Unser Energiesystem der Zukunft oder "Warum ändern wir überhaupt etwas an unserem Energiesystem?"

Das Volk hat am 18. Juni 2023 das Klima- und Innovationsgesetz  angenommen (siehe auch BFE, 2023a zum aktuellen Stand der Energie- und Klimapolitik). Es verpflichtet die Schweiz dazu, bis 2050 keine Treibhausgasemissionen mehr zu verursachen. Daraus ergeben sich notwendige Veränderungen des Energiesystems, die alle Wirtschaftsbereiche und Haushalte betreffen. Zwei Aspekte sind dabei entscheidend: 1) Die Schweizer Stromerzeugung stösst schon heute fast kein CO2 aus. Deshalb geht es bei der CO2-Minderung hauptsächlich um den Ersatz fossiler Brennstoffe bei Verkehr, Industrie und Wärmeerzeugung. 2) Die meisten Ansätze hierfür setzen auf Elektrifizierung. Deshalb wird die Nachfrage nach Elektrizität steigen, so dass die Stromerzeugung klimaneutral ausgebaut werden muss.

Die Energieversorgung der Schweiz stützt sich vor allem auf importierte Energieträger

Derzeit bezieht die Schweiz den Grossteil ihrer Energie aus dem Ausland, vor allem in Form von Erdöl, Erdgas, Mineralölprodukten und Kernbrennstoffen. Fossile und Kernbrennstoffe machen rund drei Viertel des gesamten Bruttoenergieverbrauchs der Schweiz aus. Erneuerbare Energien (Wasserkraft und die „neuen“ erneuerbaren Energien Biomasse, Wind und Sonne) und Kehrichtverbrennung decken das restliche Viertel ab (BFE, 2023).

In der Schweiz werden Mineralölprodukte vor allem im Verkehr und zum Heizen eingesetzt. Erdgas dient ebenfalls hauptsächlich der Wärmeerzeugung, sei es zum Heizen oder für den industriellen Prozesswärmebedarf. Die Kernenergie erzeugt Strom. Strom wiederum kann sehr vielseitig eingesetzt werden sei es für technische Anwendungen, den Verkehr, die Heizung oder für industrielle Prozesse. Der Energieverbrauch geht insgesamt leicht zurück. Dabei sind die Anteile der verschiedenen Energieträger in den letzten Jahrzehnten recht stabil geblieben, wobei die neuen erneuerbaren Energien allmählich an Bedeutung gewonnen haben (Abbildung 1).

Abbildung 1: Schweizer Bruttoenergieverbrauch 1960-2022 (Quelle: basierend auf BFE, 2023)

Die Elektrizitätsversorgung der Schweiz vereint einheimische Erzeugung und Handel mit dem Ausland

Die Schweiz erzeugt Strom fast ausschliesslich mit Wasserkraft, Kernkraft, erneuerbaren Energien und Kehrichtverbrennungsanlagen. Ausserdem handeln die Schweizer Versorger mit unseren europäischen Nachbarn. Inländische Wasserkraftwerke, die aus Laufwasser-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken bestehen, decken einen Grossteil der Schweizer Nachfrage ab. Im Jahr 2022 erzeugten sie ca. 53% des Schweizer Stroms. Der Anteil der Schweizer Kernkraftwerke in Beznau, Gösgen und Leibstadt betrug rund 36% (BFE, 2023). Das Volk stimmte 2017 für ein Bauverbot neuer Kernkraftwerke (Energiegesetz 2017). Die bestehenden Kernkraftwerke dürfen weiter betrieben werden, solange sie als sicher gelten (Kernenergiegesetz 2003) und rentabel sind. Wahrscheinlich werden sie in den 2040er Jahren (nach ca. 60 Jahren Laufzeit) abgeschaltet werden. Erneuerbarer Strom aus Photovoltaikanlagen hat in den letzten Jahren zugenommen und deckte im Jahr 2022 etwa 6 % des Strombedarfs. Andere erneuerbare Energieträger, darunter Biogas, Biomasse und Windkraft, tragen etwa 1 % bei. Thermische Kraftwerke – das sind in der Schweiz hauptsächlich Kehrrichtverbrennungsanlagen – machen 3 % der Stromerzeugung aus (BFE, 2023).

