Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Viele Elemente eines zukünftigen Netto-Null Szenarios scheinen nach heutigem Wissen unbestritten, so z.B. die Elektrifizierung der Mobilität und der Wärmeversorgung und die entscheidende Rolle der Photovoltaik. Die Wichtigkeit nachhaltiger Treib- und Brennstoffe (z.B. Wasserstoff, synthetisches Methan, Kerosin) ist weniger klar. Die vorliegende Studie wird die Frage beantworten, unter welchen Bedingungen die inländische Erzeugung und Speicherung solcher nachhaltiger Treib- und Brennstoffe der Schweiz helfen, ihr Klimaziel zu erreichen, und dabei einen Kompromiss zwischen Kosten und Importabhängigkeit zu finden. Eine Vielzahl von Szenarien werden mittels eines Energiesystemmodells erzeugt werden. Dies wird die Abhängigkeiten zwischen den Technologien und Ressourcen beleuchten, sowie die Rolle von möglichen Importen nachhaltiger Treib- und Brennstoffe. Schließlich werden Empfehlungen hinsichtlich der nötigen Technologieentwicklungen formuliert, die robust sind gegenüber der Unsicherheit zukünftiger Entwicklungen.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Many elements of a future net-zero GHG emission energy system appear clear at this stage, e.g. the electrification of mobility and heat, and the crucial role of photovoltaics. The role of sustainable fuels such as hydrogen, synthetic methane of synthetic fuels (kerosene) is currently less obvious. The present study aims at answering the question, under which circumstances the domestic generation and storage of such sustainable fuels helps Switzerland to achieve its climate goals, while finding at the same time a compromise between import dependency and costs. A variety of scenarios will be created using an energy system model. This will highlight the interdependencies between the various technol-ogies and resources, and the role of possible imports of sustainable fuels. Finally, we will formulate robust recommendations on technology development that are stable with regards to the uncertainty of the future development.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Projekt nutzte ein Energiesystemmodell, um den Wert synthetischer Gase und Brennstoffe für die Erreichung der Schweizer Klimaziele zu quantifizieren. Diese sind definiert als Netto-Null-Treibhausgasemissionen im Jahr 2050. Im Gegensatz zu früheren Studien werden auch die Emissionen aus dem Flugverkehr berücksichtigt. Ausgehend vom Szenario CROSS-V2022-01 werden Basisszenarien erstellt. Zusätzlich werden verschiedene Varianten analysiert, welche die Auswirkungen von Importpreisen für Methan, Kerosin und Elektrizität, die Verfügbarkeit einer schweizerischen CO2- Transportinfrastruktur und die Verfügbarkeit von technologischen Optionen wie auf Vergasung basierende Biomasse-Konversionsprozesse oder eine höhere Kerosinselektivität einer Fischer-Tropsch-Kraftstoffsynthese berücksichtigen. Die Unsicherheit von Schlüsselfaktoren wie Bevölkerungszahl, Nutzenergiebedarf und Technologiekosten wurde durch eine systematische Wiederholung der Analyse mit Hilfe eines Monte-Carlo-Ansatzes berücksichtigt. Die Auswirkungen der Technologieakzeptanz (neue Wasserkraftwerke, mehr Windenergie usw.) wurden untersucht, indem ein innovatives und konservatives Szenario definiert wurde. Aus dieser Analyse lassen sich eine Reihe von Schlussfolgerungen ziehen, die gegenüber künftigen Unwägbarkeiten robust sind. In den Basisszenarien werden die Netto-Null-Klimaziele mit einem Maßnahmenmix erreicht, der eine Elektrifizierung des Wärme- und Mobilitätssektors und ein starkes Wachstum der Photovoltaik beinhaltet. Die Stromerzeugung wird im Winter durch Gaskraftwerke mit fossilem Methan sichergestellt. Die CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS) wird eingesetzt, um Emissionen aus Punkt-Quellen wie Müllverbrennungsanlagen, Zementwerken und gas- und holzbefeuerten Heizkraftwerken zu vermeiden, wodurch ebenfalls negative Emissionen entstehen. Zusätzliche negative Emissionen werden mit Hilfe von Direct Air Capture erreicht. In der Luftfahrt wird nach wie vor fossiles Kerosin verwendet, wobei die CO2-Emissionen durch die oben genannten negativen Emissionen kompensiert werden. Dieses Bild ändert sich, wenn man davon ausgeht, dass die Importpreise für fossiles Methan und Kerosin steigen. Ein dreifacher Anstieg reduziert die Methaneinfuhren auf null. Dies wird durch verschiedene Maßnahmen innerhalb des