Die Umsetzung der Energiewende erfordert nicht nur regenerative Kraftwerke sondern auch Speicher für den erzeugten Strom. Seine Umwandlung in Wasserstoff oder Methan gilt als wenig effizient, sie hat jedoch verschiedene Vorteile, die langsam durch die Erprobung in Pilotanlagen ausgelotet werden. Erste Anlagen im MW-Maßstab entstehen und die großtechnische Machbarkeit solcher Umwandlungs- und Speichersysteme ist schon heute klar.
Hydrogen and Methane for Long-term Renewable Energy Storage
The implementation of the energy system transformation in Germany requires not only regenerative power plants but also storage capacity for the generated electric energy. The production of hydrogen or methane with this energy is considered as hardly efficient but has several advantages. The implementation of this technology in several pilot installation serves as basis for the demonstration of these advantages and shows that transformation units in the MW scale and the industrial implementation of the whole technology can meanwhile be considered as viable.
Wenn die Sonne kräftig scheint und gleichzeitig der Wind bläst, werden erneuerbare Energien heute fast verschenkt. Sie meinen, das gibt es nicht? Schließlich bekommen die Erzeuger doch eine feste Vergütung und der Strom wird dann an der Börse verkauft? Nun, das stimmt so weit. Nur haben erneuerbare Energien Einspeisevorrang und die Netzbetreiber müssen den Strom an der Börse verkaufen, wie er anfällt. Bei einem großen Angebot an regenerativ erzeugtem Strom kann es also vorkommen, dass die Preise fast bis auf Null fallen, weil einfach zu viel Strom vorhanden ist. Damit der Produzent seine garantierte Vergütung bekommt, zahlen dann die Differenz zur Einspeisevergütung alle (oder fast alle) Stromverbraucher über die EEG-Abgabe.
Soll die Energiewende ernst genommen werden, so wird der Zubau an regenerativen Energieerzeugungsanlagen weitergehen und damit wird auch das geschilderte Problem immer größer. Andererseits: Eines der wichtigsten Argumente der Gegner von erneuerbaren Energien aus Wind oder Sonne war schon immer die schwankende Erzeugungsleistung. Dagegen hilft nur eine Speicherung der Energie über einen Zeitraum zwischen Stunden und Monaten mit der Möglichkeit einer schnellen Rückwandlung der Energie des Speichermediums in Strom. Das ist mit Batterien nur sehr bedingt möglich, denn einerseits wären die Kosten sehr hoch, andererseits sind sie nur für eine Speicherdauer von einigen Minuten bis zu wenigen Tagen wirklich sinnvoll.
Die effektivste Art der Energiespeicherung, das zeigt uns die Natur, ist die chemische Speicherung. Die Energie aus der Photosynthese wird in chemischen Speichern für den Zellstoffwechsel oder den Aufbau von Zellmaterial eingesetzt und kann so einfach innerhalb einer Pflanze transportiert und wieder als Energie genutzt werden. Wo die Natur allerdings komplizierte Moleküle wie Zucker oder Fette als Speicher verwendet, können wir in technischen Prozessen beispielsweise auf Wasserstoff setzen. Dieser kann durch Elektrolyse aus fast unerschöpflichen Vorräten an Wasser gewonnen werden. Der Wasserstoff kann später in verschiedener Weise genutzt werden. Eine Möglichkeit ist die klassische Verbrennung zu Wasser in thermischen Maschinen. Dabei wird er bei der Verbrennung wieder in Wasser umgewandelt, verschmutzt dabei nicht die Luft und ist ungiftig und ressourcenneutral.
Eine zweite Möglichkeit ist die Nutzung in Brennstoffzellen, wobei durch die direkte Oxidation zu Wasser Strom erzeugt werden kann. Als entscheidendes Kriterium gilt die tatsächliche Höhe des Wirkungsgrades bei der Nutzung von Wasserstoff. Immerhin wird die ankommende Energie in Form von Wind oder Sonne zunächst in Strom verwandelt, der dann durch eine chemische Reaktion zur Bildung von Wasserstoff oder Methan eingesetzt wird. Bei Bedarf kann die chemische Reaktion umgekehrt und so aus den Stoffen wieder Strom zurückgewonnen werden. Insgesamt ergibt sich über diese Kette ein mittlerer Wirkungsgrad von etwa 20 Prozent und ein maximaler Wirkungsgrad von 38 Prozent, je nach der Umwandlungseffizienz vom chemischen Speicher zurück in Strom. Wird der erzeugte Wasserstoff zu Methan umgesetzt, dann sinkt der Gesamtwirkungsgrad um etwa 15 Prozent. Deshalb sollte die direkte Nutzung des Wasserstoffs immer als erste Option verfolgt werden.