Neben der einheimischen Erzeugung ist der grenzüberschreitende Stromhandel entscheidend für die Funktionsweise des Schweizer Stromsystems. Da das Schweizer Stromnetz mit dem europäischen Netz physisch verbunden ist, fliesst jederzeit Strom zwischen der Schweiz und den Nachbarländern. Während der Sommermonate kann die Schweiz dank hoher Erzeugung aus Wasserkraftwerken und niedrigerem Strombedarf in die europäischen Nachbarländer exportieren. In den Wintermonaten hingegen sinkt die schweizerische Wasserkrafterzeugung während der Bedarf steigt, so dass importiert werden muss (Abbildung 2). Im Laufe eines Jahres halten sich die importierten und exportierten Strommengen in etwa die Waage.

Abbildung 2: Monatliche Stromerzeugung in der Schweiz 2022 (Quelle: BFE, 2023)

Das Netto-Null-Ziel kann im Energiebereich auf verschiedene Weise erreicht werden. Alle möglichen Wege haben aber zwei Gemeinsamkeiten: 1) Die importierten fossilen Brennstoffe müssen ersetzt werden und 2) das Energiesystem muss eine neue Nachfragestruktur bedienen. Um verschiedene Wege zu ermitteln und zu vergleichen, verwenden Forscher*innen eine Vielzahl von Modellen (z.B. die SWEET-Konsortien). Diese Modelle unterscheiden sich teilweise erheblich in Annahmen und Aufbau. Gemeinsame Erkenntnisse, die von allen diesen Modellen gestützt werden, weisen daher eine gewisse Belastbarkeit auf, da sie nicht nur aufgrund einzelner Annahmen oder Modellstrukturen resultieren. Indem viele unterschiedliche Modelle dieselben Szenarien durchrechnen (z.B. SWEET-CROSS-Szenarien, SWEET EDGE Renewable Outlook), können verschiedene Forschungsteams gemeinsam die Auswirkungen unsicherer zukünftiger Entwicklungen abschätzen, sei es bei der Klimapolitik, der europäische Marktintegration oder dem technischen Fortschritt.

„Netto-Null“ bedeutet den kompletten Verzicht auf Treibhausgasemissionen in den meisten Wirtschaftsbereichen, besonders im Energiesektor

Weil das Netto-Null-Ziel alle Bereiche umfasst, können wir unsere Emissionen auf verschiedene Weise reduzieren oder kompensieren. Im Energiebereich werden wir aber tatsächlich ganz von CO2-Emissionen Abschied nehmen müssen, denn es gibt andere Bereiche, in denen der vollständige Verzicht auf Treibhausgase noch viel schwieriger ist. Nehmen wir die Schweizer Landwirtschaft, in der Kühe enorme Mengen Methan ausstossen (in CO2-Äquivalenten 1.68 Mio. Tonnen oder 56 % aller landwirtschaftlichen Emissionen, Agroscope, 2024; zum Vergleich: die Gesamtemissionen der Schweiz belaufen sich auf etwa 41.6 Mio. t CO2-Äquivalente, wobei die Landwirtschaft für etwa 15,5 % davon verantwortlich ist, siehe Treibhausgasinventar der Schweiz). Diese Emissionen lassen sich kaum verringern, ohne auf Viehhaltung ganz zu verzichten.

Dagegen können andere Bereiche sogar so genannte „negative Emissionen“ erreichen, d.h. sie entfernen mehr Treibhausgase aus der Atmosphäre, als sie ausstossen (siehe dazu auch BFE 2022). So können diejenigen Emissionen kompensiert werden, die sich am schwersten verringern lassen. Die Energiebranche kann solche negativen Emissionen erzielen, z.B. indem CO2-Emissionen aus Holzkraftwerken aufgefangen und gespeichert werden.

