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4/5 | 2013

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TECHNIK UND MANAGEMENT

TECHNIK UND MANAGEMENT Energie/Erneuerbare Energien Bild: H.D.Volz/Pixelio Gas aus erneuerbarem Strom Zu den Herausforderungen der Energiewende gehört es, große Mengen an Erneuerbaren Energien zu speichern, die Stromnetze zu entlasten und eine Infrastruktur für die effiziente Verteilung von Energie zur Verfügung zu stellen. Eine Lösung ist die Powerto-Gas-Technologie. In Frankfurt am Main entsteht nun die bundesweit erste Demonstrationsanlage, mit deren Hilfe sich Strom aus Wind und Sonne inWasserstoff umwandeln und in das kommunale Gasnetz einspeisen lässt. Dr. Constantin H.Alsheimer Die Energiewende stellt die Energiewirtschaft vor große Aufgaben. Eines der Hauptprobleme ist, dass Strom generell schlecht speicherbar und die Einspeisung regenerativ erzeugten Stroms (insbesondere aus Wind- und Solarenergie) häufig schwankend und schwer prognostizierbar ist. Eine durch witterungsbedingte Schwankungen geprägte Stromerzeugung steht einer ebenfalls schwankenden Nachfrage durch die Verbraucher gegenüber. Das führt dazu, dass die Netze Strom aus Wind- oder Solarenergie bei Überproduktion nicht aufnehmen können. Bei Unterproduktion steht dagegen nicht ausreichend Strom zur Abdeckung von Grund- und Spitzenlasten zur Verfügung. Gegenwärtig stellendie Netzbetreiber denAusgleich vorallemdadurch sicher, dass sie ihrefossilen Kraftwerke je nach Bedarf hoch- oder herunterfahren. Ist die Stromproduktion aus Erneuerbaren Energien größer als die Gesamtnachfrage nachelektrischerEnergie,müssen die Netzbetreiber einen Teil der Windkraft- und Photovoltaikanlagen abregeln. Nach Angaben der Bundesnetzagentur konnten imvergangenen Jahr 421GigawattstundenStrom nicht in die Netze eingespeist werden – mehr als dreimal so vielwie noch2010. Mitdem politisch gewollten Ausbau der Windenergie aufSee (Offshore) wird sichdieses Problem weiterverschärfen. Direkteinspeisung ins Erdgasnetz In aktuellen Langfristszenarien geht das Bundesumweltministerium davon aus, dass sich die Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energienbis 2050 fastvervierfacht. Um das Stromsystem trotzzunehmender Einspeisung Erneuerbarer Energien imGleichgewicht zu halten, ist eine rechtzeitige Entwicklung innovativer Technologienund Konzepte zur Energiespeicherung dringend erforderlich. Eine mögliche Systemlösung bietet die Power-to-Gas-Technologie. Aus heutiger Sicht ist die Umwandlung vonregenerativem Stromper Elektrolyse zuWasserstoff und gegebenenfalls weiter zusynthetischem Methan die einzige geeignete Technologie,regenerativ erzeugte Energie im großen Maßstab langfristig zu speichern. Der Charme dieser Lösungbesteht unteranderem darin, dass sowohl das synthetische Methan als auchingewissen Grenzen bereits der zunächst erzeugte Wasserstoff direkt dem herkömmlichem Erdgas zugesetzt werden können. Elektrische Energie aus Wind- und Solaranlagen kann so als chemische Energie im Erdgasnetz eingespeist, gespeichert und über weite Strecken transportiert werden. Übertrifft die Stromnachfrage das Stromangebot aus Erneuerbaren Energien, kann durch die Rückverstromung der erzeugten Gase in Gaskraftwerken das Netz CO 2 -neutral stabil gehalten werden. Eine Analyse der Thüga AG hat ergeben,dass derSpeicherbedarf Erneuerbarer Energien2020bei 17 Terawattstundenliegen wird. Über denEinsatz der Power-to-Gas-Technologie kann das Gasnetz diesen Speicherbedarf komplett decken. Großer Speicher Wie groß Speicherkapazität und Versorgungspotenzial des etwa 475000 Kilometer langen Erdgasverteilnetzes sind, zeigenBerechnungender Bundesnetzagentur:Theoretischreichtdie vorhandene Gasinfrastruktur als Energiespeicher, um Deutschland zwei Monate lang mit Strom aus Gas zuversorgen. Zum Vergleich: Alle PumpspeicherwerkeDeutschlands würdenzusammen die Stromversorgung lediglich für eine halbe Stunde sicherstellen. Die Berech- 40 UmweltMagazin April-Mai 2013

