Technische und Suffizienz-Massnahmen zur Reduktion der schweizerischen Treibhausgasemissionen : der Vermeidungskostenansatz

Die vorliegende Studie bietet eine Analyse des Potentials verschiedener Massnahmen zur Reduktion der Treibhausgasemissionen in der Schweiz. Einerseits wurden technische Massnahmen und andererseits auch Suffizienz-Massnahmen untersucht. Neben dem Potential zur Reduktion der CO2eq-Emissionen wurde für die technischen Massnahmen auch die zu erwartenden volkswirtschaftlichen Einsparungen oder Kosten analysiert. Bei der Auswahl der Massnahmen lag der Fokus auf etablierten und kostengünstigen Technologien oder Verfahren, welche ab heute eingesetzt werden könnten. Die in der vorliegenden Studie verwendete Methodik ist grundsätzlich dieselbe, welche McKinsey im Jahr 2009 verwendete, um eine Analyse zu den CO2eq-Reduktionskosten verschiedener Massnahmen zur Reduktion der Treibhausgase in der Schweiz durchzuführen (McKinsey, 2009b). McKinsey hatte die volkswirtschaftlichen Kosten der verschiedenen Massnahmen untersucht. Steuern, Subventionen oder indirekte Kosten, wie zum Beispiel externe Kosten, die als Folge des Klimawandels entstehen, wurden nicht berücksichtigt. Seit der Veröffentlichung der Studie von McKinsey hat die technologische Entwicklung grosse Fortschritte gemacht und die Kosten vieler emissionsarmer Technologien, wie Photovoltaik und Elektroautos, sind erheblich gesunken. Die vorliegende Studie berücksichtigt diese Entwicklungen und analysiert die Reduktionskosten basierend auf aktuellen Daten. Das Reduktionspotential der Massnahmen wurde ermittelt, indem die Emissionen, die bei der Umsetzung der Massnahmen entstehen, mit den Emissionen im Referenzfall ohne Massnahmen verglichen wurden. Analog wurden die Kosten der technischen Massnahmen mit den Kosten des Referenzfalls verglichen. Für die Referenzfälle wurde basierend auf den Prognosen der Energieperspektiven 2050 des Bundes (Prognos, 2013) und anderen Studien (Infras, 2017; TEP Energy & Ecoplan, 2019) evaluiert, wie viele Emissionen im Jahr 2030 ohne Umsetzung der untersuchten Massnahmen entstehen. Nicht alle technischen Massnahmen verursachen Mehrkosten gegenüber dem Referenzfall. Bei einigen Massnahmen führen geringere Energie- und/oder Unterhaltskosten insgesamt zu Kosteneinsparungen. Um die Kosteneffizienz der verschiedenen technischen Massnahmen bezüglich CO2eq-Reduktion zu vergleichen, wurden die jährlichen Kosten ins Verhältnis zum jährlichen Reduktionspotential gesetzt und so die spezifischen Reduktionskosten pro vermiedene Tonne CO2eq-Emissionen berechnet. Die Ergebnisse zu den technischen Massnahmen sind in einer CO2eq-Reduktionskostenkurve dargestellt und zeigen das CO2eq-Reduktionspotential auf der horizontalen Achse und die CO2eq-Reduktionskosten auf der senkrechten Achse (Abbildung 1). Sowohl das Potential wie auch die Kosten wurden für das Jahr 2030 berechnet. Gemäss dem schweizerischen Treibhausgasinventar, welches Emissionen nach dem Territorialprinzip berücksichtigt, betrug im Jahr 2018 der CO2eq-Ausstoss der Schweiz 46.6 Mio. tCO2eq (BAFU, 2020b). Durch Steigerung der Energieeffizienz und teilweise Umstellung auf fossilfreie Technologien kann im Referenzszenario der CO2eq-Austoss der gesamten Schweiz bis 2030 auf 41.8 Mio. tCO2eq reduziert werden (Schweizerischer Bundesrat, 2017). Die in Abbildung 1 gezeigten technischen Massnahmen gehen bei der Umstellung auf fossilfreie Technologien viel weiter als das Referenzszenario und mit ihrer Umsetzung könnten zusätzlich 13.6 Mio. tCO2eq eingespart werden, sodass der CO2eq-Austoss der Schweiz im Jahr 2030 auf 28.2 Mio. tCO2eq reduziert würde (Abbildung 2)

