Aus Wind und Sonne entsteht SNG

Der Aus­bau von Wind­kraft- und So­lar­an­la­gen wird zü­gig vo­ran­ge­trie­ben. Doch die Sa­che hat ei­nen Ha­ken: Son­ne und Wind un­ter­lie­gen na­tür­li­chen Schwan­kun­gen. Nach­fra­ge und An­ge­bot auf ei­nen Nen­ner zu brin­gen, kann nur mit ef­fek­ti­ven Ener­gie­spei­chern ge­lin­gen. Zwei­fel­los ge­hört da­zu auch die Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie. An­statt, wie heu­te üb­lich, zu Spit­zen-Er­zeu­gungs­zei­ten bei­spiels­wei­se Wind­parks ab­zu­schal­ten, will man die­sen bis­her über­schüs­si­gen Öko­strom auf­fan­gen und mit größt­mög­li­cher Ef­fi­zienz spei­cher­fä­hig ma­chen. So wird er­neu­er­ba­re Ener­gie plan­bar.

Mit Power-to-Gas Strom aus Wind und Sonne speicherbar machen

Power-to-Gas (Strom-zu-Gas) ist ein Ver­fah­ren, bei dem über­schüs­si­ger Öko­strom da­für ge­nutzt wird, Was­ser mit­tels Elek­tro­ly­se in Sau­er­stoff und Was­ser­stoff zu zer­le­gen. Der Was­ser­stoff kann in das Gas-Netz ein­ge­speist wer­den und mischt sich mit dem da­rin ent­hal­te­nen Gas. Der er­neu­er­ba­re Strom ist spei­cher­bar ge­wor­den. Aus tech­ni­schen Grün­den ist der An­teil von Was­ser­stoff im Gas-Netz auf zehn Vo­lu­men­pro­zent be­grenzt. Das klingt zu­nächst we­nig, ist je­doch bei ei­nem Lei­tungs­netz mit ei­ner Län­ge von fast 530.000 Ki­lo­me­tern ei­ne gi­gan­ti­sche Men­ge! Wenn die­ses Spei­cher­po­ten­zi­al aus­ge­schöpft ist, kann der Was­ser­stoff über ei­nen wei­te­ren Schritt – die Me­tha­ni­sie­rung – in syn­the­ti­sches Gas, auch syn­the­ti­sches Methan oder SNG ge­nannt, um­ge­wan­delt und oh­ne Men­gen­be­gren­zung ins Gas-Netz ein­ge­speist wer­den. Denn SNG hat die iden­ti­schen Brenn­ei­gen­schaf­ten wie Erd­gas.

Power-to-Gas-Technologie

Wie wird aus Strom synthetisches Gas?

SNG be­steht aus H2 und CO2. Der Was­ser­stoff wird über die Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie her­ge­stellt:

  • Mit z. B. Wind- und So­lar-An­la­gen wird er­neu­er­ba­rer Strom pro­du­ziert.
  • Der Strom, der nicht di­rekt ver­braucht wird, fließt über das Strom­netz zu ei­ner Power-to-Gas-An­la­ge.
  • In ei­nem Elek­tro­ly­seur wird Was­ser mit­hil­fe des Öko­stroms in Sau­er­stoff (O2) und Was­ser­stoff (H2) ge­spal­ten.
  • Der aus er­neu­er­ba­rem Strom her­ge­stell­te Was­ser­stoff wird über eine Me­tha­ni­sie­rung in syn­the­ti­sches Gas um­ge­wan­delt. Da­für kann Koh­len­di­oxid (CO2) aus z. B. den Klär­an­la­gen der Re­gi­on zu­ge­führt wer­den.
  • Das so ent­stan­den­de syn­the­ti­sche Gas – so­ge­nann­tes SNG – kann im Gas-Netz zu den Ver­brau­che­rin­nen und Ver­brau­chern trans­por­tiert und in den Gas-Spei­chern lang­fris­tig ein­ge­spei­chert wer­den.

Das kli­ma­neu­tra­le Gas lässt sich wie kon­ven­ti­o­nel­les Erd­gas oder er­neu­er­ba­res Bio­gas nut­zen. Syn­the­ti­sches Gas kann als Lang­zeit­spei­cher für die er­neu­er­ba­ren Ener­gien ge­nutzt wer­den und bie­tet eine Lö­sung für ei­nen stei­gen­den re­ge­ne­ra­ti­ven An­teil im deut­schen Ener­gie­sys­tem.

