Erneuerbare Energien: So wird Windenergie zu Gas

Die Umwandlung von erneuerbaren Energien zu EE-Gas erfolgt in zwei Schritten. Zuerst wird der Strom genutzt, um mit Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen. Dieser EE-Wasserstoff kann in das Gasnetz eingespeist oder als Kraftstoff genutzt werden.

Technik zur direkten Nutzung von Wasserstoff ist allerdings noch nicht auf dem Markt. Zudem darf er nur bis zu einer bestimmten Konzentration dem fossilen Methan im Gasnetz beigemischt werden. Deswegen macht ein zweiter Schritt in der Umwandlung Sinn: Durch Zusatz von CO2 wird der EE-Wasserstoff zu EE-Methan. Das ist gleichwertig mit Erdgas und kann nahezu unbegrenzt ins Gasnetz eingespeist werden.

Durch die zweite chemische Reaktion wird die Energieausbeute insgesamt etwas schlechter. Zukunft hat die Umwandlung in EE-Methan dennoch: "Die vollständige Kopplung von Strom- und Gasnetzen wird erst mit der Methanisierung möglich", sagt Michael Sterner vom Fraunhofer IWES, Miterfinder des Technologiekonzepts.

EE-Wasserstoff im Gemisch mit Methan oder reines EE-Methan können genau so verwendet werden wie Erdgas: Zur Erzeugung von Wärme und Strom in Kraftwerken, zum Heizen und Kochen im Haushalt und als Kraftstoff für Fahrzeuge.

Gerade für Autos eröffnet die Technik neue Möglichkeiten, erneuerbare Energien zu nutzen: "Bei Elektroantrieben wird es immer das Problem der Reichweite geben, das Methankonzept ist deshalb eine interessante Alternative", sagt Marc-Simon Löffler vom ZSW. Außerdem kann EE-Wasserstoff Brennstoffzellenfahrzeuge antreiben - diese Technik ist allerdings noch nicht marktreif.

Forscher haben ausgerechnet, bei welcher Verwendung der Wirkungsgrad, also die Energieausbeute, bei der Nutzung von reinem EE-Gas am besten wäre. Das ist allerdings pure Theorie, denn das EE-Gas mischt sich in der Gasleitung mit Erdgas und Methan aus Biomasse. Eine Empfehlung gibt es dennoch: "Generell ist die effektivste Möglichkeit Gas und damit auch EE-Gas zu nutzen, die Kraft-Wärme-Kopplung", sagt Löffler. In KWK-Anlagen wird gleichzeitig Strom und Wärme erzeugt.

Wenn erneuerbare Energie direkt in Form von Strom verwendet wird, ist die Energieausbeute am besten. Deshalb müssen das Stromnetz ausgebaut und Stromspeicher geschaffen werden. Doch das kostet Milliarden und ist durch Akzeptanzprobleme nicht kurzfristig möglich. Mit einem Energietransport über das Gasnetz kann bei Investitionen ins Stromnetz erheblich gespart werden.

Der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von eingesetzter und gewonnener Energie, liegt bei einer Umwandlung von Strom in Wasserstoff laut Fraunhofer IWES bei 64 bis 77 Prozent, bei einer Umwandlung in Methan bei 51 bis 65 Prozent. Bei der Einspeisung in Fern- und Transportleitungen sowie Gasspeicher wird EE-Gas allerdings noch verdichtet. Der Wirkungsgrad sinkt dadurch bei EE-Wasserstoff stärker als bei EE-Methan, wodurch sich die Wirkungsgrade annähern und EE-Wasserstoff nur noch fünf Prozentpunkte besser abschneidet.

Besonders lohnt die Umwandlung bei Windkraft, aber auch für Solarenergie kommt sie in Frage. In einer Studie des Frauenhofer IWES wird deutlich, wie viel Potential die Kombination mit Windparks hat: In 2010 sind laut der Untersuchung etwa 100 GWh Strom aus Windkraft nicht ins Netz gegangen, weil dessen Aufnahmefähigkeit am Limit war. Bei einem Wirkungsgrad von 70 Prozent entspricht diese Energie 70 GWh Wasserstoff. Wäre dieser mit einem Anteil von 5 Volumenprozent ins Erdgasnetz eingespeist worden, hätten bei einem geschätzten Jahresverbrauch von 20.000 kWh etwa 70.000 Kunden ein Jahr lang mit erneuerbarem Gas versorgt werden können.

