Energiesysteme stehen vor komplexen, langfristigen Herausforderungen, die mit einem hohen Mass an Unsicherheit behaftet sind – und diese unterscheiden sich von Land zu Land. Das von der Gruppe Energiewirtschaft am Paul Scherrer Institut PSI entwickelte Energiesystemmodell STEM ist zu einem wesentlichen Instrument für die Steuerung der Energiewende in der Schweiz geworden. Es dient der Erforschung dieser Herausforderungen und unterstützt die Entscheidungsfindung.
Vor etwas mehr als fünfzehn Jahren hatte Kannan Ramachandran eine Idee. Der Wissenschaftler in der Gruppe Energiewirtschaft am Labor für Energiesystem-Analysen (LEA) des PSI begann, an einem neuen energiewirtschaftlichen Modell für die Schweiz zu arbeiten. Eine Anschubfinanzierung des Bundesamts für Energie (BFE) half ihm dabei. Eines der Merkmale, die Ramachandran sich wünschte, war eine zeitliche Auflösung im Bereich von Stunden. Das war Neuland. Zu den Hürden, die der Forscher zu bewältigen hatte, gehörten unzureichende Daten und begrenzte Rechenressourcen. Da einige Gleichungen zum ersten Mal eingesetzt wurden, kam es häufiger zur Fehlersuche. Auch der Zeitplan war knapp bemessen: Nur zwei Jahre, um einen ersten Prototypen zu erstellen.
Evangelos Panos, inzwischen Leiter der Gruppe Energiewirtschaft, konnte als frisch eingestellter Postdoktorand sein Fachwissen in der operativen Forschung beisteuern. Er erinnert sich, wie er von dem Projekt erfuhr: «Ich sah den Zeitplan des Projekts an der Wand von Kannans Büro hängen. Als ich ihn fragte, woran er arbeite, antwortete er ganz sachlich: ‹Ich baue ein neues Energiesystemmodell für die Schweiz – in zwei Jahren sollte es fertig sein.› Ich dachte mir: ‹Wie soll das überhaupt gehen?› Aber er hat es geschafft!»
Ein Modell für die Schweizer Energiewende
Im Jahr 2025 feierte das Schweizer TIMES-Energiesystemmodell, kurz STEM, sein 15-jähriges Bestehen. Heute umfasst das Modell die gesamte Schweizer Energielandschaft – von Stromversorgung und Verkehr bis hin zu Gebäuden und Industrie. Das von der Gruppe Energiewirtschaft am PSI entwickelte Modell ist zu einem hochmodernen analytischen Instrument für die energiepolitische Analyse in der Schweiz herangewachsen und ist heute ein Eckpfeiler der nationalen Energieforschung.
Da sich die Energiesysteme verschiedener Länder voneinander unterscheiden, benötigt jedes Land sein eigenes Modell. Dieses muss die jeweiligen geografischen und klimatischen Bedingungen, die bestehende Energieinfrastruktur, die Wirtschaftsstruktur sowie die nationalen politischen Rahmenbedingungen und kulturellen Präferenzen widerspiegeln. Das gilt auch für die Energiewende. Derzeit verwenden vor allem die Wissenschaft, die Politik und Interessenverbände STEM, um den Übergang der Schweiz zu einem CO2-freien Energiesystem zu untersuchen. Mithilfe des Modells werden Fragen zur Dekarbonisierung von Strom und Verkehr, zur Integration fluktuierender erneuerbarer Energien, zur effizienten Nutzung heimischer Biomasse und zur strategischen Rolle der Wasserkraft beantwortet.
«Das Paul Scherrer Institut PSI hat Pionierarbeit geleistet, indem es das erste umfassende Energiesystemmodell für die Schweiz entwickelt hat, das alle Sektoren in einem integrierten und konsistenten Modell abbildet», erklärt Nicole Mathys. Sie war damals beim Bundesamt für Energie beschäftigt und hat das Projekt in den ersten Finanzierungsrunden unterstützt. «Das Schweizer TIMES-Energiesystemmodell (STEM) hat einen dynamischen Ansatz eingeführt, der viele Technologien umfasst. Dadurch wurde es möglich, langfristige Entwicklungspfade für die Schweizer Energiewende konsistent und datengestützt zu simulieren, zu einer Zeit, als es noch kein solches Instrument gab.»
Mittlerweile hat sich STEM durch zahlreiche Studien und Modellvergleiche zu einem wichtigen Instrument für die Bewertung robuster, kosteneffizienter und sozialverträglicher Energiekonzepte für die Schweiz entwickelt.
Jenseits traditioneller Energiesystemmodelle
Das STEM-Modell deckt alle relevanten Sektoren ab, sein zeitlicher Horizont reicht von 2010 bis 2100, und es bildet die Stromnachfrage an Wochentagen und Wochenenden in drei Jahreszeiten stündlich ab. Zu den fortschrittlichen Merkmalen von STEM gehören endogene Lastprofile, Märkte für Systemdienstleistungen, eine ausgefeilte Einsatzplanung von Erzeugungseinheiten, Einschränkungen im Stromübertragungsnetz, eine Verbrauchersegmentierung für Mobilitätsentscheidungen sowie die Abbildung von Materialströmen für prozessbedingte Emissionen. Dadurch lassen sich Erkenntnisse gewinnen, die über die Möglichkeiten traditioneller Energiesystemmodelle hinausgehen.
