Die Power-to-Gas-Pilotanlage des Prüf- und Forschungsinstituts in Pirmasens.
Foto: Prüf- und Forschungsinstitut (PFI)

 

Energetisches Bauen

26. Januar 2016 | Artikel teilen

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Power-to-Gas: Strom speichern im Erdgasnetz?

Das Potenzial zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen ist gewaltig. Doch bisher fehlen effektive Speicher-Lösungen. Ein neuer Ansatz ist die Power-to-Gas-Technologie.

Bisher kommt die Energiewende im Strombereich nur schleppend voran. Dabei produzieren Windkraftanlagen und nicht zuletzt private Photovoltaik-Module auf Hausdächern schon heute manchmal mehr Strom als verbraucht wird. In Deutschland müssen sogar gelegentlich Windkraftanlagen zwangsweise abgeschaltet werden, weil die Stromnetze das zusätzliche Einspeisevolumen aus den erneuerbaren Energiequellen zu Spitzenzeiten gar nicht immer komplett aufnehmen können.

Schwankendes Angebot

Das Problem ist aber, dass es bei Solar- und Windstrom tages- und jahreszeitlich große Schwankungen gibt. Die Sonne scheint eben nirgendwo den ganzen Tag, und auch die Windenergie liefert den Strom nicht immer genau dann, wenn er vor allem benötigt wird. Diese „Unzuverlässigkeit der Natur“ sorgt dafür, dass der Ökostrom manchmal im Überfluss vorhanden ist, während die Energieausbeute zu anderen Tages- oder Jahreszeiten eher mager ausfällt.

Damit der Strom-Überschuss nicht verloren geht, müsste man die Energie irgendwie zwischenspeichern können. Doch die bisher bekannten Lösungen sind leider noch nicht besonders effektiv. So sind Akkus zur Stromspeicherung derzeit noch sehr teuer. Ein herkömmlicher Blei-Säure-Akku für die Photovoltaik-Anlage eines Einfamilienhauses kostet beispielsweise zwischen 6.000 und 10.000 Euro – eine Investition, die sich für Hausbesitzer meist nicht rechnet.

Funktionsprinzip Power-to-Gas

Eine interessante Alternative zu Stromspeicher-Akkus könnte in Zukunft die Power-to-Gas-Technologie werden. Bei diesem Verfahren wird Strom in Gas umgewandelt, das sich dann im bestehenden Erdgasnetz speichern lässt. Von dort kann es dann später beispielsweise zum Heizen im Gebäudebereich bezogen werden. Oder es dient zum Antrieb von Gaskraftwerken beziehungsweise Blockheizkraftwerken und wird dabei wieder in nutzbaren Strom zurückverwandelt.

Das Grundprinzip von Power-to-Gas besteht darin, dass Strom genutzt wird, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Das ist das bekannte chemische Verfahren der Elektrolyse, von dem ihr sicherlich im Schulunterricht schon mal gehört habt. Das so gewonnene Wasserstoffgas kann danach direkt als Kraftstoff für erdgasbetriebene Fahrzeuge verwendet werden oder es wird für industrielle Prozesse genutzt. Die Einspeisung und Aufbewahrung im vorhandenen Erdgasnetz ist aber aus technischen Gründen nur begrenzt möglich – bis zu einer maximalen Konzentration von zwei Volumenprozent.

Will man größere Mengen ins Erdgasnetz einspeisen, dann muss man den Wasserstoff zuvor mit Kohlendioxid reagieren lassen, wobei das Gas Methan entsteht. Methan wird auch als synthetisches Erdgas bezeichnet und hat als Brennstoff fast genau die gleichen Eigenschaften wie das fossile Erdgas aus der Erdkruste. Deshalb lässt es sich ohne Einschränkungen ins Erdgasnetz einspeisen und eignet sich für alle üblichen Anwendungen.

Marktaussichten

So soll der Power-to-Gas-Prozess in Zukunft funktionieren.
Grafik: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) / www.powertogas.info

Als leistungsfähige und flexible Speichertechnologie könnte Power-to-Gas zu einem wichtigen Lösungsansatz im Rahmen der Energiewende werden. Wirtschaftlich ausgereift ist die Technik allerdings noch nicht. Im Moment wird noch viel geforscht und an Prozessoptimierungen gearbeitet, um das Verfahren effektiver und kostengünstiger zu machen. Die Entwicklung schreitet aber schnell voran. Nach Schätzungen der Deutschen Energie-Agenur (Dena) könnte der großtechnische, wirtschaftlich tragfähige Einsatz von Power-to-Gas in Deutschland bereits ab 2022 beginnen.

Bisher beschränkt sich die Praxis von Power-to-Gas aber auf Forschungs- und Pilotprojekte. Davon gibt es einige in Deutschland. Eines davon betreibt zum Beispiel das Prüf- und Forschungsinstitut (PFI) im rheinland-pfälzischen Pirmasens zusammen mit der Universität Mainz – finanziell gefördert vom Land Rheinland-Pfalz. Auf dem Gelände des PFI ist Mitte 2015 eine Power-to-Gas-Pilotanlage eingeweiht worden (siehe Foto). Nach Angaben der Forscher aus Pirmasens wäre das deutsche Gasnetz prinzipiell in der Lage, zusätzliches Methan aus der Umwandlung von bis zu 200 Terawattstunden Strom zu speichern. Das entspricht etwa einem Drittel des Stromverbrauchs der Bundesrepublik.

Damit dieses Potenzial genutzt werden kann, muss sich aber der Wirkungsgrad von Power-to-Gas noch verbessern – also das Verhältnis der nutzbaren Energie zur eingesetzten Energie. Betrachtet man nur die Elektrolyse, also die Umwandlung von Strom in Wasserstoff, dann liegt der Wirkungsgrad bei etwa 80 Prozent. Das ist nicht schlecht. Aber bei der Umwandlung in Methan geht ein weiterer Anteil der ursprünglich eingebrachten Energie verloren, und das Gleiche gilt natürlich für die Rückumwandlung von Gas in Strom. Der Wirkungsgrad Strom-Gas-Strom liegt nach Angaben der Dena nur noch bei etwa 40 Prozent. Das muss besser werden, wenn Power-to-Gas in naher Zukunft zu einer Erfolgsgeschichte werden soll.

> Mehr Infos zu erneuerbaren Energien finden Sie in der Übersicht.

Über den Autor Roland Grimm ist seit Februar 2013 freier Journalist mit Sitz in Essen und schreibt regelmäßig Fachwissen-Artikel für BaustoffWissen. Zuvor war er rund sechs Jahre Fachredakteur beim Branchenmagazin BaustoffMarkt und außerdem verantwortlicher Redakteur sowie ab 2010 Chefredakteur der Fachzeitschrift baustoffpraxis. Kontakt: freierjournalist@rolandgrimm.com

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