DecaTherm - Fossilfreie thermische Netze – Lösungsbeispiele und Wirtschaftlichkeit

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502824

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Während die IEA der Schweiz empfiehlt, erneuerbare und fossilfreie Lösungen für die Spitzenlastabdeckung in thermischen Netzen zu forcieren, sieht die heutige Planungspraxis trotz Alternativen eine fossile Grundlastabdeckung vor. Wenn jetzt nicht konsequent auf fossilfreie Lösungen gesetzt wird, müssen in Zukunft rund 0.3 bis 0.9 Mio. Tonnen CO2 kompensiert oder mittels CCS aus der Atmosphäre entfernt werden, wenn das Netto-Null-Ziel bis 2050 erreicht werden soll. Dies könnte jedoch weitgehend vermieden werden, da fossilfreie thermische Netze bereits in Betrieb oder in Planung sind. Das entsprechende Wissen bzw. die Informationen liegen jedoch unstrukturiert vor und erreichen die Auftraggeber (z.B. Gemeinden und Städte) nur unzureichend. Dieses Projekt soll eine schnellere und adressatengerechtere Kommunikation der Möglichkeiten einer 100% fossilfreien Spitzenlastabdeckung ermöglichen und damit deren Umsetzung beschleunigen. Dazu werden in erster Linie Best-Practice-Beispiele recherchiert und in Form von Factsheets aufbereitet.

Kurzbeschreibung (Englisch)

While the IEA recommends that Switzerland push for renewable and fossil-free solutions for peak load coverage in thermal grids, current planning practice provides for fossil base load coverage despite alternatives. If fossil-free solutions are not used consistently now, around 0.3 to 0.9 million tons of CO2 will have to be offset or removed from the atmosphere using CCS in the future if the net-zero target is to be achieved by 2050. However, this could be largely avoided, as fossil-free thermal grids are already in operation or in planning. However, the relevant knowledge and information is unstructured and does not reach the clients (e.g. municipalities and cities) sufficiently. This project is intended to enable faster and more target group-oriented communication of the possibilities of 100% fossil-free peak load coverage and thus accelerate their implementation. To this end, best-practice examples will be researched and prepared in the form of factsheets.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Alors que l'AIE recommande à la Suisse de promouvoir des solutions renouvelables et sans combustibles fossiles pour la couverture de la charge de pointe dans les réseaux thermiques, la pratique de planification actuelle prévoit, malgré les alternatives, une couverture de la charge de base par des combustibles fossiles. Si l'on ne mise pas maintenant de manière conséquente sur des solutions sans fossiles, il faudra à l'avenir compenser environ 0,3 à 0,9 million de tonnes de CO2 ou les éliminer de l'atmosphère au moyen du CSC si l'on veut atteindre l'objectif net zéro d'ici 2050. Cela pourrait toutefois être évité en grande partie, car des réseaux thermiques sans combustibles fossiles sont déjà en service ou en cours de planification. Les connaissances ou les informations correspondantes ne sont toutefois pas structurées et n'atteignent pas suffisamment les donneurs d'ordre (par exemple les communes et les villes). Ce projet doit permettre une communication plus rapide et plus adaptée aux destinataires des possibilités de couverture des pointes de consommation 100% sans énergie fossile et ainsi accélérer leur mise en œuvre. Pour ce faire, il s'agit en premier lieu de rechercher des exemples de bonnes pratiques et de les présenter sous forme de fiches d'information.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Internationale Energieagentur (IEA) empfiehlt der Schweiz, bei thermischen Netzen verstärkt auf erneuerbare und fossilfreie Lösungen für die Spitzenlastabdeckung zu setzen. In der Praxis wird jedoch nach wie vor meist auf fossile Energieträger zurückgegriffen, obwohl es gute Alternativen gibt. Nur bei einer Minderheit der geplanten Netze wird überhaupt eine Machbarkeitsstudie für eine vollständig fossilfreie Variante ohne Biomasse durchgeführt. Bleibt es bei der bisherigen Strategie, könnten die CO2-Emissionen aus thermischen Netzen im Jahr 2050 bis zu 0.8 Million Tonnen pro Jahr betragen. Das muss jedoch nicht sein: Fossilfreie thermische Netze ohne Biomasse sind bereits heute technisch möglich und wirtschaftlich umsetzbar. In dieser Studie wurde eine Auswahl bestehender und geplanter fossil- und biomassefreier thermischer Netze sowie Machbarkeitsstudien dazu untersucht. Netze mit Biomasse (Holz, Biogas) wurden aufgrund der limitierten Verfügbarkeit des Energieträgers ausgeschlossen. Die begrenzt verfügbare Ressource Biomasse wird sinnvollerweise in schwer zu dekarbonisierenden Sektoren mit Bedarf an Wärme auf einem hohen Temperaturniveau eingesetzt. Eine erneuerbare Wärmeversorgung mit thermischen Netzen ist grundsätzlich machbar, das Wärmepotential von erneuerbaren Energiequellen übertrifft den Wärmebedarf der Schweiz für Komfortwärme um ein Vielfaches. Die benötigten Technologien (Wärmepumpen) sind bereits etabliert. Die Herausforderungen für die Umsetzung von fossilfreien thermischen Netzen ohne Biomasse liegen demnach mehr in der Wirtschaftlichkeit und den oft beschränkten Platzverhältnissen in den Energiezentralen. Die Investitionskosten für eine Wärmepumpe sind deutlich höher als für einen Gasbrennkessel, wobei die Betriebskosten für beide niedrig sind. Diese hohen Investitionskosten führen dazu, dass Wärmepumpen für den Einsatz zur Spitzenlastdeckung grundsätzlich teurer sind als fossile Varianten. In einem Vergleich der Vollkosten ohne einmalige Anschlusskosten sind die betrachteten fossilfreien thermischen Netze ohne Biomasse im Mittel ca. 22 % teurer als eine Stichprobe des Preisüberwachers von thermischen Netzen mit Deckung der Spitzenlast durch Biomasse oder fossile Energien. Die Kosten für fossilfreie thermische Netze können aber durch eine Reduktion der Spitzenlast gesenkt werden. Dazu gibt es diverse Konzepte, wie ein verstärkter Einsatz von Speichern sowie Optimierungen im Betrieb der thermischen Netze. Durch den Klimawandel werden die Winter weniger oft sehr kalt und generell weniger kalt sein. Dies wird die Höhe und Häufigkeit der Spitzenlast in Zukunft reduzieren. Der Einsatz von synthetischen Brennstoffen oder Carbon Capture and Storage (CCS) zur Dekarbonisierung von thermischen Netzen würde im Grundsatz eine «weiter wie bisher» Strategie darstellen, da beide Technologien heute noch nicht in genügender Kapazität und technologischer Reife vorhanden sind. Zudem wäre eine solche Strategie mit grossen Unsicherheiten und Abhängigkeiten vom Ausland behaftet. Nach Berechnungen in dieser Studie würde der Einsatz von synthetischen Brennstoffen zu deutlich höheren Wärmegestehungskosten für die Spitzenlast führen als die Wärmeerzeugung mittels einer erneuerbaren Wärmequelle und Wärmepumpen.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht_deutsch [PDF] 9'525 kB

