Power-to-Gas
Das Konzept hinter der Technologie von Power-to-Gas besteht im Wesentlichen darin, brennbare Gase (beispielsweise Wasserstoff und Methan) mithilfe von Strom aus Wasser zu extrahieren. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es durch die Nutzung erneuerbarer Energien wesentlich umweltschonender ist als die bisherige Gewinnung von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen.
Wasserstoff erzeugt bei Verbrennung keine schädlichen Emissionen. Zudem lässt er sich weltweit in großen Mengen erzeugen, lagern, transportieren und bedarfsgerecht in das bestehende Erdgasnetz einspeisen. Mit der Power-to-Gas-Technologie lässt sich so der Anteil CO2-neutraler, erneuerbarer Energien an der Stromversorgung erhöhen und damit die Energiewende vorantreiben.
Inhaltsverzeichnis
Power-to-X, Power-to-Gas und weitere Power-to-Arten
Wie funktionieren Power-to-Gas-Anlagen?
Wie wird Gas gewonnen?
Wo erfolgt die Einspeisung?
Nutzungspotenzial von Synthesegasen
Gewinnung elektrischer Energie durch Rückverstromung
Erzeugung von Wärme
Antrieb von Fahrzeugen
Welche Vor- und Nachteile hat Power-to-Gas?
Vorteile
Bindung von CO2 durch Methanisierung
Ersetzung von fossilem Wasserstoff
Power-to-Gas erschließt die hohe Transportkapazität des Gasnetzes
Eignung als Langfristspeicher
Nachteile
Langfristspeicher sind erst ab größeren Auslastungen nötig
Hohe Effizienzverluste
Wie kann Power-to-Gas die Energiewende unterstützen?
Power-to-X, Power-to-Gas und weitere Power-to-Arten
Power-to-X (PtX) ist ein Sammelbegriff für alle Technologien, die temporäre Stromüberschüsse (Power) in (to) eine andere Energieform (X) umwandeln.
Power-to-Gas war die erste dieser Power-to-Technologien. Neben ihr gibt es noch anderen Formen wie Power-to-Heat (Umwandlung des Stroms in Wärme) oder Power-to-Chemicals (Umwandlung des Stroms in Rohstoffe, die in der Chemieindustrie genutzt werden können). Die Funktionsweise der Technologien ist immer ähnlich, allerdings lassen sich mit den verschiedenen Verfahren unterschiedlich hohe Wirkungsgrade der Energienutzung erzeugen. Daraus ergeben sich unterschiedliche Potenziale, was ihre Leistungsfähigkeit und Anwendungsgebiete angeht.
Je nach Anwendungsbereich, Verfahren und erzeugter Energieform (X) ändert sich zudem die Begrifflichkeit, etwa zu Power-to-Methane, Power-to-Fuel oder Power-to-Chemicals. Auch die Quelle der Energie wird in einigen Fällen zur Benennung des extrahierten Gases herangezogen. Deshalb ist manchmal auch die Rede von Windgas oder Solargas, wenn der Strom für das Power-to-Gas-Verfahren ursprünglich grüner Strom aus Wind- oder Solarenergie ist.
Wie funktionieren Power-to-Gas-Anlagen?
In Power-to-Gas-Anlagen wird regenerativ erzeugte, elektrische Energie in chemische Energie (EE-Gase) umgewandelt. Als EE-Gase bezeichnet man brennbare Gase, gewonnen durch elektrische Energie aus erneuerbaren Quellen. Im weiteren Prozess folgt darauf die Speicherung der Gase im verfügbaren Gasnetz beziehungsweise deren Weiterverarbeitung.
Wie wird Gas gewonnen?
Die Gewinnung der EE-Gase wird durch elektrischen Strom ermöglicht. Der Strom spaltet beim Prozess der Wasserelektrolyse das Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) auf. Der Wasserstoff kann nun direkt eingespeist werde., Da er eine wesentlich geringere Energiedichte als das im Gasnetz verwendete Methan aufweist, kann die Einspeisung nur in begrenzten Mengen erfolgen. Deshalb wird Wasserstoff in diesem Stadium zum Großteil methanisiert, also bei etwa 300 Grad Celsius mit Kohlendioxid (CO2) zu Methan und Wasserdampf umgesetzt. Das so gewonnene Methangas kann vollständig ins Gasnetz eingespeist oder in Gasspeichern gelagert werden. Aufgrund der Speicherfähigkeit wird dem synthetischen Methangas eine besondere Rolle im Bereich regenerativer Energien zugeschrieben.
Wo erfolgt die Einspeisung?
Wasserstoff und Methan lassen sich prinzipiell an jeder erdenklichen Stelle ins Erdgasnetz einspeisen. Vorzugsweise wird es jedoch an existierenden oder neuen Gasversorgungsbauwerken (Gaswerken, Verdichterstationen, Hybridkraftwerken, etc.) eingespeist, weil diese über die notwendige Messtechnik zur Überprüfung der eingespeisten Gasmenge verfügen.
Egal ob Wasserstoff oder Methan, es gibt vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Synthesegase. Die PtG-Technologie verbindet diverse Märkte für elektrischen Strom, Wärme und Mobilität miteinander, da sie alle auf Erdgas zurückgreifen, welches zum Großteil aus Methan besteht und deshalb durch Methan aus PtG-Anlagen ersetzt werden kann. Die drei wesentlichen Einsatzmöglichkeiten sind:
Gewinnung elektrischer Energie durch Rückverstromung
Die chemische Energie aus EE-Gas lässt sich in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen rückverstromen, allerdings mit einem relativ geringen Wirkungsgrad. Dennoch ist es dadurch möglich, den aus erneuerbaren Energien gewonnenen, überschüssigen Strom zu speichern.
