Glossar  Energie Wissen

Power-to-Gas

Das Konzept hinter der Technologie von Power-to-Gas besteht im Wesentlichen darin, brennbares 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.

Der Vorteil von Wasserstoff liegt darin, dass er bei Verbrennung keine schädlichen Emissionen erzeugt. 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.

 

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 – 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?

Kurz gesagt erfolgt in Power-to-Gas-Anlagen die Umwandlung regenerativ erzeugter, elektrischer Energie in chemische Energie (als EE-Gase). 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. Dieser Wasserstoff kann nun direkt eingespeist werden, allerdings nur in begrenzten Mengen, da er eine wesentlich geringere Energiedichte als das im Gasnetz verwendete  Methan vorweist. Deshalb wird Wasserstoff in diesem Stadium zum Großteil methanisiert, sprich 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.

Erneuerbare Energiequellen

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. 

Nutzungspotenzial von Synthesegasen

Egal ob als 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, überschüssigen Strom erzeugt aus erneuerbaren Energien zu speichern.

Wärmekraftwerk

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 bis dato 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.

Junge Frau am Fenster

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 bisweilen 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.

Biomasse

Nachteile von Power-to-Gas

Langfristspeicher sind erst ab größeren Auslastungen nötig

Energieüberschüsse aus erneuerbaren Energien sind derzeit noch nicht in einem Maße vorhanden, als das die Nutzung von Power-to-Gas-Technologien in großem Stil wirtschaftlich und energetisch sinnvoll ist. 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 Berechnungen zufolge 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.

Wie kann Power-to-Gas die Energiewende unterstützen?

Das Grundproblem, das durch das vermehrte Zurückgreifen auf erneuerbare Energien entsteht, ist der geringe Grad an Flexibilität von Grundlastkraftwerken. In Zeiten von hohen Einspeisungsmengen von Wind- und Solarenergie kann es zu einem Überangebot von Strom kommen, ausgelöst durch die gleichzeitige geringe Stromnachfrage. Konventionelle Grundlastkraftwerke (Kernkraftwerke und Kohlekraftwerke) können dieses Missverhältnis jedoch nur schlecht regeln, allerdings muss die Energie 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 – Tendenz steigend. Allein im Jahr 2020 lag die Anzahl der sich in Planung befindenden Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland bei 23, was nahezu eine Verdopplung der Standorte in nur einem Jahr bedeutet. 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.

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Fotos: Jorrit Lousbergg / Vattenfall, Jimmy Eriksson / Vattenfall, Vattenfall