ETH: Mit Kernkraftwerken ist Netto-Null am günstigsten

Der Originalbeitrag ist als „Schlumpfs Grafik 113“ im Online-Nebelspalter vom 27. Mai 2024 zu lesen.

Vor kurzem ist eine ETH-Studie erschienen, die sich dem Thema Energiesicherheit in einer CO₂-neutralen Schweiz widmet (siehe hier). Damit ergänzt und erweitert Andreas Züttel, der an der ETH Lausanne (EPFL) als Professor tätig ist, eine frühere Studie zum gleichen Thema (siehe hier). Im Unterschied zur ersten Studie bezieht das Forscherteam um Züttel diesmal aber auch die Option Kernkraft in die Berechnungen mit ein. Und siehe da: Unter den technisch realisierbaren Varianten sind die Stromgestehungskosten bei den Kernkraftwerken am billigsten.

Was wichtig ist:

– Eine neue Studie der ETH geht davon aus, dass die Schweiz bis 2050 ihren gesamten Energieverbrauch durch erneuerbare Energien deckt.
– Für die Erzeugung der zusätzlichen Elektrizität, die dazu notwendig ist, braucht es neben den bestehenden Quellen acht neue Kraftwerke von der Grösse des KKW Gösgen.
– Jedes dieser Modell-Kraftwerke muss imstande sein, jederzeit abrufbaren Strom zu liefern.
– Unter allen technisch denkbaren Varianten für die grüne Stromerzeugung sind Wasserkraft, Biogas und Kernkraft die finanziell günstigsten Lösungen.

Die Studie geht davon aus, dass der gesamte Schweizer Energieverbrauch bis 2050 so weit wie möglich elektrifiziert wird. Ausser Flugkerosin werden dabei alle fossilen Brenn- und Treibstoffe (Öl, Gas) durch klimaneutrale Stromquellen ersetzt. Zusätzlich muss auch der Strom aus den heute noch laufenden Kernkraftwerken ersetzt werden. Die folgende Grafik zeigt diesen Substitutionsprozess, dargestellt in Monatswerten von Verbrauch und Produktion:

Die linke Grafik zeigt den Status quo von 2019. In der rechten Grafik sieht man, wie der Mix nach der Elektrifizierung im Jahr 2050 aussieht. Allein mit den Verbesserungen der technischen Wirkungsgrade durch die Elektrifizierung sinkt der Schweizer Gesamtenergieverbrauch pro Jahr von 232 auf 156 Terawattstunden – und dies bei unverändertem Endenergiebedarf der Konsumenten.

Ein Schweizer Energiesystem unabhängig von Stromimporten

In beiden Grafiken ist der Verbrauch als schwarze Kurve oben eingezeichnet. Die unterschiedlich gefärbten Balken zeigen die kumuliert eingetragene Stromproduktion der verschiedenen Träger pro Monat. Im Status quo von 2019 links sieht man, dass in der Schweiz im Sommer mehr und im Winter weniger Strom erzeugt als gebraucht wurde, was zu Nettoexporten und -importen geführt hat. In der rechten Grafik ist das zukünftige Energiemodell dieser Studie dargestellt, das so gestaltet wurde, dass in jedem Monat ein kleiner Stromüberschuss resultiert – die Studie zeigt also, was es braucht, damit die Schweiz bis 2050 energieautark ist.

Der Mix der Energieerzeuger im Studienmodell (rechte Grafik) zeigt von unten nach oben zuerst die fixen Beiträge aus Flugkerosin (violett) und aus sechs Kraftwerken der Grösse Gösgens (grau). Mit dem Strom aus diesen Kraftwerken wird hauptsächlich die wegfallende fossile Energie (in der linken Grafik braun) ersetzt. Über diesem soliden Bandenergiesockel aus Bio-Kerosin und Strom aus sechs Kraftwerken kommen flexibel eingesetzte Energiequellen: Wasserkraft (Flusskraftwerke hellblau, Speicherkraftwerke dunkelblau) und Biomasse aus Holz (grün). Damit wird die Produktion im Winter, wo es wegen dem Solarstrom (gelb) Lücken gibt, und im Sommer, wo Solarüberschüsse zu verzeichnen sind, an den Verbrauch angeglichen.

«Kraftwerk» bedeutet zuverlässiger Bandstrom-Erzeuger

Damit das möglich ist, nehmen die Forscher an, dass folgende Anpassungen bis 2050 realisiert sind (in der rechten Grafik oben rechts symbolisiert):

• Photovoltaik-Ausbau auf sinnvoll nutzbaren Dachflächen (plus 21 Terawattstunden gegenüber heute)
• Ausbau der Biomasse auf 20 Terawattstunden (plus 5 Terawattstunden)
• Ausbau der Speicherkapazität der Wasserkraft (plus 9 Terawattstunden)
• Grünes Kerosin aus Palmöl (23 Terawattstunden, aus dem Ausland importiert)

