Fokusstudien

Die Fokusstudien des Forums Energiespeicher Schweiz schaffen Wissen zu besonders relevanten, aber wenig beachteten Aspekten der Energiespeicherung und ebnen damit den Weg zum Big Picture. Folgende Forschungsstudien wurden erarbeitet und können nachfolgend heruntergeladen werden.

 

AG Wärmespeicher

«Saisonale Wärmespeicher – Stand der Technik und Ausblick»

Michel Haller, Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik HSR
Florian Ruesch, Institut für Solartechnik SPF, Hochschule für Technik HSR

Die Umsetzung der Energiestrategie 2050 des Bundes erfordert die Ausweitung der Produktion erneuerbarer Wärme und erneuerbaren Stromes um ein Vielfaches. Wind- und Solarenergie, denen ein hohes Potenzial attestiert wird, fallen jedoch nicht kontinuierlich an, sondern zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit von meteorologischen Bedingungen sowie Tages- und Jahreszeiten. Die daraus resultierende fluktuierende Produktion von Energie muss durch entsprechende Energiespeichertechniken ausgeglichen werden.

Wärme- und Kältespeicher bieten hierfür sehr interessante Möglichkeiten, da ein grosser Teil (50%) der Endenergie in der Schweiz als Wärme oder Kälte anfallen, und beide eine ausgesprochene Saisonalität aufweisen. Der Wärmebedarf ist im Winter um ein vielfaches höher als im Sommer und damit azyklisch zur Verfügbarkeit von Solarenergie. Er übersteigt auch den Mehrertrag aus Windkraft im Winter um ein Vielfaches. Zudem stehen im Bereich der Wärmespeicher Lösungen und Techniken zur Verfügung, welche in Bezug auf die Gestehungskosten, insbesondere für die saisonale Speicherung in grossem Massstab, deutlich günstiger sein können als der Aufbau und Betrieb zusätzlicher saisonaler Stromspeicherkapazitäten. Dies eröffnet die Möglichkeit, durch saisonale Verlagerung (Heizen und Kühlen) nicht nur den Bedarf an fossilen Energieträgern, sondern auch den Bedarf an elektrischer Energie im Winter und im Sommer zu reduzieren. Wenn Dank Wärmespeichertechniken die Deckung des Wärmebedarfs im Winter mit hohem Anteil erneuerbarer Energie weniger elektrische Energie für Wärmepumpen benötigt, so kann damit ein Ausbau der Stromproduktions- und Übertragungskapazitäten zur Deckung des Winterbedarfs vermieden werden. Gleichzeitig bieten intelligent mit Wärmepumpen und Blockheizkraftwerken kombinierte Wärmespeicher die Möglichkeit, dem Stromnetz insbesondere im Winter sowohl eine positive als auch eine negative Sekundärregelleistung anzubieten und so zur Stromnetzstabilisierung beizutragen.

Dieser Bericht gibt eine Übersicht über heute auf dem Markt verfügbare Wärmespeichertechniken, mit einem speziellen Fokus auf die Anwendung zur saisonalen Wärmespeicherung. Die Speichertechniken werden unterschieden in Bezug auf die Temperaturen, Speicherdichten, typischen Speichergrössen, sowie die Kosten für Erstellung und Betrieb. Dazu werden Beispiele für die Speicherverluste und Kosten pro MWh ausgespeicherte Energie für einen typischen Anwendungsfall gegeben.


«Faktensammlung Wärme - Herkunft und Nutzung in der Schweiz»

Ch. Bauera, L. Baldinib, M. Bergerc, A. Haselbacherd, J. Rothe, W. Villasmilc, J. Worlitschekc

a) Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen.
b) Empa, Überlandstrasse 129 CH-8600 Dübendorf.
c) Hochschule Luzern – Technik & Architektur, Technikumstrasse 21, 6048 Horw .
d) ETH Zürich, Dep. of Mechanical and Process Eng., Sonneggstrasse 3, 8092 Zürich.
e) SCCER Hae c/o Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen.

 

Vor dem Hintergrund der Diskussion um ein nachhaltiges Energiesystem soll dieses Faktenblatt darlegen, wie gross der Anteil der Wärme am Gesamtenergiebedarf der Schweiz ist und welches CO2-Einsparungspotenzial besteht.

Dieses Faktenblatt ist eine Zusammenstellung wärmebezogener Energiedaten der Schweiz für das Jahr 2016 (wenn nicht explizit anders angegeben).

