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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.