Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das DeCarbCH-Projekt zielt auf die Dekarbonisierung von Heizen und Kühlen in der Schweiz innerhalb der nächsten drei Jahrzehnte, und bereitet weiter den Weg hin zu negativen CO2-Emissionen. Das übergeordnete Projektziel (mit dem letztendlichen Ziel von Netto-Null-Emissionen) besteht darin, die Umsetzung von erneuerbaren Energien für Heizen und Kühlen im Wohnungssektor (verschiedener Grössen und Urbanisierungsgrade) sowie im Dienstleistungs- und im Industriesektor zu befördern, zu beschleunigen und die damit verbundenen Risiken zu minimieren. Dieses Ziel soll wie folgt erreicht werden:
- Bereitstellung von Handlungsempfehlungen, wo, in welchem Ausmass und wann welche Technologien miteinander kombiniert werden sollen
- Entwicklung, Pilot- und Demonstrationsprojekte von Kombinationen wirtschaftlich realisierbarer Technologien, was zur Senkung der Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren beitragen wird
- Durchführung modellbasierter Analysen zur Unterstützung der Planung, unter anderem durch die Entwicklung von Szenarien zu Angebot, Verteilung und Nachfrage von erneuerbarem Heizen und Kühlen
- Quantifizierung des Wertes von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen
- Bereitstellung evidenzbasierter Handlungsempfehlungen zur Umsetzung erneuerbaren Heizens und Kühlens durch Politikmassnahmen und gesetzliche Regelungen sowie Einbeziehung einschlägiger Akteure mit dem Ziel, das erforderliche Akzeptanzniveau zu erreichen.
Das DeCarbCH-Projekt konzentriert sich auf drei Hauptkomponenten: i) innovative erneuerbare Energiebereitstellungs- und Umwandlungstechnologien, ii) Fernwärme- und Fernkältenetze und iii) Energiespeicherung. Für diese Komponenten ermitteln wir optimale Kombinationen (in Bezug auf Technik, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit) sowie die erforderlichen und anzustrebenden Bedingungen für ihre Umsetzung. Ein lösungsorientierter interdisziplinärer Ansatz wird für das Projekt als Ganzes sowie innerhalb jedes einzelnen Arbeitspaketes angewandt. Die Arbeitspakete (AP) befassen sich mit Subsystemen (z. B. AP3 mit Netzwerken in Kombination mit erneuerbaren Energien und Energiespeicherung, AP4/AP10 mit dem Industriesektor und AP5/AP11 mit Lösungen hauptsächlich für eigenständige Systeme unter Nutzung erneuerbarer Energien), sie beinhalten Fallstudien (AP6 in Zürich und AP7 in der Romandie), oder sie wenden spezifische Ansätze an (AP2/AP9: gesetzliche und sozioökonomische Integration, und AP1/AP8: Energiesystemmodellierung). Alle Arbeitspakete münden in Empfehlungen für politische Entscheidungsträger und für andere Akteure.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The DeCarbCH project addresses the colossal challenge of decarbonisation of heating and cooling in Switzerland within three decades and it prepares the grounds for negative CO2 emissions. The overall objective of the project (with the ultimate target of net zero emissions) is to facilitate, speed up and de-risk the implementation of renewables for heating and cooling in the residential sector (for various scales and degrees of urbanization) as well as for the service and the industry sector
- by providing guidance on which combinations of technologies to implement where, to which extent and when
- by developing, piloting and demonstrating combinations of commercially viable technologies thereof, consequently helping to drive down the cost of renewable heating and cooling in all sectors
- by conducting model-based analyses that support planning, inter alia by the development of scenarios representing the supply, distribution and demand of renewable heating and cooling services
- by quantifying the value of both renewable heating and cooling as well as of negative CO2 emissions
- by providing evidence-based guidance on how to enable the implementation of renewable heating and cooling by policies and by legal measures as well as by engaging with the relevant actors and ensuring the necessary level of acceptance.
