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. 

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