Die theoretisch beste Möglichkeit zur Speicherung von Wasserstoff aus regenerativer Energie ist das deutschen Erdgasverbundnetz. Damit ist der Transport über große Entfernungen hin zu den industriellen Zentren einfach möglich; außerdem hat das Gasnetz eine rechnerische Speicherreichweite von etwas über 90 Tagen, die noch deutlich ausgebaut werden soll. Die Speicherung regenerativer Energien in chemischer Form als Gas erfordert also nur geringe Investitionen im Vergleich zu anderen Speichertechniken und bringt durch die Nutzung einer bewährten Infrastruktur große Vorteile.
Allerdings ist die Möglichkeit der Zumischung von Wasserstoff zum Erdgas heute noch beschränkt. Die Vorschriften des DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.) begrenzen den Wasserstoffgehalt auf fünf Prozent. Gasendgeräte im Haushalt können heute schon mit einem Wasserstoffgehalt von 20 Prozent betrieben werden und die Rohrleitungen würden sogar einen Gehalt von 50 Prozent verkraften. Erdgasautos könnten mit acht Prozent Wasserstoffbeimischung betrieben werden, am kritischsten sind heute Gasturbinen, bei denen es oberhalb von vier Prozent Wasserstoffanteil im Brenngas keine Erfahrungen gibt. Eine Weiterentwicklung hin zu einer deutlich höheren Wasserstofftoleranz wird aber erfolgen. Solange die Frage des maximalen Wasserstoffanteils noch nicht endgültig beantwortet ist, können also nur geringe Mengen Wasserstoff in das Gasverbundnetz eingespeist werden.
Eine Alternative ist die Methanisierung des Wasserstoffs, die auf verschiedene Weise erfolgen kann. Heute werden in den schon betriebenen Pilotanlagen katalytische Prozesse eingesetzt. Dabei werden Wasserstoff und Kohlendioxid bei einer Temperatur von 350 °C bis 400 °C mit Hilfe von Nickel- oder Rhuteniumkatalysatoren zu Methan umgesetzt. Diese Reaktion verläuft stark exotherm, daher ist die Temperaturkontrolle nicht einfach. Verschiedene Reaktorkonzepte existieren und werden auch weiterentwickelt. Eine Alternative ist die biologische Methanisierung mit Hilfe von speziellen Bakterien oder durch eine zusätzliche Stufe in Biogasanlagen. Diese Prozesse werden heute untersucht, sind aber noch nicht für eine großtechnische Umsetzung bereit. Da sie bei wesentlich geringeren Temperaturen arbeiten (20 °C bis 80 °C) und der Durchsatz in weiteren Grenzen variierbar ist als bei den katalytischen Prozessen, könnten sie eines Tages eine kostengünstige Alternative zu der aktuell eingesetzten Technik bieten.
Eine Pilotanlage zur Herstellung von Wasserstoff aus regenerativem Strom mit anschließender Methanisierung wird heute von der Firma SolarFuel betrieben. Die Verfahrenstechnik und die Anlage wurden in Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung Baden-Württemberg (ZSW) in Stuttgart entwickelt.
Die Enertrag Hy-Tec GmbH produziert heute bereits bei Atmosphärendruck arbeitende Elektrolyseure mit hoher Leistung, die zukünftig in so genannten Power-to-Gas-Anlagen eingesetzt werden könnten. Gerade in der Elektrolysetechnologie stecken noch vielfältige Optimierungsmöglichkeiten, vor allem bei den Elektrodenmaterialien und beim Wirkungsgrad als der Summe aller Systemkomponenten. Enertrag Hy-Tec entwickelt daneben aber eine weitere Produktlinie, die alkalische Druckelektrolyse. Hier herrscht im Elektrolyseur ein Druck von 60 bar, der eine Einspeisung des erzeugten Wasserstoffs direkt in das Mitteldrucknetz erlaubt. Die energieintensive Komprimierung nach der Erzeugung entfällt. Ein erster Prototyp einer solchen Anlage wurde bereits an das Wasserstoffforschungszentrum der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus geliefert.
2-MW-Elektrolyse-Stack der ENERTRAG zur Umwandlung von Strom in Wasserstoff / Quelle: ENERTRAG
Mit der Weiterentwicklung der alkalischen Druckelektrolyse beschäftigen sich auch die Partner Enertrag, SolarFuel und ZSW im Rahmen eines vom Bundesumweltministerium mit 3,3 Millionen Euro geförderten Projekts. Im Rahmen dieses auf drei Jahre angelegten Vorhabens sollen neben einer 1-MW-Gleichrichteranlage und einem modularen Aufbau des Gesamtsystems auch innovative Elektrodenbeschichtungen entwickelt werden.
