertel des Gesamtenergieverbrauchs der Schweiz, was demgemäss einem Gesamtenergieverbrauch von rund 240 TWh entspricht. Diese Zahl spiegelt den von der Schweizer Regierung gemeldeten und oben erwähnten Nettoverbrauch an Energie im Jahr 2019 wider: 231'725 GWh oder 232 TWh. 14 60 TWh wird von WorldData.info bestätigt, wonach der derzeitige Stromverbrauch der Schweiz in der Tat 58,46 TWh beträgt, was 6,67 GW entspricht. 15 (58,46 * 1000 ÷ 8’760 = 6,67) Da 2,5 GW eine Fläche von 19 km2 nutzen, braucht 1 GW installierter Solarstrom 7,6 km2, d.h. 50 GW Solarenergie würde ungefähr 380 km2 benötigen. Aktueller PV-Wirkungsgrad = 12,63 % (2'400’000 Wh ÷ 19‘000'000 m2 = 0,1263) (19 Mio. m2 * 0,1263 = 2‘399,7 GWh) 2‘400 GWh entsprechen dem jährlichen Energieverbrauch von 600‘000 Schweizer Haushalten zu je 4‘000 kWh. Für die Produktion von 4‘000 kWh wären 25 bis 30 m2 Solar-PV erforderlich. Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 7
Hausbesitzer in der Schweiz können mit einem Online-Rechner des Bundesamtes für Energie
(BFE) das Solarenergieerzeugungspotential ihres Hauses berechnen. Auf der Website heisst es,
dass der durchschnittliche Vier-Personen-Haushalt in der Schweiz 3‘500 kWh pro Jahr
verbrauche und mit einem Stromertrag von CHF 0,10 / kWh zu rechnen wäre. 16
2050 Energieübersicht für die Schweiz in TWh
Geschätzte erforderliche Energie 2050: 237 TWh
Aktuelle fossile Brennstoffe und Nuklearkraft: 169 TWh (146 TWh + 23 TWh)
Kombinierte konventionelle Energiequellen: 32 TWh (31’523 GWh)
Atomkraft aktuell: 23 TWh (22’627 GWh - werden stillgelegt)
Potenzielle Wasserkraft 2050: 38,6 TWh (38’600 GWh)
Potenzielle Windkraft 2050: 4,3 TWh (4’300 GWh)
Potenzielle Solarenergie 2050: 48 TWh (48’000 GWh)
Potenzielle erneuerbare Energie für 2050: 91 TWh (90’900 GWh)
Zusätzlich erforderliche Energie für 2050: (237 TWh - 91 TWh - 32 TWh) = 114 TWh
Geschätzte Gesamtkapazität erforderlich 24/7 für die Schweiz im Jahr 2050: 27 GW,
um 237 TWh Strom zu liefern.
Kapazität, die erforderlich ist, um die fossilen Brennstoffe und die Nuklearenergie bis 2050 zu
ersetzen: 13 GW mit einer Leistung von 114 TWh
(13 GW * 8’670 = 113’800 GWh)
Das Risiko des Klimawandels kann sich negativ auf die Leistung der terrestrischen Sonnenenergie in
Form einer erhöhten Bewölkung in einem wärmeren Szenario oder schneereicheren Bedingungen in
einem kühleren Szenario auswirken.
Die Energieoptionen der Schweiz sind begrenzt
Kernenergie ist offensichtlich keine Option, da die Schweizer Politik vorgeschrieben hat, dass
derzeitige Kernkraftwerke nicht ersetzt werden, sobald sie ihr Lebensende erreicht haben.
Ausserdem gäbe es nicht genügend geeignete Standorte, an denen viel mehr Kernkraftwerke
ausreichend gekühlt werden könnten, selbst wenn diese gebaut werden könnten. Wind und
Wasserkraft können nicht wesentlich über die gegenwärtigen Schätzungen hinaus skaliert werden.
Swisssolar berichtet, dass die weltweite Installation von Solarenergie 630 GW betrug, was 95
Kernkraftwerken entspricht, deren Grösse mit dem KKW Gösgen vergleichbar ist. (0,97 GW). 17
In Bezug auf einen weltweiten Durchschnitt bedeutet dies, dass 6,63 Solarkraftwerke (PV)
erforderlich wären, um der Energieleistung eines 1-GW-Kernkraftwerks zu entsprechen. Aufgrund
der ungünstigeren geografischen Lage wären in der Schweiz 8 Solarkraftwerke (PV) erforderlich.
