Gedankenexperiment: Schweiz ohne fossile Brennstoffe. Kann das gelingen? - scinexx | Das Wissensmagazin
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Gedankenexperiment: Schweiz ohne fossile Brennstoffe. Kann das gelingen?

Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Eine neue Empa-Studie zeigt, wie viel Arbeit noch vor uns liegt, wenn die Schweiz einst ohne fossile Brenn- und Treibstoffen auskommen soll. Zwei Lösungen bieten sich an: im Sommer grosse Mengen Energie speichern und im Winter unseren Bedarf einschränken oder aber Energie im «sonnigen Süden» bzw. im «windigen Norden» der Erde gewinnen und hierher transportieren. Die Empa-Forscher sehen ihre Studie als Gedankenanstoss für Politik und Gesellschaft.

Wenn wir landesweit loskommen wollen von fossilen Brenn- und Treibstoffen, gibt es viel zu tun. Es wird ein Generationenprojekt, soviel ist klar. Wie lang und steil der Weg zu einer nachhaltigen Energieversorgung sein dürfte, haben die Empa-Forscher Martin Rüdisüli, Sinan Teske und Urs Elber nun ausgerechnet; ihre Studie erschien Ende Juni im Fachmagazin «Energies».

Die Forscher wählten einen konservativen Ansatz und sammelten zunächst reale Daten über den Stromverbrauch, Heizbedarf und Warmwasserverbrauch in der Schweiz. Diese Daten dienten ihnen dann als Basis für ein Gedankenexperiment. Der Strombedarf der Schweiz ist dabei noch recht einfach zu ermitteln: Der Schweizer Netzbetreiber Swissgrid liefert detaillierte Werte für jede Viertelstunde an jedem Tag des Jahres. Schwieriger wird es mit der Heizenergie und dem Warmwasserbedarf. Die Empa-Experten nutzten Daten des Fernwärmeversorgers REFUNA, der mit der Abwärme des Atomkraftwerks Beznau mehrere Gemeinden im unteren Aaretal versorgt. Eine Datenanalyse ergab, dass der Wärmebedarf der angeschlossenen Häuser recht gut mit der Aussentemperatur korreliert – und in Nächten, die wärmer sind als 18 Grad Celsius, die Wärme daher lediglich für Brauchwasser und Duschwasser verwendet wird.

Heizungen und Privatwagen weitgehend elektrifiziert

Für ihr Gedankenexperiment machten die Forscher nun verschiedene Annahmen. Erstens: Die meisten Bewohner in der Schweiz verhalten sich wie die Menschen im unteren Aaretal und wohnen in ähnlichen Gebäuden. Zweitens: Um von Heizöl und Erdgas wegzukommen, wird der Wärmebedarf sämtlicher Gebäude zunächst einmal durch Sanierungsmassnahmen um rund 42% gesenkt; dann wird 3/4 des restlichen Wärmebedarfs in derart sanierten Häuser und Wohnungen mit elektrischen Wärmepumpen realisiert. Und drittens: Die Mobilität wird soweit elektrifiziert, dass ca. 2/3 aller privaten Autofahrten elektrisch stattfinden können, was ungefähr 20% aller gefahrenen Kilometer entspricht. Frachtverkehr und Fernreisen sind dagegen nicht so leicht umzustellen, daher wurden diese bei der Elektrifizierung der Mobilität in der Studie ausgenommen.

Atomkraftwerke spielen in der Empa-Studie keine Rolle mehr – denn der Ausstieg aus der Atomkraft ist seit der Volksabstimmung zum Energiegesetz vom Mai 2017 beschlossene Sache. Daher rechneten die Forscher mit einem starken Ausbau der Photovoltaik; die Hälfte aller in Rahmen des Projekts www.sonnendach.ch als gut bis hervorragend geeignet beurteilten Dachflächen in der Schweiz werden mit Solarzellen bestückt. Das entspricht rund einem Drittel aller Dachflächen in der Schweiz.

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Wie stark steigt der Strombedarf?

Als nächstes ermittelten die Forscher den daraus resultierenden Stromverbrauch, der durch Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge um rund 13,7 Terrawattstunden pro Jahr ansteigen dürfte – also um rund 25 Prozent im Vergleich zu heute. Noch alarmierender als dieser markante Verbrauchszuwachs war allerdings der zeitliche Unterschied zwischen Stromerzeugung und -bedarf: Solarzellen produzieren im Sommer am meisten – doch Wärmepumpen und beheizte Autos brauchen vor allem im Winter besonders viel Strom. Daraus resultiert eine saisonale Versorgungslücke.

