Energy for Switzerland Today`s Facts and Future Challenges

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1 Energy for Switzerland Today`s Facts and Future Challenges 07. December 2012 ETH-Industry Dialogue on the Future Prof. Dr. Konstantinos Boulouchos, Institute of Energy Technology

2 What are we going to talk about? Current facts and figures systems dynamics and time evolution Future challenges quite a few and manifold (for Switzerland and the world) From here to 2050 a resilient transformation path (not only for electricity) Is it doable? Under which conditions? At which prices/costs? Towards a strategic collaboration platform between academic and industrial research in Switzerland 2

3 The Energy System Link between Natural Resources and Human Development Wirtschafts- und Gesellschaftssystem Investitionen (Kapital, Wissen, Infrastuktur) Wohlstand Energie-dienstleistungen Energiesystem Umwandlung Umwandlung Sonnenenergie Primärenergie Endenergie Nutzenergie Abwärme Natürliche Umwelt Materialflüsse Materialflüsse Energieträger (erneuerbar und nicht erneuerbar) Rezyklierung Weitere Stoffquellen Rezyklierung Schad- und Reststoffe, Abfall, Treibhausgase Ein integrierter Ansatz zur Beschreibung des Energiesystems Quelle: K. Boulouchos, LAV/ETHZ 3

4 Final energy demand in Switzerland ( ) Data source: BFE and BFS, 2009 Prof. Dr. K. Boulouchos ETH-Indusrty Dialogue on the Future, 7.December

5 The Grand Challenges Climate change mitigation Security of energy supply Affordable energy prices for economic development and prosperity Resilience against large scale fatal risks 5

6 Climate change and allowed cumulative CO 2 -emissions Gt CO 2 cumulative emissions from 2000 to 2050 are upper limit for 50%-probability of complying with the 2 C-target Combined oil and gas proven reserves would release about this CO 2 amount, while total proven fossil reserves are twice the target emissions level! Source: Meinshausen M. et al., nature08017, Vol 458, 30 April 2009, p Prof. Dr. K. Boulouchos ETH-Indusrty Dialogue on the Future, 7.December

7 End-Energy in Switzerland for Climate Change Mitigation (Electricity for Scenario «Mittel») Verkehr (Fossil): ohne internationalen Flugverkehr (noch nicht Kyoto relevant, jedoch in Schweizer-Endenergie-Statistik mit zusätzlichen 15 TWh enthalten) Wärme Erneuerbar: Solar- und Umweltwärme eingeschlossen Quelle: ESC/ETHZ

8 How can we reduce CO 2 -emissions? Prof. Dr. K. Boulouchos ETH-Indusrty Dialogue on the Future, 7.December

9 Concrete implementation Efficiency increase in all energy conversion steps and in all sectors Zero-Carbon heat sector electrically driven heat pumps and ambient/solar heat Low-Carbon mobility electricity is on the long-term by far the best option compared to hydrogen or biofuels, in terms of primary energy demand and scalability correspondingly Minimal Carbon electricity Electricity will emerge as the backbone of the future energy system (input portfolio for primary energy sources, output portfolio for energy services) Prof. Dr. K. Boulouchos ETH-Indusrty Dialogue on the Future, 7.December

10 Electricity as the backbone of the future energy system The strategic climaterelevant goals for the future energy system can be reached through a combination of increases in the efficiency of the entire conversion chain together with a significantly higher proportion of low-co 2 electricity in the entire energy mix. Source: Energy Strategy for ETH Zurich, ESC 2008 Prof. Dr. K. Boulouchos ETH-Indusrty Dialogue on the Future, 7.December

11 Scenario-compariso for Future Electricity Demand 11

12 Stromprod. / Strombed. (TWh) A Future without Nuclear Energy? The Consequences Bedarf Konventionelle Produktion 50% Zusatzerzeugung notwendig Szenarien Hoch MIttel Niedrig

13 25% - 75% 10% - 90% Stromproduktion [TWh] 25% - 75% 10% - 90% Renewable Electricity will grow Subsantially but Gas Power Plants and/or Imports necessary Konfidenzintervall Neue Erneuerbare VSE-predictions Renewable Electricity 2050 (23+/-10) TWh 10 5 Rest (GUD/CCS, Import) GuD: Gaskombikraftwerke CCS: Abtrennung und Lagerung von CO 2 13