Gibt es bessere Alternativen zu fossilen Kraftwerken für die Versorgungssicherheit der Schweiz mit Strom? : eine Analyse und Interpretation von diversen Studien zur Stromversorgungssicherheit

Auf Anregung der Elektrizitätskommission (ElCom) aus dem Jahr 2021 hat der Bundesrat im Januar 2023 mit einer Verordnung entschieden, fossile Reserve-Kraftwerke mit einer maximalen Leistung von 1'000 MW zu beschaffen und entsprechende Ausschreibungen im Frühling 2023 durchzuführen (Bundesrat, 2023a). Diese sollen die Versorgungssicherheit mit Strom für die Schweiz in den nächsten Jahren gewährleisten. Im Herbst 2022 lancierte der Bundesrat zudem eine Energiesparkampagne, welche in den Wintern 22/23 und 23/24 auf freiwilliger Basis jeweils zu Winterstrom-Einsparungen von 10% bzw. 3.1 TWh führen sollen (Bundesrat, 2022). In dieser Studie werden Berichte analysiert, welche zur Entscheidung des Bundesrates über die Beschaffung von weiteren fossilen Kraftwerken geführt haben und Alternativen zu den fossilen Reserve-Kraftwerken aufgezeigt. Die grösste Bedrohung der Schweizer Stromversorgung stellt ein gleichzeitiger Ausfall aller Schweizer Atomkraftwerke im späten Winter dar, wenn die Speicherseen leer sind. In einem solchen Szenario fehlt der Schweiz insgesamt 1.6 TWh Strom und die fehlende Kraftwerkleistung beträgt bis zu 6'000 MW (ElCom, 2021b). Bei einer Einbindung der Schweiz in den EU-Strombinnenmarkt könnte selbst dieser Fall und auch der Ausfall von weiteren Kraftwerken durch zusätzliche Stromimporte bewältigt werden. Falls die EU ab 2025 die sogenannte 70%-Regel im Strommarkt auch bei einem Ausfall aller Schweizer Atomkraftwerke strikt auslegen würde und/oder selbst einen Stromengpass hätte, käme es in der Schweiz dann voraussichtlich zu einer Strommangellage in der oben erwähnten Grössenordnung. Da die Schweiz mit ihrem Stromnetz physikalisch eng in das europäische Stromnetz eingebunden ist, hätte eine solche Situation mit hoher Wahrscheinlichkeit auch Konsequenzen auf die Nachbarländer. Insofern stellt die Annahme der strikten Auslegung der 70%-Regel eine sehr konservative Annahme dar. Eine Gasmangellage in Europa und als Folge davon eine reduzierte Stromproduktion aus europäischen Gaskraftwerken würde im Extremfall zu einem Stromdefizit in der Schweiz von 0.405 TWh führen. Kurzfristig stellt dies für die Schweiz vermutlich die grössere Bedrohung als Ausfälle von Kraftwerken dar. Die fehlende Strommenge entspricht etwa der Winterstromproduktion, welche im Jahr 2023 durch den Bau von neuen Photovoltaikanlagen dazu kommt oder 13% des Winterstrom-Einsparziels des Bundesrates. Als Lösung für beide Bedrohungen wird von der ElCom im Konzept Spitzenlast-Gaskraftwerk eine Kombination aus mehreren Reserve-Gaskraftwerken mit insgesamt maximal 1'000 MW Leistung und einer Wasserkraftreserve in den Speicherseen vorgeschlagen. Die Gaskraftwerke kämen bereits mehrere Wochen vor einer absehbaren Strommangellage zum Einsatz und würden