Power to Gas: Die Zukunft der Energiespeicherung

Die Energiewende stellt neue Herausforderungen an die Speicherung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie. Eine vielversprechende Lösung bietet Power to Gas, ein Verfahren, das überschüssigen Strom in Wasserstoff oder Methan umwandelt. Diese Technologie ermöglicht eine effiziente Speicherung und Nutzung von Energie.

Power to Gas einfach erklärt

Das Verfahren nutzt elektrische Energie, um durch Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Anschließend kann Wasserstoff direkt verwendet oder durch Methanisierung von Power to Gas in Methan umgewandelt werden. Funktionsweise und Aufbau einer Power to Gas Anlage:

1. Elektrolyse:

Kernstück einer Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff ist eine Elektrolyse-Einheit. Dazu gibt es verschiedene Verfahren: die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse. Die PEM-Elektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse haben hier die größten Chancen, sich in Zukunft stärker durchzusetzen. Die PEM-Elektrolyse bietet eine hohe Dynamik und eignet sich besonders für die schwankende Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Zudem arbeitet sie bei relativ niedrigen Temperaturen, was die Materialanforderungen reduziert.

Die Hochtemperaturelektrolyse wiederum erreicht besonders hohe Wirkungsgrade, da sie Abwärme aus industriellen Prozessen nutzen kann, was den Energiebedarf verringert. Dieser Faktor macht sie für eine industrielle Skalierung besonders interessant.

2. Speicherung:

Die Speicherung von Wasserstoff stellt eine besondere Herausforderung dar, da das Gas eine geringe Energiedichte pro Volumen hat und unter hohem Druck oder bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden muss. Die drei gängigsten Methoden zur Speicherung sind:

Druckspeicherung: Wasserstoff wird in speziellen Drucktanks mit bis zu 700 bar gespeichert. Dies erfordert robuste Materialien und energieintensive Kompressionsprozesse.
Kryogene Speicherung: Hierbei wird Wasserstoff auf -253 °C abgekühlt und in flüssiger Form gelagert. Dieser Prozess ist energieaufwendig und erfordert spezielle Isolierung.
Materialbasierte Speicherung: Metallhydridspeicher oder chemische Träger ermöglichen eine Speicherung in fester oder flüssiger Form. Diese Technologien befinden sich noch in der Entwicklung, bieten jedoch Potenzial für eine kompakte und sichere Lagerung.

Eine praktikable Lösung für die langfristige Speicherung bietet die Einspeicherung von Wasserstoff in unterirdischen Kavernen bereits erschöpfter Erdgasvorkommen in Österreich. Diese sollen in Zukunft nicht nur mit heimischem Überschussstrom von erneuerbaren Energieträgern befüllt werden, sondern auch Teil von länderübergreifender Produktions- und Lagerungskonzepten werden.

Ausgehend von diesen Speichereinheiten soll dann über die Erdgasleitungen, die zuvor für den Wasserstofftransport adjustiert werden müssen, das Gas zu Kraftwerken und Großverbraucher kommen. Wenn eine unmittelbare Nutzung auf diese Weise nicht möglich ist, bietet sich der Zwischenschritt der Methanisierung des Wasserstoffs an. Dieser Schritt macht die Lagerung zwar einfacher, senkt aber die Effizienz, da zur Herstellung von synthetischem Methangas wiederum Energie gebraucht wird.

Power to Gas – Methanisierung als Schlüsseltechnologie

Unter Methanisierung versteht man die Umwandlung von Wasserstoff zu Methan, was über katalytische oder biologische Prozesse erfolgen kann. Power to Gas Methan entsteht durch:

Katalytische Methanisierung: Hierbei wird CO₂ mit Wasserstoff an einem Katalysator – meist Nickel – chemisch zu Methan und Wasserdampf umgewandelt. Dieser Prozess findet bei Temperaturen zwischen 300 und 500 °C sowie Drücken zwischen 5 und 15 bar statt. Bei ausreichendem Wasserstoffeinsatz kann das im Biogas enthaltene CO₂ nahezu vollständig in Methan umgewandelt werden.
Biogene Methanisierung: Hierbei nutzen spezialisierte Archaeen das im Rohbiogas enthaltene CO₂ sowie den zugesetzten Wasserstoff zur Methanproduktion. Dieser Prozess läuft bei deutlich niedrigeren Temperaturen (40 bis 70 °C) und leichtem Überdruck ab, wodurch er weniger energieintensiv ist als die katalytische Methanisierung. Allerdings verläuft die Methanbildung langsamer, weshalb größere Reaktoren und längere Verweilzeiten notwendig sind. Die biologische Methanisierung kann entweder direkt im Biogasreaktor (in-situ) oder in einem separaten Reaktor (ex-situ) erfolgen. Da kein Katalysator eingesetzt wird, entfällt die aufwendige Reinigung des Rohbiogases vor der Methanisierung, was den Prozess vereinfacht.

Eine wichtige Komponente im Rahmen der Power to Gas Technologie sind die Kraftwerke, in denen die gasförmig gespeicherte Energie bei Bedarf zur Rückverstromung und gleichzeitigen Wärmegewinnung – etwa für Fernwärmenetze oder als benötigte Industriewärme – verwendet wird.

Vorteile von Power to Gas - Wasserstoff und synthetischem Methan

Die Umstellung der Industrie auf Power to Gas als Energiequelle stellt eine große Herausforderung für die bestehende Infrastruktur dar, da Transport- und Speicherkapazitäten ausgebaut werden müssen.

Vorteile der Power to Gas Technologie:

Langfristige Speicherung von Überschussstrom
Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energien für verschiedene Sektoren
Bei Methanisierung ist die Verwendung ins bestehende Erdgasnetz möglich

Nachteile von Power to Gas:

Hohe Investitions- und Betriebskosten
Niedrigerer Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu Batterien

Zukunftsperspektiven und Herausforderungen

Um Power to Gas Anlagen wirtschaftlich tragfähig zu machen, sind politische Unterstützung und technologische Weiterentwicklungen erforderlich. Der niedrige Wirkungsgrad, kann durch effizientere Verfahren verbessert werden.

Die Speicherung in unterirdischen Kavernen, insbesondere in Österreich, hat sich als praktikable Lösung für die langfristige Lagerung erwiesen. Dies ermöglicht eine saisonale Speicherung von erneuerbarer Energie und eine flexible Nutzung, wenn diese benötigt wird. Zudem sind schnell hochfahrbare Kraftwerke mit Power to Gas-Technologie essenziell für Redispatch-Maßnahmen und die Netzstabilität. Sie können kurzfristig auf Schwankungen im Stromnetz reagieren und so eine sichere Energieversorgung gewährleisten.

Eine große Hoffnung dieser Technologie besteht für industrielle Prozesse, die nicht elektrifiziert werden können. Eine breite Anwendung, etwa um die heutige Erdgasnutzung zu ersetzen, kommt schon aus Kostengründen nicht in Betracht. Für das Heizen gibt es viel effizientere Lösungen – sei es durch Wärmepumpen oder durch die Nutzung industrieller Abwärme über ein flächendeckend ausgebautes Fernwärmenetz in den Ballungsräumen. In jedem Fall ist Power to Gas eine der Schlüsseltechnologie für das Gelingen der Energiewende.

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