Energiewende der Schweiz

Der Schweizer Bundesrat hat im August 2019 ein ehrgeiziges Ziel zur Begrenzung des Klimawandels beschlossen: Ab dem Jahr 2050 soll die Schweiz unter dem Strich keine Treibhausgasemissionen mehr ausstossen. Damit entspricht die Schweiz dem international vereinbarten Ziel, die globale Klimaerwärmung auf maximal 1,5 °C gegenüber der vorindustriellen Zeit zu begrenzen.

Welche Möglichkeiten zur Erreichung dieses Zieles im Energiesektor bestehen, lotet nun eine Studie des Paul Scherrer Instituts aus, die im Rahmen der Joint Activity «Scenarios and Modelling» der 8 Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCER) durchgeführt wurde.

 «Das Ziel, im Jahr 2050 Netto-Null-Kohlendioxid-Emissionen zu erreichen, erfordert einschneidende Transformationen bei der Bereitstellung und dem Verbrauch von Energie in beinahe allen Bereichen», fasst Tom Kober, Leiter der PSI-Forschungsgruppe Energiewirtschaft und einer der Hauptautoren der Studie, zusammen.

Bei ihren Analysen berücksichtigten die Forscher energiebedingte Kohlendioxid-Emissionen sowie Kohlendioxid-Emissionen aus industriellen Prozessen. Diese Emissionen stellen heute etwa 80 % des gesamten Schweizer Treibhausgasinventars dar. Nicht in die Berechnungen flossen ein: Emissionen aus dem internationalen Luftverkehr, der Landwirtschaft – mit Ausnahme der Emissionen aus der Kraftstoffverbrennung –, der Landnutzung, Landnutzungsänderung und Forstwirtschaft sowie Abfall – ausser Emissionen aus der Abfallverbrennung. Auch waren die Emissionen im Ausland, die im Zusammenhang mit dem Güterkonsum in der Schweiz stehen, nicht Gegenstand der Untersuchung.

Strom aus Photovoltaik muss sich mindestens jedes Jahrzehnt verdoppeln

Zentrale Schlussfolgerungen der Studie sind: Die installierte Kapazität von Photovoltaikanlagen muss sich mindestens jedes Jahrzehnt bis 2050 verdoppeln, sodass sich Photovoltaikanlagen mit 26 Terawattstunden Produktion im Jahr 2050 neben der Wasserkraft (circa 38 Terawattstunden im Jahr 2050) zur zweitgrössten Technologiegruppe entwickeln. Weiterhin tragen Kraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung sowie Windkraftwerke, Wasserstoff-Brennstoffzellen und Stromimporte dazu bei, die Stromnachfrage zu decken. Im Hauptszenario zur Erreichung des Netto-Null-Emissionsziels steigt insgesamt die Stromerzeugung aus Kraftwerken und Speicheranlagen in der Schweiz gegenüber dem gegenwärtigen Niveau um etwa ein Fünftel auf 83 Terawattstunden im Jahr 2050 an. Die Studie unterstellt, dass die Schweizer Kernkraftwerke bis zum Jahr 2045 ausser Betrieb genommen werden. Die private Autoflotte müsste bis 2050 grösstenteils auf elektrischen Antrieben basieren. Bis 2030 müsste demnach jede dritte Neuzulassung ein vollständig elektrisch betriebenes Auto sein. Zusätzlich müsste der Einsatz von Wärmepumpen im Dienstleistungs- und Wohnbereich deutlich beschleunigt werden, sodass bis 2050 fast drei Viertel des Heizungs-und Warmwasserbedarfs dadurch gedeckt werden. Gleichzeitig wäre es notwendig, deutliche Energieeinsparungen durch beschleunigte Renovierungen von Wohngebäuden zu erzielen.

Will die Schweiz das Netto-Null-Emissionsziel erreichen, muss mit einem deutlichen Anstieg des Stromverbrauchs gerechnet werden. So könnte im Jahr 2050 der Stromverbrauch um 20 Terawattstunden über dem heutigen Niveau liegen. Ein wesentlicher Treiber für dieses Wachstum ist die Verwendung von Strom für den Antrieb von Autos, Bussen und Lastkraftwagen, entweder direkt über batterieelektrische Fahrzeuge oder indirekt über Wasserstoff oder sogenannte E-Fuels, also synthetische Kraftstoffe, die unter anderem mittels Strom aus Wasserstoff und Kohlendioxid (CO₂) hergestellt werden. In den stationären Sektoren wird Strom zunehmend durch die vermehrt eingesetzten Wärmepumpen verbraucht werden. Dieser erhöhte Stromverbrauch kann allerdings kompensiert werden, wenn die notwendigen Effizienzgewinne bei Heizung und Warmwasserbereitstellung erreicht werden. Dann könnten die stationären Sektoren einen nahezu gleichbleibenden Stromverbrauch erzielen.

Neben elektrischer Energie werden weitere Energieformen eine Rolle spielen. So bieten beispielsweise der Fern- und Güterverkehr sowie die energieintensive Industrie Perspektiven für neue Wasserstoffanwendungen. Um den dafür benötigten Wasserstoff emissionsarm oder -frei zu produzieren, wäre eine erhebliche Menge an nachhaltig erzeugtem Strom (9 Terawattstunden in 2050) notwendig.

