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31. 05. 2015
Arno Kral
Tom's Networking Guide

Report - Power to Gas

TELI-Jour-fixe - Power-to-Gas macht erneuerbare Energie grundlastfähig

Zu seinem Jour-fixe im April 2015 hatte der TELI-Regionalkreis Süd Dr. Volker Busack zum Referat über "Power-to-Gas" eingeladen. Diese Technik kann die starken Schwankungen erneuerbaren Energien chemisch in einen besser transport- und lagerfähigen Energieträger wandeln. Der von ihm aufgezeigte "Königsweg" verbindet Elektrizität, Synthesegas und Prozesswärme zu einem ökologisch und ökonomisch Ganzen, das Überkapazitäten vermeidet, vorhandene Infrastrukturen nutzt, den Klimazielen der Bundesregierung den Weg ebnet und die Abhängigkeit von Energie-Importen verringert.
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Wohin mit dem Überschuss?

Der Umbau der Energieversorgungslandschaft in Deutschland, weg von Kern- und Kohle-Kraft, hin zu erneuerbaren Energien ist politisch gewollt, wirft jedoch Fragen auf, die mit fortschreitendem Zubau "grüner" Kraftwerke drängender werden: Wie kommt die Offshore-Energie vom Norden in den Süden, wie lassen sich heftigen, von Tageszeit und Klima geprägten Leistungs-Schwankungen von Wind- und Solarkraft ausgleichen, wie die Grundlastfähigkeit der Energieversorger bewahren, wie die Balance halten zwischen dem ökologisch Wünschenswerten und dem ökonomisch Machbaren.

Das Thema stieß auf großes Interesse: Um die Argumente des promovierten Chemikers Dr. Volker Busack (63), Geschäftsführer der VNG Gasspeicher GmbH in Leipzig sowie der Erdgasspeicher Peissen GmbH, zu hören und zu hinterfragen waren zum April-Jour-fixe des TELI-Regionalkreises Süd 18 Zuhörer im Internationalen PresseClub München zusammengekommen, darunter Journalisten des VDI, der Fachzeitschriften Technik in BayernElektronik und des Tom?s Networking Guide, dessen Herausgeber Arno Kral mit der Moderation betraut war.

Im April 2015 erläuterte Dr. Volker Busack im Rahmen eines TELI-Jour-fixe im Internationalen PresseClub München die Argumente, warum die Energiewende nur ohne Power-to-Gas-Technologien nicht zu schaffen sei. (Bild: Nina Eichinger)

Dr. Busack stellte dar, dass sich die Überschuss-Energie aus fluktuierender Wind- und Solarkraft durch Elektrolyse auf den Energieträger Wasserstoff übertragen ließe, der sich viel leichter lagern und transportieren ließe als Elektrizität und darüber hinaus als Grundstoff für die Prozesschemie oder zur Verstromung oder Verbrennung in der (Elektro-) Mobilität dienen könne. Wasserstoff benötige die chemische Industrie in rauen Mengen -- 100.000 Kubikmeter pro Tag sind es allein im mitteldeutschen Chemiedreieck. Diesen Wasserstoff würden heute Firmen wie Linde im Wesentlichen aus Erdgas unter Einsatz von 450 Megawatt an Energie herstellen. Darüber hinaus lasse sich dieser "grüne" Wasserstoff großtechnisch und wirtschaftlich vertretbar für die Methanisierung nutzen, womit ein substanzieller Beitrag zur Verringerung des Kohlendioxid-Eintrags in die Atmosphäre geleistet werden könne. Dr. Busack zur Folge sind fossile Brennstoffe im Energiekonzept der Bundesregierung unterbewertet sind. Dabei ließe sich das Kohlendioxid aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe aus der Atmosphäre fernhalten, ob durch Verpressen in porösen Tonschichten (gesellschaftlich wenig akzeptabel) oder durch Methanisierung.

Die Prognose der Angebots- und Nachfrageschwankungen für das Jahr 2012, hier gezeigt für das ostdeutsche Stromnetz, zeigen, in welchem Umfang Speicherlösungen das Abschaltrisiko für EE-Stromerzeugung auffangen könnten. (Grafik: EuPD Research)

Wasserstoff oder Erdgas respektive SNG (Synthetic Natural Gas) kann in Kavernen bevorratet werden, die bei der Sole-Gewinnung in Salzlagerstätten ohnehin entstanden seien. "Davon haben wir in Mitteldeutschland genug", sagte Busack. "Sie reichen in eine Tiefe von 800 bis 1000 Meter und werden mit Drücken zwischen 20 und 120 Bar betrieben. Einer der bundesweit größten Speicher befindet sich jedoch in Bierwang in Bayern in den Landkreisen Mühldorf an Inn und Rosenheim. Er fasst zwei Milliarden Kubikmeter." Insgesamt sind in Deutschland bereits 48 Untergrundspeicher in Betrieb, weitere würden folgen, etwa der neue Speicher "Katharina", den die VNG gemeinsam mit Gazprom baut. Von dessen Speicherkapazität sei bereits eine halbe Milliarde Kubikmeter vermarktet, der Vollbetrieb für 2017 projektiert.