The DeCarbCH project focusses on three main components, i.e. i) advanced renewable energy and transformation technologies, ii) thermal grids (for heating and cooling) and iii) energy storage. For these, we establish optimal combinations (in technical, economic and environmental terms) as well as necessary and desirable conditions for their implementation. A solution-oriented, interdisciplinary approach is applied for the project as a whole and within each work package. The work packages deal with subsystems (e.g. WP3 on grids in combination with renewables and energy storage, WP4/WP10 on industry and WP5/WP11 on primarily standalone renewable energy-driven system solutions), they represent case studies (WP6 for Zurich and WP7 for Romandie) or they apply specific approaches (legal and socio-economic integration in WP2/WP9 and energy system modelling in WP1/WP8), leading to recommendations for policy makers and other stakeholders.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le projet DeCarbCH s’attaque au colossal défi de la décarbonisation du chauffage et du refroidissement en Suisse dans un délai de trois décennies, et jette les bases pour atteindre des émissions négatives de CO2. L’objectif global du projet (et l’objectif final de zéro émission nette) est de faciliter et d’accélérer la mise en œuvre des énergies renouvelables, ainsi que d’atténuer les risques qui y sont liés, pour le chauffage et le refroidissement dans le secteur résidentiel (à différentes échelles et degrés d’urbanisation) et dans le secteur des services et de l’industrie
- en fournissant des orientations sur les combinaisons de technologies à mettre en œuvre, à quel endroit, dans quelle mesure et à quel moment
- en développant, testant et présentant des combinaisons de technologies commercialement viables, contribuant ainsi à faire baisser le coût du chauffage et du refroidissement renouvelables dans tous les secteurs
- en effectuant des analyses basées sur des modèles qui facilitent la planification, notamment par l’élaboration de scénarios représentant l’offre, la distribution et la demande de services de chauffage et de refroidissement renouvelables
- en quantifiant la valeur du chauffage et du refroidissement renouvelables ainsi que des émissions négatives de CO2
- en fournissant des orientations fondées sur des données factuelles relatives à la manière de promouvoir le chauffage et le refroidissement renouvelables par des politiques et des mesures juridiques, ainsi qu’en s’engageant auprès des différents acteurs concernés pour assurer le niveau d’acceptation nécessaire.
Le projet DeCarbCH se concentre sur trois composantes principales : i) les technologies avancées en matière d’énergie renouvelable et de transformation, ii) les réseaux thermiques (pour le chauffage et le refroidissement) et iii) le stockage de l’énergie. Pour chacune de ces composantes, nous établissons les combinaisons optimales (en termes techniques, économiques et environnementaux) ainsi que les conditions nécessaires et souhaitables pour leur mise en œuvre. Nous adoptons une approche interdisciplinaire axée sur les solutions pour l’ensemble du projet et pour chaque lot de travail. Les lots de travail (WP : workpackage) se concentrent sur des sous-systèmes (p. ex. WP3 sur les réseaux alliant les énergies renouvelables et le stockage de l’énergie, WP4/WP10 sur l’industrie et WP5/WP11 sur les systèmes principalement autonomes basés sur les énergies renouvelables), constituent des études de cas (WP6 pour Zurich et WP7 pour la Suisse romande) ou appliquent des approches spécifiques (intégration juridique et socio-économique dans WP2/WP9 et modélisation de systèmes énergétiques dans WP1/WP8), ce qui permet de formuler des recommandations pour les décideurs politiques et les autres parties prenantes.
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Kurzbeschreibung
(Italienisch)
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Il progetto DeCarbCH affronta la colossale sfida della decarbonizzazione di riscaldamento e raffreddamento in Svizzera entro tre decenni e prepara le basi per le emissioni negative di CO2. Lo scopo generale del progetto (con l'obiettivo ultimo del raggiungimento delle emissioni nette zero) è semplificare, accelerare e diminuire i rischi dell'implementazione delle fonti rinnovabili per il riscaldamento e il raffreddamento nel settore residenziale (per vari livelli e gradi di urbanizzazione) nonché per il settore dei servizi e industriale
- attraverso un orientamento su quali combinazioni di tecnologie devono essere implementate dove, in che misura e quando
- tramite lo sviluppo, la sperimentazione e la dimostrazione delle combinazioni di tecnologie commercialmente possibili, che aiutino quindi ad abbattere il costo di riscaldamento e raffreddamento da fonti rinnovabili in tutti i settori
- tramite l'esecuzione di analisi basate sui modelli che supportano la pianificazione, tra l'altro mediante lo sviluppo di scenari che rappresentano la fornitura, distribuzione e richiesta di servizi di riscaldamento e raffreddamento da fonti rinnovabili
- mediante la quantificazione del valore del riscaldamento e raffreddamento da fonti rinnovabili ma anche delle emissioni negative di CO2
- fornendo un orientamento basato sui dati empirici su come permettere l'attuazione di riscaldamento e raffreddamento da fonti rinnovabili mediante politiche e misure giuridiche nonché collaborando con i soggetti interessati e assicurando il necessario livello di accettazione.