primär dazu dienen, die Speicherkraftwerke zu schonen, sodass diese einen höheren Füllstand hätten und die benötigte Leistung erbringen könnten. Das Schonen der Speicherkraftwerke muss aber nicht zwingend durch fossile Kraftwerke erfolgen. Ein rascherer Ausbau der erneuerbaren Energien gemäss dem aktuell diskutierten Mantelerlass oder Energieeffizienzmassnahmen hätten trotz witterungsabhängiger Einspeisung denselben Effekt (BFE, 2022b). Auch erhöhte Stromimporte oder das vom Bundesrat kurzfristig angestrebte Strom-Einsparziel hätte dieselbe Wirkung. Letztendlich geht es nur darum, mehr Strom im Winterhalbjahr zu erzeugen oder weniger Strom zu verbrauchen und damit die Speicherkraftwerke zu schonen. Der Füllstand der Speicherseen im Spätwinter wäre dadurch hoch, damit könnten die Speicherkraftwerke allfällige Ausfälle von anderen Kraftwerken oder fehlende Importe überbrücken. Es muss jedoch durch entsprechende Massnahmen sichergestellt werden, dass das zusätzlich zur Verfügung stehende Stromproduktionspotential im Winter von den Besitzern der Speicherkraftwerke nicht frühzeitig am Markt verkauft wird. Das Schonen der Stauseen erhöht nur dann die Versorgungssicherheit, wenn die zusätzliche Stromproduktion auch wirklich zu grösseren Reserven in den Speicherseen führt. Da die grösste Bedrohung aus einem Ausfall der Atomkraftwerke besteht und die Reservegaskraftwerke bereits Wochen vor dem Ausfall eingeschaltet werden müssten, stellt sich grundsätzlich die Frage, inwiefern ein Ausfall der Atomkraftwerke überhaupt Wochen im Voraus vorhersehbar ist. Bei einem überraschenden Ausfall der AKW bei leeren Stauseen und stark eingeschränktem Stromimport (Worst-Case-Szenario) käme es trotz fossilen Reservekraftwerken zu einer Strommangellage in der Schweiz. Ein rascherer Ausbau der erneuerbaren Stromproduktion im Winter und/oder Stromeinsparungen würde die Speicherseen in jedem Falle schonen und könnte somit besser zur Versorgungssicherheit beitragen als fossile Kraftwerke, welche bei überraschenden Ausfällen von Grosskraftwerken vermutlich zu spät zum Einsatz kommen würden. Entscheidend ist aber in allen Fällen, dass die Bildung einer Wasserkraftreserve in den Stauseen gesetzlich vorgeschrieben und überwacht wird, damit die zusätzliche Winterstromproduktion nicht einfach auf dem Markt verkauft werden kann. Zusammenfassend sind eine verbindliche Speicher-Wasserkraftreserve in Verbindung mit einem raschen Ausbau der erneuerbaren Stromproduktion (mindestens so rasch wie im Mantelerlass Energie vorgesehen) und Effizienzmassnahmen die beste Lösung für eine sichere Stromversorgung der Schweiz. Die fossilen Reservekraftwerke werden dadurch obsolet. Insofern wäre es absolut nicht nachvollziehbar, wenn die Schweiz noch weitere fossile Reservekraftwerke beschaffen würde. Deren Kosten von schätzungsweise 1.4 Mia. Fr. würde wesentlich zielführender in den Ausbau von Energieeffizienz und in die erneuerbare Stromproduktion investiert