[a] 8,0 * 960 Stunden = 7’680 GWh. Vergleich mit Gösgen 7'647,5 GWh. (7’884 * 0,97 = 7'647,5)
Um dies ins rechte Licht zu rücken und ein besseres Bild des Energie-Dilemmas der Schweiz zu
erhalten, wären 15 Kernkraftwerke von der Grösse Gösgens (0,97 GW) erforderlich, um die
erforderlichen 114 TWh [a] Strom zu liefern, um die Energieziele 2050 der Schweiz zu erreichen und
sowohl die Kernkraft als auch die Energie aus fossilen Brennstoffen zu ersetzen. Die einzige
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 8
offensichtliche Option für saubere Energie ist jedoch die Photovoltaik-Solarenergie, die bis zum Jahr 2050 voraussichtlich auf 50 GW erweitert wird, aber lediglich 48 TWh liefern wird. [a] 15 * 7'647,5 = 114’712 GWh) Um das Äquivalent der Energieerzeugung mit Solarenergie zu erreichen, wären daher, zusätzlich zu den bereits für 2050 geplanten 50 GW, 119 GW installierte Solarkapazität [a] erforderlich, d.h. insgesamt 169 GW installierte Solar-PV. Diese Menge an erzeugter Energie wäre jedoch nur dann nützlich, wenn sie effizient gespeichert und genutzt werden könnte, was derzeit nicht der Fall ist. [a] (114'000 ÷ 960 GWh = 118,7 GW) Wie das Swisssolar-Faktenblatt zeigt, erfordert eine installierte Leistung von 2,5 GW eine Fläche von 19 km2, was darauf hinweist, dass 1 GW Solar eine Fläche von 7,6 km2 benötigt. 169 GW (119+50) installierte Solarkapazität würden somit rund 1’284 km2 Fläche oder rund 3% der Gesamtfläche der Schweiz erfordern. Eine einfache Berechnung zeigt, dass die Installation von Photovoltaikanlagen auf dem Dach auf 1 Million Dächern in der Schweiz zu einem Preis von jeweils 30’000 Franken 30 Milliarden Schweizerfranken betragen würde. In Bezug auf die Kosten der Energieabhängigkeit gab die Schweiz laut der Swiss PlusEnergieBau (PEB)-Studie in den letzten 25 Jahren über CHF 177 Mrd. für den Import von Energie aus anderen Ländern aus. 18, 19 Dies bedeutet, dass die Schweiz in den nächsten 25 Jahren hypothetisch 7 Milliarden Franken pro Jahr in ein Energieunabhängigkeitsprogramm investieren könnte, abzüglich der Menge an Energieimporten, die als alternative Kapazität verbleiben. Der aktuelle Strompreis in der Schweiz beträgt 0,207 Schweizer Franken (CHF) pro kWh für Haushalte und CHF 0,157 für Unternehmen, inklusive alle Komponenten der Stromrechnung wie Stromkosten, Verteilung und Steuern. 20 Wenn man den durchschnittlichen Preis von CHF 0,182 pro kWh mit dem Stromverbrauch von 2019 von 58,64 TWh multipliziert, ergibt sich ein Marktwert von CHF 10‘369‘720‘000 oder CHF 10,4 Milliarden. Wird diese Formel auf den gesamten Energieverbrauch der Schweiz im Jahr 2019 angewendet, welcher 231‘725‘000‘000 kWh (231‘725 GWh) betrug, erhält man den ungefähren Wert des Schweizer Energiemarktes, welcher CHF 42‘173‘950‘000 oder CHF 42,2 Milliarden beträgt. Diese finanziellen Schätzungen sind relevant für die Prüfung der Energieoptionen der Schweiz. Energieperspektiven 2050+ Im November 2020 hat das BFE unter dem Titel Energieperspektiven 2050+ eine Aktualisierung seiner Energiestrategie 2050 veröffentlicht, fokussiert auf das langfristige Netto-Null-Ziel bis 2050. Der Bericht geht davon aus, dass die Bevölkerung der Schweiz bis 2050 auf 10,3 Mio. wachsen und das Bruttoinlandprodukt (BIP) im Vergleich zu 2019 um rund 38% ansteigen wird. Im selben Zeitraum wird der Personenverkehr um 17% und der Güterverkehr um 31% zunehmen. Die Anzahl der batterieelektrischen PW soll bis 2050 auf 3,6 Mio. anwachsen. Trotz dieser Zunahmen soll der inländische Endenergieverbrauch (ohne internationalen Flugverkehr) um 31% sinken, von 783’000 TJ (220 TWh) auf 524’000 TJ oder 146 TWh. Neue erneuerbare Energie wird 39 TWh (Photovoltaik 33,6 TWh, Wind 4 TWh) oder 46% der Bruttostromerzeugung liefern, und Wasserkraft wird mit einer 10% Zunahme gegenüber der heutigen Produktion auf 45 TWh oder 53% der gesamten Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 9
Stromerzeugung zunehmen. Der Bericht rechnet nicht mit dem Erscheinen neuer Technologien, die die Situation ändern könnten. Es wird viel Wert auf die Entwicklung von Pumpspeicherkraftwerken gelegt, um die überschüssige PV-Produktion des Sommers für die spätere Nutzung im Winter zu speichern. Mit Hilfe von Elektrizität wird Wasser in ein Gebirgsreservoir gepumpt, wo es gespeichert und dann bei Bedarf zur Stromerzeugung freigegeben wird. 21 Mit dieser Speichertechnologie können nur 75-85 % der ursprünglichen Energie zurückgewonnen werden. Im Jahr 2019 hatten die Wasserkraftwerke in der Schweiz zusammen eine durchschnittliche Leistung von 4,2 GW, wovon 48,5 % in Fliesswasser- kraftwerken, 47,2 % in Speicherkraftwerken und rund 4,3 % in Pumpspeicherkraftwerken erzeugt wurden: also etwa 0,1 GW. 22 Zusammenfassung: Das Energie-Dilemma der Schweiz Um fossile Brennstoffe zu ersetzen und sich bis 2050 vollständig von der Kernenergie zu trennen, um ihre politischen Ziele und Energiebedürfnisse zu erfüllen, benötigt die Schweiz rund 27 GW Stromerzeugungskapazität, die rund um die Uhr in Betrieb ist und 237 TWh CO2-neutrale Energie liefert. Zusätzlich zu 32 TWh konventioneller Energieerzeugung aus nicht fossilen Brennstoffen (Wärme, Abfall, Biogas, Holzheizung), die weiterhin bestehen bleiben, könnten 91 TWh möglicherweise durch optimale Erhöhungen der Wasser-, Wind- und Solarkraft geliefert werden. Zusammengenommen können diese terrestrischen Energieressourcen optimistischerweise etwa 123 TWh erzeugen, was nur 52% der 237 TWh des jährlichen Energiebedarfs im Jahr 2050 entspricht. Dies wird aber immer noch ein Defizit von 114 TWh hinterlassen, welches durch eine zuverlässige CO2-neutrale Energiealternative abgedeckt werden muss, die 24/7 in Betrieb ist. Sogar die ehrgeizigen Schweizer Energieperspektiven 