Energie ist nicht nur Strom

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1 Human Devekopment Index HDI Willkommen Welcome Bienvenue Energie ist nicht nur Strom 7. Bioenergie-Forum, Bern Urs Elber, Geschäftsführer Forschungsschwerpunkt «Energie» Energieverbrauch im Vergleich zum Entwicklungsstand Energieverbrauch vs. HDI Bereich der nachhaltigen Entwicklung 1.00 Andorra Cuba ,5 Erden 5 Erden Switzerland USA Bahrain Trinidad and Tobago Iceland Qatar South Africa Liberia Human Development Index HDI: - Lebenserwartungs-Index - Schulbesuchsdauer-Index - Bildungs-Index - Einkommens-Index Energy [kwh/pers*year] 2 1

2 Kriterien für eine optimale Energieversorgung CO 2, Nachhaltigkeit Kosten Infrastruktur, bestehende Infrastruktur auf öffentlichem und privatem Grund, vorh. Ressourcen (z.b. KVA) Luftreinhaltung Energiekosten Verteil-Logistik Versorgungssicherheit indikative Priorität : «öffentliche Sicht» «private Sicht» «Versorger - Sicht» (kann je nach Ort, Bevölkerung und Versorgungsstruktur völlig unterschiedlich sein «offizielle» Haltung kann von effektiver auch abweichen, kein homogenes Bild in einer Versorgungsregion üblich) 3 Stromprofile heute, ohne KKW und mit PV Ohne KKW + PV KKW KKW Annahmen: Energetischer Ersatz der KKW mit PV (~25 TWh mit 26GW P vs. 3.3 GW nuclear ) PV: 50% der geeigneten Dachflächen CH (gem. sonnendach.ch + Satellitendaten) Strombedarf und Wasserkraft-Produktion unverändert Quelle: Potentialanalyse Power-to-Gas in der Schweiz, 2019, S. Teske, M. Rüdisüli, Chr. Bach, T. Schildhauer 4 2

3 GWh Strom: Import-/Exportbilanz Winterhalbjahr 15/16: ~ TWh 16/17: ~ TWh Winter 18: ~ TWh (GESAMTE ERZEUGUNG UND ABGABE ELEKTRISCHER ENERGIE IN DER SCHWEIZ 2018, BfE) Quelle: Referat Renato Tami, ElCom, Stromkongress Fragen zu zukünftiger Elektrizitätsversorgung CH (Anzeige kombiniert mit Swissgrid Szenario «Sun» 2035) Daten 2015 ohne Kernkraft mit Solarenergie (PV) ?Mehrverbrauch BEV, Heizungen mit WP? Ausbau erneuerb. Produktion?Effizenz Erzeugung Solar 2035 (Swissgrid Sun 2035) konventionell thermisch 3000 Wasserkraft 2000 Landesverbrauch Eine zunehmende Elektrifizierung von Wärme und Mobilität führt zu Mehrverbrauch von Strom, der zusätzlich aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt werden muss. 6 3

4 Elektrifizierung der Wärme - Mehrverbrauch Daten REFUNA Wärmeprofil 2010 Stündlich gemittelte Wärmeabgabe (Einspeisung) Summe = 194 GWh Spitzenleistung = 70 MW Wärmebezug (Kunden) Summe = 168 GWh Verluste ca. 16% Winter ca. 8 % Sommer ca. 50% + Quelle: REFUNA 7 Elektrifizierung der Mobilität - Mehrverbrauch Substitution von Autos mit Verbrennungsmotor Quelle: Küng, L., Bütler, T.; Transportation Research Part C: Emerging Technologies (2018) Die 65% kürzesten Autofahrten machen 20% der Laufleistung (km) aus bzw. die 20% der Laufleistung Anzahl Fahrten längsten Autofahrten 65% der Laufleistung. Modell: 20% der km (Laufleistung) durch BEV 65% der Fahren 20% der Laufleistung Hourly recharging profile with shares of 70% home, 15% work, 10% public and 5% other according to [Robinson et al. 2013]. Typisches Ladeprofil BEV 8 4