Power-to-Gas

Biologische Methanisierung

Der Heiz­ge­rä­te­her­stel­ler Viessmann en­ga­gierte sich im Be­reich Power-to-Gas und ent­wi­ckelte ein ei­ge­nes Ver­fah­ren, um Über­schuss­strom im Gas-Netz zu spei­chern: Bio­lo­gi­sche Me­tha­ni­sie­rung di­rekt im Fer­men­ter­raum des Bio­gas-Fer­men­ters Eucolino, der ein ak­ti­ves Vo­lu­men von 100 m3 hat. Viessmann bot mit ei­nem op­ti­mier­ten Ener­gie- und Fahr­plan­ma­nage­ment für de­zen­tra­le KWK-An­la­gen, dem Ein­satz von Bio­gas-An­la­gen als Spit­zen­last­kraft­werk und zur Strom­netz­ent­las­tung ein­zig­ar­ti­ge Lö­sungs­an­sät­ze für die Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie.

SNG in das Gas-Netz einspeisen

Mikroorganismen wandeln Strom in synthetisches Methan um

Für die Bio­gas-An­la­ge wer­den nach­wach­sen­de Roh­stof­fe ge­nutzt. Sie er­zeugt pro Stun­de et­wa 10 m3 Roh-Bio­gas (Gas-Zu­sam­men­set­zung von et­wa 52 Pro­zent Methan und 48 Pro­zent Koh­len­di­oxid). Hier­durch ste­hen et­wa 5 m3 Koh­len­di­oxid pro Stun­de für die bio­lo­gi­sche Me­tha­ni­sie­rung zur Ver­fü­gung. Der ein­ge­setz­te Elek­tro­ly­seur er­zeugt ma­xi­mal et­wa 20 m3 Was­ser­stoff pro Stun­de, so dass ei­ne voll­stän­di­ge Um­set­zung des Koh­len­di­oxids im Roh-Bio­gas mög­lich wä­re.

Für die bio­lo­gi­sche Me­tha­ni­sie­rung wer­den hoch­spe­zi­a­li­sier­te Mi­kro­or­ga­nis­men ein­ge­setzt, die Was­ser­stoff und Koh­len­stoff bei Um­ge­bungs­druck und -tem­pe­ra­tur in rei­nes Methan um­wan­deln kön­nen. Das so ge­won­ne­ne syn­the­ti­sche Methan wird ent­we­der in ei­nem Gas-Spei­cher be­vor­ra­tet und be­darfs­ge­recht in ei­nem BHKW ver­stromt oder di­rekt in das Gas-Netz ein­ge­speist.

In der Elek­tro­ly­se wird zu Be­ginn des Power-to-Gas-Ver­fah­rens Was­ser in Was­ser­stoff und Sau­er­stoff zer­legt. Die Carbotech GmbH, ein ehemaliges Viessmann Toch­ter­un­ter­neh­men, lie­ferte den Elek­tro­ly­seur in Mo­dul­bau­wei­se auf Ba­sis der PEM-Tech­no­lo­gie (Pro­to­nen-Aus­tausch-Mem­bran). Im nächs­ten Schritt des Power-to-Gas-Ver­fah­rens wird syn­the­ti­sches Methan er­zeugt. Das ehemalige Viessmann Toch­ter­un­ter­neh­men MicrobEnergy GmbH, jetzt Hitachi Zosen Inova Schmack GmbH, hat zur Me­tha­ni­sie­rung das BiON-Ver­fah­ren ent­wi­ckelt. Da­bei pro­du­zie­ren hoch­spe­zi­a­li­sier­te Mi­kro­or­ga­nis­men, so­ge­nann­te Archaeen, aus Was­ser­stoff und CO2 rei­nes Methan.

BiON-Verfahren
Praxisbeispiele

Erdgeschichte im Zeitraffer: Unterground Sun Storage

In der Na­tur hat die Evo­lu­ti­on haupt­säch­lich Koh­len- und Was­ser­stoff als Ener­gie­trä­ger und Spei­cher­mög­lich­keit ent­wi­ckelt. Die­se Pro­zes­se hat sich die RAG zum Vor­bild ge­nom­men und in der Power-to-Gas-Tech­no­lo­gie um­ge­setzt: An ei­ner klei­nen, aus­ge­för­der­ten Gas-La­ger­stät­te in Ober­ös­ter­reich er­probt die RAG die Spei­che­rung von in Was­ser­stoff um­ge­wan­del­ter Son­nen­ener­gie. Das For­schungs­pro­jekt Underground Sun Storage zur Spei­che­rung von Wind- und Son­nen­ener­gie in na­tür­li­chen Erd­gas-La­ger­stät­ten wur­de im Fol­ge­pro­jekt Underground Sun Conversion fort­ge­setzt.

