Nach der Katastrophe von Fukushima beschloss der Bund, die Energieforschung zur Unterstützung der Energiestrategie 2050. Sein Hauptziel war es, die nukleare Stromerzeugung durch erneuerbare Energien zu ersetzen und gleichzeitig eine sichere und bezahlbare Energieversorgung zu gewährleisten. Diese Forschung wurde von Innosuisse im Rahmen der acht Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCER) organisiert, die 2020 ausliefen. Die Erkenntnisse aus den SCCER bilden die Grundlage für eine verstärkte Forschung im Energiebereich ab 2021. Das neue Forschungsprogramm Schweizer Energieforschung für die Energiewende (SWEET) gestartet von der Schweizerisches Bundesamt für EnergieSWEET übernimmt die herausfordernde und spannende Aufgabe, diese Forschung voranzutreiben, während die Schweiz darauf hinarbeitet, bis 2050 keine Treibhausgasemissionen mehr zu verursachen. Während sich die SCCER auf spezifische Aspekte der Energiewende konzentrierten (z. B. Netze, Wärme, Stromversorgung), liegt der Schwerpunkt des SWEET-Programms auf der Integration all dieser Aspekte mit einem ganzheitlichen und systemischen Ansatz.
Was ist das Vermächtnis der SCCERs an der ETH Zürich?
Die ETH Zürich war das Leading House für drei SCCER, darunter: Mobilität, Effizienz industrieller Prozesse (EIP) und Elektrizitätsversorgung (SoE). Anfang September veröffentlichte der SCCER-SoE eine Reihe von drei zusammenfassenden Berichten zu den Schlüsselbereichen des SCCER-SoE: Geothermie, Wasserkraft und zukünftige Stromerzeugung. Ein vierter Bericht über Netto-Null-Emissionsszenarien enthält die Ergebnisse der Szenarien und Modellierung gemeinsamer Aktivitäten. Auf der Grundlage dieser Syntheseberichte haben wir Folgendes herausgefunden:
Massiver Einsatz erneuerbarer Energien ist eine "Selbstverständlichkeit", um bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen
Ein zentrales Element wird die Elektrifizierung des Heizungs- und Verkehrssektors durch Wärmepumpen und Elektromobilität sein. Dies wird zu einem höheren Stromverbrauch führen. Die Unsicherheiten in Bezug auf die künftige Bevölkerung, das BIP, das Klima usw. sind groß, so dass wir im besten Fall von einem Anstieg von 30-50% ausgehen. Dieser Strom wird durch einen massiven Ausbau der Photovoltaik gedeckt werden müssen - auf Gebäuden, aber auch in alpinen Regionen, wo die Sonneneinstrahlung in den Wintermonaten besonders hoch ist. Mit der Photovoltaik allein ist es aber nicht getan. Neben einer Reihe von Speicher- und Flexibilitätsoptionen zum Ausgleich von Unterbrechungen brauchen wir auch mehr Wasserkraft, mehr Windkraft, Kraft-Wärme-Kopplung auf der Basis von Abfall und Biomasse sowie möglicherweise Gaskraftwerke und Nettoimporte, vor allem in den Wintermonaten. Auch Investitionen in die Infrastruktur wie Wärmenetze oder die Sanierung von Gebäuden werden eine wichtige Rolle spielen.
Der Untergrund bietet erhebliche Möglichkeiten zur Nutzung und Speicherung von Energie sowie zur Speicherung von CO2
Ein wichtiger Schwerpunkt des SCCER-SoE war die geothermische Stromerzeugung. Im Gegensatz zu anderen erneuerbaren Energien steht die in den Gesteinsmassen unter unseren Füßen gespeicherte thermische Energie rund um die Uhr zur Verfügung - wir müssen nur sichere und effiziente Verfahren finden, um sie zu gewinnen. Die Forschung im SCCER-SoE untersuchte die verschiedenen Varianten der Geothermie: den hydrothermalen Ansatz, bei dem durchlässige Sedimentgesteine - sogenannte Aquifere - ins Visier genommen werden, und den petrothermalen Ansatz, der auf das kristalline Grundgebirge abzielt. In diesem Fall muss die Durchlässigkeit durch Einspritzen von Wasser unter hohem Druck künstlich hergestellt werden. Eine neue Labor der ETH Zürich im Bedrettotunnel untersucht derzeit, wie dies auf effiziente Weise geschehen kann, ohne Erdbeben auszulösen. Weitere Forschungen zur Gewinnung von Erdwärme haben außerdem deutlich gezeigt, dass die Erdwärme für Fernwärmenetze und industrielle Zwecke besser als Wärme genutzt werden kann, anstatt sie in Strom umzuwandeln. Eine weitere Möglichkeit, den Untergrund für das Erreichen des Netto-Null-Ziels zu nutzen, ist die dauerhafte Speicherung von CO2. Hier mussten die ersten optimistischen Schätzungen von vor einigen Jahren revidiert werden: Das Potenzial für die CO2-Speicherung in der Schweiz scheint derzeit nicht auszureichen, wenn man bedenkt, dass jährlich rund 10-20 Mio. Tonnen CO2 aus Zement-, Kehricht-, Holz- oder Gaskraftwerken gespeichert werden müssen. Es müssen Alternativen erforscht werden, vor allem der Export zu Speicherstätten in der Nordsee. Die größte Herausforderung wird die notwendige CO2-Pipeline-Infrastruktur sein. Eine erste Studie mit Beteiligung der ETH wurde gerade veröffentlicht.