gesamten Energiesystems ausgeglichen, wobei die wichtigsten der Ausbau der Photovoltaik und die Steigerung der Wasserstoff-Elektrolyse sind. Die Emissionen aus dem Luftverkehr werden weiterhin durch negative Emissionen kompensiert. Im Extremfall, in dem keine fossilen Brennstoffe importiert werden, wird Kerosin im Inland über ein Power-to-Liquid-Verfahren hergestellt, was einen massiven Ausbau der Photovoltaik und der Elektrolyse erfordert. Dies führt zu einem starken Anstieg der Gesamtsystemkosten. In den Basisszenarien wurde davon ausgegangen, dass keine Stromimporte (vor allem im Winter) und keine auf Vergasung basierenden Biomasseumwandlungsprozesse stattfinden. Die grundlegenden Schlussfolgerungen ändern sich jedoch nicht, wenn diese Beschränkungen aufgehoben werden: Wenn die Importpreise für Methan und Kerosin erhöht werden, gehen die Methanimporte zunächst schnell zurück und werden durch mehr Photovoltaik und Elektrolyse ersetzt, während die Emissionen des Luftverkehrs weiterhin durch negative Emissionen kompensiert werden. Wenn Importe verboten werden, wird Kerosin über Power-to-Liquid-Verfahren synthetisiert, wobei der einzige Unterschied im Anteil des importierten Stroms gegenüber dem durch Photovoltaik erzeugten Strom besteht. Vergasungsbasierte Biomassekonversionsverfahren sind ein wertvolles Element im Technologiemix, ihre Wirkung ist jedoch durch die Verfügbarkeit von Biomasse begrenzt. Das Fehlen einer schweizerischen CO2-Transportinfrastruktur erfordert mehr Kompensationen durch negative Emissionen im Ausland, was zu höheren Gesamtsystemkosten führt. Wenn die Emissionen aus dem Flugverkehr durch negative Emissionen kompensiert werden, ergeben sich die effektiven Versorgungskosten von Kerosin aus der Summe der Importkosten und der Kompensationskosten. Solange diese unter dem Preis von Sustainable Aviation Fuels (SAF) liegen, scheint die Kompensation die beste Strategie für die Schweiz zu sein. Wenn Kerosinimporte verboten werden, sind die inländischen Produktionskosten wahrscheinlich höher als die zukünftigen Kosten für SAF auf Basis von Power-to-Liquid. Der Grund dafür ist, dass die wichtigste zusätzliche erneuerbare Stromquelle in der Schweiz die Photovoltaik ist, die nur geringe jährliche Volllaststunden was negative wirtschaftliche Auswirkungen auf die weiteren Verarbeitungsschritte hat, nämlich die Elektrolyse und die Kraftstoffsynthese. In der Analyse, die in diesem Projekt durchgeführt wurde, wurde die Luftfahrt als der Teil des Energiesystems betrachtet, der am schwierigsten zu dekarbonisieren ist. Langfristig wird dies die Synthese von Flugtreibstoffen erfordern, und Power-to-Liquid scheint die Technologie der Wahl zu sein. Die Schweiz sollte sich aktiv in der Forschung, Entwicklung, Demonstration und Kommerzialisierung dieser Technologien engagieren, nicht um eine inländische Produktion aufzubauen, sondern um Partner in einer internationalen Allianz zu werden und die Versorgung mit solchen Treibstoffen in Zukunft zu sichern.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The project used an energy system model to quantify the value of synthetic gases and fuels for reaching the Swiss climate goals. These are defined as net-zero greenhouse gas emissions in 2050. In contrast to previous studies, we include also emissions from aviation. Basic scenarios are built, starting from the CROSS-V2022-01 scenario. In addition, several variants are analysed which explore the effect of import prices for methane, kerosene and electricity, the availability of a Swiss CO2 transport infrastructure and the availability of technological options such as gasification-based biomass conversion processes or a higher kerosene selectivity of a Fischer-Tropsch fuel synthesis. The uncertainty of key drivers such as population count, useful energy demand and technology costs was considered by repeating the analysis in a systematic way using a Monte Carlo approach. The effect of technology acceptance (new hydro power plants, more wind energy, etc) was studied by defining an innovative vs. a conservative scenario. A number of conclusions can be drawn from this analysis which are robust with regards to future uncertainties. In the basic scenarios the net-zero climate goals are achieved with a mix of measures including an electrification of the heating and mobility sector and a strong growth of photovoltaics. Electricity generation is secured in winter by