Die Son­ne lie­fert zu­nächst er­neu­er­ba­ren Strom, mit dem aus Was­ser Was­ser­stoff er­zeugt wird. Die­ser grüne Was­ser­stoff wird zu­sam­men mit CO2 in ei­ne vor­han­de­ne (Po­ren-)Erd­gas-La­ger­stät­te ein­ge­bracht. In über 1.000 Me­tern Tie­fe wan­deln na­tür­lich vor­han­de­ne Mi­kro­or­ga­nis­men die­se Stof­fe in re­la­tiv kur­zer Zeit in er­neu­er­ba­res Gas um, das an­schlie­ßend di­rekt vor Ort in der La­ger­stät­te ge­spei­chert, bei Be­darf je­der­zeit ent­nom­men und über die vor­han­de­nen Lei­tungs­net­ze zum Ver­brau­chen­den trans­por­tiert wer­den kann.

Vorteile des umweltfreundlichen Verfahrens

  • CO2-neu­tral/­Koh­len­stoff-Kreis­lauf: Er­neu­er­ba­res Gas ist dann CO2-neu­tral, wenn vor­han­de­nes CO2 (z. B. aus Bio­mas­se­ver­bren­nung) ge­nutzt und im Pro­duk­ti­ons­pro­zess ge­bun­den wird. So ent­steht ein Koh­len­stoff-Kreis­lauf.
  • Er­neu­er­ba­re Ener­gien wer­den spei­cher­bar: Die Strom­ge­win­nung aus Son­nen­ener­gie und Wind un­ter­liegt wet­ter­be­ding­ten Schwan­kun­gen. Ei­ne be­darfs­orien­tier­te Pro­duk­ti­on ist da­her nicht mög­lich. Das Pro­blem der Spei­cher­bar­keit von er­neu­er­ba­ren Ener­gien wird durch die Um­wand­lung in er­neu­er­ba­res Gas ge­löst.
  • Nut­zung der vor­han­de­nen In­fra­struk­tur: So­wohl für den na­tür­li­chen Pro­duk­ti­ons­pro­zess als auch für die un­ter­ir­di­sche Spei­che­rung in na­tür­li­chen Erd­gas-La­ger­stät­ten und den um­welt­freund­li­chen Trans­port zum End­ver­brau­chen­den kann be­reits vor­han­de­ne In­fra­struk­tur ge­nutzt wer­den.

Untersuchung der Wasserstoffverträglichkeit der Untergrund-Gas-Speicher

Die Un­ter­su­chung der Was­ser­stoff­ver­träg­lich­keit der Un­ter­grund-Gas-Spei­cher ist Haupt­ge­gen­stand die­ses Leit­pro­jek­tes. Ge­lingt ein po­si­ti­ver Nach­weis, könn­ten die Gas-Spei­cher mit ih­ren enor­men Spei­cher­vo­lu­mi­na (mehr als 8 Mrd. m3 ent­spre­chend 92.000 GWh in Ös­ter­reich) im Ener­gie­sys­tem der Zu­kunft neu po­si­ti­o­niert wer­den und als Aus­gleichs­spei­cher für er­neu­er­ba­re Ener­gien die­nen. Im Zu­ge des Leit­pro­jek­tes wird der Nach­weis für die Ver­träg­lich­keit von Was­ser­stoff­ge­hal­ten bis 10 Pro­zent an­ge­strebt.

Leitprojekt USS 2030
Praxisbeispiele
Grünes Gas und Erdgas sicher transportieren über das Gas-Netz

Das Gas-Netz als Batterie der Energiewende

Öko­strom, der an­sons­ten un­ge­nutzt blie­be, kann mit Hil­fe von Power-to-Gas in syn­the­ti­sches Gas und so­mit in einen nutz- und spei­cher­ba­ren Ener­gie­trä­ger um­ge­wan­delt wer­den. Sinn­vol­ler­wei­se wer­den Power-to-Gas-An­la­gen künf­tig dort ste­hen, wo Öko­strom in gro­ßen Men­gen er­zeugt wird. Das Gas-Netz wird un­ter­des­sen zur Ener­gie-Au­to­bahn und bringt das CO2-neu­tra­le SNG si­cher und zu­ver­läs­sig in na­he­zu je­den Win­kel die­ses Lan­des.

Gas-Netz
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