Energie Klima Politik

Platzt unser Traum einer CO2-neutralen Gesellschaft?

Die Schweiz wird das bis 2050 angestrebte Netto-Null-Ziel von 2050 wahrscheinlich verfehlen, weil die Winterstromlücke mit keiner heute verfügbaren Technologie gestopft werden kann. Eine Studie der ETH Lausanne quantifiziert die Probleme zum ersten Mal.

Der Originalbeitrag ist als “Schlumpfs Grafik 38” im Online-Nebelspalter vom 4. April 2022 zu lesen.

Wenn wir bis 2050 unser Energiesystem CO2-neutral haben wollen, müssen wir die gesamte Produktion vollständig auf erneuerbare Ressourcen umstellen. Die technischen Herausforderungen und die wirtschaftliche Machbarkeit einer derart gewaltigen Transformation haben Forscher der ETH Lausanne (EPF) und der Eidgenössischen Materialprüfungsanstalt (Empa) in einer Studie für die Schweiz analysiert (Andreas Züttel et al., 2022, siehe hier). Die Studie erschien im Februar.

Diese Analyse geht von Rahmenbedingungen aus, die in der folgenden Grafik (Seite 2 der Studie) schematisch dargestellt sind, und auf dem Energiebedarf von 2019 beruhen:

Der Import fossiler Energie ist ausgeschlossen (die verbotenen schwarzen Fässer links oben). Dies bedeutet, dass der gesamte Wärme- und Verkehrsbereich vollständig auf grüne Energien umgestellt werden muss. Weil alle Kernkraftwerke abgestellt sind, wird die gesamte Energieerzeugung nur noch mit Wasserkraft (links unten) und Sonne (PV-Anlagen rechts oben) bestritten, da die Windkraft in der Schweiz keine bedeutende Rolle spielen wird. Damit aber stellt sich ein doppeltes Stromspeicherproblem: Einerseits müssen die Tag/Nacht-Schwankungen des Solarstroms und andrerseits die saisonalen Differenzen des gesamten Systems ausgeglichen werden.  

Der Tages- oder Sommer-Überschussstrom, der in einem solchen System anfällt, kann auf drei Arten gespeichert oder weiterverwendet werden: erstens in Batterien (oben Mitte), zweitens für die Produktion von Wasserstoff und dessen spezieller Speicherung (Mitte) und drittens in einer chemischen Fabrik (rechts unten), in der synthetische Kohlenwasserstoffe produziert werden, die in grünen Fässern landen.

Drei Szenarien: Rein elektrisch, mit Wasserstoff, mit Kohlenwasserstoffen

Die Auswirkungen dieser drei verschiedenen Speichermethoden haben die Forscher in drei entsprechenden Energiesystemen untersucht, die ich hier als Szenarien bezeichne: Das rein elektrische Szenario 1 beruht auf der Batteriespeicherung, das Wasserstoff-Szenario 2 stützt sich auf die Herstellung von Wasserstoff ab und im Synfuel-Szenario 3 werden synthetische Kohlenwasserstoffe produziert.

In allen Szenarien stellen sich die gleichen drei Grundfragen: Erstens: Wie gross muss der Ausbau der Solaranlagen sein? Zweitens: Wie gross muss die Speicherkapazität für den kurzfristigen Tag/Nacht-Ausgleich sein? Drittens: Wie gross muss die Speicherkapazität für den langfristigen saisonalen Ausgleich sein? Die Antworten auf diese Fragen sind in der folgenden Grafik – die ich vom Hauptautor der Studie, Professor Andreas Züttel, direkt erhalten habe – zum grössten Teil nicht mit physikalischen Zahlen, sondern mit anschaulichen Vergleichsgrössen angegeben. Das erleichtert die Vorstellung der Grössenordnungen, um die es hier geht.

