Power-to-X: Auf dem Weg zur klimaneutralen Energie

Foto: CC0 / Pixabay / seagul

Power-to-X bezeichnet die Umwandlung von Strom in andere Energieträger wie Gas, Öl oder Wärme. Bei der Energiewende spielt Power-to-X eine wichtige Rolle, da sie nur mit ausreichenden Speichermöglichkeiten für Ökostrom gelingen kann.

Power-to-X: Elektrische Energie lässt sich in andere Energieformen umwandeln.
Power-to-X: Elektrische Energie lässt sich in andere Energieformen umwandeln.
(Foto: Utopia / Leonie Barghorn (Quelle: https://www.springerprofessional.de/betriebsstoffe/emissionen/was-steckt-hinter-power-to-x-/16747404))

Am Anfang von Power-to-X steht Strom – idealerweise Ökostrom. Wenn es für diesen keine direkte Verwendung gibt, muss man ihn in irgendeiner Form speichern, damit er nicht verloren geht. Am naheliegendsten ist hierfür eine Batterie. Doch manchmal ist es von Vorteil, den Strom in einen anderen Energieträger umzuwandeln. Die obenstehende Grafik, angelehnt an einen Beitrag von Springer Professional, zeigt die verschiedenen Power-to-X-Technologien:

  • Power-to-Heat: Elektrische Heizungen wie Heizlüfter oder Heizstrahler nutzen Strom zum Heizen.
  • Power-to-GasDie Energie des Stroms kann man nutzen, um Wasser in seine Einzelbestandteile aufzuspalten, also Wasserstoff und Sauerstoff. Der Wasserstoff lässt sich jetzt zum Beispiel für Wasserstoffautos verwenden. Oder man wandelt ihn weiter um in Methan. Dafür benötigt man Kohlenstoff, den man beispielsweise aus dem CO2 in der Luft holen kann. Da sowohl Methan als auch Wasserstoff gasförmig sind, bezeichnet man diese Technologie als Power-to-Gas. Methan ist ein wichtiger Grundstoff der chemischen Industrie, Fahrzeugantrieb und mögliche Stromquelle.
  • Power-to-Liquid: Aus Methan und Wasserstoff lassen sich viele weitere chemische Verbindungen wie Methanol oder Benzin herstellen. Wenn diese flüssig sind, spricht man von Power-to-Liquid. Die verschiedenen Chemikalien dienen beispielsweise als Kraftstoffe für Fahrzeuge (Power-to-Fuel), in der chemischen Industrie (Power-to-Chemicals) oder zur Stromerzeugung (Power-to-Power).

Warum könnte Power-to-X in Zukunft wichtig werden?

Solarzellen erzeugen mal mehr, mal weniger Strom.
Solarzellen erzeugen mal mehr, mal weniger Strom.
(Foto: CC0 / Pixabay / andreas160578)

Ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstütztes Forschungsprojekt, das Kopernikus-Projekt P2X, beschäftigt sich im Zusammenhang mit der Energiewende mit Power-to-X. Eine wesentliche Motivation dessen ist, dass Deutschland nur klimaneutral werden kann, wenn (nahezu) der gesamte Strom aus erneuerbaren Energien stammt.

Stromquellen wie Sonne und Wind sind jedoch alles andere als konstant. An einem sonnigen, windigen Tag produzieren Solarzellen und Windräder mehr Strom als in einer ruhigen Nacht. Das passt jedoch nicht zwangsläufig zum Bedarf von uns Verbraucher*innen. Laut einem Gutachten des Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) von 2011 könnten selbst ein besserer Netzausbau und ein besseres Energiemanagement solche Fälle nicht komplett beseitigen.

Es kann also passieren, dass mehr Strom vorhanden ist, als wir momentan verbrauchen können. In einem solchen Fall müssen wir den Strom irgendwie speichern. Dafür gibt es verschiedene Optionen, wie zum Beispiel Batterien oder Pumpspeicher. Wenn es darum geht, längerfristig sehr große Mengen Strom zu speichern, kommt laut IWES aktuell nur Power-to-Gas infrage. Dies kann nötig sein, um saisonale Schwankungen in der Stromproduktion auszugleichen: Im Winter beispielsweise sind die Tage kürzer und die Sonne steht weniger hoch. Folglich gibt es weniger Solarstrom als im Sommer. Unser Strombedarf sinkt aber nicht – wenn wir elektrisch heizen, steigt er vermutlich sogar. Deshalb brauchen wir Möglichkeiten, um Stromüberschüsse im Sommer für den Winter zu speichern.

Zudem könnten sogenannte „strombasierte“ Stoffe aus Power-to-X in Zukunft erdölbasierte Stoffe ersetzen. Dabei hätten sie gegenüber „biobasierten“ Alternativen aus Pflanzen den Vorteil, dass sie weniger (landwirtschaftliche) Flächen benötigen würden und nicht immer wieder neu angebaut werden müssten.

Herausforderungen von Power-to-X und der aktuelle Stand der Umsetzung

Laut dem Öko-Institut in Freiburg befindet sich Power-to-X momentan noch in der Phase der Forschung. In der Breite könne man die Technologie erst ab etwa 2030 nutzen. Bis dahin gibt es noch viele Herausforderungen:

  • Für die Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff benötigen Chemiker*innen teure und seltene Elemente wie Iridium. Im P2X-Projekt versuchen Forscher*innen, die chemische Reaktion mit möglichst wenig Iridium durchzuführen. Außerdem forschen sie unter anderem daran, wie sich der Wasserstoff am besten in weitere Chemikalien umwandeln lässt.
  • Als eine weitere Herausforderung benennt das Projekt den Transport von Wasserstoff. Dafür fehlt bislang die nötige Infrastruktur.
  • In jedem Umwandlungsschritt geht Energie verloren – das ist ein physikalisches Grundprinzip. Je mehr Umwandlungsschritte der Strom durchläuft, desto mehr Energie geht deshalb verloren. Power-to-X ist deshalb immer mit Energieverlusten verbunden, die möglichst klein gehalten werden müssen.
  • Wie das Öko-Institut schreibt, sind strombasierte Energieträger aktuell noch teurer als fossile Energieträger. In dem Zusammenhang ließen sich die Treibhausgasemissionen durch andere Maßnahmen günstiger senken – beispielsweise, indem man Ökostrom direkt nutzt oder Gebäude besser dämmt. Auf der anderen Seite merkt das Öko-Institut aber auch an, dass es nicht in allen Bereichen möglich ist, die Treibhausgasemissionen auf Null zu senken. Das gilt laut P2X vor allem für Sektoren, die nicht direkt (Öko-)Strom verwenden können. Hier ist Power-to-X eine gute Lösung.
  • Das wichtigste zum Schluss: Power-to-X ist natürlich nur nachhaltig, wenn der Strom dafür aus erneuerbaren Energien kommt. Das bedeutet allerdings, dass wir die erneuerbaren Energien noch stärker ausbauen müssten als bisher. Das Öko-Institut schätzt, dass die Kapazitäten für Solarkraftwerke, Windräder und Co. in Deutschland dafür nicht ausreichen würden. Wichtig für die Klimabilanz von Power-to-X wäre laut dem Öko-Institut außerdem, dass das im Verlauf der Prozesse benötigte CO2 aus der Luft genommen wird.

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