Diese könnte man mit Importstrom aus den Nachbarländern ausgleichen, wie dies auch heute bereits bei Unterversorgung geschieht. Darunter dürfte dann aber unsere CO2-Bilanz leiden – denn der Strom aus Europa verschlechtert die CO2-Bilanz der so sorgfältig elektrifizierten Schweiz oft wieder massiv. Wärmepumpen und Elektroautos nützen dem Klima also am meisten, wenn der dafür benötigte Strom auch erneuerbar ist.

Was schlagen die Forscher vor?

Die Empa-Studie gibt aber auch einige wertvolle Hinweise, wie sich eine CO2-arme Energieversorgung umsetzen liesse. Erstens: Am sinnvollsten ist es, Ölheizungen genau dann durch Wärmepumpen zu ersetzen, wenn die Gebäude nach dem Stand der Technik wärmeisoliert werden. Denn eine Wärmepumpe ohne entsprechende Isolation ist deutlich weniger effizient. Zweitens: Jedes Atomkraftwerk muss mit etwa der achtfachen Leistung an Photovoltaik ersetzet werden. Warum? Ein Atomkraftwerk liefert rund 8’000 Stunden Strom pro Jahr – eine Solarzelle jedoch nur 1’000 Stunden. Das bedeutet also sehr viele Solarpanele – und das auf allen verfügbaren Flächen. Drittens: Wir brauchen so viel Speicherkapazität für Solarenergie wie nur möglich – und zwar sowohl lokale Batteriespeicher als auch Pumpspeicher und andere Speichertechnologien, insbesondere (Erd-) Wärmespeicher, aber auch Technologien zur Umwandlung von Strom in chemische Energieträger. Denn die Sonne scheint nur wenige Stunden am Tag stark genug, um die Speicher zu füllen. Für die restliche Zeit muss dann die gespeicherte Energie zum Leben reichen.

Viertens: Wir müssen saisonale Wärmespeicher anlegen, damit im Winter der Strombedarf der Wärmepumpen reduziert werden kann. Fünftens: Wir müssen Energieangebot und Bedarf besser aufeinander abstimmen. Es wird im Sommer Solarstrom und Wärme im Überfluss geben, doch im Winter ist vor allem erneuerbare Energie künftig ein rares (und daher teures) Gut. Sechstens – und das ist die gute Nachricht: Die Elektromobilität bringt die Rechnung nicht zum Kippen. Das tägliche Laden von Elektrofahrzeugen zu Hause, am Arbeitsplatz oder beim Einkauf erzeugt unter den getroffenen Annahmen nur relativ geringe Strombedarfsspitzen im Vergleich zur elektrischen Wärmeversorgung. Eine Voraussetzung dafür sind allerdings entsprechende Netze mit genügend grosser Kapazität.

Werden in Zukunft im Winter noch weitere erneuerbare Energien wie Windkraft, Geothermie, mehr Biomasse und etwas mehr Wasserkraft realisiert, wird die Deckungslücke zwar kleiner, gänzlich schliessen lassen wird sie sich dadurch wohl nicht. Die Elektrifizierung von Wärme und Mobilität alleine löst das Problem daher nicht. «Damit der nachhaltige Umbau unseres Energiesystems gelingt, brauchen wir sowohl kurz- als auch langfristige – sprich: saisonale – Energiespeichertechnologien. Deshalb sollten wir nicht Energiesektoren gegeneinander ausspielen, sondern uns alle technischen Optionen offenhalten», sagt Martin Rüdisüli. Und Sinan Teske ergänzt: «Wir müssen von der Natur lernen, wie man mit Sonnenenergie umgeht, die nicht über das ganze Jahr verfügbar ist. Wir könnten im Sommer so viel wie möglich einlagern und im Winter unseren Bedarf einschränken. Oder wir suchen uns Partner auf der Südhalbkugel der Erde, die Sonnenenergie ernten und in die Schweiz liefern können, wenn bei uns Winter herrscht, und umgekehrt.»

Quelle: Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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