In der linken Spalte werden die drei Themenbereiche definiert, in denen unser Energiesystem umgebaut werden muss. Von oben nach unten sind das die Substitution der Kernkraftwerke durch PV-Anlagen (Symbol AKW), der Ersatz der fossilen Energieträger im Wärme- und Verkehrsbereich (Symbol Haushalte, Industrie, Dienstleistungen und Verkehr) und die Herstellung des Flugtreibstoffes Kerosin (Symbol Flughafen). Für jeden dieser Themenbereiche findet man rechts davon in den drei schwarzumrandeten Szenarienkasten überall eine dreizeilige Antwort, die immer nach dem gleichen Muster auf die drei oben erwähnten Grundfragen eingeht.

Allein der Ersatz der KKW erfordert die gesamte PV-taugliche Dachfläche der Schweiz

Schauen wir uns das einmal musterhaft anhand der obersten Zeile «PV für KKW» an. Auf die erste Frage: «Wieviel PV muss zugebaut werden?», steht hier als Antwort: 1 x das Symbol «Haus auf Schweiz». Mit dem Symbol «Haus auf Schweiz» ist die gesamte PV-taugliche Dachfläche auf Gebäuden in der Schweiz gemeint, die in der Studie mit 135 Quadratkilometern angegeben wird. Diese Grössenordnung wird bestätigt durch eine Studie von Alina Walch et al. von 2019 (siehe hier), die wegen ihrer stundenbasierten Analytik und Vielfalt der berücksichtigten Parameter als Goldstandard in dieser Frage bezeichnet werden kann.

Allein mit dem Ersatz der Kernkraftwerke müssten also bereits alle geeigneten Dachflächen für den PV-Ausbau verbaut werden. Das ist aber noch nicht alles: Wie die Grafik zeigt, müsste man in diesem Szenario sowohl für den Ersatz der fossilen Energien als auch für die Produktion von grünem Kerosin nochmals je das Zweifache der PV-tauglichen Dachflächen zur Verfügung haben. Insgesamt würde die Realisierung dieses ersten Szenarios also eine zusätzliche PV-Fläche von 682 Quadratkilometern erfordern – das ist das Fünffache dessen, was auf Schweizer Hausdächern möglich ist.

Pro Person 44 Autobatterien für die Tag/Nacht-Speicherung

Und mit welchen Grössenordnungen müsste man bei der Speicherung rechnen? Nehmen wir zuerst die zweite Grundfrage nach der Tag/Nacht-Speicherung, die in der Grafik überall auf der zweiten Zeile zusammen mit dem Symbol einer Batterie beantwortet ist. Im rein elektrischen ersten Szenario wären dafür total 365 Gigawattstunden nötig, das entspricht 44 Kilowattstunden pro Kopf der Bevölkerung. Für jede einzelne Person in der Schweiz müsste also irgendwo das Leistungsäquivalent von 44 konventionellen Autobatterien gelagert werden.

Saisonal müssen 18 Terawattstunden gespeichert werden

Und schliesslich zur dritten und wichtigsten Grundfrage: Wieviel Strom muss vom Sommer in den Winter gespeichert werden, und wie ist das am besten möglich? Die Strommenge, die gespeichert werden muss, geben die Forscher mit 18 Terawattstunden an. Das ist deutlich weniger, als in der viel tiefer gehenden Empa-Studie von 2019 (siehe hier), die auf 23 Terawattstunden gekommen ist.

Beim zweiten Teil der Frage nach der Speichermethode, trennen sich nun die Wege der drei Szenarien, und zwar im Bereich des Ersatzes für die fossilen Energien. Schauen wir wieder zuerst in das elektrische Szenario 1. Im Bereich «Ersatz Fossile» steht auf der dritten Zeile die Antwort: 9 x Symbol «Turbine über Wasser». Dieses Symbol steht für die Speicherkapazität des mit Abstand grössten Schweizer Wasserspeicherkraftwerks, Grande Dixence. Um die geforderten 18 Terawattstunden speichern zu können, müssten wir also neun solche Riesenanlagen in den Alpen neu bauen.

