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Power-to-Gas: Erdgasinfrastruktur als Energiespeicher - Ein Lösungsansatz zur Speicherproblematik

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Vielversprechender Ansatz zur Lösung der Speicherproblematik
Workshop von Bundesnetzagentur und Fraunhofer-Institut IWES in Berlin

Über den Beitrag des Gasnetzes zur Speicherung erneuerbarer Energien diskutierten in Berlin Experten aus Unternehmen und Verbänden der Energiewirtschaft, aus Wissenschaft, Politik und Verwaltung. Die Bundesnetzagentur und das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel hatten zu einem Workshop zum Thema „Power-to-Gas“ eingeladen.

Der Begriff Power-to-Gas steht für ein Konzept, bei dem überschüssiger Strom dazu verwendet wird, per Wasserelektrolyse Wasserstoff zu produzieren und bei Bedarf in einem zweiten Schritt unter Verwendung von Kohlendioxid (CO2) in synthetisches Methan umzuwandeln. Als Speicher für dieses Methan und bis zu einem gewissen Volumenanteil auch des elementaren Wasserstoffs könnte die bestehende Erdgasinfrastruktur, also das Gasnetz mit den angeschlossenen Untertagespeichern, verwendet werden.

„Die Idee, Wasser mittels Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, ist nicht neu. Sie hat aber vor dem Hintergrund der Energiewende mit der Umstellung auf größtenteils fluktuierende erneuerbare Energien an Bedeutung gewonnen. Denn neben dem Netzausbau und einem intelligenten Last- und Erzeugungsmanagement wird erheblich mehr Speicherkapazität notwendig sein, um die Fluktuation von Sonneneinstrahlung und Wind bei der Stromerzeugung ausgleichen zu können. Für den kurzzeitigen Ausgleich sind Pumpspeicherkraftwerke eine gute Lösung. Deren Kapazität in Deutschland ist jedoch begrenzt. Die Langzeitspeicherung ist deshalb eine große Herausforderung für die Transformation der Energieversorgung“, erläuterte Matthias Kurth, Präsident der Bundesnetzagentur, die Bedeutung des Themas.

Ein vielversprechendes Konzept hat das Fraunhofer IWES zusammen mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erarbeitet. „In zukünftigen Energiesystemen werden Wind- und Solarkraftwerke den Hauptbeitrag bei der Stromversorgung leisten. Unsere Simulationsrechnungen zeigen, dass für eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien bei Windflaute und geringer Sonneneinstrahlung wie im Winter bis zu zwei Wochen zu überbrücken sind. Für den Ausgleich längerfristiger Schwankungen im Bereich von Tagen oder Wochen lassen sich nur chemische Speicher auf der Basis von Wasserstoff, Methan oder anderen Gasen bzw. Flüssigkeiten verwenden“, sagte Prof. Dr. Jürgen Schmid, Leiter des Fraunhofer IWES.

Die Beiträge der Referenten aus Wissenschaft und Wirtschaft und die Podiumsdiskussion zwischen Vertretern aus Politik, Verbänden, Behörden und Unternehmen machten das Vermarktungspotential des „grünen“ Erdgases deutlich. Es reicht von der Rückverstromung des Gases über den Einsatz in der Kraft-Wärme-Kopplung bis hin zur Nutzung im Mobilitätssektor.

Die Vorträge der Referenten stehen in Kürze auf den Homepages der Bundesnetzagentur und des Fraunhofer IWES zur Verfügung.

Speicherungsmöglichkeiten von Überschuss-Energie mit Wasserstoff oder Methan – ein Vergleich

In zukünftigen Energiesystemen leisten Wind- und Solarkraftwerke den Hauptbeitrag bei der Stromversorgung. Dabei müssen große Schwankungen bei der Stromerzeugung ausgeglichen werden. Für den kurzfristigen Ausgleich im Bereich einiger Stunden eignen sich dafür Pumpspeicherkraftwerke, wie sie heute schon weltweit eingesetzt werden. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 80 Prozent.

Für den Ausgleich längerfristiger Schwankungen im Bereich von Tagen oder Wochen lassen sich nur chemische Speicher auf der Basis von Wasserstoff, Methan oder anderen Gasen bzw. Flüssigkeiten verwenden. Dabei wird im ersten Schritt mit Hilfe der Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Im Wasserstoff stecken dann etwa 70 Prozent der Stromenergie, der Rest steht als Abwärme zur weiteren Nutzung zur Verfügung. In den meisten Fällen wird diese Abwärme jedoch nicht genutzt. Aus Wasserstoff kann dann wieder mit Hilfe von Brennstoffzellen Strom erzeugt werden. Bei dieser Umwandlung entsteht etwa 60 Prozent Strom und 40 Prozent Wärme, die z.B. für Heizzwecke genutzt werden kann. Damit lässt sich ein Speicher realisieren, der aus 100 Prozent Strom wieder etwa 40 Prozent Strom abgeben kann. Der Rest ist jedoch nicht verloren, wenn die Abwärme sowohl bei der Wasserstoff-Herstellung als auch bei der Rückverstromung sinnvoll genutzt wird.

Für Wasserstoff existiert jedoch heute noch keine Infrastruktur in Form von Gasnetzen bzw. Speichern und auch keine Verbraucher wie z.B. Kraftwerke. Bis zu einem geringen Prozentanteil lässt sich jedoch Wasserstoff mit Erdgas mischen und in der heutigen Erdgaswelt nutzen. Speziell ausgestattete Automotoren können z.B. über Wasserstoff-Tankstellen direkt mit Wasserstoff betankt werden. Bei höheren Anteilen von Wasserstoff im Erdgas ändern sich jedoch die Verbrennungseigenschaften. Dies macht eine spezielle Anpassung der Verbraucher erforderlich. Diese Probleme können umgegangen werden, wenn der Wasserstoff über einen weiteren Umwandlungsschritt in Methan (daraus besteht Erdgas) umgewandelt wird. Damit steht diesem Produkt die gesamt Erdgaswelt (Gasnetze, Gasspeicher, Erdgas-Autos, Heizgeräte, Blockheizkraftwerke, Gaskraftwerke) zur Verfügung.

Dies ist der Weg, den Fraunhofer IWES in Kassel und ZSW in Stuttgart verfolgen. Bei der Umwandlung von Wasserstoff in Methan werden zwar etwa 10 Prozent der im Wasserstoff enthaltenen Energie in Form von Wärme frei, die sich ebenso nutzen lässt, wie die Abwärme bei der Kraft-Wärme-Kopplung. Der Schritt über die Methanisierung erspart also den Aufbau einer speziellen Wasserstoff-Infrastruktur.

Betrachtet man also nur den Strom, lässt sich aus der Wasserstofferzeugung und der Rückverstromung ca. 42 Prozent Strom zurückgewinnen. Mit einer zusätzlichen Methanproduktionsstufe kämen noch einmal 10 bis 15 Prozent Wärmeverluste hinzu. Damit ließen sich 36 bis 38 Prozent Strom zurückgewinnen. Wird die bei der Umwandlung anfallende Wärme jedoch genutzt, ergeben sich Energienutzungsgrade von ca. 80 Prozent für beide Verfahren.

Neben der Rückverstromung des Gases bietet es sich auch für den Mobilitätssektor als Erdgasersatz an. Auch die Vermarktung von „grünem“ Erdgas für den Einsatz in Kraft-Wärme-Kopplungs-Aggregaten sowie Wasserstoff als Grundstoff für die Industrie sind nur einige von vielen denkbaren Marktchancen.

Prof. Dr. Jürgen Schmid, Leiter des Fraunhofer IWES, Kassel
Kontakt: 0561/7294-345; juergen.schmid@iwes.fraunhofer.de

Maurice Müller | Quelle: Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen: www.iwes.fraunhofer.de

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