2050+, welche auf eine massive Reduktion des Energieverbrauchs baut, hinterlässt ein Defizit von 30 TWh. (146 TWh - 116 TWh( 84 TWh erneuerbare Energie + 32 TWh konventionelle Energie) = 30 TWh) Die einzige terrestrische Lösung scheint die Photovoltaik mit einer derzeit in Betrieb befindlichen Kapazität von 2,5 GW und einer für 2050 prognostizierten installierten PV-Leistung von 50 GW zu sein. Diese Analyse hat gezeigt, dass zusätzliche 119 GW installierte Solarstromkapazität erforderlich wären, um die 114 TWh bereitzustellen, und zusammen mit den erwarteten 50 GW Solar-PV würde dies mehr als 1‘284 km2 Fläche erfordern - wenn dieser Strom effizient gespeichert und verteilt werden könnte, was derzeit nicht der Fall ist. Basierend auf aktuellen Schweizer Daten liefern 2,5 GW der derzeit installierten Solarenergie (PV) 2‘400 GWh, während 2,87 GW der derzeit in Betrieb befindlichen Kernenergie 22‘627 GWh Strom liefern könnten - fast das Zehnfache. Teil 2: Eine Weltraum-Energieoption für die Schweiz? Es gibt tatsächlich eine innovative Option für saubere Energie, um das Energie-Dilemma der Schweiz anzugehen. Allerdings wird diese derzeit nicht in Betracht gezogen. Es ist die Weltraum- Solarenergie-Option (Space Energy Option) – allgemein bezeichnet als Space Solar Power (SSP) oder Space-Based Solar Power (SBSP), und in jüngster Zeit von Michael Snead als Astroelectricity in seinem gleichnamigen Buch beschrieben. 23 Astrostrom ist die übersetzung von Astroelectricity. Deshalb wird für den von einem Astrostrom-Kraftwerk (ASKW) gelieferten Strom in dieser Analyse die Bezeichnung Astrostrom verwendet. Für viele mag diese Option wie reine Science-Fiction klingen, von den Energie- und Finanzfachleuten wird sie ignoriert, als wirtschaftlich nicht vertretbar und technisch als besonders herausfordernd Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 10
abgelehnt. Ob der harte Kern der Umweltschützer und die grünen Techno-Politiker diese Option in Betracht ziehen würden ist fraglich, da sie als Konkurrenz für die Agenda irdischer erneuerbare Energien betrachtet werden könnte. Wie in dieser Analyse dargelegt, verfügt die Schweiz nicht über eine skalierbare und realisierbare terrestrische Energiealternative. Daher sollte die Weltraum- Energieoption eingehender geprüft werden. Die Idee, Energie im Weltraum zu nutzen, hatte 1926 der Wissenschaftler Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky, Pionier auf dem Gebiet der Weltraumforschung. 24 1941 veröffentlichte der Science- Fiction-Autor Isaac Asimov die Kurzgeschichte „Reason“, in der eine Raumstation mithilfe von Mikrowellenstrahlen die von der Sonne gesammelte Energie auf verschiedene Planeten überträgt. 25 Das technische Konzept zur Bereitstellung von sauberem Astrostrom aus dem Weltall wurde schliesslich 1968 von Peter Glaser eingeführt und 1973 als Solar Power Satellite (SPS) patentiert. 26 Das Grundkonzept besteht aus einem sehr grossen Satelliten mit Photovoltaik in der Erdumlaufbahn, der Sonnenenergie einfangen und in elektrischen Strom umwandeln würde und diese Energie mithilfe der drahtlosen Energieübertragung (Wireless Power Transmission - WPT) per Mikrowelle oder mithilfe eines Laserstrahls an eine Bodenstation auf der Erde schicken würde, wo sie von einer grossen Empfangs- oder Gleichrichtungsantenne, Rectenna (Rectifying Antenna) genannt, erfasst würde. Diese Rectenna wandelt die Energie in elektrischen Wechselstrom um, der dann in das vorhandene Stromnetz eingespeist wird. Im Weltraum installierte Solarphotovoltaik werden nicht – wie auf der Erde installierte PVs - durch Atmosphäre, Wolken, Wasser, Staub, Schnee oder Sand beeinflusst. Ausserdem werden sie während 99,94% der Zeit von der Sonne in der geostationären Erdumlaufbahn (GEO) beleuchtet, d.h. 8‘755 Stunden/Jahr. Sonnenlicht im Weltraum hat eine Energiedichte von ungefähr 1‘350 W/m2, während das Sonnenlicht zur Mittagszeit in Äquatornähe auf der Erde eine Energiedichte von etwa 1‘000 W/m2 hat. Die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, dann die Umwandlung in elektromagnetische Wellen, die gebündelte Strahlung zur Erde und die anschliessende Umwandlung des Strahls in Elektrizität hat einen End-to-End- Wirkungsgrad von ungefähr 80%. Etwa 5 GW pures Sonnenlicht ergeben etwa 1,25 GW elektrische Grundlastleistung, die an die Rectenna übertragen wird, die dann 1 GW elektrische Leistung abgibt. Um die Frühlings- und Herbst- Tag-und-Nachtgleiche herum, um Mitternacht, tritt eine GEO-Weltraum-Solarenergieplattform in den Schatten der Erde ein und hört vorübergehend auf, Sonnenlicht zu sammeln. Dies dauert etwa eine Stunde lang. Während dieser Zeit müssen Gasbetriebene Backup-Generatoren oder Pumpspeicherkraftwerke Strom liefern. Die gesamte Ausfallzeit beträgt etwa 0.5% des Jahres, was einen Kapazitätsfaktor von etwa 99.5% ergibt, verglichen mit 90% für ein typisches Kernkraftwerk und 13% für Solar-PV in der Schweiz. Alle technologischen Komponenten dieses Konzepts sind bereits vorhanden und wurden getestet und verifiziert - allerdings noch nicht im Weltraum in der erforderlichen Grösse und Entfernung. Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 11
