Wie kann die Dekarbonisierung von Heiz- und Kühlsystemen in der Schweiz umfassend beschleunigt werden?

Die Dekarbonisierung von Heiz- und Kühlsystemen in der Schweiz kann umfassend beschleunigt werden, indem die im SWEET DeCarbCH Projekt verfolgten Strategien und Massnahmen umgesetzt werden. 

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors in der Schweiz innerhalb von drei Jahrzehnten zu bewältigen und die Grundlage für negative CO2-Emissionen zu schaffen, mit dem letztendlichen Ziel von Netto-Null-Emissionen. Um dies zu erreichen, konzentriert sich DeCarbCH darauf, die Implementierung erneuerbarer Energien für Heizung und Kühlung im Wohn-, Dienstleistungs- und Industriesektor zu erleichtern, zu beschleunigen und die damit verbundenen Risiken zu minimieren.

Dies soll durch folgende Hauptmassnahmen und Ansätze erreicht werden.

• Bereitstellung evidenzbasierter Handlungsempfehlungen:
• Wo, in welchem Ausmass und wann bestimmte Technologiekombinationen umgesetzt werden sollen.
• Unterstützung der Planung durch modellbasierte Analysen und Entwicklung von Szenarien für Angebot, Verteilung und Nachfrage von erneuerbaren Heiz- und Kühldienstleistungen.
• Quantifizierung des Nutzens von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen.
• Anleitung zu Politikmassnahmen und gesetzlichen Regelungen, die die Umsetzung von erneuerbarem Heizen und Kühlen ermöglichen, sowie durch Einbindung relevanter Akteure und Sicherstellung des notwendigen Akzeptanzniveaus. Dazu gehört die Analyse rechtlicher und sozioökonomischer Herausforderungen und die Entwicklung eines Fahrplans zur Reduzierung von Barrieren.

Entwicklung, Pilotierung und Demonstration kommerziell tragfähiger Technologiekombinationen:

Dies soll dazu beitragen, die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken.

DeCarbCH konzentriert sich dabei auf drei Hauptkomponenten:

• Fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien.
• Thermische Netze (für Heizung und Kühlung), die als wesentlich für die Energiewende und die schnelle Dekarbonisierung des Gebäudebestands angesehen werden. Es wird prognostiziert, dass der Einsatz thermischer Netze bis 2050 von 5 % auf 40 % ansteigen wird, was fünf Millionen Tonnen CO2-Emissionen einsparen könnte. Sie ermöglichen die Integration grosser erneuerbarer Energiequellen und die Nutzung von Abwärme, z.B. aus Rechenzentren. Die Entwicklung von thermischen Netzen der 5. Generation (5GDHC) spielt eine wichtige Rolle, da sie in Kombination mit Erdwärmespeichern und Wärmepumpen den Strombedarf im Winter erheblich senken können. Auch bestehende Hochtemperaturnetze können durch Temperatursenkung optimiert werden, um die Effizienz zu steigern.
• Energiespeicherung. Für diese Komponenten werden optimale Kombinationen (technisch, wirtschaftlich und ökologisch) sowie die notwendigen Bedingungen für ihre Implementierung ermittelt. 

Anwendung eines lösungsorientierten, interdisziplinären Ansatzes:

• Dies erfolgt projektweit und innerhalb jedes Arbeitspaketes.
• Die Arbeitspakete befassen sich mit Subsystemen (z.B. Netze mit erneuerbaren Energien und Energiespeicherung, Industrie, eigenständige Systeme), Fallstudien (z.B. Zürich und die Romandie) und spezifischen Ansätzen (Recht und Sozioökonomie, Energiesystemmodellierung). Diese Ansätze führen zu Empfehlungen für politische Entscheidungsträger und andere Stakeholder.

Fokus auf spezifische Sektoren und Technologien:

• Industriesektor: Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung des Prozessenergiebedarfs auf Unternehmens- und Sektorebene zur Identifizierung von Integrationsmöglichkeiten für erneuerbare Energien und zur Nutzung von Abwärme. Besonders relevant ist die Entwicklung dampfbetriebener Wärmepumpen für Nachrüstungen.
• Negative CO2-Emissionen Technologien: Untersuchung verschiedener Optionen (Vergasung, Fermentation, Verbrennung) und die Integration von Wärmepumpen in CO2-Abscheidungsprozesse, sowie neue Ansätze wie Membranabscheidung und CO2-Speicherung in Baumaterial.
• Geothermie: Identifizierung von Gebieten mit idealen Untergrundbedingungen und deren Kombination mit dem Energiebedarf an der Oberfläche, um sogenannte Günstigkeitskarten für die Nutzung von Erdwärme zu erstellen. 

Pilot- und Demonstrationsprojekte (P&D):

Fünf P&D-Projekte sind für die zweite Hälfte von DeCarbCH geplant, um die Ergebnisse der Forschung in der Praxis anzuwenden, zu testen und zu validieren. Beispiele sind die Transformation eines Gebiets in Zürich, die Erhöhung der Abwärmenutzung aus Verbrennungsanlagen, die Implementierung erneuerbarer Energien in der Industrie, ein Würfel für kohlenstoffneutrales Heizen/Kühlen und die Demonstration negativer Emissionstechnologien. Durch diese Kombination von Forschung, praktischer Anwendung, politischer Gestaltung und Einbindung relevanter Akteure zielt das DeCarbCH-Projekt darauf ab, die Transformation der Schweizer Wärme- und Kältesysteme hin zu einer kohlenstofffreien Zukunft massgeblich zu beschleunigen.

Wie wurde SWEET Projekt DeCarbCH entwickelt?

Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Implementierung erneuerbarer Energien für Heizung und Kühlung im Wohn-, Dienstleistungs- und Industriesektor zu erleichtern, zu beschleunigen und die damit verbundenen Risiken zu minimieren.

Fokus auf Schlüsselkomponenten.

Die Entwicklung des Projekts konzentriert sich auf drei Hauptkomponenten, die als entscheidend für die Dekarbonisierung identifiziert wurden:

• Fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien.
• Thermische Netze (für Heizung und Kühlung): Diese werden als wesentlich für die Energiewende und die schnelle Dekarbonisierung des Gebäudebestands angesehen. Es wird erwartet, dass der Einsatz thermischer Netze bis 2050 von 5 % auf 40 % ansteigen wird, was fünf Millionen Tonnen CO2-Emissionen einsparen könnte.
• Energiespeicherung. Für diese Komponenten sollen optimale Kombinationen (technisch, wirtschaftlich und ökologisch) sowie die notwendigen und wünschenswerten Bedingungen für ihre Implementierung ermittelt werden.

Entwicklung strategischer Ansätze und Vorgehensweisen:

• Um das übergeordnete Ziel zu erreichen, wurde ein lösungsorientierter, interdisziplinärer Ansatz für das gesamte Projekt und innerhalb jedes Arbeitspakets gewählt. Die Entwicklung des Projekts beruht auf mehreren strategischen Säulen:
• Bereitstellung evidenzbasierter Handlungsempfehlungen: Dies beinhaltet die Analyse, welche Technologiekombinationen wo, in welchem Ausmass und wann umgesetzt werden sollen. Modellbasierte Analysen unterstützen die Planung durch die Entwicklung von Szenarien für Angebot, Verteilung und Nachfrage von erneuerbaren Heiz- und Kühldienstleistungen.
• Quantifizierung des Nutzens: Der Wert von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen wird quantifiziert.
• Politikmassnahmen und gesetzliche Regelungen: Das Projekt entwickelt evidenzbasierte Anleitungen, wie die Umsetzung durch Politikmassnahmen und gesetzliche Regelungen ermöglicht werden kann, und wie relevante Akteure eingebunden werden können, um die notwendige Akzeptanz zu sichern. Dazu gehört die Analyse rechtlicher und sozioökonomischer Herausforderungen.
• Entwicklung, Pilotierung und Demonstration kommerziell tragfähiger Technologiekombinationen:
• Dies soll dazu beitragen, die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken.

Strukturierung in Work Packages (WPs) und Pilot & Demonstration (P&D) Projekte.

 Die Umsetzung dieser strategischen Ansätze erfolgt durch eine detaillierte Aufteilung in Arbeitspakete (WPs) und geplante Pilot- & Demonstrationsprojekte (P&Ds), die jeweils spezifische Entwicklungsbereiche abdecken.

