Power-to-Gas: Integration erneuerbarer Energien in die Gasversorgung

Für die Energiewende und Dekarbonisierung der Industrie ist Power-to-Gas eine Schlüsseltechnologie. Sie erlaubt es, Strom aus erneuerbaren Energien umzuwandeln, zu speichern und auf verschiedene Weise zu nutzen. Wie das funktioniert, was die Bundesregierung plant und welche Herausforderungen noch warten, erfahren Sie hier.

Das Wichtigste in Kürze: 

• Die Technologie Power-to-Gas wird in Industrie und Politik als unersetzlich für die Energiewende betrachtet.
• Mit ihr kann überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien in grünen Wasserstoff und dieser gegebenenfalls weiter in Methan umgewandelt werden.
• Die Gase finden vielfältige Verwendung und können teilweise mittels bestehender Infrastruktur gespeichert und transportiert werden.
• Die Nachfrage ist ebenso hoch wie das wirtschaftliche Potenzial, allerdings müssen die Kosten noch sinken und Ausbauten vorgenommen werden.

Das sind die Vorteile von Power-to-Gas

Es gibt Momente, in denen die Stromgewinnung aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind höher ist als der tatsächliche Bedarf. Mittels Power-to-Gas ist es möglich, die überschüssige Energie zu speichern und für verschiedene Verwendungen zu nutzen.

„Der entscheidende Vorteil ist, dass bei diesem Prozess kein CO₂ freigesetzt wird, weder bei der Produktion noch bei der späteren Nutzung des Wasserstoffs“, erklärt Heinz-Werner Hölscher, der für verschiedene Energieversorger und Stadtwerke tätig war.

Darüber hinaus bringt Power-to-Gas weitere positive Punkte mit sich:

• Grüner Wasserstoff kann nach Bedarf erzeugt und vergleichsweise einfach gelagert und transportiert werden.
• Es ist (teilweise) möglich, ihn ins bestehende Erdgasnetz einzuspeisen.
• Wird zu wenig Strom aus erneuerbaren Energien hergestellt, können wasserstofffähige Kraftwerke für Ausgleich sorgen, indem sie die schwankende Einspeisung ausgleichen. Diese Art von Kraftwerken passt auch in ein vollständig klimaneutrales Energiesystem.
• Power-to-Gas kann dazu beitragen, Deutschland unabhängiger von Energieimporten zu machen.
• Die Branche kann viele neue Arbeitsplätze hervorbringen – in der Forschung und Entwicklung, aber auch im Betrieb und in der Produktion.

Wasserstoff hat zwar einen geringeren Wirkungsgrad als elektrische Energie, aber um Letztere bei Überschüssen verwenden zu können, müsste das Hochspannungsleitungsnetz ausgebaut werden – und das ist sehr kostenintensiv. Für das Gas lassen sich die Kapazitäten des bereits bestehenden Erdgasnetzes voll ausschöpfen.

So funktioniert Power-to-Gas

Kommt durch starke Produktion erneuerbarer Energien mehr Strom zustande, als benötigt wird, können die Überschüsse mittels Power-to-Gas in andere Energieträger umgewandelt werden, wie Benjamin Dörfel im Magazin enercity erklärt. Unter Zuhilfenahme von grünem Strom wird Wasser in seine molekularen Bestandteile, nämlich Sauerstoff und Wasserstoff, zersetzt. Dieses Vorgehen wird Elektrolyse genannt.

Wasserstoff

Der entstehende Wasserstoff kann direkt in der chemischen Industrie genutzt oder (wegen seiner geringen Dichte nur in kleinen Mengen) in das Erdgasnetz eingespeist werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung in Brennstoffzellen: In den Zellen reagiert der Wasserstoff mit Sauerstoff. Durch diese Reaktion wird die Energie, die hier gespeichert ist, in elektrische Energie umgewandelt.

„Als ‚Abfallprodukt‘ entsteht nur Wasser – es gibt keinen CO₂-Ausstoß und keine Abgase“, erklärt Markus Wolf, Experte für die Entwicklung brennstoffzellenbasierter Antriebe mit Wasserstoff bei Bosch.

