ETH-Studie zeigt, wie sehr die Energiestrategie von Wunschdenken geprägt ist

Der Originalbeitrag ist als „Schlumpfs Grafik 56“ im Online-Nebelspalter vom 3. Oktober 2022 zu lesen.

Das Fazit eines neuen Arbeitspapiers der ETH Zürich, das im Frühling 2022 erschienen ist, lässt aufhorchen. Verfasst wurde es von Didier Sornette, Professor für Entrepreneurial Risks an der ETH (siehe hier): Die vom Volk beschlossene Energiewende 2050, mit der wir von den fossilen Energieträgern wegkommen wollen, ist technisch und wirtschaftlich nicht realisierbar. Wie kommt Physiker und Risikoforscher Sornette zusammen mit seinem Kollegen Euan Mearns zu diesem Befund?

Wegen der geplanten Elektrifizierung im Verkehrs- und Wärmebereich legten die Wissenschaftler den Fokus auf den Stromsektor. Dort werden die Kernkraftwerke sukzessive ausser Betrieb gesetzt und zum weitaus grössten Teil durch Solaranlagen ersetzt. Um die damit verbundene stark wachsende Volatilität der Stromerzeugung erfassen zu können, haben sie den Verbrauch und die Produktion für jede einzelne Stunde berechnet. Und wegen der starken Saisonschwankungen des Solarstroms machten sie ihre Analyse je für einen Winter- und einen Sommermonat.

Was wichtig ist:

• Mit der Energiewende müssen wir im Januar 2050 69 Prozent des Stromverbrauchs importieren.
• Der Stromüberschuss im Juli kann maximal 10 Prozent der Lücke im Januar abdecken.
• Die Speicherung von Energie mit Batterien führt zu einem Jahrespreis einer Megawattstunde von mehr als 10’000 Dollar – über 200-mal mehr als im langjährigen Durchschnitt.

In einem ersten Schritt haben die Forscher als Status quo das Stromsystem in Stundenwerten im Januar und Juli 2017 rekonstruiert. Die Verbrauchsdaten haben sie von der Schweizer Netzbetreiberin Swissgrid, die Erzeugungsdaten von ENTSO-E, dem Verband europäischer Netzbetreiber übernommen. Dabei mussten sie die nicht vollständigen Zahlen von ENTSO-E nach den offiziellen Elektrizitätsstatistiken des Bundesamtes für Energie kor

rigieren. Das Jahr 2017 haben sie gewählt, weil sie so auf das umfangreiche Datenmaterial einer bereits bestehenden Dissertation zurückgreifen konnten.

Windkraft kann nicht mehr wesentlich ausgebaut werden

In einem zweiten Schritt haben sie gemäss den Vorgaben der Energiestrategie ausgerechnet, wie unser Stromsystem im Januar und Juli 2050 aussehen wird. Es geht also um die Situation nach einer Verbrauchssteigerung um 37 Prozent, der Ausserbetriebnahme der Kernkraftwerke, einem Ausbau der Fotovoltaik auf 32 Terawattstunden sowie einer bei den Pumpspeicherwerken leicht ausgebauten Wasserkraft. Weil das Hauptproblem der Elektrizitätsversorgung die sogenannte Winterlücke ist, konzentriere ich mich hier auf die Resultate für den Januar 2050.

In dieser Grafik aus der Studie sieht man oben für die 31 Tage des Monats den Stundenverlauf des um 37 Prozent erhöhten Stromverbrauchs (schwarze Linie) im typischen Sieben-Tage-Rhythmus. Von unten nach oben sind alle Energieträger in gestapelter Form aufgezeichnet, die zur Erzeugung beigetragen haben: «Thermal» (rostrot), hier werden alle Erneuerbaren gerechnet, die nicht separat aufgezeichnet sind, «RoR» gleich Run of River (hellblau), also die Flusskraftwerke, «Hydro Dam» (dunkelblau), also die Wasserspeicherwerke, «Solar» (gelb) und «Wind» (hellgrün). Weil die Studie annimmt, dass die Windkraft in der Schweiz nicht mehr wesentlich ausgebaut werden kann, geht sie vom heutigen Potenzial aus, dessen minimaler Ertrag in dieser Grafik nicht mehr sichtbar ist.

Ohne Überschussstrom fallen im Januar die Pumpspeicherwerke aus

Bei der Wasserkraft nehmen die Autoren an, dass bei Fluss- und Speicherwerken gegenüber dem Modell von 2017 kein Unterschied besteht. Die Flusskraftwerke, die im Januar deutlich weniger Ertrag haben als im Juli, produzieren einen dünnen Bandstrombalken, der nur wenig beeinflussbar ist, während mit der steuerbaren Stromerzeugung aus Speicherseen – wie die Grafik schön zeigt – der Tagesmehrverbrauch praktisch ausgeglichen wird.

Und wo sind die Pumpspeicherwerke? Sie fehlen hier, weil kein Überschussstrom vorhanden ist, mit dem sie Wasser in ein höher gelegenes Becken pumpen könnten. Heute tun das die Pumpspeicherwerke mit «überschüssigem» Nachtstrom aus Kernkraftwerken, den sie für den Tagesmehrverbrauch speichern, und in Zukunft werden sie es mit «überschüssigem» Tagesstrom aus Fotovoltaik-Anlagen tun, den sie für die Nachtlöcher speichern. Aber in diesem Januar-Modell von 2050, wo auch mit Solaranlagen, die gegenüber 2017 um das 20-Fache ausgebaut sind, in keiner Stunde mehr Strom erzeugt als verbraucht wird, fehlt den Pumpspeicherwerke das «Material» zum Arbeiten.

