Power-to-Gas: Wann ist die Technologie ökologisch sinnvoll?

power to gas
Foto: CC0 / Pixabay / aitoff

Power-to-Gas ermöglicht es, Energie für lange Zeit zu speichern. Die Technologie ist allerdings nur unter bestimmten Bedingungen ökologisch sinnvoll.

Power-to-Gas gehört zu den sogenannten „Power-to-X“ Technologien. Es geht also im Wesentlichen darum, dass elektrische Energie (Power) in eine andere Art von Energie oder Energieträger (X) umgewandelt wird. Im Fall von Power-to-Gas werden mithilfe von Strom Brenngase erzeugt, die dann zum Beispiel Transportmittel antreiben können.

Die Idee, elektrische Energie in Gas umzuwandeln, gab es bereits im 19. Jahrhundert. Doch erst in den letzten Jahren wurde im Zuge der Energiewende damit begonnen, die Technik im großen Stil zu erforschen. Schließlich kann man nur auf Strom aus erneuerbaren Energien umsteigen, wenn der Strom auch gespeichert werden kann.

So funktioniert Power-to-Gas

Vereinfachte Darstellung der Elektrolyse
Vereinfachte Darstellung der Elektrolyse
(Foto: Utopia / Leonie Barghorn)

Das Power-to-Gas-Verfahren besteht aus zwei Schritten:

1. Als erstes wird Wasser durch Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten (siehe die Grafik rechts). Das Verfahren nennt sich Elektrolyse und läuft so ab:

  • Zwei Elektroden werden in ein Wasserbecken eingetaucht und dann unter Strom gesetzt. Durch die Spannung ist eine Elektrode positiv und die andere negativ geladen.
  • Wenn die Spannung groß genug ist, spalten sich die Wassermoleküle in negativ geladene Sauerstoffionen (O2-) und positiv geladene Wasserstoffionen (H+). Diese werden jeweils von der entgegengesetzt geladenen Elektrode angezogen.
  • Schließlich findet an den Elektroden ein Ladungsausgleich statt: Die positiv geladenen Wasserstoffionen nehmen von der negativ geladenen Elektrode jeweils ein Elektron auf und können dadurch Wasserstoffmoleküle (H2) bilden. Auf der anderen Seite geben die Sauerstoffionen ihre überschüssigen Elektronen an die positiv geladene Elektrode ab und Sauerstoffmoleküle (O2) entstehen. Weil Wasserstoff und Sauerstoff gasförmig sind, steigen sie nach oben.

Der Wasserstoff kann jetzt im Prinzip ins Erdgasnetz eingespeist oder anders weiterverwendet werden. Allerdings kann zu viel Wasserstoff das Netz beschädigen. Außerdem ist Wasserstoff sehr explosiv – vielleicht kennst du die sogenannte Knallgasreaktion aus dem Chemieunterricht noch. Deshalb wird aus dem gewonnenen Wasserstoff oft Methan hergestellt.

2. Wenn Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid hohem Druck ausgesetzt werden, reagieren sie zu Methan und Wasser. Dieses künstlich hergestellte Methan kann einfacher ins Erdgasnetz eingespeist werden.

3. Das Gas kann entweder direkt als Fahrzeugantrieb, in der chemischen Industrie oder in Gaskraftwerken verwendet werden, um Strom zu gewinnen.

Power-to-Gas: Derzeit noch zu niedriger Wirkungsgrad

Mit Power-to-Gas können in Deutschland jetzt schon große Mengen an Strom gespeichert werden.
Mit Power-to-Gas können in Deutschland jetzt schon große Mengen an Strom gespeichert werden.
(Foto: CC0 / Pixabay / Free-Photos)

Power-to-Gas ist bisher eine der wenigen Technologien, die es ermöglicht, Strom langfristig zu speichern. Leider ist ihr Wirkungsgrad im Moment noch sehr gering. Laut einem 2011 vom Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) angefertigten Gutachten liegt er bei nur etwa 40 Prozent. Andere Speichermöglichkeiten zu verwenden oder den Strom direkt zu nutzen ist ökologisch sinnvoller. Es gibt jedoch einige Möglichkeiten, den Wirkungsgrad zu vergrößern:

  • Sowohl bei der Elektrolyse als auch bei der Herstellung von Methan entsteht Wärme. Wenn diese weiter genutzt wird, steigt der Wirkungsgrad auf bis zu 60 Prozent.
  • Das Forschungsprojekt HELMETH am Karlsruher Institut für Technologie hat es dieses Jahr sogar geschafft, einen Wirkungsgrad von 75 Prozent zu erreichen.

