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Schlüsseltechnologie Power-to-Gas:

Aus erneuerbarer Energie entsteht grüner Wasserstoff

Wo sich Windräder drehen, wird Strom erzeugt. Das gilt auch für den Bürgerwindpark Sailershäuser Wald, nordöstlich der Stadt Haßfurt in Bayern. Zehn Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von 24 Megawatt liefern jährlich über 50 Millionen Kilowattstunden Strom. Doch Norbert Zösch, Geschäftsführer des hiesigen Stadtwerks, geht noch einen Schritt weiter – und lässt direkt vor Ort den Strom in erneuerbaren Wasserstoff umwandeln, auch Windgas genannt.

Dafür nahm er vor rund vier Jahren eine Power-to-Gas-Anlage in Betrieb. Herzstück ist ein containergroßer PEM-Elektrolyseur (Polymer Electrolyte Membrane) des Typs Silyzer 200 von Siemens mit 1,25 Megawatt Spitzenleistung. Die Idee dahinter: Drehen sich die kommunalen Windräder auf Hochtouren, wird Wasser mit dem überschüssigen Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Letzteres lässt sich ins Gasnetz einspeisen, wo es gespeichert wird, um im Bedarfsfall klimaneutral Strom und Wärme zu erzeugen. Beim installierten Blockheizkraftwerk (BHKW) handelt es sich um ein agenitor 406 SG von 2G Energy mit einer elektrischen Leistung von 170 Kilowatt. Es ermöglicht einen Betrieb ohne fossile Brennstoffanteile. Dank optimierter Gasmotorentechnologie wird der Wasserstoff in der Anlage mit Wirkungsgraden von über 85 Prozent umgewandelt. Zugleich stabilisiert der Elektrolyseur das Stromnetz. Dafür fährt er seine Leistung binnen Sekunden herauf oder herab, um Frequenzschwankungen im Netz zu kompensieren und so Blackouts zu verhindern.

Die Brücke von Strom zu Gas

Das Beispiel zeigt: Die Stromversorgung wird Jahr für Jahr grüner. Im ersten Quartal 2020 wurde hierzulande mit fast 55 Prozent erstmals mehr Strom aus erneuerbaren Energien erzeugt und in das Netz eingespeist, als aus konventionellen Energieträgern. Kapazitätsstarke Speichertechnologien wie die in Haßfurt sind dabei ein wichtiger Baustein, die ein zentrales Problem lösen, denn: „Windgas macht die Energiewende auch bei 100 Prozent Erneuerbaren versorgungssicher“, betont Nils Müller, Vorstand von Greenpeace Energy. Das deutsche Gasnetz kann bis zu drei Monate Energie für die Strom- und Wärmeversorgung bereithalten. So lassen sich längere Phasen überbrücken, in denen die Sonne nicht scheint oder Flaute herrscht. Mittlerweile sorgen 50 Power-to-Gas-Anlagen mit einer elektrischen Gesamtleistung von rund 50 Megawatt, die in Betrieb oder Planung sind, dafür, dass Deutschland in dieser Schlüsseltechnologie führend ist.

Und das nicht ohne Grund: Die Kopplung von "Grünem Strom" über Elektrolyse hin zu erneuerbaren Gasen, synthetischen Kraftstoffen oder Fernwärme ist ein Eckpfeiler für die Erreichung der Klimaziele. Die sektorenübergreifenden Power-to-X-Technologien, die als Oberbegriff für diese Umwandlung von Strom in speicherbare Energieformen stehen, spielen deshalb auf der EnergyDecentral 2021 in Hannover eine zentrale Rolle. Neben praxisreifen Lösungen und Konzepten für die Speicherung fokussieren die Aussteller auf dem Messegelände vor allem auf die Rückverstromung und Kraftwärmekopplung (KWK). Die Technologie verspricht nicht nur für die kommunalen Energieversorger neue Geschäftsmodelle: Langfristig bietet sie auch Landwirten die Möglichkeit, ihre Biogasanlagen flexibler zu betreiben – bis hin zur Wasserstofftankstelle. Bis es soweit ist, gilt es jedoch einige Hürden zu nehmen.

