Richtung 100% erneuerbare Energieversorgung in der Schweiz mit 50 GWp Photovoltaik-Leistung
Urs Muntwyler1, Eva Schüpbach1
1Berner Fachhochschule BFH, Institut für Energie und Mobilität (IEM), Photovoltaik Labor (PV LAB)
1Jlcoweg 1, CH-3400 Burgdorf, Schweiz
Tel. +4134 426 68 37, Fax +4134 426 68 13, urs.muntwyler@bfh.ch
Zusammenfassung:
Mit der Energiestrategie 2050 hat das Schweizer Stimmvolk im Sommer 2018 die Weichen für eine Stromversorgung ohne Atomenergie gestellt. Damit müssen 20 TWh von ca. 60 TWh Gesamtstrom- produktion mit neuen erneuerbaren Energien ersetzt werden. Damit ist aber die Energieversorgung noch keinesfalls „dekarbonisiert“, ist die Schweiz doch voll von Ölheizungen und Autos mit Verbren- nungsmotoren. Wird die Dekarbonisierung angegangen, so müssen in der Schweiz primär die Ölhei- zungen durch Wärmepumpen und die Autos mit Verbrennungsmotoren durch Elektrofahrzeuge er- setzt werden. Zusammen mit der Effizienzsteigerung bei Elektroverbrauchern und im Gebäudepark benötigt das weitere ca. 20 TWh Strom aus neuen erneuerbaren Energien. Diese Energie wird in der Schweiz primär durch die Photovoltaik erzeugt werden müssen. Damit werden 40 TWh Strom mit Pho- tovoltaik produziert. Bei einem Mix von optimalen PV Anlagen, Ost-West-PV Anlagen, PV Fassaden und massivem Abregeln von PV Peak Leistung braucht das etwa 50 GWp PV installierte Leistung in der Schweiz. Das sind etwa 5 kWp pro Einwohner. Das sind 50% der Stromproduktion von dannzumal 80 TWh. Die übrigen 40 TWh werden primär mit der bestehenden Wasserkraft und Kombikraftwerken (Abfall/ Holz und Biomasse) erzeugt.
Keywords: Dekarbonisierung, 100% erneuerbare Energien, Abregeln, PV „peak shaving“, PV Winter- strom
Einleitung
Nach der „Energiestrategie 2050“ der Schweizer Regierung werden 2050 ca. 20 TWh Strom mit neuen erneuerbaren Energien erzeugt. Die Photovoltaik soll 12 TWh davon erzeugen
Originalplan „Energiestrategie 2050“ vom Sommer 2011 – ein erster Anfang!
Ein Energieertrag von 4 TWh Strom aus Geothermie ist unrealistisch, bis heute wurde kein entspre- chendes Kraftwerk gebaut und die beiden Sondierungsbohrungen waren ein Desaster und wurden abgebrochen. Die 4 TWh Strom aus Windenergie sind ebenfalls fraglich. Der Widerstand gegen Wind- farmen an geeigneten Standorten wie im Schweizer Jura ist gross. Der Ausbau kommt deshalb nur sehr schleppend voran. 2018 waren gerade mal 37 Maschinen mit 75 MW und einer Jahresproduktion von 121,7 GWh in Betrieb. Allerdings haben die Schweizer Stromversorger in den vergangenen Jahren im Ausland massiv Windfarmen (D/ F/ I/ N etc.) zugekauft. Diese Produktionsenergie dürfte mittelfris- tig 6 TWh überschreiten. In wieweit dieser Strom in die Schweiz fliessen wird, ist fraglich. Deshalb peilen wir vorerst einen Ausbau von 20 TWh Photovoltaik-Strom an. Photovoltaik ist die aktuell güns- tigste neue erneuerbare Energie und kann schnell zugebaut werden. Bei einer Bevölkerung von ca. 8 Millionen in der Schweiz, bedeutet das bei 20 TWh 2,5 kWp PV Leistung pro Kopf der Bevölkerung.
