Energiespeicherung im zukünftigen Energiesystem der Schweiz - aktueller Wissensstand und Forschungsbedarf

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502723

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Um Forschungsschwerpunkte für eine mögliche SWEET-Ausschreibung im Bereich Energiespeicherung festzulegen, gibt das BFE ein externes Mandat in Auftrag. Dabei sollen folgende Ziele erreicht werden:1.  Erstellen eines Gesamtbildes zum Wissenstand auf dem Gebiet der Energiespeicherung in der Schweiz2.  Darauf gestützt, Erarbeitung von Empfehlungen primär zum Forschungs- bzw. Handlungs- und Umsetzungsbedarf von Energiespeicherungsmethoden im Schweizer Energiesystem für den Zeithorizont bis 2050.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The SFOE is commissioning an external mandate to define research priorities for a possible SWEET call for proposals in the field of energy storage. The following objectives are to be achieved:1.  To create an overall picture of the state of knowledge in the field of energy storage in Switzerland. 2.  Based on this, to develop recommendations primarily on the need for research, action, and implementation of energy storage methods in the Swiss energy system for the period up to 2050.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Afin de définir les axes de recherche prioritaires pour un éventuel appel d'offres SWEET dans le domaine du stockage de l'énergie, l'OFEN passe un mandat externe. Les objectifs suivants doivent être atteints : 1.  Établir une vue d'ensemble de l'état des connaissances dans le domaine du stockage de l'énergie en Suisse. 2.  Sur cette base, élaborer des recommandations portant principalement sur les besoins en matière de recherche, d'action et de mise en œuvre de méthodes de stockage de l'énergie dans le système énergétique suisse à l'horizon 2050.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Energietransformation in der Schweiz steht vor einer zentralen Herausforderung: der saisonalen Diskrepanz zwischen Energieangebot- und  nachfrage. Während im Sommer – insbesondere durch Photovoltaik und Wasserkraft – ein Energieüberschuss absehbar ist, kann der deutliche Anstieg des Elektrizitätsbedarfs im Winter infolge der Elektrifizierung unter anderem des Wärme- und Mobilitätssektors durch die laufende Produktion voraussichtlich nicht abgedeckt werden. Eine naheliegende Strategie zur Entschärfung dieser Diskrepanz ist die saisonale Energiespeicherung. Sie kann nicht nur das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage mindern, sondern auch die Integration erneuerbarer Energien fördern und die Resilienz und Versorgungssicherheit des Energiesystems stärken. Für die saisonale Speicherung kommen verschiedene Technologien infrage. Die Speicherwasserkraft wird auch in Zukunft eine zentrale Rolle bei der Elektrizitätsversorgung im Winter spielen und bleibt ein bewährtes Element der Schweizer Energieinfrastruktur. Daneben bieten Wärmespeicher mehrere Möglichkeiten: Überschüssige Abwärme aus Kehrichtverbrennungsanlagen oder Rechenzentren im Sommer lässt sich im Boden oder anderen Medien speichern und im Winter nutzen. Auch überschüssiger Sommerstrom kann in Form von Wärme so gespeichert werden. Dies ist insbesondere in Kombination mit Raumkühlung interessant und kann dazu beitragen, den Elektrizitätsbedarf von Wärmepumpen in den Wintermonaten zu reduzieren. Biomasse eröffnet ebenfalls Optionen für die saisonale Speicherung, entweder durch die Herstellung speicherbarer Energieträger wie Biomethan oder durch direkte Lagerung in fester Form, etwa von Holz. Auch mit Strom hergestellte gasförmige oder flüssige Energieträger lassen sich beispielsweise in Felskavernen oder Treibstofflagern saisonal speichern. Die Speicherung geeigneter Energieträger ist in vielen Fällen vergleichsweise unkompliziert. Das Zusammenspiel mit anderen Elementen des Energiesystems erweist sich jedoch als deutlich komplexer. Eine besondere Herausforderung ist die Herstellung speicherbarer Energieträger, wie etwa die Erzeugung chemischer Energieträger mit Strom. Solche Prozesse sind in der Schweiz häufig nur mit relativ niedrigen Auslastungsfaktoren betreibbar, was zu hohen Produktionskosten führt. Auch bei der Nutzung von Biomasse bestehen strukturelle Einschränkungen und ein begrenztes Potenzial. Neben der Reduzierung der saisonalen Diskrepanz können saisonale Speicher jedoch auch weitere Vorteile bieten, etwa bei der Bewältigung kurzfristiger Systemdynamiken durch die Aufnahme von Stromspitzen oder die Abfederung von Lastspitzen in Wärmenetzen. Die Erzeugung speicherbarer Energieträger in der Schweiz steht zudem oft im direkten Wettbewerb mit Importen. Aufgrund teilweise besserer Produktionsvoraussetzungen im Ausland sind dort höhere Auslastungsfaktoren möglich, so dass importierte Energieträger in vielen Fällen kostengünstiger sein dürften als die lokale Produktion. Zwar geht mit der Nutzung importierter Energieträger eine gewisse Abhängigkeit vom Ausland einher, doch könnten grosse Speicher deren Zwischenlagerung ermöglichen und so zur Stärkung der Versorgungssicherheit und Resilienz des Schweizer Energiesystems beitragen. Ein zentraler Erfolgsfaktor für die tatsächliche Umsetzung saisonaler Speicherung in der Schweiz liegt jedoch nicht allein in der technologischen Machbarkeit, sondern vor allem in den nicht-technischen Rahmenbedingungen. Besonders entscheidend wird die wirtschaftliche Attraktivität dieser Speicherlösungen sein. Hier spielt die Ausgestaltung des Energiemarkts eine Schlüsselrolle. Ein Marktumfeld mit klar differenzierten saisonalen Preissignalen sowie verlässlichen Rahmenbedingungen für langfristige Investitionen könnten dazu beitragen, Wirtschaftlichkeit und Investitionssicherheit zu verbessern. Ergänzend wäre die Einführung eines spezifischen Markts für Energie bzw. Stromreserven denkbar, in dem Resilienz als handelbares Gut etabliert wird. Dies könnte zusätzliche Anreize für Investitionen schaffen. Über die wirtschaftlichen Aspekte hinaus stellen sich weiter auch regulatorische und gesellschaftliche Fragen. Bei Wärmespeichern etwa sind raumplanerische Voraussetzungen bislang unzureichend definiert. Für den Aufbau einer zukünftigen Wasserstoffinfrastruktur ist zudem eine enge Abstimmung mit den rechtlichen Rahmenbedingungen der Nachbarländer notwendig. Nicht zuletzt hängt die Realisierung solcher Speicherprojekte stark von der gesellschaftlichen Akzeptanz ab. Während die bestehende Wasserkraft in der Bevölkerung weitgehend anerkannt ist, ist über die Akzeptanz neuer Speichertechnologien wie Felskavernen oder grosser Wärmespeicher bisher wenig bekannt. Für die Integration saisonaler Speicher in das Schweizer Energiesystem sind daher noch einige zentrale Fragen offen, die im zweiten Teil dieses Berichts identifiziert und systematisch aufgelistet wurden.