Il progetto DeCarbCH si basa su tre componenti principali: i) tecnologie avanzate di energia rinnovabile e trasformazione, ii) reti di teleriscaldamento (per il riscaldamento e il raffreddamento) e iii) stoccaggio di energia. Per questi, determiniamo combinazioni ottimali (in termini tecnici, economici e ambientali) nonché condizioni necessarie e desiderabili per la relativa implementazione. Al progetto nel suo insieme e nell'ambito di ciascun pacchetto di lavoro si applica un approccio interdisciplinare orientato alle soluzioni. I pacchetti di lavoro riguardano i sottosistemi (ad es. WP3 su reti in abbinamento alle fonti rinnovabili e allo stoccaggio dell'energia, WP4/WP10 sull'industria e WP5/WP11 su soluzioni di sistemi alimentati da energia rinnovabile prevalentemente autonomi), rappresentano case study (WP6 per Zurigo e WP7 per la Svizzera romanda) oppure applicano approcci specifici (integrazione legale e socio-economica in WP2/WP9 e modellizzazione del sistema energetico in WP1/WP8), al fine di determinare raccomandazioni per i responsabili delle decisioni politiche e altri soggetti interessati.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Die Schweiz hat sich zum Ziel gesetzt, ihre Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 auf netto null zu reduzieren. Es ist allgemein bekannt, dass der Heizungssektor eine wesentliche Rolle bei der Umstellung spielt. Daher konzentriert sich das DeCarbCH-Konsortium auf die Bereitstellung von Heizung und Kühlung für Gebäude und industrielle Prozesse sowie auf die Möglichkeiten zur CO2-Speicherung. Alle Aspekte sind in einer Gesamtvision des Netto-Null-Energiesystems eingebettet, die mithilfe von Energiesystemmodellen quantifiziert wird. Es integriert technische, sozioökonomische und rechtliche Perspektiven, um sicherzustellen, dass die vorgeschlagenen Lösungen nicht nur innovativ und effektiv, sondern auch sozial akzeptabel und rechtlich umsetzbar sind. Heizung und Kühlung sind Aspekte des technischen Begriffs „thermische Energie”. Diese hat eine Eigenschaft, die als Temperatur bezeichnet wird. Thermische Energie ist bei hohen Temperaturen wertvoller als bei niedrigen Temperaturen: Sie kann in Strom umgewandelt und für industrielle Prozesse wie die Zement- oder Stahlproduktion genutzt werden. Auf der anderen Seite der Temperaturskala sind die Anforderungen an die Beheizung unserer Häuser oder die Versorgung mit Warmwasser in Bezug auf die Temperatur viel geringer. Alle technologischen Optionen zur Bereitstellung von Heizung und Kühlung werden daher unter diesem Gesichtspunkt bewertet: keine Verschwendung einer Hochtemperaturquelle für die Bereitstellung einer Niedertemperatur-dienstleistung. Daher lautet das Motto von DeCarbCH: Es kommt auf die Temperatur an! Einige Beispiele aus der bisherigen und aktuellen Arbeit können diese Punkte veranschaulichen:
•Für einzelne Gebäude sind Wärmepumpen die Technologie der Zukunft. Eine Erdwärmepumpe liefert 3-5 Einheiten Wärme über eine Fussbodenheizung für eine Einheit Strom, die zum Betrieb der Wärmepumpe benötigt wird. Durch die Reduzierung der Liefer-Temperatur über konvektive Wärmetauscher und die Erhöhung der Erdwärmetemperatur durch Kühlung im Sommer kann dieser sogenannte Leistungskoeffizient jedoch auf über 10 erhöht werden, wodurch der Strombedarf im Winter erheblich reduziert wird.