Noch gibt es für EE-Gas keine Förderung wie für Methan aus Biomasse. Subventionen sind aus Sicht von Instituten und Branchenverbänden aber eine klare Vorraussetzung, damit Betriebe in die Technik investieren. "Der erste notwendige Schritt ist die Gleichstellung von erneuerbarem Gas mit Biogas in der laufenden EnWG-Novelle, um sicherzustellen, dass das Gas auch sinnvoll produziert und vermarktet werden kann", sagt Michael Sterner vom Fraunhofer IWES.

Theoretisch könnte es sofort losgehen: Seit einem Zusammenschluss von Experten des ZWS und des Fraunhofer IWES im Jahr 2008 ist die Erforschung von EE-Gas weit fortgeschritten. Eine Pilotanlage von Solarfuel und dem ZSW beweist schon seit 2009 mit einer Leistung von 25 Kilowatt, dass das Verfahren funktioniert.

"Power to Gas stößt auf sehr großes Interesse", sagt Bernhard Witschen vom Deutschen Verein des Gas und Wasserfaches, "es wäre ein sehr elegantes Verfahren, wenn die Technik zuverlässig mitmacht." Die Umwandlung ist nicht nur für große Konzerne attraktiv: "Auch Stadtwerke können das stemmen", sagt Hans-Joachim Reck, Hauptgeschäftsführer des Verbands kommunaler Unternehmen, "in der Größenordnung ist Power to Gas vergleichbar mit der Gasaufbereitung in Biogasanlagen."

Die Gewinnung von Erdgas schadet je nach Ort und Vorgehen unterschiedlich stark der Umwelt, weil schädliche Gase freigesetzt und Landschaften zerstört werden. Zudem wird durch die Verbrennung CO2 freigesetzt. EE-Methan hat dieselben Eigenschaften wie Erdgas, ohne die negativen Effekte für Klima und Natur.

Für die Umwandlung von Strom zu EE-Gas wird im ersten Schritt Wasserstoff erzeugt, also Wasser verbraucht. Dadurch sind jedoch keine Schäden für die Umwelt zu erwarten, heißt es in einer Studie des Fraunhofer IWES: "Der Wasserverbrauch von EE-Gas Anlagen ist vergleichsweise gering und steigt nicht über den normalen Kühlwasserbedarf eines Kraftwerks hinaus."

Im zweiten Schritt, der Methanisierung, wird dem Wasserstoff Kohlendioxid zugesetzt. Dafür wird aber kein neues Treibhausgas erzeugt, sondern bereits vorhandenes CO2 aus der Luft oder aus Biogasanlagen genutzt. Dort entsteht Kohlendioxid als Abfallprodukt bei der Verwertung von Pflanzen. In beiden Fällen ist die CO2-Bilanz des EE-Methans neutral.

Eine Einschränkung gibt es: Eindeutig umweltfreundlich ist die Verwendung von Kohlendioxid aus Biogasanlagen nur dann, wenn dort ausschließlich Abfälle verwertet werden. Der Anbau von Biomasse extra für die Energieerzeugung ist sehr umstritten, weil Kritiker Schäden für Klima und Natur befürchten.

Die Dissertation von Michael Sterner vom Fraunhofer IWES war die erste wissenschaftliche Arbeit zu Power to Gas und legte den Grundstein für die weitere Forschung. Sterner hat mit Kollegen darüber hinaus technische Details, Wirkungsgrade und Einsatzmöglichkeiten in einer Studie des Fraunhofer IWES für Greenpeaceenergy untersucht.

Der Innovationskraft von Power to Gas und besonders den Möglichkeiten der Nutzung von EE-Wasserstoff widmet sich eine Veröffentlichung des Deutschen Vereins des Gas und Wasserfaches. Einen Überblick über verschiedene Konzepte zur Speicherung erneuerbarer Energien gibt ein Bericht des ZSW .

Die Internetseite von Solarfuel bietet Informationen zu Pilotanlagen des Unternehmens. Auf der Seite von Enertrag wird die Funktion einer Hybridanlage erläutert, die das Unternehmen derzeit baut.

Das Bundesumweltamt bindet die Technologie in eine Vision von einer 100-prozentigen Versorgung mit regenerativer Energie ein. Im Energiekonzept der Bundesregierung wird Power to Gas nur am Rande erwähnt, der Zusammenhang kann in einer Veröffentlichung der Bundesministerien für Umwelt und Wirtschaft nachgelesen werden.