In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt CO2RRECT (Verwertung von Kohlenstoffdioxid (CO2) als Kohlenstoffbaustein unter Verwendung regenerativer Energie) soll die aus Windkraft erzeugte Energie für die Wasserelektrolyse genutzt werden, um Kohlenstoffdioxid in Basischemikalien umzuwandeln. Langfristig sollen folgende drei Ziele erreicht werden: die in Spitzenzeiten anfallende überschüssige (und bisher ungenutzte) elektrische Energie aus regenerativen Quellen sinnvoll einzusetzen, die Emissionen von Kohlenstoffdioxid zu senken sowie den Verbrauch von fossilen Rohstoffen zu reduzieren. Dazu werden innovative Technologien entwickelt, die eine Verwertung der elektrischen Überschussenergie durch Herstellung von chemischen Zwischenprodukten wie Kohlenstoffmonoxid oder Ameisensäure aus Kohlenstoffdioxid erlauben. Das eröffnet die Möglichkeit, das klimawirksame Gas CO2 beispielsweise in Kunststoffe einzubinden und in den Nutzungskreislauf zu bringen.
Das im Rahmen des Projektes eingesetzte Kohlenstoffdioxid wird aus dem Braunkohlekraftwerk von RWE Power in Niederaußem (NRW) stammen. Dort betreibt der Stromerzeuger in seinem Innovationszentrum Kohle eine CO2-Wäsche, mit der das Kohlenstoffdioxid aus dem Rauchgas abgetrennt wird, sowie eine Verflüssigungsanlage, die den weiteren CO2-Transport ermöglicht. Im Rahmen des Projekts CO2RRECT ist RWE für die Entwicklung dynamischer Elektrolyseprozesse mitverantwortlich, die auch mit einem stark schwankenden Energieangebot zuverlässig funktionieren. Ziel ist es, eine Skalierung des Gesamtprozesses auf Demonstrationsmaßstab (MW-Anlage) bewerten zu können. Siemens bringt in das Projekt CO2RRECT seine Erfahrung mit Elektrolysetechnologie ein und wird ein Elektrolysesystem mit einer Protonenaustauschermembran entwickeln, die eine bessere Reaktion auf das potentiell schwankende Energieangebot ermöglichen soll. Weitere Konsortialpartner neben Bayer Technology Service, Bayer Material Science, RWE und Siemens sind die Forschungsstellen INVITE, RWTH Aachen, Universität Rostock, Ruhr-Universität Bochum, TU Dortmund, TU Dresden, Universität Stuttgart, Max-Planck-Gesellschaft, Karlsruhe Institute of Technology und TU Darmstadt.
Die Audi AG baut heute bereits im norddeutschen Werlte bei Oldenburg, etwa sechs Kilometer von der niederländischen Grenze entfernt, die weltgrößte kommerzielle Power-to-Gas-Anlage. Sie entsteht direkt neben einer Abfallbiogasanlage des Energieversorgers EWE, die als Quelle für Kohlenstoffdioxid dienen wird. Die Anlage wird mit einer Gesamtleistung von sechs Megawatt Wasserstoff und daraus Methan produzieren und dieses in das Erdgasverbundnetz einspeisen. Dieses von Audi so genannte e-gas, das mit Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugt wird, ist ein Angebot des Unternehmens für klimaneutrale Mobilität.
Neben den oben beschriebenen Großanlagen und Forschungsanstrengungen bietet das Unternehmen H-Tec Systems, Lübeck, betriebsfertige Elektrolyseure mit einer elektrischen Leistung zwischen zwei Kilowatt und 200 Kilowatt als betriebsfertige Systeme an. Auch diese enthalten Protonenaustauschermembranen und liefern Wasserstoffgas. Unter anderem untersucht das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg mit Hilfe eines solchen Systems die Kopplung von erneuerbaren Energien und der Wasserelektrolyse.
Im Vergleich zur natürlichen Photosynthese, die mit einer Effizienz von etwa zwei Prozent arbeitet, sind schon die heutigen technischen Systeme zur Umwandlung von Strom in Gas sehr gut. Neben der beinahe endlosen Speicherdauer, der bereits vorhandenen hohen Speicherkapazität und der effizienten räumlichen Verteilmöglichkeiten ist die einfache Nutzung des Gases in vielen Bereichen ein wichtiger Aspekt. Keine andere Speichertechnologie kann aus heutiger Sicht mit ähnlichen Investitionen eine vergleichbare Kapazität und Flexibilität erreichen, die für ein Energieversorgungssystem mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energieerzeugung unverzichtbar ist. Somit steht dem heute erreichbaren Wirkungsgrad von durchschnittlich 20 Prozent die Nichtnutzung der erzeugten Energie gegenüber, die keine sinnvolle oder wirtschaftlich vernünftige Alternative darstellt.
DOI: 10.7395/2013/Brunel3
Text zum Titelbild: Windparks wie der On-shore Windpark Little Cheyne Court (UK) erzeugen heute bereits öfter Strom, der eigentlich nicht gebraucht wird. Die Stromspeicherung ist dann eine sinnvolle Alternative zur Abschaltung der Anlagen / Quelle: RWE innogy