5 Kombiniertes Stromprofil für zus. Wärme und Mobilität mit Strom Basis: 20% der gefahrenen km mit Elektromobilität, 80% der benötigten Raumwärme mit (Luft/Luft-) Wärmepumpen 50% des benötigten Warmwasser mit Wärmepumpen Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber in preperation) 9 Zusätzlicher Strombedarf mit Elektrifizierung Wärme und Mobilität (80% Wärmepumpen für Raumheizung, 50% WP für Warmwasser, 20% km Elektromobile) Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber in preperation) 10 5

6 Produktionsprofil mit energetischem Ersatz der KKW durch Solarenergie Basis (2010) Dieselbe Energiemenge, aber viel dynamischer mit grossen Leistungsspitzen Basis ohne KKW und mit Solarenergie Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber in preperation) 11 Strom -Defizite und -Überschüsse Basis (2010) 61.4 TWh ohne KKW mit 26.5 GWp Solar -KKW +Solar 26.5 GWp +20% km mit BEV +75% Wärme mit WP * mit Tagesausgleich Pumpspeicher u. stat. Batterien 8.7 TWh* 6.8 TWh* TWh* TWh* Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber in preperation) 12 6

7 France Germany Switzerland F-G-CH Helfen uns die Nachbarländer zukünftig mit erneuerbarem Strom aus? 2'000 1'800 1'600 1'400 1'200 1' Renewable Non-Renewable Anteil erneuerbarer Energien (2015): Deutschland: 15.4% Frankreich: 13.8% Schweiz: 18.3% Residentual / Services (mostly Heat) 2015 (Base IEA data 2017) [TWh] Die Herausforderungen sind proportional in unseren Nachbarländern ähnlich gross Total Renewable Electricity 2015 Total Renewable Electricity Demand Future (40% e-mobility, 50% heat Pumps) Totale Renewable electricity demand (Full Replacement non-renewable Energies exc. Industry)) Renewable Energy 2015 vs. Total Renewable Electricity Demand Future (ecluding industry) [TWh] Switzerland Germany France 13 Dynamischer CO 2 - Gehalt im Strom Basis (2010) 61.4 TWh ohne KKW mit 26.5 GWp Solar -KKW +Solar 26.5 GWp +20% km mit BEV +75% Wärme mit WP Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber in preperation) 14 7

8 Spezifischer Klima Effekt [kg CO 2 / kwh End-Energie] Beispiel CO 2 -Intensität Detail Märzwoche Stromentnahme für Wärme / Mobilität geeignet (CO 2 -arm) Stromentnahme für Wärme / Mobilität ungeeignet 15 Effizienz auf Stufe Gebäude 0.35 Goal Ziel Uettligen Situation Heute today weniger Endenergie-Verbrauch 2. Einsatz Erneuerbare Energie 3. Effiziente Technologien Wärmepumpen dezentral PV PV Renovation Heizung dezentral (z.b. Pellets) PV Wärmenetz mit ee (z.b. KVA, Holz) Spezifischer Energiebedarf pro Bezugsfläche [kwh / (m 2 a)] (Heizung, Warmwasser, Strom) 16 8

9 Effektive CO 2 Einsparung SH: Space Heating (Raumheizung) DHW: Domestic Hot Water (Warmwasser) BEV: Batterie Elektrisches Vehikel Retrofit: Energetische Sanierung (z.b. Isolierung) Basis für Elektrifizierung SH: Einsparung 42% durch Retrofit Strom - ohne KKW - mit 26 GWp Solar DHW: 50% mit WP Einsparung hier = 2.7 Mt CO 2 gem. Szen. «BAU» ES2050 SH: 80% mit WP Mob: 20% km mit BEV Ist SH Retrofit Strom Nuklar +PV SH + Mob. teilw. elektrifiziert Quelle: Impacts of an increased substitution of fossil energy carriers with electricity-based technologies on the Swiss electricity system (2019, M. Rüdisüli, S. Teske, U. Elber in preperation) 17 Anteil Biomasse Strom / Wärme CH Ca. 5.5% Anteil Verdoppelung seit