Abbildung 4 - Rectenna für ein 1-GW Astrostrom-Kraftwerk In ihrer einfachsten Form würde die Rectenna aus einem senkrecht zum Strahl montierten Drahtgitter bestehen, auf dessen Vorderseite in regelmässigen Abständen Antennenelemente befestigt würden. Es gibt viele Möglichkeiten, wie diese Elemente entwickelt werden könnten, aber typisch wären kleine Halbwellendipole, die in einem Abstand von einigen Zentimetern mit einer Gleichrichterdiode für jedes Element montiert sind. Die Dipole empfangen die Hochfrequenzenergie und die Gleichrichterdioden wandeln die Funkenergie direkt in Elektrizität um. Die Rectenna fängt mehr als 99% der Mikrowellenenergie ab und wandelt sie mithilfe von Dioden direkt in Elektrizität um, während der grösste Teil des Sonnenlichts durchgelassen wird. Infolgedessen wäre es möglich, das Land unter der Rectenna für die Landwirtschaft oder sogar für die bodengestützte Photovoltaik zu nutzen. 27 Für eine 1-GW ASKW würde die geschätzte Grösse der Rectenna ungefähr 16,6 km2 betragen, oder 26’5 km2, wenn sie von einer Sicherheitszone umgeben wäre. (Abb. 4). Die Schweizer Alpen umfassen 60% der insgesamt 41‘285 m2 des Landes und liegen südlich des Schweizer Plateaus. Insofern könnte die Rectenna in einer unbewohnten Region an einem Südhang eines Berges angebracht werden (Abb. 5). Die langjährige Ingenieurerfahrung beim Bau von Skiliften und Gondelbahnen könnte sicherlich ein Vorteil sein. Um die Oberfläche zu minimieren, könnte mehr als ein Mikrowellenstrahl von mehr als einer ASKW auf dieselbe Rectenna fokussiert werden. Zur Übertragung der Leistung auf den Boden wurden Frequenzbänder um 2,45 Gigahertz (GHz) oder 5,8 GHz vorgeschlagen. Da sich diese innerhalb der Mikrowellenfunkfenster der Atmosphäre befinden und der Leistungspegel bekannt ist, kann die Intensität der Übertragung weder Tieren noch Menschen schaden. Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 12
Abbildung 5 - Rectenna in den Schweizer Alpen Energie aus dem Weltall wurde in einer detaillierten Studie der NASA und des US- Energieministeriums in den 1970er Jahren und in jüngerer Zeit 2011 von der International Academy of Astronautics (IAA) geprüft. 28 Der Hauptautor der IAA-Studie, John Mankins, hat diese Informationen in seinem 2014 veröffentlichten Buch „The Case For Space Solar Power“ aktualisiert. Seitdem hat er das Konzept - er nennt es jetzt „SPS-ALPHA Mk-II“ - über seine eigene Firma weiterentwickelt. 29 Die einzigartigen Eigenschaften des SPS-ALPHA Mk-II im Gegensatz zu früheren Konstruktionen bestehen darin, dass das ASKW aus zahlreichen massenproduzierten, ineinandergreifenden Modulen aufgebaut ist, die von Robotern in einer erdnahen Umlaufbahn (LEO) zusammengesetzt würden. Einmal zusammengebaut, würde es seine eigene elektrische Energie verwenden, um ein solar-elektrisches Ionenantriebssystem (Solar Electric Propulsion, SEP) oder ein Orbitaltransferfahrzeug (OTV – Orbital Transfer Vehicle) anzutreiben, um den ASKW auf eine geosynchrone Umlaufbahn (GEO) zu bringen. In seiner Publikation "New Developments of Space Solar Power" beschreibt Mankins sowohl die Entwicklung des technologischen Konzepts des ASKW als auch die wirtschaftlichen Auswirkungen im Detail. 30 Die meisten Weltraumexperten glauben, dass es keine wesentlichen technologischen Hindernisse oder technischen Herausforderungen gebe, die nicht bewältigt werden können, nachdem ein bestimmtes Programm zur Entwicklung der Raumfahrt initiiert würde. Das grösste Hindernis für die Umsetzung der Weltraum-Energieoption - das von ihren Kritikern immer erwähnt wird - sind jedoch die anfänglichen Kosten für den Bau und den Start eines Astrostrom-Satelliten. Selbst ein bescheidenes Engagement für die Entwicklung von Energie aus dem Weltall würde automatisch einen Markt für Weltraum-Solartechnologien schaffen, der daher sowohl die Herstellungs- als auch Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 13
die Startkosten erheblich senken würde, so dass Weltraum-Solarenergie als wettbewerbsfähig
gegenüber den vorhandenen terrestrischen Energie-Optionen gesehen werden könnte.
Als zusätzliche Referenz werden in diesen sechs Büchern verschiedene Ansätze und die
Wirtschaftlichkeit der weltraumgestützten Solarenergie detailliert behandelt:
• Frank P. Davidson, L.J. Giacoletto, & Robert Salked, Eds. (1978) Macro-Engineering and the
Infrastructure of Tomorrow. AAAS Selected
Symposium 23, Westview Press, Boulder (CO), 131-137
• P. Glaser, F. Davidson, & K. Csigi, (1998) Solar Power Satellites, Wiley
• Ralph Nansen, (1995, 2012) Sun Power: The Global Solution for the Coming Energy Crisis,
Ocean Press 1995, Nansen Partners 2012
• Don M. Flournoy, (2011) Solar Power Satellites, Springer
• John Mankins, (2014) The Case for Space Solar Power, Virginia Edition Publishing LLC
• Michael Snead, (2019) Astroelectricity, Spacefaring Institute LLC
Die Schweiz wäre aus mehreren Gründen ideal, um ein entschlossenes Programm zur Entwicklung
von Astrostrom zu initiieren. Die Dringlichkeit ist erwiesen. Das Land verfügt auch über eine hohe
technische und Fertigungskompetenz sowie die finanziellen Ressourcen, um eine Astrostrom-
Startup-Nation zu werden. Darüber hinaus ist die Schweiz ein Gründungsmitglied der Europäischen
Weltraumorganisation (ESA), was der Schweiz ermöglichen würde, auf das Fachwissen dieser
multinationalen Weltraumorganisation zurückzugreifen und ihre ESA-Partner gewissermassen davon
zu überzeugen, an einem Kooperationsprogramm teilzunehmen, wobei beide Seiten profitieren
würden, denn jede Mitgliedsnation hat ihr eigenes Energie-Dilemma. Darüber hinaus verfügt Europa
über eine eigene Startfähigkeit, die für die Entwicklung der Weltraumsolarenergie optimiert werden
könnte. Ein entschlossenes Schweizer Weltraumenergie-Programm könnte nach seiner Umsetzung
einen grossen Teil des künftigen Energiebedarfs der Schweiz mit einer CO2-neutralen Energiequelle
versorgen, die unerschöpflich und vor allem sowohl skalierbar als auch wirtschaftlich und
wettbewerbsfähig wäre.
Energie aus dem Weltraum würde sich in jedem zukünftigen Szenario des Klimawandels positiv
auswirken. Natürlich würde eine unerschöpfliche Quelle sauberer Solarenergie die Abhängigkeit der
Schweiz von fossilen Kohlenstoffbrennstoffen in einem erwarteten Erwärmungsszenario verringern.
