Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Die chemische Speicherung von Strom bietet die Chance, um eine der großen Herausforderungen der Energiewende, nämlich die Verfügbarkeit von erneuerbarem Strom über mehrere Wochen und Monate hinweg, zu meistern.

Dies erforder zum einen große Speicherkapazitäten, in denen die Energiemengen für Bedarfszeiten zwischengelagert werden können, und zum anderen ein Speichermedium, dessen Energieinhalt sich auch nach längerer Zeit nicht gemindert hat – sprich dessen Selbstentladerate sehr gering oder null ist.

Den letztgenannten Anspruch erfüllen vor allem solche Speicher, die Strom in einen chemischen Stoff umwandeln. Dieser chemische Stoff wird über seinen stoffspezifischen Heizwert zum Energieträger und damit zum Stromspeicher. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Power-to-Gas-Verfahren, da mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Verfahren aus Strom gasförmige Stoffe erzeugt werden.

    • Wasserstoff

Über das Verfahren der Elektrolyse kann Wasser (H2O) mit Hilfe von regenerativem Strom in seine Bestandteile Wasserstoff (H2)und Sauerstoff (O2) zerlegt werden. Das entstehende Wasserstoffgas weist einen Heizwert von ca. 3 kWh/m³N auf.

elektrolyseur 

Die Elektrolyse, also die Trennung von Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff, wird in sogenannten Elektrolyseuren umgesetzt. Der Wirkungsgrad liegt für die Wasserstofferzeugung in hocheffizienten Elektrolyseuren bei bis zu 75 %. Wasserstoff in komprimierter Form ist ein in druckdichten Tanks speicher- und lagerfähiger Stoff, der in begrenztem Umfang sogar direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden kann, von wo aus er den Verbrauchern dank der flächendeckend ausgebauten Erdgasinfrastruktur dezentral zur Verfügung stehen kann. Auf Grund anderer Stoffeigenschaften des Wasserstoffs im Vergleich zu Methan, dem Hauptbestandteil des Erdgases (z. B. bezüglich der Molekülgröße, Heizwert etc.), kann Wasserstoff nicht in uneingeschränkten Mengen in das Gasnetz eingespeist werden.

Alternativ kann er für Anwendungen der Industrie oder Mobilität eingesetzt werden, insbesondere, wenn sich Verbraucher in der näheren Umgebung befinden und somit Transportwege und -kosten vermieden werden können.

    • Methan

Mit Hilfe eines weiteren Verfahrensschrittes kann aus Wasserstoff Methan (CH4) erzeugt werden. Die Energie des ursprünglich zu speichernden Stroms war also zunächst im Wasserstoff und ist nun abzüglich der jeweiligen Umwandlungsverluste im Methan enthalten. Dieses mit Erneuerbaren Energien hergestellte Methan wird häufig auch als „erneuerbares Erdgas“ bezeichnet.

Für die Methanisierung ist neben dem Wasserstoff ein zweiter Einsatzstoff erforderlich: Kohlenstoffdioxid (CO2). Die chemische Reaktion von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan [4 H2 + CO2 --> CH4 + 2 H2O] kann technisch durch Aufwendung hoher Drücke und Temperaturen hervorgerufen werden. Ein weiterer Verfahrensweg nutzt mikrobiologische Vorgänge, worin methanogene Mikroorganismen – deren Nährstoffversorgung und günstige Lebensbedingungen vorausgesetzt – Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan verstoffwechseln. Für beide Verfahrenswege ist der Energieeinsatz zur Herstellung der erforderlichen Prozessbedingungen relativ hoch, was den energetischen Wirkungsgrad der Methanerzeugung (derzeit bis zu 60 %) negativ beeinflusst. Die Rückverstromung des Methans z. B. in modernen Gas- und Dampfkraftwerken (GuDs) oder Blockheizkraftwerken (BHKWs) vermindert den Gesamtwirkungsgrad weiter auf rund 40 %.

Dennoch hat das Power-to-Gas-Verfahren durch Kopplung an das Erdgasnetz einen besonderen Status inne hinsichtlich der Speicherreichweiten von mehreren Monaten sowie der großen Speicherkapazität für überschüssige Energiemengen. Auf Grund der identischen Eigenschaften und chemischen Struktur von fossilem und erneuerbarem Methan bietet sich das Erdgasnetz für den Transport zu den Verbrauchern auf der einen Seite sowie für die Lagerung großer Energiemengen auf der anderen Seite an. Das deutsche Erdgasnetz verfügt über große Speichervolumina in Form von unterirdischen Hohlräumen (sog. Kavernen- oder Porenspeichern). Darin werden bereits heute Erdgasvorräte gelagert, jedoch handelt es sich dabei überwiegend um fossiles Erdgas aus Importen. Sind alle vorhandenen Kapazitäten mit Erdgas gefüllt, so steht eine Energiemenge von 230 TWh zur Verfügung. Ein weiterer Ausbau kann eine Steigerung auf 380 TWh ermöglichen. Diese Energie würde ausreichen, um den Strombedarf Deutschlands für drei (bzw. nach der Erweiterung für fünf Monate) vollständig zu decken. Mit zunehmender Einspeisung erneuerbaren Methans, z. B. aus Power-to-Gas-Anlagen aber auch aus Biogasanlagen, steigt die Bedeutung des Erdgasnetzes als erneuerbarer Energiespeicher.

Ein weiterer Vorteil der Power-to-Gas-Verfahren liegt in der Verwertung anfallenden Kohlenstoffdioxids: CO2 ist für seine klimaschädlichen Eigenschaften bekannt und wird in großen Mengen bei der Verbrennung fossiler Energieträger emittiert. Bislang bestehen keine sinnvollen Einsatz- oder Verwertungsmöglichkeiten für CO2. Mit der Technik, es zusammen mit Wasserstoff in Methan zu transformieren, steht nun aber ein Verfahren zur Verfügung, durch welches das das CO2 „recyceln“ und damit die Klimabelastung vermindert werden kann.

PtG-Grafik Vertikal

Das erneuerbare Erdgas steht grundsätzlich für verschiedene Anwendungen zur Verfügung:

  • Rückverstromung in effizienter Kraft-Wärme-Kopplung (GuDs oder BHKWs)
  • Wärmeversorgung von Privathaushalten oder Industrie und Gewerbe
  • Regenerativer Kraftstoff für die Mobilität (Gasantriebe)

Somit kann Power-to-Gas nicht nur als klassische Speichermethode angesehen werden, die Strom über diverse Umwandlungsschritte wieder in Form von Strom zur Verfügung stellt, sondern als zentrales Element einer Energiewende, die nicht nur den Strombereich im Fokus hat, sondern auch regenerative Lösungen für die Bereiche Wärme und Mobilität bereitstellt.

 


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