Ist eine 100% erneuerbare Stromversorgung möglich?

Die sonnigen Sommermonate führten zu Rekorderträgen bei den Photovoltaikanlagen. So viel Solarstrom wie im Juli 2018 wurde in der Schweiz bisher nie zuvor produziert. Gemäss Zahlen von Swissolar ist in der Schweiz zurzeit eine Photovoltaik-Leistung von rund 2 Gigawatt installiert. Im langjährigen Durchschnitt produzieren diese Anlagen im Juli rund 273 Gigawattstunden (GWh) Strom, im Juli 2018 hingegen rund 308 Gigawattstunden, also 13% mehr. Insgesamt stand im Juli 2018 Solarstrom für mehr als 1 Million Einfamilienhäuser zur Verfügung. Auch die vorhergehenden Monate lagen deutlich über den Mittelwerten: April +16%, Mai +2%, Juni +15%. Über ein ganzes Jahr betrachtet liegt der Anteil des Solarstroms am Schweizer Stromverbrauch aber erst bei rund 2,5%. Traditionellerweise spielt in der Schweiz die Wasserkraft die wichtigste Rolle im Stromsystem. Sie ist seit jeher die Basis und der Grundstein der Stromversorgung. Insgesamt 60% des produzierten Stroms in der Schweiz stammt aus der Wasserkraft – einerseits aus Speicherkraftwerken und andererseits aus Laufwasserkraftwerken in Flüssen. Die Schweizer Kernkraftwerke sind für etwas mehr als 30% der Schweizerischen Stromerzeugung verantwortlich. Mit dem Ja zur Energiestrategie 2050 wurde vom Volk auch der Ausstieg aus der Kernkraft verlangt. Damit dies gelingt, muss vorderhand Strom gespart werden (Efficiency First). Langfristig muss die Stromproduktion der Kernkraftwerke zudem durch andere Energiequellen kompensiert werden, will die Schweiz weiterhin bilanziell in etwa so viel Strom produzieren wie sie selber auch verbraucht.

Die Schweizer Stromversorgung war schon einmal 100% erneuerbar. Bis 1965 konnte der Stromverbrauch mit 100% Wasserkraft gedeckt werden. Auf den starken Anstieg des Stromverbrauchs reagierte die Schweiz mit dem Bau von Kernkraftwerken, Bildquelle: BFE 2018: Schweizerische Elektrizitätsstatistik 2017.

Grosses Potenzial

Die Stromerzeugung aus Wind und Sonne ist in den letzten Jahren immer konkurrenzfähiger geworden. In der Schweiz gilt die Sonnenenergie als wichtiger Baustein für eine zukunftsfähige und erneuerbare Stromversorgung nach Abschaltung der Kernkraftwerke. Das Potenzial für Solarstrom ist auch in der Schweiz riesig. Gemäss energieschweiz könnten auf geeigneten Dächern und Fassaden in der Schweiz rund 30 Terrawattstunden Strom pro Jahr produziert werden. Das entspricht rund der Hälfte des gesamten Schweizer Stromverbrauchs. Zusammen mit der bestehenden Wasserkraft ist eine 100% erneuerbare Stromversorgung in der Schweiz also möglich. Aber es gilt, drei grosse Herausforderungen zu meistern!

 

Flexibilität gefragt

Strom aus Sonnenergie oder Windenergie fluktuiert mit dem Wetter. Scheint die Sonne oder weht der Wind, so produzieren die Anlagen Strom. In der Nacht, bei Nebel oder bei Flaute produzieren die Anlagen allerdings keine Kilowattstunde Strom. Das Wetter gibt daher den Takt für die Stromversorgung an. Diese dezentrale und nicht-steuerbare Stromproduktion verlangt deshalb hohe Flexibilität auf der Nachfrageseite. In Zeiten geringer Stromproduktion aus erneuerbaren Energiequellen muss folglich auch die Stromnachfrage (automatisch) gesenkt werden – sofern möglich. Die Hoffnung liegt hierbei auf der Digitalisierung des Stromsystems, also in einem Smart Grid, wo die Stromverbraucher automatisch auf Schwankungen in der Stromproduktion reagieren. Im Fokus stehen dabei „verschiebbare Lasten“, die keine Komforteinbussen mit sich bringen. Beispiele in privaten Haushalten sind Wärmepumpen, Elektroboiler oder auch Elektrofahrzeuge, welche zukünftig gesteuert werden.

Stromversorgung in der Schweiz nach Ausstieg aus der Kernenergie und mit starkem Zubau der Photovoltaik, Quelle: EBP.