Das braucht gegen 15 m2 Fläche/ Person und kostet 3-5‘000 € pro Person. – Man sieht da schon, dass die Energiestrategie 2050 nicht kompliziert und auch nicht teuer ist.
Dekarbonisierung benötigt 45 TWh PV in der Schweiz
Mittlerweile ist die Dekarbonisierung und die Senkung des CO2 Ausstosses auf „Null“ in der politi- schen Diskussion. Gemäss unserer Energieministerin Simonetta Sommaruga soll die Schweiz im Jahr 2050 die „Dekarbonisierung“ erreicht haben. Das ist eine bemerkenswerte Wende und Verschärfung der Vorgaben in den letzten 10 Jahren in der Schweizerischen Energiepolitik. In der Schweiz bedeutet das, dass Gas-, Öl-Heizungen und Autos mit Verbrennungsmotoren ersetzt werden müssen. Dies kann mit dem heutigen Stand der Technik mit Wärmepumpen, Fernwärme- und Strom aus Kombikraftwer- ken befeuert mit Abfall und Holz, sowie vor allem mit PV und Elektroautos gemacht werden.
In der Schweiz werden so gut wie keine Freiflächenanlagen gebaut. Das ist nicht ganz einsichtig, steigt doch der Anteil an aufgegebenen landwirtschaftlichen Flächen stark an. Von 5 Bundesämtern gibt es ein „Positionspapier“ das sich explizit gegen PV Freiflächenanlagen wendet. Die Dachflächen und Fassaden sind dabei im Vordergrund. Das Potential für PV in und auf Gebäuden ist in der Schweiz und wohl auch anderen Ländern sehr gross1. So ist gemäss dem schweizerischen Bundesamt für Ener- gie BFE das Solarstrom-Potential in der Schweiz auf Dächern 50 TWh, auf Fassaden 15 TWh und auf Infrastrukturbauten 17 TWh2. Dies ist mehr als die aktuellen 60 TWh Stromverbrauch, von denen ca.
40 TWh aus Wasserkraft und ca. 20 TWh aus AKW’s kommen3. Für die „Dekarbonisierung“ der Schweiz, sind ca. 40 – 45 TWh (ca. 50 GWp) Solarstrom nötig4. Das sind dann pro Kopf der Schweizer Bevölkerung ca. 6 kWp, braucht 30-40m2 Fläche und kostet 8-12‘000 € pro Person. Diesen Betrag spart man alleine schon mit dem Elektroauto ein, falls man noch ein Auto besitzt.
Erfolgsrezept: disruptiv energieeffiziente Verbraucher und Strom aus PV
Damit mit den 45 TWh Zusatz-PV Strom die Dekarbonisierung gelingt, müssen disruptive energieeffi- ziente Energieverbraucher eingesetzt werden, die die konventionellen Systeme ersetzen:
Disruptive Energieverbraucher ersetzen alte Technologien
Diese neuen energieeffizienten Verbraucher basieren auf elektrischer Energie. Das Rezept ist also
„elektrisch und solar“! Die Elektrifizierung ist in der Schweiz populär. Die Schweiz hatte traditionell ausser Holz und Wasserkraft keine grösseren eigenen Energievorkommen. Die fossilen Energien wer- den alle importiert. Die Schweiz hat bereits im 1. Weltkrieg die Elektrifizierung forciert um unabhän- giger von der ausländischen Kohle (u.a. aus Deutschland) zu werden. Das begann bei der Eisenbahn, welche elektrifiziert wurde. Die guten Möglichkeiten zur Nutzung der Wasserkraft und die einheimi- sche Elektrowirtschaft (u.a. BBC) förderten die Elektrifizierung. Nach dem 2. Weltkrieg wurden in ei- nem weiteren Ausbauschub grosse Speicherkraftwerke in den Alpen gebaut, welche heute aufgrund des Umweltschutzes wohl nicht mehr gebaut werden könnten. Damit der Strom auch verbraucht wird, wurde die Elektrifizierung der Haushalte (Kochen, Warmwasser) forciert. Mit dem Bau der AKWs in den 70-er Jahren wurden dann Elektroheizungen popularisiert, damit der Bandstrom auch im Winter be- nutzt wird.
