Schlüsselwörter
(Englisch)
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Renewable energy; variability; meteorology; energy transition; energy system planning
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Kann ein besseres Verständnis der kleinräumigen Variabilitätsmuster der schweizerischen Winderzeugung dazu beitragen, die mögliche Rolle der Windkraft für das Land zu klären? Das ist die Frage, die in diesem Projekt beantwortet wird.
Zunächst beurteilen wir die Fähigkeit zur genauen Modellierung des Windkraftpotenzials in komplexem Gelände auf der Grundlage mehrerer meteorologischer Reanalysen. Wir stellen fest, dass die regionale Reanalyse COSMO-REA2 mit einer räumlichen Auflösung von 2 km in der Lage ist, einige der Windphänomene an Messstandorten im ganzen Land zu reproduzieren. Darunter fallen z.B. die tageszeitliche Variabilität, die durch die Brisen in den Gebirgstälern und die kanalisierenden Föhn- und Bise-Ströme verursacht werden. Wir kommen daher zu dem Schluss, dass die Verwendung von COSMO-REA2 für weitere Analysen gerechtfertigt ist.
Unsere gesamtschweizerische Analyse mit COSMO-REA2 zeigt erstens dass kleinräumige Geländemerkmale in der Schweiz zu kleinräumigen Gebieten führen, die sich in Bezug auf die Variabilität der Windkraft anders verhalten als ihre Umgebung. Zweitens sehen wir dass es in ausgewählten Schweizer Subregionen klare Muster der Windkraftvariabilität gibt, die mit europaweiten Wetterregimes korrelieren. So weisen einige der Subregionen auf der Zeitskala von Tagen bis Wochen mögliche Muster der Windstromerzeugung auf, die sich fast vollständig von denen in benachbarten, weniger gebirgigen Gebieten unterscheiden.
Schliesslich erstellen wir ein Optimierungsmodell des europäischen Stromsystems, in dem die Schweiz als einzelne Kantone modelliert wird und die zuvor identifizierten Subregionen innerhalb dieser separat modelliert werden. Anhand dieses Modells entwerfen wir zunächst ein optimales Stromsystem für ganz Europa einschließlich der Schweiz. Dieses erste Szenario setzt auf internationale Übertragungsleitungen um die Variabilität der erneuerbaren Energien in Europa ausgleichen. In diesem Szenario wird in der Schweiz im kostenoptimalen Fall keine Windkapazität installiert. Wir testen zwei Szenarien im Optimierungsmodell wo das Modell eine Minimalabdeckung von 10% bzw. 20% des Winterstrombedarfs erreichen muss. Das Modell zeigt dass beide Fälle für die Schweiz wirtschaftlich günstiger sind als das europäische Optimum, basierend auf tieferen Stromgestehungskosten. In beiden Fällen würde sich die Kapazität auf die Jurakämme konzentrieren, mit nur geringer zusätzlicher Kapazität auf den Alpenkämmen und im Kanton Tessin.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The aim of this project is to investigate whether an improved understanding of smaller-scale variability patterns of Swiss wind generation could help clarify the possible role of wind power for the country.
First, we assess the ability to accurately model wind power potential in complex terrain based on several meteorological reanalyses. We find that that COSMO-REA2, with a 2 km spatial resolution, is able to reproduce some of the wind phenomena at measurement sites across the country, for example, diurnal variability caused by mountain-valley breezes, and the Föhn and Bise channelling flows. We thus conclude that using COSMO-REA2 for further analyses is justified.
Based on such analysis with COSMO-REA2, we find that smaller-scale terrain features in Switzerland lead to small-scale areas that behave differently than their surrounding regions with respect to wind power variability. Second, and more importantly, we see that there are clear patterns of wind power variability in selected Swiss subregions which correlate with Europe-wide weather regimes. Thus, at the time scale of days to weeks, some of the subregions exhibit possible wind electricity generation patterns almost completely opposite to that in neighbouring, less mountainous areas.
Finally, we build an optimisation model of the European power system within which Switzerland is modelled as individual cantons, and the subregions identified before are separately modelled within them. Using this model, we first design an optimal power system for all of Europe including Switzerland. In this scenario, which relies on international connections balancing renewable variability across Europe, no wind capacity is installed in Switzerland in a cost-optimal case. Then, we re-run the optimisation model with a minimum required Swiss wind generation capacity equivalent to covering 10% and 20% of winter electricity demand. Both cases are more economically favourable to Switzerland than the European optimum based on the Swiss levelised cost of electricity being lower. In either case, capacity would be concentrated on Jura crests, with only small additional capacity on alpine crests and in the canton of Ticino.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le but de ce projet est d'étudier si une meilleure compréhension de la variabilité à petite échelle de la production éolienne suisse pourrait aider à clarifier le rôle possible de l'énergie éolienne pour le pays.