•Der gleiche Fokus auf die Temperatur gilt auch für Fernwärmesysteme. In Zusammenarbeit mit der Gemeinde Grandvaux (VD) wurde ein Fernwärme- und -kältenetz der 5. Generation (5GDHC) untersucht, dass das Potenzial dieses Ansatzes verdeutlicht, nämlich Raumwärme bei minimalem Stromverbrauch für Wärmepumpen zu liefern und gleichzeitig im Sommer eine freie Kühlung zu ermöglichen. Weitere Fälle werden derzeit mit der Stadt Genf untersucht.
•Während 5GDHC-Netze die Lösung für die Zukunft sind, können auch die heute bestehenden Hochtemperaturnetze durch eine Senkung der Temperaturen optimiert werden, wodurch ihre Effizienz und ihre Fähigkeit zur Integration neuer Quellen wie Geothermie verbessert werden. Dies konnte für ein Fernwärmesystem der 2. Generation in Genf nachgewiesen werden.
•Schliesslich wird die Bedeutung der Temperatur durch die Pinch-Analyse bei der Gestaltung industrieller Prozesse formalisiert. Dies unterstreicht die Bedeutung der Wärmerückgewinnung, die potenzielle Rolle neuer Energiequellen wie Geo- oder Solarthermie und die Möglichkeiten für industrielle Wärmepumpen. Zwei Implementierungen solcher Wärmepumpen werden in naher Zukunft erwartet.
Mit Beginn der zweiten Phase wird DeCarbCH weitere wichtige Erkenntnisse, praktische Instrumente und validierte Strategien liefern, um den Heiz- und Kühlungssektor der Schweiz in eine klimaverträgliche Zukunft zu führen. Noch mehr als in der ersten Phase wird der Schwerpunkt auf der Verbreitung und Öffentlichkeitsarbeit liegen, da viele der wichtigsten Erkenntnisse innerhalb der Forschungsgemeinschaft gut verstanden sind – ausserhalb jedoch noch nicht.
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Switzerland has the ambition to reduce its greenhouse gas emissions to net-zero by the year 2050. It is well understood that the heating sector plays an essential role in the transition. Therefore, the DeCarbCH consortium focuses on the provision of heating and cooling to buildings and industrial processes, and the options for managing CO2. All aspects are embedded in an overall vision of the net-zero energy system that is quantified using energy system modelling. It integrates technical, socio-economic, and legal perspectives to ensure that proposed solutions are not only innovative and effective but also socially acceptable and legally viable. Heating and cooling are aspects of the more technical term thermal energy. It has a quality, known as temperature. Thermal energy at high temperature is more valuable than at low temperature: it can be converted into electricity, it can be used to drive industrial processes like cement or steel production. On the other side of the temperature scale, the requirements for heating our homes or supplying domestic hot water are much lower in terms of temperature. All technological options to provide heating and cooling are therefore evaluated through this lens: not wasting a high temperature source to provide a low temperature service. Therefore the motto of DeCarbCH is: It’s the temperature! A few examples from the past and current work can illustrate these points:
•For single buildings, heat pumps are the technology of the future. A ground-source heat pump delivers 3-5 units of heat through underfloor heating for one unit of electricity to run the heat pump. However, by reducing the temperature of delivery through convective heat exchangers and by increasing the ground-source temperature through cooling in summer, this so-called coefficient of performance can be increased to beyond 10, reducing significantly the winter electricity demand.
•The same focus on temperature is applied in district heating systems. A 5th generation district heating and cooling (5GDHC) network was studied with the municipality of Grandvaux (VD), highlighting the potential of this approach, namely to deliver space heat at minimal use of electricity for heat pumps while providing free cooling in summer. More such cases are currently investigated with the city of Geneva.
•While 5GDHC networks are the solution for the future, also today’s existing high temperature networks can be optimized by reducing temperatures, improving their efficiency and their capability to integrated new sources like geothermal energy. This could be shown for a 2nd generation district heating system in Geneva.
