Energieperspektiven 2050+: Wege zu einer "Netto-null-Schweiz"

Dieser Fachartikel von Dr. Almut Kirchner (Prognos AG) und Dr. Michael Kost ‎(BFE) ist zuerst am 31.3.2021 in "Die Volkswirtschaft" erschienen.

Das Ziel der Schweiz, bis ins Jahr 2050 keine Treibhausgasemissionen mehr auszustossen, ist erreichbar. Dafür müssen der Ausbau der Fotovoltaik und die Elektrifizierung des Verkehrs aber rascher vorankommen.

Wie wird sich der Energiebedarf der Schweiz bis ins Jahr 2050 entwickeln? Und wie kann der Bedarf gedeckt werden unter der Voraussetzung, dass die Schweiz bis dahin netto null Treibhausgasemissionen produziert? Solche und andere Fragen soll die Studie «Energieperspektiven 2050+» beantworten. Doch Studien, die in die Zukunft weisen, sind keine «Prophezeiungen» und haben nicht den Anspruch, die Zukunft mit absoluter Sicherheit vorherzusagen. Sie zeigen mögliche technologische Entwicklungen, mit denen die Ziele bis 2050 erreicht werden können. Deshalb wurden in den Zukunftsbetrachtungen auch immer verschiedene Szenarien untersucht.

Die Politik braucht solche Grundlagen, um über künftige Massnahmen und Ziele zu entscheiden. Das Bundesamt für Energie (BFE) hat deshalb 2018 die Energieperspektiven 2050+ in Auftrag gegeben. Die Modellierung des Energiesystems haben die Beratungsunternehmen TEP Energy und Infras unter der Projektleitung von Prognos durchgeführt. Auf Basis dieser Ergebnisse wird das Forschungsbüro Ecoplan bis Ende 2021 auch die volkswirtschaftlichen Auswirkungen ermitteln.

Die Zielsetzung des Bundes für die Berechnungen gibt der aktuelle politische Rahmen vor: netto null Emissionen bis 2050. Das heisst: Die Emission von Treibhausgasen (THG) soll in allen Sektoren bis zum Jahr 2050 auf null reduziert werden. Schwer vermeidbare Emissionen wie landwirtschaftliche Emissionen oder Prozessemissionen in der Industrie sollen prioritär inländisch durch natürliche oder technische CO₂-Senken kompensiert werden.

Szenarien im Vergleich

Um die technische Entwicklung des Energiesystems und der Treibhausgasemissionen im Zeitverlauf abzuschätzen, wurden verschiedene Szenarien berechnet. Eines ist das Vergleichsszenario «Weiter wie bisher» (WWB). Dieses untersucht, wie sich das Energiesystem entwickelt, wenn die energiepolitischen Instrumente Stand Januar 2018 umgesetzt werden. Im Ergebnis sinken die THG-Emissionen in Fortsetzung des beobachteten Trends zwar weiter und liegen bis 2050 41 Prozent unter dem Niveau von 1990. Dennoch verfehlen sie das Ziel «Netto null» mit einem Ausstoss von immer noch 31,7 Megatonnen (Mt) CO2-Äquivalenten deutlich. Zum Vergleich: Im Jahr 2018 betrug der Ausstoss noch 46,4 Mt CO2-Äquivalente (nicht eingerechnet ist der internationale Flug- und Schiffsverkehr).

Wie kann aber das Ziel «Netto null Emissionen» erreicht werden? Dazu wurden vier Szenarien mit unterschiedlichen Schwerpunkten für die Energieversorgung berechnet: das Grundszenario «Zero Basis» und drei darauf aufbauende Szenarien A, B und C mit spezifischerem Fokus (siehe Kasten).

In jedem dieser vier Szenarien wurde das Stromsystem unter verschiedenen Rahmenbedingungen durchgerechnet. Dazu gehören etwa verschiedene Annahmen zu den Laufzeiten der Kernkraftwerke und Vorgaben zum Ausbau der erneuerbaren Stromproduktion.

Für die demografische und ökonomische Entwicklung wurden die zum Zeitpunkt der Durchführung aktuellen Projektionen der Bundesverwaltung herangezogen (Lechthaler, Kost, 2020). Diese ermitteln, dass die Bevölkerung bis 2050 auf über 10 Millionen wächst (BFS, 2015 und 2017). Das Bruttoinlandprodukt (BIP) wächst bis 2050 um circa 38 Prozent gegenüber dem Stand 2019 (Seco, 2018).

Ziele sind technisch machbar

In den Szenarien werden notwendige technische und teilweise infrastrukturelle Massnahmen ermittelt und daraus erforderliche Umsteuerungen abgeleitet. So etwa der schnellere Ausbau der Fernwärmenetze oder stärkere energetische Sanierungen von Gebäuden. Die Energieperspektiven machen allerdings explizit keine Aussagen darüber, mit welchen politischen Instrumenten diese Umsteuerungen erreicht werden sollen. Dies muss im politischen Prozess ausgehandelt und festgelegt werden und war nicht Teil der Aufgabenstellung.