Aus Strom wird Gas

Für eine 100% erneuerbare Stromversorgung wird die Schweiz haufenweise Photovoltaikanlagen installieren. An sonnigen Tagen im Sommerhalbjahr werden diese Anlagen sehr viel Strom auf einmal produzieren – ja eigentlich zu viel. So wird es künftig Stunden im Sommerhalbjahr geben, in denen die Produktion aus Sonnenenergie die Stromnachfrage übersteigt. In diesen Stunden der Überproduktion sinkt der Strompreis gegen null oder wird sogar negativ. Dies soll Anreize geben, dass zusätzlich Strom in genau diesen Stunden genutzt wird. Hier kommt die Sektorkopplung zum Zug. So werden zukünftig Sektoren, die heute noch mehrheitlich auf fossile Energiequellen setzen, wie der Mobilitäts- oder der Wärmesektor, künftig mit dem Stromsystem „gekoppelt“. Durch diese Kopplung kann der „überschüssige“ Strom in den gekoppelten Sektoren effizient und sinnvoll eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit bietet das Power-to-Gas-Verfahren. In Zeiten des erneuerbaren Stromüberschusses wird mittels Elektrolyse (die viel Strom braucht) Wasserstoff hergestellt, welcher dann ins Gasnetz eingespeist werden kann. Durch die Kopplung des Stromsystems mit dem Gasnetz entstehen neue Optionen und Flexibilität der Energieversorgung. Einerseits kann dadurch die erneuerbare Stromproduktion optimal genutzt und andererseits die Gasversorgung auf nachhaltige Art und Weise transformiert werden. Die Umwandlung von Strom in Gas ist nur mit hohen Energieverlusten möglich. Das oberste Kredo bleibt daher auch in Zukunft, den Strom direkt im Stromsystem zu nutzen.

Beispiel einer “kalten Dunkelflaute” im Januar 2017 in Deutschland. Quelle: AgoraEnergiewende

Kalte Dunkelflaute

Die wohl grösste Herausforderung für eine 100% erneuerbare Stromversorgung sind kalte Dunkelflauten. Also kalte, mehrtägige Perioden im Winter mit Hochnebel und Windstille. In dieser Zeit produzieren die tausenden Photovoltaik- und Windenergieanlagen kaum Strom, während gleichzeitig der Stromverbrauch aufgrund der winterlichen Kälte hoch ist. Damit in diesen Phasen auch zukünftig kein Blackout droht, braucht es Konzepte gegen die Dunkelflaute. Zentral zur Überbrückung solcher Dunkelflauten sind die grossen Stauseen, welche bedarfsgerecht grosse Strommengen produzieren können. Eine wichtige Rolle spielen aber auch stetige anfallende erneuerbare Energien wie die Wasserkraft aus Flüssen. Auch die Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) ist ein wichtiger Baustein einer 100% erneuerbaren Stromversorgung. Aus Gas wird in WKK-Anlagen sehr effizient Wärme und Strom hergestellt. WKK-Anlagen würden folglich genau in der kalten Dunkelflaute automatisch auf Hochtouren laufen und die Stromversorgung sicherstellen. Damit das Stromsystem 100% erneuerbar ist, muss das dabei eingesetzte Gas ebenfalls erneuerbar sein, also z.B. Biogas oder synthetisch hergestelltes Gas (Power-to-Gas). Eine Schlüsselrolle für eine 100% erneuerbare Stromversorgung nehmen aber vor allem der Netzausbau und die europäische Kooperation ein. Würde jedes einzelne Land versuchen, selbständig eine erneuerbare Stromversorgung zu installieren, würde dies unter dem Strich in einem viel teureren und unzuverlässigen System münden, als mit einer länderübergreifenden Kooperation. In Zeiten der Über- oder Unterdeckung ist der Import und Export von Strom die optimale Lösung für ein effizientes und sicheres Stromsystem. Auch die Gefahr von Dunkelflauten sinkt, denn irgendwo in Europa weht immer der Wind. Die gegenseitige Absicherung der Stromversorgung ist daher für alle Länder ein Gewinn und Grundstein für eine 100% erneuerbare Stromversorgung.

Ist eine 100% erneuerbare Stromversorgung möglich?

Die Schweiz: ein Wasserschloss und Sonnenland

Am 1. Januar 2018 tritt das revidierte Energiegesetz zusammen mit den Verordnungen in Kraft. Damit wird der Bau neuer Kernkraftwerke verboten. Die alten AKWs sollten noch so lange weiterbetrieben werden, solange diese sicher sind. In Fachkreisen wird davon ausgegangen, dass das letzte Schweizer Kernkraftwerk bis 2040 stillgelegt wird. Die schrittweise wegfallende Elektrizität muss anderweitig zur Verfügung gestellt werden. Das revidierte Energiegesetz dient deshalb auch dazu, die erneuerbaren Energien zu fördern. Insgesamt sollen die Abhängigkeit von importierten fossilen Energien reduziert und die einheimischen erneuerbaren Energien gestärkt werden. Doch welche Stromproduktionstechnologien weisen in der Schweiz das grösste Potenzial zu gleichzeitig günstigen Preisen vor und leisten zudem ihren Beitrag zu einer klimafreundlichen Stromversorgung?