• WP01/WP08 (Energiesystemmodellierung):
• • Entwicklung von Systemmodellen zur Erforschung von Dekarbonisierungspfaden und zur Quantifizierung des Wertes von erneuerbarem Heizen/Kühlen und negativen CO2-Emissionen.
• WP02/WP09 (Rechtliche und sozioökonomische Integration): Analyse von Rechts- und Sozioökonomie, um Barrieren abzubauen und Empfehlungen für notwendige Rahmenbedingungen zu geben. Die ZHAW ZOW ist hier führend.
• WP03 (Thermische Netze):
• • Entwicklung technischer Lösungen für zukünftige thermische Netze, einschliesslich Energiespeicher und Temperaturreduktionsstrategien. Die HSLU trägt hier zur Entwicklung neuartiger Netzarchitekturen bei.
• WP04/WP10 (Industriesektor):
• • Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung des Energiebedarfs und zur Identifizierung von Integrationsmöglichkeiten für erneuerbare Energien und Abwärmenutzung in der Industrie.
• WP05/WP11 (Kombination von Technologien und Speicherung):
• • Fokus auf optimale Kombinationen von bestehenden und zukünftigen Technologien zur Erreichung mittlerer und hoher Temperaturen sowie Kühlung.
• WP06/WP07 (Fallstudien):
• • Anwendung, Test und Validierung der entwickelten Ansätze und Tools an konkreten Standorten wie Zürich und der Romandie, um Barrieren und Erfolgsfaktoren zu verstehen. Die Stadt Zürich dient dabei als "ideales Labor".
• WP12 (Negative CO2-Emissionen):
• • Untersuchung verschiedener Optionen für negative Emissionstechnologien und deren Integration.
• WPPD1-5 (Pilot- & Demonstrationsprojekte):
• • Fünf P&D-Projekte sind für die zweite Hälfte des DeCarbCH-Projekts geplant, um Forschungsergebnisse in der Praxis anzuwenden und zu validieren. Beispiele sind die Transformation eines Gebiets in Zürich (WPPD1), die Steigerung der Abwärmenutzung aus Verbrennungsanlagen (WPPD2), die Implementierung von erneuerbaren Energien in der Industrie (WPPD3), ein Energie-Würfel für kohlenstoffneutrales Heizen/Kühlen (WPPD4) und die Demonstration negativer Emissionstechnologien (WPPD5).

Das Konsortium – Gebündelte Expertise.

Hinter DeCarbCH steht ein breites Konsortium aus renommierten Schweizer Hochschulen und Forschungsinstitutionen, die ihre Expertise bündeln. Zu den beteiligten Hauptpartnern gehören:

• Universität Genf (UniGE) (Koordinator).
• Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA).
• Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ).
• Hochschule Luzern (HSLU).
• Ostschweizer Fachhochschule (OST).
• Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) (mit dem Zentrum für Öffentliches Wirtschaftsrecht (ZOW) und dem Institute of Sustainable Development (INE)).
• Centre de Recherches Energétiques et Municipales (CREM).
• Institut für Nachhaltigkeits- und Demokratiepolitik (INDP).
• Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana (SUPSI).
• Haute Ecole d'Ingénierie et de Gestion du Canton de Vaud (HEIG-VD).

Durch diese umfassende und interdisziplinäre Zusammenarbeit von Forschenden, Technologen und Rechtswissenschaftlern aus verschiedenen Institutionen wurde das DeCarbCH-Projekt entwickelt, um die Transformation der Schweizer Wärme- und Kältesysteme hin zu einer kohlenstofffreien Zukunft massgeblich zu beschleunigen.

Herausforderungen.

Die Entwicklung eines solch ehrgeizigen Projekts ist naturgemäss mit einer Reihe von komplexen Herausforderungen verbunden.

Die Mammutaufgabe der umfassenden Dekarbonisierung.

Die grösste Herausforderung ist die schiere Grösse und Komplexität des Ziels: die vollständige Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors in der Schweiz in allen Bereichen – Wohn-, Dienstleistungs- und Industriesektor – innerhalb von nur 30 Jahren. 

Dies erfordert nicht nur technische Lösungen, sondern eine tiefgreifende Transformation des gesamten Energiesystems.

Technologische Komplexität und Optimierung.

Das Projekt konzentriert sich auf drei Hauptkomponenten: fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien, thermische Netze und Energiespeicherung.

• Ermittlung optimaler Kombinationen: Es gilt, die besten technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Kombinationen dieser Komponenten sowie die notwendigen Bedingungen für deren Umsetzung zu finden.
• Senkung der Kosten: Die Entwicklung, Pilotierung und Demonstration wirtschaftlich realisierbarer Technologien ist entscheidend, um die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken. Dies deutet darauf hin, dass die aktuellen Lösungen oft noch zu teuer sind.

Herausforderungen bei thermischen Netzen:

Während 5th-Generation District Heating and Cooling (5GDHC) Netze als zukunftsweisend gelten, müssen auch bestehende Hochtemperaturnetze durch Temperatursenkungen optimiert werden, was deren Effizienz steigert und die Integration erneuerbarer Energien erleichtert. Dies stellt eine grosse Herausforderung für bestehende Infrastrukturen dar.

Die Entwicklung neuartiger Netzarchitekturen und Regelstrategien ist notwendig, um einen optimalen und robusten Betrieb nachhaltiger Fernwärme- und -kältenetze zu gewährleisten.

Integration im Industriesektor: Es ist eine Herausforderung, den spezifischen Wärmebedarf in der Industrie (Menge und Temperatur) genau zu verstehen, um erneuerbare Energien und Abwärmenutzung effizient zu integrieren. Auch die Implementierung dampfbetriebener Wärmepumpen in bestehenden Industrieprozessen, wo eine Änderung des Prozesses zu kostspielig wäre, ist eine zentrale Aufgabe.

Negative CO2-Emissionen: Die Erreichung der Netto-Null-Ziele erfordert negative Emissionstechnologien, deren Entwicklung und Integration eine eigene Herausforderung darstellt.

Rechtliche, sozioökonomische und Akzeptanz-Hürden.

Die rein technischen Lösungen sind oft nicht ausreichend; es bedarf umfassender Begleitmassnahmen:

Rechtliche Rahmenbedingungen: Ein wesentlicher Teil des Projekts besteht darin, evidenzbasierte Handlungsempfehlungen für politische und gesetzliche Massnahmen zu liefern, um die Umsetzung erneuerbarer Wärme- und Kühllösungen zu ermöglichen. Dies impliziert, dass bestehende Vorschriften und Gesetze Barrieren darstellen oder angepasst werden müssen. Das Zentrum für Öffentliches Wirtschaftsrecht (ZOW) der ZHAW befasst sich speziell mit der Reduzierung dieser rechtlichen und sozioökonomischen Hindernisse.

Sozioökonomische Akzeptanz: Das Engagement relevanter Akteure und die Sicherstellung des erforderlichen Akzeptanzniveaus sind entscheidend. Ein solides Verständnis der Bedürfnisse und Interessen verschiedener Akteure auf lokaler Ebene ist grundlegend für eine kontextsensitive Bewertung zukünftiger Heiz- und Kühlsysteme.

Partizipative Prozesse bei realen Transformationen: Die "reale Transformation" eines Stadtquartiers wie in Zürich erfordert nicht nur technische Lösungen, sondern auch die Einbindung der Bevölkerung durch partizipative Prozesse. Dies zu begleiten und zu dokumentieren, um anderen Städten den Nutzen zu ermöglichen, ist eine komplexe Aufgabe.

Modellierung, Planung und Wissenstransfer.

Die Entwicklung des Projekts ist auch von der Fähigkeit abhängig, die komplexen Daten zu verarbeiten und zu kommunizieren.

Modellbasierte Analysen: Die Durchführung modellbasierter Analysen, die die Planung unterstützen, einschliesslich der Entwicklung von Szenarien für Angebot, Verteilung und Nachfrage, ist eine wichtige methodische Herausforderung. Insbesondere die Entwicklung von Systemmodellen mit höherer räumlicher Auflösung für standortgebundene Technologien wie Fernwärmenetze ist eine anspruchsvolle Aufgabe.

Quantifizierung des Wertes: Der Nutzen von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen muss präzise quantifiziert werden.

Wissens- und Technologietransfer: Die rasche Verbreitung und Nutzung der entwickelten Lösungen und Tools ist essenziell. Dazu gehört die Vereinfachung für lokale Energieplanungstools und die Zusammenarbeit mit Aus- und Weiterbildungsprogrammen.