Die nach der Realisierung dieser Massnahmen noch fehlenden 53 Terawattstunden pro Jahr werden laut Studie durch die sechs Kraftwerke von der Grösse des KKW Gösgen erzeugt. Damit ist ein imaginäres Modell-Kraftwerk gemeint, das eine Leistung von einem Gigawatt hat, und das imstande ist, jederzeit zuverlässig Bandstrom zu liefern. Aus welchen klimaneutralen Energiequellen dieser Bandstrom in der Schweiz erzeugt werden kann, untersucht die Studie im Detail. Dabei kommen Züttel et al. zum Schluss, dass in der Schweiz grundsätzlich sieben Typen von Kraftwerken in diesem Sinne möglich sind:

• Wasserkraftwerk mit Speichersee (HYD-S)
• Wasserkraftwerk am Fluss (HYD-R)
• Wärmekraftwerk mit kombiniertem Zyklus (THERM)
• Kernkraftwerk der künftigen Generation (NUC)
• Photovoltaik mit Pumpspeicher-Wasserkraftwerk (PV-HYD)
• Photovoltaik mit Wasserstofferzeugung und -Speicherung (PV-H2)
• Umwandlung von Biomasse in Synfuel (BioSF)

Nicht genügend Pumpspeicher-Kapazitäten für Sonnenenergie Für jeden dieser Kraftwerkstypen werden alle notwendigen Schritte der Energieumwandlung dargestellt, die später für die Kostenberechnung entscheidend sind. Die nächste Grafik zeigt als Beispiel den Kraftwerkstyp «Photovoltaik mit Pumpspeicherwerk», der für unsere Energiewende zentral ist:

Ausgehend von Strom aus Photovoltaik (oder Wind) braucht es einerseits Batterien für die Tag/Nacht-Speicherung und andrerseits ein Pumpspeicherwerk für die saisonale Speicherung. Nach Auskunft von Andreas Züttel wäre für den Betrieb eines einzigen Kraftwerks von diesem Typ ein Pumpspeicherwerk notwendig, mit dem im Sommer die Hälfte des Wassers aus dem Zürichsee quasi in den Sihlsee gepumpt werden könnte, um im Winter wieder abgelassen und turbiniert zu werden. Das Volumen des Sihlsees ist aber rund 40-mal zu klein dafür, und wahrscheinlich würde es den Zürchern nicht gefallen, den See zur Hälfte zu leeren: Dieser Kraftwerkstyp ist bei uns also aus Kapazitätsgründen nicht möglich.

Solarstrom kostet mindestens dreimal so viel wie Atomstrom

Kommen wir nun zu den Kosten, die die Forscher aufgrund der technischen Anforderungen der Energieumwandlungen zu heutigen Preisen berechnet haben. Die nächste Grafik zeigt die Gestehungskosten der verschiedenen Kraftwerkstypen in Franken pro Kilowattstunde erzeugtem Strom:

Für jeden Kraftwerkstyp zeigt die Grafik zwei Werte (orange und blau), die aber nur dort verschieden sind, wo Kraftwerke mit Speicherung kombiniert werden müssen. Bei den Photovoltaik-Varianten PV-HYD und PV-H2 und der Synfuel-Lösung BioSF gibt der orange Wert die Kosten nur mit Tag/Nacht-Speicherung, und der blaue Wert die Kosten inklusive saisonaler Speicherung an.

Mit der angenommenen saisonalen Speicherung für drei Wintermonate wird der blaue Wert beim Gesamtpreis mit einem Anteil von 25 Prozent berücksichtigt. Dieser wird mit einem schwarzen Balken angezeigt.

Solarstrom kombiniert mit Wasserstoff oder Synfuel ist sechsmal teurer als Atomstrom

Die Kraftwerkstypen sind von links nach rechts in der Reihenfolge und mit den Symbolen angegeben, wie ich sie oben aufgeführt habe. Zu diesen sieben inländischen Typen (Symbol Schweizer Kreuz) kommen rechts davon noch drei Varianten mit Importen von Wasserstoff, Synfuel und Synfuel aus Palmöl dazu.

Dank der hilfreichen Idee der Bandstrom-Kraftwerke lassen sich nun alle diese Strompreise ohne Wenn und Aber vergleichen. Dabei zeigt sich, dass der Preis für Strom aus Wasserkraft, aus einem mit Biogas betriebenen thermischen Kraftwerk und aus einem zukünftigen Kernkraftwerk jeweils unter acht Rappen pro Kilowattstunde liegt. Die Variante Photovoltaik mit Pumpspeicher (die nicht funktioniert) ist mit 24 Rappen dreimal so teuer wie Kernkraft. Und die Speicherung des Solarstromes mit Wasserstoff (44 Rappen) oder mit Synfuel (47 Rappen) kostet sogar sechsmal so viel.

Fazit: Ein grösserer Ausbau der Wasserkraft über die Erweiterung der Speicherung um 9 Terawattstunden hinaus, wie in der Studie bereits angenommen, ist völlig illusorisch. Es bleiben als wirtschaftlich tragbare Varianten nur das Thermische Kraftwerk und das Kernkraftwerk. Das thermische Kraftwerk fällt aber auch weg, weil es in der Schweiz nicht genügend Anbauflächen zur Produktion für Bioöl oder Biogas gibt. Auf dem Favoritenplatz ist also die Option Kernkraftwerk, für die aber zuerst das gesetzliche Neubauverbot aufgehoben werden muss: Der Weg zu einer zuverlässigen und klimaneutralen Energiezukunft ist also noch mit vielen Hindernissen gepflastert.