Power to Gas: Erneuerbare Energie konservierbar machen

Power to Gas Erneuerbare Energie konservierbar machen
Timo Klostermeier / pixelio.de

Erneuerbare Energie gibt es eigentlich im Überfluss – zumindest dann, wenn das Wetter mitspielt. Doch fehlende Speichermedien behindern die Einbindung von Solar- und Windstrom in die bestehenden Versorgungsnetze. Die sogenannte „Power-to-Gas“-Technologie soll hier Abhilfe schaffen. Was steckt hinter dem Konzept, das von manchen Experten bereits als Schlüsselelement der Energiewende gefeiert wird?

Ökostrom: Starke Schwankungen im Tagesverlauf

Das Problem bei erneuerbaren Energien ist nicht, dass es zu wenig davon gibt – ganz im Gegenteil: Wenn tagsüber die Sonne kräftig scheint und eine frische Brise weht, quellen unsere Stromnetze vor Ökostrom über. Nachts oder bei Windstille wiederum herrscht Flaute. Das hat zur Folge, dass Strom zu Spitzenzeiten mit Verlusten ins Ausland verscherbelt und später teuer zurückgekauft wird.

Pumpspeicher-Kraftwerke haben zu geringe Kapazitäten, um die witterungsbedingten Schwankungen aufzufangen. Eine Alternative dazu sind sogenannte Power-to-X-Technologien: Strom (Power), der sich als solcher nicht speichern lässt, wird in eine andere Energieform (X) verwandelt und auf diese Weise konserviert. Noch sind die meisten Power-to-X-Technologien nicht zur Marktreife gelangt. Eifrig geforscht wird vor allem an dem Konzept „Power-to-Gas“, also an der Umwandlung von überflüssigem Strom zu Gas.

Power-to-Gas: Strom wird zu Gas und Wärme

Power-to-Gas bezeichnet ein technisches Verfahren, das eigentlich zwei Schritte umfasst:

  • Elektrolyse: Zuerst wird der überschüssige Strom verwendet, um Wasser (H2O) in seine Grundbestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufzuspalten. Diese chemische Reaktion ist auch als Elektrolyse bekannt. Der dabei entstehende Wasserstoff kann entweder direkt dem Erdgasnetz zugeleitet oder als Ausgangsstoff für eine zweite chemische Reaktion genutzt werden. Zusätzlich entsteht Abwärme, die man im Idealfall für andere Zwecke gebraucht.
  • Methanisierung: In einem zweiten Schritt lässt sich aus Wasserstoff (H2) gemeinsam mit Kohlendioxid (CO2) Methan-Gas (CH4) erzeugen. Das geschieht in technischen Reaktoren, wobei genauso wie bei der Elektrolyse als Nebenprodukt Abwärme entsteht. Eine Alternative dazu ist die biologische Methanisierung: Dabei setzt man bestimmte Mikroorganismen (Archaeen) ein, die sich von Wasserstoff und Kohlendioxid ernähren und als „Abfallprodukt“ Methan-Gas freisetzen. Das tun sie sogar mit höherer Effizienz als die technischen Reaktoren.

Gasnetz als riesiger Energiespeicher

Methan-Gas ist einer der Hauptbestandteile von natürlichem Erdgas. Es kann daher problemlos und ohne jegliche Mengenbeschränkung in das bestehende Gasnetz eingespeist werden. Und dort ist genügend Platz, um überschüssige erneuerbare Energie zu speichern: Das gesamte deutsche Erdgasnetz hat – inklusive der noch in Bau befindlichen Untertage-Speicher – eine Kapazität von rund 332 Terawattstunden (TWh)! Berechnungen des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) zufolge sind selbst bei einem Anteil von 80 Prozent Erneuerbaren am Strom-Mix lediglich Speicherkapazitäten von 30 TWh nötig.

Wasserstoff hingegen, der im ersten Schritt der Power-to-Gas-Reaktion entsteht, lässt sich zu maximal 5 Prozent dem bestehenden Erdgas beimischen. Das hat technische Gründe, denn Wasserstoff kann zu Schäden an Gasleitungen führen und im schlimmsten Fall eine Knallgasreaktion hervorrufen. Andererseits ist die direkte Speicherung von Wasserstoff effizienter als seine Umwandlung in Methangas, weil es dabei zu zusätzlichen Energieverlusten kommt.

Und was geschieht weiter mit dem Gas? Das lässt sich entweder genauso wie herkömmliches Erdgas zur Wärmeerzeugung, also etwa zum Heizen und Kochen mit Gas nutzen. Oder man verwandelt es bei Bedarf wieder zurück in Strom. Die sogenannte Rückverstromung ist in Gaskraftwerken oder in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen möglich, wobei letztere einen höheren Wirkungsgrad von bis zu 62 Prozent aufweisen. – Bei der Stromerzeugung in Gaskraftwerken erreicht man dagegen lediglich Wirkungsgrade von 30 bis 44 Prozent. Eine weitere Möglichkeit wäre, das entstandene Erdgas zum Antrieb von Gasfahrzeugen zu nutzen.

Power-to-Gas als zentrales Element der Energiewende

Der Einsatz von Power-to-X-Technologien im großen Stil ist derzeit noch Zukunftsmusik. In insgesamt mehr als 20 Pilotanlagen wird deutschlandweit aber fleißig an der Standardisierung und Verbesserung des Power-to-Gas-Verfahrens geforscht. Dabei geht es vor allem daran, die Kosten zu senken und die Effizienz zu erhöhen. Denn die Energieverluste bei der Methanisierung und Rückverstromung sind nicht unerheblich, was ein gewichtiger Nachteil des Verfahrens ist.

Andererseits könnten Power-to-Gas-Anlagen als flexibler „Puffer“ die Einbindung von Wind- und Solarstrom in das bestehende Stromnetz deutlich erleichtern. Das wäre ein wichtiger Beitrag zu einer stabilen, sicheren Stromversorgung aus erneuerbaren Energien. Und nicht zuletzt erlaubt es das Verfahren, klimaschädliches Kohlendioxid, das vielerorts als Abfallprodukt entsteht, einer sinnvollen Nutzung zuzuführen. Auch dieser „Nebeneffekt“ ist ein sinnvoller Schritt auf dem Weg in eine nachhaltige Energiezukunft.

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