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 Prozent begrenzt. Das klingt zunächst wenig, ist jedoch bei einem Leitungsnetz mit einer Länge von über 540.000 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 werden. 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 erneuerbare Energien genutzt werden und bietet eine Lösung für einen steigenden regenerativen Anteil im deutschen Energiesystem.

Power-to-Gas

Biologische Methanisierung

Der Heizgerätehersteller Viessmann engagiert sich im Bereich Power-to-Gas und entwickelt 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 bietet mit einem optimierten Energie- und Fahrplanmanagement für dezentrale KWK-Anlagen und dem Einsatz von Biogas-Anlagen als Spitzenlastkraftwerken und zur Stromnetzentlastung einzigartige Lösungsansätze für die Power-to-Gas-Technologie.

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 Viessmann Tochterunternehmen, liefert 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 Viessmann Tochterunternehmen MicrobEnergy GmbH hat zur Methanisierung das BiON-Verfahren entwickelt. Dabei produzieren hochspezialisierte Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, aus Wasserstoff und CO₂ reines Methan.

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 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 Verbraucher 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 Endverbraucher 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.

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 als 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