Erzeugung von Wärme
Da EE-Gas dieselben chemischen Eigenschaften wie fossiles Erdgas besitzt, kann es theoretisch zum Kochen und Heizen in Privathaushalten verwendet werden. In der Praxis erweist sich dies allerdings noch als ineffizient, da hohe thermische Energieverluste bei der Gasherstellung anfallen. Im Vergleich zur effizienteren Wärmepumpenheizung wäre der Stromverbrauch um ein Vielfaches höher, was Mehrkosten für den Endverbraucher bedeutet.
Antrieb von Fahrzeugen
Die Nutzung von EE-Gas zum Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen oder Erdgasfahrzeugen ist ein weiteres mögliches Einsatzgebiet der Synthesegase. Allerdings beschränkt sich die Nutzung auf diese beiden Mobilitätsformen. Im breiten Mobilitätssektor werden eher flüssige Kraftstoffe aus Power-to-Liquid-Verfahren (zum Beispiel Methanol) eingesetzt, da sie bessere volumetrische Eigenschaften besitzen.
Vorteile von Power-to-Gas
Bindung von CO2 durch Methanisierung
Ist der Wasserstoff aus der Elektrolyse im Herstellungsprozess gewonnen, folgt häufig die Methanisierung und damit Aufbereitung des Wasserstoffs zu Methangas. Bei diesem chemischen Prozess lässt sich CO2 aus Abgasen von Kraftwerken, Biogasanlagen oder anderen industriellen Prozessen binden.
Ersetzung von fossilem Wasserstoff
Wasserstoff wird von verschiedenen Industrien in großen Mengen benötigt. Die Gewinnung erfolgt jedoch meist aus fossilen Brennstoffen. Perspektivisch könnte der mittels Elektrolyse gewonnene, grüne Wasserstoff diesen ersetzen.
Eignung als Langfristspeicher
Der wohl größte Vorteil von P2G ist die Eignung als saisonaler Langfristspeicher. Strom aus erneuerbaren Energien lässt sich damit für Zeiten der Dunkelflaute (also Zeiten, in denen Strom weder durch Solar- oder Windenergie gewonnen werden kann) oder bei zu hohen Netzbelastungen abführen und speichern.
Power-to-Gas erschließt die hohe Transportkapazität des Gasnetzes
Aufgrund des sehr gut ausgebauten Erdgasnetzes in Europa lässt sich über vorhandene Infrastrukturen eine erhebliche Menge Energie in Form von Gas transportieren. Zwar ist der Wirkungsgrad des Gases Wasserstoff wesentlich geringer als der von elektrischer Energie, allerdings ist für die Verwendung von elektrischer Energie der kostenintensive Ausbau von Hochspannungsleitungen erforderlich. Dieses Problem lässt sich umgehen, indem die Kapazitäten des Erdgasnetzes umfänglicher ausgeschöpft werden.
Nachteile von Power-to-Gas
Langfristspeicher noch nicht wirtschaftlich
Energieüberschüsse aus erneuerbaren Energien sind derzeit noch nicht in einem Maße vorhanden, das die Nutzung von Power-to-Gas-Technologien in großem Stil wirtschaftlich und energetisch sinnvoll macht. Mit Blick auf die Energiewende ist es jedoch nur eine Frage der Zeit, wann Langfristspeicher in großen Mengen notwendig werden.
Hohe Effizienzverluste
Die hohen Verluste von Energie bei Elektrolyse und Methanisierung sind die Hauptgründe für den verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad von Power-to-Gas-Anlagen. So bleibt nur rund ein Drittel der aufgebrachten Energie bei der Rückverstromung von EE-Gas erhalten. Allerdings gibt es hier verschiedene Ansätze, den Wirkungsgrad zu erhöhen, beispielsweise durch den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplung oder die Optimierung der Abwärmenutzung.
PTG ist (noch) eine teure Speicheroption
Heute ist die flächendeckende Nutzung von P2G noch nicht wirtschaftlich tragfähig und wird dies auch in naher Zukunft noch nicht werden. Dennoch: mit wachsendem Anteil erneuerbarer Energien an der Gesamtlast des Stromnetzes wird es zukünftig unabdingbar auf PTG-Technologien zurückzugreifen um Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
Das Grundproblem, das durch das vermehrte Zurückgreifen auf erneuerbare Energien entsteht, ist die geringe Flexibilität von Grundlastkraftwerken. In Zeiten hoher Einspeisungsmengen von Wind- und Solarenergie kann es zu einem Überangebot von Strom kommen. Besteht gleichzeitig eine geringe Stromnachfrage, können konventionelle Grundlastkraftwerke (Kernkraftwerke und Kohlekraftwerke) dieses Missverhältnis nur schlecht ausgleichen. Die produzierte Energie muss jedoch genutzt, exportiert oder in irgendeiner Form gespeichert werden.
Grafik 1 zeigt: Schon jetzt ist Power-to-Gas der am weitesten verbreitete PtX-Anlagentyp in Deutschland mit steigender Tendenz. Allein im Jahr 2020 lag die Anzahl der sich in Planung befindenden Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland bei 23. Somit ist beinahe eine Verdopplung der Standorte in nur einem Jahr möglich. Die meisten dieser Anlagen sind Power-to-Gas-Pilotanlagen und dienen zu Demonstrations- oder Forschungszwecken in kleinem Maßstab. Doch auch die Anzahl größerer Industrieanlagen nimmt stetig zu. Im Zuge der Energiewende wird es in naher Zukunft mit steigendem Anteil erneuerbarer Energien immer wichtiger werden, den Bedarf für saisonale Speicherung zu decken. Zu diesem Zweck stellt Power-to-Gas eine sehr interessante Lösung mit Ausbaupotenzial dar.
