Zukünftiger Einsatz von dezentralen Energiequellen in der Schweiz: Neuer Datensatz zur Unterstützung der Umstellung 

Die Energiewende in der Schweiz schreitet voran, aber Planer und Analysten hatten lange Zeit nur lückenhafte oder unvollständige Daten darüber, wie sich Photovoltaik, Wärmepumpen, Batterien und Elektrofahrzeuge auf den Dächern des Landes verbreiten könnten. Unser jüngste Veröffentlichung stellt einen neuen offenen Datensatz vor, der diese Lücke schließt, denn es wird erwartet, dass künftig dezentrale Energieressourcen (DERs) an über zwei Millionen Anschlusspunkten eingesetzt werden. Der Datensatz kann zur Bewertung des Netzverstärkungsbedarfs, zur Quantifizierung der Flexibilität, zur Unterstützung der Politik- und Marktgestaltung und zur Bereitstellung einer Bibliothek realistischer Fallstudien für das Benchmarking von Modellen oder die Entwicklung datengesteuerter Anwendungen verwendet werden.

Was ist dieser Datensatz und warum ist er für die Energiewende wichtig?

Das Schweizer Energiesystem unterliegt einem rasanten Wandel, und dezentrale Energieressourcen (DERs) wie Photovoltaik auf dem Dach, Elektrofahrzeuge (EVs), Batterien (BESS) und Wärmepumpen (HPs) sind keine Nische mehr. Um vorauszuplanen und eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten, ist es nicht nur wichtig zu wissen, wie viele dieser Geräte installiert werden können, sondern auch, wo sie sich befinden und wie sie mit dem Netz interagieren werden.

Bislang sind die verfügbaren Daten fragmentiert: Es gibt zwar einige detaillierte Informationen zu einzelnen Technologien, aber sie sind nicht harmonisiert und stimmen oft nicht mit den nationalen Dekarbonisierungszielen überein. Infolgedessen waren die Modellierer gezwungen, ihre eigenen Annahmen und Szenarien zu entwickeln, was die Vergleichbarkeit und Kohärenz einschränkt.

Mit unserem neuen Datensatz werden diese Teile in einem konsistenten, hochauflösenden Rahmen harmonisiert, in dem DERs in die Verteilungsnetze integriert sind, und bieten zum ersten Mal eine integrierte Sicht auf zukünftige dezentrale Ressourcen in der Schweiz. Auf der Grundlage offizieller nationaler Projektionen liefern wir Daten zum voraussichtlichen Einsatz von DER in der Schweiz für die Jahre 2030, 2040 und 2050, die beschreiben, wie DER eingesetzt werden können und - was besonders wichtig ist - welche Flexibilität sie bieten können.

Aufbau des Datensatzes: Ein Puzzle mit fehlenden Stücken

Die Herausforderung bei der Erstellung eines landesweiten, hochaufgelösten Datensatzes zu DERs liegt in der Kombination verschiedener, oft unvollständiger Quellen. Die Daten für das PV-Dachpotenzial, die Gebäudetypen, die Mobilitätsdaten und die Bedarfsprofile stammen beispielsweise alle in unterschiedlichen Formaten, Maßstäben und Detaillierungsgraden.

Um die Lücken zu füllen, haben wir neu erstellte und bestehende Datensätze aus verschiedenen offiziellen nationalen Quellen zusammengeführt (siehe Abbildung 1 für einen Überblick). Die Daten für PV-Dächer stammen aus hochauflösenden Karten des Solarpotenzials für jedes Schweizer Gebäude; Batteriespeichersysteme wurden mit einem Anteil an PV-Anlagen nach nationalen Hochrechnungen zusammengelegt. Für Wärmepumpen kombinierten wir die Schweizerisches Gebäude- und Wohnungsregister mit Gebäudearchetypen, die den Isolierungs- und Heizungsbedarf beschreiben und stündliche Profile anhand lokaler Wetterdaten erstellen. Lade- und Flexibilitätsmuster für Elektrofahrzeuge wurden aus landesweiten Mobilitätssimulationen abgeleitet, die über drei Millionen Fahrzeuge abdecken. Diese heterogenen Datenströme wurden in einem einzigen Rahmenwerk verarbeitet, das mit Verteilernetzmodellen verbunden ist und realistische Stundenprofile und Flexibilitätsattribute für alle Verteilerknoten in der Schweiz liefert.

