Short description
(German)
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Das PATHFNDR Konsortium wird vom Bundesamt für Energie (BFE) im Rahmen des Programms «SWEET» gefördert. Das Projektkonsortium besteht aus sieben Forschungspartnern – ETH Zürich, Empa, PSI, ZHAW, HSLU, UNIGE und EPFL – unter der Leitung der ETH Zürich.
Das Projektziel ist die Entwicklung und Analyse von Szenarien für die Integration erneuerbarer Energien in der Schweiz. Die Projektergebnisse werden dem Schweizer Energiesystem helfen, das vom Bundesrat gesetzte Ziel von Netto-Null-Treibhausgasemissionen bis 2050 zu erreichen.
Das Projekt beantwortet folgende Forschungsfragen:
- Wie sieht ein effizientes, flexibles, widerstandsfähiges, wettbewerbsfähiges und nachhaltiges Schweizer Energiesystem bis 2050 aus?
- Welche rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen sollten angewendet werden, um die Wende zu dem in Frage 1 identifizierten System, einschließlich der erforderlichen Anreize für Flexibilitätsanbieter sowie Sektorkopplung zu ermöglichen?
- Welche Geschäftsmodelle und geschäftliche Wertbeiträge sollten entwickelt werden, um die notwendige Flexibilität und Sektorkopplung zu ermöglichen?
- Welche Massnahmen sind notwendig, um die Akzeptanz und Partizipation der Bürger und ihrer Organisationen zu gewährleisten?
- Wie können Pilot- und Demonstrationsprojekte flexibler Energiesysteme auf Quartiers- / Dorf-/ Stadtebene am besten genutzt werden, um unser Verständnis für technische und sozioökonomische Aspekte zu verbessern und eine breitere Akzeptanz auszulösen?
Diese Fragen werden durch den Aufbau eines starken Forschungsteams gemeinsam mit Top-Kooperationspartnern aus der Privatwirtschaft und der öffentlichen Hand beantwortet.
Das Projekt PATHFNDR wird mögliche Szenarien für die Energiewende auf internationaler und nationaler Ebene zu Stadt- und Quartiersebene liefern, die die Flexibilität und Sektorkopplung fördern. Zusätzlich werden Planungs- und Betriebsinstrumente bereitgestellt sowie Technologien und Marktdesigns getestet, um die Flexibilität lokaler Ressourcen auszunutzen. Ausserdem werden neue Geschäftsmöglichkeiten und Innovationsstrategien identifiziert, um neue Flexibilitäts- und Sektorkopplungsoptionen auszuschöpfen. Schliesslich werden potenzielle Regulierungen für die Energiewende und die Dekarbonisierung des Schweizer Energiesystems bewertet.
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Short description
(English)
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The PATHFNDR consortium is funded by the Swiss Federal Office of Energy (SFOE) as part of the “SWEET” programme. The project consortium consists of seven research partners – ETH Zurich, Empa, PSI, ZHAW, HSLU, UNIGE, and EPFL – under the lead of the ETH Zurich.
The project goal is to develop and analyse transition pathways for the integration of renewable energy in Switzerland. The project outcomes will help the Swiss energy system to reach the Federal Council’s goal of net-zero greenhouse-gas emissions by 2050.
The project will answer the following research questions:
- What will an efficient, flexible, resilient, cost-competitive, and sustainable Swiss energy system by 2050 look like?
- What legislative and regulatory frameworks should be adopted to enable the transition to the system identified in question 1, including the needed incentives for flexibility providers as well as sector coupling?
- Which business models and commercial value propositions should be developed to value needed flexibility and sector coupling?
- What measures are necessary to ensure acceptance and participation of citizens and their organizations?
- How can pilot and demonstration projects of flexible energy systems at the district / village / city scale be best exploited to increase our understanding of technical and socio-economic aspects as well as to trigger wider adoption?
These questions will be answered by building upon a strong research team together with top cooperation partners from the private and public sector.
The PATHFNDR project will deliver feasible pathways for the energy transition at international, national to city and district scales that enhance flexibility and sector coupling. In addition, it will provide planning and operation tools as well as demonstrate technologies and market designs for exploiting the flexibility of local resources. Furthermore, new business opportunities and innovation strategies will be identified to exploit novel flexibility and sector coupling options. Finally, potential policies for the energy transition and decarbonization of the Swiss energy system will be assessed.