Zusätzlich noch 13 Mal die höchste Staumauer der Welt dazubauen

Dass dies bei einer Anlage, deren Staumauer mit einer Höhe von 285 Metern die höchste der Welt ist, und die so imstande ist, 400 Millionen Kubikmeter Wasser zu stauen, vollkommen unmöglich ist, versteht sich von selbst. Aber es würde für das erste Szenario noch nicht einmal genügen, denn wegen «PV statt KKW» wären nochmals vier Grande Dixence nötig. Für die vollständige Realisierung eines klimaneutralen durchelektrifizierten Szenarios 1 müssten also dreizehn Wasserspeicheranlagen in der Grössenordnung von Grande Dixence neu gebaut werden. Das liegt weit jenseits des Möglichen.

Mit Wasserstoff brauch es 25 mal den Gotthard-Basistunnel

Kann die saisonale Speicherung also mit der Herstellung von Wasserstoff (zweites Szenario) gelingen? Bei diesem Prozess wird via Elektrolyse Wasserstoff hergestellt, der dann im Untergrund bei speziellen Bedingungen gespeichert werden kann. Wegen Wirkungsgradverlusten muss allerdings im Bereich «Ersatz Fossile» mit dreimal mehr PV-Fläche gerechnet werden, als im elektrischen Szenario 1. Der Gesamtbedarf an PV-Fläche im Wasserstoff-Szenario beträgt 1389 Quadratkilometer – das Neunfache der PV-tauglichen Dächer der Schweiz.

Zusätzlich müsste bei diesem System eine gänzlich neue Wasserstoff-Infrastruktur aufgebaut werden. Besonders kritisch dabei ist die Bereitstellung eines unterirdischen Lagervolumens von 57 Milliarden Kubikmetern. Das entspricht, wie die Grafik im mittleren roten Feld zeigt, 25 mal dem Volumen des Gotthard-Basistunnels.

Weil auch das praktisch unmöglich scheint, bleibt noch die Variante drei: das SynFuel-Szenario. Hier werden in einer chemischen Fabrik synthetische Treib- und Brennstoffe hergestellt, was den grossen Vorteil hat, dass die bisherige Verkehrs- und Heizinfrastruktur beibehalten werden kann. Wie die Grafik auch noch zeigt (der grüne Teil), ist die Produktion von Kerosin nur mit diesem Verfahren überhaupt möglich.

Mit SynFuel würden zwei Drittel der Schweizer Siedlungsfläche mit PV überbaut

Wie gut eignet es sich aber für den Ersatz der fossilen Energien? Weil die Wirkungsgradverluste hier nochmals deutlich höher liegen als im Wasserstoff-Szenario, steigt der Grundbedarf an PV-Fläche nun sogar auf das Sechsfache des elektrischen Szenarios. Für das SynFuel-Szenario wären 1987 Quadratkilometer Fläche nötig, das heisst, für jede Schweizerin und jeden Schweizer müssten 236 Quadratmeter PV-Flächen montiert sein. Damit wären bereits zwei Drittel der gesamten Siedlungsfläche unseres Landes überbaut – für mich eine beunruhigende Vorstellung.

Aber auch der Batteriespeicherbedarf für Tag/Nacht steigt nochmals an: In diesem Szenario wäre pro Person die Kapazität von 120 Autobatterien notwendig.

Keines der Szenarien scheint realistisch

Es ist klar, dass das erste soweit wie möglich elektrifizierte Szenario das effizienteste und damit auch billigste ist. Nur lässt sich damit die saisonale Speicherung nicht bewerkstelligen – jedenfalls hierzulande nicht im ganzen Ausmass, das für die Klimaneutralität nötig wäre. Da die beiden anderen Szenarien wie gezeigt ebenfalls nicht vollständig realisierbar sind, gibt es letztlich keinen gangbaren Weg für ein Schweizer Energiesystem, das ausschliesslich auf erneuerbarer Wasser- und Sonnenkraft beruht: Unsere Energiestrategie 2050 muss also scheitern.

