Short description
(German)
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Der Ausbau der Windkraft in der Schweiz gestaltet sich schwierig. Dennoch könnte Windkraft eine kritische Komponente für eine erfolgreiche Schweizer Energiewende sein. Hier entwickeln wir Szenarien für die Windkraft, die negative Auswirkungen minimieren und gleichzeitig die stromsystemkritische Rolle der Windkraft untersuchen. Darauf aufbauend stellen wir Reihe von Optionen für Politik und Planung bereit, aus denen Entscheidungsträger je nach Prioritäten auswählen können.
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Short description
(English)
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Wind power in Switzerland faces difficulties due to perceptions of low productivity, difficult project approval, and resistance due to landscape impact. Yet exploiting wind may be a critical component of a successful Swiss energy transition. Here we develop wind deployment scenarios that minimize perceived negative impacts while exploring power system critical roles for wind power, providing a range of options for policy and planning to select from based on decision-makers’ priorities.
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Short description
(French)
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Le développement de l'énergie éolienne en Suisse s'avère difficile. Pourtant, l'énergie éolienne pourrait être une composante critique pour une transition énergétique suisse réussie. Nous développons ici des scénarios pour l'énergie éolienne qui minimisent les effets négatifs tout en examinant le rôle critique de l'énergie éolienne dans le système électrique. Sur cette base, nous fournissons une série d'options pour la politique et la planification, parmi lesquelles les décideurs peuvent choisir en fonction de leurs priorités.
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Final report
(German)
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Der Ausbau der Windenergie könnte ein entscheidender, wenn auch wenig erforschter Bestandteil einer erfolgreichen Schweizer Energiewende sein. Unsere früheren Arbeiten – durchgeführt im Rahmen des WindVar-Projekts – haben gezeigt, dass eine erhöhte Windkraft für die Schweiz wirtschaftlich vorteilhaft sein kann, wenn sie eingesetzt wird, um von (anti)korrelierten Windmustern zwischen Schweizer Regionen sowie zwischen der Schweiz und ihren Nachbarn zu profitieren. Mit diesem Projekt bauen wir auf diesen Erkenntnissen auf, um zu zeigen, dass es in einer CO2-neutralen Schweiz eine breite Palette kostengünstiger Optionen für den Einsatz von Windenergie gibt, darunter sowohl räumlich konzentrierte als auch verteilte Kapazitäten, und unterschiedliche Abhängigkeitsgrade an Windkraft für die Gesamtenergieversorgung. Dieser Optionsraum ermöglicht es Entscheidungsträgern, die Kompromisse zu verstehen, die ihre Präferenzen und Prioritäten mit sich bringen. Um Windmuster in der Schweiz darzustellen, ist eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung erforderlich. Wie im WindVar-Projekt identifizieren wir den regionalen Reanalysedatensatz COSMO-REA2 als die am besten geeignete Quelle für Windgeschwindigkeitsdaten. Damit sind wir in der Lage, bekannte meteorologische Phänomene abzubilden, die der kürzlich veröffentlichte Neue Europäische Windatlas (NEWA) nicht darstellen kann. Dies sind zum Beispiel Tagesschwankungen, die durch Berg-Tal-Brisen verursacht werden. Mit diesem Datensatz simulieren wir die Windenergieproduktion für verschiedene Turbinen-Archetypen, die auf kommerziellen Turbinen basieren. Wir wählen drei Archetypen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften für den Einsatz in der Schweiz mit Nabenhöhen zwischen 120 und 160 Metern. Wir integrieren unsere ausgewählten Windkraftanlagenmodelle in ein sektorengekoppeltes Modell des Schweizer Energiesystems und generieren auf Basis unseres SPORES-Algorithmus Hunderte von Möglichkeiten, wie Windenergie in ein CO2- neutrales Schweizer Systemdesign passen könnte. Wir stellen fest dass verschiedene Turbinen-Archetypen in verschiedenen Regionen am besten geeignet sind, auch in Regionen wo die durchschnittlichen Kapazitätsfaktoren nicht ideal sind, das Platzieren von Windkapazität aber Vorteile für das Gesamtenergiesystem bringt, beispielsweise aufgrund einer besseren Korrelation mit regionalen oder gesamtschweizerischen Nachfragespitzen. Einige Schweizer Regionen weisen die grössten Aussichten für den Ausbau der Windenergie auf, insbesondere die Jurakämme und die Hochebenen auf beiden Seiten der Jurakämme. Auch Gebiete innerhalb der Kantone Wallis, Graubünden, St.Gallen-Appenzell, und Ticino zeigen gewisses Potential, mit Unterschieden zwischen Turbinentypen. Darüber hinaus zeigen wir, dass der gleichzeitige Einsatz von Turbinen in Regionen mit besonders antikorrelierten Windmustern zu komplementären Erzeugungsmustern und einem insgesamt stabileren systemweiten Erzeugungsprofil führen könnte. Insbesondere favorisiert unser Modell den Zubau von Wind in den Alpenkantonen Wallis und Uri zusammen mit dem Zubau im Kanton Solothurn. Systeme mit hohem Windenergieeinsatz, die von diesen synergistischen Zubaustrategien profitieren, sind auch robuster gegenüber unsicheren Wetterjahren und Änderungen der Systemdesignentscheidungen in Nachbarländern. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass es ein grosses technisch-ökonomisches Potenzial für die Windenergie als Teil eines zukünftigen Schweizer Energiesystems gibt. Im Vergleich zur Solarenergie weisen Systemdesigns, die stärker auf Windenergie basieren, zusätzliche technische Vorteile auf, wie z. B. einen geringeren Bedarf an Speicher- und Elektrolysekapazität und eine höhere Robustheit gegenüber der Unsicherheit der Randbedingungen. Da Solarenergie in der Regel auf eine höhere gesellschaftliche Akzeptanz stösst (zumindest bei Einsatz in der gebauten Umgebung), müssen Entscheidungen über Turbinengrösse und -platzierung sorgfältig getroffen werden, um sicherzustellen, dass die Vorteile der Windkraft genutzt werden können.
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Final report
(English)
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The expansion of wind power may be a critical, although underexplored, component of a successful Swiss energy transition. Our previous work – undertaken in the WindVar project – showed that increased wind power can be economically favourable to Switzerland, if deployed to capitalise on (anti)correlated wind patterns between Swiss regions and between Switzerland and its neighbours. With this project, we build on this finding to show that there exists a wide range of cost-effective wind power deployment options in a carbon-neutral Switzerland, including spatially concentrated and distributed capacity and varying levels of reliance on wind for energy supply. This option space enables decision makers to understand the trade-offs entailed by their preferences and priorities. A high spatial and temporal resolution is required to depict wind patterns in Switzerland. As in the WindVar project, we identify the COSMO-REA2 regional reanalysis dataset as the most suitable source of wind speed data. With it, we are able to depict known meteorological phenomena that the recently published New European Wind Atlas (NEWA) cannot; for example, diurnal variability caused by mountain-valley breezes. With this dataset, we simulate wind power production for many turbine archetypes based on commercially available turbine models, and select three archetypes with particularly promising features for Swiss wind patterns, with hub heights ranging from 120 to 160 metres. We integrate our chosen wind turbine archetypes in a sector-coupled model of the Swiss energy system and, based on our SPORES algorithm, generate hundreds of ways in which wind power could fit into a carbon-neutral Swiss system design. We find that different archetypes perform best in different areas, including in areas where their capacity factory is less-than-ideal but benefits for the system are high, for instance, due to a better correlation with regional or overall Swiss demand peaks. Some Swiss regions show the most promise for wind power deployment. In particular, the Jura crests, and the plateaus on either side of the Jura crests. Some promise is also shown by areas within the cantons Valais, Graubünden St.Gallen-Appenzell and Ticino, with differences across turbine models. Furthermore, we reveal that deploying turbines simultaneously in regions with particularly anticorrelated wind patterns might lead to complementary generation patterns and to an overall more stable system-wide generation profile. In particular, deployment in the Alpine cantons of Valais and Uri correlates with deployment in the canton of Solothurn north of the Alps. Systems with high wind power deployment that capitalise on these synergistic patterns and complement them with diverse hotspots in other promising regions also perform more robustly against uncertain weather years and changes in system design choices in neighbouring countries. Overall, our findings show that there is a large techno-economic potential for wind power to be part of a future Swiss energy system. Compared to photovoltaics, system designs relying more on wind power show additional technical benefits, such as a reduced need for storage and electrolysis capacity and higher robustness against the uncertainty of boundary conditions. As photovoltaic power is typically met with higher social acceptance (at least when deployed in the built environment), decisions on turbine size and placement need to be carefully navigated to ensure the benefits of wind power can be realised.