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Short description
(French)
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Le consortium PATHFNDR est financé par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) dans le cadre du programme « SWEET ». Le consortium du projet est composé de sept partenaires de recherche – ETH Zurich, Empa, PSI, ZHAW, HSLU, UNIGE et EPFL – sous la direction de l’ETH Zurich.
L’objectif du projet est de développer et d’analyser les voies de transition pour l’intégration des énergies renouvelables en Suisse. Les résultats du projet aideront au système énergétique Suisse à atteindre l’objectif du Conseil fédéral de zéro émission nette de gaz à effet de serre d’ici 2050.
Le projet répondra aux questions de recherche suivantes :
- À quoi ressemblera un système énergétique suisse efficace, flexible, résilient, compétitif et durable d’ici 2050?
- Quels sont les cadres législatifs et réglementaires qui devraient être adoptés pour permettre la transition vers le système identifié à la question 1, y compris les incitations nécessaires pour les fournisseurs de flexibilité ainsi que le couplage sectoriel?
- Quels modèles d’entreprise et propositions de valeur commerciale devraient être développés pour valoriser la flexibilité et le couplage sectoriel nécessaires?
- Quelles sont les mesures nécessaires pour assurer l’acceptation et la participation des citoyens et de leurs organisations?
- Comment peuvent les projets pilotes et de démonstration de systèmes énergétiques flexibles à l’échelle du district / village / ville être exploités au mieux pour améliorer notre compréhension des aspects techniques et socio-économiques ainsi que pour déclencher une adoption plus large?
On répondra à ces questions en s’appuyant sur une solide équipe de recherche et sur les meilleurs partenaires de coopération des secteurs privés et publics.
Le projet PATHFNDR fournira des voies réalisables pour la transition énergétique qui améliorent la flexibilité et le couplage sectoriel à l'échelle internationale, nationale, des villes et des quartiers. En outre, il fournira des outils de planification et opérationnels ainsi que des technologies et des conceptions de marché afin d’utiliser la flexibilité des ressources locales. En outre, des nouvelles opportunités commerciales et stratégies d’innovation seront identifiées afin d’implémenter des nouvelles options de flexibilité et du couplage sectoriel. Enfin, les politiques potentielles de la transition énergétique et de la décarbonisation du système énergétique suisse seront évaluées.
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Short description
(Italian)
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Il consorzio PATHFNDR è finanziato dall'Ufficio federale dell'energia (UFE) nell'ambito del programma «SWEET». Il consorzio del progetto è composto da sette partner di ricerca – ETH Zurich, Empa, PSI, ZHAW, HSLU, UNIGE, EPFL – guidato dall'ETH Zurich.
L'obiettivo principale del progetto è sviluppare e analizzare percorsi di transizione del sistema energetico che permettano l'integrazione delle energie rinnovabili in Svizzera. I risultati del progetto aiuteranno il sistema energetico svizzero a raggiungere l'obiettivo del Consiglio federale di azzerare le emissioni nette di gas serra entro il 2050.
Il progetto risponderà alle seguenti quesiti:
- Come sarà un sistema energetico svizzero efficiente, flessibile, resiliente, economicamente competitivo e sostenibile entro il 2050?
- Quali quadri legislativi e normativi dovrebbero essere adottati per permettere la transizione al sistema identificato al primo punto, compresi gli incentivi necessari per i fornitori di flessibilità e di sector coupling?
- Quali modelli di business e proposte di valore commerciale dovrebbero essere sviluppati per realizzare la flessibilità e il sector coupling necessari?
- Quali misure sono necessarie per garantire l’accettazione sociale e la partecipazione dei cittadini e delle loro organizzazioni?
- Come possonoessere sfruttati al meglio i progetti pilota e dimostrativi di sistemi energetici flessibili a livello distrettuale/di villaggio/comunale per aumentare la nostra comprensione degli aspetti tecnici e socioeconomici e per innescare un'adozione più ampia?
Incaricato di fornire risposte a tali domande è un eccellente team di ricerca, che lavorerà insieme a partner di cooperazione del settore pubblico e privato.
