Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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In diesem Projekt werden die Rolle und die Perspektiven nachhaltiger chemischer Treibstoffe innerhalb eines "Netto-Null"-Energiesystems der Schweiz untersucht. Zu diesem Zweck wird eine techno-ökonomische, ökologische und gesellschaftliche Lebenszyklusanalyse eines breiten Spektrums an chemischen Treibstoffen durchgeführt (inklusive Wasserstoff, biogenen Treibstoffen, Sun-to-Liquid und Power-to-Gas/Liquid Treibstoffen), welches in eine von Szenarien getriebene Energiesystemanalyse integriert wird. Aufgrund begrenzter nachhaltiger Primärenergieressourcen für eine solche Treibstoffproduktion in der Schweiz wird die Analyse auf globaler Ebene durchgeführt, um plausible Energiequellen und Standorte für die Treibstoffproduktion sowie zugehörige Importpfade zu identifizieren. Die folgenden Fragen sollen beantwortet werden:
1. Welche Verkehrsträger werden aufgrund fehlender direkter Elektrifizierungsmöglichkeiten auf chemische Kraftstoffe angewiesen sein?
2. Welche dieser Kraftstoffe sind unter Berücksichtigung ökonomischer, ökologischer und sozialer Kriterien nachhaltig; und wie sehen ihre Versorgungswege aus?
3. Welche Rolle spielen diese Kraftstoffe im Schweizer Energiesystem insgesamt, um die Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen?
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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This project will evaluate the role and perspectives of sustainable chemical transportation fuels within a “net-zero” Swiss energy system. To this end, we will perform techno-economic, environmental and social life cycle assessment of a comprehensive portfolio of chemical fuels – including hydrogen, biogenic, sun-to-liquid, and power-to-gas/liquid fuels – and integrate those in a scenario-driven energy system analysis. Due to limited sustainable primary energy resources for such fuel production in Switzerland, the analysis will be performed on a global level to identify plausible sources and locations for fuel production and import pathways. The following questions will be answered:
1. Which transportation modes will have to rely (partially) on chemical fuels due to lack of direct electrification options?
2. Which of these fuels and which supply pathways are sustainable considering economic, environmental, and social criteria?
3. What is the role of these fuels in the Swiss energy system to meet the net-zero emission goals?
Zugehörige Dokumente
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Ce projet examine le rôle et les perspectives des carburants chimiques durables dans le cadre d'un système énergétique « zéro émission nette » en Suisse. À cette fin, une analyse du cycle de vie sur les plans technico-économique, écologique et sociétal est réalisée pour un large éventail de carburants chimiques (notamment l’hydrogène, les biocarburants, les carburants « Sun-to-Liquid » et « Power-to-Gas/Liquid »), qui est ensuite intégrée dans une analyse du système énergétique fondée sur des scénarios. Compte tenu des ressources limitées en énergie primaire durable disponibles en Suisse pour une telle production de carburants, l’analyse est menée à l’échelle mondiale afin d’identifier des sources d’énergie et des sites plausibles pour la production de carburants, ainsi que les filières d’importation associées. L’étude vise à répondre aux questions suivantes :
1. Quels modes de transport dépendront des carburants chimiques en raison de l’absence de possibilités d’électrification directe ?
2. Parmi ces carburants, lesquels sont durables au regard de critères économiques, écologiques et sociaux ; et à quoi ressemblent leurs filières d’approvisionnement ?
3. Quel rôle ces carburants jouent-ils dans l’ensemble du système énergétique suisse pour atteindre les objectifs de zéro émission nette ?
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Die Schweiz strebt an, die inländischen Treibhausgasemissionen bis 2050 auf «Netto-Null» zu senken. Um dieses Ziel zu erreichen, ist ein weitgehender Ausstieg aus fossilen Brennstoffen erforderlich. Diese können ersetzt werden durch 1) die sogenannte „direkte Elektrifizierung“, d. h. die Nutzung von Strom anstelle von fossilen Brennstoffen, was einen Wechsel bei den Endverbrauchstechnologien beinhaltet, beispielsweise von Verbrennungsmotoren zu batterieelektrischen Fahrzeugen, oder 2) durch den Einsatz von kohlenstoffarmen Brennstoffen (LCF4), die in den meisten Fällen fossile Brennstoffe direkt ersetzen können. Zu den kohlenstoffarmen Brennstoffen zählen Wasserstoff, Ammoniak sowie flüssige und gasförmige Kohlenwasserstoffe, die aus Biomasse („Biokraftstoffe“) oder aus Wasserstoff und CO2 hergestellt werden. Solche synthetischen Kohlenwasserstoffe werden oft als „E-Kraftstoffe“ bezeichnet, wenn der für ihre Herstellung benötigte Wasserstoff durch Wasserelektrolyse gewonnen wird. Trotz des klaren Ziels – Klimaneutralität der Schweiz bis 2050 – bleibt teilweise unklar, wie dieses Ziel erreicht werden soll. Insbesondere ist die Rolle von LCF bei der Transformation des Schweizer Energiesystems, vor allem im Verkehrssektor, unklar. Das Forschungsprojekt SHELTERED5 schliesst Wissenslücken in diesem Zusammenhang, um folgende Fragen zu beantworten:
1. Welche Verkehrsträger werden aufgrund fehlender Möglichkeiten zur direkten Elektrifizierung (teilweise) auf chemische LCF angewiesen sein?