Der Stromverbrauch steigt, der Gesamtenergieverbrauch sinkt

Während der Strom in der Schweiz fast vollständig CO2-frei erzeugt wird, ist das Energiesystem insgesamt alles andere als CO2-frei. Um den Rest des Energiesystems zu dekarbonisieren, muss die Schweiz weitere Bereiche elektrifizieren, insbesondere Verkehr und Wärme. Wegen des zusätzlichen Strombedarfs in diesen Bereichen wird mit einer steigenden Stromnachfrage gerechnet. Wie stark sie steigen mag, wird unterschiedlich eingeschätzt (z.B. gehen die verschiedenen Modelle im SWEET-CROSS-Vergleich von einem Anstieg von derzeit etwa 60 TWh (BFE, 2023) auf 75-95 TWh bis 2050 aus). Weitgehende Einigkeit besteht aber darüber, dass sie nennenswert ansteigen wird. Deshalb ist geplant, die Kapazitäten für die Stromerzeugung zu erhöhen (d.h. Kraftwerke aus- oder zuzubauen), um diese zusätzliche Nachfrage zu decken und stillgelegte Kernkraftwerke zu ersetzen. Dies soll mit CO2-freien Technologien geschehen: Photovoltaik, Wasserkraft, Windkraft, Biomasse und Kehrrichtverbrennung (mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung), Wasserstoff oder synthetische Kraftstoffe. Aus diesen Gründen geht es bei einem Grossteil der aktuellen Energiedebatte um die Stromversorgung.

Gleichzeitig wird der Gesamtenergiebedarf voraussichtlich sinken (z.B. gehen die Schweizer Energieperspektiven 2050+ von einem Rückgang von heute ca. 210-224 TWh pro Jahr auf ca. 140-168 TWh im Jahr 2050 aus, Abbildung 3). Die Elektrifizierung ist dabei einer der wichtigen Treiber für die Reduktion unseres Energiebedarfs. Elektrische Systeme, Antriebe und Wärmepumpen sind in der Regel effizienter als die Verbrennung fossiler Treib- und Brennstoffe. Zudem wird sich auch weiterhin die allgemeine Energieeffizienz verbessern und ermöglicht so weitere Energieeinsparungen.

Abbildung 3: Gesamtstromverbrauch als Anteil am Gesamtenergieverbrauch im Jahr 2024 und 2050 (Quelle: Daten basieren auf den Energieperspektiven 2050+, BFE 2021)

Treib- und Brennstoffimporte kann es weiterhin in Form synthetischer Brennstoffe und Wasserstoff geben

Synthetische Treibstoffe und Wasserstoff könnten in Zukunft als saisonale Energiespeicher zum Einsatz kommen oder in Industrien, die weiterhin auf Verbrennungsprozesse angewiesen sein werden. Es ist aber noch unklar, wie der zukünftige Markt für diese Energieträger aussehen wird. Je nach Nachfrage und Kostenstrukturen in der Schweiz und auf den globalen Märkten kann sowohl einheimische Produktion als auch der Import von synthetischen Brennstoffen und Wasserstoff zielführend sein. Aber gesicherte Prognosen diesbezüglich sind aktuell noch nicht möglich.

Angesichts der hohen Bedeutung der Elektrifizierung für die Senkung der CO2-Emissionen, steht der Stromsektor im Mittelpunkt der Energiewende. Neben dem Netto-Null-Ziel für 2050 hat der Bundesrat auch Produktionsziele für erneuerbare Energien für 2035 und 2050 festgelegt. Für diese Ziele suchen Forschungsteams mit Hilfe von Modellen jene Kombination von Technologien (Kraftwerke, Batterien, Heizungssysteme etc.), die die geringsten Kosten verursacht (z.B. Szenarien von SWEET-CROSS, Energieperspektiven 2050+, SWEET-EDGE Renewable Energy Outlook, VSE Energiezukunft 2050). Diese Modelle unterscheiden sich teilweise erheblich in Annahmen und Aufbau. Modellvergleiche und gemeinsame Analysen, die sie sich auf ähnliche Szenarien stützen, erlauben es dennoch, belastbare Erkenntnisse zu gewinnen. Einige dieser wesentlichen Erkenntnisse erläutern wir in den folgenden Abschnitten.

Sie finden verschiedene Modellszenarien auch auf der Link Seite.