Schlussbericht (Englisch)

The International Energy Agency (IEA) recommends that Switzerland focus more on renewable and fossil-free solutions for peak load coverage in thermal grids. In practice, however, fossil fuels are still mostly used, even though there are good alternatives. Only in a minority of planned grids is a feasibility study even carried out for a completely fossil-free variant without biomass. If the current strategy remains in place, CO2 emissions from thermal grids could amount to up to 0.8 million tons per year in 2050. However, this does not have to be the case: Fossil-free thermal grids without biomass are already technically possible and economically feasible today. In this study, a selection of existing and planned fossil and biomass-free thermal grids and feasibility
studies were examined. Networks with biomass (wood, biogas) were excluded due to the limited availability of the energy source. The use of biomass makes more sense in sectors that are difficult to decarbonize and require heat at a high temperature level. A renewable heat supply with thermal networks is feasible in principle; the heat potential of renewable energy sources exceeds Switzerland's heat requirements for comfort heating many times over. The necessary technologies (heat pumps) are already established. The challenges for the implementation of fossil-free thermal networks without biomass therefore lie more in economic efficiency and the oftenlimited space available in the energy centers. The investment costs for a heat pump are significantly higher than for a gas-fired boiler, although the operating costs for both are low. These high investment costs mean that heat pumps for peak load coverage are generally more expensive than fossil variants. In a comparison of the full costs without one-off connection costs, the fossil-free thermal networks without biomass considered are on average approx. 22% more expensive than a sample of thermal networks with peak load coverage using biomass or fossil fuels. However, the costs of fossil-free thermal grids can be lowered by reducing the peak load. There are various concepts for this, such as the increased use of storage systems and optimizing the operation of thermal grids. Due to climate change, winters will be less often very cold and generally less cold. This will reduce the level and frequency of peak loads in the future. The use of synthetic fuels or carbon capture and storage (CCS) to decarbonize thermal grids would in principle represent a “business as usual” strategy, as neither technology is yet available in sufficient capacity and technological maturity. In addition, such a strategy would be fraught with major uncertainties and dependencies on foreign countries. According to calculations in this study, the use of synthetic fuels would lead to significantly higher heat generation costs for the peak load than heat generation using a renewable heat source and heat pumps.