Wenn man nun die Überschlagsrechnung macht, so braucht es:
- 20 TWh zum Ersatz der AKW’s
- ca. 17 TWh für den Ersatz der fossilen Fahrzeuge – dies könnte mit leichteren Fahrzeugen noch gesenkt werden.
- ca. 6 TWh für die Heizung der sanierten Gebäude mit Wärmepumpen
Das ergibt dann ein Total von gegen 45 TWh. Der Schweizer Politiker Roger Nordmann (Fraktionschef SP) hat in seinem Buch „Plan Solaire“ eine ähnliche Zahl errechnet5.
In einer Studie von 2019 werden die Potentiale zur Platzierung der PV Module aufgeschlüsselt6:
In Städte und Gemeinden ist zudem ein erhöhter Anteil von Holzkombi-Kraftwerken sinnvoll. So kann im holzreichen Kanton Bern die Holznutzung, gemäss Regierung noch um 50% gesteigert werden.
Holz wird dann einen Anteil von 9% am Energieverbrauch haben7. Dies entlastet die PV Anlagen gera- de im Winter und (historische) Gebäude, die schwierig zu sanieren sind, können an die Fernwärme angeschlossen werden. Die zentrale Nutzung von Holz ist auch besser für die Lufthygiene, können doch aufwändige Filteranlagen eingebaut werden.
Wie kommt dieser Strom ins Netz?
Eine installierte PV Leistung von ca. 40 GWp muss vom Eigenverbrauch und vom Netz aufgenommen werden. Ein Netzausbau sollte möglichst vermieden werden, da das die Kosten zum Systemumbau belasten würde. Mit einer Kaskade von Massnahmen kann das weitgehend vermieden werden. Dies startet mit dem Abregeln von PV Spitzenleistungen auf 30 - 50%. Diese Massnahme ist kostengünstig, da nur der Energieverlust von 3-15% anfällt. Weiter können die neuen Verbraucher wie E-Mobile, Wär- mepumpen mit Speichern und Gewerbe- und Industrieanwendungen etc. eingeschaltet werden. In der Schweiz ist es üblich Stromverbraucher mittels Rundsteuersignalen durch das Elektrizitätswerk ein- und auszuschalten. Aktuell gibt es oft noch einen besonders günstigen Nachttarif, der für das Aufla- den von Warmwasser-Speichern für Warmwasser und Heizungen gebraucht wird. Diese Schaltart wird
PV surface Potential
exploitable [TWh]
Potential exploitable in short and medium term [TWh]
Surface [km2]
Roofs of buildings 49.1 23.2 153
Facades of buildings 17.2 8.2 107.4 (vertical)
Streets 24.7 2.5 16.2
Over parking spaces 4.9 3.9 25.7
Along highways 5.6 3.9 25.7
Free standing (mountains/ alps) 16.4 3.3 31.3
Total 117.9 45.0 251.9 (without facades)
wohl in Zukunft genau umgedreht auf „Tag PV Spitzenstrom“. Stromverbraucher wie Weisswaren und sogar Backöfen von Bäckereien kennen die „Mittagssperre“, damit die Leistung für das elektrische Kochen genutzt werden kann. Wenn man die Massnahmen 2 – 6 kombiniert, so können bis 41 TWh absorbiert werden.
Der PV Ausbau braucht Abregeln und “smart user” um den Netzausbau klein zu halten.
Dann braucht es lokale Batterien und schlussendlich haben wir Pumpspeicherwerke in den Alpen.
