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Power-to-Gas-Technologie auf dem Weg zur industriellen Anwendung

Bild 1. Power to Gas nah an der industriellen Nutzung: Die neue 250-kW-Anlage am ZSW (Quelle:Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg)

Bild 2. Das Ziel bei der Systemlösung Power to Gas ist die Konvergenz von Stromnetz, Gasnetz und Mobilität

Die Speicherung von Ökostrom gehört zu den großen Herausforderungen der Energiewende. Derzeit werden verschiedene Technologien getestet und ausgebaut. Eine davon ist die Langzeit-Speichertechnologie Power to Gas. Einen Meilenstein dazu legte das ZSW Ende Oktober 2012, als es die weltweit größte Power-to-Gas-Anlage fertigstellte. Mit einer 6-MW-Anlage bei Audi in Werlte will Solar Fuel nun die Stufe der industriellen Anwendung erreichen.

Heute müssen Windenergieanlagen bei Starkwind zumeist abgeregelt werden, um das Stromnetz vor Überlastung zu schützen. Parallel sind die lokalen Netze in Gegenden mit hoher Solarstromeinspeisung stark beansprucht. Vor dem Hintergrund, dass das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) einen Ausbau der erneuerbaren Energien bis 2020 auf einen Anteil von mindestens 35 % und bis 2050 von mindestens 80 % definiert, wird die Netzbelastung noch weiter zunehmen. Aus diesem Grund ist es ein zentrales Anliegen, das Energiesystem auf die fluktuierende Stromerzeugung auszurichten. Es gilt also, Stromüberschüsse zu puffern und Flauten zu überbrücken. Einen möglichen Lösungsweg stellt die Speicherung von Ökostrom als erneuerbares Methan dar. Dazu wird der überschüssige Strom aus Sonne oder Wind per Elektrolyse zunächst in Wasserstoff umgewandelt und in einem weiteren Schritt zusammen mit Kohlendioxid methanisiert. Das so erzeugte Methan lässt sich einerseits ins Erdgasnetz einspeisen und dort über Monate verlustfrei speichern. Bei Stromknappheit kann es dann wieder zurück verstromt werden. Andererseits ist es direkt als Kraftstoff für Erdgasfahrzeuge nutzbar und kann somit einen Beitrag zur CO 2 -neutralen Mobilität leisten. Der Wirkungsgrad bei der Strom-zu-Methan-Umwandlung liegt bei 60 %, wobei sich dieser durch die Nutzung der Abwärme ­erhöht. Der reine Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad beträgt bis zu 35 % und kann auch in diesem Fall durch Abwärmenutzung gesteigert werden. Die Vorteile der Power-to-Gas-Technologie sind – neben der langen Speicher­dauer – die hohe Speicherkapazität sowie die Nutzungsmöglichkeit der vorhandenen Infrastruktur, also des
Erdgasnetzes.

Die Natur zum Vorbild
Ein Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und spätere Vermarktung von Power-to-Gas-Anlagen konzen­triert ist Solar Fuel. Als Vorbild bei der Entwicklung seines Power-to-Gas-Konzepts stand bei dem Stuttgarter Unternehmen die Photosynthese. Bei ihr nutzt die Natur die energielosen Rohstoffe CO 2 und Wasser zur Speicherung von Sonnenenergie: Pflanzen wandeln bei der Photo­synthese diese Rohstoffe mithilfe von Sonnenlicht zu Biomasse um, und bilden damit chemisch gespeicherte Energie. Der Wirkungsgrad Photon-to-Biofuel in der ­Natur ist kleiner als 0,5 %.
Bei der Power-to-Gas-Technologie werden die energielosen Rohstoffe CO 2 und Wasser mithilfe von elektrischem Strom in Methan umgewandelt: In der Elektrolyse wird im ersten Schritt Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Im zweiten Schritt wird Wasserstoff mit CO 2 zu Methan (CH 4) umgesetzt. Dabei steigt die Energiedichte um den Faktor drei an. Es entsteht ein marktfähiger und handelbarer Energieträger in Normqualität, der direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden kann (Bild 2). Nach Angaben von Solar Fuel wird bei dem Power-to-Gas-Prozess eine Energiespeicherung nahe am thermodynamischen Optimum realisiert.