Il progetto PATHFNDR si prefigge di fornire percorsi fattibili per la transizione energetica che aumentino la flessibilità e il sector coupling a livello internazionale, nazionale, urbano e distrettuale. Inoltre, PATHFNDR fornirà strumenti di pianificazione e gestione delle operazioni, e dimostrerà tecnologie e assetti del mercato che permettano sfruttare la flessibilità delle risorse locali. Inoltre, saranno identificate nuove opportunità di impresa e strategie di innovazione per sfruttare nuove alternative di flessibilità e sector coupling. Infine, verranno valutate le potenziali politiche per la transizione energetica e la decarbonizzazione del sistema energetico svizzero.
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Publications / Results
(German)
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Die wichtigsten Highlights während des Berichtszeitraums waren die folgenden:
• Realisierbare Pfade
o in einem Synthesebericht mit vorläufigen Ergebnissen, aus der Analyse von vier Szenarien, die die Auswirkungen der Flexibilität von Elektrofahrzeugen auf das Energiesystem untersuchen,
unterstützt und ergänzt durch Studien
o zum Potenzial von Wasserstoff und Gas im Schweizer Energiesystem, um die Abhängigkeiten von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, einen saisonalen Ausgleich zu ermöglichen und überschüssige erneuerbare Energie zu nutzen.
o zur Abwärmenutzung von Wasserstofferzeugungsanlagen und Rechenzentren in einem Multi-Energie-Gebäude (z.B. NEST-Gebäude an der Empa) sowie die Nutzung in Power-to-X-Prozessen.
o zur Aktivierung der Wärmepumpenflexibilität durch direkte Laststeuerung und Wärmepumpenabschaltungen in Gebäuden.
o zur Top-Down-Analyse von Wirtschaft und Umwelt, einschliesslich Stromdefizit im Winter, Import von synthetischen Brennstoffen und Skalierung der direkten Lufterfassung.
• Methoden und Werkzeuge:
o Ein Entscheidungsbaum-Ansatz zur Vereinfachung komplexer Energiesystem-Szenarien in prägnante Storylines, die durch politische Entscheidungen gesteuert werden.
o Eine Abschätzungsmethode für die Stromnachfrage aufgrund von Elektromobilität und die Vorteile in Bezug auf die räumlich-zeitliche Flexibilität innerhalb des Schweizer Energiesystems.
o Eine Methode zur flexibilitätsbewussten Planung von Verteilungsnetzen, um Kompromisse zwischen der Verstärkung der Netze und der Flexibilität der Endverbraucher zu ermitteln.
o Datenbanken über die Eigenschaften von Wasserstoff/Luft-Brennstoffzellensystemen, das Wasserstoffspeicherpotenzial in Salzkavernen und Messungen zur CO2-Regeneration bei der Polymerelektrolytmembran-Elektrolyse.
• Geschäftsmöglichkeiten und potenzielle politische Massnahmen:
o Studie über Geschäftsmöglichkeiten, politische Massnahmen und neue Vorschriften zur Förderung der Einführung von Vehicle-to-Grid in der Schweiz.
o Das Konzept für die erste Kampagne zur Untersuchung der öffentlichen Akzeptanz der Schweizer Bürger/innen gegenüber Flexibilitäts- und Sektorkopplungsmassnahmen.
o Vorschläge für die Gestaltung von Finanzverträgen zur Differenzierung der Förderung von erneuerbaren Energien, die einen erheblichen Einfluss auf die politischen Diskussionen in der Europäischen Union und in der Schweiz hatten.
o Simulationen, die darauf hindeuten, dass Rebound-Spitzen, die sich aus dynamischen Tarifen (pro kWh) ergeben, durch nutzungsabhängige Kapazitätstarife (pro kW) gelöst werden könnten.
• Integration, Synthese und Öffentlichkeitsarbeit:
o Drei Pilot- und Demonstrationsprojekte wurden lanciert (NeDeLa, nanoverbund, H2 districts).
o Ausweitung des Wissens- und Technologietransfers durch interne monatliche Seminare, Lunch Talks, Policy Briefs, Workshops und Kooperationen mit Industriepartnern.
