Artikel aktualisiert am 17.08.2022 | von Henry Faber | ca: 5 Min. zu lesen

Grüner Strom: Power-to-Gas-Technologie – Was ist das?

Energie speichern, transportieren und zu einem späteren Zeitpunkt wiederverwenden, Power-to-Gas-Technologie (PtG) ermöglicht es. Auch erneuerbare Energien, wie die Solarkraft, können somit eine neue Form der Einspeicherung und Weiterverwendung erfahren. 

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© Vadim – stock.adobe.com

Im Zuge der Energiewende ist nicht nur die Erzeugung nachhaltiger Energien zentral, sondern auch die effiziente Speicherung. Zu diesem Zweck wird bei der Power-to-Gas-Methode erneuerbare Energie durch Elektrolyse in Wasserstoff oder synthetisches Methan umgewandelt. In diesem Zustand ist es flexibel anwendbar und kann sogar über längere Zeit gelagert werden. 

Power-to-Gas Technologie: Elektrolyse und Methanisierung

Power-to-Gas ermöglicht es, die im Stromsektor gewonnene erneuerbare Energie in großen Mengen zu speichern und in Form von Gas flexibel weiterzunutzen. Diese Methode ist somit sehr zukunftsweisend für die voranschreitende Energiewende, da beispielsweise das Methan eine gute Alternative zu umweltschädlichen Gasen darstellt. 

Bei Power-to-Gas wird aus Strom Wasserstoff (PtH2, Elektrolyse) oder in einem weiteren Prozessschritt Methan (PtCH4, Methanisierung) erzeugt. Durch Anwendung geeigneter Syntheseverfahren ist auch eine weitere Umwandlung in flüssige Brennstoffe möglich (Power-to-Liquid, PtL). Wenn der Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt wird, sind die entstehenden chemischen Energieträger nahezu emissionsfrei.

Quelle: eha.net

Wie funktioniert Power-to-Gas-Technologie?

Der Prozess kann vereinfacht in drei Schritte unterteilt werden:

  1. Die Elektrolyse: Unter der Verwendung von Strom, wird Wasser in seine Bestandteile, zwei Wasserstoff- und zwei Sauerstoffmoleküle, zerlegt. 
  2. Der Wasserstoff kann in Gasform nun als Brennstoff verwendet werden.
  3. Durch eine Reaktion aus einem CO2-Molekül und vier H2-Molekülen kann der Wasserstoff in Methan umgewandelt und somit umweltschonend weiterverwendet werden.

Das klimaneutrale, künstliche Methan kann nun beispielsweise zum Heizen verwendet werden. Der Wasserstoff kann zum Betrieb von Autos weiterverwendet werden. Beide Stoffe tragen somit zu einem umweltschonenden Betrieb von Heizungen und emissionsfreier Mobilität bei. 

Schon gewusst? Schon jetzt ist es möglich, rund 200 Terawattstunden Energie in unterirdischen Gasspeichern zu speichern – das entspricht etwa der 23.000-fachen Kapazität eines modernen Pumpspeicherkraftwerks.

Erneuerbare Energien durch Power-to-Gas Technologie einspeichern und weiterverwenden

Eine der langfristigen Strategien zur Verringerung der Emissionen aus fossilen Brennstoffen basiert auf der Umstellung von konventionellen auf erneuerbare Energiequellen. Erneuerbare Energiequellen, wie Wind-, Solar- oder Wasserkraftwerke erzeugen „kostenlose“ und emissionsfreie Energie. Leider sind ihre Produktionsprogramme nur sehr schwer vorhersehbar und können zu Energieschwankungen im Netz führen. Trotz der Probleme, die sie aufwerfen, gelten sie als die Energiequellen der Zukunft. Die oben genannten Probleme können gelöst werden, indem Energie gespeichert wird, wenn das Angebot die Nachfrage übersteigt. Genutzt wird sie ansonsten, wenn die Nachfrage größer ist als das Angebot

In Bezug auf den Transport und das Speichern von Strom aus erneuerbaren Energien, wird beispielsweise der Transport von Windstrom aus Norddeutschland gesehen. Da in den stark nachgefragten Gebieten in Süddeutschland die entsprechenden Stromleitungen fehlen, könnte die PtG-Technologie hier Abhilfe schaffen. Ein weiteres Beispiel ist die PtG-Demonstrationsanlage in Rapperswil, Schweiz. Hier wurde von 2014 bis 2017 Solarstrom verwendet, um ein künstliches Methan zu erzeugen. 

PtG-Technologie zum Ausgleich saisonaler Energieschwankungen

Besonders im saisonalen Kontext und der Abhängigkeit von Strom in Bezug auf geopolitische Entwicklungen ist die Energiegewinnung und Einspeicherung in Kombination mit der PtG-Technologie interessant. Denn am Beispiel von Deutschland ist der Energieverbrauch nicht gleichmäßig über das Jahr verteilt. In den kälteren Monaten treibt das Heizen die Nachfrage erheblich in die Höhe. Auch die Windenergieproduktion steigt im Winter an, während die Sonnenenergie vor allem im Sommer erzeugt wird. Die Elektrifizierung der Heizung, zum Beispiel durch den Einsatz von Wärmepumpen, würde die saisonalen Schwankungen des Gasverbrauchs durch saisonale Auswirkungen auf den Strommarkt ersetzen.  

Beim derzeitigen Stand der Technik können Batterien nicht genug Energie in angemessener Größe oder zu erschwinglichen Kosten speichern, um saisonale Schwankungen auszugleichen. Daher verbrennt Deutschland derzeit fossiles Gas in Reservekraftwerken, um die Nachfrage zu decken. Synthetisches Methan könnte eine kohlenstoffneutrale Alternative darstellen. Es könnte auch als Alternative zu elektrischen Wärmepumpen in Gebäuden eingesetzt werden, in denen diese nicht installiert werden können.

Fazit: Wie wirtschaftlich und praktikabel ist Power-to-Gas Technologie?

In Deutschland ist, gemäß einer Studie der Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH, die PtG-Technologie auf dem Weg zur Reife und zunehmend in kommerziellen Anwendungen zu finden. In Deutschland sind mehr als 50 PtG-Anlagen mit einer gesamten Ektrolyseurleistung von über 55 MW in Betrieb oder geplant. Aus globaler Sicht wird, aufgrund der COVID-19-Pandemie, die Größe des globalen Wasserelektrolyse-Marktes auf 458,28 Millionen US-Dollar im Jahr 2022 geschätzt und bis 2028 auf eine angepasste Größe von 3240,15 Millionen US-Dollar prognostiziert. 

Ein Knackpunkt der PtG-Technologie ist der Wirkungsgrad, welcher aufgrund der Mehrfachumwandlung des Stroms niedriger ausfällt. Hier sowie im nachhaltigen Bau der Kraftwerke scheint es noch Verbesserungsbedarf zu geben. Auch die Investitionskosten fallen mit 2.500 bis 3.500 Euro pro Kilowattstunde noch hoch aus (Quelle: dena). Dennoch werden im Zuge der Energiewende und aufgrund der geopolitischen Lage, nachhaltige Speicher von Energie in Zukunft wohl eine wachsende Wichtigkeit erfahren. Die PtG-Technologie ist dabei ein passendes Beispiel, um die Kette der nachhaltigen Stromerzeugung sowie der Einspeicherung passend abzuschließen. 

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