Methan

Wird grüner Wasserstoff Temperaturen von 300 Grad Celsius und hohem Druck ausgesetzt, wird er durch eine chemische Reaktion mit Kohlendioxid zu Methan – was chemisch identisch mit Biomethan und fossilem Erdgas ist. Es kann problemlos unbegrenzt in das Erdgasnetz eingespeist und gespeichert werden, weil es viel dichter und schwerer als Wasserstoff ist. Auch der Transport in den Gasinfrastrukturen verläuft problemlos.

Methan ist für alle Anwendungen nutzbar, die mit Erdgas betrieben werden, etwa:

• Wärmeerzeugung
• Antrieb von Erdgasfahrzeugen
• Herstellung organischer Chemikalien
• Stromerzeugung

Letzteres bedeutet allerdings eine Mehrfachumwandlung, die mit hohen Verlusten einhergeht.

Einspeisung ins Gasnetz

Das Methan oder der grüne Wasserstoff lassen sich theoretisch an jedem Zugang ins Erdgasnetz einspeisen. Wegen der notwendigen Messtechnik für die eingespeisten Mengen ist es aber sinnvoll, die Einspeisung in Gas- oder Hybridkraftwerken sowie Verdichterstationen vorzunehmen.

Die Nachfrage nach grünem Wasserstoff ist da

Stromnetzbetreiber Amprion zeigt auf, dass die Nachfrage nach grünem Wasserstoff hoch ist: „Netzbetreiber erhalten immer mehr Anfragen, Elektrolyseure an das Stromnetz anzuschließen. (…) Denn Stahlwerke, Chemiebetriebe und andere Großverbraucher wollen weg von Prozessen, durch die das klimaschädliche Kohlendioxid freigesetzt wird und auf eine klimaneutrale Produktion umstellen.“

Dieses Interesse der Wirtschaft kann als Motor für eine beschleunigte Entwicklung wirken. Florian Widdel vom Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. bescheinigt dem globalen Wasserstoffmarkt das Potenzial für ein rasantes Wachstum; er erwartet, „dass das Marktvolumen für Erneuerbaren Wasserstoff kontinuierlich wächst, bis 2030 mit 624 Milliarden US-Dollar den Wert des Flüssigerdgashandels übertrifft und bis 2050 sogar weiter auf 1,4 Billionen US-Dollar pro Jahr ansteigt.“

Power-to-Gas: Diese Herausforderungen sind noch zu meistern

Die Nachfrage ist da, die technischen Möglichkeiten auch – warum wächst der Markt für den grünen Wasserstoff nicht so schnell, wie man denken könnte? Dr. Nima Pegemanyfar von Quest One, einem Unternehmen im Bereich der PEM-Elektrolyse, kennt die vielschichtige Antwort:

• Es muss genügend grüner Strom für die Elektrolyse erzeugt werden.
• Die Preise für den Strom müssen akzeptabel sein.
• Der Transport muss sichergestellt werden.
• Kauf und Betrieb eines Elektrolyseurs müssen sich lohnen.
• Es muss zuverlässige Abnehmer für den grünen Wasserstoff geben.
• Auch hier muss die Transportfrage geklärt sein – wie auch für den Weg von Regionen, in denen der Wasserstoff günstig erzeugt werden kann, hin zu den Verbrauchszentren.

Bislang sind die Mengen des erzeugten grünen Wasserstoffs nicht ausreichend und die Produktionskosten noch zu hoch.

Die Bundesregierung möchte das allerdings ändern: Sie hat die Nationale Wasserstoffstrategie (NWS) entworfen, die besagt, dass „für die Förderung der Erzeugung, für den Aufbau der notwendigen Infrastruktur und die Nutzung von Wasserstoff mehrere Milliarden Euro aus Mitteln der Bundesregierung und der Länder zur Verfügung gestellt werden.“

Fazit: Power-to-Gas ist ausbaufähig

Da sich Regierung und Experten einig sind, dass grüner Wasserstoff einer der unverzichtbaren Motoren für die Energiewende ist, ist nicht nur mit einer Förderung der Forschung und der Umsetzung von Pilotprojekten zu rechnen, sondern auch mit einer gewissen Priorisierung des Themas.

Jens-Uwe Eras, Gesellschafter bei Triveda, ist sich sicher: „Sobald Marktregeln klar und verlässlich sind, werden Investitionen erheblich anziehen und der Wasserstoff wird damit dem Umbau des Energiesystems einen entscheidenden Boost geben.“