"Wir haben ein Gesamtspeichervolumen von ca. 2,7 Milliarden Kubikmeter und sind damit der drittgrößte Speicherbetreiber im Land", führte Busack aus. "Das Gesamt-Speichervolumen beträgt heute 23 Milliarden Kubikmeter und entspricht einem Drittel des jährlichen Erdgasabsatzes in Deutschland. Deshalb ist die Versorgung Deutschlands selbst in Hinblick auf etwaige Machtspiele Putins unkritisch."

Dr. Busack belegte mit Fakten, dass Gasspeicher für die Energiewende schon wegen der schieren Größe der Aufgabe "Energiespeicherung" unabdingbar sind. Der fortgesetzte Ausbau erneuerbarer Energiequellen führe zu wachsenden Schwankungen im Stromnetz, die keine der heute eingesetzten Speichertechnologien auffangen könne: Für das Jahr 2030 liege der Speicherbedarf bei von 20 TWh, die vorhandene Gesamtkapazität klassischer Lageenergie- / Pump- und Druckluftspeicher, Batterien/Akkus/Kondensatoren, Schwungräder, Wärmespeicher betrage aber lediglich 0,06 TWh, und es sei völlig undenkbar, sie in eineinhalb Dekaden um das 333-fache ausbauen zu können. Dagegen fassen die schon vorhandenen Gasspeicher Deutschlands bereits heute 230 TWh, von denen 12 Prozent auf die VNG entfallen. Erst die Elektrolyse von Wasser mit Überschuss-Strom aus erneuerbaren Energiequellen kann dieses Speichervolumen für die Energiewende erschließen.

Schon im Jahr 2020 verlangt die Energiewende mehr als 333 so viel Kapazität als sie herkömmliche Speichertechniken bringen könnten. Der Einsatz von Power-to-Gas erschlösse hingegen das beträchtliche Gasspeichervolumen in Deutschland. (Grafik: VNG Gasspeicher)

2-x durch Power-to-x

Speichern ist das eine, Transportieren das Andere. Stand heute fordern die Betreiber, insbesondere von Offshore-Windparks, neue Stromtrassen, gegen die sich die Bevölkerung (und damit die Politik) heftig auflehnen. Eine Alternative zu den projektierten 2500 Kilometern neue Hoch- und Höchstspannungsleitungen stellt das deutsche Erdgasleitungsnetz dar, das, Stand 2010, eine Gesamtlänge von 524.000 Kilometern aufweist und sich fast über die gesamte Republik erstreckt.

Power-to-Gas setzt die Wirtschaft in die Lage, das lokale Überangebot an erneuerbaren Energien statt mit neuen Stromtrassen über das Erdgasleitungsnetz in der Republik zu verteilen. (Grafik: VNG Gasspeicher)

Im Gegensatz zum Stromnetz weist das deutsche Erdgasleitungsnetz leitungsstarke Nord-Süd-Verbindungen auf. Erdgasleitungen können auch einen geringen Volumenanteil Wasserstoff transportieren, der jedoch heute noch auf zwei Prozent begrenzt ist, weil höhere Konzentrationen die Leitungstechnik schädigen kann (Versprödung der Turbinenschaufeln der Verdichterstationen) und weil die Hauptabnehmer in der chemischen und verarbeitenden Industrie auf eine gleichbleibende Gaszusammensetzung angewiesen sind. Doch schon diese geringe Zumischung ergibt in der Summe eine Milliarde Kubikmeter mit einer Leistung von drei Milliarden Kilowattstunden pro Jahr. Mittelfristig soll der Wasserstoff-Anteil in Erdgas-Pipelines gar zehn Prozent ansteigen.

Verworren, aber vernünftig: Wird der Überschussstrom aus erneuerbaren Energiequellen zur Elektrolyse von Wasser genutzt, entsteht neben industriell ebenfalls verwertbarem, reinen Sauerstoff Wasserstoff. Dieses reaktionsfreudige Gas als Rohstoff in der Chemie, für die Wärmeerzeugung, als Energieträger für den Verkehr oder zur Methanisierung von Kohlendioxid zu synthetischen Erdgas einsetzen. Sowohl Wasserstoff als auch Methan lassen sich in Kavernen speichern oder über Ferngasleitungen transportieren und in Gas- oder Blockheizkraftwerken wieder verstromen. So können erneuerbare Energien einen Kreislauf antreiben, mit Hilfe von Erdgasleitungen und Speichern das Stromnetz entlastet und das Abschaltrisiko für Wind- und Solarkraft-Anlagen minimiert. (Grafik: VNG Gasspeicher)