Die Entwicklung des SWEET Projekts DeCarbCH umfasst eine Vielzahl von Herausforderungen, die von grundlegenden technologischen Fragen über sozioökonomische und rechtliche Rahmenbedingungen bis hin zu komplexen Modellierungs- und Akzeptanzfragen reichen. Der lösungsorientierte, interdisziplinäre Ansatz des Projekts, der verschiedene Arbeitspakete und Pilotprojekte miteinander verbindet, ist darauf ausgelegt, diese vielschichtigen Hürden systematisch anzugehen und die Dekarbonisierung des Schweizer Wärme- und Kältesektors zu beschleunigen.

Ziele des SWEET Projekt DeCarbCH.

Das übergeordnete Ziel ist es, die Schweiz auf Netto-Null-Emissionen vorzubereiten und sogar die Grundlagen für negative CO2-Emissionen zu schaffen. Konkret zielt DeCarbCH darauf ab, die Umsetzung erneuerbarer Energien für das Heizen und Kühlen im Wohnungs-, Dienstleistungs- und Industriesektor zu erleichtern, zu beschleunigen und die damit verbundenen Risiken zu minimieren. Um dieses ambitionierte Ziel zu erreichen, verfolgt das Projekt mehrere spezifische Hauptziele und Ansätze:

Bereitstellung von Handlungsempfehlungen und Technologien.

Ein Kernziel ist es, evidenzbasierte Orientierungshilfen zu liefern, welche Kombinationen von Technologien wo, in welchem Umfang und wann am besten umgesetzt werden sollen. Dies beinhaltet:

Die Entwicklung, Pilotierung und Demonstration wirtschaftlich realisierbarer Technologiekombinationen, um die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken.

Die Quantifizierung des Nutzens von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen.

Adressierung technologischer Herausforderungen in Schlüsselkomponenten.

Das Projekt konzentriert sich auf drei Hauptkomponenten, für die optimale Kombinationen (in technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht) sowie notwendige Bedingungen für ihre Implementierung ermittelt werden sollen:

Fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien.

Thermische Netze (für Wärme und Kälte), die als essenziell für die Energiewende und schnelle Dekarbonisierung des Gebäudebestands angesehen werden. Dazu gehört die Entwicklung neuartiger Netzarchitekturen und Regelstrategien für einen optimalen und robusten Betrieb nachhaltiger Fernwärme- und Fernkältenetze. Auch die Optimierung bestehender Hochtemperaturnetze durch Temperatursenkung ist ein Ziel.

Energiespeicherung.

Unterstützung der Planung und Politik.

DeCarbCH ist darauf ausgelegt, politischen Entscheidungsträgern und anderen Akteuren fundierte Empfehlungen zu geben. Dies geschieht durch:

Modellbasierte Analysen, die die Planung unterstützen, unter anderem durch die Entwicklung von Szenarien zu Angebot, Verteilung und Nachfrage erneuerbarer Wärme- und Kältedienstleistungen. WP01 entwickelt hierfür Systemmodelle mit höherer räumlicher Auflösung, besonders für ortsgebundene Technologien wie Fernwärmenetze. WP08 wird die Erkenntnisse für die Politikgestaltung vorantreiben und endbenutzerorientierte Tools für Entscheidungsträger entwickeln.

Die Bereitstellung evidenzbasierter Handlungsempfehlungen für politische und rechtliche Massnahmen, um die Umsetzung erneuerbaren Heizens und Kühlens zu ermöglichen.

Abbau von rechtlichen und sozioökonomischen Barrieren.

Ein weiterer wichtiger Fokus liegt auf der Einbeziehung relevanter Akteure und der Sicherstellung der notwendigen Akzeptanz. WP02 und WP09 zielen darauf ab, rechtliche und sozioökonomische Hindernisse für eine zeitnahe Umsetzung der vorgeschlagenen Wärme- und Kältetechnologiekombinationen zu reduzieren. Dies beinhaltet das Verständnis der Bedürfnisse und Interessen der Akteure auf lokaler Ebene, die Bewertung rechtlicher Herausforderungen bezüglich Wärmenetzen und des Ersatzes fossiler Heizsysteme, sowie die Erstellung einer Roadmap für koordinierte Massnahmen.

Fallstudien und Pilotprojekte zur praxisnahen Umsetzung und Skalierung.

Das Projekt nutzt Fallstudien in Zürich (WP06) und der Romandie (WP07) sowie geplante Pilot- und Demonstrationsprojekte (WPPD1-5), um entwickelte Ansätze, Tools und Ergebnisse in der Praxis anzuwenden, zu testen und zu verbessern.

Die "reale Transformation" eines Stadtquartiers in Zürich (WP06, WPPD1) soll nicht nur technische Lösungen testen, sondern auch die Einbindung der Bevölkerung durch partizipative Prozesse begleiten und dokumentieren, damit andere Städte davon lernen können.

Im Industriesektor (WP04, WP10, WPPD3) sollen Methoden zur Charakterisierung des Energiebedarfs entwickelt und Integrationsmöglichkeiten für erneuerbare Energien sowie Abwärmenutzung identifiziert werden, einschliesslich der Implementierung von dampfbetriebenen Wärmepumpen. WPPD3 zielt darauf ab, entwickelte multi-kriterielle Bewertungstools und -methoden für die Integration von erneuerbaren Energien in der Industrie erfolgreich anzuwenden.

WP12 und WPPD5 befassen sich mit der Entwicklung und Demonstration von negativen CO2-Emissionstechnologien, die für das Erreichen der Netto-Null-Ziele der Schweiz als notwendig erachtet werden.

Das SWEET Projekt DeCarbCH verfolgt einen ganzheitlichen, lösungsorientierten und interdisziplinären Ansatz, um die vielfältigen Herausforderungen bei der Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors in der Schweiz systematisch anzugehen. Es vereint technische Entwicklung, Modellierung, rechtliche und sozioökonomische Forschung sowie praxisnahe Pilotprojekte, um einen beschleunigten Übergang zu einem klimaneutralen Energiesystem zu ermöglichen.

Technische, rechtliche und sozioökonomischen Faktoren.

Technische Faktoren.

Die technischen Faktoren konzentrieren sich auf die optimale Kombination von drei Hauptkomponenten: fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien, thermische Netze (für Wärme und Kälte) und Energiespeicherung.

Fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien.

Wärmepumpen: Ein wichtiger Aspekt ist die Reduzierung des Strombedarfs von Wärmepumpen durch innovative Niedertemperaturmethoden zur Wärmeverteilung in Gebäuden, was den winterlichen Strombedarf in der gesamten Schweiz um mehrere TWh senken kann.

Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTHPs): Diese werden für industrielle Anwendungen, einschliesslich dampfbetriebener Wärmepumpen, als zunehmend wichtig erachtet, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Es gibt jedoch noch Unbekannte und eine Lücke bei der praktischen Umsetzung, weshalb industrielle Demonstrationen so schnell wie möglich realisiert werden sollen.

Charakterisierung des Energiebedarfs in der Industrie: Um den Stromverbrauch von Wärmepumpen zu reduzieren und die Integration erneuerbarer Energien zu erleichtern, ist es entscheidend zu verstehen, wie viel Wärme bei welcher Temperatur benötigt wird. Methodiken zur Erstellung unternehmensweiter Energiebedarfsprofile für verschiedene Branchen in der Schweiz wurden entwickelt. Beispielsweise zeigt die Anwendung auf die Schweizer Süsswarenproduktion, dass erheblicher Wärmeüberschuss vorhanden ist, der durch Wärmepumpenintegration valorisiert werden kann. 

Thermische Netze (Fernwärme- und Fernkältenetze).

Diese werden als essenziell für die Energiewende und die schnelle Dekarbonisierung des Gebäudebestands angesehen.

Das Projekt entwickelt neuartige Netzarchitekturen und Regelstrategien für den optimalen und robusten Betrieb nachhaltiger Fernwärme- und Fernkältenetze.

Optimierung bestehender Netze: Die Senkung der Temperaturen in bestehenden Hochtemperaturnetzen kann deren Effizienz erheblich verbessern und das Integrationspotenzial erneuerbarer Energien erhöhen. Eine Fallstudie in Genf zeigte, dass eine Reduktion der Vor-/Rücklauftemperatur von 110/70°C auf 90/45°C das Potenzial erneuerbarer Energien (insbesondere Geothermie) von 75% auf 82% steigern kann.