14 Stromproduktion Alternativ (TWh) A typical portfolio of Renewable Energy Photovoltaik Geothermie Wind Biomasse (inkl. Abfall) Ausbau Wasserkraft GuD: Gaskombikraftwerke CCS: Abtrennung und Lagerung von CO 2 14

15 Seasonal Distribution of Electricity Supply (2050) Rest: GuD (mit CCS) und/oder Import Quelle: ESC/ETHZ

16 Electricity Demand and Supply the Overall System Instantaneous power is as important as energy! Fluctuating renewables require efficient storage and back-up power-on-demand but not large base-load capacities Progress in electricity storage will gradually relax pressure to expand the grid (at lower voltage levels) Upcoming competition among pump-storage-hydro, batteries and potentially in the long term renewable H 2 /chemical energy carriers 16

17 Electricity Storage Options 17

18 The Macroeconomics of the Transformation Path* Internalization of all external energy system costs may lead to (2-3) years of delay for the same GDP in Switzerland around 2050 Under appropriate, long-term coherent policy boundary conditions, market forces allow flexible adaptation of the economy, including increase of international competitiveness Though there will be clear winners, all economy sectors are expected to grow continuously along the transformation path Expected increase of total energy costs between 2011 and 2050 of 20-60% are to be compared to a typical GDP-growth of 60-70% in the same period * s. Energiezukunft Schweiz, Nov. 15, 2011, 18

19 Conclusions The transformation of the Swiss (and global) energy system towards sustainability within (less than 50) years is a huge challenge, but on the other hand this transformation is an enormous chance. As there will be inevitably unexpected developments, disruptive events and all kinds of bifurcations over such a long time, a combination of few overarching goals with flexibility for adaptation ( Portfolio -Ansatz, no-regret options) will be necessary. 19

20 What does this all mean for us? Of course, it is not only about technology that we have to care policy design, societal change, the international environment will play a decisive role but our core competence being Engineering Science, our contribution will be indispensable. The New Times call for a long-term National Strategic Alliance on Energy between ETH-institutions and Industry So, why don t we start today? 20

21 21

22 Reserve Slides 22

23 Schweizer Speicherkapazitäten & Ausbaupläne Energiebetrachtung Speicherseen: ~8,5 TWh Pumpspeicher: heute etwa 70 GWh zukünftig GWh 23

24 Kostenentwicklung für den Bau von KKW`s (USA, FR) Source: A. Grubler, The costs of the French nuclear scale-up: A case of negative learning by doing, Energy Policy 38 (2010)

25 Exergiebilanz der Erde* Exergiefluss aus der Sonne** (netto W) Antrieb natürlicher Prozesse (36%) Direkte Dissipation (64%) W ( Ex nutzbar ) (Ab-) Wärme bei T umgebung Zum Vergleich Weltweiter Bedarf 13 - Heute: Ex W : (Welt wie CH) Ex 7 10 W Davon 20% Nutzexergie ( W) * Exergie: zur Arbeitsleistung fähiger Anteil einer Energieform im Austausch mit einer definierten Umgebung ** Ex Ex < 0.1 % Exsonne geo gezeiten 25

26 Exergiebedarf und Exergiebereitstellung IT z.b. Elektronik Antriebe Bedarf Exergieinhalt pro Energieeinheit 1 Bereitstellung Mechan. Energie Chem. Energie Elektr. Energie Industrie (Prozess-) Wärme Kochen, Warmwasser Solarwärme Tiefe Geothermie Raumheizung 0 Flache Geothermie 26

27 CH-Stromkosten heute und im Jahr 2050 *) In Rp/KWh Heute 2050 Stromgestehung Netz (-speicherung) ** Steuer und Abgaben ~ Gesamtkosten *) in 2010er- CHF/Durchschnitt der Schweiz **) aufgrund VSE-Schätzungen zu den Investitionskosten (Quelle: ETHZ) 27

28 Energiemeteorologie - Prognosen sind bereits sehr gut / I 28

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