WinTES – Winterstrombedarf und Saisonale Thermische Speicher

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502704

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Energiesystemsimulationen (ESS) zeigen, dass saisonale Wärmespeicher den zusätzlichen Winter-strombedarf um bis zu 40% senken können. Obwohl die Speichertechnologien bereit sind, ist der Ort, die Art und der optimale Zeitpunkt für die Integration im Energiesystem noch nicht geklärt. Das Projekt WinTES adressiert diese Lücke, indem es untersucht welche Speichertechnologie wo (regional) und wann (zeitlich) am besten eingesetzt wird. Zur Verbesserung der Vorhersage werden optimierte Wärmespeichermodelle in nationalen ESS integriert und damit Szenarien der Speicherintegration für Netto-Null entwickelt. Eine GIS-Analyse identifiziert geeignete Regionen für den Bau der Speichersysteme und untersucht die Integration durch regional aufgelöster ESS. Durch gekoppeltes Lösen werden räumlich und zeitlich aufgelöste Umsetzungsempfehlungen für saisonale thermische Speicherung entwickelt. Die Resultate werden Zielgruppen-gerecht aufgearbeitet und unter Berücksichtigung sozialer Hemmnisse kommuniziert.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Energy system simulations (ESS) show that seasonal thermal energy storage can reduce the electricity gap in winter by up to 40%. Although the storage technologies are ready, the location, type and optimal timing for integration into the energy system are not yet clear. The WinTES project addresses this gap by investigating which storage technology is best deployed where (spatially) and when (in time). To improve forecasting accuracy, optimized thermal storage models will be integrated into the national ESS to develop storage integration scenarios towards net zero. A GIS analysis will identify suitable regions for the installation of the storage systems and the integration will be investigated using spatially resolved ESS. Through concurrent solving, spatially and time resolved recommendations for the implementation of seasonal thermal storage will be developed. Information material will be tailored to the target group and communicated, considering social barriers.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les simulations des systèmes énergétiques (ESS) montrent que le stockage saisonnier d’énergie thermique peut réduire le déficit d’électricité en hiver jusqu’à 40 %. Bien que les technologies de stockage soient déjà disponibles, leur emplacement, leur type et le moment optimal pour leur intégration dans le système énergétique ne sont pas encore clairement définis. Le projet WinTES comble cette lacune en déterminant quelle technologie de stockage est la plus adaptée, où (sur le plan géographique) et quand (dans le temps). Afin d’améliorer la précision des prévisions, des modèles optimisés de stockage thermique seront intégrés au système énergétique national (ESS) pour élaborer des scénarios d’intégration du stockage visant la neutralité carbone. Une analyse SIG permettra d’identifier les régions propices à l’installation des systèmes de stockage, et l’intégration sera étudiée à l’aide d’un ESS à résolution spatiale. Grâce à une résolution simultanée, des recommandations à résolution spatiale et temporelle seront formulées pour la mise en œuvre du stockage thermique saisonnier. Des supports d’information adaptés au groupe cible seront élaborés et diffusés, en tenant compte des obstacles sociaux.

Schlussbericht (Deutsch)

Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist das Potenzial der saisonalen Wärmespeicherung (STES) im künftigen Energiesystem der Schweiz zu bewerten.
Saisonale Wärmespeicher (STES) senken die Stromimporte im Winter, die Methan- und Dieselimporte, den Bedarf an zusätzlicher Wintererzeugung durch Wärmekraftwerke sowie die Ge-samtenergiesystemkosten. Je nach Szenario liegt die durchschnittliche thermische Speicherkapazität im Bereich von 6 bis 10 TWh, was zu einer erheblichen jährlichen Reduzierung der Stromimporte im Winter um bis zu 3.6 TWh führt. Zudem senkt der Einsatz von STES die Gesamtenergiesystemkosten um 400 bis 900 Millionen CHF pro Jahr. Daher müssen bereits heute Pilotanlagen gefördert werden, um die praktischen Erfahrungen aufzubauen und bei der landesweiten Umsetzung ab 2035 von diesen Erfahrungen profitieren zu können. Eine GIS-basierte Analyse wurde durchgeführt, um potenzielle Standorte für die Umsetzung von STES in der Schweiz zu identifizieren. Dabei wurden geeignete Flächen unter Berücksichtigung energetischer, geografischer und infrastruktureller Randbedingungen bestimmt. Für die meisten analysierten Fälle konnten geeignete Speicherstandorte gefunden werden. Für die Erdbecken-Wärmespeicher (PTES) ist jedoch als Grundlage für die Bewilligungsfähigkeit hierfür in den meisten Fällen eine multi-funktionale Abdeckung nötig. Um diese Ergebnisse zu erzielen, wurden sowohl für die PTES als auch die Regeneration von Erdsonden (BTES) detaillierte Modelle typischer Ausführungsvarianten entwickelt. Diese Ergebnisse wurden zur Implementierung von STES im Swiss Energy Scope-Modell (SES-ETH) verwendet, einem linearen Optimierungsmodell des Schweizer Energiesystems. Das SES-ETH wurde eingesetzt, um die Rolle von STES in verschiedenen Zukunftsszenarien zu untersuchen, darunter unterschiedliche Annahmen zu Klimazielen, internationaler Integration und technologischer Innovation. Unsicherheiten wurden mittels Monte-Carlo-Analyse berücksichtigt. Auf diese Weise zeigt das Modell, unter welchen Bedingungen STES kosteneffizient eingesetzt wird, in welchem Umfang dies geschieht und wie die gesamten jährlichen Kosten des Schweizer Energiesystems minimiert werden können.