Diese wurden gebaut, um französischen AKW Strom in der Nacht hochzupumpen und tagsüber an Italien und Deutschland abzugeben. Mit dem Ausbau der PV in diesen Ländern hat sich dieser „Busi- ness case“ erledigt und die Pumpspeicherwerke suchen eine neue Verwendung.
Proof of concept: Pilot- und Demonstrations Projekt „SimZukunft“ des Bundesamtes für Energie
Simulation der elektrischen Lasten in Burgdorf 2050 im Szenario “Utopia”. Die grösste Netzbelastung tritt nun im Sommer aufgrund des Kühlbedarfs auf – eine Auswirkung der Klimaerwärmung.
In einem P+D - Projekt des Bundesamtes für Energie BFE haben wir vier Szenarien, darunter die “De- karbonisierung” in der Stadt Burgdorf (über 16’000 Einwohner) für das Jahr 2050 genau untersucht.
Das Projekt wurde vom PV Labor der Berner Fachhochschule, der Stadt Burgdorf, dem lokalen Strom- versorger „Localnet AG“ und der Firma Adaptricity AG (Netzplanung) durchgeführt. In den vier Szena- rien wurde die Netzbelastung aller Stromleitungen und Trafostationen simuliert, um den Aufwand eines solchen „rabiaten“ Ausbaus („worst case“ - Fall) zu studieren. Im „Utopia“ - Szenario der Dekar- bonisierung werden pro Kopf der Bevölkerung 20 kWp PV installiert. Der gesamte Strom wird mittels PV produziert, was massives Abregeln und „smarte user“ bedingt, um massiven Netzausbau zu ver-
meiden. Der Schlussbericht wird im Sommer 2020 vorliegen. Die grösste Schwierigkeit dürfte die Sa- nierungsrate der bestehenden Gebäude sein.
Umbau auf 100% ist ein „Timing-Problem“
Die Umschichtung des Energieverbrauches von „Fossil“ auf „Elektro“ im Hausbereich ist anspruchsvoll.
Dabei sollten auch die Häuser energieeffizienter werden. Die aktuell tiefe Gebäudeerneuerungsrate ist die grösste Herausforderung in der Schweiz. Mit einer Vielzahl von Fördermassnahmen wird versucht, die Sanierungsrate zu erhöhen. Dagegen stemmt sich die Branche der fossilen Energieversorger, die heute Gas und Öl für Wärmezwecke liefern8. Sie bekämpfen die neuen Energievorschriften, Kanton für Kanton, oftmals mit Erfolg (Bern/ Solothurn).
Für neue Häuser ist die Energieeffizienz gut machbar. Die Energievorschriften der Kantone verlangen einen Energieverbrauch von 30-48 kWh/ m2 beheizter Bruttogeschossfläche. Solche Gebäude können im bevölkerungsreichen Schweizer Mittelland mit Wärmepumpen oder in den grossen Städten mit Fernwärme aus Abfall, Energieholz und Klärgasen geheizt werden. Bereits gibt es einzelne Kantone die Ölheizungen in Sanierungsobjekten verbieten. Der Kanton Bern verlangt eine Abgabe von annä- hernd 4‘000€ für den Fall, dass doch wieder eine Ölheizung eingebaut würde. Für den Einbau einer Wärmepumpe gibt es hingegen bis zu 10‘000€ Subventionen.
Die Autos werden in der Schweiz etwa alle 10 Jahre gewechselt. Dabei liegt der Durchschnittspreis der Autos bei über 40‘000€, was im Bereich einiger E-Mobile liegt. So haben die Autobesitzer alle 10 Jahre die Möglichkeit auf eine komplett neue Technik umzusteigen. Mit den günstiger werdenden Elektro- fahrzeugen können immer breitere Käuferschichten erschlossen werden. Das Fahren von Elektrofahr- zeugen mit Solarstrom dürfte in etwa 2 - 3 Jahren günstiger sein als mit Verbrennungsfahrzeugen.
