Erdgasspeicher: Wird mit Strom ein Erdgassubstitut erzeugt und ins Erdgasnetz eingespeist, stehen nicht nur riesige Energiespeicherkapazitäten (wie hier in Jemgum) zur Verfügung, sondern dank des gut ausgebauten Gasnetzes auch enorme Transportkapazitäten.
Erschienen in: Energy 2.0 Juli 2011, S. 46
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Power-to-Gas als Langzeitspeicher

Innovative Technologie zur Integration und Speicherung erneuerbarer Energien

Um eine sichere Stromversorgung und die größtmögliche Nutzung von erneuerbaren Energien zu gewährleisten, kann ein CO 2 -neutrales Gas mit Hilfe von Strom erzeugt und in der bestehenden Erdgas-Infrastruktur zwischengespeichert werden. Besonders attraktiv ist diese Speichertechnologie in Kombination mit Biomethananlagen. *  Text: Mareike Jentsch, Tobias Trost, Lukas Emele, Dr. Michael Sterner, IWES Foto/Grafik: Wingas, EWE/IWES, ZSW  

Die Transformation des Energiesystems stellt neue Herausforderungen an die zukünftige Energieversorgung. Die vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) in Kooperation mit dem Fraunhofer IWES entwickelte Power-to-Gas-Technologie ermöglicht es, mit regenerativem Strom ein CO 2 -neutrales Erdgassubstitut zu erzeugen [1,2]. Die Einspeisung des erneuerbaren Methans in das Erdgasnetz erlaubt die Langzeitspeicherung von fluktuierender Sonnen- und Windenergie mit ausreichender Kapazität in einer bestehenden Infrastruktur. Ein Energiesystem, das zu großen Teilen auf fluktuierender erneuerbarer Stromerzeugung beruht, benötigt Speicher beziehungsweise Backup-Kraftwerke, die eine sichere Stromversorgung gewährleisten. Zum einen sollten regenerative Überschüsse gespeichert werden. Zum anderen müssen sich Zeiten mit geringer erneuerbarer Einspeisung überbrücken lassen, die auch bei europäischer Vernetzung mehrere Tage bis Wochen andauern können. In einer regenerativen Vollversorgung benötigt Deutschland Langzeitspeicher in der Größenordnung von 40TWh el [3].

Speicherkapazität der deutschen Erdgasspeicher: Mögliche Entladedauer in Tagen bei angegebener maximaler Entladeleistung.
wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IWES in Kassel
-Bezugsquelle dient hier eine Biomethananlage.

Das Prinzip der Strom-Gasnetz-Kopplung

Eine technische Lösung zur Energiespeicherung in der erforderlichen Größenordnung ist die Energiespeicherung über den chemischen Energieträger erneuerbares Methan. Technisch gesehen wird aus elektrischer Energie mittels Wasserelektrolyse zunächst Wasserstoff und in einem weiteren Verfahrensschritt, unter der Hinzunahme von CO 2 , synthetisches Erdgas hergestellt (Sabatier-Prozess) [2]. Der auf diese Weise erzeugte chemische Energieträger hat die gleichen Eigenschaften wie fossiles Erdgas und kann daher als Austauschgas in das Erdgasnetz eingespeist werden, so dass eine Verteilung und Speicherung des erneuerbaren Gases möglich ist. Zu Zeiten geringer regenerativer Stromeinspeisung kann es als Brennstoff für Backup-Kraftwerke eingesetzt werden, die ohnehin für den Ersatz von wegfallenden Kraftwerkskapazitäten aufzubauen sind. Darüber hinaus ergeben sich Nutzungsmöglichkeiten im Verkehrs- und Wärmesektor. Der Wirkungsgrad der Power-to-Gas-Technologie wird im Wesentlichen durch die beiden Prozessschritte Elektrolyse und Methanisierung definiert. Liegt für die Methanisierung ein konzentrierter CO 2 -Strom vor, so können etwa 60% des zu speichernden Stroms in Form von erneuerbarem Methan in das Erdgasnetz eingespeist werden [4]. Wird der Speicherwirkungsgrad unter Berücksichtigung einer Rückverstromung über ein GuD-Kraftwerk mit 60% Wirkungsgrad berechnet, so resultiert ein Strom-zu-Strom-Wirkungsgrad von 36%. Da mit dieser Technologie Stromüberschüsse verwertet werden können, die andernfalls ungenutzt bleiben würden, spielt der Wirkungsgrad eine untergeordnete Rolle. Andere Speichertechnologien (zum Beispiel Pumpspeicher) haben zwar einen höheren Wirkungsgrad, weisen in Mitteleuropa jedoch nicht annähernd die Speicherkapazitäten auf, die für eine Langzeitspeicherung von erneuerbarem Strom benötigt werden. Während es in Deutschland Pumpspeicherkapazitäten von etwa 0,04TWh el gibt [3], stellen die Erdgasspeicher eine Kapazität mit einem Heizwert von 202TWh th bereit [5]. Bei einem Rückverstromungswirkungsgrad von 60% ermöglicht die Speicherkapazität des Erdgasnetzes theoretisch eine Ausspeicherleistung von 65GW el (mittlere Last Deutschland) über 77 Tage (siehe Abbildung). Neben den Speicherkapazitäten gibt es für Erdgas auch ein gut ausgebautes Transport- und Verteilnetz. Während typische Übertragungsleitungen für Strom eine Übertragungsleistung von 3,5GW el bereitstellen (zwei 380-kV-Drehstromsysteme), kann zum Beispiel über die Trans-Europa-Naturgas-Pipeline ein Gastransport mit etwa 70GW th erfolgen. Damit ermöglicht die Strom-Gasnetz-Kopplung nicht nur die Speicherung großer Energiemengen, sondern auch eine räumliche Verlagerung zwischen Einspeicherung und Nutzung.