Schlussbericht (Englisch)

The overall aim of this project was to assess the potential of Seasonal Thermal Energy Storage (STES) in Switzerland’s future energy system. Seasonal Thermal Energy Storage generally reduces winter electricity imports, methane and die-sel imports, the need for additional winter generation from thermal power plants, and total sys-tem costs. Depending on the scenario, the average thermal energy storage capacity is in the range of 6 to 10 TWh, leading to a significant annual reduction in winter electricity imports of up to 3.6 TWh. In addition, the inclusion of STES reduces total system costs by 400 to 900 million CHF per year. There-fore, full scale pilot plants have to be fostered now to fully benefit from these experiences in the wave of nationwide implementation from 2035 onwards. A GIS-based analysis was conducted to estimate the potential locations for STES deployment in Swit-zerland by identifying suitable areas under geographic and infrastructural constraints. Suitable storage sites were identified in most of the analysed cases. However, multifunctional PTES coverage is usually a necessary prerequisite for approval. To achieve these results, detailed models of archetypal implementation variants were developed for both PTES and borehole thermal energy storage (BTES). For PTES, different storage sizes and heating demands were analysed to determine key performance indicators such as effective storage capacity and efficiency. For BTES, a wider range of operating cases was investigated, since storage capacity and power strongly depend on charging and discharging strategies. Based on these detailed simula-tions, simplified performance relationships were derived for the implementation on the overall system model level. These results were used to implement STES in the Swiss Energy Scope model (SES-ETH), a linear optimization model of the Swiss energy system. The enhanced model was applied to evaluate the role of STES across a range of future scenarios, including different assumptions on climate targets, interna-tional integration, and technological innovation, while accounting for uncertainty through Monte Carlo analysis. In this way, the model shows under which conditions STES is deployed cost-effectively and at what scale, while minimizing the total annual cost of the overall Swiss energy system.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 3'525 kB

Schlussbericht (Französisch)

L'objectif général de ce projet était d'évaluer le potentiel du stockage saisonnier d'énergie thermique (STES) dans le futur système énergétique suisse. Le stockage saisonnier d'énergie thermique (STES) permet généralement de réduire les impor-tations d'électricité en hiver, les importations de méthane et de diesel, le besoin de production supplémentaire en hiver par les centrales thermiques, ainsi que les coûts totaux du système. Selon le scénario, la capacité moyenne de stockage thermique se situe entre 6 et 10 TWh, ce qui en-traîne une réduction annuelle significative de la consommation d'électricité en hiver. De plus, l'intégra-tion des STES permet de réduire les coûts globaux du système de 400 to 900 millions de francs suisses par an. Ces résultats soulignent l’importance de promouvoir dès aujourd’hui des installations pilotes à pleine échelle afin d’acquérir l’expérience nécessaire pour un déploiement national à partir de 2035. Une analyse basée sur un système d’information géographique (SIG) a été réalisée afin d’identifier les sites potentiels pour le déploiement du STES en Suisse. Cette analyse a permis de déterminer les surfaces appropriées en tenant compte de contraintes géographiques et infrastructurelles. Pour la plu-part des cas analysés, des sites de stockage appropriés ont pu être trouvés. Dans la plupart des cas analysés, des sites de stockage appropriés ont pu être trouvés. Pour la majorité des sites, une couver-ture multifonctionnelle du PTES est nécessaire pour que l'autorisation puisse être accordée. Pour obtenir ces résultats, des modèles détaillés ont été développés pour les stockages thermiques en fosse (PTES) et les stockages thermiques par sondes géothermiques (Borehole Thermal Energy Storage, BTES). Les simulations ont permis de déterminer des indicateurs clés tels que la capacité effective de stockage, le rendement et la puissance disponible. Des relations de performance simpli-fiées ont ensuite été dérivées pour l’intégration du STES dans le modèle Swiss Energy Scope, un mo-dèle d’optimisation linéaire du système énergétique suisse. Le modèle élargi a été utilisé pour analy-ser le rôle du STES dans différents scénarios futurs, en tenant compte des objectifs climatiques, de l’intégration internationale, de l’innovation technologique et des incertitudes par analyse Monte-Carlo.