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Power-to-Gas

Lesezeit: 4 Minuten

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 Power-to-Gas-Techno­logie bringt aber auch einige Nachteile mit sich: 

  • 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.

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