Potenzial der 5. Generation (5GDHC): Es besteht ein beträchtliches Potenzial für Fernwärme- und Fernkältenetze der 5. Generation (5GDHC), insbesondere da der Kühlbedarf im Gebäudesektor bis Mitte des Jahrhunderts dem Heizbedarf nahekommen wird. Diese Netze können den Strombedarf von Wärmepumpen reduzieren und bieten die Möglichkeit, grosse Mengen an erneuerbaren Energien und Abwärme zu integrieren.

Die Verwendung thermischer Netze soll bis 2050 von 5% auf 40% steigen, was zu einer Einsparung von fünf Millionen Tonnen CO2-Emissionen führen könnte.

Energiespeicherung.

Die Forschung umfasst die Erforschung von saisonalen Erdwärmespeichern, die im Sommer durch Kühlbedarf regeneriert werden und im Winter Wärme liefern können. Dies ist ein Schlüsselelement für 5GDHC-Netze.

Das Projekt untersucht auch neuartige Energiespeicherzyklen, wie den mit kohlenstofffreiem Aluminium für die langfristige Speicherung erneuerbarer Energie mit hoher Energiedichte.

Neue Energiequellen und Technologien für negative Emissionen.

Geothermie: Die Identifizierung vielversprechender Gebiete für die Nutzung der Erdwärme durch sogenannte Günstigkeitskarten (z.B. im Kanton Aargau) ist ein wichtiger Faktor für die Erschliessung neuer Energiequellen.

Negative CO2-Emissionstechnologien (NETs): Diese werden als notwendig erachtet, um das Netto-Null-Klimaziel der Schweiz zu erreichen. Das Projekt untersucht verschiedene Optionen (Vergasung, Fermentation, Verbrennung) und die Integration von Wärmepumpen in CO2-Abscheidungsprozesse, was ihre Bedeutung für die Dekarbonisierung unterstreicht.

Rechtliche Faktoren.

Rechtliche Massnahmen und Rahmenbedingungen sind essenziell, um die Dekarbonisierung zu ermöglichen und zu beschleunigen. Das Projekt DeCarbCH zielt darauf ab, rechtliche Barrieren zu identifizieren und zu reduzieren.

Rechtliche Herausforderungen bei Wärmenetzen und dem Ersatz fossiler Heizsysteme: Das Projekt bewertet die spezifischen rechtlichen Herausforderungen, die sich bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb von Wärmenetzen sowie beim Austausch fossiler Heizsysteme ergeben.

Politische Massnahmen und gesetzliche Regelungen: DeCarbCH liefert evidenzbasierte Handlungsempfehlungen für die Politikgestaltung. Dies beinhaltet die Untersuchung aktueller rechtlicher Fragen im Zusammenhang mit Fernwärme, wie Verantwortlichkeiten, Planungsanforderungen (Genehmigungen, Konzessionen), Delegationsanforderungen, Anschlussverpflichtungen und -rechte sowie Regeln für öffentliche Ausschreibungen.

Raumplanerische und baurechtliche Fragestellungen: Spezifische Doktorarbeiten im Rahmen des Projekts konzentrieren sich auf diese Aspekte, um praxisnahe Lösungen zu entwickeln, die die Umsetzung erleichtern.

Abbau von Barrieren: WP09 analysiert vorgeschlagene Lösungen im Hinblick auf ihre rechtlichen Konsequenzen, um rechtliche Hindernisse für eine zeitnahe Implementierung von Wärme-/Kältetechnologiekombinationen abzubauen.

Sozioökonomische Faktoren.

Die Akzeptanz und Einbeziehung relevanter Akteure sind entscheidend für die erfolgreiche Umsetzung der Dekarbonisierung. Das Projekt befasst sich intensiv mit diesen Aspekten, um sozioökonomische Barrieren zu überwinden.

Verständnis der Akteurslandschaft: Eine solide Kenntnis der Bedürfnisse und Interessen verschiedener Akteure auf lokaler Ebene – einschliesslich Versorgungsunternehmen, Gemeindeverwaltungen, Ingenieurbüros und Zwischenorganisationen – ist die Grundlage für kontextsensitive Lösungen.

Akzeptanzniveau und Partizipation: Das Projekt legt Wert auf die Einbeziehung der Bevölkerung durch partizipative Prozesse, insbesondere bei der Transformation von Quartieren. Dies soll nicht nur technische Lösungen testen, sondern auch Lernmöglichkeiten für andere Städte schaffen.

Wirtschaftliche Viabilität und Kostenreduzierung: Das Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung, Pilotierung und Demonstration wirtschaftlich realisierbarer Technologien, um die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken.

Kommerzialisierung und Skalierung: Es wird untersucht, was erforderlich ist, um die Kommerzialisierung und Integration neuer und aufkommender technologischer Lösungen zu beschleunigen. Dies beinhaltet auch die Entwicklung von Geschäftsmodellen für die Implementierung von Integrationsmöglichkeiten.

Politische und planerische Unterstützung: Das Projekt zielt darauf ab, evidenzbasierte Orientierungshilfen für Politik und Planung zu liefern. Dies beinhaltet die Entwicklung von Szenarien zu Angebot, Verteilung und Nachfrage erneuerbarer Wärme- und Kältedienstleistungen und die Quantifizierung ihres Werts.

Roadmap für koordinierte Massnahmen: Eine detaillierte Roadmap mit einem Zeithorizont bis 2050 soll die notwendigen Massnahmen und ihren Zeitplan aufzeigen, um die Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen. Diese Roadmap soll alle relevanten Akteure einbeziehen, um sicherzustellen, dass Innovationssysteme, Governance-Arrangements und lokale sowie nationale Politiken die rechtzeitige Dekarbonisierung unterstützen.

Subventionssysteme: Im Rahmen der Fallstudie Zürich werden auch Subventionssysteme für die Implementierung thermischer Netze untersucht, um Einblicke in Erfolgsfaktoren und Barrieren zu gewinnen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die stärksten Einflussfaktoren die technologische Reife und Integrationsfähigkeit von Wärmepumpen und thermischen Netzen, die Fähigkeit, Geothermie und negative Emissionstechnologien zu nutzen, sowie die Schaffung eines unterstützenden rechtlichen Rahmens und die Erhöhung der gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Akzeptanz und Beteiligung sind. Die umfassende Berücksichtigung dieser interdisziplinären Faktoren ist der Schlüssel zur Beschleunigung der Dekarbonisierung in der Schweiz.

Schwerpunkte des SWEET Projekts.

Fokus auf Schlüsselkomponenten des Energiesystems.

Das Projekt konzentriert sich auf drei zentrale Komponenten, für die optimale Kombinationen (in technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht) sowie notwendige Bedingungen für ihre Implementierung ermittelt werden sollen:

Fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien. Dies beinhaltet die Entwicklung und Demonstration von Technologien zur Kostensenkung von erneuerbarem Heizen und Kühlen. Ein Beispiel ist die Forschung an Hochtemperatur-Wärmepumpen (HTHPs) für industrielle Anwendungen, die fossile Brennstoffe ersetzen können.

Thermische Netze (für Wärme und Kälte). Diese werden als essenziell für die Energiewende und die schnelle Dekarbonisierung des Gebäudebestands angesehen. Die Forschung umfasst die Entwicklung neuartiger Netzarchitekturen und Regelstrategien für einen optimalen Betrieb nachhaltiger Fernwärme- und Fernkältenetze. Auch die Optimierung bestehender Hochtemperaturnetze durch Temperatursenkung ist ein Ziel, um die Integration erneuerbarer Energien zu erhöhen. Es wird erwartet, dass der Einsatz thermischer Netze bis 2050 von 5% auf 40% steigen wird, was zu einer Einsparung von fünf Millionen Tonnen CO2-Emissionen führen könnte.

Energiespeicherung. Hierzu gehört die Erforschung von saisonalen Erdwärmespeichern, insbesondere im Kontext von Fernwärme- und Fernkältenetzen der 5. Generation (5GDHC), welche im Sommer durch Kühlbedarf regeneriert werden können und im Winter Wärme liefern.