•Finally, the red thread of temperature is formalized through pinch analysis in the design of industrial processes. This highlights the importance of heat recovery, the potential role of new energy sources such as geo- or solar thermal, and the options for industrial heat pumps. Two implementations of such heat pumps are expected for the near future.
As it enters the second phase, DeCarbCH will further provide key insights, practical tools, and validated strategies to drive Switzerland’s heating and cooling sector toward a climate-compatible future. Even more than in the first phase, the focus will be on dissemination and outreach, as many of key insights are well-understood within the research community – but not yet outside.
Zugehörige Dokumente
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Publikationen / Ergebnisse
(Französisch)
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La Suisse a pour ambition de réduire ses émissions de gaz à effet de serre à zéro d'ici 2050. Il est bien connu que le secteur du chauffage joue un rôle essentiel dans cette transition. C'est pourquoi le consortium DeCarbCH se concentre sur l'approvisionnement en chauffage et en refroidissement des bâtiments et des processus industriels, ainsi que sur les options de gestion du CO2. Tous ces aspects s'inscrivent dans une vision globale du système énergétique à zéro émission, quantifiée à l'aide d'une modélisation du système énergétique. Elle intègre des perspectives techniques, socio-économiques et juridiques afin de garantir que les solutions proposées soient non seulement innovantes et efficaces, mais aussi socialement acceptables et juridiquement viables. Le chauffage et le refroidissement sont des aspects du terme plus technique d'énergie thermique. Celle-ci possède une qualité, appelée température. L'énergie thermique à haute température est plus précieuse qu'à basse température : elle peut être convertie en électricité, elle peut être utilisée pour processus industriels tels que la production de ciment ou d'acier. À l'autre extrémité de l'échelle de température, les besoins en chauffage de nos maisons ou en eau chaude sanitaire sont beaucoup moins élevés en termes de température. Toutes les options technologiques permettant de fournir du chauffage et du refroidissement sont donc évaluées sous cet angle : ne pas gaspiller une source à haute température pour fournir un service à basse température. C'est pourquoi la devise de DeCarbCH est : « C'est la température qui compte ! Quelques exemples tirés de travaux passés et actuels peuvent illustrer ces points :
•Pour les bâtiments individuels, les pompes à chaleur sont la technologie de l'avenir. Une pompe à chaleur géothermique fournit 3 à 5 unités de chaleur par le biais d'un chauffage au sol pour une unité d'électricité nécessaire au fonctionnement de la pompe à chaleur. Cependant, en réduisant la température de distribution par le biais d'échangeurs de chaleur convectifs et en augmentant la température géothermique par le biais du refroidissement en été, ce coefficient de performance peut être augmenté au-delà de 10, ce qui réduit la demande en électricité en hiver.
•La même attention à la température est appliquée dans les systèmes de chauffage urbain. Un réseau de chauffage et de refroidissement de 5e génération (5GDHC) a été étudié avec la municipalité de Grandvaux (VD), mettant en évidence le potentiel de cette approche, à savoir fournir du chauffage avec une consommation minimale d'électricité pour les pompes à chaleur tout en offrant un refroidissement gratuit en été. D'autres cas de ce type sont actuellement étudiés avec la ville de Genève.
•Si les réseaux 5GDHC sont la solution pour l'avenir, les réseaux à haute température existants peuvent également être optimisés en réduisant les températures, en améliorant leur efficacité et leur capacité à intégrer de nouvelles sources telles que l'énergie géothermique. Cela a pu être démontré pour un système de chauffage urbain de deuxième génération à Genève.
•Enfin, le fil rouge de la température est formalisé par une analyse de pincement dans la conception des processus industriels. Cela souligne l'importance de la récupération de chaleur, le rôle potentiel des nouvelles sources d'énergie telles que la géothermie ou l'énergie solaire thermique, et les options pour les pompes à chaleur industrielles. Deux mises en oeuvre de telles pompes à chaleur sont prévues dans un avenir proche.
Alors qu'il entre dans sa deuxième phase, DeCarbCH continuera à fournir des informations clés, des outils pratiques et des stratégies validées pour orienter le secteur suisse du chauffage et du refroidissement vers un avenir compatible avec le climat. Plus encore que lors de la première phase, l'accent sera mis sur la diffusion et la sensibilisation, car bon nombre des informations clés sont bien comprises au sein de la communauté scientifique, mais pas encore en dehors.