Die Analysen kommen zum Schluss: Die Ziele in allen Zero-Szenarien können mit technischen Massnahmen auf der Basis heute bekannter und grossteils bereits eingeführter Technologien und moderaten direkten volkswirtschaftlichen Kosten erreicht werden. Auch wenn die Annahmen über die Entwicklungen der benötigten Technologien konservativ sind.

Szenario «Zero Basis»

Um zu veranschaulichen, wie eine «Netto-null-Schweiz» im Jahr 2050 aussehen könnte, wird hier das Szenario «Zero Basis» vorgestellt. Dieses Szenario geht von einem starken Fokus auf Energieeffizienz aus. Technologisch entspricht es einer gemischten Strategie aus Elektrifizierung, dem Einsatz von strombasierten Energieträgern wie synthetischem Diesel sowie einem starken Ausbau der Wärmenetze. Für die Kernkraftwerke wird hier die Variante mit der Vorgabe einer 50-jährigen Laufzeit betrachtet, sodass der Atomausstieg bis 2034 vollzogen wäre. Zudem wird hier die Variante dargestellt, bei der bis zum Jahr 2050 die Stromimporte und -exporte innerhalb eines Jahres bilanziell ausgeglichen sind.

Um diese Ziele zu erreichen, muss das Energiesystem entsprechend angepasst werden. So müssen etwa bei der Energienachfrage technische wie organisatorische und prozessuale Effizienzpotenziale stark ausgeschöpft werden. So etwa durch hocheffiziente Wärmedämmung von Gebäuden und genutzte Abwärme aus der Industrie. Insgesamt soll so der Endenergieverbrauch von 2019 bis 2050 um 31 Prozent sinken.

Der Raumwärmebedarf wird hauptsächlich von Wärmepumpenheizungen sowie Nah- und Fernwärmesystemen gedeckt. Letztere nutzen vor allem erneuerbare Quellen und Abwärme aus Industriebetrieben oder Umgebungswärmequellen mittels Grosswärmepumpen. Um die notwendige Erhöhung der Fern- und Nahwärmeversorgung (um einen Faktor 2,5) zu gewährleisten, ist ein schneller und konsequenter Ausbau der Netze erforderlich.

Auch der Verkehr soll konsequent elektrifiziert werden. Der Anteil der batterieelektrischen Personenwagen sowie der leichten Nutzfahrzeuge muss in den nächsten Jahren sehr stark wachsen – bis 2030 auf 60 Prozent aller Neufahrzeuge und bis 2040 auf 100 Prozent. Im Schwerverkehr spielen langfristig neben batterieelektrischen Fahrzeugen auch Biotreibstoffe und Wasserstoff eine Rolle. Damit das Ziel erreicht wird, sind aber auch importierte strombasierte Treibstoffe wie synthetischer Diesel notwendig.

Im Industriesektor wird ein grosser Teil der Prozesswärme mit fester Biomasse und Biogas sowie Industrieabfällen gedeckt. Nicht vermeidbare Prozessemissionen sowie der Ausstoss von Grossemittenten werden durch Technologien wie Carbon Capture and Storage (CCS) reduziert. Dabei werden mit chemischen Prozessen ca. 95 Prozent des CO2 aus dem Rauchgas abgeschieden und gespeichert oder als Rohstoff genutzt. Bei Grossanlagen mit (teilweiser) Biomassefeuerung, wie Kehrichtverwertungsanlagen, können mit CCS-Technologien notwendige bilanzielle Negativemissionen «erzeugt» werden.

Steigender Strombedarf bis 2050

Die Elektrifizierung der Wärme und des Verkehrs, der zusätzliche Verbrauch für CCS und Wasserstoffelektrolyse sowie der verbrauchsdämpfende Effekt der Effizienztechnologien führen insgesamt zu einem Anstieg der Stromnachfrage bis 2050 um rund 25 Prozent.

Dieser steigende Strombedarf wird bis 2050 nach der Wasserkraft hauptsächlich durch Fotovoltaik gedeckt. Letztere wird im Jahr 2050 34 Terawattstunden (TWh) inländischen Strom erzeugen. Dafür muss die Ausbaurate allerdings gegenüber dem heutigen Tempo in etwa vervierfacht werden. Windenergie sowie Geothermie spielen daneben eine kleinere, aber wichtige Rolle.

Das Stromsystem wird bis 2050 von einer starken Nachfrageflexibilität der neuen Verbraucher (Wärmepumpen, Elektrofahrzeuge, Wasserstoffproduktion) geprägt sein. Umgekehrt werden Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke sowie die Speicherung von Überschussenergie in Batterien bei Fotovoltaikanlagen ein flexibles Energieangebot gewährleisten. Dafür spielt die Einbindung in den europäischen Strommarkt sowohl auf der Import- als auch auf der Exportseite eine wichtige Rolle.

