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Energieumwandlung

Über diesen Artikel

Lesezeit

3 Minuten

Veröffentlichung

25.08.2020

Letztes Update

17.08.2022

 

So wird Energie nachhaltig umgewandelt für die Zukunft gespeichert

Inhalt des Wiki-Artikel

Power-to-Gas zur Speicherung von regenerativem Strom

Bei dem Konzept Power-to-Gas wird elektrische Energie mittels Wasserelektrolyse in chemische Energie umgewandelt: Aus Strom wird Gas. Gängige Abkürzungen für das Power-to-Gas-Verfahren sind P2G und PtG. Das dabei gewonnene Wasserstoffgas kann in diversen Bereichen zum Einsatz kommen, es kann sowohl energetisch, zum Beispiel als Kraftstoff, als auch stofflich, etwa in der Industrie, genutzt werden. Da nicht vermeidbare Umwandlungsverluste während des Prozesses auftreten, ist Power-to-Gas hauptsächlich in Verbindung mit erneuerbaren Energien interessant, die unstet Strom produzieren, da der chemische Energieträger Wasserstoff als Speicher dienen kann.

Mit P2G elektrische Energie in Gas umwandeln

Um elektrische in chemische Energie umzuwandeln, wird zunächst aus vorzugsweise regenerativem Strom per Elektrolyse Wasserstoff erzeugt. Dabei werden Verfahren mit alkalischer oder PEM-Technologie genutzt. PEM steht für Proton Exchange Membrane, also Protonen-Austausch-Membran. Bei der Umwandlung bildet sich Sauerstoff, es gibt bisher aber nur einige wenige Standorte mit wirtschaftlicher Nutzungsmöglichkeit für das Nebenprodukt. Power-to-Gas-Anlagen wandeln die Energie entweder unter Normaldruck um, in diesem Fall muss der Wasserstoff anschließend verdichtet werden, oder mittels einer Druckelektrolysetechnologie, dann kann die Anlage direkt mit einer Anwendung verbunden werden, für die ein gewisser Gasdruck vorhanden sein muss.

In einem Folgeprozess kann der entstandene Wasserstoff in Methan umgewandelt werden. Bei der sogenannten Methanisierung wird mittels einer chemischen Reaktion mit Kohlendioxid und Druck bis zu 2,5 Megapascal der Wasserstoff in Methan überführt. Als Nebenprodukte des Prozesses entstehen Wasser und Wärme. Die Wärme muss abgeführt werden, sie ist dann als gespeicherte Energie nutzbar: Die energetische Gesamtbilanz wird also durch den Folgeprozess verbessert. Mit Power-to-Gas werden Wirkungsgrade zwischen 64 und 77 Prozent für Wasserstoff und Wirkungsgrade zwischen 49 und 77 Prozent für Methan erreicht.

Vor- und Nachteile von Power-to-Gas-Verfahren

Power-to-Gas bietet einen bedeutenden Vorteil, denn sowohl Wasserstoff als auch Methan sind CO2-neutrale Energieträger mit einer hohen Energiedichte. Zudem können Wasserstoff und Methan in das Erdgasnetz eingespeist werden. Wird regenerativ erzeugter Wasserstoff eingespeist, könnten pro Kubikmeter circa 500 Gramm an CO2-Emissionen vermieden werden, denn aus erneuerbaren Energien erzeugter Strom kann nicht komplett ins Netz überführt werden, es gibt die sogenannte Ausfallarbeit. Mit dem Power-to-Gas-Verfahren hätten allein im Jahr 2011 durch Nutzung dieser Ausfallarbeit 42 100 Tonnen CO2-Emissionen eingespart werden können. Während die Einspeisung von Methan besonders leicht ist, denn es verändert die Gasbeschaffenheit nicht, ist bei Wasserstoff die Zumischung zum Erdgas bislang auf fünf bis zehn Prozent begrenzt, außerdem muss sie standortbezogen geprüft werden. Mittels Power-to-Gas lassen sich also nicht nur neue Potenziale im Bereich der erneuerbaren Energien erschließen, die Energie kann darüber hinaus gespeichert, durch das Erdgasnetz transportiert und verteilt werden.