Zudem ist das Modell kompatibel mit anderen analytischen Instrumenten, darunter allgemeine Gleichgewichtsmodelle, markt- und agentenbasierte Modelle sowie Lebenszyklusanalysen. Dies ermöglicht eine umfassendere, multiperspektivische Szenarienentwicklung. Die umfangreiche Dokumentation und Transparenz erhöhen den Nutzen für Forschende und politische Entscheidungstragende gleichermassen.
Ein unverzichtbares Instrument für die Schweizer Energiesystemforschung
Gemäss Anne-Kathrin Faust vom Schweizerischen Bundesamt für Energie ist der Wert des STEM-Modells mit der zunehmenden Komplexität des Energiesystems deutlich gestiegen. Für detaillierte und dynamische Analysen habe sich STEM als «unverzichtbar» erwiesen, so Faust. Sie ergänzt: «Erweiterungen wie die Integration mit EU-weiten Modellen für Strom-, Wasserstoff- und CO₂-Infrastruktur, die detaillierte Modellierung der Industrie, die Darstellung des Konsumverhaltens und der flexiblen Nachfrage sowie die Kopplung mit makroökonomischen Politik- und Netzmodellen haben STEM zu einem einzigartigen Instrument für die evidenzbasierte Analyse der Energiepolitik in der Schweiz und darüber hinaus gemacht.»
Seit 2025 leisten die Gruppe Energiewirtschaft des LEA und das STEM-Modell einen Beitrag zu den Energieperspektiven 2060, welche die langfristige Energiepolitik des Landes bestimmen. Das Team hat ausserdem Tools entwickelt, die über die Schweiz hinaus ganz Europa abdecken sowie Analysen auf der Stadtebene ermöglichen, beispielsweise in Basel. Sogar ein komplettes nationales Modell für Neuseeland wurde durch das STEM-Modell inspiriert.
«Im Laufe der Jahre wurden Umfang, Tiefe und Rechenkapazität des STEM-Modells stetig erweitert, sodass es sich weltweit als eines der führenden technologiereichen energiewirtschaftlichen Modelle etabliert hat», erklärt Stefan Hirschberg, der das Labor für Energiesystem-Analysen LEA vor zwanzig Jahren gegründet und den Aufbau des Modells in der Anfangsphase unterstützt hat. Tom Kober, der vorherige Leiter der Gruppe Energiewirtschaft, meint dazu: «Ein Vergleich mit anderen Modellen zeigt, dass es zu den datenreichsten Energiesystemmodellen seiner Klasse gehört und konsistente reale Technologie- und Marktdaten abbildet.»
Das STEM-Modell wurde vom Bundesamt für Energie, von Swissgrid, Innosuisse, dem Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen (VSE) und Swisselectric Research finanziert und von vielen weiteren Partnern unterstützt.
Die nächste Stufe in der Modellierung von Energiesystemen
Da die Energiewende in der Schweiz immer komplexer wird, wird auch das STEM-Modell weiterentwickelt, um die nächste Generation politischer Entscheidungen zu unterstützen. Die Gruppe arbeitet daran, das Modell so zu erweitern, dass sich damit die dringlichsten Herausforderungen der Netto-Null-Wende sektor- und regionsübergreifend in Angriff nehmen lassen. Die neue Version wird in der Lage sein, neben Kohlendioxid (CO2) auch weitere Treibhausgase zu berücksichtigen, wie Methan (CH₄) aus der Landwirtschaft und Abfallwirtschaft sowie Lachgas (N₂O) aus dem Einsatz von Düngemitteln und industriellen Prozessen. Zudem wird STEM verwendet, um die weitreichenderen Auswirkungen des Klimawandels und der Luftverschmutzung auf Gesundheit und Wirtschaft zu beurteilen. Der nächste Schritt ist die Einbeziehung makroökonomischer Rückkopplungen. Dadurch wird das Modell in die Lage versetzt, die Wechselwirkungen zwischen der Energiewende und der Schweizer Wirtschaft zu simulieren.
Mit diesen neuen Fähigkeiten ist STEM auf dem besten Weg, das erste vollständig integrierte Bewertungsmodell der Schweiz zu werden – so wie es vor 15 Jahren das erste gross angelegte Energiesystemmodell des Landes war. Diese Entwicklungen gewährleisten, dass STEM politischen Entscheidungstragenden, der Industrie und der Öffentlichkeit auch zukünftig wissenschaftlich fundierte, gesellschaftlich relevante Erkenntnisse liefert. Russell McKenna, Leiter des LEA, fasst zusammen: «STEM ist ein unverzichtbares Instrument, um die komplexen systemischen Fragestellungen zu analysieren, die sich im Zusammenhang mit der Schweizer Energiewende stellen.»