Methanisierung des Wasserstoffes kann die Zumischproblematik jedoch nachhaltig umgehen: Dieser Sabatier-Prozess wandelt katalytisch in einer stark exothermen Reaktion Wasserstoff und klimaschädliches Kohlendioxid (sowie gesundheitsschädliches Kohlenmonoxid) in Methan, Wasser und beträchtliche Wärmemengen. Das so erzeugte SNG (Synthetic Natural Gas) ist nichts anderes als reines Methan und damit "genauso gut wie Erdgas", dessen Hauptbestandteil es stellt (75 - 99 Prozent). Damit sei es ganz ohne Änderung der vorhandenen Transport- und Speicher-Infrastruktur als "grüner Energieträger" einsetzbar. Die bei der Methanisierung entstehende Prozesswärme kann nämlich für Wasser-Verdampfung eingesetzt werden, und dann könne die Elektrolyse als alkalische Hochtemperatur- und Hochdruck-Reaktion mit hohem Wirkungsgrad verlaufen. "Biogene Methanisierung" nannte Dr. Busack dieses Verfahren, das auf die Konvergenz von Strom, Gas und Wärme setzt.

Aus Elektrolyse erzeugter und in Kavernen gespeicherter Wasserstoff kann über Wasserstoffpipelines direkt in der Chemie oder der Elektromobilität zum Einsatz kommen, in geringem Masse direkt oder nach Methanisierung in vollem Umfang als Synthetic Natural Gas (SNG) durch Erdgaspipelines fließen. (Grafik: VNG Gasspeicher)

Strom-Gas-Infrastruktur-Konvergenz

Eine konvergente Gas- und Strom-Infrastruktur verspricht laut Dr. Busack beträchtlichen volkswirtschaftliche Nutzen. Dabei seit die Methanisierung der Königsweg, weil sie bundesweite Transport-Infrastruktur nutzbar mache. Elektrizität ließe sich durch Rückwandlung der Energieträger Wasserstoff respektive Methan besser vor Ort erzeugen als sie über weite Strecken transportieren zu müssen. Die Rückverstromung können umweltfreundliche Anlagen übernehmen, seien es zentrale Gaskraftwerke wie das weltweit modernste im Bayerischen Irsching, BHKW (Block Heizkraftwerke) oder ein Verbund von Mikro-BHKW, deren elektrische Anschaltleistung gebündelt ebenfalls an der Leipziger Strombörse handelbar wäre. Gasleitungen, -speicher und -kraftwerke existierten ja bereits, so dass bei intelligenter Nutzung der Power-to-Gas-Technologie Raumordnungsverfahren und Bürgerproteste ebenso hinfällig wären wie das Gezerre der Politik um neue Stromtrassen. Mit Power-to-x könnte es Bayerns Ministerpräsident Horst Seehofer gelingen, die Zahl neuer Hochspannungstrassen auf "2-x", in seinen Worten "also Eins oder Null" zu begrenzen, ohne die Versorgungssicherheit im Freistaat preiszugeben. Von der Machbarkeit habe sich der ehemalige Bundes-Umweltminister im Jahr 2014 sogar vor Ort überzeugt.

Transport und Speicherung von Strom erzielen mit Pumpspeicherkraftwerken zwar den höchsten Wirkungsgrad auf, doch liegt Power-to-Wasserstoff schon fast gleichauf. Der noch deutlich geringere Wirkungsgrad von Power-to-Methan soll durch Strom-Gas-Wärme-Konvergenz jedoch schon in den kommenden beiden Jahren aufschließen. (Grafik: VNG Gasspeicher)

Was die Wirkungsgrade und damit die Wirtschaftlichkeit anbelange, wären Forschung und Technik schon fast am Ziel. Unschlagbar effizient sind zwar Pumpspeicher (Goldisthal: 72 Prozent), aber deren Kapazität reicht für EE-Strom-Speicherung vorne und hinten nicht. Laut Dr. Busack führt an der Methanisierung kein Weg vorbei: "[Wir] werden wir den Wirkungsgrad der Methan-Synthese, ohne Rückverstromung, schon in zwei bis drei Jahren von heute rund 50 auf ebenfalls 72 Prozent anheben können", sagte Busack dem TELI-Auditorium. Volkswirtschaftlich gesehen sei die Rückverstromung jedoch keineswegs die einzige Option. Denn das synthetische Gas ? sei es Wasserstoff oder Methan ? lasse sich direkt in der Prozess-Chemie nutzen. Allein das mitteldeutsche Chemiedreieck benötigt 100.000 Kubikmeter Wasserstoff pro Tag, den heute Firmen wie Linde unter Einsatz einer Energieleistung von 450 Megawatt im Wesentlichen aus Erdgas herstellten. Der Bedarf wird nicht so schnell sinken, denn die Chemie benötige Wasserstoff für Hydrierungen, im Wesentlichen für die Herstellung von Düngemitteln und Methanol. Mit Power-to-Gas ließen sich alleine im industriellen Ballungsraum um die Städte Halle, Merseburg und Bitterfeld 700.000 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr einsparen. Ferner könne Wasserstoff einen beträchtlichen Beitrag zur (Elektro-) Mobilität leisten, weil er als Energieträger sowohl Verbrennungsmotoren direkt befeuern oder indirekt über Brennstoffzellen Elektromotoren versorgen könne.