Moderate Mehrkosten

Im Jahr 2050 werden im Verkehr 56 Petajoule strombasierte Energieträger benötigt. Das sind etwa 17 Prozent des heutigen Verbrauchs an Mineralölprodukten. Von diesen wird inländisch ausschliesslich Wasserstoff hergestellt, der vor allem im Schwerverkehr eingesetzt wird. Die flüssigen strombasierten kohlenstoffhaltigen Treibstoffe – beispielsweise synthetischer Diesel – werden hingegen ausschliesslich importiert. Insgesamt wird der Importanteil an den Energieträgern bis im Jahr 2050 aber deutlich abnehmen: 2019 betrug dieser rund 75 Prozent, bis im Jahr 2050 wird er auf 25 Prozent sinken.

Im Jahr 2050 werden immer noch knapp 12 Millionen Tonnen schwer vermeidbare THG-Emissionen verbleiben. Diese stammen vor allem aus der Zement- und der Chemieindustrie, aber auch aus Kehrichtverbrennungsanlagen sowie aus der Landwirtschaft. Sie müssen mit CCS reduziert oder mit Negativen Emissionstechnologien kompensiert werden. Hiervon können rund 60 Prozent im Inland und der Rest im Ausland abgeschieden werden. Die bis 2050 kumulierten zusätzlichen direkten volkswirtschaftlichen Investitionen des Szenarios «Zero Basis» betragen im Vergleich zum Szenario «Weiter wie bisher (WWB)» 109 Milliarden Franken. Wird berücksichtigt, dass auch im Szenario WWB energiebezogene Investitionen von circa 1400 Mrd. Franken notwendig wären, entsprechen die 109 Milliarden lediglich einer Zunahme von rund 8 Prozent. Hinzu kommen etwa 14 Mrd. Franken an Betriebs- und Unterhaltskosten. Diesen stehen eingesparte Energiekosten in Höhe von 50 Milliarden Franken gegenüber. In Summe ergeben sich so direkte volkswirtschaftliche Mehrkosten von rund 73 Milliarden Franken.

Übergangsphase: Mehr Stromimporte

Zwischen dem Abschalten des letzten Kernkraftwerks 2034 und bis die erneuerbare Stromproduktion hochgefahren ist, muss insbesondere in den Winterhalbjahren deutlich mehr Strom aus dem Ausland importiert werden. Das zeigen zahlreiche detaillierte Marktsimulationen, die sowohl die Entwicklungen der Kraftwerksparks als auch die Nachfrage in den Nachbarländern im Detail berücksichtigen. Ebenfalls beachtet wurde in diesen Simulationen die Grenzübergangskapazitäten, welche Auskunft darüber geben, wie viel Leistung technisch mit den einzelnen Ländern ausgetauscht werden kann (ENTSO-E, 2018). Auf den ersten Blick mag das unter dem Aspekt der inländischen Versorgungssicherheit schwierig erscheinen. Gleichzeitig stehen unsere Nachbarländer vor einer ähnlichen Situation. Auch sie planen keine neuen Kernkraftwerke mehr und bauen stattdessen die erneuerbaren Energien aus.

Um eine allfällige Stromknappheit während des Energieumbaus zu überbrücken, werden in den Nachbarländern Gaskraftwerke zugebaut. Diese dienen vor allem als Back-up und Leistungsabsicherung und laufen nur an wenigen Stunden im Jahr. In der Schweiz steht mit den Wasserkraftwerken genügend Leistung zur Verfügung, um die Höchstlast zu decken.

Angewiesen ist die Schweiz hingegen – aufgrund der Erzeugungsprofile gerade im Winter – auf die Produktion elektrischer Arbeit. Dank den hohen Speicherkapazitäten kann diese aber dann importiert werden, wenn kein Spitzenlastbedarf im Ausland herrscht und die Strompreise am Grosshandelsmarkt, meist aufgrund hoher Einspeisung von Windenergie, niedrig sind. Umgekehrt können die Nachbarländer die flexible Angebots- wie Nachfrageleistung der Schweiz über den Markt nutzen, um den Zubau von Back-up-Kraftwerken zu beschränken.

Die Voraussetzung für eine solche effiziente marktbasierte Lösung ist die vollständige Integration der Schweiz in den europäischen Strommarkt. Gelingt diese, werden selbst in den «kritischen» Jahren von 2034 bis 2040 keine Back-up-Gaskraftwerke zur Deckung des Strombedarfs in der Schweiz benötigt. Falls aus strategischen Gründen – z. B. um die Abhängigkeit vom Ausland zu reduzieren – trotzdem wasserstofffähige Gasturbinenkraftwerke als Back-up zugebaut werden, laufen diese nur sehr wenige Stunden im Jahr (maximal ca. 200 h) und leisten damit nur einen geringen Beitrag zur Deckung der Nachfrage. Denn Importe aus dem Ausland sind meist kostengünstiger.

Im Laufe der nächsten Wochen und Monate werden der technische Bericht der «Energieperspektiven 2050+», umfangreiche Daten der Szenarienergebnisse sowie diverse Exkurse, unter anderem zur «Winterstromversorgung», publiziert. Bis Ende 2021 werden zudem die vertieften Analysen zu den volkswirtschaftlichen Auswirkungen vorliegen. Sie werden Aufschluss geben über zahlreiche technische Details sowie die Auswirkungen verschiedener möglicher politischer Ausgestaltungen der Szenarien auf die Verteilung volkswirtschaftlicher Kosten.

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