Ohne CO₂-Abscheidung wird es wohl nicht gehen

«Wenn die Schweiz das Null-Emissions-Ziel bis 2050 erreichen will, dann müssen die CO₂-Emissionen in Zukunft im Durchschnitt jedes Jahr um eine bis anderthalb Millionen Tonnen gegenüber dem Vorjahr verringert werden», sagt Evangelos Panos, Hauptautor der Studie. «Veränderungen der CO₂-Emissionen in dieser Grössenordnung haben wir im Zeitraum 1950 bis 1980 gesehen – allerdings in die umgekehrte Richtung – damals haben sie massiv zugenommen.» Um die Emissionsminderung kostengünstig umzusetzen, sollte deshalb auch der Einsatz von Technologien mit der sogenannten CO₂-Abscheidung in Betracht gezogen werden. So könne man sogar in Teilbereichen auf eine negative Bilanz beim CO₂-Ausstoss kommen. Das sei beispielsweise dann der Fall, wenn man Biomasse als Energieträger nutze und bei der Energiegewinnung entstehendes CO₂ nicht emittiere, sondern abfange und unterirdisch speichere. Falls das in der Schweiz nicht möglich sei – beispielsweise aufgrund der Ablehnung durch die Bevölkerung oder aufgrund begrenzter CO₂ Speicherstätten –, könne die internationale Vernetzung und die Speicherung im Ausland einen Ausweg bieten. Insgesamt gehen die Forschenden in ihrer Studie für das Jahr 2050 von knapp 9 Millionen Tonnen CO₂ aus, die in der Schweiz abgetrennt würden.

«Mehr als zwei Drittel der für das Netto-Null-Emissionsziel notwendigen Emissionsreduktionen sind mit Technologien erreichbar, die bereits kommerziell verfügbar sind oder sich in der Demonstrationsphase befinden», resümiert Panos. Das dekarbonisierte Energiesystem der Zukunft sei erreichbar, erfordere aber kohlenstofffreie Energieträger, zum Beispiel entsprechend erzeugten Strom, Biokraftstoffe und E-Fuels, Zugang zur entsprechenden Transport- und Verteilungsinfrastruktur sowie die Möglichkeit, saubere Brennstoffe und Elektrizität zu importieren.

Kosten sind schwer abschätzbar

In puncto Kosten geben sich die Energiesystemforscher zurückhaltend. «Die Kosten sind sehr schwer abschätzbar, weil dabei enorm viele Komponenten eine Rolle spielen», so Kober. In dem in der Studie angenommenen Netto-Null-Hauptszenario würden sich für den Zeitraum bis 2050 die durchschnittlichen diskontierten Mehrkosten des Klimaschutzszenarios gegenüber dem Referenzszenario mit moderatem Klimaschutz (-40 % CO₂-Emissionen im Jahr 2050 gegenüber 1990) in der Schweiz auf etwa 330 CHF pro Person und Jahr (Basis: 2010) belaufen. Betrachtet man alle untersuchten Szenarien, so sieht man eine Bandbreite der durchschnittlichen Kosten zwischen 200 und 860 CHF pro Jahr und Kopf, was letztendlich unterschiedliche Entwicklungen der Energietechnologien, der Ressourcenverfügbarkeit, der Marktintegration, bei der Akzeptanz von Technologien und bei den Präferenzen zur Versorgungssicherheit widerspiegelt. Der Verlauf der Kosten zeigt vor allem eine langfristige Zunahme, sodass vergleichsweise hohe Kosten auch nach 2050 zu erwarten sind.

Die Studie stützt sich auf die Berechnungen mit dem Schweizer TIMES Energiesystemmodell (STEM) des PSI, welches das gesamte Energiesystem der Schweiz mit den verschiedenen Wechselwirkungen zwischen den Technologien und Sektoren abbildet. STEM verbindet einen langfristigen Zeithorizont mit einer hohen unterjährigen zeitlichen Auflösung und berechnet für verschiedene zukünftige Rahmenannahmen die kostenminimalen Konfigurationen des Energiesystems und der Erreichung verschiedener energie- und klimapolitischer Ziele. Das Modell wurde im Rahmen des Forschungsprojektes massgeblich weiterentwickelt, vor allem hinsichtlich der Optionen zur Erreichung von Netto-Null-CO₂-Emissionsszenarien. Das Modell wird zur Berechnung von Szenarien eingesetzt, die keinesfalls als Vorhersagen zu verstehen sind, sondern vielmehr Einblicke in die vielfältigen Wechselwirkungen im Energiesystem geben und somit einen Beitrag zur Entscheidungsunterstützung in Politik, Industrie und der Gesellschaft leisten. Konkret wurden in dieser Studie drei Hauptszenarien untersucht, welche neben dem Referenzszenario ein Netto-Null-CO₂-Emissionsminderungsszenario umfasst und ein Szenario, welches die Ziele der Schweizer Energiestrategie 2050 unterstellt, ohne explizit ein CO₂-Minderungsziel vorzugeben. Zudem wurden sieben verschiedene Varianten der Hauptszenarien analysiert, wie zum Beispiel eine Variante mit hohem technologischen Innovationspotenzial und eine Variante zur Verringerung der Energieimportabhängigkeit.

An der Zusammenarbeit im Rahmen der SCCER Joint Activity Scenarios and Modelling sind neben dem PSI folgende Institutionen beteiligt: Empa, EPFL, ETH Zürich, Hochschule Luzern, Universität Basel, Universität Genf und WSL. Finanziert wurde die Studie durch Innosuisse – Swiss Innovation Agency.

Text: Paul Scherrer Institut

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. (Stand 05/2020)