Durch Umnutzung lassen sich erschöpfte Gaslagerstätten und die beim Kochsalzabbau geschaffenen Kavernen als Speicher für die Power-to-Gas-Technologie einsetzen.

Aus diesem Grunde unterstützt die VNG das Projekt "Hydrogen Power Storage and Solutions East Germany" (HYPOS), das das Bundesforschungsministerium seit 2013 fördert. Neben Forschungsinstituten wie der Fraunhofer Gesellschaft sind daran weit über einhundert Partner von Handwerksbetrieben bis zu Großunternehmen beteiligt. Und: Wasserstoff sei großtechnisch schon lange beherrschbar: Die auf technische Gase spezialisierte Firma Linde betreibe ein 150 Kilometer-Wasserstoff-Pipeline-Netz, die VNG Gasspeicher einen Erdgas-Speicher in Lauchstädt nahe Schkopau. Als Demonstrator "wollen wir ein Wasserstoff-Dorf kreieren, dessen Energiebedarf alleine erneuerbare Energien decken, einschließlich Wasserstoff-Autos", sagte Dr. Busack. Die Forschung sei in vollem Gange. Der bayerische Rohrhersteller REHAU arbeite an Kunststoffschläuchen für den Wasserstofftransport, die bei 30 Bar Druck eine Diffusionsrate von weniger als 10 ppm aufwiesen. Es gebe bereits eine Machbarkeitsstudie für Wasserstoffspeicher mit 100 Bar Betriebsdruck, ein Tool für die Wertschöpfungsanalyse für den Nachweis des volkswirtschaftlichen Nutzens von grünem Wasserstoff in der Modellregion Mitteldeutschland, und die Firma Sunfire in Dresden biete schon heute eine "reversible Brennstoffzelle" an. Deutschland stehe mit dieser Technik keineswegs nicht alleine da: In den USA gäbe es bereits drei Großkavernen für reinen Wasserstoff. "Wir müssen nicht alles selbst erfinden", sagte Dr. Busack, doch "es muss uns gelingen, die Konvergenz von Strom, Gas und Wärme zu verwirklichen."

Die Zeichen für den volkswirtschaftlichen Nutzen stehen laut Busack gut: Seit fünf Jahren stagniere der Markt für Erdgas, seit zwei Jahren gebe es gar ein Überangebot in Europa. Grundsätzlich werde der Erdgasabsatz leicht zurückgehen, was im nicht ausgelasteten Erdgasnetz Kapazitäten für reine Wasserstoffleitungen frei mache. Einer der Nutznießer wäre der Automobilhersteller BMW, der seine eigene Wasserstoff-Philosophie verfolge und in seinem Werk in Leipzig Flurförderfahrzeuge rein elektrisch antreiben will. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Power-to-Gas sei jedoch nur möglich, wenn Power-to-Gas als Energiewandler eingestuft werde und nicht als Endverbraucher elektrischer Energie.

Als zentraler Bestandteil der Dreifach-Konvergenz aus Strom, Gas und Wärme ist Power-to-Gas schon heute ein interessantes Versorgungselement, hilft es doch, die Zentral-Dezentral-Problematik systemisch zu lösen, etwa bei der Rückverstromung in Gas- oder Blockheizkraftwerken. Dazu sei jedoch die politische Willensbildung unerlässlich. Denn: "Ein wirtschaftlicher Betrieb von P2G ist nur möglich, wenn P2G als Energiewandler und nicht als Letztverbraucher eingestuft wird!" Dann ist nämlich die im Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) verordnete Letztverbraucherabgaben hinfällig. Dr. Volker Busack beendete seinen TELI- Vortrag im Internationalen PresseClub München mit den ermutigenden Worten: "Ich würde gerne in zwei Jahren an gleicher Stelle über den Fortgang der Entwicklung berichten. Denn ich bin mir sicher, dass die Power-to-Gas-Technologie bis dahin ihren Durchbruch geschafft haben wird."

Ohne politischen Willen würde die zukunftsweisende Power-to-Gas-Technologie durch Letztverbraucherabgaben auf Strom unwirtschaftlich. (Grafik: ZSW)

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