Die Stromlücke im Januar wird sieben Mal grösser

Die Differenz zwischen Gesamterzeugung und Verbrauch, die rosa gefärbte Fläche, zeigt den von Stunde zu Stunde wechselnden Importbedarf, der nur mit Strom aus Frankreich, Deutschland oder Österreich gedeckt werden kann. Nach den Berechnungen der Studie summiert sich diese gesamte Januar-Stromlücke auf 69 Prozent des Verbrauchs, was in absoluten Zahlen 6,1 Terawattstunden entspricht. Verglichen mit dem durchschnittlichen Importbedarf im Januar von 0,83 Terawattstunden ist das sieben Mal mehr: Ein solch immenser Importbedarf würde jeden akzeptablen Rahmen sprengen. Nicht zuletzt auch deshalb, weil auch unsere Nachbarn mit Versorgungsproblemen im Strombereich zu kämpfen haben.

Sogar im Sommer müsste Strom importiert werden

Können wir dann nicht die Überschüsse aus der Solarproduktion im Juli in den Januar speichern? Diese Frage haben Sornette und Mearns im dritten Schritt ihrer Analyse behandelt – allerdings mit wenig hoffnungsvoller Ausgangslage. Zuerst aber musste geklärt werden, wie der tägliche Solarinput im Juli verteilt werden kann. Dies zeigt die nächste Grafik.

Für jede Tageserzeugung aus Fotovoltaik gibt es drei Verwendungsmöglichkeiten: Die direkte Verwendung am gleichen Tag (gelb), die Verwendung in Pumpspeicherwerken zur Speicherung in die kommende Nacht (rosa) und die Bereitstellung für die saisonale Langzeitspeicherung (rot). Als interessantes Detail sei erwähnt, dass mit der Verwertung zum Hochpumpen von Wasser in Pumpspeicherwerken für die Tag/Nacht-Glättung die Nachtlücke nicht vollständig gefüllt werden kann – auch nicht zusammen mit der vollständigen Umstellung aller Speicherkraftwerke auf Nachtbetrieb: In jeder Nacht musste sogar im Sommer zusätzlich Strom importiert werden.

Der Juli-Überschuss kann nur zehn Prozent des Januarlochs füllen

Wie viel Strom bleibt also für die Langzeitspeicherung übrig (die roten Spitzen in der Grafik)? Es sind 0,74 Terawattstunden, die einem Januardefizit von 6,12 Terawattstunden gegenüberstehen. Weil aber bei jeder Form von Speicherung immer Verluste entstehen, schrumpfen die 12 Prozent der Abdeckung sogar noch weiter. In der Studie wird die Speicherung mit Batterien und mit Wasserstoff untersucht – eine solche mit Wasserkraftwerken ist technisch nicht möglich.

Im Kapitel über Batterie-Speicherung untersuchen Didier Sornette und Euan Mearns Lithium-Ionen Batterien der Firma Tesla. Unter Berücksichtigung der grossen Unsicherheiten im Bereich der stark gefallenen Preise und der chemischen Zusammensetzung der Batterien rechnen sie mit einem Preis von 150 Dollar pro gelieferter Kilowattstunde. Die geforderte Speicherung von 0,74 Terawattstunden würde so 111 Milliarden Dollar kosten.

Die Stromlücke im Januar könnte durch solaren Überschussstrom nur zu vier bis acht Prozent gedeckt werden – zu nicht akzeptablen Kosten.

Wenn weiter noch alle Verluste eingerechnet sind, würden – bei einem Batterie-Lebenszyklus von zwanzig Jahren – die jährlichen Kosten pro gespeicherte Megawattstunde 10,597 Dollar betragen. Der durchschnittliche Börsenpreis pro Megawattstunde lag jahrelang bei etwa 50 Dollar und schwankt seit Ende 2021 zwischen 200 und 600 Dollar pro Megawattstunde: Die Preise für eine Batteriespeicherung liegt also meilenweit jenseits des Möglichen.

Hastige Entscheide des Parlaments

Wie steht es also mit dem Wasserstoff-Weg, auf dem zuerst durch Elektrolyse Wasserstoff aus Wasser gewonnen wird, der speziell gelagert und schliesslich in einem Gas-und-Dampf-Kombikraftwerk wieder verstromt wird? Weil bei diesem Prozess viel grössere Verluste als bei der Batterie-Speicherung entstehen, bleibt am Ende nur ein nutzbarer Ertrag von 30 Prozent übrig. Mit dieser Methode könnte in unserem Beispiel also nur 3,8 Prozent des Winterstromloches vom Januar gedeckt werden. Und die Kosten, die schwer schätzbar sind, wären immens.

Das Fazit der Studie von Sornette und Mearns ist also ernüchternd: Die Stromlücke im Januar, die wir bereits heute haben, würde sich um das Siebenfache vergrössern. Diese Lücke könnte durch solaren Überschussstrom aus dem Juli nur zu 4 bis 8 Prozent gedeckt werden – allerdings zu nicht akzeptablen Kosten.

Dieses Fazit ergibt sich aus einer realistischen stundenbasierten Betrachtungsweise, die angesichts der Volatilität und Unsteuerbarkeit des Solarstroms als Goldstandard der Analytik bezeichnet werden muss. Die hier gezeigten Erkenntnisse scheinen jedoch in den aktuell hastig hingeworfenen energiepolitischen Entscheidungen des Parlaments und des Bundesrates kaum beachtet zu werden. Die Energiewende ist von Wunschdenken geprägt.