Noch effizienter wäre es, den Strom so intelligent zu verteilen, dass er sofort genutzt werden kann. Damit der Strom schnell dorthin transportiert werden kann, wo er benötigt wird, müssten aber die Stromnetze besser ausgebaut werden.

Außerdem ist Power-to-Gas ökologisch nur sinnvoll, wenn damit kein Strom aus fossilen Energieträgern gespeichert wird. Erzeugt man Strom aus Braunkohle, wird automatisch viel CO2 produziert. Wenn daraus Methan hergestellt würde, um es wiederum in einem Gaskraftwerk zu verbrennen, gäbe es noch mehr Emissionen. Und weil der Wirkungsgrad so niedrig ist, ginge außerdem Strom verloren.

Wann ist Power-to-Gas ökologisch sinnvoll?

Unter diesen Umständen kann Power-to-Gas sinnvoll eingesetzt werden:

  • Power-to-Gas darf nur genutzt werden, um überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern.
  • Die Technologie muss einen möglichst hohen Wirkungsgrad erreichen.
  • Wenn Kohlenstoffdioxid aus der Atmosphäre benutzt wird, um Methan herzustellen, ist das Verfahren noch klimafreundlicher. Auch Emissionen von Kraftwerken können verwendet werden.

Stromnetze auszubauen und andere Speichertechnologien wie Batterien weiter zu verbessern ist derzeit umweltfreundlicher als Power-to-Gas. Aber wenn unser Strom in Zukunft ausschließlich aus erneuerbaren Energien kommen soll, ist die Technologie essenziell.

In Deutschland gibt es bereits Gasspeicher, die sehr viel Gas ohne großen Aufwand für lange Zeit speichern können. Da je nach Jahreszeit unterschiedlich viel Ökostrom produziert wird, wären Technologien wie Power-to-Gas nötig, um Haushalte das ganze Jahr über mit Strom zu versorgen. 

Weiterlesen auf Utopia.de:

Gefällt dir dieser Beitrag?

Vielen Dank für deine Stimme!

Schlagwörter:

(4) Kommentare

  1. Warum das nicht als Alternative zum Ausbau des Stromnetzes vertrachten?
    Die Speicher und die Kraftwerke untereinander mit einem Rohrleitungsnetz verbinden. Eine Gasleitung zu verlegen macht wesentlich weniger Aufwand und Umweltschäden als der Bau einer Hochspannungstrasse.
    Und dann wird das, was an Ökostrom im Netz benötigt wird direkt ins Netz eingespeist, und alles was mehr produziert wird an Ort und Stelle in Methan umgewandelt und geht in den Speicher, aus dem sich die Kraftwerke dann, wenn kein oder wenig Strom produziert wird bedienen.
    Wenn dabei das Methan verflüssigt wird, ist die Speicherkapatität sogar noch höher. Da reichen bei kleineren Anlagen notfalls ein paar Flüssiggas-Tanks – und die sind schnell aufgestellt und an ein Leitungsnetz angeschlossen.
    Die Energieversorgung ist da zwar ein Stück weit dezentralisiert, was in diesem Fall aber sinnvoll ist. Und das Systhem wird damit grundlastfest, was bei Ökostrom aus Wind und Sonne bisher nicht der Fall ist.