Und sollte der Klimawandel in die entgegengesetzte Richtung gehen und zu einem starken
Abkühlungsszenario führen, könnte eine ASKW als Schneeschmelzsatellit (SMS) verwendet werden,
um bestimmte Standorte mit der erforderlichen Wärme und Strom zu versorgen. 31
Ersatz von fossilen Brennstoffen
Der Verbrauch an fossilen Brennstoffen in der Schweiz betrug 2019 insgesamt 146'021 GWh, wovon
56% (81'867 GWh) auf den Verkehr entfielen. Als Alternative zur Nutzung fossiler Brennstoffe bietet
sich die Bereitstellung von Strom für eine wachsende Anzahl von Elektrofahrzeugen zum Aufladen
der Batterien an. Eine umweltfreundlichere und zweckmässigere Lösung wäre jedoch, die reichlich
vorhandene Elektrizität aus dem Weltall zu nutzen, um Wasserstoff als Brennstoff zu erzeugen,
indem durch Elektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Das Wasserstoffgas wird
dann komprimiert und an bestehende Tankstellen und weiter an Fahrzeuge geliefert, die über
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 14Wasserstoff-Brennstoffzellen verfügen, die ihren Elektromotor antreiben. Das Abgas dieses
Prozesses ist reiner Wasserdampf. Der Betankungsvorgang ist vom Komfort her ähnlich wie die
Betankung heutiger Benzin- und Dieselfahrzeuge.
In der Schweiz gibt es bereits eine 2-MW-Elektrolyseanlage, die bis zu 300 Tonnen Wasserstoff pro
Jahr produzieren und 50 Lastwagen oder 1‘700 Autos 32 mit Kraftstoff versorgen kann. Im Jahr 2017
gab es in der Schweiz über 6 Millionen Motorfahrzeuge, davon 5,32 Millionen Autos oder
Nutzfahrzeuge 33. Etwa 6,26 GW zuverlässige elektrische Leistung ist erforderlich, um diese
Fahrzeuge mit Wasserstoff zu versorgen.
Frankreich und Deutschland haben angekündigt, Milliarden in die Wasserstofftechnologie zu
investieren. Die Europäische Kommission hat eine Strategie zur Erreichung der CO2-Neutralität durch
erneuerbaren Wasserstoff angekündigt. Die Hydrospider AG ist ein Unternehmen, das in der Schweiz
Pionierarbeit für diese Technologie leistet. Der südkoreanische Auto- und Lkw-Hersteller Hyundai
wird bis zum Jahr 2025 1‘600 mit Wasserstoff betriebene Lkw liefern. Sieben dieser Fahrzeuge
wurden bereits im Oktober 2020 ausgeliefert. 34
Ist Astrostrom wirtschaftlich wettbewerbsfähig?
Da keine der vorhandenen terrestrischen Energieoptionen - Wasserkraft, Windkraft, Solarenergie
(PV) oder Kernenergie - ausreichend skaliert werden kann, um den Energiebedarf der Schweiz - oder
der Welt - zu decken, ist es womöglich nicht der wichtigste Faktor, wirtschaftlich wettbewerbsfähig
zu sein. Um den Kritikern zu antworten und zu zeigen, dass die Energiegewinnung im Weltraum
tatsächlich wirtschaftlich sein kann, sollte sie auch anhand der folgenden Kriterien mit anderen
konventionellen und alternativen Energieerzeugungstechnologien verglichen werden.
Astrostrom sollte:
A. ausreichend, skalierbar und nachhaltig sein
B. im Vergleich zu anderen Energiesystemen erschwinglich sein
C. wirtschaftlich und potenziell profitabel sein
D. den Anforderungen der Energiestrategie 2050 entsprechen
Da Wind- und Solar-PV-Anlagen in der Schweiz hauptsächlich dezentralisiert und weit verbreitet sein
werden, werden die Energiekosten dieser Anlagen als Vergleichsfaktor eine zentrale Rolle spielen.
Dagegen bilden Kernkraftwerke ein konzentriertes und zentrales Stromerzeugungssystem und
können beim Aufbau eines vergleichbaren Systems zum Vergleich herangezogen werden. So wird
diese Analyse zeigen, dass ein Schweizer weltraumbasiertes Solarenergie-System im gleichen
Kostenbereich wie der Bau eines neuen Kernkraftwerks liegen und ausreichend Energie liefern
würde, die preislich mit den verfügbaren terrestrischen Alternativen konkurrenzfähig ist.
Für diese Vergleiche wird von der US Energy Information Administration (EIA) eine komplexe
Methode vorgeschlagen. Man spricht von den Stromgestehungskosten (LCOE - Levelized Cost of
Electricity) und den nivellierten vermiedenen Elektrizitätskosten (LACE - Levelized Avoided Cost of
Electricity). Es handelt sich jeweils um Schätzungen der Kosten, die für den Bau und Betrieb eines
Generators über einen bestimmten Kostendeckungszeitraum erforderlich sind, und dem Kapital, das
diesem Generator über denselben Zeitraum zur Verfügung steht. 35 Die Berechnung des tatsächlichen
LCOE für den Bau und Betrieb eines Kraftwerks ist sehr kompliziert, da dies Brennstoffkosten,
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 15Subventionen, Steuern, Betriebskosten, Zinsen zur Finanzierung des Systems, Umweltkosten,
Stilllegungskosten etc. umfasst. Eine einfache LCOE-Formel für solche Vergleiche lautet: Die
Nettokosten für Bau und Installation des Systems geteilt durch die Produktivität (Lebensdauer in
Jahren * Gesamt-kWh/Jahr) = Kosten pro kWh.
2017 führte das Paul-Scherrer-Institut im Auftrag des Bundesamtes für Energie eine umfassende
Studie mit dem Titel „Potenziale, Kosten und Umweltverträglichkeit von
Stromerzeugungstechnologien“ durch, in der der LoCE verschiedener Energietechnologien
untersucht wurde. 36
In der folgenden Tabelle sind verschiedene Energietechnologien für Wasserkraft, Windkraft,
Photovoltaik (PV) Dach (~30 kW) und Industrie (~100 kW) sowie deren erwartetes Potenzial und die
geschätzten Stromerzeugungskosten für die Jahre 2020 bis 2050 aufgeführt.