Modellbasierte Analysen und Szenarienentwicklung zur Planungsunterstützung.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Erstellung von evidenzbasierten Orientierungshilfen für Politik und Planung. Dies geschieht durch:

Modellbasierte Analysen, die die Planung unterstützen, unter anderem durch die Entwicklung von Szenarien zu Angebot, Verteilung und Nachfrage erneuerbarer Wärme- und Kältedienstleistungen. Das Work Package 01 (WP01) entwickelt hierfür Systemmodelle mit höherer räumlicher Auflösung, besonders für ortsgebundene Technologien wie Fernwärmenetze.

Die Quantifizierung des Nutzens von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen.

Das Work Package 08 (WP08) wird die Forschungsergebnisse für die Politikgestaltung vorantreiben und endbenutzerorientierte Tools für Entscheidungsträger entwickeln.

Abbau von rechtlichen und sozioökonomischen Barrieren.

Das Projekt legt einen starken Fokus auf die Einbeziehung relevanter Akteure und die Sicherstellung der notwendigen Akzeptanz. Die Work Packages 02 (WP02) und 09 (WP09) zielen darauf ab, rechtliche und sozioökonomische Hindernisse für eine zeitnahe Umsetzung der vorgeschlagenen Wärme- und Kältetechnologiekombinationen zu reduzieren. Dies beinhaltet:

Das Verständnis der Bedürfnisse und Interessen der Akteure auf lokaler Ebene.

Die Bewertung rechtlicher Herausforderungen bezüglich Wärmenetzen und des Ersatzes fossiler Heizsysteme.

Die Erstellung einer Roadmap für koordinierte Massnahmen mit einem Zeithorizont bis 2050, um die Netto-Null-Emissionsziele zu erreichen.

Praxisnahe Umsetzung und Skalierung durch Fallstudien und Pilotprojekte.

DeCarbCH nutzt Fallstudien und geplante Pilot- und Demonstrationsprojekte (P&D), um entwickelte Ansätze, Tools und Ergebnisse in der Praxis anzuwenden, zu testen und zu verbessern.

Die "reale Transformation" eines Stadtquartiers in Zürich (WP06, WPPD1) dient als einzigartige Möglichkeit, nicht nur technische Lösungen zu testen, sondern auch die Einbindung der Bevölkerung durch partizipative Prozesse zu begleiten und zu dokumentieren, um Lernmöglichkeiten für andere Städte zu schaffen.

Im Industriesektor (WP04, WP10, WPPD3) sollen Methoden zur Charakterisierung des Energiebedarfs entwickelt und Integrationsmöglichkeiten für erneuerbare Energien sowie Abwärmenutzung identifiziert werden. Dazu gehört auch die Implementierung von dampfbetriebenen Wärmepumpen. WPPD3 zielt darauf ab, entwickelte multi-kriterielle Bewertungstools und -methoden für die Integration von erneuerbaren Energien in der Industrie erfolgreich anzuwenden.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Erschliessung neuer Energiequellen wie der Geothermie, wofür Günstigkeitskarten erstellt werden, die vielversprechende Gebiete für die Nutzung von Erdwärme aufzeigen.

Das Work Package 12 (WP12) und Work Package Pilot & Demonstration 5 (WPPD5) befassen sich mit der Entwicklung und Demonstration von negativen CO2-Emissionstechnologien, die als notwendig für das Erreichen der Netto-Null-Ziele der Schweiz erachtet werden. Optionen wie Vergasung, Fermentation und Verbrennung werden im Kontext konkreter Fallstudien untersucht.

Zusammenfassend verfolgt das SWEET Projekt DeCarbCH einen umfassenden und strategischen Ansatz, um die Herausforderungen der Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors in der Schweiz zu bewältigen. Es verbindet technologische Innovation mit fundierter Modellierung, der Berücksichtigung rechtlicher und sozioökonomischer Rahmenbedingungen und der praktischen Erprobung in realen Anwendungen, um den Übergang zu einem klimaneutralen Energiesystem zu beschleunigen

Wo werden Fallstudien durchgeführt?

Im Rahmen des SWEET Projekts DeCarbCH werden Fallstudien an verschiedenen Orten in der Schweiz durchgeführt, um die Dekarbonisierung des Wärme- und Kältesektors zu erleichtern und zu beschleunigen.

Die Hauptstandorte für Fallstudien sind:

Zürich.

Das Work Package 06 (WP06) ist die erste Fallstudie und konzentriert sich auf die Stadt Zürich. Ziel ist es, die in anderen Arbeitspaketen entwickelten Ansätze, Tools und Ergebnisse an konkreten Standorten in Zürich anzuwenden, zu testen, zu validieren und zu verbessern.

Die Stadt Zürich plant die "reale Transformation eines Quartiers hin zur Klimaneutralität". Dies bietet eine einzigartige Möglichkeit, nicht nur die Forschungsergebnisse zu testen und zu überwachen, sondern auch reale Situationen in der Komplexität einer bebauten Stadt zu erkunden. Dabei sollen die Einbeziehung der Bevölkerung durch partizipative Prozesse begleitet und dokumentiert werden, um Lernmöglichkeiten für andere Städte zu schaffen.

Zürich wird als "ideales Labor" für die Beschleunigung der Wärme- und Kältewende aufgrund eines reichhaltigen Datenpools betrachtet.

Ein geplantes Pilot- und Demonstrationsprojekt (WPPD1) ist die "Reale Transformation eines spezifischen Gebiets in Zürich".

Romandie.

Das Work Package 07 (WP07) befasst sich mit Fallstudien in der Romandie. Der Schwerpunkt liegt auf Strategien und Potenzialen zur Temperaturreduktion in bestehenden Fernwärmenetzen (DH-Netzwerke). Dies ist besonders relevant für bestehende Gebäude, wo hohe Verteilungstemperaturen eine Herausforderung darstellen.

Konkrete Fallstudien in diesem Bereich umfassen:

Ein 5th Generation District Heating and Cooling (5GDHC) P&D-Projekt mit der Gemeinde Grandvaux (VD) ist im Gange.

Ein bestehendes Fernwärmesystem der 2. Generation in Genf (CAD-SIG), bei dem eine Temperaturreduktion von 110/70°C auf 90/45°C das Integrationspotenzial erneuerbarer Energien – insbesondere Geothermie – von 75 % auf 82 % erhöhen kann.

Die Studie zur Temperaturreduktion in bestehenden Fernwärme-Übergabestationen (DH SST) konzentriert sich zudem auf CAD Le Marais-Rouge in Les Ponts-de-Martel.

Industriesektor (Schweizweit):

Das Projekt zielt darauf ab, die Umsetzung erneuerbarer Energien im Dienstleistungs- und Industriesektor zu erleichtern.

Work Package 04 (WP04) entwickelt Methoden zur Charakterisierung des Energiebedarfs in der Industrie und identifiziert Möglichkeiten zur Integration erneuerbarer Energien und Abwärmenutzung. Es wurde eine Methodik entwickelt, um unternehmensweite Energiebedarfsprofile für verschiedene Branchen in der Schweiz zu erstellen.

Eine Anwendung auf die Schweizer Süsswarenproduktion zeigt, dass beträchtliche Abwärme vorhanden ist, die durch Wärmepumpenintegration valorisiert werden kann.

Das Team arbeitet auch mit verschiedenen Unternehmen zusammen, um eine industrielle Demonstration von dampfbetriebenen Wärmepumpen zu realisieren, insbesondere für Nachrüstungen.

Geplante Pilot- und Demonstrationsprojekte (WPPD3 und WPPD4) sollen die Implementierung erneuerbarer Energien für das Heizen und Kühlen in der Industrie demonstrieren.

Geothermie-Potenzial (Kantone):

Für die Erschliessung neuer Energiequellen wie der Geothermie wurden sogenannte Günstigkeitskarten erstellt, die vielversprechende Gebiete für die Nutzung der Erdwärme aufzeigen. Dies ist zum Beispiel für weite Teile des Kantons Aargau der Fall, und weitere Schritte zur Erkundung und Nutzung dieses Potenzials sind in Abstimmung mit dem Kanton geplant.

Negative CO2-Emissionstechnologien:

Work Package 12 (WP12) untersucht verschiedene Optionen (Vergasung, Fermentation, Verbrennung) im Kontext konkreter Fallstudien mit Kunden und Technologieanbietern.

Ein P&D-Projekt (WPPD5) ist für die Demonstration einer negativen Emissionstechnologie geplant, die aus einer Vorauswahl in WP12 hervorgehen wird.

