mini|Demonstrations-Power-to-Gas-Anlage in einem spanischen Windpark
Power-to-Gas (kurz PtG oder P2G, frei übersetzt: ‚Strom zu Gas‘) ist ein energiewirtschaftliches Konzept (bzw. eine Technik) zur Herstellung eines Brenngases mittels Wasserelektrolyse. Dieses Brenngas (oft Wasserstoff, ggf. Ammoniak, Methan) kann zur späteren Verwendung gespeichert werden. Unter anderem kann es als Treibstoff (Power-to-Fuel) oder als chemischer Rohstoff (Power-to-Chemicals) dienen oder zur späteren Rückverstromung in Gaskraftwerken in der Gasinfrastruktur zwischengespeichert werden. Daneben existieren auch Konzepte für integrierte Speicherkraftwerke auf Basis reversibler Brennstoffzellen,Alberto Varone, Michele Ferrari, Power to liquid and power to gas: An option for the German Energiewende. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 45, 2015, S. 207–218, S. 209, doi:10.1016/j.rser.2015.01.049. die mit Strom-zu-Strom-Speicherwirkungsgraden bis etwa 70 % deutlich höhere Gesamtwirkungsgrade versprechen als bisher existierende Power-to-Gas-Speicherprozesse.
Power-to-Gas ist eine sogenannte Power-to-X-Technologie. Power bezeichnet in diesem Zusammenhang temporäre Stromüberschüsse und das X die Energieform oder den Verwendungszweck, in den die elektrische Energie gewandelt wird.Vgl. Peter D. Lund u. a., Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews Band 45, 2015, S. 785–807, doi:10.1016/j.rser.2015.01.057. Power-to-Gas wird als saisonaler Langfristspeicher angesehen, der niedrigere Wirkungsgrade besitzt als die direkte Verwertung von Stromüberschüssen im Wärmesektor oder Verkehrswesen (Power-to-Heat, Vehicle-to-Grid) per Sektorenkopplung oder als die Kurzfristspeicherung. Deshalb sollten diese Technologien aus Effizienzgründen früher zum Einsatz kommen als Langfristspeicher wie die Gasherstellung.Vgl. Vgl. auch Es wird davon ausgegangen, dass die Power-to-Gas-Technologie beim heutigen Stand der Technik erst in der dritten Phase der Energiewende benötigt wird, wenn der Anteil der Erneuerbaren Energien am Strommix 60 bis 70 % und mehr erreicht; andere Quellen nennen 80 %.Stefan Weitemeyer, David Kleinhans, Thomas Vogt, Carsten Agert, Integration of Renewable Energy Sources in future power systems: The role of storage. In: Renewable Energy Band 75, 2015, S. 14–20, doi:10.1016/j.renene.2014.09.028. Bei niedrigeren Anteilen sind Flexibilisierungsmaßnahmen im Energiesystem wie etwa der verstärkte Einsatz von Wärmepumpenheizungen, Elektroautos, Smart Grids und Kurzfristspeichern effektiver.Hans-Martin Henning, Andreas Palzer, Carsten Pape, Frieder Borggrefe, Henning Jachmann, Manfred Fischedick: Phasen der Transformation des Energiesystems. In: Energiewirtschaftliche Tagesfragen. 65, Heft 1/2, 2015, S. 10–13. (PDF-Datei) Ein Einsatz von Power-to-Gas zum Energietransport, um beispielsweise Stromtrassen zu ersetzen, ist aufgrund des geringen Wirkungsgrades weder ökologisch noch ökonomisch sinnvoll. Hier ist der direkte Stromtransport über Hochspannungsleitungen der Power-to-Gas-Technik wegen des viel höheren Wirkungsgrades vorzuziehen.Vgl. Volker Quaschning, Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. 9., aktualisierte Auflage. München 2015, S. 384.
Energiewirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist die Nutzung der Power-to-Gas-Technologie nur, wenn für die Herstellung Stromüberschüsse aus erneuerbaren Energien (EE) oder Kernenergie verwendet werden. Der Einsatz von Graustrom aus fossilen Energien würde die Emissionen vervielfachen statt senken und wäre damit energetisch und ökologisch kontraproduktiv.Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2017, S. 465. Je nach Art der eingesetzten Energie wird das so erzeugte Synthesegas bisweilen auch als EE-Gas, Windgas, Solargas oder ähnlich genannt; je nach chemischer Zusammensetzung des Gases wird statt des Begriffes „Gas“ auch „Methan“ oder „Wasserstoff“ verwendet.