Elektrizitätskosten (Cost of Electricity - COE)
2020 2050 COE 2020 COE 2050
Aktuell TWh Potential TWh CHF 0,0/kWh CHF 0,0/kWh
Wasserkraft 32.2 38.6 0,17-0,30 0,17-0,30
Windkraft 0.1 4.3 0,13-0,21 0,09-0,15
PV (30 kW) 2.4 48 0,11-0,16 0,10-0,14
PV (100 kW) 0,10-0,18 0,07-0,10
Kernkraft 23 0 0,07-0,08 (Prognos 2011 37)
Was die Kernkraft betrifft: In einer 2011 von der Schweizer Firma Prognos AG durchgeführten
Kostenanalyse für den Bau eines Kernkraftwerks vom Typ Druckwasserreaktor (Pressure Water
Reactor, PWR) für die Schweiz wurden die Baukosten auf 6‘400 Schweizerfranken (CHF) pro kW
geschätzt, was CHF 6,4 Milliarden pro GW entspricht. 37
Derzeit befinden sich in Westeuropa zwei Kernkraftwerke im Bau, mit einem EPR (Evolutionary
Power Reactor) -Design der 3. Generation, die als aktuellere Referenz dienen können:
Kernkraftwerk Hinkley Point C - eine 3,2-GW-Anlage in Grossbritannien, die voraussichtlich
£22,5 Mrd. ($29 Mrd. – CHF 26 Mrd.). kosten wird. 38
Kernkraftwerk Flamanville in Manche, Frankreich, seit 2007 im Bau. Die 1,6-GW-Anlage wird
voraussichtlich €12,4 Mrd. ($14 Mrd. / CHF 12,5 Mrd.) kosten. 39
Kosten: Hinkley Point C = $ 9,01 Mrd. für 1-GW ($29 Mrd. ÷ 3.2 = $9,0625 Mrd. (CHF 8,1 Mrd.)
Kosten: Flamanville = $8,75 Mrd. für 1-GW ($14 Mrd. ÷ 1.6 = $8,750 Mrd. (CHF 7,8 Mrd.)
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 1640 Anhand dieser Beispiele belaufen sich die durchschnittlichen Kosten für den Bau eines Kernkraftwerks heute auf etwa $ 9 Mrd. oder CHF 8 Mrd. pro GW. Dieser Betrag basiert auf den sogenannten Engineering-, Beschaffungs- und Baukosten (Engineering, Procurement and Construction oder EPC. und beinhalten weder Brennstoff-, Wartungs-, Abfallentsorgungs- noch zukünftige Stilllegungskosten. Zur Berechnung des LCoE müssen diese Kosten berücksichtigt und durch die erwartete Betriebsdauer von 60 Jahren dividiert werden. Weitere Informationen unter: World Nuclear Association: Economics of Nuclear Power 41 Stromgestehungskosten eines Astrostrom-Kraftwerks Hinsichtlich eines Astrostrom-Kraftwerks bezieht sich der vergleichbare EPC auf den Bau und den Flug des ASKW ins All. Die Lebensdauer der ASKW-Struktur in GEO ist letztmöglich unbegrenzt, obwohl die Solarmodule vermutlich nach 20 bis 30 Jahren ausgetauscht werden müssen. Aufgrund ihres modularen Aufbaus und der Robotermontage im Weltraum sollte dies die Betriebskosten nicht wesentlich beeinflussen, wenn diese Wartung erforderlich wird. In Bezug auf die Stilllegung muss jeder heute gestartete Satellit einen Plan für seine Entfernung aus der Umlaufbahn vorlegen. Grosse Solarstromsatelliten in GEO würden höchstwahrscheinlich weiter draussen im Weltraum geparkt, wo ihre wertvollen Materialien schliesslich wieder verwerten werden könnten. Im Vergleich zu Kernkraftwerken würden keine wiederkehrenden Kosten für Kraftstoff, Abfallentsorgung oder Stilllegung anfallen. Ein ASKW hätte höchstwahrscheinlich eine längere Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 17
Lebensdauer als ein Kernkraftwerk, da nur die PV-Module in regelmässigen Abständen ausgetauscht
werden müssten und nicht die gesamte Struktur.
Ein ASKW hat jedoch weder einen Grossteil der laufenden Wartungs- und Brennstoffkosten wie bei
der Kernenergie noch die Entsorgungs- und Stilllegungskosten. Während der Bau und Betrieb von
Kernkraft zunehmend teurer wird, wird die Solarenergie im Weltraum wahrscheinlich billiger
werden. Auf der anderen Seite ist der Durchsatz, ein ASKW direkt von der Erdoberfläche in den GEO
zu starten, teuer, ökologisch problematisch und logistisch kompliziert.
SPS-ALPHA-Mark-ll
Abbildung 7 - SPS-ALPHA. Foto NASA/John Mankins
Das SPS-ALPHA Mk-ll-Konzept von John Mankins sieht vor, dass die ASKW-Komponenten im LEO
zusammengebaut werden und dann entweder mit einem wiederverwendbaren Orbitalen
Transportfahrzeug (OTV) oder einem integrierten ionischen solar-elektrischen Antriebssystem (SEP),
das durch die vom ASKW selbst erzeugte Elektrizität angetrieben wird, zum GEO gebracht werden. 42
Gestützt auf dem neusten SPS-ALPHA Mark-II Design schätzt Mankins, dass sein 2,1-GW-ASKW eine
Gesamtmasse von ca. 9‘192 MT haben würde und über einen Zeitraum von 30 Jahren 547‘322 GWh
bereitstellen würde, bei Realisierungskosten von 11,5 Mrd. US-Dollar. In seinem Beispiel würden die
Stromgestehungskosten (LCoE) etwa $ 0,03 pro kWh betragen (Abb. 8). 43 Dies sind Startkosten von
ca. CHF 7,8 Mrd. oder CHF 856 / kg ($8,8 Mrd. - $960/ kg). Die Kosten für den Transport von LEO zu
GEO werden nicht erwähnt.
