Das Energiesystem der Zukunft und Power-to-X

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt von fünf Schweizer Kompetenzzentren für Energieforschung haben Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts PSI, der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa), der Eidgenössischen Technische Hochschule (ETH) Zürich, der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR), der Universität Genf und der Universität Luzern ein Weissbuch «Power-to-X» zu Händen der Eidgenössischen Energieforschungskommission (CORE) erstellt. Ziel des Weissbuchs ist es, die wichtigsten vorhandenen Erkenntnisse über Power-to-X-Technologien zu sammeln. Die Studie beleuchtet unter anderem, welchen Beitrag verschiedene Technologien, die auf der Umwandlung und Speicherung verschiedener Energieformen beruhen, zur Energiestrategie der Schweiz leisten können. Die Expertinnen und Experten stellen die Erkenntnisse aus dieser Untersuchung am 8. Juli an der ETH Zürich vor. Die Schweiz hat sich das Ziel gesetzt, ihre direkten Treibhausgasemissionen drastisch zu reduzieren. Gemäss der Energiestrategie 2050 soll sich der Ausstoss von Treibhausgasen bis 2030 im Vergleich zu 1990 um 50 Prozent verringern, bis 2050 bis zu maximal 85 Prozent. Nach 2050 soll die Energieversorgung in der Schweiz klimaneutral erfolgen, also ohne den Ausstoss von Treibhausgasen wie CO2. Eine Komponente für die Erreichung dieses Zieles können sogenannte Power-to-X-Verfahren sein. Dabei wird der überschüssige Strom aus neuen erneuerbaren Energien genutzt, um durch elektrochemische Umwandlung flüssige oder gasförmige Energieträger zu erzeugen, wie beispielsweise Wasserstoff, Methan oder Methanol. Diese werden dann weiter in den Verbrauchssektoren eingesetzt, um Fahrzeuge anzutreiben oder Wärme beziehungsweise auch wieder Strom zu erzeugen. Der Vorteil ist, dass die flüssigen oder gasförmigen Energieträger über längere Zeit zwischengespeichert werden können. Im Rahmen der Energiestrategie 2050 sind die Power-to-X-Verfahren unter anderem interessant, weil die neuen erneuerbaren Energien aus Fotovoltaik oder Windkraft nicht kontinuierlich, sondern in schwankender Intensität zur Verfügung stehen. Um Phasen von geringer Stromerzeugung auszugleichen, soll unter anderem mithilfe von Power-to-X-Verfahren Energie aus produktionsstarken Phasen zwischengespeichert werden. Power-to-X-Verfahren können so dazu beitragen, Energieangebot und -nachfrage über einen längeren Zeitraum auszugleichen, die kurzfristige Flexibilität im Stromnetz durch intelligentes Lastenmanagement zu erhöhen und Ersatz für fossile Kraft- und Brennstoffe sowie Rohstoffe für die Industrie zu schaffen.

Flexibilitätsoption und Bindeglied zwischen Energieerzeugung und -verbrauch

Wissenschaftler des Paul Scherrer Instituts PSI haben nun gemeinsam mit Kollegen von sechs Schweizer Hochschulen und Forschungsinstitutionen umfangreiche Informationen zu verschiedenen Aspekten von Power-to-X-Technologien zusammengetragen, unter anderem, welches Potenzial Power-to-X-Verfahren für die Energiestrategie 2050 haben, vor welchen Herausforderungen die Technologie steht und welche Schlüsselfaktoren eine Verbreitung der Technologie begünstigen. «Im Vergleich zu anderen neuen erneuerbaren Energiequellen gibt es ein besonders hohes Potenzial für Strom aus Solaranlagen in der Schweiz, was Power-to-X zu einer wichtigen Flexibilitätsoption und Bindeglied zwischen Energiegewinnung und -verbrauch in einem nachhaltigen, CO2-armen Energiesystem macht», fasst Tom Kober, Leiter der Gruppe Energiewirtschaft am PSI und einer der Hauptautoren des von der Eidgenössischen Energieforschungskommission in Auftrag gegebenen Weissbuchs, eines der Ergebnisse zusammen. Die Beiträge, die Power-to-X in einzelnen Energiesektoren wie Verkehr, Heizung oder durch die Rückverstromung leisten kann, sind sehr unterschiedlich. So ist die erneute Gewinnung von Strom aus Energieträgern wie Wasserstoff oder Methan, die mit Power-to-X-Verfahren erzeugt wurden, derzeit noch sehr teuer. «Die Kosten für solche auch Power-to-Power genannten Verfahren könnten aber durch Fortschritte bei der Technik und steigender Erfahrung im Umgang mit diesen neuen Technologien bis 2030 um bis zu zwei Drittel sinken», schätzt Kober. Es bleibt abzuwarten, inwieweit sich Power-to-Power-Technologien gegenüber anderen Flexibilitätsoptionen im Elektrizitätssystem durchsetzen können, was nicht zuletzt auch von europäischen Marktentwicklungen abhängt und den damit verbundenen Bedingungen für den Schweizer Stromaussenhandel.

Systemintegration kommt Schlüsselrolle zu

Kraft- und Brennstoffe, die mit Strom aus erneuerbaren Energien in Power-to-X-Verfahren produziert werden, können fossile Energieträger wie Heizöl, Erdgas, Benzin und Diesel ersetzen und somit helfen, CO2-Emissionen zu reduzieren. Wirtschaftlich wird dies aber nur sein, wenn entsprechende umweltpolitische Anreizmechanismen zum Tragen kommen. Umwandlungsprozesse müssen möglichst effizient realisiert werden, um einerseits die Kosten zu minimieren und andererseits Ressourcen zu schonen. Das hat nicht nur Auswirkung auf die Standortwahl von Power-to-X-Anlagen, sondern auch wie die Technologie in verschiedene Märkte integriert werden kann. Ein Fazit der Studie lautet deshalb: Entscheidend für einen erfolgreichen Einsatz von Power-to-X im Rahmen der Energiestrategie 2050 ist, dass sich Forschung und Innovation auf eine optimale Integration von Power-to-X in das gesamte Energiesystem der Schweiz konzentrieren. Das von der Eidgenössischen Energieforschungskommission (CORE) in Auftrag gegebene Weissbuch wurde von den Partnern der SCCER Heat and Electricity Storage, Biosweet, Crest, Furies und Mobility erstellt und von der Innosuisse sowie dem BFE finanziert. Die Ergebnisse der Analysen für das Weissbuch «Power-to-X: Perspektiven in der Schweiz» stellen die Forschenden am 8. Juli bei einer Veranstaltung an der ETH Zürich vor.

Ort: ETH Zürich (Zentrum) HG D 7.1, Rämistrasse 101, 8092 Zürich

Beginn der Veranstaltung: Montag, 8. Juli 2019, 17 Uhr

Text: Paul Scherrer Institut/Sebastian Jutzi

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 407 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.