Die Wasserkraft gilt heute als wichtigste Stromquelle. Die Ausbaupotenziale sind aber stark begrenzt. Grosse Potenziale in der Schweiz gibt es bei der Sonnenenergie (Photovoltaik).

Viel Sonnenenergie

Unter den erneuerbaren Energien in der Schweiz weist die Solarenergie – genauer gesagt Photovoltaik-Anlagen bis 2035 und 2050 das grösste Zubau-Potenzial auf, wie eine neue Studie des PSI zuhanden des Bundesamtes für Energie (BFE) zeigt. Da die Sonne jedoch nur tagsüber variabel scheint und im Sommerhalbjahr viel ausgiebiger als im Winterhalbjahr, sind laut Studie Massnahmen notwendig, um grosse Mengen Photovoltaik-Strom ins System zu integrieren. Das können beispielsweise dezentrale Batteriespeicher in Ein- und Mehrfamilienhäusern oder grössere Netzspeicher im Verteilnetz sein. Auch die Windenergie – vor allem in der Romandie – präsentiert sich in der neuen Studie mit einem beträchtlichen Zubau-Potenzial. Erst für einen Zeithorizont ab 2050 oder später wird die Stromproduktion aus Tiefengeothermie genannt. Sie ist heute noch mit grossen technischen Unsicherheiten verbunden.

Bereits heute wird die in der Landwirtschaft anfallende Gülle energetisch genutzt und in Biogas-Kraftwerken verstromt. In Zukunft könnte ein noch grösserer Teil der Gülle zu Strom umgewandelt werden. Auch beim wichtigsten Standbein der Schweizerischen Stromversorgung – der Wasserkraft – besteht ein gewisses Zubau-Potenzial. Ob dieses realisiert werden kann, hängt jedoch sehr stark von den wirtschaftlichen, politischen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen ab.

Bei der zukünftigen Entwicklung der Gestehungskosten der verschiedenen Stromerzeugungstechnologien bis 2050 zeigt sich ein uneinheitliches Bild. Während die Kosten für Wasserkraft, landwirtschaftliche Biogasanlagen und fossile Stromerzeugung eher steigen, sinken sie für Photovoltaik und Windenergie nochmals deutlich. 2050 dürfte Strom aus Photovoltaik nur noch halb so teuer sein wie heute.

Die Kosten von neuen Photovoltaik- und Windenergieanlagen sind schon heute konkurrenzfähig. Grosse Photovoltaikanlagen werden zukünftig die kostengünstigste Stromerzeugungstechnologie sein.

Versorgungssicherheit auch ohne Atomstrom

Die Studie des PSI zeigt folglich, dass das Potenzial für den Zubau erneuerbarer Energien in der Schweiz sehr gross ist und die Photovoltaik und Windenergie aufgrund der weiter sinkenden Kosten zu den günstigsten Stromerzeugungstechnologien gehören. Die Stromproduktion aus Sonnen- und Windenergie fluktuiert aber zeitlich stark. Ob in einem kalten, dunklen Winter mit geringer erneuerbarer Produktion nach Abschaltung aller Kernkraftwerke genügend Strom für alle vorhanden ist und kein Blackout droht, muss sich zeigen. Die Ende Oktober veröffentlichte Studie „System Adequacy“ der ETH Zürich und der Universität Basel zuhanden des BFE sieht die Versorgungssicherheit bis 2035 für gewährleistet. Wichtige Voraussetzung dafür ist neben dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der Steigerung der Energieeffizienz die Integration in den europäischen Strommarkt. Die Versorgungssicherheit mit Strom in der Schweiz wird durch eine gute Vernetzung mit den Nachbarländern gewährleistet. Ein gut funktionierender Stromhandel ist für die Versorgungssicherheit der Schweiz enorm wichtig. In diesem Fall kann die Schweiz dann Strom günstig importieren, wenn dieser in anderen europäischen Ländern im Überfluss vorhanden ist. Diese Importzeiten sind wichtig, da dadurch die Schweizer Speicher ruhen können, so dass genügend Kapazitäten für Stunden mit hoher Stromnachfrage und geringer Importmöglichkeit vorhanden sind.

Trotz Ausstieg aus der Kernenergie kann die langfristige Versorgungssicherheit marktorientiert und im Verbund mit den Nachbarstaaten sichergestellt werden. Dass der dafür notwendige Ausbau der erneuerbaren Energien vorankommt, sorgt ab 2018 das revidierte Energiegesetz.

Die Schweiz: ein Wasserschloss und Sonnenland