Tout d'abord, nous évaluons la capacité à modéliser avec précision le potentiel éolien en terrain complexe en nous basant sur plusieurs réanalyses météorologiques. Nous constatons que les données COSMO-REA2, avec une résolution spatiale de 2 km, permettent de reproduire certains des phénomènes éoliens de tout le pays, par exemple la variabilité diurne causée par les brises de vallée de montagne, et les flux de canalisation du Föhn et de la Bise.
Sur la base de cette analyse avec COSMO-REA2, nous constatons premièrement que les caractéristiques du terrain à petite échelle en Suisse conduisent à des zones de petite taille qui se comportent différemment de leurs régions environnantes en ce qui concerne la variabilité de l'énergie éolienne. Deuxièmement, nous constatons qu'il existe des schémas clairs de variabilité de l'énergie éolienne dans certaines sous-régions suisses qui sont en corrélation avec les régimes météorologiques européens. Ainsi, sur une échelle de temps allant de quelques jours à quelques semaines, certaines sous-régions présentent des schémas de production d'électricité éolienne possibles presque totalement opposés à ceux des régions voisines moins montagneuses.
Finalement, construisons un modèle d'optimisation du système électrique européen dans lequel la Suisse est modélisée en tant que cantons individuels, et les sous-régions identifiées auparavant sont modélisées séparément au sein de ceux-ci. À l'aide de ce modèle, nous concevons d'abord un système électrique optimal pour toute l'Europe, y compris la Suisse. Dans ce scénario, qui repose sur des connexions internationales équilibrant la variabilité des énergies renouvelables à travers l'Europe, aucune capacité éolienne n'est installée en Suisse dans un cas de coût optimal. Ensuite, nous relançons le modèle d'optimisation avec une capacité de production éolienne suisse minimale requise équivalente à la couverture de 10 % et 20 % de la demande d'électricité en hiver. Ces deux derniers cas sont plus favorables à la Suisse sur le plan économique que l'optimum européen basé sur le coût actualisé de l'électricité en Suisse, qui est plus faible. Dans les deux cas, la capacité installée serait concentrée sur les crêtes du Jura, avec seulement une petite capacité supplémentaire sur les crêtes alpines et dans le canton du Tessin.
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Schlussbericht
(Italienisch)
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L'obiettivo di questo progetto è di verificare se una migliore comprensione dei modelli di variabilità su scala ridotta della produzione di energia eolica in Svizzera, possa contribuire a chiarire il possibile ruolo dell'energia eolica per il Paese.
In primo luogo, valutiamo la capacità di modellare accuratamente il potenziale dell'energia eolica in terreni complessi sulla base di diverse rianalisi meteorologiche. Scopriamo che COSMO-REA2, con una risoluzione spaziale di 2 km, è in grado di riprodurre alcuni fenomeni del vento nei siti di misurazione in tutto il paese. Tra cui ad esempio la variabilità diurna causata dalle brezze delle valli di montagna e i flussi di canalizzazione di Föhn e Bise. Concludiamo quindi che l'utilizzo di COSMO-REA2 per ulteriori analisi è giustificato.
Sulla base di tali analisi con COSMO-REA2, troviamo che le caratteristiche del terreno su piccola scala in Svizzera portano a zone di piccole dimensioni che si comportano in modo diverso rispetto alle regioni circostanti per quanto riguarda la variabilità dell'energia eolica. In secondo luogo, e cosa ancora più importante, vediamo che ci sono chiari modelli di variabilità dell'energia eolica in selezionate sottoregioni svizzere che sono in correlazione
con i regimi meteorologici a livello europeo. Così, nella scala temporale da giorni a settimane, alcune delle sottoregioni presentano possibili modelli di produzione di energia eolica quasi completamente opposti a quelli delle zone limitrofe, meno montagnose.
Infine, costruiamo un modello di ottimizzazione del sistema energetico europeo all'interno del quale la Svizzera viene modellata come singoli cantoni e le sottoregioni identificate in precedenza vengono modellate separatamente al loro interno. Con questo modello progettiamo prima di tutto un sistema energetico ottimale per tutta l'Europa, Svizzera compresa. In questo scenario, che si basa su collegamenti internazionali che bilanciano la variabilità delle rinnovabili in tutta Europa, in un caso di ottimizzazione dei costi, non viene installata alcuna capacità eolica in Svizzera. Poi, riproponiamo il modello di ottimizzazione con una capacità di generazione eolica minima richiesta in Svizzera equivalente a coprire il 10% e il 20% del fabbisogno di energia elettrica invernale. Entrambi i casi sono più favorevoli alla Svizzera dal punto di vista economico rispetto all'optimum europeo, questo in base al fatto che il costo dell'elettricità livellato in Svizzera è inferiore. In entrambi i casi, la capacità si concentra sulle creste del Giura, con solo una piccola capacità aggiuntiva sulle creste alpine e nel Canton Ticino.
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