2. Welche dieser Kraftstoffe und welche Versorgungswege sind unter Berücksichtigung wirtschaftlicher, ökologischer und sozialer Kriterien nachhaltig?
3. Welche Rolle spielen diese Kraftstoffe im Schweizer Energiesystem, um die Netto-Null-Ziele für Treibhausgasemissionen zu erreichen?
4. Die globale Perspektive: Welche Rolle werden LCF weltweit spielen, um die Netto-Null-Ziele zu erreichen, welche LCF werden unter bestimmten Rahmenbedingungen dominieren und welche Regionen sind prädestiniert, den globalen Bedarf zu decken?
Um diese Fragen zu beantworten, wurde eine techno-ökonomische und ökologische Bewertung einer breiten Palette aktueller und zukünftiger LCF durchgeführt, wobei Produktionsstandorte und deren Eigenschaften weltweit, spezifische LCF-Versorgungswege in die Schweiz sowie die zukünftige Technologieentwicklung bis 2050 berücksichtigt wurden. Auf der Grundlage der techno-ökonomischen Bewertung von LCF wurden Energiesystemmodelle für Europa (wobei die Schweiz als einzelnes Land dargestellt wird) und weltweit entwickelt und zur Bewertung von Übergangspfaden hin zu Netto-Null-Treibhausgasemissionen herangezogen. Das in unserer Analyse berücksichtigte LCF-Portfolio umfasst Wasserstoff aus fossilen und biogenen Rohstoffen mit CCS, aus Methanpyrolyse und Wasserelektrolyse sowie aus Kernenergie; synthetisches Kerosin (Flugkraftstoff) auf Basis der direkten Nutzung von Solarenergie („Solarfuels“), Strom- und biomassebasierter Flugkraftstoff, Biodiesel, Strom- und biomassebasiertes Methan und Methanol sowie Ammoniak, sowohl strombasiert als auch aus fossilen Rohstoffen mit CCS. Die Energiesystemmodelle dienen der Untersuchung von Transitionsszenarien, in denen bis 2050 (CH, EU, einige andere Regionen) oder später Netto-Null-Treibhausgasemissionen erreicht werden. Diese Transitionsszenarien sind Ergebnisse von Optimierungen, die die Gesamtsystemkosten unter bestimmten Randbedingungen minimieren, wie z.B. CO2-Preise, bestimmte politische Rahmenbedingungen, erneuerbare Ressourcen und CO2-Speicherpotenziale sowie erwartete technologische Entwicklungen.
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Schlussbericht
(Englisch)
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Switzerland aims at reducing domestic greenhouse gas (GHG) emissions to net zero by 2050. Achieving this goal basically requires a phase-out of fossil fuels. These can be replaced by 1) so-called “direct electrification”, i.e., using electricity instead of fossil fuels, which includes switches in end-use technologies, for example, from internal combustion engine to battery electric vehicles, or 2) by using low-carbon fuels (LCF1), which most often can directly substitute fossil fuels. Low-carbon fuels include hydrogen, ammonia, and liquid and gaseous hydrocarbons made from biomass (“biofuels”), or from hydrogen and CO2. Such synthetic hydrocarbons are often referred to as “e-fuels” if the hydrogen needed for their production is provided via water electrolysis. Despite the clear goal – Switzerland being climate neutral by 2050 – it remains partially unclear how to get there. In particular, the role of LCF in the transition of the Swiss energy system, especially in the transport sector, is unclear. This research project SHELTERED2 fills knowledge gaps in this context toanswer the following questions:
1) Which transportation modes will have to rely (partially) on chemical LCF due to the lack of direct electrification options?
2) Which of these fuels and which supply pathways are sustainable considering economic, environmental, and social criteria?
3) What is the role of these fuels in the Swiss energy system to meet the net-zero GHG emission goals?
4) The global perspective: What role will LCF play globally to reach net-zero goals, which LCF will dominate under certain boundary conditions, and which regions will be predestined to provide the global demand?