CO 2 -Quellen für die Methansierung

Zur Methanerzeugung ist neben Strom für die Elektrolyse auch CO 2 für die Methanisierung von Wasserstoff nötig. BesondersbiogenesCO 2 aus Vergärungs- und Vergasungsprozessen ist aufgrund seiner CO 2 - und Klimaneutralität attraktiv für den Methanisierungsprozess. Hierzu zählt CO 2 aus Biogas, Bio-SNG (Synthetic Natural Gas), Klärgas oder aus Bioethanolanlagen. Innerhalb dieser Gruppe sind insbesondere Biogasanlagen mit einer Gasaufbereitung und Einspeisung in das Erdgasnetz (sogenannte Biomethananlagen) hervorzuheben. In Abhängigkeit von dem eingesetzten Substrat ist Rohbiogas aus Biogasanlagen ein Gasgemisch, das überwiegend aus Methan und CO 2 besteht. Eine Kombination von Biomethananlagen und der Power-to-Gas-Technologie lohnt sich in zweifacher Hinsicht. Zum einen fällt bei der Biogasaufbereitung in Biomethananlagen ein hochkonzentrierter CO 2 -Volumenstrom an, der direkt für die Methanisierung verwendet werden kann, bevor er in die Luft entweicht. Zum anderen ist bereits ein Einspeisepunkt für Methan ins Gasnetz vorhanden. Bereits Ende 2010 waren 50 Biogasaufbereitungsanlagen mit einer stündlichen Biomethaneinspeisekapazität in das Gasnetz von rund 42.000Nm 3 in Deutschland in Betrieb [6]. Bei den Anlagen kommen unterschiedliche Biogasaufbereitungstechniken zum Einsatz, die wiederum Einfluss auf die CO 2 -Konzentration im Abgas haben. In Abhängigkeit vom eingesetzten Substrat fallen bei den deutschen Biomethananlagen derzeit jährlich etwa 290 Mio. m 3 hochkonzentriertes CO 2 an, das in Power-to-Gas-Anlagen ohne zusätzlichen Aufbereitungsaufwand zur Herstellung von erneuerbarem Methan verwendet werden kann. Mit Hilfe dieser Menge CO 2 ließen sich theoretisch etwa 4,8TWh Überschussstrom in Methan zur Langzeitspeicherung umwandeln. Zudem strebt die Bundesregierung zukünftig einen starken Ausbau der Biomethanerzeugung an [7]. So sollen sich die heutigen Aufbereitungskapazitäten bis 2030 um das etwa 30-fache erhöhen. Bei Prozessen in der Stahl-, Zement- oder chemischenIndustriefallen auch große Mengen CO 2 als Abgas beziehungsweise Reststoff an. In manchen Fällen sogar in so reiner Form, dass es direkt der Methanisierung zugeführt werden könnte. Zudem bietet die CO 2 -Absorptionaus der Atmosphäreausreichend Potenzial, ist jedoch mit einem erhöhten technischen, energetischen und wirtschaftlichen Aufwand verbunden. Darüber hinaus könnte man CO 2 aus Verbrennungsprozessen vonfossilenBrennstoffen verwenden. Methan aus Power-to-Gas-Anlagen darf jedoch die Nutzung klimaschädlicher fossiler Energie nicht verstetigen, indem sie einen durchgängigen Betrieb fossiler Kraftwerke ermöglichen. Ebensowenig dürfen Emissionen aus der Stromerzeugung über die Weiterverwendung in anderen Energiesektoren (Verkehr, Wärme) annulliert werden, die nicht im Emissionshandel erfasst sind.

Ausreichendes Potenzial in Deutschland

Bei steigendem Anteil an erneuerbaren Energien in der Energieversorgung stellt die Power-to-Gas-Technologie eine nationale Möglichkeit der Langzeitspeicherung von erneuerbaren Stromüberschüssen dar. Ein ausreichendes Potenzial an biogenen CO 2 -Quellen in Deutschland ermöglicht die Klimaneutralität des erneuerbaren Methans. Die bidirektionale Kopplung von Strom- und Gasnetz erlaubt eine Nutzung der umfangreichen Speicher- und Transportkapazitäten des vorhandenen Erdgasnetzes für eine sichere und flexible Energieversorgung der Zukunft. Zudem kann erneuerbares Methan als regenerativer Kraftstoff eingesetzt werden und somit zusätzlich einen Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrssektors leisten. Damit stellt die Power-to-Gas Technologie einen wichtigen Baustein der Energiewende dar.☐

Weitere Informationen

Die Literaturliste zu diesem Beitrag finden Sie im Internet auf www.energy20.net.

[1] Sterner, M.: Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems, Limiting global warming by transforming energy systems, Dissertation, Universität Kassel, Fraunhofer IWES, 2009

[2] Specht, M. et al.: Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz, In Erdöl Erdgas Kohle 2010 (10)

[3] Klaus, T. et al.: Energieziel 2050: 100% Strom aus erneuerbaren Quellen, Umwelt Bundesamt, Dessau-Roßlau 2010

[4] Sterner, M.; Specht, M.: Erneuerbares Methan. Eine Lösung zur Integration und Speicherung erneuerbarer Energien und ein Weg zur regenerativen Vollversorgung, In Solarzeitalter 1/2010

[5] Sedlacek, R.: Untertage-Gasspeicherung in Deutschland, In Erdöl Erdgas Kohle 2009 (11)

[6] Fraunhofer IWES, Biomethaneinspeisung in das Gasnetz, Work-in-Progress, 2011 [7] Gasnetzzugangsverordnung vom 3. September 2010 (BGBl. I S. 1261), § 31

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