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Publications / Results
(English)
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The main highlights during the reporting period were the following:
• Documentation of feasible pathways through
o the submission of a synthesis report, which presents preliminary results on the configurations of the Swiss energy system in 2050 as a result of the analysis of four scenario storylines and two additional alternative scenarios aiming at investigating the impact of electric vehicles’ flexibility on the energy system,
supported and complemented by studies on
o the potential of hydrogen and gas in the Swiss energy system to reduce the dependencies on fossil fuels, enable seasonal balancing, and utilize excess renewable energy;
o waste heat recovery from hydrogen generation site and data centers in a multi-energy building (i.e., NEST building at Empa) as well as utilization in Power-to-X processes;
o heat pump flexibility activation through direct load control and heat pump curtailments in buildings;
o top-down economic and environmental analysis, including electricity winter deficit, import of synthetic fuels, and scaling of direct air capture.
• The following methods and tools:
o A decision tree approach to simplify the description of complex energy system scenarios into concise storylines that are driven by policy decisions.
o An estimation method for the electricity demand due to electromobility, and the benefits in terms of spatio-temporal flexibility within the Swiss energy system.
o A method for flexibility-aware planning of distribution network reinforcements to identify trade-offs between networks reinforcement and end-user flexibility.
o Databases of hydrogen/air fuel cell system characteristics, hydrogen storage potential in salt caverns, and measurements on CO2 regeneration of polymer electrolyte membrane electrolysis.
• Business opportunities and potential policies:
o Study on business case, policy interventions and new regulations to promote the deployment of vehicle-to-grid in Switzerland.
o The concept for the first campaign to study Swiss citizens’ public acceptance towards flexibility and sector coupling policies.
o Proposals for the design of financial contracts for differences for renewables support which had significant impact on policy discussions in the European Union and in Switzerland.
o Simulations suggesting that rebound peaks resulting from ex-ante dynamic volumetric tariffs (per kWh) could be solved by time-of-use capacity tariffs (per kW).
• Integration, synthesis and outreach:
o Three pilot and demonstration projects were launched (NeDeLa, nanoverbund, H2 districts).
o Expansion of knowledge and technology transfer through internal monthly seminars, lunch talks, policy briefs, workshops, and collaborations with industry partners.
Related documents
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Publications / Results
(French)
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Les principaux faits marquants pendant la période de référence ont été les suivants:
• Voies réalisables grâce à
o un rapport de synthèse présentant des résultats préliminaires sur les configurations du système énergétique suisse en 2050 suite à l'analyse de quatre scénarios et de deux scénarios alternatifs visant à étudier l'impact de la flexibilité de véhicules électriques,
supportées et complétées par des études sur
o le potentiel de l'hydrogène et du gaz en suisse pour réduire les dépendances aux énergies fossiles, permettre l'équilibrage saisonnier et utiliser l'excédent d'énergie renouvelable.
o la récupération de la chaleur résiduelle de sites de production d'hydrogène et de centres de données dans un bâtiment multi-énergie (par exemple, le bâtiment NEST à l'Empa) ainsi que son utilisation dans les processus Power-to-X.
o l'activation de la flexibilité des pompes à chaleur par le contrôle direct de la charge et la réduction des pompes à chaleur dans les bâtiments.
o Analyse économique et environnementale, comprenant le déficit hivernal d'électricité, l'importation de combustibles synthétiques et la mise à l'échelle du captage direct de l'air.
• Méthodes et outils:
o Une approche par arbre de décision pour simplifier les scénarios complexes du système énergétique en scénarios concis qui sont guidés par des décisions politiques.
o Une méthode d'estimation de la demande d'électricité due à l'électromobilité et ses avantages en termes de flexibilité spatio-temporelle dans le système énergétique suisse.
o Une méthode de planification de renforcement des réseaux de distribution permettant d'identifier les compromis entre le renforcement et la flexibilité de l'utilisateur final.
o Bases de données sur le potentiel de stockage d'hydrogène dans les cavernes de sel, les caractéristiques de systèmes de piles à combustible hydrogène/air et des mesures de régénération du CO2 lors de l'électrolyse à membrane électrolytique polymère.