Was steht also als Nächstes auf der Energieforschungsagenda?
Im Jahr 2021 wurde der Staffelstab vom SCCER an die neu gegründete SWiss Energy research for the Energy Transition (SWEET) Programm, das jetzt unter der Schirmherrschaft des Bundesamtes für Energie (BFE) steht. Das Programm hat eine Laufzeit von 10 Jahren. Für die erste Ausschreibung, vier Projekte wurden vergebenDer Schwerpunkt liegt dabei auf Flexibilität und Sektorkopplung, dezentraler Erzeugung, Wärme und Kälte sowie Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit. Parallel dazu wurde eine begleitende Aktivität zur Harmonisierung von Daten und Modellen gestartet, das Projekt SWEET CROSS. In der Zwischenzeit wurden zwei weitere Aufforderungen zur Einreichung von Vorschlägen veröffentlicht, und weitere werden folgen.
Die Energy Science Center (ESC) der ETH Zürich spielt eine wichtige Rolle bei SWEET. Wir verwalten die PATHFNDR-Projekt das darauf abzielt, Wege zu einem effizienten Energiesystem zu schaffen - auf nationaler und auf lokaler Ebene. Wir sind auch stark am DeCarbCH-Projekt beteiligt, einem Projekt, das auf die Dekarbonisierung von Heizung und Kühlung abzielt. DeCarbCH ist an der Universität Genf angesiedelt. Nicht zuletzt verwaltet der WSA die CROSS-Aktivitäten, wobei er auf den Erfahrungen aus dem JASM-Projekt.
Der Link zum aktuellen Projektportfolio des ESC
Zwei große Projekte, die vom WSA verwaltet werden, werden auch bei SWEET eine entscheidende Rolle spielen.
Nexus-e ist eine vernetzte Plattform zur Modellierung von Energiesystemen, die die Energiewende in der Schweiz erleichtern soll, indem sie als Modellierungsinfrastruktur für Forscher, Studenten und Industriepartner dient. Im Rahmen des PATHFNDR-Projekts werden wir die Nexus-e-Plattform nutzen, um Pfade für das Schweizer Energiesystem zu entwickeln und die Auswirkungen von technologischen, wirtschaftlichen, regulatorischen und gesellschaftlichen Entwicklungen zu analysieren. Diese Plattform wird im Rahmen des PATHFNDR-Projekts genutzt, um verschiedene Modelle über eine zentrale Datenbank und definierte Eingabe- und Ausgabeschnittstellen zu verknüpfen.
Die ReMaP Projekt besteht aus zwei Hauptelementen: einem Simulationsrahmen, der es ermöglicht, digitale Zwillinge von Energiesystemen zu erstellen, und einem Kontrollrahmen, der es ermöglicht, gleichzeitig mit verschiedenen experimentellen Plattformen wie ESI (PSI) oder ehub (Empa) zusammenzuarbeiten, um vollständige Hardware- oder Hardware-in-the-Loop-Experimente durchzuführen. Der Simulationsrahmen wird in PATHFNDR erweitert, um Übergangspfade auf lokaler Distrikt- oder Stadtteilebene zu modellieren. Das gesamte Paket aus Simulation und Kontrollrahmen soll im Rahmen von Pilot- und Demonstrationsprojekten als Sprungbrett zwischen einer reinen Simulation und einem realen Feldexperiment eingesetzt werden.
Die Dinge in die Praxis umsetzen!
An der ETH Zürich gibt es eine sehr starke Forschungsgemeinschaft, die in der Grundlagenforschung im Energiebereich tätig ist und rund 60 Professoren aus 9 verschiedenen Fachbereichen. Um dies in die Praxis umzusetzen, war die Demonstration der Ergebnisse mit den Partnern neben den Szenarioanalysen bereits eine wichtige Aktivität innerhalb der SCCERs und steht noch mehr im Fokus des SWEET-Programms. Bis zu 20 Pilot- und Demonstrationsprojekte werden im Rahmen der ersten vier SWEET-Projekte zumindest skizziert. Diese werden mit Partnern aus dem privaten und öffentlichen Sektor durchgeführt. Das ESC und die Energieforschungsgemeinschaft an der ETH als Ganzes werden in den kommenden Jahren einen bedeutenden Beitrag leisten. Weitere Informationen über unsere Aktivitäten finden Sie auf der Website PATHFNDR-Projekt und die DeCarbCH-Projekt.
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