9 Kommentare zu “Platzt unser Traum einer CO2-neutralen Gesellschaft?

  1. Die Darstellung der technischen Machbarkeit basiert auf mehreren Stellgrössen. Die wichtigste Ausgangslage ist das Potenzial der PV Produktion. Ob 16, 24, 50 oder 78 TWh pro Jahr hat massiven Einfluss auf die benötigte Speichermenge. 16 und 24 TWh kommen aus dem Hause EPFL. Beide Erhebungen machen massive Fehler in der Anwendung der PV wodurch Flächen kategorisch missachtet werden. Dadurch ist das gesamte Szenario von Züttel falsch, weil die Ausgangslage falsch ist.
    Hier sind die massiven Fehler der EPFL Potenzialstudien aufgelistet: https://www.pv2grid.ch/medien/artikel/epfl-pv-potenzial

  2. Guntram Rehsche

    Die von MS ausführlich beigezogene Studie zur CO2-neutralen Schweiz ist bald nach ihrem Erscheinen in die Kritik geraten, das kann man u.a. hier nachlesen:

    > https://www.helion.ch/neue-empa-epfl-studie-besteht-den-praxistest-nicht/

    Der Schluss des Helion CEO lautet: Die Studie der EMPA/EPFL ist ein willkommener Beitrag zur Lösungsfindung für die Energiewende. Sie zeigt aber insbesondere sehr deutlich auf, wie die Energiewende nicht angegangen werden darf. Das riesige Einsparpotenzial im Gebäudebereich darf nicht ignoriert werden, und es darf nicht auf eine Insellösung gesetzt werden. Wird dies berücksichtigt und mit dem heute bekannten Gebäudepotenzial für Photovoltaik verknüpft, so zeigt die Studie auf, dass die Energiewende mit Photovoltaik sowohl möglich wie auch finanzierbar ist.

    Ich selbst appelliere mal an den gesunden Menschenverstand. Der Text von MS weist viele Widersprüche auf, genannt seien im Solarbereich:
    – Zu bestreiten ist Aussage: «die gesamte PV-taugliche Dachfläche auf Gebäuden in der Schweiz gemeint, die in der EMPA/PSI-Studie mit 135 Quadratkilometern angegeben wird. » Die Fläche beträgt vielmehr zwischen 200 und 400 km2 (was schon deshalb plausibel erscheint, weil die Gesamtfläche aller Dächer schweizweit 1000-1200 km2 beträgt und 1/5 bis 1/3 sicherlich PV-fähig ist – zu dieser Zahl kommt auch das Bundesamt für Energie). Kommen noch die Fassaden hinzu, die in der Bezugsstudie überhaupt nicht eingeschlossen sind.
    – Aussage, jede Person benötige 44 Autorbatterien, ist ebenso strittig – wobei doch schon eine einzige für eine ganze Familie für die Tag-/Nachtüberbrückung reicht – das kann sich jeder wiederum auch ohne Physikstudium ausrechnen, denn eine Autobatterie ist auf 20 bis 80 KWh ausgelegt, ein durchschnittlicher 4-Personen-Haushalt verbraucht deren 4 KWh pro Tag!
    – Die saisonale Speicherung lässt schliesslich die möglichen technischen Fortschritte ausser Acht.

    • Arturo Romer

      Präzisierungen:
      1. Ein 4-Personen-Haushalt verbraucht im Mittel in der Schweiz jährlich rund 4500 kWh . 4 kWh pro Tag stimmt nicht.
      2. Autobatterie: Herr Prof. Martin Schlumpf erwähnt in seinem sehr interessanten Artikel konventionelle Autobatterien. Deren Kapazität beträgt rund 1 kWh. Die Batterien von Elektroautos haben natürlich viel grössere Kapazitäten. Diese reichen bis zu 100 kWh (siehe z.B.Tesla S).

      • Guntram Rehsche

        4 KWh pro Tag pro Person = rund 4800 KWh pro Jahr bei 4köpfiger Familie. Sie müssen schon bitte lesen, wann es um eine Person und wann um eine Familie geht.