Alle diese Daten wurden dann in einem einzigen, konsistenten Rahmen harmonisiert und mit Schweizer Verteilnetzmodellen verknüpft. Das Ergebnis ist ein modularer Datensatz mit über zwei Millionen Anschlusspunkten, mit stündlichen Zeitreihen und Flexibilitätsparametern für jeden DER-Typ über drei Jahre (2030, 2040 und 2050).

Drei Schnappschüsse: 2030, 2040, 2050

Der Datensatz enthält Projektionen für drei Jahre - 2030, 2040 und 2050 - um zu zeigen, wie die Schweiz gemäss der offiziellen Schweizer Energiepolitik (Energieperspektiven 2050+) den Übergang zur vollständigen Elektrifizierung vollziehen soll. Jedes Jahr steht für eine bestimmte Phase dieses Übergangs:

• 2030 - die erste Welle: Photovoltaik auf einem Viertel der Dächer, 15% der Autos elektrisch, jeder dritte Haushalt mit einer Wärmepumpe.
• 2040 - die Beschleunigung: mehr als die Hälfte der Dächer und Autos, bessere Isolierung, und Batterien werden üblich.
• 2050 - das volle Ausmaß: fast alle Dächer sind mit Photovoltaikanlagen ausgestattet, alle Autos fahren elektrisch, die meisten Häuser werden mit einer Wärmepumpe beheizt, und die Speicherung ist weit verbreitet (siehe Abbildung 2 für eine Datenvisualisierung)
  

Die Zwischenbilanzen sind ebenso wichtig wie das Ziel für 2050: Sie zeigen, wie schnell sich die Technologien weiterentwickeln, so dass wir feststellen können, wann Engpässe auftreten können und welche Maßnahmen auf dem Weg dorthin ergriffen werden müssen, bevor die Ziele für 2050 erreicht werden.

Was wir mit diesen Daten tun (und nicht tun) können

Der Datensatz kann von Forschern und Fachleuten genutzt werden, um den Netzverstärkungsbedarf zu bewerten, das Flexibilitätspotenzial von DERs zu quantifizieren oder zu testen, wie viel Speicherung dazu beitragen könnte, saisonale Ungleichgewichte abzumildern. Er ist auch für die Gestaltung von Politik und Markt wertvoll, z. B. für die Bewertung von Anreizsystemen für die Nachfragereduzierung oder den Vergleich von Tarif- und Regulierungsstrukturen. Darüber hinaus kann sie als Bibliothek mit realistischen Fallstudien zum Benchmarking von Modellen, zur Entwicklung neuer Optimierungsmethoden oder zum Trainieren von maschinellen Lernwerkzeugen verwendet werden, ohne dass sensible reale Daten offengelegt werden.

Ein wesentliches Merkmal des Datensatzes ist, dass er nicht nur Erzeugungs- und Nachfrageprofile, sondern auch detaillierte Flexibilitätsparameter für jede steuerbare Technologie enthält. Die Daten der PV-Anlagen umfassen Leistungsgrenzen; die Batterien werden durch ihre Nennleistung, Energiekapazität und Round-Trip-Effizienz charakterisiert; die Wärmepumpen umfassen die thermischen Eigenschaften und die Komfortgrenzen der Gebäude, die sie versorgen; und die E-Fahrzeuge verfügen über obere und untere Ladeprofile mit täglich verschiebbarer Energie. Diese Parameter ermöglichen es den Nutzern, die Betriebsstrategie entsprechend ihren Zielen zu wählen.

Da die realen Informationen über Verteilungsnetze und Haushalte empfindlich und bruchstückhaft sind, wurde unser Datensatz aus öffentlichen Quellen und Projektionen synthetisiert, was bedeutet, dass er eher als realistische Daten denn als reale Daten betrachtet werden sollte. Aus diesem Grund eignet sich der Datensatz nicht für die Analyse sehr lokaler Probleme, z. B. um zu prüfen, ob eine bestimmte Zuleitung in einem bestimmten Viertel überlastet wird. Seine Stärke liegt vielmehr in groß angelegten Studien, bei denen Konsistenz und Repräsentativität wichtiger sind als der genaue Standort einzelner Geräte.

Zugriff auf die Daten

Der Datensatz ist frei zugänglich auf Zenodo, zusammen mit der Dokumentation. Die Methodik und die Struktur des Datensatzes werden in der entsprechenden Veröffentlichung in Naturwissenschaftliche Daten. Die Codebase ist öffentlich auf GitHub.