Schlussbericht (Englisch)

The Swiss energy transition faces a major challenge: the seasonal mismatch between energy supply and demand. While a surplus of energy — mainly from photovoltaics and hydropower — is expected in summer, the growing winter demand for electricity due to electrification of the heating and mobility sectors, as well as rapidly expanding data centres, cannot be met by continuous production alone. A promising strategy to mitigate this imbalance is seasonal energy storage. It not only helps to match supply and demand but also facilitates the integration of renewable energy and strengthens the resilience and supply security of the energy system. Various technologies are suitable for seasonal storage. Hydropower storage will continue to play a central role in winter electricity supply and remains a key element of Switzerland’s energy infrastructure. Additionally, thermal storage offers multiple opportunities: Excess heat from waste incineration plants or data centres can be stored underground or in other media during summer and used in winter. Similarly, surplus electricity generated in summer can be converted into heat and stored, particularly in combination with space cooling, which reduces wintertime electricity demand for heat pumps. Biomass also offers options, either through the production of storable energy carriers like biomethane or by storing solid biomass such as wood. Electricity-based energy carriers — such as hydrogen or synthetic fuels — can be stored seasonally in rock caverns or fuel depots. While storing suitable energy carriers is often relatively straightforward, integrating them with the broader energy system is significantly more complex. One major challenge is the production of storable energy carriers — especially chemical carriers generated from electricity. In Switzerland, these processes tend to operate with relatively low capacity factors due to the irregular availability of renewable energy, resulting in high production costs. Biomass also faces structural constraints: its widely dispersed availability limits the size of potential plants, hindering economies of scale and cost efficiency. In addition to balancing seasonal supply-demand mismatches, seasonal storage can support the energy system in other ways — such as buffering short-term dynamics. For example, they can absorb power peaks to relieve the grid or mitigate peak loads in thermal networks. Producing storable energy carriers in Switzerland often competes directly with imports. Since other countries may have better production conditions, higher capacity factors can be achieved abroad, making imported carriers potentially cheaper than domestic production. Although using imported energy carriers involves a certain dependency, large-scale storage systems could allow intermediate storage, thus enhancing supply security and system resilience. Ultimately, the success of seasonal storage in Switzerland depends not only on technical feasibility but also on non-technical conditions. Economic attractiveness will be particularly crucial, with energy market design playing a key role. A market environment featuring clear seasonal price signals and reliable longterm investment conditions could improve both profitability and investment security. A dedicated market for energy or electricity reserves, where resilience is treated as a tradable good, could provide additional incentives for investment. Beyond economic aspects, regulatory and social issues must also be addressed. For example, spatial planning requirements for thermal storage, particularly underground, remain poorly defined. Coordinated legal frameworks with neighbouring countries will also be necessary for establishing a future hydrogen infrastructure. Finally, the realization of such storage projects will depend heavily on public acceptance. While hydropower is broadly accepted, there is little knowledge about how the public perceives new storage technologies like rock caverns or large-scale thermal storage systems. Consequently, several critical questions remain unanswered regarding the integration of seasonal storage into Switzerland’s energy system. These are identified and systematically listed in the second part of this report.