Wasserkraft und Photovoltaik werden das Rückgrat der Energieversorgung bilden

Wasserkraft und Photovoltaik werden zukünftig die dominierenden Technologien in der Schweizer Stromerzeugung sein (Abbildung 4). Alle Modellszenarien stimmen darin überein, dass die heute bestehenden Wasserkraftwerkskapazitäten weiterbetrieben oder sogar ausgebaut werden (d.h. es gibt 16 Wasserkraftausbauprojekte, die zusammengenommen die Winterstromproduktion um 2 TWh erhöhen würden, siehe z.B. Informationen über erneuerbare Ausbauprojekte des VSE sowie die Gemeinsame Erklärung des Runden Tisches Wasserkraft). Weil die Stromnachfrage sich erhöht, wird der Beitrag der Wasserkraft an der Stromerzeugung voraussichtlich anteilsmässig zurückgehen, nicht aber absolut. Die Wasserkraft wird auch in Zukunft das Rückgrat der Schweizer Stromerzeugung bilden. Die Bedeutung der Photovoltaik wird voraussichtlich deutlich wachsen. Sie wird in den kommenden Jahren zur zweiten Säule des Schweizer Stromsystems werden (z.B. SWEET-CROSS, SWEET-EDGE Renewable Energy Outlook). Andere Erzeugungstechnologien werden eine geringere, eher ergänzende Rolle spielen, je nach Kosten und gesellschaftlicher Akzeptanz. Dazu gehören die Windkraft und verschiedene thermische Kraftwerke (z.B. Holz, Kehricht, Biogas oder Wasserstoff).

Die Modellergebnisse lassen viel Spielraum, was die Standorte der PV-Anlagen betrifft (je nach Sonneneinstrahlung und von der Politik gesetzten Anreizen und Beschränkungen, siehe SWEET-EDGE Renewable Energy Outlook). Das gilt auch für den Umfang, in dem andere Technologien ausgebaut werden. Allen Ergebnissen gemein ist, dass eine Kombination verschiedener Technologien gegenüber sehr einseitigen Lösungen vorgezogen wird, und zwar unter verschiedensten zukünftigen Rahmenbedingen.

Abbildung 4: Elektrizitätsversorgung im Jahr 2050 auf der Grundlage verschiedener Modellszenarien. Die hier abgebildeten Szenario-Ergebnisse stammen aus „Abroad-Together“. Weitere Einzelheiten zu den Annahmen, die diesem Szenario zugrunde liegen, finden Sie auf der SWEET-CROSS Webseite  (Quellen: CROSS, 2023; Energieperspektiven 2050+  (BFE 2021), BFE, 2023).

Grenzüberschreitende Stromflüsse und internationaler Handel bleiben wesentliche Bestandteile unseres Stromsystems.

Das Schweizer Stromnetz ist physisch mit dem europäischen Netz verbunden. Anders als gewöhnliche Waren, die über Strasse, Bahn oder Schiffe transportiert werden, bewegen sich Elektronen im Netz immer dann über Grenzen hinweg, wenn es die Gesetze der Physik erfordern. Die Schweiz profitiert stark von dieser physischen Verbindung der Netze, weil sie so automatisch Zugang zum europäischen Markt hat und Strom importieren und exportieren kann.

Der internationale Stromhandel hilft der Schweiz auf verschiedene Situationen im Stromnetz flexibel reagieren zu können. Diese Flexibilität des Handels ergänzt die Flexibilität, die unsere Wasserkraftwerke bereitstellen können. Der Stromhandel wird bis 2050 und darüber hinaus wichtig bleiben, gerade auch wegen des zunehmenden Anteils wetterabhängiger erneuerbarer Energien, der es vermehrt erfordert, tägliche, wöchentliche und saisonale Schwankungen auszugleichen (siehe z.B. Weigt et al., 2022, SWEET-CROSS, SWEET-EDGE Renewable Energy Outlook). Da sich alle EU Länder zum Übergang in ein klimaneutrales Energiesystem verpflichtet haben, werden zukünftig auch die Stromimporte CO2-frei sein. Viele Modellanalysen gehen weiterhin von einem ausgeglichenen Stromhandel im Jahr 2050 aus (d.h. von einer ähnlichen Menge an Importen und Exporten im Jahresdurchschnitt), ähnlich wie es heute bereits ist (BFE, 2023). Wollte man vollständige Autarkie erreichen, also ein dauerndes Gleichgewicht von Schweizer Produktion und Nachfrage, bei dem zu keiner Stunde des Jahres importiert oder exportiert würde, bräuchte es einen erheblichen – und damit teuren – zusätzlichen Ausbau der inländischen Erzeugungs- und Speicherkapazitäten (SCNAT, 2022).

Um das Schweizer Energiesystem für die Netto-Null-Welt fit zu machen, muss alle Energie CO2-frei erzeugt und das Stromsystem ausgebaut werden. Der Ersatz fossiler Energieträger soll auf eine Weise geschehen, die hohe gesellschaftliche Akzeptanz geniesst und wirtschaftlich machbar ist. Dabei muss der Kostenvergleich zwischen einem emissionsfreien und unserem heutigen System alle Kosten einbeziehen. Dazu gehören auch die so genannten externen Kosten im Zusammenhang mit den Emissionen von Treibhausgasen, Luftschadstoffen und Lärm sowie mit den Auswirkungen auf die Landschaft und die biologische Vielfalt. Ausserdem ist zu bedenken, dass wir auch ohne eine Änderung unseres Energiesystems das bestehende System und die Treib- und Brennstoffimporte aufrechterhalten und bezahlen müssten.