Entwicklungsgeschichte Eine mögliche Definition von Power-to-Gas lautet:
Das Grundkonzept, mittels Windenergie elektrolytisch erzeugten Wasserstoff als Energieträger zu nutzen, wurde bereits Mitte des 19. Jahrhunderts vorgeschlagen. Bereits im Jahr 1840 soll der belgische Professor Nollet einen entsprechenden Vorschlag gemacht haben; nachgewiesen ist ein Vorschlag aus dem Jahr 1868.Vgl. Matthias Heymann: Die Geschichte der Windenergienutzung 1890–1990. Frankfurt / New York 1995, S. 54. 1874 schrieb schließlich Jules Verne von einer Wasserstoffwirtschaft.Volker Quaschning: Erneuerbare Energien und Klimaschutz. München 2013, S. 323. Technisch umgesetzt wurde die Idee erstmals im Jahr 1895, als der dänische Windkraftpionier Poul la Cour eine Windkraftanlage mit angeschlossenem Elektrolyseur in Betrieb nahm, die Knallgas zur Beleuchtung der Schule in Askov lieferte.Matthias Heymann: Die Geschichte der Windenergienutzung 1890–1990. Frankfurt am Main / New York 1995, S. 64–66.
Einen Aufschwung erhielt das Konzept im 20. Jahrhundert als Baustein der angestrebten Vision einer Wasserstoffwirtschaft bzw. zur Speicherung von regenerativ erzeugtem Strom im Rahmen der Energiewende. Erst seit etwa dem Jahr 2009 wird die Möglichkeit diskutiert, Methan statt Wasserstoff zu erzeugen.
Die halbstaatliche Deutsche Energie-Agentur (dena) unterhält zu den Verfahren zur Erzeugung von EE-Gas seit Oktober 2011 eigens eine Strategieplattform unter dem Titel Power to Gas. In der Online-Ausgabe des Manager Magazins wird Power-to-Gas als neue Technologie bezeichnet, deren Modell bestechend einfach klinge, da in den 450.000 Kilometer langen Gasleitungen und etwa 47 Erdgasspeichern in Deutschland schon heute Platz für 23,5 Milliarden Normkubikmeter (m³) Gas sei, der sich bis 2025 durch Erweiterungen und Neubauten auf 32,5 Milliarden m³ erhöhen soll.
Eingeordnet nach der neunstufigen Technology-Readiness-Level-Skala befand sich die chemische Methanherstellung über Power-to-Gas-Anlagen im Jahr 2017 zwischen den Stufen 7 („Prototyp im Einsatz“) und 8 („Qualifiziertes System mit Nachweis der Funktionstüchtigkeit im Einsatzbereich“).Michael Sterner, Ingo Stadler (Hrsg.): Energiespeicher. Bedarf, Technologien, Integration. 2. Auflage. Springer Verlag, Berlin/Heidelberg 2017, S. 663.
Mit Stand Mai 2018 befanden sich in Europa 128 Forschungs- und Demonstrationsanlagen in verschiedenen Stadien der Umsetzung oder Planung; davon waren 63 bereits in Betrieb.
Im Juni 2020 hat die deutsche Bundesregierung eine „Nationale Wasserstoffstrategie“ (NWS) beschlossen. Über einen wirtschaftspolitischen Rahmen sowie 9 Milliarden Euro Staatshilfen soll mit Hilfe von Wasserstoff die Energiewende vorangebracht werden. Ein Nationaler Wasserstoffrat von Experten begleitet dies.
Konzepte mini|hochkant=1.5|Schematische Darstellung eines Wind-to-Gas-Hybridkraftwerkes (integrierte elektrolytische Wasserstoffherstellung ohne nachfolgende Methanisierung)
Klassisches Konzept Das klassische Power-to-Gas umfasst die Umwandlung regenerativ erzeugter elektrischer Energie in chemische Energie und deren Speicherung im verfügbaren Gasnetz in Form verschiedener Gase. Hierfür wird Wasser zunächst mit Elektrolyseuren in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten, darauf unter Zugabe von Kohlenstoffdioxid methanisiert und schließlich ins Erdgasnetz eingespeist. Anschließend kann dieser Brennstoff für verschiedene Zwecke verwendet werden: Neben der Rückverstromung in Gaskraftwerken oder Blockheizkraftwerken ist auch die Nutzung im Verkehrssektor sowie zur Wärmeerzeugung möglich.