ZSW legt Meilensteine
Einen großen Beitrag am Entwicklungsprozess des Power-to-Gas-Konzepts hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg geleistet. Hier wurde gemeinsam mit der Solar Fuel GmbH und dem Fraunhofer IWES eine 250-kW-Forschungsanlage zur Methanerzeugung (Bild 1) entwickelt und Ende Oktober letzten Jahres vorgestellt. Mit einer möglichen Methanproduktion von bis zu 300 m 3 pro Tag ist sie die größte Anlage ihrer Art weltweit und zehnmal leistungsstärker als die drei Jahre zuvor am ZSW entstandene Versuchsanlage. Aus Sicht der Stuttgarter Wissenschaftler sind sie damit unmittelbar an die industrielle Anwendung der neuen Stromspeichertechnologie herangerückt.
Die Anlage besteht aus einem alkalischen Druckelek­trolyseur, einer Methanisierungseinheit sowie dem Prozessleitsystem für die Steuerung und Regelung. „Unsere Forschungsanlage arbeitet dynamisch und intermittierend. Im Gegensatz zur ersten Anlage kann sie flexibel auf das rasch wechselnde Stromangebot aus Wind und Sonne sowie auf plötzliche Unterbrechungen reagieren“, erklärt Dr. Michael Specht, Leiter des ZSW-Fachgebiets regenerative Energieträger und Verfahren und einer der Väter der neuen Technologie. „Das ist eine Bedingung künftiger Energiesysteme mit einem hohen Anteil erneuerbaren Stroms.“ Als weiteren Vorteil für die Anwendung führt er die Steuerungs- und Regelungstechnik an, die der Technik künftiger industrieller Großanlagen
entspräche.
Während des Betriebs wollen die ZSW-Forscher mit ihren Kollegen vom Fraunhofer IWES und Solar Fuel die Technologie weiter optimieren. Das Hochskalieren späterer Power-to-Gas-Anlagen im energiewirtschaftlich relevanten Bereich von 1 MW bis 20 MW soll dadurch erleichtert werden. Eine Bewertung des künftigen Speicherbedarfs ist ebenfalls Gegenstand der F&E-Arbeiten.

Know-how fließt in E-Gas-Project von Audi ein
Der nächste Schritt hin zur industriellen Anwendung der Power-to-Gas-Technologie wird aktuell mit der Errichtung einer Pilotanlage bei Audi im niedersächsischen Werlte gegangen. Dort errichtet Solar Fuel derzeit im Auftrag der Audi AG eine 6-MW-Anlage mit einer Tagesproduktion von 4000 m 3 Methan. Sie soll im intermittierenden Betrieb arbeiten. Das Kohlendioxid für die Methanisierung wird aus dem CO 2 -Offgasstrom der Abfall-Biogasanlage der EWE Energie AG entnommen. Auf deren Gelände wird auch die Power-to-Gas-Anlage errichtet. Die Abwärme wird gleichzeitig in der Biogasanlage für die Hygienisierung der Abfälle, die Biogasaufbereitung und die Beheizung der Fermenter genutzt.
Am 13. Dezember 2012 wurde Richtfest gefeiert. Zu diesem Zeitpunkt waren die Elektrolyseure angeliefert, die Methanisierungsreaktoren sollten danach eintreffen. „Jetzt erreichen wir die entscheidende Phase“, sagte Dr. Karl Maria Grünauer, Geschäftsführer von Solar Fuel, anlässlich des Richtfests. „Das Herzstück der Megawatt-Stromspeicheranlage steht kurz vor dem Aufbau.“ Die Anlage findet Platz in und neben der jetzt fertiggestellten 30 m langen, 40 m breiten und rund 10 m hohen Halle. Der Betriebsstart der Audi-Anlage ist für das dritte Quartal 2013 vorgesehen.
„Diese Power-to-Gas-Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für eine nachhaltige Mobilität und die Energiewirtschaft der Zukunft. Mit dem E-Gas-Project bringen wir die Energiewende ins Automobil“, sagte Reiner Mangold, Leiter nachhaltige Produktentwicklung bei der Audi AG. Das erneuerbare Gas, das die Anlage erzeugt, wird von Audi als E-Gas bezeichnet. Mit der in Werlte erzeugten Gasmenge können 1500 neue Audi A3 Sportback TCNG jedes Jahr jeweils 15000 km CO 2 -neutral fahren. Der Fünftürer kommt gegen Ende 2013 zum Händler; 2015 will Audi ein zweites TCNG-Modell auf A4-Basis auf den Markt bringen.

20-MW-Anlagen bis 2015 geplant
Solar Fuel arbeitet mit Hochdruck an der Serienfertigung von Power-to-Gas-Anlagen. „Ab 2015 wollen wir Kapazitäten bis 20 MW anbieten“, informiert Dr. K. M. Grünauer. Als Hemmschuh nennt er die in Deutschland bestehenden rechtlichen Regelungen. Die gesetzlichen Rahmenbedingungen seien nicht mehr zeitgemäß. „Stromspeicher sollten künftig nicht mehr wie etwa Glühbirnen als Endverbraucher behandelt werden. Denn sie sind faktisch keine Verbraucher, sondern ein chemisches Umspannwerk, das der Umwandlung in andere Energieformen dient“, sagt der Geschäftsführer. Ohne eine Änderung hier sei ein wirtschaftlicher Speicherbetrieb nicht möglich. Diese Weichenstellung brauche man aber, um die Ökostromspeichertechnologie künftig bedarfsgerecht ausbauen zu können und Deutschland einen Milliardenmarkt zu eröffnen. (ih)

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