Haustech 9/2017

Was Power-to-Gas zum Erfolg braucht

Leonid Leiva /

Die Umwandlung von erneuerbarem Überschussstrom in ein speicherbares, energiereiches Gas wie Wasserstoff oder synthetisches Erdgas gilt als vielversprechende Speicherlösung der Zukunft. Doch unter welchen Bedingungen kann die Technik wirtschaftlich und ökologisch Früchte tragen? Eine neue Studie leuchtet diese Frage aus.

In der Schweiz soll die Stromversorgung in den kommenden Jahrzehnten konsequent auf CO2-arme, erneuerbare Quellen umgestellt werden. Der Wasserkraft wird in diesem Zusammenhang nur geringes Wachstumspotenzial vorausgesagt. Die Kernenergie scheint hingegen im derzeitigen Szenario dem politisch gewollten Ende entgegenzusehen. Und andere Optionen wie die Geothermie oder die energetische Nutzung von Biomasse weisen einerseits eher geringes Potenzial auf und bedürfen andererseits weiterer technologischer Entwicklung.

Das bedeutet also, dass vor allem Solar- und Windkraft einen zunehmenden Beitrag leisten sollen. Dazu müssen aber auch die Produktionsschwankungen, die diesen wetter- und tageszeitabhängigen Energiequellen eigen sind, durch geeignete Speicher aufgefangen werden. Dies gilt vor allem dann, wenn die Schweiz nicht allzu sehr von Stromimporten abhängig sein will.

Der Speicherbedarf variiert dabei bezüglich der Energiemenge, die es zwischenzulagern gilt, sowie der Dauer der Speicherung. Besonders wichtig für das Energiesystem sind die sogenannten saisonalen Speicher. Diese können grosse Mengen an Energie aufnehmen und über längere Zeit (mehrere Monate) ohne grosse Verluste speichern.

Breites Interesse in der Schweiz

Eine von Forschern und Unternehmen, auch in der Schweiz, anvisierte Lösung besteht darin, erneuerbaren Überschussstrom dazu zu nutzen, ein energiereiches Gas herzustellen, aus dem man zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf wieder Strom, Wärme oder Treibstoffe für Fahrzeuge gewinnen kann. Das Konzept wird als Power-to-Gas bezeichnet. Es wird in der Schweiz aktuell in unterschiedlichen technischen Ausführungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren an der Hochschule für Technik Rapperswil und am Paul Scherrer Institut untersucht.

Auch das Hybridwerk Aarmatt des Solothurner Energieversorgers Regio Energie setzt als Leuchtturmprojekt auf das Konzept. Und nicht zuletzt versorgt der Detailhändler Coop seine im vergangenen Herbst eröffnete Wasserstoff-Tankstelle mit aus überschüssigem Wasserkraft-Strom hergestelltem Gas.

Als Speichergas beim Power-to-Gas fungieren kann nämlich entweder Wasserstoff oder Methan, der Hauptbestandteil von Erdgas. Der Wasserstoff wird mit Überschussstrom mittels Elektrolyse von Wasser erzeugt. Als Nebenprodukte werden dabei auch Sauerstoff und Wärme gewonnen. Ein zweiter, optionaler Schritt beinhaltet die Weiterverarbeitung des Wasserstoffs – unter Zugabe von Kohlendioxid – zu Methangas.

Die verschiedenen Power-to-Gas-Lösungen haben Vor- und Nachteile, die ihren Einsatz in der Praxis von Faktoren wie Standort und vorhandener Infrastruktur abhängig machen. Deshalb werden gegenwärtig unterschiedliche Varianten in mehreren Ländern erforscht. In der Schweiz gilt Power-to-Gas vor allem als mögliche Alternative oder Ergänzung zu anderen Langzeitspeicherungsoptionen wie Pumpspeicherkraftwerken.

Voraussetzungen zum Erfolg

Eine aktuelle Studie von Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts und der Universität Genf hat sich nun dieser verschiedenen Lösungsoptionen angenommen und deren Vorzüge und Schwächen aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht unter die Lupe genommen.

Die Forscher unter der Leitung von Christian Bauer vom Labor für Energiesystemanalysen am PSI verwendeten dafür die Methode der Lebenszyklusanalyse. Diese versucht, alle Material- und Energieflüsse, die entlang der Wertschöpfungskette eines Produktes oder einer Dienstleistung anfallen, in die Betrachtung einzubeziehen. Dabei stützen sich die Wissenschaftler auf vorhandene Daten, Modelle und Berechnungen.

«Für das zunehmende Interesse an der Power-to-Gas-Technologie gibt es viele Gründe: Strom ist zwar eine hochwertige Energieform, krankt aber daran, dass er sich nicht leicht in grossen Mengen und über längere Zeit ohne erhebliche Verluste speichern lässt», sagt Christian Bauer.