Es umfasst die Bereiche

  • schweizerischer Wärmebedarf in Bezug auf den Endenergiebedarf und CO2-Emissionen

a) Im Bereich Haushalte
b) Im Bereich Industrie

  • Wärmeerzeugung im Bereich Haushalte

Dabei wird deutlich, dass ein grosser Anteil der Endenergie für die Wärmeerzeugung eingesetzt wird und ein grosser Teil der CO2-Emissionen daraus stammt. Dies bedeutet im Umkehrschluss ein grosses Einsparpotenzial für CO2. Die notwendigen Technologien, um dieses Potenzial ohne Komfortverlust auszuschöpfen, existieren schon heute. Fossile und nicht-fossile Energieträger im Sommer zu verheizen, ist unsinnig und leicht zu vermeiden. Um fossile Energieträger im Winter zu ersetzen, werden Langzeit-Wärmespeicher benötigt. Diese werden in der Fokusstudie «Saisonale Wärmespeicher – Stand der Technik und Ausblick» ausführlicher beschrieben.

AG Speichermodelle

«Batteriespeicher in Verteilnetzen»

Dr. Alexander Fuchs (Forschungsstelle Energienetze, ETH Zürich) 
Dr. David Parra (Institute for Environmental Sciences, University of Geneva)

Ein wichtiger Teil der Energiewende ist die dezentrale Produktion erneuerbaren Stroms in der Schweiz. Im Vordergrund stehen dabei die Photovoltaik und zum Teil auch die Windenergie. Die Kombination mit der bestehenden Wasserkraft, die heute 60 % des Landesbedarfs abdeckt und zusätzlich nutzen wir die Möglichkeiten der Stromeffizienz – das ist der neue Strommix der Schweiz. Die Meinungen und die Erfahrungen über den Einsatz von Batteriespeichern als Kurzzeitspeichermöglichkeit sind jedoch noch nicht gefestigt. Wir sind mit einer Vielzahl von Fragen und Herausforderungen konfrontiert:

  • Sind Batteriespeicher, die laufend kostengünstiger werden, eine Alternative oder eine Ergänzung zu den vorhandenen Pumpspeicherkraftwerken, um die ungleichmässige Stromproduktion der Photovoltaik auszugleichen?
  • Wer ist der Investor und Betreiber der Batteriespeicher?
  • Ist es vorteilhaft, dass Quartier-Elektrobatteriespeicher durch den lokalen Verteilnetzbetreiber (VNB) erstellt und betrieben werden?
  • Wie ist das Zusammenspiel der Batteriespeicher mit den übrigen lokalen Massnahmen zur Lastverschiebung des Strombedarfs weg von der Nacht in den Tagesbetrieb?
  • Wie verbessern sich die technischen Eigenschaften von Batteriespeichern?
  • Und viele mehr...

Um Antworten auf diese Fragen zu finden hat das Forum Energiespeicher Schweiz FESS eine Fokusstudie „Batteriespeicher im Verteilnetz“ in Auftrag gegeben. Die beauftragten Wissenschaftler der ETH Zürich und der Universität Genf haben in einer sorgfältigen Auslegeordnung die technischen, ökonomischen und funktionellen Auswirkungen der verschiedenen Anwendungsfälle dargestellt und diskutiert.


«Saisonale Flexibilisierung einer nachhaltigen Energieversorgung der Schweiz»

 

Markus Friedl (HSR Hochschule für Technik Rapperswil, IET Institut für Energietechnik) 
Tom Kober (Paul Scherrer Institut, Labor für Energiesystem-Analysen, Villigen) 
Kannan Ramachandran (Paul Scherrer Institut, Labor für Energiesystem-Analysen, Villigen) 
Jonas Mühlethaler (Swissgrid, Aarau)

Das Schweizer Stimmvolk hat entschieden, in Zukunft auf die Kernenergie zu verzichten und im Gegenzug vermehrt die Solar- und Wind-Produktion auszubauen. Das führt zu einer Stromproduktion, die zunehmend kurzfristig mit dem Wetter und saisonal mit den Jahreszeiten variiert. Gerade die Befürchtung, den Energiebedarf ohne Kernkraft über das ganze Jahr hinweg nicht decken zu können, wird oft als „Killerargument“ gegen die Energiewende vorgebracht.

Das Forum Energiespeicher Schweiz hat dafür die Fokusstudie „Saisonale Flexibilisierung einer nachhaltigen Energieversorgung der Schweiz“ in Auftrag gegeben. Sie geht auf die folgenden Forschungsfragen ein:

  • Wie kann die saisonale Differenz zwischen Produktion und Nachfrage von Energie unter Einhaltung der gesteckten Ziele reduziert werden?
  • Welche Optionen der Energiespeicherung und der Flexibilisierung zum saisonalen Ausgleich von Energieangebot und -nachfrage stehen zur Verfügung?
  • Was ist die zukünftige Rolle von saisonalen Speichertechnologien im Elektrizitätsnetz und in der Energieversorgung?

Die Studie dient als Auslegeordnung bzw. Diskussionsbasis für eine geordnete (politische) Lösungsfindung in diesem komplexen Themenfeld


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