Die künftige Kostenentwicklung ist ungewiss

Annahmen zur Entwicklung der Kosten verschiedener Technologien sind ein wichtiger Input für die verschiedenen Modellrechnungen. Allerdings sind sich die Forscher*innen keineswegs einig über die „richtigen“ Kostenannahmen für die Zukunft. Vielmehr weisen die Modellannahmen eine beträchtliche Bandbreite auf. Diese Spanne ist letztlich Ausdruck der Tatsache, dass künftige Entwicklungen schwer vorherzusagen sind. So wurde beispielsweise der drastische Preisverfall für Photovoltaikmodule vor zehn Jahren in dieser Form nicht vorausgesehen. Auch bei anderen Erneuerbaren sind die Kosten in unerwarteter Weise gesunken (siehe Abbildung 5). Die Unsicherheit bei den Kosten betrifft aber nicht nur die erneuerbaren Energien, sondern im Grunde auch alle anderen Energietechniken, wie z.B. Batterien, Entwicklungen in der Elektromobilität, Elektrolyseure und Importpreise synthetischer Kraftstoffe. Insgesamt bleibt unklar, wie viel billiger Energietechnologien in den kommenden Jahrzehnten werden. Daher ist eine exakte Abschätzung der zukünftigen Kosten unseres Energiesystems aktuell nicht möglich.

Abbildung 5: Lernkurventrends für Investitionskosten 2010-2022 für Solar-PV, CSP, Offshore- und Onshore-Wind (IRENA, 2022). Weitere Informationen zu Kostenentwicklungen sind z.B. auch via Lazard verfügbar.

Es genügt nicht, nur die Gesamtsystemkosten zu betrachten

Die Gesamtsystemkosten setzen sich aus Investitions- und Betriebskosten zusammen. Sie lassen andere wichtige Kostenaspekte ausser Betracht, wie z.B. externe Kosten, Wohlfahrtseffekte und Verteilungsaspekte.

Der Verzicht auf fossile Treib- und Brennstoffe bringt so genannte Sekundärnutzen. Zu ihnen gehören z.B. geringere Gesundheitskosten durch vermiedene Luftverschmutzung und der Beitrag zur Eindämmung des Klimawandels. Zwar gibt es keine Energietechnologie, die keine externe Kosten hätte, aber bei der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen sind sie deutlich geringer. Deshalb senkt die angestrebte Elektrifizierung die externen Kosten.

Die Wohlfahrt – ein Mass für das Gesamtwohl einer Gesellschaft – wird nicht alleine durch die Gesamtsystemkosten beeinflusst (Maire et al., 2019), sondern durch gesamtwirtschaftlichen Konsum und Freizeit bestimmt, die wiederum von der Effizienz von Märkten und Politikmassnahmen abhängen. So ist für die Schweizer Wohlfahrt auch bedeutend, wie die Grosshandels- und Verbraucherpreise entstehen und welchen Anteil die Schweiz an der Wertschöpfung im Energiesektor hat. Auf all diese Faktoren hat die Energiepolitik einen Einfluss.

Die Verteilung der Kosten ist natürlich auch ein wichtiges Thema. Nach dem Verursacherprinzip ist davon auszugehen, dass die Verbraucher den grössten Teil der Kosten der Energiewende tragen werden. Eine zuverlässige Einschätzung hängt aber von der Art der Finanzierung ab. Deshalb ist die genaue Kostenaufteilung zwischen Energieverbraucher*innen und Steuerzahler*innen noch nicht vollends geklärt. Auf jeden Fall werden die bevorstehenden Änderungen im Energiesystem neue finanzielle Möglichkeiten eröffnen (z.B. für Eigentümer*innen von Photovoltaikanlagen und Batterien) und für andere verbauen (z.B. werden sich die Anbieter*innen fossiler Brennstoffe neu orientieren müssen).

Prof. Dr. Hannes Weigt

University Basel

Peter Merian-Weg 6

4052 Basel