Das Projekt verfolgt einen lösungsorientierten, interdisziplinären Ansatz, der diese verschiedenen Fallstudien nutzt, um die entwickelten Konzepte, Tools und Ergebnisse in der Praxis anzuwenden, zu testen und zu verbessern.

Wie können Pilotprojekte und Modellierungen die Umsetzung erneuerbarer Energien vorantreiben?

Pilotprojekte und Modellierungen sind für das SWEET DeCarbCH-Projekt von zentraler Bedeutung, um die Dekarbonisierung von Heiz- und Kühlsystemen in der Schweiz voranzutreiben, zu beschleunigen und die damit verbundenen Risiken zu minimieren. Sie tragen massgeblich dazu bei, Netto-Null-Emissionen zu erreichen und die Grundlagen für negative CO2-Emissionen zu schaffen. Pilot- und Demonstrationsprojekte (P&D-Projekte) sind darauf ausgelegt, die technologische Reife zu erhöhen (von TRL 5 auf TRL 6) und die Kommerzialisierung und Integration neuer Lösungen zu beschleunigen. Sie verfolgen folgende Ziele:

Entwicklung und Demonstration wirtschaftlich realisierbarer Technologien: P&D-Projekte zielen darauf ab, Kombinationen von kommerziell realisierbaren Technologien zu entwickeln, zu pilotieren und zu demonstrieren. Dies trägt dazu bei, die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken.

Empirische Grundlage für Richtlinien: Fallstudien, wie jene in Zürich (WP06) und der Romandie (WP07), liefern zusammen mit den P&D-Projekten eine empirische Basis für die Formulierung von Leitlinien zur Umstellung von Quartieren auf ein treibhausgasfreies Heiz-/Kühlsystem.

Erprobung in realen Situationen und Wissenstransfer: Das geplante P&D-Projekt WPPD1 in Zürich konzentriert sich auf die tatsächliche Transformation eines Stadtgebiets hin zu erneuerbarem Heizen und Kühlen. Dies bietet eine einzigartige Möglichkeit, Erkenntnisse unter komplexen realen Bedingungen zu testen und zu überwachen. Die Ergebnisse und Erfahrungen sollen dokumentiert und verbreitet werden, damit andere Städte und Gemeinden davon profitieren können. Dabei werden technische Lösungen aus früheren Arbeitspaketen angewendet.

Einbeziehung der Bevölkerung: Ein wichtiger Aspekt ist die Beteiligung der Bevölkerung durch partizipative Prozesse, um die Akzeptanz zu fördern und soziale Barrieren abzubauen.

Spezifische Demonstrationen.

Abwärmenutzung: WPPD2 zielt darauf ab, ein Demonstrationsprojekt zur Erhöhung der Abwärmenutzung aus Kehrichtverbrennungsanlagen zu entwickeln und innovative Lösungen für Heizung und Dekarbonisierung zu präsentieren.

Industrielle Anwendungen: WPPD3 konzentriert sich darauf, die in der Industrie entwickelten Bewertungswerkzeuge und -methoden zur Integration erneuerbarer Energien erfolgreich anzuwenden. Dies beinhaltet die Unterstützung von Entscheidungsträgern bei der Geschäftsmodellentwicklung, Installation, Instrumentierung, Überwachung und dem Benchmarking. Zudem wird an der Realisierung einer industriellen Demonstration von dampfbetriebenen Wärmepumpen gearbeitet, da diese besonders relevant für Nachrüstungen sind, bei denen eine Änderung des industriellen Prozesses zu kostspielig wäre.

Integrierte Energiesysteme: WPPD4 wird einen "Renewable Energy Cube" demonstrieren, ein erneuerbares, kohlenstoffarmes Energiesystem, das Industrieprozesse kontinuierlich mit Wärme bis zu 160°C und mit Kühlung versorgt.

Negative Emissionstechnologien: WPPD5 wird eine ausgewählte negative Emissionstechnologie demonstrieren.

Generation der Fernwärme/-kälte.

Ein P&D-Projekt mit der Gemeinde Grandvaux (VD) demonstriert bereits das erhebliche Potenzial von Fernwärme- und Fernkältenetzen der 5. Generation (5GDHC), insbesondere in Kombination mit saisonalen Erdwärmespeichern. Modellbasierte Analysen sind entscheidend für die Planungsunterstützung und die Entwicklung von Dekarbonisierungspfaden. Die Modellierung spielt folgende Rollen:

Szenarienentwicklung und Wertquantifizierung: Modellbasierte Analysen unterstützen die Planung durch die Entwicklung von Szenarien für Angebot, Verteilung und Nachfrage von erneuerbaren Heiz- und Kühldienstleistungen. Sie helfen auch, den Wert dieser Dienstleistungen sowie den Wert negativer CO2-Emissionen zu quantifizieren.

Räumlich aufgelöste Dekarbonisierungspfade: Das Arbeitspaket WP01 entwickelt ein systemweites Modell der thermischen Energieversorgung, um Dekarbonisierungspfade mit hoher räumlicher Auflösung zu untersuchen, die besonders für standortgebundene Technologien wie Fernwärmenetze erforderlich sind.

Entwicklung von Entscheidungshilfen und Politikempfehlungen: WP08 führt die Modellierungsarbeiten weiter, um endnutzerorientierte Tools für Entscheidungsträger zu entwickeln. Die Energiemodelle werden kontinuierlich aktualisiert, um aktuelle technische und politische Trends widerzuspiegeln, und liefern aktualisierte Pfade und Politikempfehlungen.

Optimierung von Technologien und Systemen:

Wärmepumpen: Modellierungen tragen dazu bei, innovative Niedertemperaturmethoden zur Wärmeverteilung in Gebäuden zu identifizieren, die den Strombedarf von Wärmepumpen in der Schweiz um mehrere TWh senken können.

Thermische Netze: Es werden neuartige Netzarchitekturen und Regelstrategien für den optimalen und robusten Betrieb nachhaltiger Fernwärme- und Fernkältenetze entwickelt, auch durch dynamische physikalische Simulationen. Modellierungen zeigen, dass eine Temperaturabsenkung in bestehenden Hochtemperaturnetzen deren Effizienz erheblich verbessert und das Integrationspotenzial erneuerbarer Energien (z.B. Geothermie in Genf von 75% auf 82%) steigert.

Charakterisierung des industriellen Energiebedarfs: WP04 entwickelt Methoden zur Erstellung unternehmens- und sektorweiter Energiebedarfsprofile für die Schweizer Industrie. Dies hilft, den Stromverbrauch von Wärmepumpen zu reduzieren und die Integration erneuerbarer Niedertemperatur-Energiequellen zu erleichtern, wie eine Anwendung auf die Schweizer Süsswarenproduktion mit erheblichem Abwärmeüberschuss zeigte.

Bewertung negativer Emissionstechnologien: Modellierungen von Energiesystemen haben die Bedeutung neuer Ansätze für negative Emissionstechnologien wie Membranabscheidung von kleineren Emittenten oder die Speicherung von CO2 in Baumaterialien aufgezeigt.

Unterstützung der Entscheidungsfindung in der Industrie: WP10 entwickelt ein Multikriterien-Entscheidungstool, das technische, betriebliche und wirtschaftliche Aspekte sowie Schlüsselkriterien für die Entwicklung von Geschäftsmodellen zur Integration erneuerbarer Energien in der Industrie berücksichtigt.

Ermittlung optimaler Technologiekombinationen: Das Projekt konzentriert sich darauf, optimale Kombinationen von fortschrittlichen erneuerbaren Energietechnologien, thermischen Netzen und Energiespeichern unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten zu ermitteln.

Zusammenfassend ermöglichen Pilotprojekte die praktische Erprobung und Demonstration von Lösungen unter realen Bedingungen, fördern die Akzeptanz und den Wissenstransfer. Modellierungen hingegen liefern die strategischen Grundlagen und Optimierungspfade, indem sie Szenarien analysieren, Potenziale quantifizieren und Entscheidungshilfen für die Politik und Akteure entwickeln. Beide Ansätze ergänzen sich und sind unerlässlich, um die Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlsystems in der Schweiz effektiv und effizient voranzutreiben.

Welche Ziele verfolgt WP09?