Der Betrieb ist heute schon günstiger, allerdings sind die Anschaffungspreise noch höher. Das wird sich schon bald ändern. Das Projekt „SimZukunft“ zeigt, dass die Ladung der E–Mobile tagsüber erfol- gen muss und nicht am Abend oder in der Nacht.
PV Strom ist günstiger – auch in der Schweiz
In einer Studie für das Forschungsprogramm SCCER-Furies hat das PV Labor der BFH-TI gezeigt, dass der Solarstrom in der Schweiz kostengünstig erzeugt werden kann9. Dazu sind primär grosse Anlagen im Schweizer Mittelland nötig. Hier sind Strompreise von 5 Rp/ kWh bereits heute machbar (spezifi- scher Ertrag: 1‘000kWh/ kWp/ Lebensdauer 25 Jahre/ Verzinsung 2,5%). Bis 2035 kann der Solars- trompreis noch bis auf 3Rp/ kWh sinken10.
PV Strom smart nutzen und Spitzen abregeln
Da die Last im CH - Stromnetz 10 GWp kaum je überschreitet, muss die massive PV Leistungsspitze von bis 50 GWp geregelt werden. Dazu ist eine Kaskade an Massnahmen vorgesehen, die im Einzelnen aufgezeigt wird. Die Wichtigste ist das Abregeln von Leistungsspitzen im PV - Wechselrichter. Dazu wurden Messungen mit PV - Wechselrichtern gemacht, um zu untersuchen, wie sich die PV Wechsel- richter bei der Einspeisung mit bis zu doppelter Nennleistung verhalten. Immer mehr Wechselrichter sind dafür vorgesehen11.
PV Winterstrom einfach gemacht
Die Produktion von PV Strom ist im Sommer stärker als im Winter (ca. 70%:30%), daher muss die Pro- duktion von Winterstrom beachtet werden. Zwar bieten sich hochalpine Standorte an, aber die Bau- kosten sind dort hoch und es dürfte Schwierigkeiten mit Baubewilligungen geben. Deshalb bevorzu- gen wir den kostengünstigen Ausbau im Schweizer Mittelland und den Voralpen, wo immer noch ge- gen 30% Winterstrom erzeugt wird12. Dabei hat das Zusammenspiel mit der gespeicherten Grosswas- serkraft der Schweiz eine grosse Bedeutung.
Herausforderung Marktbeschleunigung Photovoltaik
Eine grosse Herausforderung ist die Beschleunigung des Ausbaus der Photovoltaik. Aktuell werden nur etwa knapp 300 MWp pro Jahr gebaut13. Diese Menge muss auf etwa 1,5 GWp erhöht werden.
Hierzu sind die politischen Rahmenbedingungen zu verbessern. Hierfür wird es kaum grosse zusätzli- che Subventionsprogramme geben. Diese sind auch nicht unbedingt nötig, ist der PV Strom doch be- reits heute günstig und wird in Zukunft noch günstiger. Es braucht aber neue Marketingmassnahmen, damit neue „player“ in den PV Anlagenbau einsteigen. Dabei müssen auch die in der Schweiz dominie- renden „Mieter“ integriert werden.
Politische Massage für beschleunigten PV Marktausbau
Wenn man die Förderung der Stromproduktion aus neuen erneuerbaren Energien in der Schweiz ana- lysiert, so fällt auf, dass die Photovoltaik als günstigste Stromquelle benachteiligt und damit blockiert wird. Da sind die politischen Rahmenbedingungen angesprochen. In einer Studie: „Photovoltaik als kostengünstigste Stromquelle dauerhaft blockiert? Analyse der Mittelverwendung aus dem Netzzuschlag 2008-2019 und Vorschläge zur Optimierung“ haben die vier Autoren Dr. Rudolf Rechsteiner/ Dr. Ruedi Meier/ Prof. Urs Muntwyler und Thomas Nordmann 2018 dies im Detail für die Schweizer Energiestiftung SES analysiert14:
Das Fazit ist eigentlich: ausser PV ist alles Verschwendung von Steuergeldern! Eine Studie ist eine erste Basis für die „politische Massage“. Parallel dazu wurden im Oktober 2018 die politischen Kon- takte genutzt (u.a. von Dr. Rechsteiner alt Nationalrat) und es wurden sieben Eingaben im Schweize- rischen Parlament gemacht. Bereits Ende 2018 wurden massiv höhere Kontingente für PV freigegeben.
