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Power to Gas: Gut abgespeichert

Für die Speicherung großer Mengen überschüssigen Stroms aus erneuerbaren Energien und den umweltfreundlichen Einsatz in allen Verbrauchssektoren ist „Power to Gas“ heute die bisher einzige verfügbare Schlüsseltechnologie. Sie könnte die Energiewende und den Klimaschutz deutlich voranbringen – wenn man sie nutzen würde. Ihre Praxistauglichkeit ist längst bewiesen. Ein Hindernis auf dem Weg zur Markteinführung sind die politischen Rahmenbedingungen. Ein Überblick.

Erneuerbare Energieträger wie Solar- oder Windkraft werden künftig einen immer größeren Anteil an der gesamten Stromversorgung haben. Sie müssen unabhängig vom Wetter bei gleichbleibend hoher Versorgungssicherheit in das Strom- und Energiesystem integriert werden. Überschüssige Energie, die an besonders sonnigen oder stürmischen Tagen entsteht, kann durch die Power-to-Gas(PtG)-Technologie langfristig und in großen Mengen im Erdgasnetz gespeichert werden. Ein wichtiger Energievorrat, der bei Dunkelheit oder Windflaute dort genutzt werden kann, wo er gebraucht wird.

Wie „Power to Gas“, auch „Windgas“ genannt, den Anforderungen der Energiewende standhält, wird derzeit unter anderem in Frankfurt am Main untersucht. Dort befindet sich die Zukunft der Energieversorgung in einem weißen 20-Fuß-ISO-Container. In ihm sitzt das Herzstück der Power-to-Gas-Demonstrationsanlage der Thüga-Gruppe, des größten deutschen Netzwerks kommunaler Energie- und Wasserdienstleister. Der sogenannte Protonen-Austausch-Membran(PEM)-Elektrolyseur wandelt elektrische Energie in chemisch gebundene um und macht so überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien speicherbar. Die knapp 1,5 Millionen Euro teure Demonstrationsanlage der Thüga-Gruppe ging 2014 in Betrieb. Sie erzeugt rund 60 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde und speist innerhalb einer Stunde etwa 3000 Kubikmeter mit Wasserstoff angereichertes Erdgas ins Frankfurter Gasnetz ein.

Im Mai 2014 nahmen 13 Projektpartner zusammen die Strom zu Gas–Demonstrationsanlage offiziell in Betrieb Im Mai 2014 nahmen 13 Projektpartner zusammen die Strom zu Gas–Demonstrationsanlage offiziell in Betrieb – in regelmässigen Abständen werden Wirkungsgrad, Regelgeschwindigkeit sowie Abnutzungserscheinungen untersucht. © Thüga

„Es klingt heute so einfach, das Stromnetz mit dem Gasnetz zu verbinden – aber das war es zumindest damals nicht. Unsere Power-to-Gas-Demonstrationsanlage war bundesweit die erste, die in Wasserstoff umgewandelten Strom ins Gasverteilnetz einspeiste. Auch für den PEM-Elektrolyseur war das ein neues Einsatzgebiet. Wir sind mit fast jedem Projektschritt neue Wege gegangen“, sagt Dr. Elke Wanke. Die promovierte Maschinenbauingenieurin leitet die Projektplattform der Demonstrationsanlage, auf der sich 13 Energieversorger der Thüga-Gruppe zusammengeschlossen haben, um die Praxistauglichkeit der PtG- Technologie zu testen. „In den mehr als zwei Jahren seit Inbetriebnahme haben wir nicht nur die Praxistauglichkeit von Power to Gas gezeigt, sondern auch ihre Machbarkeit gemäß den Bedürfnissen der Energiewende aus technischer Sicht belegt“, sagt Wanke stolz.

Saubere Technologie für die Energiewende

Zu den wichtigsten Meilensteinen der Frankfurter Pilotanlage gehört ihre Einbindung in ein virtuelles Smart Grid. „Wir konnten zeigen, dass die Strom-zu-Gas-Technologie bis auf die Minute genau Unterschiede zwischen Stromerzeugung und -verbrauch aussteuern kann“, erklärt Wanke. Die Software für die Echtzeitsteuerung wurde vom Fraunhofer Forschungsinstitut für Solare Energiesysteme entwickelt. „Das war ein entscheidendes Ergebnis unserer Arbeit, denn um die Power-to-Gas-Technologie zur Speicherung größerer Energiemengen umfassend einzusetzen, muss sie automatisch auf sich ständig ändernde Bedingungen in der Erzeugung und beim Verbrauch reagieren.“

Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme begleitet den Versuch seit dem Livebetrieb
Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme begleitet den Versuch seit dem Livebetrieb, um solche Anlagen künftig in einem zunehmend von erneuerbaren Energien geprägten Markt bedarfsgerecht einsetzen zu können. In den Forschungsergebnissen zeigte sich, dass die Anlage Smart Grid-tauglich ist. Dieses Ergebnis ist entscheidend, um die Strom zu Gas-Technologie zur Speicherung größerer Energiemengen einzusetzen. © Strom zu Gas

Rund 23 PtG-Forschungs- und Pilotprojekte gibt es derzeit in Deutschland. Auch die Energiekonzerne RWE und Uniper betreiben Pilotanlagen. An einigen Standorten wird neben der Direkteinspeisung auch die sogenannte Methanisierung angewandt. Dabei wird der durch Elektrolyse entstandene Wasserstoff verwendet, um mittels Kohlenstoffdioxid synthetisches Methan zu erzeugen, das zum Heizen und zur Stromerzeugung genutzt werden kann, aber auch als klimaneutraler Kraftstoff für Erdgasautos oder Schiffe. Bis 2025 soll der Anteil des in Deutschland verbrauchten Stroms aus erneuerbaren Energien auf 40 bis 45 Prozent und bis zum Jahr 2035 auf 55 bis 60 Prozent ausgebaut werden. Studien zeigen, dass die Stromversorgung bis 2050 sogar zu 100 Prozent aus erneuerbaren Energieträgern möglich wäre. „Ohne Windgas-Anlagen ist eine konsequente Energiewende mit dem Ziel einer hundertprozentigen Stromversorgung aus erneuerbaren Energien nicht erreichbar. Erst die Windgas-Technologie kann dank enormer vorhandener Gasspeicher-Kapazitäten wetterbedingte Schwankungen bei Wind und Sonne über Monate hinweg ausgleichen – und damit die gewohnte Versorgungssicherheit gewährleisten“, sagt Christoph Rasch von Greenpeace Energy.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg und dem Analyseinstitut Energy Brainpool errechnete Greenpeace Energy, dass der Einsatz von Windgas bereits 2040 eine jährliche Ersparnis zwischen 2 und 6 Milliarden Euro bedeuten, die bis 2050 auf 12 bis gut 18 Milliarden Euro ansteigen könnte. „Das liegt daran, dass in einem System ohne Windgas die auftretenden Versorgungslücken mit Strom aus Erdgas gefüllt werden, für das zusätzlich noch Emissionszertifikate eingekauft werden müssten. Diese Beschaffungskosten entfallen beim Windgas-Einsatz“, erklärt Rasch.

So funktioniert die Power-to-Gas (Stom zu Gas) Pilotanlage, welche als Demonstrationsprojekt in Frankfurt seit 2014 aufgebaut ist.
So funktioniert die Power-to-Gas (Stom zu Gas) Pilotanlage, welche als Demonstrationsprojekt in Frankfurt seit 2014 aufgebaut ist. © Thüga
Strom zu Gas-Energiespeicher gibt es auch schon für Einfamilienhäuser. Exytron, ein Rostocker Entwickler von Energiespeichersystemen, erprobt den EInsatz in einem kommerziellen Pilotprojekt. © Exytron

Multifunktionaler Klimaschützer

Das Power-to-Gas-Verfahren ist vielseitig anwendbar. Exytron, ein Rostocker Entwickler von Energiespeichersystemen, hat eine PtG-Anlage für den dezentralen Einsatz skalierbar vom Ein- und Mehrfamilienhaus bis hin zur Kraftwerkslösung entwickelt. Die Anlage kann Objekte frei von Kohlenstoffdioxid- und Stickoxid-Emissionen autark oder teilautark mit Energie versorgen. Im rheinland-pfälzischen Alzey entsteht ab Herbst 2016 die erste kommerzielle Power-to-Gas-Anlage zur Versorgung von 37 neuen Reihenhäusern. Sie wird in einem kommerziellen Pilotprojekt erprobt, in dem Bewohner einer Wohnsiedlung mit Strom und Wärme versorgt werden. „Derzeit gilt noch: Je größer, desto besser die Wirtschaftlichkeit unserer Anlagen. In der weiteren Entwicklung werden durch Skalierungseffekte und weitere Kostendegressionsmerkmale auch die kleineren Anlagen für den Kunden zunehmend interessanter. Sollten die Abgaben auf CO2-Emissionen wie erwartet steigen, so spricht dies auch für unser emissionsfreies System“, sagt Klaus Schirmer von Exytron. In Bayern sei eine Kraftwerkslösung im Gespräch, dessen Realisierung die größte PtG-Anlage weltweit bedeuten würde.

Klimaziele in erreichbarer Nähe?