Zugehörige Dokumente

• Final report_english [PDF] 902 kB

Schlussbericht (Französisch)

La transition énergétique en Suisse est confrontée à un défi central : la discordance saisonnière entre l’offre et la demande d’énergie. Alors qu’un excédent énergétique – principalement issu du photovoltaïque et de l’hydroélectricité – est attendu en été, la forte hausse de la demande hivernale en électricité, liée à l’électrification des secteurs du chauffage et de la mobilité ainsi qu’à la croissance rapide des centres de données, ne peut être couverte par la production continue. Une stratégie prometteuse pour atténuer ce déséquilibre est le stockage saisonnier de l’énergie. Il permet non seulement d’harmoniser l’offre et la demande, mais aussi de favoriser l’intégration des énergies renouvelables et de renforcer la résilience et la sécurité d'approvisionnement du système énergétique. Plusieurs technologies se prêtent à ce stockage saisonnier. L’hydroélectricité de pompage continuera de jouer un rôle central dans l’approvisionnement hivernal en électricité et constitue un élément éprouvé de l’infrastructure énergétique suisse. Les stockages thermiques offrent également de nombreuses possibilités: la chaleur excédentaire issue des usines d’incinération des déchets ou des centres de données
peut être stockée dans le sol ou d’autres matériaux pendant l’été, puis utilisée en hiver. De même, l’électricité excédentaire produite en été peut être transformée en chaleur et stockée – ce qui s’avère particulièrement intéressant en lien avec la climatisation estivale et permet de réduire les besoins électriques des pompes à chaleur durant l’hiver. La biomasse ouvre également des perspectives de stockage saisonnier, soit par la production de vecteurs énergétiques stockables comme le biométhane, soit par le stockage direct sous forme solide, par exemple de bois. Des vecteurs énergétiques produits à partir d’électricité – tels que l’hydrogène ou les carburants de synthèse – peuvent aussi être stockés de manière saisonnière, par exemple dans des cavernes rocheuses ou des dépôts de carburant. Le stockage des sources d'énergie appropriées est souvent relativement simple. L'interaction avec d'autres éléments du système énergétique s'avère toutefois nettement plus complexe. La production de sources d'énergie stockables, telles que les sources d'énergie chimiques à partir d'électricité, représente un défi particulier. En Suisse, ces processus ne peuvent souvent être exploités qu'avec des taux d'utilisation relativement faibles, ce qui entraîne des coûts de production élevés. L'utilisation de la biomasse est également soumise à des contraintes structurelles et présente un potentiel limité. Outre la réduction des écarts saisonniers, les stockages saisonniers peuvent toutefois offrir d'autres avantages, par exemple en permettant de gérer les dynamiques à court terme du système grâce à l'absorption des pics d'électricité ou à l'amortissement des pics de charge dans les réseaux de chaleur. La production de vecteurs énergétiques stockables en Suisse est aussi souvent en concurrence directe avec les importations. À l’étranger, de meilleures conditions de production permettent d’atteindre des taux d’utilisation plus élevés, ce qui rend les vecteurs importés souvent bien moins coûteux que la production locale. Bien que le recours à ces vecteurs engendre une certaine dépendance, de grands systèmes de stockage permettraient leur entreposage intermédiaire, renforçant ainsi la sécurité d’approvisionnement et la résilience du système énergétique suisse. La réussite de la mise en oeuvre du stockage saisonnier en Suisse dépend cependant moins de sa faisabilité technique que des conditions-cadres non techniques. L’attractivité économique sera particulièrement déterminante, et la conception du marché de l’énergie jouera un rôle clé. Un environnement de marché doté de signaux de prix saisonniers clairs et de conditions fiables pour les investissements à long terme pourrait améliorer la rentabilité et la sécurité des investissements. En complément, la création d’un marché spécifique pour les réserves d’énergie ou d’électricité, dans lequel la résilience serait un bien échangeable, pourrait stimuler les investissements. Au-delà des aspects économiques, des questions réglementaires et sociétales se posent. Pour les stockages thermiques, les bases d’aménagement du territoire – notamment souterraines – sont encore insuffisamment définies. La mise en place d’une infrastructure hydrogène future nécessite en outre une coordination étroite avec les cadres juridiques des pays voisins. Enfin, la concrétisation de tels projets de stockage dépend largement de l’acceptation sociale. Si l’hydroélectricité bénéficie d’un large soutien, on sait encore peu de choses sur l’acceptation des nouvelles technologies de stockage, comme les cavernes rocheuses ou les grands réservoirs thermiques. Ainsi, plusieurs questions clés restent ouvertes concernant l’intégration du stockage saisonnier dans le système énergétique suisse. Elles sont identifiées et systématiquement énumérées dans la seconde partie de ce rapport.