WP09, mit dem Titel "Legal and socio-economic integration of proposed solutions", ist darauf ausgelegt, Empfehlungen für die rechtlichen und sozioökonomischen Massnahmen und Rahmenbedingungen zu liefern, die für eine zeitnahe Dekarbonisierung des Schweizer Heiz- und Kühlsystems notwendig sind. Es baut dabei auf den Analysetools und rechtlichen Anforderungen auf, die in WP02 entwickelt wurden, und passt diese im Lichte von Fallstudien und Fortschritten in der Energieumwandlungs-, Speicher- und Verteilungstechnologie an.

Die spezifischen Ziele von WP09 sind:

• Verständnis der neu vorgeschlagenen Lösungen aus anderen Arbeitspaketen und Bewertung ihrer möglichen rechtlichen und sozioökonomischen Konsequenzen.
• Identifizierung und Bewertung verschiedener Lösungen, um rechtliche und sozioökonomische Hürden für eine zeitgerechte Implementierung der vorgeschlagenen Heiz- und Kühltechnologiekombinationen abzubauen.
• Vorschlag von Massnahmen und Verfahren, um die Implementierung aufstrebender Technologien zu realisieren, insbesondere deren Industrialisierung, Kommerzialisierung und die Einhaltung rechtlicher Anforderungen zu ermöglichen.
• Das Arbeitspaket wird Erkenntnisse aus den Fallstudien (WP06 für Zürich und WP07 für die Romandie) sowie aus verschiedenen Pilot- und Demonstrationsprojekten (P&D-Projekten) nutzen, um eine empirische Grundlage für die Formulierung von Leitlinien zur Umstellung von Quartieren auf ein treibhausgasfreies Heiz- und Kühlsystem zu schaffen. Schliesslich werden die gewonnenen Erkenntnisse aus dem gesamten DeCarbCH-Projekt in einer Roadmap zusammengefasst, die einen Zeitplan für koordiniertes Handeln aller relevanten Akteure aufzeigt. Diese Roadmap soll sicherstellen, dass das Innovationssystem, die Governance-Regelungen sowie lokale und nationale Politiken die rechtzeitige Dekarbonisierung des Schweizer Heiz- und Kühlsystems ermöglichen.

WP09, das von Prof. Dr. iur. Andreas Abegg (ZHAW-ZOW) geleitet wird, hat eine geplante Laufzeit von Januar 2021 bis Dezember 2028. Das Zentrum für Öffentliches Wirtschaftsrecht (ZOW) der ZHAW befasst sich speziell mit den rechtlichen Fragestellungen in WP02 und WP09, um Empfehlungen für die notwendigen rechtlichen Massnahmen und Rahmenbedingungen zu erarbeiten. Das Team bewertet Möglichkeiten, rechtliche, soziale und wirtschaftliche Barrieren für die Entwicklung und Implementierung von sauberen Heiz- und Kühllösungen zu reduzieren, einschliesslich der Bewertung von Herausforderungen bezüglich thermischer Netze und des Ersatzes fossiler Heizsysteme.

Welche Rolle spielen Wärmenetze?

Wärmenetze (Thermal Grids), auch als Fernwärme- oder Fernkältenetze bekannt, spielen eine zentrale und wesentliche Rolle für die Energiewende und die schnelle Dekarbonisierung des Gebäudebestands in der Schweiz:

Überwindung der Dekarbonisierungsherausforderung: Das DeCarbCH-Projekt befasst sich mit der enormen Herausforderung der Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlsystems in der Schweiz innerhalb von drei Jahrzehnten und bereitet den Weg für negative CO2-Emissionen vor. Wärmenetze sind dabei ein Schlüsselelement, um dieses Ziel zu erreichen.

Verbindung von Angebot und Nachfrage: Wärmenetze ermöglichen den Transport thermischer Energie über Rohrleitungen, um die räumliche Trennung zwischen Wärmequellen/-senken und Verbrauchern zu überbrücken. Dies ist entscheidend, da Heizung, Warmwasserbereitung, Prozesswärme und Kühlanwendungen einen erheblichen Teil des nationalen Energiebedarfs ausmachen, nämlich 45 % des gesamten Energieverbrauchs der Schweiz und 35 % ihrer Treibhausgasemissionen.

Integration erneuerbarer Energien und Abwärme:

• Wärmenetze sind entscheidend für die Integration grosser erneuerbarer Energiequellen.
• Sie ermöglichen die Nutzung und Wiederverwendung verschiedener Energiequellen, einschliesslich der thermischen Energie aus Schweizer Seen und Abwärme, beispielsweise aus Rechenzentren oder Kehrichtverbrennungsanlagen.
• Das DeCarbCH-Projekt konzentriert sich auf die optimale Kombination von fortschrittlichen erneuerbaren Energietechnologien, thermischen Netzen und Energiespeichern, unter technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten.

Zukünftiges Potenzial und Effizienzsteigerung:

• Es wird prognostiziert, dass der Einsatz von Wärmenetzen in der Schweiz bis 2050 von 5 % auf 40 % steigen wird, was nach aktuellen Berechnungen fünf Millionen Tonnen CO₂-Emissionen einsparen könnte.
• Die 5. Generation von Fernwärme- und Fernkältenetzen (5GDHC) zeigt ein erhebliches Potenzial, insbesondere in Kombination mit saisonalen Erdwärmespeichern.
• Modellierungen und P&D-Projekte zeigen, dass eine Temperaturabsenkung in bestehenden Hochtemperaturnetzen deren Effizienz erheblich verbessert und das Integrationspotenzial erneuerbarer Energien (z.B. Geothermie in Genf von 75% auf 82%) steigert.
• Durch die Nutzung niedrigerer Temperaturen im Netz werden Energieverluste minimiert.

Forschung und Entwicklung im DeCarbCH-Projekt:

• Das Arbeitspaket WP03 widmet sich der Entwicklung technischer Lösungen für zukünftige Wärmenetze und zugehörige Dienstleistungen wie thermische Speicher. Es zielt darauf ab, ein fundiertes Verständnis neuer Wärmenetzkonzepte, Temperaturreduktionsstrategien und zugrunde liegender Regelalgorithmen zu entwickeln, die als Grundlage für die zukünftige Energieplanung dienen sollen.
• Das Forschungsteam der HSLU (Hochschule Luzern) in DeCarbCH trägt zur Entwicklung neuartiger Netzarchitekturen und Regelstrategien bei, um den optimalen und robusten Betrieb nachhaltiger Fernwärme- und Fernkältenetze zu gewährleisten.
• Fallstudien wie in WP06 (Zürich) und WP07 (Romandie) untersuchen die Anwendung, Validierung und Verbesserung von Ansätzen und Werkzeugen für die Umstellung auf kohlenstoffneutrale Wärmeversorgung in Städten und Gemeinden, wobei die Rolle von Wärmenetzen besonders beleuchtet wird.
• Ein P&D-Projekt mit der Gemeinde Grandvaux (VD) demonstriert bereits das Potenzial von 5GDHC-Netzen in Kombination mit saisonalen Erdwärmespeichern.
• Es gibt Bestrebungen, die Abwärmenutzung aus Kehrichtverbrennungsanlagen über Wärmenetze zu steigern (WPPD2).

Rechtliche und sozioökonomische Integration.

Die Arbeitspakete WP02 und WP09 befassen sich mit den rechtlichen und sozioökonomischen Rahmenbedingungen, die für eine zeitnahe Dekarbonisierung des Heiz- und Kühlsystems in der Schweiz notwendig sind.

Dazu gehört die Bewertung rechtlicher Herausforderungen im Zusammenhang mit Wärmenetzen und dem Ersatz fossiler Heizsysteme.

Es werden Massnahmen und Verfahren vorgeschlagen, um die Industrialisierung und Kommerzialisierung von Technologien zu ermöglichen und die Einhaltung rechtlicher Anforderungen sicherzustellen.

Ein aktueller Lunch Talk befasste sich mit "Current legal issues relating to district heating" und adressierte Themen wie Verantwortlichkeiten, Planungsanforderungen, Genehmigungen, Konzessionen, Anschlussverpflichtungen und Vergaberegeln.

Eine Studie des WP2-Teams hat 17 semi-strukturierte Interviews mit Akteuren im Bereich Wärmenetze durchgeführt (Versorgungsunternehmen, Gemeindeverwaltungen, Ingenieurbüros, Vermittlungsorganisationen), um die aktuellen Dynamiken zu verstehen.