To answer these questions, a techno-economic and environmental assessment of a broad range of current and future LCF has been performed, considering production locations and their characteristics worldwide, specific LCF supply pathways to Switzerland, and considering future technology development until 2050. Based on the techno-economic assessment of LCF, energy system models for Europe (with Switzerland represented as a single country) and globally have been developed and used to assess transition pathways toward net-zero GHG emissions. The LCF portfolio covered in our analysis includes hydrogen from fossil and biogenic feedstock with CCS, from methane pyrolysis and water electrolysis, and from nuclear cycles; synthetic kerosene (jet fuel) based on direct use of solar energy (“solar fuels”), electricity- and biomass-based jet fuel, biodiesel, electricity- and biomass-based methane and methanol, and ammonia, both electricity-based and from fossil feedstock with CCS. The energy system models are used to explore transition scenarios in which net zero GHG emissions are realized by 2050 (CH, EU, some other regions), or later. Those transition scenarios are outcomes of optimizations minimizing overall system costs under specific boundary conditions, such as CO2 prices, certain policies, renewable resources, and CO2 storage potentials, and expected technology developments. The scenario results provide the information regarding LCF quantities used for different applications in Switzerland (and other regions) and their origin over time.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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La Suisse vise à réduire ses émissions nationales de gaz à effet de serre (GES) à zéro net d’ici 2050. Pour atteindre cet objectif, il faut essentiellement éliminer progressivement les combustibles fossiles. Ceux-ci peuvent être remplacés par 1) ce qu’on appelle l’« électrification directe », c’est-à-dire l’utilisation de l’électricité à la place des combustibles fossiles, ce qui implique des changements dans les technologies d’utilisation finale, par exemple le passage des moteurs à combustion interne aux véhicules électriques à batterie, ou 2) par l’utilisation de combustibles à faible teneur en carbone d’origine fossile (LCF7), qui peuvent le plus souvent se substituer directement aux combustibles fossiles. Les carburants à faible teneur en carbone fossile comprennent l'hydrogène, l'ammoniac et les hydrocarbures liquides et gazeux issus de la biomasse (« biocarburants ») ou de l'hydrogène et du CO2. Ces hydrocarbures synthétiques sont souvent appelés « e-carburants » lorsque l'hydrogène nécessaire à leur production est obtenu par électrolyse de l'eau. Malgré un objectif clair – la Suisse doit atteindre la neutralité climatique d’ici 2050 –, la manière d’y parvenir demeure en partie floue. En particulier, le rôle des LCF dans la transition du système énergétique suisse, notamment dans le secteur des transports, n’est pas clairement défini. Le projet de recherche SHELTERED8 comble les lacunes dans ce domaine afin de répondre aux questions suivantes:
- Quels modes de transport devront s'appuyer, même partiellement, sur des LCF chimiques en raison de l'absence d'options d'électrification directe ?
- Parmi ces carburants, lesquels et quelles filières d'approvisionnement sont durables au regard des critères économiques, environnementaux et sociaux ?
- Quel est le rôle de ces carburants dans le système énergétique suisse pour atteindre les objectifs d’émissions nettes de GES égales à zéro ?
- La perspective mondiale : quel rôle les LCF joueront-ils à l'échelle mondiale pour atteindre les objectifs de zéro émission nette, quels LCF domineront dans certaines conditions, et quelles régions seront prédestinées à répondre à la demande mondiale ?
Pour répondre à ces questions, une évaluation technico-économique et environnementale d'un large éventail de LCF actuels et futurs a été réalisée, en tenant compte des sites de production et de leurs caractéristiques à l'échelle mondiale, des filières d'approvisionnement spécifiques en LCF vers la Suisse, ainsi que des développements technologiques futurs jusqu'en 2050. Sur la base de l'évaluation technico-économique des LCF, des modèles de systèmes énergétiques pour l'Europe (la Suisse étant représentée comme un seul pays) et à l'échelle mondiale ont été développés et utilisés pour évaluer les voies de transition vers la neutralité carbone. Le portefeuille de LCF couvert par notre analyse comprend l'hydrogène issu de matières premières fossiles et biogéniques, avec captation et séquestration de carbone (CSC), la pyrolyse du méthane et l'électrolyse de l'eau, ainsi que des cycles nucléaires ; du kérosène synthétique (carburant pour avions) issu de l'utilisation directe de l'énergie solaire (« carburants solaires »), du carburant pour avions à base d'électricité et de biomasse, du biodiesel, du méthane et du méthanol à base d'électricité et de biomasse, ainsi que de l'ammoniac, à la fois à base d'électricité et issu de matières premières fossiles avec CSC. Les modèles de systèmes énergétiques sont utilisés pour explorer des scénarios de transition dans lesquels la neutralité carbone est atteinte d’ici 2050 (pour la Suisse, l’UE et d’autres régions) ou plus tard. Ces scénarios de transition résultent d’optimisations visant à minimiser les coûts globaux du système dans des conditions limites spécifiques, telles que les prix du CO2, certaines politiques, les ressources renouvelables, les capacités de stockage du CO2 et les évolutions technologiques attendues. Les résultats des scénarios indiquent les quantités de LCF utilisées pour différentes applications en Suisse (et dans d'autres régions) ainsi que leur origine au fil du temps.
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