Direktmethanisieren an der Quelle

Grundsätzlich lässt sich Wasserstoff mit zwei bis fünf Volumenprozent nur begrenzt in das Erdgasnetz einspeisen. Erst über die nachgeschaltete Stufe der Methanisierung lässt er sich mit Kohlendioxid in das gängigere Methan umwandeln und im Erdgasnetz quasi ohne Mengenbegrenzung speichern – ein Prozessschritt, der derzeit noch mit relativ hohen Kosten und Effizienzverlusten verbunden ist. Eine vielsprechende Alternative sehen Energieexperten deshalb in der katalytischen Direktmethanisierung, bei der auch die aufwändige CO2-Abtrennung, beispielsweise durch eine Aminwäsche, entfallen kann. „Biogasanlagen bieten hier eine Reihe von Vorteilen“, meint Dr. Torsten Gabriel von der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR). Zum einen würden sie CO2 in relativ hohen Konzentrationen bis zu 50 Volumenprozent bereitstellen. „Zum anderen sind wenige störende Begleitelemente vorhanden, da das Gas fast ausschließlich aus Methan und Kohlendioxid besteht“, so Gabriel. In größeren Anlagen werden deshalb Konzepte umgesetzt, die das Biogas durch Methanisierung mit Hilfe von Strom aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen zu Biomethan aufwerten. Doch gerade für die kleineren Biogasanlagen sei diese Aufbereitung und Einspeisung in das Gasnetz, sofern vor Ort überhaupt verfügbar, sehr aufwändig.

Um auch Landwirten dieses Potenzial zu erschließen, erarbeiten Wissenschaftler aus Bayern gegenwärtig ein Konzept, bei dem das Biogas zwar methanisiert, sich aber direkt an der Anlage verwerten lässt. Konkret soll das Biogas aus dem Fermenter ausgeschleust und dessen CO2-Anteile im Nebenstrom katalytisch reduziert werden, wenn entsprechender Strom preisgünstig zur Verfügung steht. In einem zweiten Schritt gelangt das Biomethan zurück in die Gasblase. Dort steigt der Methananteil im Biogas und damit dessen Energiegehalt sukzessive an, was sich ideal mit flexibler, bedarfsgerechter Fahrweise der Blockheizkraftwerke kombinieren lässt. „Auf diese Weise kämen viele der rund 9.000 bundesdeutschen Bestandsanlagen, die über eine Vor-Ort-Verstromung verfügen, als potenzielle CO2-Quelle in Frage“, zeigt sich Gabriel zuversichtlich. Gemeinsam mit ihrem Partner aus der Wirtschaft wollen die beiden Forscherteams um Prof. Dr.-Ing. Markus Goldbrunner von der Technischen Hochschule Ingolstadt und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Karl von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zunächst die grundsätzliche Realisierbarkeit des Konzeptes testen, um es dann an realen Biogasanlagen umzusetzen. Gefördert werden sie dabei vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. als Projektträger.

Wasserstoff mit Biogas im Tandem

Einen anderen Weg schlägt Dr.-Ing. Torsten Birth am Fraunhofer IFF in Magdeburg ein. Er setzt im Forschungsprojekt „HyPerFerment“ auf ein bislang noch wenig eingesetztes Verfahren: das der mikrobiologischen Wasserstofferzeugung. Bei dieser produzieren anaerobe Bakterien und Pilzstämme unter Einsatz einer speziellen Prozessführung ohne Zwischenschritte den Wasserstoff aus organischen Stoffen. Das Ziel ist es, den Prozess künftig in vorhandene Biogasanlagen zu integrieren und so deren Wirkungsgrad zu verbessern. In der ersten Phase wollen die Forscher die geeignetsten Stämme der benötigten Mikroorganismen auswählen und testen. Außerdem sollen die anlagentechnische Umsetzung geplant und das Gesamtkonzept technologisch und ökonomisch bilanziert und bewertet werden. In der zweiten Projektphase sind dann der Bau einer Pilotanlage und deren Felderprobung vorgesehen. Langfristig wollen Birth und sein Team so den Ausbau dezentraler Infrastrukturen zur nachhaltigen Wasserstoffversorgung unterstützen.    

Der Power-to-Gas-Ausbau gewinnt weiter an Dynamik. Nicht nur Wissenschaftler arbeiten mit Nachdruck an Technologien zur Erzeugung, Wandlung und Nutzung von Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger der Zukunft. Auch die Hersteller von Elektrolyseuren stehen in den Startlöchern und stellen vom 09. bis 12. Februar zahlreiche Lösungen auf der EnergyDecentral 2020 vor, die Effizienzsteigerungen versprechen. Sie bieten mit optimiertem Energie- und Fahrplanmanagement für dezentrale KWK-Anlagen sowie dem Einsatz von Biogasanlagen zur Stromnetzentlastung modulare Lösungsansätze für die Power-to-Gas-Technologie. Relativ neu darunter sind Anlagenerweiterungen, die ein Elektrolysegas produzieren, das direkt in die Biomasse injiziert wird. Das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch entfaltet im Fermenter seine Wirkung auf mehreren Ebenen: Der Methangehalt steigt an, die Bakteriendiversität nimmt zu, und alle Schadgase, einschließlich CO2, werden reduziert.