Ein weiterer Vorteil von P2G ist, dass sich Anwendungsmöglichkeiten für den nachhaltigen Mobilitätsbereich eröffnen. Auf diese Weise gewonnener Wasserstoff kann für Autos mit Brennstoffzellen und Wasserstoffantrieb genutzt werden, Erdgasautos können auch mit Methan betankt werden. Elektrolysewasserstoff kann außerdem für andere chemische Umsetzungen wie die Produktion von bestimmten Düngern dienen, so dass dafür kein aus fossilen Quellen erzeugter Wasserstoff mehr verwendet werden muss.

Ein Nachteil von Power-to-Gas ist, dass der Wirkungsgrad bezogen auf die gesamte Prozesskette, welche die Umwandlung von Strom in Gas und die Rückführung in nutzbare Energie umfasst, relativ niedrig ausfällt. Der Wirkungsgrad von P2G mit anschließender Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie beträgt 35,5 Prozent, bei Nutzung von Methan liegt er bei nur 28,5 Prozent. Wird der Wasserstoff in mechanische Energie umgewandelt, wird ein Wirkungsgrad von lediglich 33,6 Prozent erreicht, der Weg über Methan führt zu 19,6 Prozent. Deutlich höher ist der Wirkungsgrad, wenn erst das Power-to-Gas-Verfahren angewendet und das Gas anschließend in Wärmeenergie umgewandelt wird, nämlich 69,2 Prozent bei Wasserstoff und 55,5 Prozent bei Methan.

Power-to-Gas im Verkehrssektor

Neben E-Autos sind auch mit Wasserstoff oder Erdgas betriebene Fahrzeuge dazu geeignet, den Verkehr nachhaltiger zu gestalten. Ein Brennstoffzellenauto verbraucht pro Kilometer etwa 0,652 Megajoule Wasserstoff und stößt dabei überhaupt keine Abgase wie Kohlendioxid, Methan, Dickstoffmonoxid oder Stickstoffoxide aus. Bei einem mit Brennstoffzellen ausgestatteten Lkw ist der Verbrauch erwartungsgemäß höher, er liegt bei 7,82 Megajoule pro Kilometer. Pkw mit Brennstoffzellen sind ungefähr doppelt so effizient wie Diesel oder Benziner, während sich bei Lkw der Kraftstoffverbrauch mit einem Wasserstoffantrieb nur um etwa 20 Prozent reduziert.

Ein wichtiger Punkt beim Einsatz von mittels PtG erzeugtem Wasserstoff im Verkehrssektor ist die Wirtschaftlichkeit. Um festzustellen, ob die Technologie wirtschaftlich tragfähig ist, werden die Kosten für die Wasserstoffbereitstellung gegen die erzielbaren Marktpreise abgewogen. Dabei zeigt sich, dass Wasserstoffantriebe durchaus konkurrenzfähig sind. Bei mittels Elektrolyse aus regenerativen Energien gewonnenem Wasserstoff samt Großspeicherung ist mit einem Kilopreis von etwa 7,30 Euro zu rechnen. Wird der Börsenpreis zugrunde gelegt, kommen Analysen auf 4,50 bis 6,50 Euro pro Kilo. Stünde Strom zum Nulltarif pro Kilowattstunde für die Elektrolyse zur Verfügung, lägen die Kosten für Wasserstoff als Kraftstoff zwischen 2,20 und 3,60 Euro je Kilo. Verglichen mit Diesel und Benzin sollte der Preis höchstens bei 4,70 bis 9,30 Euro pro Kilogramm Wasserstoff liegen, um konkurrenzfähig zu sein. Power-to-Gas ist also eine durchaus wirtschaftliche Alternative für den Verkehrssektor.1

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