Die Falcon Heavy von SpaceX ist die grösste Trägerrakete, die derzeit in Betrieb ist. Auf der Website
von SpaceX heisst es, dass seine Falcon Heavy "Expendable"-Version 63,8 Tonnen Nutzlast für CHF
80,25 Mio. ($ 90 Mio. Dollar) in die niedrige Erdumlaufbahn (LEO) bringen kann. Dies entspricht
ungefähr CHF 1'257/kg ($1'410/kg). Laut einem Tweet von Elon Musk (12. Februar 2018) könnte die
Kapazität der "Partially Reusable"-Version mit zwei wiederverwendbaren Seitenboostern und einem
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 18Einweg-Kernbooster mit 10 % weniger Nutzlast oder 57 Tonnen starten und würde CHF 85 Millionen
($ 95 Mio.) kosten. 44 Aufgrund der Eigenschaften der Falcon-Nutzlastverkleidung ist die tatsächliche
Kapazität jedoch erheblich reduziert - wahrscheinlich 20 Tonnen oder weniger. So wären z. B. ca. 460
Falcon Heavy-Starts erforderlich, um eine SPS-ALPHA MK-ll im LEO zu platzieren. Nach dem
Zusammenbau in LEO müsste es auf irgendeine Weise zu GEO transportiert werden.
CASSIOPeiA
Abbildung 9. CASSIOPeiA ASKW-Varianten
Website: www.internationalelectric.com/space-solar/
CASSIOPeiA (Constant Aperture, Solid-State, Integrated, Orbital Phased Array) heisst ein weiteres
aktuelles Astrostrom-Konzept von Ian Cash, das derzeit in Grossbritannien entwickelt wird, unter
Beteiligung der britischen Regierung. 45 In diesem Konzept hätte ein 2-GW-ASKW eine Zielmasse von
2’045 MT, was im Vergleich zum Mankins-Design für die äquivalente Ausgangsleistung wesentlich
geringer ist. (Abb. 9). Dies würde die Startkosten insbesondere für die Platzierung des ASKW in einer
geosynchronen Umlaufbahn (GSO) erheblich reduzieren. Laut Ian Cash können aufgrund der
Nutzlastkonfiguration des Falcon nur 8 Tonnen direkt zum GSO gesandt werden, und ein 2-GW-
CASSIOPeiA ASKW mit einer Masse von 2'045 Tonnen würde ungefähr 256 Falcon Heavy-Starts
erfordern.
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 19Starship Super Heavy
Es gibt aber noch eine weitere Trägerrakete, die derzeit von SpaceX entwickelt wird,
genannt Starship Super Heavy. 46 Dies ist eine wiederverwendbare Schwerlast-Trägerrakete, die 100
- 156 MT im LEO platzieren könnte. Mit Starship wird es möglich, die Rakete nach dem Start in den
LEO erneut zu betanken, um die Nutzlast dann in den GEO zu bringen. Dieses Doppelstartkonzept -
Hardware + Betankung - ist die interessanteste verfügbare Startoption, die voraussichtlich bis 2023
einsatzbereit sein wird (Abb. 10). 47 Die folgende Analyse verwendet den Starship-Doppelstartansatz,
um die LCoE eines CASSIOPeiA ASKW mit einer Kapazität von 2- GW zu berechnen. Die geschätzte
Masse, die in den GEO geliefert wird, beträgt 58,3 Tonnen.
Abbildung 10. Starship Betankung(Credit: SpaceX)
__________________________________________________________________________________
LCoE 2-GW CASSIOPeiA 2-GW Schweizer Franken US Dollars
Gesamtkosten CHF 16'620'424'614 $18'639'640'000
($100 million ÷ 141,000 kg = CHF 633/kg - $710/kg)
2,045 MT Erde-zu-GEO
58.3 MT im GEO pro 1 Starship + 1 Betankung (Cash 2021)
36 Starship + 36 Betankung Starts
CHF 6'420'030'495 $ 7'200'000'000
@ CHF 89 million / $100 million
Rectenna/Infrastruktur (Cash 2021) CHF 610'794'568 $685'000'000
ASKW Herstellungskosten $3,792/kg (Cash 2021) CHF 6'914'586'844 $7'754'640'000
Betrieb Weltall & Erde(+/- $100 million/Jahr* 30) CHF 2'675'012'706 $3'000'000'000
Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 20Cost/Watt Installed CHF 7,00 $7,81 Gelieferte Energie: 17,432 GWh/year (99.5% Verfügbarkeit) Insgesamt gelieferte Energie: 522,960 GWh (30 Jahren) Stromgestehungskosten (Cost of Electricity) CHF 0,032/kWh $0,036/kWh __________________________________________________________________________________ Cashflow-Szenario für ein 2-GW CASSIOPeiA Astrostrom-Kraftwerk Energiepreis: CHF 0,12/kWh (Preis für Solarenergie in der Schweiz) Gelieferte Energie: 17'432'000'000 kWh Jahresumsatz = 17'432'000'000 kWh * CHF 0,12 = CHF 2'091'840'000 Stromgestehungskosten: CHF 0,0324/kWh: 17'432'000'000 kWh * CHF 0.032 = CHF 557'842'000 Unterschied: CHF 2'091'840'000 - 557'842'000 = CHF 1'534'016'000 Marge 10 % → CHF 1'534'016'000 * 0.9 = CHF 1'380'614'000 Nettoumsatz/Jahr = ca. CHF 1,4 Mrd. Amortisation: 2-GW CASSIOPeiA CHF CHF 16'620'424'614 ÷ CHF 1,4 Mrd. pro Jahr = 12 Jahre __________________________________________________________________________________ GEO ist nicht das einzige Einsatzszenario von CASSIOPeiA. Ian Cash hat auch eine Multi-CASSIOPeiA- Konfiguration (4 ASKW) vorgeschlagen, die, wenn in einer hochelliptischen Umlaufbahn mit einer Umlaufzeit von 8 Stunden eingesetzt, eine kontinuierliche Basisleistung für drei Rectennas an verschiedenen geografischen Standorten liefern könnte - ein Ansatz, der von einem Konsortium von Nationen wie der Schweiz, Kanada und Japan entwickelt und gemeinsam genutzt werden könnte. In der Tat lautete der Titel des Vortrags von Ian Cash auf dem Internationalen Astronautischen Kongress 2018 in Bremen "CASSIOPeiA - Solar Power Satellite - Breaking the Non-Scaling Paradigm". 