• Opportunités commerciales et politiques potentielles:
o Étude sur le potentiel commercial, les interventions politiques et les nouvelles réglementations visant à promouvoir le déploiement de la technologie vehicle-to-grid en Suisse.
o Le concept de la première campagne visant à étudier l’acceptation publique des citoyens suisses à l'égard des politiques de flexibilité et de couplage sectoriel.
o Propositions de conception de contrats pour la différence soutenant les énergies renouvelables impactant largement les discussions politiques dans l'UE et en Suisse.
o Simulations suggérant des tarifs de capacité liés à l'heure d'utilisation (par kW) pour éviter les pics de rebond dus aux tarifs volumétriques dynamiques ex ante (par kWh).
• Intégration, synthèse et sensibilisation:
o Trois projets pilotes et de démonstration lancés (NeDeLa, nanoverbund, districts H2).
o Séminaires mensuels, conférences, notes d'information, ateliers et collaborations avec l'industrie pour étendre le transfert de connaissances et de technologies.
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Publications / Results
(Italian)
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I principali punti salienti durante il periodo di riferimento sono stati:
• Percorsi fattibili attraverso
o la presentazione di un rapporto di sintesi che presenta i risultati preliminari sulle configurazioni del sistema energetico svizzero nel 2050 come risultato dell'analisi di quattro scenarii e di due ulteriori scenari alternativi volti a studiare l'impatto della flessibilità dei veicoli elettrici sul sistema energetico,
supportato e integrato da studi su
o il potenziale dell'idrogeno e del gas nel sistema energetico svizzero per ridurre la dipendenza dai combustibili fossili, consentire il bilanciamento stagionale e utilizzare l'energia rinnovabile in eccesso.
o il recupero del calore di scarto dal sito di generazione dell'idrogeno e dai datacenter in un edificio multi-energia (ad esempio, l'edificio NEST dell'Empa) e l'utilizzo nei processi Power-to-X.
o attivazione della flessibilità delle pompe di calore attraverso il controllo diretto del carico e la disconnessione controllata delle pompe di calore negli edifici.
o analisi economica e ambientale top-down, che include il deficit invernale di elettricità, l'importazione di combustibili sintetici e l'aumento di scala di direct air capture.
• Metodi e strumenti:
o Un approccio ad albero decisionale per semplificare i complessi scenari del sistema energetico in trame concise guidate da decisioni politiche.
o Un metodo di stima della domanda di elettricità dovuta alla mobilità elettrica e dei benefici in termini di flessibilità spazio-temporale nel sistema energetico svizzero.
o Un metodo per la pianificazione consapevole della flessibilità dei rinforzi della rete di distribuzione per identificare i compromessi tra il rinforzo della rete e la flessibilità dell'utente finale.
o Banche dati sulle caratteristiche dei sistemi di celle a combustibile idrogeno/aria, sul potenziale distoccaggio dell'idrogeno in caverne saline e sulle misure di rigenerazione della CO2 nell'elettrolisi a membrana di elettrolita polimerico.
• Opportunità commerciali e politiche potenziali:
o Studio sul business case, sugli interventi politici e sulle nuove normative per promuovere la diffusione del vehicle-to-grid in Svizzera.
o Il concetto della prima campagna per studiare l‘accettazione pubblica dei cittadini svizzeri per le politiche di flessibilità e di accoppiamento settoriale.
o Proposte per la progettazione di contratti di differenza per il sostegno alle energie rinnovabili che hanno avuto un impatto significativo sulle discussioni politiche nell'Unione Europea e in Svizzera.
o Simulazioni che suggeriscono che i picchi di rimbalzo derivanti da tariffe volumetriche dinamiche exante (per kWh) potrebbero essere risolti da tariffe di capacità in funzione del tempo di utilizzo (per kW).
o Il lancio di policy briefs per fornire raccomandazioni rilevanti dal punto di vista politico sulla base dei risultati della ricerca pubblicati in rapporti di sintesi e nelle pubblicazioni scientifiche.
• Integrazione, sintesi e divulgazione:
o Sono stati avviati tre progetti pilota e di dimostrazione (NeDeLa, nanoverbund, H2 districts).
o Ampliamento del trasferimento di conoscenze e tecnologia attraverso seminari interni mensili, lunchtalks, policy briefs, workshops e collaborazioni con partner industriali.
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