Zündende Idee für Power-to-Gas

Technologie zur Energiewende

27.03.2018 Sie gelten vielen als Schlüsseltechnologien der Energiewende: sogenannte Power-to-Gas-Verfahren (PtG). Ihre wirtschaftlich sinnvolle Umsetzung scheiterte jedoch bislang vor allem an zu geringen Wirkungsgraden. Der Einsatz der Hochtemperatur-Elektrolyse könnte die Lösung bringen.

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Gas Flames With Ignition Spark

Bild: Ingo Bartussek – stock.adobe

Die Idee von allen Power-to-X-Prozessen ist einleuchtend: Immer wenn schwankende erneuerbare Energiequellen zu viel Strom liefern, soll dieser dazu genutzt werden, wertvolle Gase, Flüssigkraftstoffe oder Chemikalien herzustellen. Überschüssiger Strom ist billig und hat manchmal sogar einen negativen Preis – deshalb ist es auch gar nicht so wichtig, wie effizient er am Ende genutzt wird. So weit die Theorie. In der Praxis jedoch wird es sich kein Betreiber – zumindest kein kommerzieller – leisten können, seine teure Anlage nur dann laufen zu lassen, wenn gerade der Wind besonders stark bläst oder die Sonne scheint. Wenn solche Anlagen also auch mit herkömmlichem Netzstrom betrieben werden müssen, kommen Faktoren wie der Wirkungsgrad der Anlage wieder zurück ins Spiel. Vor allem daran scheiterte jedoch bisher eine wirtschaftlich sinnvolle Umsetzung insbesondere der PtG-Technologie.

Aufwendiges Verfahren

Dies liegt auch daran, dass zwei relativ energieaufwendige Prozessschritte zur Herstellung von synthetischem Gas notwendig sind: Wie bei allen stofflichen Power-to-X-Verfahren wird zunächst der (erneuerbare) Strom dazu genutzt, um Wasserstoff herzustellen. Dies geschieht gewöhnlich über den bewährten Weg einer alkalischen Elektrolyse (AEL) oder einer Polymermembran-Elektrolyse (Pemel). Der Wasserstoff – soll er nicht direkt genutzt werden – steht dann für verschiedene Synthese-Verfahren bereit und lässt sich zum Beispiel zu Methanol, Benzin oder Ammoniak umwandeln. Beim PtG-Verfahren wird der Wasserstoff mit Kohlendioxid zu syntethischem Gas methanisiert. Gewöhnliche PtG-Anlagen erreichen in diesem Prozess in der Regel relativ niedrige Wirkungsgrade: Je nach Anlage und Verfahren müssen zwischen 1,9 und 2,4 kWh Strom aufgewendet werden, um 1 kWh synthetisches Gas zu produzieren. Für eine wirtschaftliche Nutzung dürfte dies auf absehbare Zeit zu wenig sein.

EU-Projekt: Höhere Wirkungsgrade durch Synergien

Dem EU-Projekt Helmeth, das vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordiniert wird, ist es Anfang 2018 nun gelungen, ein PtG-Verfahren mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad zu realisieren. Möglich ist dies vor allem durch die Nutzung von Synergien zwischen den beiden PtG-Prozessschritten. Statt AEL oder Pemel nutzt Helmeth zur Wasserstoffproduktion die Hochtemperatur-Elektrolyse. Diese erreicht bei einer Betriebstemperatur von ca. 800 °C und Drücken von etwa 3 MPa thermodynamische Vorteile. Diese Art der Elektrolyse ist jedoch auch sehr energieaufwendig. Helmeth macht sich daher die Abwärme aus dem zweiten Prozessschritt zunutze: Eine katalytische Methanisierung im Sabatier-Prozess etwa verläuft stark exotherm bei Temperaturen von 200 bis 400 °C. Durch die Nutzung dieser Synergieeffekte ist es Helmeth gelungen den Wirkungsgrad des PtG-Prozesses auf 76 % steigern. Bei einer möglichen Übertragung auf industrielle Maßstäbe hoffen die Forscher sogar auf 80 %.

Weitere Entwicklung ist notwendig

„Mit so hohen Wirkungsgraden macht die Power-to-Gas-Technologie einen großen Schritt hin zur Wirtschaftlichkeit“, freut sich Helmeth-Projektkoordinator Dimosthenis Trimis. Das von Helmeth produzierte Gasgemisch lässt sich bei einer Wasserstoff-Konzentration von nur 2 Vol.-% zudem direkt ins bestehende Erdgasnetz einspeisen. Doch zur Wirtschaftlichkeit fehlt der PtG-Technologie trotzdem noch ein gutes Stück: Die Investitionskosten für die Hochtemperatur-Elektrolyse sind (zumindest auf absehbare Zeit) hoch. Die Abtrennung des für die Methanisierung benötigten CO2 mittels einer Aminwäsche aus Rauchgas oder gar der Luft ist aufwendig und teuer. Kohlenstoffdioxid kann zwar auch aus Biogas gewonnen werden, das Potenzial dafür ist jedoch begrenzt. Fortschritte in der Forschung – wie die bei Helmeth – geben aber Anlass zur Hoffnung, dass PtG-Verfahren auch diese Hürden überwinden und eine Schlüsselrolle in der Bewältigung der Energiewende einnehmen können. 1805ct912

Hier gelangen Sie direkt auf die Website des Helmeth-Projektes.

 

Heftausgabe: April/2018
Jona Göbelbecker, Redaktion

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