gas power plants using fossil methane. CO2 capture and storage (CCS) is used to avoid emissions from points sources such as waste-to-energy plants, cement plants and gas/wood fired combined heat and power plants, generating also negative emissions. Additional negative emissions are achieved with the help of direct air capture. Aviation still uses fossil kerosene with the CO2 emissions being compensated by the aforementioned negative emissions. This picture changes when import prices for fossil methane and kerosene are assumed to rise. A three-fold increase reduces methane imports to zero. This is balanced by several measures within the whole energy system, the most important being more photovoltaic generation and an increase of hydrogen electrolysis. Emissions from aviation are still compensated with negative emissions. In the extreme case of no fossil imports, kerosene is produced domestically via a power-to-liquid process, requiring a massive increase of photovoltaics and electrolysis. This leads to a strong increase of total system costs. The basic scenarios assumed no electricity imports (mostly in winter) and no gasification-based biomass conversion processes. However, the basic storyline does not change if these restrictions are removed: when import prices for methane and kerosene are increased, first methane imports drop quickly and are replaced by more photovoltaics and electrolysis, while aviation is still decarbonized by negative emissions. When imports are banned, kerosene in synthesized via power-to-liquid processes, the only difference being the share of imported electricity vs. electricity produced by photovoltaics. Gasificationbased biomass conversion processes are a valuable element in the technology mix, however, their impact is limited by the availability of biomass. Not having a Swiss CO2 transport infrastructure requires more compensations by negative emissions abroad, leading to higher total system costs. When emissions from aviation are compensated by negative emissions, the effective supply costs of kerosene are the sum of import costs and compensation costs. As long as these are below the price of Sustainable Aviation Fuels (SAF), compensation appears to be the best strategy for Switzerland. When kerosene imports are banned, the domestic production costs are likely higher than future power-to-liquid based SAF costs. The reason is that the main additional renewable electricity source in Switzerland is photovoltaics that has low annual full load hours with negative economic consequences on the further processing steps, namely electrolysis and fuel synthesis. The analysis done in this project included aviation as the part of the energy system that is hardest to decarbonize. In the long run this will require the synthesis of aviation fuels and power-to-liquid seems to be the technology of choice. Switzerland should actively engage in research, development, demonstration and commercialization of these technologies, not build up a domestic production but to become a partner in an international alliance and to secure the supply of such fuels in the future.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le projet a utilisé un modèle de système énergétique pour quantifier la valeur des gaz et des carburants synthétiques pour atteindre les objectifs climatiques de la Suisse. Ceux-ci sont définis comme des émissions nettes de gaz à effet de serre nulles en 2050. Contrairement aux études précédentes, nous incluons également les émissions de l'aviation. Des scénarios de base sont construits, en partant de la définition de CROSS-V2022-01. En outre, plusieurs variantes sont analysées qui explorent l'effet des prix d'importation du méthane, du kérosène et de l'électricité, la disponibilité d'une infrastructure suisse de transport du CO2 et la disponibilité d'options technologiques telles que les processus de conversion de la biomasse basés sur la gazéification ou une sélectivité plus élevée du kérosène dans une synthèse de carburant Fischer-Tropsch. L'incertitude des facteurs clés tels que le nombre d'habitants, la demande d'énergie utile et les coûts technologiques a été prise en compte en répétant l'analyse de manière systématique à l'aide d'une approche Monte Carlo. L'effet de l'acceptation des technologies (nouvelles centrales hydroélectriques, plus d'énergie éolienne, etc.) a été étudié en définissant un scénario innovant par rapport à