Mittlerweile hat die Energiekommission des Parlamentes für eine weitere Öffnung der Ausschreibung von grossen PV Anlagen zugestimmt.
Resultate und Ausblick
Die Schweiz hat mit der ausgebauten Grosswasserkraft von fast 60% des aktuellen Stromverbrauchs hervorragende Voraussetzungen zur „Dekarbonisierung“ der Energiewirtschaft. Als Importland für fossile Energien, kann die Schweiz die Handelsbilanz mit einem Verzicht auf den Import stark verbes- sern. Das sind 10-20 Milliarden Schweizer Franken pro Jahr. Das Potential für PV - Anlagen auf Dä- chern und Fassaden übersteigt die benötigte Menge um den Faktor 2. Die Schweiz hat daher auch noch ohne Stromabkommen mit der Europäischen Union gute Voraussetzungen, um das Ziel von Null CO2 im Jahre 2050 zu erreichen oder ihm nahe zu kommen. Ein Stromabkommen ist aber vor allem im wirtschaftlichen Interesse der Schweiz, kann so die Speicherkapazität der Wasserkraft europäisch ge- nutzt werden. Die Installation einer Photovoltaik – Leistung von ca. 6 kWp pro Kopf der Bevölkerung ist die Basis der „Dekarbonisierung“ der Schweiz.
1 BFE Studie, 15.4. 2019, SSES
2 BFE Studie, 15.4. 2019, solarserver.ch
3 Energiestatistik Schweiz, BFE CH, Energiefachbuch Schweiz 2020
4 Urs Muntwyler et. Al, 100% Renewable Enegies – Management of about 50% PV electrcity in Switzerland, 33, EUPVSEC Marseille, 2019
5 Roger Nordmann, Le Plan Solaire et Climat, Edition Favre SA, 2019
6 J. Remund et al., Das Schweizer PV-Potential basierend auf jedem Gebäude (2019), Meteotest AG, Bern, Switzerland.
7 Anwort Regierungsrat Kanton Bern auf Motion verschiedener Grossräte 2020
8 Der Präsident der grössten Partei der Schweiz (Februar 2020) (SVP) Dr. Rösti, is gleichzeitig Präsident des Verbandes „Swissoil“ (ungetauft auf „Avenergy“).
9 Precise PV long term data and cost tables of PV power (including PV skins), Urs Muntwyler, SCCER – Furies Interim Report, August 2019
10 Precise PV long term data and cost tables of PV power (including PV skins), Urs Munt w- yler, SCCER – Furies Interim Report, August 2019
11 U. Muntwyler, M. Bolliger, M. Lanz, T. Schott, Operating temperature development of over- committed PV inverters, EU PVSEC 2019, Paper no. 4AV.2.37.
12PHOTOVOLTAIC (PV) WINTER ELECTRICITY IN THE SWISS ENERGY STRATEGY 2050, Urs Muntw- yler et. al., EUPVSEC 2019
13 T. Hostettler, Markterhebung Sonnenenergie 2017 (2017), Swiss Federal Office of Energy / Swissolar.
14 „Photovoltaik als kostengünstigste Stromquelle dauerhaft blockiert? Analyse der Mittelverwendung aus dem Netzzuschlag 2008-2019 und Vorschläge zur Optimierung“, Dr. Rudolf Rechsteiner/ Dr.
Ruedi Meier/ Prof. Urs Muntwyler/ Thomas Nordmann, Schweizer Energiestiftung SES analysiert 2018