Related documents
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Final report
(French)
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Le développement de l'énergie éolienne pourrait être un élément décisif, bien que peu étudié, d'une transition énergétique réussie en Suisse. Nos travaux antérieurs - réalisés dans le cadre du projet WindVar - ont montré qu'une augmentation de l'énergie éolienne peut être économiquement avantageuse pour la Suisse si elle est utilisée pour tirer profit de modèles de vent (anti)corrélés entre les régions suisses et entre la Suisse et ses voisins. Avec ce projet, nous nous appuyons sur ces connaissances pour montrer que dans une Suisse neutre en carbone, il existe un large éventail d'options rentables pour l'utilisation de l'énergie éolienne, y compris des capacités concentrées ou réparties dans l'espace, et différents niveaux de dépendance à l'énergie éolienne pour l'approvisionnement énergétique global. Cet espace d'options permet aux décideurs de comprendre les compromis qu'impliquent leurs préférences et leurs priorités. Pour représenter les modèles de vent en Suisse, une haute résolution spatiale et temporelle est nécessaire. Comme dans le projet WindVar, nous identifions le jeu de données de réanalyse régional COSMO-REA2 comme la source la plus appropriée pour les données de vitesse du vent. Nous sommes ainsi en mesure de représenter des phénomènes météorologiques connus que le nouvel Atlas éolien européen (NEWA) récemment publié ne peut pas représenter. Il s'agit par exemple des variations journalières causées par les brises montagne-vallée. Avec ce jeu de données, nous simulons la production d'énergie éolienne pour différents archétypes de turbines, basés sur des turbines commerciales. Nous sélectionnons trois archétypes aux caractéristiques particulièrement avantageuses pour une utilisation en Suisse, avec des hauteurs de moyeu comprises entre 120 et 160 mètres. Nous intégrons nos modèles d'éoliennes sélectionnés dans un modèle sectoriel du système énergétique suisse et générons, sur la base de notre algorithme SPORES, des centaines de possibilités d'intégration de l'énergie éolienne dans un design de système suisse neutre en CO2. Nous constatons que différents types d'éoliennes sont les mieux adaptés dans différentes régions, y compris dans les régions où les facteurs de capacité moyens ne sont pas idéaux, mais où le placement de la capacité éolienne présente des avantages pour le système énergétique global, par exemple en raison d'une meilleure corrélation avec les pics de demande régionaux ou nationaux. Certaines régions suisses présentent les plus grandes perspectives de développement de l'énergie éolienne, notamment les crêtes du Jura et les hauts plateaux situés de part et d'autre des crêtes du Jura. Des régions à l'intérieur des cantons du Valais, des Grisons, de St-Gall-Appenzell, et du Tessin montrent également un certain potentiel, avec des différences entre les types de turbines. En outre, nous montrons que l'utilisation simultanée de turbines dans des régions présentant des modèles de vent particulièrement anti-corrélés pourrait conduire à des modèles de production complémentaires et à un profil de production globalement plus stable à l'échelle du système. En particulier, notre modèle favorise l'augmentation de l'énergie éolienne dans les cantons alpins du Valais et d'Uri en même temps que l'augmentation de l'énergie éolienne dans le canton de Soleure. Les systèmes à forte utilisation d'énergie éolienne qui bénéficient de ces stratégies d'augmentation synergiques sont également plus robustes face aux années météorologiques incertaines et aux modifications des décisions de conception des systèmes dans les pays voisins. Dans l'ensemble, nos résultats montrent qu'il existe un grand potentiel technico-économique pour l'énergie éolienne dans le cadre d'un futur système énergétique suisse. Par rapport à l'énergie solaire, les conceptions de systèmes qui reposent davantage sur l'énergie éolienne présentent des avantages techniques supplémentaires, tels qu'un besoin moindre en capacité de stockage et d'électrolyse et une plus grande robustesse face à l'incertitude des conditions limites. L'énergie solaire étant généralement mieux acceptée par la société (du moins lorsqu'elle est utilisée dans l'environnement construit), les décisions concernant la taille et l'emplacement des turbines doivent être prises avec soin afin de s'assurer que les avantages de l'énergie éolienne peuvent être exploités.
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