Zusammenfassend sind Wärmenetze somit nicht nur eine technische Lösung, sondern ein grundlegender Pfeiler der Schweizer Energiestrategie 2050, dessen erfolgreiche Umsetzung interdisziplinäre Zusammenarbeit und die Beseitigung rechtlicher, sozialer und wirtschaftlicher Barrieren erfordert.

Wie soll SWEET Projekt DeCarbCH umgesetzt werden?

Das Projekt konzentriert sich auf drei Hauptkomponenten.

• Fortschrittliche erneuerbare Energie- und Umwandlungstechnologien.
• Thermische Netze (Fernwärme und Fernkühlung).
• Energiespeicherung.

Für diese Komponenten werden optimale Kombinationen in technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Hinsicht sowie die notwendigen und wünschenswerten Umsetzungsbedingungen ermittelt. Modellbasierte Analysen bilden eine entscheidende Grundlage für die Planung und Entscheidungsfindung.

Szenarien zu entwickeln, die das Angebot, die Verteilung und die Nachfrage von erneuerbaren Heiz- und Kühldienstleistungen abbilden. Das Arbeitspaket WP01 entwickelt beispielsweise Systemmodelle zur Erforschung von Dekarbonisierungspfaden unter verschiedenen technischen, wirtschaftlichen und politischen Annahmen, und WP08 führt diese Arbeit fort, um endnutzerorientierte Tools für Entscheidungsträger zu entwickeln und die Prognosezeiträume der Pfade zu erweitern.

Den Wert von erneuerbarem Heizen und Kühlen sowie von negativen CO2-Emissionen zu quantifizieren.

Die Effizienz thermischer Netze zu optimieren. Modellierungen zeigen beispielsweise, dass Fernwärme- und Fernkältenetze der fünften Generation (5GDHC) in Kombination mit saisonalen Erdwärmespeichern ein erhebliches Potenzial haben. Auch die Absenkung der Vorlauf- und Rücklauftemperaturen in bestehenden Hochtemperaturnetzen kann deren Effizienz erheblich verbessern und das Integrationspotenzial erneuerbarer Energien – insbesondere der Geothermie – steigern (z.B. in Genf von 75% auf 82%).

Energiebedarfsprofile im Industriesektor zu charakterisieren, was den Stromverbrauch von Wärmepumpen reduziert und die Integration erneuerbarer Niedertemperatur-Energiequellen (wie Solar- und Geothermie) erleichtert.

Die Erschliessung neuer Energiequellen zu unterstützen. Für die Geothermie wurden sogenannte Günstigkeitskarten erstellt, die ideale Untergrundbedingungen mit dem Energiebedarf an der Oberfläche kombinieren, um vielversprechende Standorte zu identifizieren.

Den Nutzen der Integration von Wärmepumpen in CO2-Abscheidungsprozesse aufzuzeigen und die Bedeutung neuer Ansätze wie Membranabscheidung oder CO2-Speicherung in Baumaterialien hervorzuheben.

Digitale Tools wie TESSA (Thermal Energy System Simulation Assistant) der Universität Genf und das SCOVILLE (Strategy Cockpits for Orchestrated Implementation of Thermal Grids in Cities and Municipalities) Modellierungs-Framework der ZHAW wurden entwickelt, um die Planung von Fernenergie zu optimieren.

Die Rolle von Pilot- und Demonstrationsprojekten (P&D-Projekte).

P&D-Projekte sind ein zentraler Pfeiler der Strategie, um die Dekarbonisierung zu beschleunigen und die entwickelten Konzepte in der Praxis zu testen und zu validieren. Sie sollen:

• Kommerziell realisierbare Technologiekombinationen entwickeln, pilotieren und demonstrieren, um die Kosten für erneuerbares Heizen und Kühlen in allen Sektoren zu senken.
• Eine empirische Basis für die Formulierung von Leitlinien zur Umstellung von Quartieren auf treibhausgasfreie Heiz-/Kühlsysteme bieten.
• Konkrete Anwendungsbeispiele und Übertragbarkeit schaffen. Fünf P&D-Projekte sind für die zweite Hälfte des DeCarbCH-Projekts geplant:
• WPPD1: Transformation in Zürich – Unterstützt die reale Umstellung auf erneuerbares Heizen und Kühlen in einem dichten Stadtgebiet durch Analysen zu rechtlichen, finanziellen, technischen und sozialen Aspekten. Ziel ist es, Erkenntnisse über Barrieren und Erfolgsfaktoren für andere Städte zu liefern und die Bevölkerung durch partizipative Prozesse einzubeziehen.
• WPPD2: Erhöhung der Abwärmenutzung aus Kehrichtverbrennungsanlagen – Steigerung der Abwärmenutzung über thermische Netze zur Reduzierung von CO2-Emissionen, exemplarisch an der Kehrichtverbrennungsanlage Buchs (SG).
• WPPD3: Umsetzung erneuerbarer Energien in der Industrie – Erfolgreiche Anwendung, Überwachung und Bewertung entwickelter Multi-Kriterien-Bewertungstools und -methoden für die Integration erneuerbarer Energien in der Industrie, um andere Unternehmen zur Teilnahme zu ermutigen.
• WPPD4: Erneuerbare Energiewürfel für Industrie und Dienstleistungssektor – Demonstration eines auf erneuerbaren Energien basierenden kohlenstoffarmen Energiesystems, das industrielle Prozesse kontinuierlich mit Wärme bis 160°C und Kühlung versorgt.
• WPPD5: Demonstration von Negativ-Emissionstechnologien – Demonstration einer spezifischen Technologie zur Erzeugung negativer CO2-Emissionen, die aus einer Vorauswahl in WP12 resultiert.
• Ein P&D-Projekt mit der Gemeinde Grandvaux (VD) demonstriert bereits das Potenzial von 5GDHC-Netzen in Kombination mit saisonalen Erdwärmespeichern. Im Industriesektor wird an der Realisierung einer industriellen Demonstration von dampfbetriebenen Wärmepumpen gearbeitet.

Rahmenbedingungen und Transfer.

Die Umsetzung wird durch evidenzbasierte Handlungsempfehlungen für Politik und Gesetzgebung geförd, wobei relevante Akteure eingebunden und die notwendige Akzeptanz sichergestellt werden. Die Arbeitspakete WP02 und WP09 analysieren rechtliche und sozioökonomische Barrieren und sollen eine Roadmap für koordiniertes Handeln entwickeln, um die pünktliche Dekarbonisierung des Schweizer Heiz- und Kühlsystems zu gewährleisten.

Der Wissenstransfer ist ein weiterer wichtiger Aspekt. Dies geschieht durch die Entwicklung von Tools für die lokale Energieplanung, die Veröffentlichung von Forschungsergebnissen, regelmässige Newsletter, Veranstaltungen wie Symposien und Konferenzen, sowie durch Weiterbildungskurse und Lunch Talks, die Expertenwissen zugänglich machen.

Modellierungen ermöglichen die strategische Planung und identifizieren optimale Technologiekombinationen, während P&D-Projekte diese Konzepte in der Praxis validieren und weiterentwickeln. Die gewonnenen Erkenntnisse fliessen dann in konkrete Empfehlungen für Politik und Gesellschaft ein, um die Energiewende in der Schweiz im Bereich Heizen und Kühlen effizient und nachhaltig voranzutreiben.

Stromnetz der Zukunft: Dekarbonisierung.

Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Stand Juni 2025.

Quellenverzeichnis:

https://www.sweet-decarb.ch/

https://www.zhaw.ch/en/research/project/73232

https://www.hslu.ch/en/lucerne-university-of-applied-sciences-and-arts/research/projects/detail/?pid=6806

https://www.sweet-decarb.ch/results/deliverables

https://www.sweet-decarb.ch/work-packages/wppd1-5

https://www.sweet-decarb.ch/work-packages/wp09

https://www.sweet-decarb.ch/wiki-2200

https://www.aramis.admin.ch/Texte/?ProjectID=48859

https://www.zhaw.ch/de/sml/institute-zentren/irw/energierecht/sweet-decarbch-decarbonisation-of-cooling-and-heating-in-switzerland

https://www.sweet-decarb.ch/fileadmin/downloads/10457-SWEET_Call_1-2020_DeCarbCH_overview.pdf

https://www.sweet-decarb.ch/fileadmin/downloads/Newsletters/DeCarbCH_Newsletter_December_2023.pdf

https://heatpumpingtechnologies.org/annex58/wp-content/uploads/sites/70/2022/03/description-of-swiss-team-for-annex-58.pdf