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Publikationen / Ergebnisse
(Italienisch)
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La Svizzera ha l'ambizione di ridurre le emissioni di gas serra a zero entro il 2050. È ben noto che il settore del riscaldamento svolge un ruolo essenziale in questa transizione. Pertanto, il consorzio DeCarbCH si concentra sulla fornitura di riscaldamento e raffreddamento agli edifici e ai processi industriali, e sulle opzioni per la gestione della CO2. Tutti questi aspetti sono integrati in una visione globale del sistema energetico a zero emissioni, quantificata utilizzando modelli di sistemi energetici. Integra prospettive tecniche, socioeconomiche e giuridiche per garantire che le soluzioni proposte non siano solo innovative ed efficaci, ma anche socialmente accettabili e giuridicamente sostenibili. Il riscaldamento e il raffreddamento sono aspetti del termine più tecnico “energia termica”. Essa ha una qualità, nota come temperatura. L'energia termica ad alta temperatura è più preziosa di quella a bassa temperatura: può essere convertita in elettricità, può essere utilizzata per alimentare processi industriali come la produzione di cemento o acciaio. All'altra estremità della scala di temperatura, i requisiti per il riscaldamento delle nostre case o la fornitura di acqua calda sanitaria sono molto più bassi in termini di temperatura. Tutte le opzioni tecnologiche per fornire riscaldamento e raffreddamento vengono quindi valutate attraverso questa lente: non sprecare una fonte ad alta temperatura per fornire un servizio a bassa temperatura. Pertanto, il motto di DeCarbCH è: È la temperatura! Alcuni esempi tratti dal lavoro passato e presente possono illustrare questi punti:
•Per i singoli edifici, le pompe di calore sono la tecnologia del futuro. Una pompa di calore geotermica fornisce 3-5 unità di calore attraverso il riscaldamento a pavimento per ogni unità di elettricità necessaria al funzionamento della pompa di calore. Tuttavia, riducendo la temperatura di erogazione attraverso scambiatori di calore convettivi e aumentando la temperatura geotermica attraverso il raffreddamento in estate, questo cosiddetto coefficiente di prestazione può essere aumentato oltre 10, riducendo in modo significativo la domanda di elettricità invernale.
•La stessa attenzione alla temperatura viene applicata nei sistemi di teleriscaldamento. È stata studiata una rete di teleriscaldamento e teleraffreddamento di quinta generazione (5GDHC) con il comune di Grandvaux (VD), evidenziando il potenziale di questo approccio, ovvero fornire riscaldamento degli ambienti con un uso minimo di elettricità per le pompe di calore, fornendo al contempo raffreddamento gratuito in estate. Altri casi simili sono attualmente oggetto di studio con la città di Ginevra.
•Sebbene le reti 5GDHC rappresentino la soluzione per il futuro, anche le reti ad alta temperatura esistenti oggi possono essere ottimizzate riducendo le temperature, migliorando la loro efficienza e la loro capacità di integrare nuove fonti come l'energia geotermica. Ciò è stato dimostrato per un sistema di teleriscaldamento di seconda generazione a Ginevra.
•Infine, il filo conduttore della temperatura viene formalizzato attraverso l'analisi pinch nella progettazione dei processi industriali. Ciò evidenzia l'importanza del recupero di calore, il ruolo potenziale di nuove fonti energetiche come l'energia geotermica o solare termica e le opzioni per le pompe di calore industriali. Due implementazioni di tali pompe di calore sono previste per il prossimo futuro.
Entrando nella seconda fase, DeCarbCH fornirà ulteriori approfondimenti chiave, strumenti pratici e strategie validate per guidare il settore del riscaldamento e del raffreddamento in Svizzera verso un futuro compatibile con il clima. Ancora più che nella prima fase, l'attenzione sarà rivolta alla diffusione e alla divulgazione, poiché molti degli approfondimenti chiave sono ben compresi all'interno della comunità di ricerca, ma non ancora al di fuori di essa.
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