Der Ausbau Erneuerbarer Energien (EE), wie Wind- und Photovoltaikanlagen (PV) führt dazu, dass die Energiespeicherung immer mehr an Bedeutung gewinnt. Zwar sind Wind- und PV-Anlagen vom Wetter abhängig, doch auch sie können einen Grünstrom-Überschuss produzieren. Diesen gilt es sinnvoll zu nutzen. Da kommt Power-to-Gas ins Spiel. Power-to-Gas – auch P2G oder PtG genannt – ist die innovative Zukunftstechnologie der Energiewende. Mit der Power-to-Gas-Technologie wird EE-Gas produziert. Dieses synthetische Gas ist langfristig speicherbar und kann bedarfsgerecht sowie flexibel wieder bereitgestellt werden.
Was ist Power-to-Gas?
Bei Power-to-Gas geht es um die Power-to-X-Technologie. Power ist hierbei der Stromüberschuss und X das Ergebnis als Energieform, in das der Strom umgewandelt wurde. Das Gas bei Power-to-Gas wird hergestellt, indem elektrische Energie (Strom) mittels Wasserelektrolyse zu chemischer Energie (Gas) umgewandelt wird. Das daraus gewonnene Gas, welches in der Regel Wasserstoff oder Methan ist, lässt sich speichern und kann daher zu einem späteren Zeitpunkt für unterschiedliche Zwecke, wie für Wärme, Elektrizität oder Mobilität verwendet werden.
Wie funktioniert die Power-to-Gas Technologie?
Die Technologie von Power-to-Gas besteht aus drei Phasen:
- Die Erzeugung
In der Erzeugungsphase muss erstmal Strom in EE-Anlagen produziert werden. - Die Elektrolyse
Mit dem Strom wird dann in der Phase der Elektrolyse Wasser in seine Bestandteile zerlegt, Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2). - Die Synthese
Der Wasserstoff kann entweder direkt als Brennstoff bzw. Kraftstoff verwendet werden oder im Anschluss in einer katalytischen Synthese mit Kohlendioxid (CO2) in Methan umgewandelt werden.
Diese sogenannte Methanisierung ermöglicht sowohl die Nutzung von ausgestoßenem Kohlendioxid als auch die Gewinnung von synthetischem Erdgas, welches in das Gasnetz eingespeist werden kann.
Was ist der Wirkungsgrad von Power-to-Gas?
Bereits jetzt hat Power-to-Gas schon vielversprechende Wirkungsgrade. Allein bei der Elektrolyse, also der Gewinnung von Wasserstoff, liegt der Wirkungsgrad bei 77%. Auch nach der Methanisierung wurden bereits Wirkungsgrade von 62% erreicht. Um in Zukunft bei Power-to-Gas-Verfahren noch höhere Wirkungsgrade zu erzielen, werden Projekte von Forschungseinrichtungen und Versorgern mithilfe von Fördermitteln aufgesetzt. Das durch die Power-to-Gas-Technologie aufbereitete EE-Gas kann herkömmliches Erdgas problemlos ersetzen.
Wie wird die Power-to-Gas-Technologie in der Praxis verwendet?
Der aus der Elektrolyse gewonnene Wasserstoff und das aus der Methanisierung erhaltene Methan können unterschiedlich genutzt werden. Vor allem das Methan kann als synthetisches Erdgas eingesetzt werden, da Erdgas größtenteils aus Methan besteht. So kann durch Power-to-Gas quasi ein erneuerbares Erdgas hergestellt werden, welches dank seiner flexiblen Nutzungsmöglichkeiten die Märkte für Wärme, Mobilität und Strom zusammenbringt.
Das EE-Gas kann in Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken (KWK) in Strom umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad bei diesem Prozess beträgt bis zu 62%. Eine weitere Möglichkeit, EE-Gas zu nutzen, ist im Verkehr. Sowohl in Brennstoffzellenfahrzeugen als auch zum Antrieb von Gasautos kann das erneuerbare Gas eingesetzt werden. Momentan gibt es noch genügend regenerative Alternativen zu Power-to-Gas für die Wärmeversorgung, wie beispielsweise die Solarthermie oder Power-to-Heat.
Power-to-Gas bei Privathaushalten
In Deutschland gibt es bereits eine dezentrale Power-to-Gas-Anlage in einem Wohngebäude. Diese energieautarke Wohnanlage steht in Augsburg und hat einen Wirkungsgrad von 87 %. Auf dem Dach wurde eine Photovoltaikanlage (PV) installiert. Der Stromüberschuss wird für die Elektrolyse genutzt, um Wasserstoff zu gewinnen und diesen dann in synthetisches Erdgas umzuwandeln. Das Gas wird in Tanks gespeichert und kann mittels Blockheizkraftwerk (BHKW) Wärme und Strom für die Mieter produzieren. Abgesehen davon wird auch die Abwärme durch die Methanisierung zur Wärmeversorgung für die Anlage eingesetzt. Der Kreis schließt sich, da das freiwerdende Kohlenstoffdioxid, welches bei der Verbrennung im Blockheizkraftwerk entsteht, wieder zur Methanisierung vom Wasserstoff genutzt wird.