Mit Blick auf die Beschlüsse der Pariser Klimakonferenz zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen ist die Power-to-Gas-Technologie insbesondere auch für Anwendungsbereiche interessant, die bislang fast keinen Beitrag zum Klimaschutz geleistet haben. „Nicht nur beim Strom, sondern auch in anderen Wirtschaftsbereichen wie Verkehr oder Chemie ist Windgas künftig zur Dekarbonisierung unverzichtbar. Erst durch den Einsatz von erneuerbarem Wasserstoff und Methan in der Kraftstoff- und Rohstoffherstellung werden diese Sektoren ihre Klimaziele erreichen können“, sagt Christoph Rasch von Greenpeace Energy. Wichtige Nutzungspfade benennt auch die Deutsche Energie-Agentur (dena) im „Potenzialatlas Power to Gas“. In der chemischen Industrie, aber auch in Stahlwerken kann Power to Gas mit erneuerbar produziertem Wasserstoff und Erdgas den Wasserstoff und das Erdgas aus fossilen Einsatzstoffen ersetzen. Im Bereich der Wärmeversorgung ermöglicht Power to Gas die Emissionsreduzierung – fossiles Erdgas muss nicht mehr verwendet werden.

„Für eine Markteinführung ist besonders der Nutzungspfad Mobilität kurzfristig wichtig. Das betrifft sowohl die direkte Nutzung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien als Kraftstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen als auch die Nutzung des Wasserstoffs in Raffinerien zur Entschwefelung von herkömmlichen Kraftstoffen. Außerdem kann Wasserstoff ins Erdgasnetz gespeist und das Gasgemisch zum Beispiel für den Betrieb von Erdgasfahrzeugen genutzt werden“, sagt dena-Geschäftsführer Andreas Kuhlmann. Der Autohersteller Audi erprobt die Herstellung von synthetischem Methan als Kraftstoff für eine CO2-neutrale Langstreckenmobilität seit 2013 in einer Pilotanlage im niedersächsischen Werlte. Seit diesem Jahr ist das Modell „A4 Avant g-Tron“ auf dem Markt, das bei Nutzung von PtG-Erdgas CO2-neutral unterwegs ist.

Politischer Handlungsbedarf

Derzeit sind die Investitionskosten für PtG-Anlagen noch sehr hoch, ein flächendeckender Einsatz wäre noch nicht wirtschaftlich. Thüga-Projektleiterin Wanke sagt: „Die Hersteller signalisieren, dass die Preise deutlich günstiger werden könnten, was letztendlich auch eine Sache der Stückzahl ist. Dies hängt wiederum mit den energiepolitischen Rahmenbedingungen zusammen.“ Ohne eine Anpassung der regulatorischen Rahmenbedingungen kann die Markteinführung nicht gelingen, meinen auch die dena-Expertinnen und -Experten. Sie benennen den konkreten Handlungsbedarf. „Power-to-Gas-Anlagen sollten künftig als Energiespeicher im Energiewirtschaftsgesetz anerkannt werden. Aufgrund ihrer derzeitigen Einordnung als Letztverbraucher müssen Power-to-Gas-Anlagen für den Bezug von Strom nicht sachgerechte Abgaben und Umlagen zahlen, vor allem die Entrichtung der EEG-Umlage hat negative Effekte auf die Wirtschaftlichkeit“, heißt es in den dena-Handlungsempfehlungen im Potenzialatlas.

„Eine bessere Vernetzung der politischen Maßnahmen zur Unterstützung einzelner PtG-Projekte mit den bundespolitischen Forschungs- und Förderprogrammen kann dazu beitragen, den Weg zu einer effizienten Marktentwicklung mit klaren Prioritäten für die Marktteilnehmer zu identifizieren“, sagt dena-Geschäftsführer Kuhlmann. Das Ziel der Deutschen Energie-Agentur ist die Markteinführung von PtG bis zum Jahr 2022. Kuhlmann: „Wissenschaft und Wirtschaft haben technologisch wichtige Voraussetzungen geschaffen und die Praxistauglichkeit von Power to Gas bewiesen. Die Bundesregierung hat sich im Hinblick auf die Themen Klimaschutz und Technologieentwicklung, um Klimaschutz effizient zu ermöglichen, klar positioniert. Jetzt gilt es, dies in konkrete politische und gesetzgeberische Aktionen umzusetzen.“

Power to Gas ist derzeit die einzige Technologie, die neben der langfristigen Speicherung erneuerbarer Energien auch in allen anderen Energieverbrauchsbereichen einsetzbar ist. Sie kann einen deutlichen Beitrag zur Energiewende und zum Klimaschutz leisten und bietet darüber hinaus auch wirtschaftliches Zukunftspotenzial. Christoph Rasch von Greenpeace Energy erklärt dazu: „Windgas bietet die Chance, in Deutschland eine wichtige Zukunftstechnologie auch für den globalen Markt zu etablieren, um die Technologieführerschaft in diesem Bereich zu bewahren und damit hierzulande Wertschöpfung zu schaffen.“


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