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SWEET EDGE - Untersuchungen zur dezentralen Einspeisung von erneuerbaren Energien

Herausforderung

Um die Klimaziele der Schweiz zu erreichen, ist es unabdingbar grosse Mengen an erneuerbaren Energien dezentral in das Schweizer Energiesystem zu integrieren. Das Bundesamt für Energie hat dazu eine Ausschreibung für neue Forschungs-Programme lanciert (SWEET-Ausschreibung). Der Schwerpunkt liegt dabei auf dezentralen, erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik, Wind und Biomasse aus lokalen Quellen in Verbindung mit bestehender Wasserkraft und neuen Speichermöglichkeiten. Es soll untersucht werden, wie diese dezentralen erneuerbaren Energien optimal installiert, betrieben und zusammen mit europäischer Vernetzung in das Gesamtsystem integriert werden können. Das Hauptaugenmerk soll dabei auf der Elektrizität liegen, jedoch unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen mit Elektromobilität, Wärmeerzeugung, verschiedensten Speichertechnologien und synthetischen Kraftstoffen.

Die technologischen Fortschritte werden zusammen mit wirksamen Möglichkeiten zur Förderung von Investitionen, zur Entwicklung neuer Geschäftsmodelle, zur Gestaltung von Märkten (einschliesslich dezentraler Märkte), zu neuen politischen Instrumenten und Vorschriften sowie zur Berücksichtigung der gesellschaftlichen Akzeptanz dieser neuen Instrumente und Vorschriften untersucht.

Im SWEET EDGE Projekt sollen insbesondere auch sozio-technische Merkmale beachtet werden, die in den Schweizer Städten, im Mittelland und in den Alpen sehr unterschiedlich sind. Städte zeichnen sich beispielsweise durch eine höhere Dichte an Energieverbrauchern, einen höheren Anteil an anthropogener Biomasse, einem grossen Potenzial für gebäudeintegrierte PV-Systeme sowie einen gut ausgebauten öffentlichen Verkehr aus. Das Mittelland ist reich an landwirtschaftlicher Biomasse und PV-Ressourcen, aber weniger dicht besiedelt und es gibt relativ viele landwirtschaftliche Fahrzeuge, welche auf erneuerbare Energien umgestellt werden müssen. Die alpinen Regionen bieten hocheffiziente PV, ein noch wenig ausgenutztes Windkraftpotenzial und grosse, aber oft schwierig zu erntende Holzvorkommen. Die Gebirgsregionen könnten die bereits heute vorhandene Lieferung von Strom aus Wasserkraft in die Städte und das Mittelland durch neue erneuerbare Energie steigern. In Abbildung 1 sind die verschiedenen verfügbaren Energiepotenziale und die nachgefragten Energiemengen für die drei zu untersuchenden Regionen abgebildet.

Unterschiede zwischen den nachhaltigen, technischen, erneuerbaren Energiepotenzialen und dem jährlichen Bedarf in den drei Regionen Städte, Mittelland und Alpen.
Abbildung 1: Unterschiede zwischen den nachhaltigen, technischen, erneuerbaren Energiepotenzialen (linke Balken) und dem jährlichen Bedarf (rechte Balken) in den drei Regionen Städte, Mittelland und Alpen.

Ziele

Das Projekt SWEET EDGE hat das Ziel, das Wachstum der dezentralen erneuerbaren Energien in der Schweiz zu beschleunigen und deren Integration in das Schweizer Energiesystem zu ermöglichen. Es soll sichergestellt werden, dass das Schweizer Energiesystem bis 2035 bzw. 2050, wenn die geplanten Anteile der erneuerbaren Energien erreicht sind, technisch und wirtschaftlich optimal gestaltet und betrieben wird und auf den europäischen Märkten gut positioniert ist. In den Jahren 2021-2027 wird EDGE also regionale Szenarien und Strategien entwickeln, um bis 2050 einen möglichst vollständig erneuerbaren Energiesektor in der Schweiz zu erreichen. Die EDGE-Forschungsaktivitäten sollen ausserdem durch drei Pilot- und Demonstrationsprojekte in der Stadt, im Mittelland und in den Alpen ergänzt werden.

Das EDGE-Konsortium zielt insbesondere darauf ab, über die generische Auslegung dezentraler erneuerbarer Systeme und Märkte hinauszugehen und eine regionalisierte Analyse durchzuführen, die speziell auf die Schweiz zugeschnitten ist. Abbildung 2 gibt einen Überblick über die durchzuführenden Arbeiten unterteilt in die jeweiligen Arbeitspakete. 

Aufteilung der Aufgabenstellung des SWEET EDGE-Projekts in die verschiedenen Arbeitspakete.
Abbildung 2: Aufteilung der Aufgabenstellung des SWEET EDGE-Projekts in die verschiedenen Arbeitspakete.

Aufgaben der Forschungsgruppe Erneuerbare Energien

Der Fokus der Forschungsgruppe Erneuerbare Energien liegt darin zu untersuchen, wie Batteriespeicher (inkl. bidirektionale Ladeanwendungen bei elektrischen Fahrzeugen (V2G)), Power-to-X, Demand Side Management (DSM) und Negative Emission Technologies (NET) zur Realisierung dezentraler, erneuerbarer Energiesysteme im städtischen Umfeld, im Mittelland sowie in alpinen Gebieten beitragen können. Power-to-X ist besonders relevant, weil das Mittelland und die alpinen Regionen im Verhältnis zur Nachfrage ein hohes Potenzial an erneuerbaren Energien aufzeigen und im Idealfall Energie in andere Schweizer Regionen exportiert werden kann. In diesem Hinblick werden verschiedene Strategien der Elektrolyse mit Re-Elektrifizierung in Brennstoffzellen, Wärme-Kraft-Kopplungsanlagen oder der Einsatz von Wasserstoff und synthetischem Methan als Kraftstoff für die Mobilität untersucht.

Ausserdem soll im Rahmen des EDGE-Projektes in den Jahren 2022 bis 2026 in einer typischen schweizerischen Gemeinde im Mittelland ein sogenanntes Microgrid (siehe Abbildung 3) basierend auf einer Kombination von Technologien mit 100 % erneuerbaren Energien aufgebaut werden. Dieses Microgrid könnte beispielsweise eine Biogasanlage, Holzpyrolyse mit Herstellung von Pflanzenkohle, PV-Anlagen, Wasserkraft, stationäre und mobile Batteriespeicher, Wärmespeicher, sowie ein Fernwärme- und Gasnetz enthalten.  

Mit diesem Microgrid soll anhand der Modell-Gemeinde konkret gezeigt werden, wie die Integration von grossen Mengen an erneuerbare Energien im Mittelland gelingen kann und wie die Schweiz ihre Energie- und Klimaziele erreichen kann.

Grobplanung des Microgrids im Mittelland.
Abbildung 3: Grobplanung des Microgrids im Mittelland.

Projektpartner

Das EDGE-Konsortium bringt ein breites Spektrum an interdisziplinärem Fachwissen aus den Bereichen Technologieentwicklung und -analyse, Energiesystemmodellierung, Politikwissenschaft, Wirtschaft und Nachhaltigkeitswissenschaften zusammen. Es besteht aus 14 Hochschulen und Universitäten und vielen Industriepartnern: