Power-to-Gas

Die beste Ergänzung für Erneuerbare Energien

Eine der größten Herausforderungen der Energiewende im Stromsektor ist die volatile Einspeisung von regenerativ erzeugtem Strom. Wenn der Wind weht, ist schon heute regional mehr Elektrizität vorhanden, als das Stromnetz aufnehmen kann. Die Folgen: Kurzfristig müssen Windparks abgeregelt werden. Mittelfristig müssen die Stromnetze ausgebaut werden. Und langfristig wird diese Herausforderung immer größer – weil der Anteil der erneuerbaren Energien am Strommix immer weiter steigen soll.

Wie integriert man volatile Erneuerbare Energien effizient in eine verlässliche Energieversorgung? Indem man ihnen über alle Sektoren hinweg emissionsarmes, flexibles Erdgas an die Seite stellt: Nicht als Konkurrenz, sondern als Ergänzung. Für dieses Zusammenspiel ist das bestehende Gas-Netz unverzichtbarer Bestandteil.

Überschüssiger Ökostrom kann dazu verwendet werden, Wasser (H2O) mittels Elektrolyse in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufzuspalten. Der gasförmige Wasserstoff kann entweder direkt ins Gas-Netz eingespeist werden – nach den aktuellen Vorgaben darf die Beimischung bis zu 10 Prozent betragen – oder er wird zu synthetischem Erdgas weiterverarbeitet, das unbegrenzt beigemischt werden kann. Hierzu wird der regenerativ gewonnene Wasserstoff (H2) mit dem "Abgas" (z. B. aus Biogas-Anlagen) Kohlendioxid (CO2) mittels Methansynthese zu erneuerbarem Erdgas (CH4) konvertiert. Als Beiprodukt entsteht H2O – Wasser.

In ihnen wird klimaneutrales Gas erzeugt. Herzstück einer Power-to-Gas-Anlage ist der Elektrolyseur, der Wasser mithilfe von erneuerbarem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet.

Bei der Elektrolyse wird Wasser mithilfe von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Ökostrom wird so speicherbar – als Wasserstoff.

Wasserstoff wird mit Kohlenstoffdioxid versehen und wird so zu grünem Gas. Dieses kann in unbegrenzter Menge in die bestehende Gas-Infrastruktur eingespeist werden.

Das Gas-Netz als Energiespeicher

Erdgas und Erneuerbare Energien – das passt zusammen? Ja! Denn wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint, reichen Erneuerbare allein nicht aus, um die Energieversorgung sicher zu stellen. Auch die Menge an regenerativ erzeugter Energie wird in absehbarer Zeit nicht genügen, um den Energiebedarf Deutschlands zu decken.

Erneuerbare brauchen verlässliche Partner, die ihre natürlichen Schwankungen flexibel auffangen können. Das kann Erdgas leisten. Gas-Kraftwerke können vergleichsweise schnell hoch- und wieder heruntergefahren werden und damit zuverlässig auch kurzfristige Leistungsschwankungen der Erneuerbaren auffangen. Sie emittieren dabei 50 Prozent weniger CO2 als Braunkohlekraftwerke und haben mit bis zu 60 Prozent einen extrem hohen Wirkungsgrad – bei Nutzung der Abwärme steigt dieser noch weiter. Damit sichert Erdgas die Systemstabilität.

Doch was Erdgas zum echten Joker der Energiewende macht, ist seine Speicherfunktion für erneuerbaren Strom dank Power-to-Gas. So fängt Erdgas die Erneuerbaren gleich doppelt auf: Es löst das Speicherproblem und kompensiert fehlende Netzkapazitäten. Mit Power-to-Gas lässt sich erneuerbarer Strom ins Gas-Netz einspeisen, speichern und transportieren. Das mildert den Ausbaudruck bei den Stromtrassen, der durch neue Offshore-Windkraft im Norden stetig steigt und mit enormen Kosten verbunden ist. Und was im Großen funktioniert, klappt auch im Kleinen: Wer die Energie der Sonne dank Solarthermie-Anlage gleich mit nutzt, spart in Kombination mit moderner Gas-Brennwerttechnik 44 Prozent CO2 gegenüber einem alten Kessel. Gas ist der perfekte Partner der Erneuerbaren Energien. So geht Energiewende – miteinander, nicht gegeneinander.

Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland

Verschiedene Power-to-Gas-Anlagen haben die technische Machbarkeit bereits unter Beweis gestellt. In zahlreichen Forschungs- und Pilotanlagen wir das Strom-zu-Gas-Verfahren weiterentwickelt. Zukunft Gas setzt sich dafür ein, dass ein schlüssiges Marktmodell entwickelt wird, das den wirtschaftlichen Betrieb dieser Anlagen ermöglicht.  In fast jedem Bundesland existieren mittlerweile Anlagen – eine Gesamtübersicht aller grünen-Gas-Projekte finden Sie auf der interaktiven Gas kann grün-Karte. 

Brandenburg: Gas aus Windstrom

Dass die Idee, überschüssigen Strom aus Windkraftanlagen im Gas-Netz zu speichern, nicht nur auf dem Papier funktioniert, hat der Energiekonzern Uniper schon bewiesen. Das Unternehmen engagiert sich in der Energiespeicherung als einem großen Wachstumsmarkt der Energiewende und stellt sich so für die Zukunft auf. Mit seiner Power-to-Gas-Anlage im brandenburgischen Falkenhagen unterhält es eine Pilotfabrik, in der von 2013 bis 2016 "Windgas" in Form von Wasserstoff ins Gas-Netz eingespeist wurde. Derzeit ruht der Einspeisebetrieb allerdings, denn Uniper möchte mehr: Im Juli 2017 wurde der Grundstein für eine Methanisierungsanlage direkt nebenan gelegt. Schon in wenigen Wochen wird hier aus dem Wasserstoff der Power-to-Gas-Anlage Methan produziert. Das dafür nötige CO2 soll künftig aus der Region kommen zunächst stammt es aber aus der Zuckerproduktion, bei der es als Nebenprodukt anfällt. 

"Das Methan, das auch als synthetisches Erdgas (SNG) bezeichnet wird, lässt sich im Gegensatz zu Wasserstoff unbegrenzt ins Gas-Netz einspeisen", so Uniper-Projektleiter René Schoof. Dadurch kann die Power-to-Gas-Anlage in Falkenhagen künftig größere Energiemengen bereitstellen als bisher, und die im Gas-Netz gespeicherte Energie lässt sich vielfältiger nutzen: zum Heizen und Kochen, für industrielle Zwecke, für den Antrieb von Erdgas-Autos oder über Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen erneut zur Stromerzeugung. Die bei der Methanisierung entstehende Wärme geht übrigens nicht verloren, sondern wird einem nahegelegenen Furnierwerk zur Verfügung gestellt.  

Niedersachsen: Wind und Sonne im Tank

Den Kinderschuhen längst entwachsen ist das vom Autohersteller Audi initiierte "e-gas"-Projekt in Werlte. Als die Power-to-Gas-Anlage 2013 offiziell in Betrieb ging, war sie weltweit die erste ihrer Art im industriellen Maßstab. Seitdem produziert Audi hier nahezu CO2-neutralen PKW-Treibstoff. Dazu sind zwei Verfahrensschritte nötig: Im ersten Schritt spalten drei Elektrolyseure mithilfe von überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energien Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff. Dieser Wasserstoff könnte in Zukunft Brennstoffzellen-Autos antreiben. In Werlte wird er jedoch aktuell dazu genutzt, um im zweiten Schritt Methan herzustellen, das als e-gas vermarktet wird. Das dafür eingesetzte CO2 ist ein Abfallprodukt aus einer benachbarten Biogas-Anlage. Das fertige e-gas wird ins vorhandene Erdgas-Netz eingespeist. Die Audi-g-tron-Modelle tanken bereits das e-gas und der Fahrzeugbauer stellt sicher, dass die von den Kunden verbrauchte Menge wieder ins Gas-Netz eingespeichert wird. Die Autos fahren damit klimaneutral. "Unsere Motivation bei diesem Projekt ist es, den Kunden eine klimafreundliche Mobilität anzubieten und gleichzeitig mit der Power-to-Gas-Technologie eine Lösung für das Energiesystem der Zukunft mit erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne zu entwickeln", erklärt Dr. Hermann Pengg, der Leiter Projektmanagement Audi e-fuels.  

Hessen: Mikroorganismen im Fokus

Dasselbe Ziel ein anderer Weg: Die Power-to-Gas-Anlage der Viessmann Group am Allendorfer Unternehmenssitz nutzt als erste ein neues biologisches Verfahren zur Methanisierung. Wie in anderen Power-to-Gas-Konzepten wird zuerst Grüner Strom mithilfe der Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt. In der folgenden Methanisierungsstufe kommen dann jedoch Mikroorganismen genauer Archaeen ins Spiel: Sie nehmen den Wasserstoff und das CO2, das Abfallprodukt einer Vergärungsanlage, durch ihre Zellwand auf und "verdauen" beides zu Methan. Seit 2015 wurde so in 10.000 Betriebsstunden Biogas ins Erdgas-Netz eingespeist. Entwickelt wurde die biologische Methanisierung von der zur Viessmann gehörenden MicrobEnergy GmbH, deren Geschäftsführerin Dr. Doris Schmack die Vorteile erklärt: "Im Unterschied zum chemisch-katalytischen Verfahren arbeiten die Mikroorganismen bei deutlich geringerem Druck und viel niedrigerer Temperatur. So ist der Prozess viel schneller an- und abstellbar. Wird der Gas-Strom abgestellt, kommt der Prozess nicht irreparabel zum Erliegen, sondern die Mikroorganismen gehen in eine Art Ruhezustand. Sobald diese wieder Wasserstoff und CO2 zur Verfügung haben, stellen sie sofort wieder Methan her." Ein weiteres Plus: Das von den Mikroorganismen produzierte Gas ist besonders rein.