  2. Zwei Einwände: Der Gesamtwirkungsgrad von Strom nach Methan und dann wieder zurück ist so grottenschlecht, dass Methan-Pipelines keine sinnvolle Alternative zu Stromtrassen sind. Es wäre die pure Energie-Verschwendung. Außerdem würden wir hier nicht von den dünnen Röhrchen reden, welche die Stadtwerke vielleicht in der Straße vor Deinem Haus verbuddelt haben. Um eine vernünftige Durchfluss-Rate zu erzielen müsste man sehr, sehr fette Rohre legen, mit entsprechend größeren Eingriffen in die Natur und auch größeren Sicherheitsrisiken. Da wohne ich lieber 100 m von einer Hochspannungstrasse entfernt als in 500 m Nähe zu so einer Mega-Bombe. Dazu kommt, dass das Erdgas ja auch nicht von alleine fließt, also braucht man überall entlang der strecke entsprechende Pumpstationen – alles Hochsicherheits-Bereiche wegen extremer Explosionsgefahr und mit Energieverbrauch verbunden. Was Du mit „verflüssigen“ meinst, ist mir nicht klar. Meinst Du per Kompression auf einen sehr sehr hohen Druck oder per chemischem Verfahren? Falls Du an das Flüssiggas denkst, dass manche Autos anstelle Erdgas tanken: Das ist kein Methan! Man kann Methan per chemischer Verfahren in höhere Kohlenwasserstoffe umsetzen oder auch wieder zurück, aber auch hier greift wieder das Stichwort „Energieverschwendung“, da bei jeder Umsetzung viel zu viel Energie verloren geht! Und auch was die Dimensionen anbelangt: Mit Flüssiggas-Tanks, die manche (meist ältere) Häuser im Garten stehen haben, ist es hier nicht getan! Da ist nichts mal schnell aufgestellt…
    Power2Gas macht in meinen Augen nur Sinn, wenn ein großes Strom-Überangebot da ist, das nicht anderweitig gespeichert werden kann. Besser als ein Windrad oder eine Photovoltaik-Anlage bei Strom-Überangebot abzuschalten wäre Power2Gas bestimmt.
    Ich finde die Idee der dezentralen Energie-Versorgung auch interessant und auch Überlegungen in Richtung Autarkie. Doch auf welcher Skala denkst Du bei „dezentral“? Zimmer, Wohnung, Haus, Stadtteil, Stadt, Kreis, Bundesland…?
    Ich denke, das Zeitalter der Großkraftwerke geht dem Ende zu, und das ist gut so. Energie-Erzeugung in Bürgerhand finde ich super. Aber wir brauchen auch leistungsfähige Netzwerke, für Strom und für Gas, denn die größte Herausforderung liegt darin, Angebot und Nachfrage räumlich und zeitlich zusammen zu bringen.

  3. Der Einwand mit dem geringen Wirkungsgrad ist berechtigt, aber ich bin zuversichtlich, das sich da in absehbarer Zeit etwas ändern wird.
    Da Methan ein sog. Permanentgas ist, bleibt zum Verflüssigen nur der physikalische Weg, als Druck und/oder Temperaturabsenkung. Was da der beste Weg ist, müßte mal genau analysiert werden – aber das läßt sich lösen.
    Wie zentral oder dezentral dann die Stromversorgung am Ende wird, müßte genau analysiert werden, um rauszufinden, was da sinnvoll ist. Dabei sollten technische Aspekte (Energiebedarf und Enegrie-Produktion) im Vordergrund stehen und weniger politische Grenzen. Das macht am meisten Sinn.
    Und zu den Rikiken einer Gas-Pipeline verweise ich auf den beiliegenden Link. Jeder der sich mal damit beschäftigt hat weiß Bescheid.

    https://de.wikipedia.org/wiki/Eisenbahnunfall_bei_Ufa

    Aber auch das läßt sich mit entsprechenden technischen Mitteln und einer entsprechenden technischen Überwachung minimieren.

** Links zu Bezugsquellen sind teilweise Affiliate-Links: Wenn ihr hier kauft, unterstützt ihr aktiv Utopia.de, denn wir erhalten dann einen kleinen Teil vom Verkaufserlös.