Auch in der Schweiz wurde diese Technologie in einem Mehrfamilienhaus ähnlich umgesetzt.
Power-to-Gas bei Audi
Im Pilotprojekt von Audi wurde 2013 eine Power-to-Gas-Anlage aufgebaut. Diese Anlage speist pro Jahr 1.000 Tonnen synthetisches Erdgas ins Netz ein und nutzt dabei ca. 2.800 Tonnen ausgestoßenes Kohlenstoffdioxid zur Produktion von EE-Gas. Der bei der Elektrolyse mittels Ökostrom erzeugte Wasserstoff wird teilweise zum Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt. Der andere Teil wird für die Herstellung von synthetischem Methan verwendet. Dieses Methan wird ins Erdgasnetz eingespeist.
Wie hat sich Power-to-Gas entwickelt?
Schon seit dem 19. Jahrhundert gab es die Idee, Strom in Gas umzuwandeln. Damals sollte durch Windenergie Wasserstoff erzeugt und als Energieträger genutzt werden. Umgesetzt wurde die Idee zum ersten Mal 1895 in Dänemark. Mittels Windenergie wurde mit einem Elektrolyseur Knallgas produziert, das wiederum Licht für eine Schule erzeugte.
Doch erst seit 2009 wurde in Betracht gezogen, Methan statt Wasserstoff zu verwenden. Ab da wurden Power-to-Gas-Anlagen zur Erzeugung von EE-Gas eingesetzt und weiter ausgebaut. Bereits 2018 gab es in Europa um die 128 Power-to-Gas-Anlagen zur Forschung, von denen 63 in Betrieb sind.
Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) setzt die Basis für jegliche Aktivitäten in der Gas- und Wasserwirtschaft. Im Bereich der Erneuerbaren Energien fördert die DVGW auch Power-to-Gas-Projekte.
Ist Power-to-Gas wirtschaftlich?
Im Jahr 2019 ist die Anzahl an Power-to-Gas-Anlagen in Deutschland stark gestiegen. Von Januar bis Dezember gab es einen Anstieg von über 500 MWel (Megawatt elektrischer Energie). In Zukunft soll grüner Wasserstoff den grauen ersetzen. Schließlich setzt die Gewinnung von grauem Wasserstoff, also aus fossilen Energieträgern wie Erdgas, jährlich über 20 Millionen Tonnen Kohlendioxid frei. Beim grünen Wasserstoff hingegen, welcher aus erneuerbaren Energien gewonnen wird, wird gar kein Kohlendioxid ausgeschieden.
Noch ist der grüne Wasserstoff teurer. Die Produktionskosten für Power-to-Gas liegen derzeit über den Preisen für fossiles Erdgas. Wann Power-to-Gas wirtschaftlich sein wird, ist noch nicht absehbar. Manche meinen, dass erst ab 2040 Power-to-Gas-Anlagen wirtschaftlich werden könnten. Je mehr Anlagen in Betrieb genommen werden und je weiter die Kosten für erneuerbare Energien und Elektrolyseanlagen sinken, desto schneller wird Power-to-Gas rentabler werden.
Was sind die Nachteile von Power-to-Gas?
- Die Produktionskosten von Power-to-Gas-Anlagen sind relativ hoch.
- Je besser Power-to-Gas-Anlagen ausgelastet sind, desto wirtschaftlicher sind diese. Momentan ist das aber noch nicht der Fall. Deshalb könnte es dazu kommen, Graustrom zu verwenden, um Power-to-Gas-Anlagen auszulasten, jedoch wäre dieser Ansatz kontraproduktiv.
- Für die Methanisierung muss Wasserstoff auf mehrere hundert Grad Celsius erhitzt werden. Wird die dabei entstehende Abwärme nicht genutzt, sind die Effizienzverluste bei Power-to-Gas sehr hoch.
Was sind die Vorteile von Power-to-Gas?
Allerdings gibt es auch viele Vorteile von Power-to-Gas, wie:
- Die Gewinnung von Wasserstoff bzw. Methan ist grün. Das bedeutet, dass kein Kohlenstoffdioxid emittiert wird.
- Wasserstoff und Methan sind sowohl stofflich als auch energetisch verwendbar.
- Wasserstoff bzw. Methan haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, wie im Verkehr, in der Wärmeerzeugung und für Industrieprozesse. Aber man kann das synthetische Erdgas natürlich auch zurück in elektrischen Strom umwandeln.
- Um die erzeugte Energie aus Wind- oder PV-Anlagen zum Stromabnehmer transportieren zu können, werden Stromnetze verwendet. Jedoch sind die Übertragungsnetzkapazitäten begrenzt. Power-to-Gas-Anlagen sind hier vorteilhaft, da durch die Umwandlung von Strom zu Wasserstoff bzw. synthetischem Erdgas das bestehende Erdgas-Netz als Übertragungsmedium für die Energie genutzt werden kann.