Die Umwandlung in ein Gas löst das Problem der langfristigen Speicherbarkeit, vor allem wenn als Speichermedium Methan verwendet wird. In das gut ausgebaute Gasnetz der Schweiz liessen sich nämlich grosse Mengen des künstlich hergestellten Gases einspeisen. Das würde eine saisonale Speicherung des zukünftig im Sommer in Überfluss vorhandenen Solarstroms ermöglichen. Gleichzeitig würden damit die Stromnetze entlastet, welche an manchen sonnigen oder windreichen Tagen durch die Strom-Überproduktion von Photovoltaik- und Windanlagen an ihre Grenzen stossen könnten.

Eine Power-to-Gas-Anlage mit der nötigen Leistung könnte somit zur Stabilisierung der Netze beitragen, indem sie je nach Bedarf Strom aufnimmt oder nach der Rückverstromung in Brennstoffzellen oder Gaskraftwerken wieder ins Stromnetz einspeist. Die Bereitstellung dieser sogenannten Regelenergie setzt allerdings voraus, dass die Anlage eine Genehmigung durch den Netzbetreiber erhält.

Zudem bietet Power-to-Gas nicht nur im Stromsektor dringend benötigte Lösungen. Vielmehr würde das gesamte Energiesystem von dieser Speicheroption profitieren: Denn sowohl Wasserstoff als auch Methan sind zum Heizen von Gebäuden und als Treibstoff in Fahrzeugen einsetzbar. Für Methan besteht auch die Möglichkeit des Einsatzes in Gaskraftwerken.

Die PSI-Studie kommt zu dem Schluss: Für die Umweltbilanz von Power-to-Gas kommt es hauptsächlich darauf an, sauberen Strom für die Wasserstoffherstellung durch Elektrolyse einzusetzen. «Der Grossteil der Umweltbelastung über den gesamten Lebenszyklus wird von der Herkunft des Stroms bestimmt», erläutert PSI-Forscher Bauer.

So stellt sich heraus, dass eine Power-to-Gas-Anlage, die Wasserstoff oder Methan mit Strom aus dem europäischen Mix herstellt, die Umwelt sogar stärker belasten würde als die konventionelle Produktion. Selbst mit dem Schweizer Strommix wäre Power-to-Gas kein Segen für die Umwelt, denn auch hier belasten vor allem die Stromimporte aus Nachbarländern die Ökobilanz. «Um einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten, muss sich Power-to-Gas also zu einem Grossteil aus möglichst CO2-armem Strom speisen, etwa aus Wasser- oder Windkraft», hält Bauer fest.

Dienstleistungen sind vital

Die Studienautoren kommen ausserdem zu dem Schluss, dass die Herstellung von Wasserstoff bei den aktuellen Stromtarifen nur dann zu profitablen Geschäftsmodellen führen könnte, wenn neben dem Wasserstoff weitere damit zusammenhängende Produkte und Dienstleistungen verkauft werden.

Dazu zählen etwa der neben dem Wasserstoff produzierte Sauerstoff oder die im Elektrolyseur anfallende Abwärme. In der Studie beschränkte sich die Analyse auf eine stationäre Anwendung. Das heisst, die Möglichkeit, den Wasserstoff an Tankstellen für Brennstoffzellenautos zu verkaufen, wurde nicht berücksichtigt. «Sollte in Zukunft eine solche Wasserstoff-Tankstellen-Infrastruktur aufgebaut werden, könnte das die Wirtschaftlichkeit von Power-to-Gas deutlich verbessern», sagt Christian Bauer.

Für die Weiterverarbeitung des Wasserstoffs zu Methan sehen die Studienautoren jedoch auch im besten Fall kein rentables Ergebnis voraus. Die Gründe dafür seien die hohen Kapitalkosten für die notwendige Methanisierungsanlage sowie die Effizienzverluste, die aus dem zusätzlichen Umwandlungsschritt von Wasserstoff zu Methan resultierten.

Im Falle der Herstellung von Methan spielt auch die Quelle des CO2 eine wichtige Rolle. Den überwiegenden Anteil an den Treibhausgasemissionen hat aber auch hier der erste Schritt der Umwandlungskette, also die Elektrolyse. «Alles in allem», resümiert Bauer, «zeigt unsere Analyse, dass Power-to-Gas als Langzeitspeicherlösung auf eine ökologische Stromzufuhr sowie auf ein durchdachtes, breit abgestütztes Geschäftsmodell angewiesen ist, wenn die Technik nicht nur für die Umwelt, sondern auch für die Bilanz eines Unternehmens positive Resultate liefern soll.»