10 Ressource Biomasse /6.75 TWh /0.72 TWh /0.2 TWh /-0.6 TWh /0.9 TWh /0.4 TWh /2.5 TWh /0.69 TWh /0.69 TWh Data are from WSL: Thees, O.; Burg, V.; Erni, M.; Bowman, G.; Lemm, R Schlussbericht SCCER- BIOSWEET, "Biomassepotenziale der Schweiz für die energetische Nutzung". Link: (Seite 9) 19 Potenzial Power-to-Gas Schweiz CH 4 (Methan, synth. Erdgas) methanisiert aus H 2 (Wasserstoff durch Elektrolyse) und CO 2 CO 2 aus Abgasströmen (z.b. Zementwerke) Erneuerbarer Strom Für Elektrolyse aus Wasserkraft und PV Standortwahl Günstig nutzbares Potenzial ~1,1-1,8 TWh Quelle: Potentialanalyse Power-to-Gas in der Schweiz, 2019, S. Teske, M. Rüdisüli, Chr. Bach, T. Schildhauer 20 10

11 Energy Hubs sektorgekoppelte Energienetze Ein Energy Hub ist ein Multi-Energie System, das unterschiedliche Umwandlungs- und Speicherkomponenten in adaptierten Grössen sowie Netzwerke umfasst. Energy Hubs verfügen über übergreifende lokale Steuermechanismen und können auf unterschiedlichen räumlichen Skalen implementiert werden. Wärmenetz als Anergienetz ausgeführt Kleine dezentrale Wärmespeicher BHKW s Grosser zentraler Wärmespeicher, Erdwärmespeicher Erdgasnetz als saisonaler Energiespeicher Quelle: SCCER FEEB&D, Portia Murray 21 Einfluss elektrobasierter Wärme / Kälte / Mobilität auf den effektiven CO 2 Gehalt der benötigten Energie Der Wandel zu elektrobasierter Mobilität / Gebäudewärme-kälte führt dank Effizienzsteigerung zu tieferen CO 2 Gehalten im Mobilitäts-Gebäudebereich, führt aber zu höheren CO 2 Gehalten im Stromnetz, wenn nicht auch die erneuerbare Stromproduktion erhöht wird. CO 2 Gehalt heute=100% CO CO 2 <= 0? - CO 2 + CO 2 - CO 2 + CO 2 Mobilität/ Gebäude Strom Effizienz CO 2 Gehalt der komplexeren Technologie («graue» Energie) 22 11

12 Fazit Betrachtungen für ein zukünftiges Energiesystem müssen zwingend die gesamten Lebenszyklen-Klimaeffekte berücksichtigen und dürfen sich nicht auf «gute» und «schlechte» Technologien beschränken. Eine zukünftige Elektrifizierung der heutigen fossilen Energien führt nicht zu den gewünschten Ergebnissen, wenn der Strom nicht aus erneuerbaren Quellen beschafft werden kann (..) Eine (CO 2 -) Effizienzsteigerung auch «ausserhalb» der Elektrifizierung ist essentiell (Gebäudesanierungen, Hybrid FZ, Einsatz von Biomasse /Biogas, etc.) Biomasse / Biogas aus der Schweiz löst das Problem bei Weitem nicht alleine, ist aber ein unabdingbarer Bestandteil der Lösung Wie bereits mit fossilen Energien wird die Schweiz mit erneuerbaren Energien nicht autark sein können. Neue, sehr grosse Energieproduktionen und deren Transport von Strom und flüssigen/gasförmigen Energieträgern sind an vielen weltweiten Standorten möglich! (z.b. Wasserstoff statt Erdgas in Pipelines, Flüssiggas/LNG aus Solarenergie/Geothermie und CO 2 -Abtrennung aus der Luft, etc.) 23 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Empa Swiss Federal Laboratories for Materials Science and urs.elber@empa.ch 24 12