When Size Matters: Active Area Dependence of PEFC Cold Start Capability

Understanding the freezing mechanism of liquid water within polymer electrolyte fuel cells (PEFC) is crucial for its commercialization for mass market. Although various publications investigated the cold start capability of PEFCs, contradictory behaviors during cold starts at freezing temperatures have been published in literature. Interestingly, differences can be mainly identified between large and small size fuel cells: the latter have a significantly higher cold start capability than large size fuel cells. In order to understand the influence of different active areas, we present measurements of cold starts performed with cells sizes of 1 and 50 cm2 using the same materials, including a large count of experiments (>200) on the 1 cm2 cells to perform statistical analysis. The cold start capability is strongly reduced with an increasing size of the active area, and the operating times changes from stochastic values for small cells to reproducible values for large cells. Both effects can be explained by the higher probability of the aggregate state transition from super-cooled water to ice in large cells. Consequently this paper highlights the implications of downscaling PEFCs to draw conclusions for technical relevant cold-starts.ISSN:0013-4651ISSN:1945-711

Statistical Analysis of Isothermal Cold Starts of PEFCs: Impact of Gas Diffusion Layer Properties

In this paper, we present experimental results about the influence of a hydrophobic coating of gas diffusion layers (GDL) and the existence of a micro porous layer (MPL) on the cold start capability of Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC). The experiments were performed on five different cell configurations with an active area of 1 cm2 including GDLs of 0, 5, 20 wt% PTFE with and without MPL. Two different experiments were realized: First, a statistical analysis of more than 700 isothermal cold starts was performed to analyze the stochastic freezing behavior of supercooled water inside the fuel cells. Second, a certain number of cold starts were investigated with high-resolution neutron radiography in order to understand the implications of the water distribution on the freezing mechanism. Especially at low coating loads, it was found that cell-to-cell variations are more dominant than variations of the materials. In contrast, a significantly reduced variability between the individual cells as well as a general reduction of the probability of cell failure was observed at high coating loads. The observed effects can be mainly explained by changed morphology of the investigated materials. Regarding the existence of an MPL, only minor effects were observed which could be assigned to a different local distribution of water in the porous layers.ISSN:0013-4651ISSN:1945-711

Improved Water Management for PEFC with Interdigitated Flow Fields using Modified Gas Diffusion Layers

Polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) with interdigitated flow fields were operated with modified gas diffusion layers (GDLs). Interdigitated flow fields have dead-ended channels, which forces the gas to flow convectively through the GDLs to the outlet channels and significantly reduces the mass transport losses. However, when using conventional GDLs, the water accumulation at the end of the inlet channels results in an increased and unpredictable pressure drop, which translates in unstable performance. This has prevented so far the use of this kind of flow fields in a stack configuration. Here, we show how GDLs optimized for water management with designed hydrophilic lines facilitate the transport of water from the dead ends to the outlet channels, which results in a lower and predictable pressure drop and in a stable performance. The voltage and pressure drop measurements were complemented by liquid water distribution measurements using high resolution neutron imaging to elucidate the water transport mechanisms. The stable pressure drop obtained with our customized GDLs allows to expect this configuration to be suitable for stack operation, opening the way to bring the benefits of interdigitated flows fields – high power density with low mass transport losses – to real fuel cell systems.ISSN:0013-4651ISSN:1945-711

Impact of the Microporous Layer on Gas Diffusion Layers with Patterned Wettability II: Operando Performance and Water Distribution Analysis by Neutron Imaging

We present the operando performance of modified gas diffusion media (GDM) in polymer electrolyte fuel cells (PEFCs) complemented by neutron imaging and pulsed gas analysis, following our previous publication on synthesis and water distribution of modified GDMs. We tested different types of hydrophobic GDMs: a commercial GDM, a GDM with highly porous microporous layer (MPL) and other with crack-free MPL and contrasted them to modified GDM. The modified materials consists on gas diffusion layers (GDL) with patterns of hydrophilic and hydrophobic regions and with different crack-free MPLs. To enhance the GDL patterned wettability efficiency "weak spots" such as a patterned wettability MPL or micro-holes punched into the MPL aligned with the pattern of the GDL were incorporated into the samples and their performance was contrasted to a GDL with patterned wettability and hydrophobic MPL. The experiments show that the GDMs with crack-free MPLs (with or without patterned wettability GDLs) have a higher cell performance and lower mass transport losses than the other fully hydrophobic GDM. No significant performance difference could be established due to the incorporation of modifications to the GDM.ISSN:0013-4651ISSN:1945-711

Spatially Resolved Analysis of Freezing during Isothermal PEFC Cold Starts with Time-of-Flight Neutron Imaging

We demonstrate that the use of high duty cycle time-of-flight (HDC-TOF) neutron transmission imaging allows a spatially resolved analysis of the aggregate state of water during isothermal cold starts of polymer electrolyte fuel cells (PEFCs). Neutron attenuation at long wavelengths depends on the mobility of protons and is therefore lower for ice compared to liquid water. With the experimental setup used in our experiment (chopper disk duty cycle of 30%) attenuation at long wavelengths normalized to attenuation at short wavelengths leads to a contrast between ice and super-cooled water higher than 6% and a measurement time of a few minutes is sufficient to detect reliably phase changes of thick water layers (≈0.5 mm), i.e. when water is present in the flow field channels. Using this method, local freezing events were identified during an isothermal cold start, which was corroborated by locally resolved measurements of the latent heat released during freezing. The impact of systematic biases such as the scattered background was evaluated, showing that a precise correction is of utmost importance if the aggregate state is to be determined in an absolute way. If such a highly precise correction is not possible, the detection of freezing events is still possible by observing relative changes during time series.ISSN:0013-4651ISSN:1945-711