48 Cash schätzt, dass die beste LCoE Variante die 4-Sonnen-, 1,4-GW in einer 8-stündigen hochelliptischen Umlaufbahn ist, welche CHF 0,021/kWh ergeben würde. Die beste LCoE Variante für GEO ist die 4-Sonnen-2-GW-Variante bei CHF 0,024/kWh. Die obige LCoE-Berechnung gilt für eine 2-Sonnen 2-GW-Variante in GEO mit einem CHF 0.032 /kWh. Jede dieser Varianten wäre preislich wettbewerbsfähig mit den terrestrischen Energieoptionen der Schweiz. Zukunftsentwicklung Andere wiederverwendbare Trägersysteme befinden sich zurzeit in der Entwicklung, wie Skylon, ein einstufiges Raketenflugzeug (Single-Stage-to-Orbit - SSTO) der Firma Reaction Engines in Grossbritannien unter Beteiligung der ESA und der britischen Regierung. Russlands staatlicher Raumfahrtkonzern Roscosmos plant auch, mit SpaceX zu konkurrieren und entwickelt bis 2024 eine wiederverwendbare Trägerrakete namens Amur, die nach der ersten Stufe bis zu 100 Mal wiederverwendet werden könnte. Die erste Version dieser Rakete hat eine ähnliche Kapazität wie Falcon 9 von SpaceX. Es sind jedoch Versionen „Heavy Lift“ und „Super Heavy Lift“ geplant. 49 Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 21
Ein Weltraumlift (Space Elevator) Der grüne Weg ins All Das vielleicht optimistischste zukünftige Startsystem ist der Weltraumlift (Space Elevator - SE), der aus einem Führungsseil besteht, das sich 100.000 km von der Erde nach aussen erstreckt und mit einem Gegengewicht in der Umlaufbahn verbunden ist, z. B. mit einer Raumstation oder einem grossen ASKW. Der Endpunkt auf der Erde würde sich auf dem Äquator befinden. Anstelle von Raketentreibstoff und Raketen würden grosse Nutzlasten am Seil befestigt, die mit Hilfe von Elektrizität in den Orbit "klettern" würden. Die Nutzlasten könnten auf verschiedenen Umlaufbahnen, einschliesslich GEO (35'786 km) abgesetzt werden. In der Anfangskonfiguration könnte ein Weltraumlift 14 Tonnen Nutzlast pro Tag liefern, bei voller Betriebsauslastung würde die Nutzlastkapazität auf 79 Tonnen pro Tag steigen. So könnten die Komponenten einer 5'000 MT SPS- ALPHA in 63 Tagen, oder eine 2’045 MT CASSIOPeiA in nur 26 Tagen im GEO installiert werden. 50 Derzeit wird im ISEC (International Space Elevator Consortium) geforscht, und kürzlich wurde über einen Erfolg bei der Entwicklung eines neuen Materials für die Herstellung des Seils berichtet. Das neue Material mit 2D-Eigenschaften heisst "Single Crystal Graphene" und ist nachweislich stark genug und könnte in der erforderlichen Länge hergestellt werden, damit die technische Machbarkeit für den Weltraumlift gegeben ist. Das ISEC geht davon aus, dass ein Weltraumlift bis 2037 einsatzbereit sein könnte, was den Zugang zum Weltraum von der Erde aus natürlich revolutionieren würde, da er sowohl routinemässig als auch kostengünstig wäre, d.h. weniger als 100 CHF pro Kilogramm. In diesem Szenario würde der Start einer 2-GW-CASSIOPeiA nur ca. CHF 205 Mio. statt ca. CHF 6.5 Mrd. mit einer Starship kosten. Ein Weltraumlift könnte auch auf dem Mond gebaut werden (Lunar Space Elevator) und sich bis zum Erde-Mond-Lagrange-Punkt (EM L-1) in 61'350 km Entfernung erstrecken, was ein idealer Montagepunkt für ASKW wäre, die mit Mond-Materialien gebaut würden. Siehe: GE⊕-LPS Greater Earth Lunar Power Station . Der Vorteil eines Lunar Space Elevator ist, dass das Seil mit derzeit verfügbaren Materialien gebaut werden könnte. 51, 52, 53 Der Weltraumlift würde alle in dieser Analyse erwähnten LCoE-Szenarien revolutionieren und wäre sicherlich ein ‘Game Changer’ in der Entwicklung eines jeden Astrostrom-Programms. Der ersten Schritte der Schweiz? Die Vereinigten Staaten waren das erste Land, das sich in einer Reihe hochrangiger technischer Studien ernsthaft mit SBSP befasste. Diese Studien begannen schon in den 1970er Jahren und dauern bis heute an. Im Jahr 2020 startete das US-Militär mit seinem geheimen X-37B-Raumflugzeug ein Power-Beaming-Experiment (WPT – Wireless Power Transmission). Japan begann Ende der 1980er Jahre sich mit SBSP zu beschäftigen und hat seitdem eine WPT Ferndemonstration mit einer Leistung von 10 kW durchgeführt. Japan plant nun, in den nächsten Jahren einen SPS-Demonstrator und bis 2030 einen kommerziellen SPS auf den Markt zu bringen, wahrscheinlich als Teil eines internationalen Konsortiums. Indien hat einen offensichtlichen Bedarf an der Nutzung von Weltraumenergie und hat an mehreren internationalen Initiativen zur Verfolgung von SBSP teilgenommen. China macht kein Geheimnis aus seinem Interesse an der Entwicklung von Weltraum-Energieoptionen, sei es SBSP oder Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond für Fusionsenergie. Tatsächlich erklärte der Vater des chinesischen Weltraumprogramms Wang XiJi: „Die Welt wird in Panik geraten, wenn die fossilen Brennstoffe die menschliche Entwicklung nicht mehr Arthur R. Woods © 2021 - https://astrostrom.ch - arthur.woods@astrostrom.ch - 052 741 3740 (03.06.2021) 22
Sie können auch lesen