un scénario conservateur. Un certain nombre de conclusions peuvent être tirées de cette analyse qui est robuste en ce qui concerne les incertitudes futures. Dans les scénarios de base, les objectifs climatiques nets zéro sont atteints grâce à un ensemble de mesures comprenant une électrification du secteur du chauffage et de la mobilité et une forte croissance du photovoltaïque. La production d'électricité est assurée en hiver par des centrales à gaz utilisant du méthane fossile. Le captage et le stockage du CO2 (CSC) sont utilisés pour éviter les émissions provenant de sources ponctuelles telles que les usines de valorisation énergétique des déchets, les cimenteries et les centrales de cogénération gaz/bois, générant également des émissions négatives. Des émissions négatives supplémentaires sont obtenues grâce au captage direct dans l'air. L'aviation utilise toujours du kérosène fossile, les émissions de CO2 étant compensées par les émissions négatives susmentionnées. La situation change lorsque l'on suppose que les prix à l'importation du méthane et du kérosène fossiles augmentent. Une multiplication par trois réduit les importations de méthane à zéro. Cette situation est compensée par plusieurs mesures dans l'ensemble du système énergétique, les plus importantes étant l'augmentation de la production photovoltaïque et l'augmentation de l'électrolyse de l'hydrogène. Les émissions de l'aviation sont encore compensées par des émissions négatives. Dans le cas extrême où il n'y aurait pas d'importations de produits fossiles, le kérosène serait produit dans le pays par un processus de conversion de l'énergie en liquide, ce qui nécessiterait une augmentation massive de la production photovoltaïque et de l'électrolyse. Cela conduit à une forte augmentation des coûts totaux du système. Les scénarios de base supposaient l'absence d'importations d'électricité (principalement en hiver) et de processus de conversion de la biomasse par gazéification. Toutefois, le scénario de base ne change pas si ces restrictions sont supprimées : lorsque les prix d'importation du méthane et du kérosène sont augmentés, les premières importations de méthane chutent rapidement et sont remplacées par davantage de photovoltaïque et d'électrolyse, tandis que l'aviation reste décarbonisée par des émissions négatives. Lorsque les importations sont interdites, le kérosène est synthétisé par des procédés de conversion de l'énergie en liquide, la seule différence étant la part de l'électricité importée par rapport à l'électricité produite par le photovoltaïque. Les procédés de conversion de la biomasse par gazéification sont un élément précieux du mix technologique, mais leur impact est limité par la disponibilité de la biomasse. L'absence d'une infrastructure suisse de transport de CO2 nécessite davantage de compensations par des émissions négatives à l'étranger, ce qui entraîne une augmentation des coûts totaux du système. Lorsque les émissions de l'aviation sont compensées par des émissions négatives, les coûts d'approvisionnement effectifs du kérosène sont la somme des coûts d'importation et des coûts de compensation. Tant que ces derniers sont inférieurs au prix des carburants d'aviation durables (SAF), la compensation semble être la meilleure stratégie pour la Suisse. Lorsque les importations de kérosène sont interdites, les coûts de production nationaux sont probablement plus élevés que les futurs coûts des SAF basés sur l'énergie liquide. La raison en est que la principale source d'électricité renouvelable supplémentaire en Suisse est le photovoltaïque qui a peu d'heures de pleine charge annuelle, ce qui a des conséquences économiques négatives sur les étapes de traitement ultérieures, à savoir l'électrolyse et la synthèse du carburant. L'analyse effectuée dans le cadre de ce projet a considéré l'aviation comme la partie du système énergétique la plus difficile à décarboniser. À long terme, cela nécessitera la synthèse des carburants d'aviation et la conversion de l'énergie en liquide semble être la technologie de choix. La Suisse devrait s'engager activement dans la recherche, le développement, la démonstration et la commercialisation de ces technologies, non pas pour construire une production nationale mais pour devenir partenaire d'une alliance internationale et pour garantir l'approvisionnement de ces carburants à l'avenir.
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