  3. Michael Suana

    Es ist schon erstaunlich, wenn nicht unglaublich. Da wird eine Energiestrategie verkauft, die sich dann als nicht umsetzbar erweist. Wo sind wir denn? Zuerst aus der Hüfte schiessen und dann denken? Und von solchen Menschen werden wir regiert? Da muss ich schon sagen, da ist mir der Investmentbanker lieber, der ist zumindest ehrlich und sagt es geht ihm nur um den Profit. Der Politiker hingegen ist unehrlich. Er gesteht nicht ein, dass es ihm ausschliesslich um Stimmen geht. Andere Währung, gleiche Einstellung. Haben auch keine Konsequenzen zu fürchten, im Gegensatz zum Investmentbanker, der dann schon mal aus dem Fenster springt (kommt beim Machtpolitiker nur selten vor).

  4. Philippe Huber

    die Studie ist effektiv sehr wertvoll, weil sie die Grössenordnungen bildlich erklärt.
    Das können die meisten eher verstehen. Aber man soll nicht daraus wie M. Schlumpf die falschen Schlüsse ziehen!
    Es kann nicht das Ziel für die Schweiz sein, vollständig Energieautark zu sein! Das sind wir auch nicht, wenn wir neue KKW bauen und die Uranbrennstäbe von Russland importieren.
    Die Energiestrategie 2050 ist weiterhin im Grundsatz richtig, auch wenn sie suggeriert, dass es kaum etwas kosten wird, die Schweiz damit autark sein wird und leicht umzusetzen ist..
    Aber so sind halt Politiker, egal welcher Couleur, wenn sie auf Stimmenfang gehen …

    • Martin Schlumpf

      Bitte interpretieren Sie mich nicht falsch: Ich sage an keiner Stelle, dass wir energieautark sein müssen oder sollen. Das ist nicht das Thema meines Beitrags. Ich zeige anhand der Studie nur die Konsequenzen, die sich aus den heute denkbaren Enegiesystemvarianten ergeben, wenn wir den Weg einschlagen, der in der Energiestrategie 2050 vorgegeben ist.

  5. Rüegg Jacob

    Danke für die gute Zusammenstellung der Möglichkeiten und Wünsche.
    Mit andern Worten heisst dies: a) entweder massive Stromimporte im Winterhalbjahr, woher und mit welcher Zuverlässigkeit und zu welchem Preis bleibt zur Zeit unklar, und ob dieser Strom vollständig auf erneuerbrare Basis beruht ist sehr fraglich; oder b) in den nächsten 15-20 Jahren Bau von circa 3 eher klein dimensionierten Fissionsreaktoren der 4. Generation mit nochmaliger Verwertung älterer Brennstäbe aus den Atomkraftwerken der jetzig am Netz angeschlossenen Werke. Zu ergründen bleibt zur Zeit die Frage, welche Typen von Rekatoren am geeignetsten wären punkto Installation, Sicherheit und Kosten. Es scheint mir unrealistisch, dass man für eine möglichst hohe landesinterne Energieversorgung auf die Kernenergie verzichten kann. Zur Zeit ist nicht absehbar, wann genau Fusionsreaktoren gebaut werden können, aber den Weg dazu sollte man sich nicht jetzt schon verbauen durch eine vollständige Abkehr von der Atomenergie-Technologie. Die lndeseiegene Atomenergieforschung sollte reaktiviert werden.

  6. Der Import fossiler Energie mag ausgeschlossen sein. Aber warum sollte auch der Import grüner E-Fuels verhindert werden? 2020 hat die Schweiz 75 % ihrer Energie importiert. Die Idee einer Energieautarkie ist weltfremd.
    Der Einwand, E-Fuels könne man noch gar nicht kaufen, zählt nicht. Denn zur Entfossilisierung der Bestands-Autoflotte werden E-Fuels zwingend notwendig sein. Windräder und PV-Anlagen erzielen an günstigen Standorten in anderen Teilen der Welt zwei- bis dreifach höhere Ausbeuten, das wird die Kosten senken. Und die Infrastruktur für Transport, Lagerung, Weiterverarbeitung und Nutzung gibt es schon, das ist ein nicht zu unterschätzender Kostenfaktor.
    Dass KKW (nicht nur für die Schweiz) die sinnvollste Art der Stromerzeugung sind, steht hierzu nicht im Widerspruch.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.