Schlussbericht (Französisch)

L'Agence internationale de l'énergie (AIE) recommande à la Suisse de miser davantage sur les solutions renouvelables et non fossiles pour les réseaux thermiques afin de couvrir les charges de pointe. Dans la pratique, on continue toutefois à recourir le plus souvent aux énergies fossiles, bien qu'il existe de bonnes alternatives. Seule une minorité des réseaux prévus font même l'objet d'une étude de faisabilité pour une variante entièrement exempte d'énergies fossiles, sans biomasse. Si la stratégie actuelle est maintenue, les émissions de CO2 des réseaux thermiques pourraient atteindre 0.8 million de tonnes par an en 2050. Mais ce n'est pas une fatalité : Les réseaux thermiques sans combustibles fossiles et sans biomasse sont déjà techniquement possibles et économiquement réalisables aujourd'hui. Cette étude s'est penchée sur une sélection de réseaux thermiques existants et prévus, sans fossile ni biomasse, ainsi que sur des études de faisabilité. Les réseaux utilisant la biomasse (bois, biogaz) ont été exclus en raison de la disponibilité limitée de cette source d'énergie. La biomasse, ressource disponible en quantité limitée, est utilisée à bon escient dans les secteurs difficiles à décarboniser et nécessitant de la chaleur à un niveau de température élevé. Un approvisionnement en chaleur renouvelable avec des réseaux thermiques est en principe réalisable, le potentiel de chaleur des sources d'énergie renouvelables dépassant largement les besoins en chaleur de confort de la Suisse. Les technologies nécessaires (pompes à chaleur) sont déjà établies. Les défis à relever pour la mise en oeuvre de réseaux thermiques sans combustibles fossiles et sans biomasse sont donc davantage liés à la rentabilité et à l'espace souvent limité dans les centrales énergétiques. Les coûts d'investissement pour une pompe à chaleur sont nettement plus élevés que pour une chaudière à gaz, alors que les coûts d'exploitation sont faibles pour les deux. Ces coûts d'investissement élevés font que les pompes à chaleur sont en principe plus chères que les variantes fossiles lorsqu'elles sont utilisées pour couvrir les charges de pointe. Dans une comparaison des coûts complets sans les coûts uniques de raccordement, les réseaux thermiques sans biomasse considérés sont en moyenne environ 22 % plus chers qu'un échantillon du Surveillant des prix de réseaux thermiques avec couverture de la charge de pointe par la biomasse ou les énergies fossiles. Les coûts des réseaux thermiques sans énergie fossile peuvent toutefois être réduits en diminuant la charge de pointe. Pour ce faire, il existe divers concepts, tels qu'un recours accru au stockage et une optimisation de l'exploitation des réseaux thermiques. En raison du changement climatique, les hivers seront moins souvent très froids et moins froids en général. Cela réduira à l'avenir l'ampleur et la fréquence de la charge de pointe. Le recours aux combustibles synthétiques ou au captage et au stockage du carbone (CSC) pour décarboniser les réseaux thermiques constituerait en principe une stratégie de « continuité », car ces deux technologies ne sont pas encore disponibles à l'heure actuelle avec une capacité et une maturité technologique suffisantes. De plus, une telle stratégie serait soumise à de grandes incertitudes et dépendrait de l'étranger. Selon les calculs effectués dans le cadre de cette étude, l'utilisation de combustibles synthétiques entraînerait des coûts de production de chaleur nettement plus élevés pour la charge de pointe que la production de chaleur au moyen d'une source de chaleur renouvelable et de pompes à chaleur.