Gas-Gewinnung mini|Wasserelektrolyse schematisch. Effiziente Anlagen benötigen 1,8 Volt
Dem synthetisch hergestellten Methangas wird auf Grund seiner Speicherfähigkeit eine besondere Rolle im Bereich der regenerativen Energien zugeschrieben. Wie herkömmliches synthetisches Erdgas kann es in das bereits vorhandene Erdgasnetz eingespeist werden; es ermöglicht so die Speicherung und den Transport der Energie zum Verbraucher und kann damit das elektrische Netz entlasten. Ausgangsmaterialien für die Herstellung dieses EE-Gases sind Wasser und Kohlenstoffdioxid, welche in Zeiten überschüssiger erneuerbarer Energie unter anderem zur Netzstabilisierung mittels Wasserelektrolyse in WasserstoffUlrich Eberle, Rittmar von Helmolt, Sustainable transportation based on electric vehicle concepts: a brief overview. In: Energy and Environmental Science. Band 3, Nr. 6,2010, S. 689–699, doi:10.1039/C001674H. und anschließend ggf. per Methanisierung in Methan umgewandelt werden.
Zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades ist es sinnvoll, die bei der Elektrolyse sowie der Methanisierung anfallende Abwärme ebenfalls zu nutzen. Diese fällt bei der alkalischen bzw. der PEM-Elektrolyse auf einem Temperaturniveau von 40 bis 90 °C bzw. 20 bis 100 °C an und kann somit z. B. für die Einspeisung in die Rückläufe von Wärmenetzen, als Prozesswärme für bestimmte Industrieprozesse oder als Wärmequelle für Schwimmbäder oder Krankenhäuser dienen.Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin/Heidelberg 2014, insb. S. 334.
Elektrolyse Wasserstoff wird durch Elektrolyse von Wasser erzeugt und möglichst direkt in das Gasnetz eingespeist (die zulässige Obergrenze für die Wasserstoffkonzentration im deutschen Erdgasnetz liegt mit Stand von 2015 im einstelligen Prozentbereich, im Stadtgasnetz waren etwa 50 % Wasserstoff enthalten) oder in Großspeichern wie Salzkavernen zwischengespeichert. Die zur Elektrolyse benötigte elektrische Energie wird mittels Windkraftanlagen oder durch Solarzellen erzeugt.
Bei der Erzeugung von Wasserstoff als EE-Gas durch Wasserelektrolyse läuft folgende chemische Reaktion ab:
Zwei Wassermoleküle (H2O) werden in zwei Wasserstoffmoleküle (H2) und ein Sauerstoffmolekül (O2) aufgespalten.
Zur Elektrolyse können alkalische Elektrolyseure, PEM-Elektrolyseure und Festoxidbrennstoffzellen genutzt werden.Gerda Gahleitner, Hydrogen from renewable electricity: An international review of power-to-gas pilot plants for stationary applications. In: International Journal of Hydrogen Energy 38, Issue 5, (2013), 2039–2061, 2048, doi:10.1016/j.ijhydene.2012.12.010. Weitere Elektrolysetechniken befinden sich in der Erforschung. Beispielsweise wurde 2017 ein Elektrolyseur auf Basis eines Nickel-Eisen-Akkumulators vorgestellt, der zunächst wie ein herkömmlicher Akkumulator geladen und entladen werden kann. Erreicht der Akkumulator seine Kapazitätsgrenze und wird weiter Strom zugeführt, wird stattdessen Wasserstoff produziert. Solche Anlagen hätten den Vorteil, dass sie sowohl zur Kurz- als auch zur Langfristspeicherung geeignet wären.
Ein Beispiel für die industrielle Realisierung ist die Wasserstoffproduktion durch die Wind to Gas Energy GmbH & Co. KG auf dem Gelände des Industrieparks Brunsbüttel.
Methanisierung Technische Methanisierung mini|hochkant=1.3|Methanisierung von CO2 mittels elektrolytisch gewonnenem Wasserstoff
Alternativ kann der Wasserstoff zusammen mit zuvor aus Industrieprozessen abgeschiedenem oder aus der Luft gewonnenem Kohlenstoffdioxid in Methangas umgewandelt werden, was eine Form des Carbon-Capture-and-Utilization-Konzeptes darstellt. Das gewonnene Methan kann anschließend bis zu 100 % in das Gasnetz eingespeist oder in Gasspeichern gelagert werden. Im Gegensatz zur Wasserstoffherstellung steht in diesem Fall die komplette Erdgasinfrastruktur für Speicherung und Transport zur Verfügung.Michael Sterner, Ingo Stadler: Energiespeicher – Bedarf, Technologien, Integration. Berlin/Heidelberg 2014, S. 423.