Erneuerbare Energien Stau im Stromverteilnetz Wasser Demonstrationsanlage Sauerstoff überschüssiger Wasserstoff EE-Strom Elektrolyseanlage nungen verdeutlichen, dass die Verknüpfung von Strom- und Erdgasnetz mit Hilfeder Power-to-Gas-Technologie entscheidend zum Gelingen der Energiewende beitragen kann –nicht zuletzt auch angesichts des begrenzten Zubaupotenzials von Pumpspeicherwerken und der hohen zu speichernden Energievolumina. Um die Leistungsfähigkeit des Gasnetzes als Speichermedium für elektrische Energie langfristig möglichst gut ausschöpfen zu können, sind Praxiserfahrungen derbereits seit einigen Jahren unter Laborbedingungen erfolgreich erprobten Power-to-Gas-Technologie notwendig. Ziel sollte eine möglichst effiziente Nutzung im industriellen Maßstab sein. Insgesamt 13Unternehmen der Thüga-Gruppe wollen mit einemPilotprojekt jetztden Wegdahin ebnen: ImVersorgungsgebiet der Netzdienste Rhein-Main in Frankfurt am Main entsteht die bundesweit erste Demonstrationsanlage, mit deren Hilfe sichStrom aus Wind und Sonne in Wasserstoff umwandeln und in das kommunale Gasnetz einspeisen lässt. Der Bau soll Mitte desJahres beginnen, für Ende 2013 istdie Inbetriebnahme geplant. PEM-Elektrolyseur Kernstückder Demonstrationsanlage ist ein Protonen-Austausch-Membran- Elektrolyseur (siehe Grafik). Die Technik der Protonen-Austausch-Membran (Proton Exchange Membrane, kurz PEM) hat bei derKonzeption derAnlage den Vorzug gegenüber der alkalischen Elektrolyseerhalten. Zum einenarbeitet Mischanlage Erdgasverteilnetz Verkehr Schema der ersten bundesweiten Demonstrationsanlage zur Einspeisung von Wasserstoff ins kommunale Gasverteilnetz Haushalte Kraft-Wärme- Kopplung Grafik: Thüga derPEM-Elektrolyseur umweltschonender,weilerWasser statt Kalilauge als Betriebsmittel benötigt. Zum anderen kann die Anlage mit dem PEM-Elektrolyseur dynamischer betrieben werden, da dieser besonders schnell auf veränderte Lastsituationen imStromnetz reagieren kann. Ein weiterer Vorteil im Vergleich zualkalischen Elektrolyseurenist die kompaktere Bauweise,die auf derselben Fläche eine Installation mit weitaus höhererLeistung ermöglicht. Die Anlage soll rund 60 Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde erzeugen. Mit dieser Menge, die dem Brennwert von 17,1 KubikmeternErdgasentspricht, ließen sich theoretisch 108 Haushalte ein Jahr lang versorgen. Da das Konzentrationsverhältnis von Wasserstoff imErdgasnetz aktuell aber nur maximal 5Volumenprozent betragen darf, wird dem einzuspeichernden Wasserstoff Erdgas beigemischt. Im Ergebnis erzeugt die Anlage in einer Stunde rund 3000 Kubikmeter mit Wasserstoff angereichertes Erdgas. Befindet sich eine Erdgastankstelle im Netz, darf der Anteil von Wasserstoff im Netz 2 Prozent nicht überschreiten–scheinbar vielzuwenig, um große Mengen an Ökostrom im Netz zu speichern. Berücksichtigt man das Speichervolumen des gesamten Gasverteilnetzes,ermöglichen allerdings auch niedrige Beimischungsgrenzen von Wasserstoff sehr große Speicherkapazitäten für Strom aus Erneuerbaren Energien. So entspricht etwa ein durchschnittlicher Wasserstoffanteil von 2,5ProzentimdeutschenErdgassystem (Netz und Speicher) der durchschnitt- lichen zweiwöchigen Produktion von Erneuerbaren EnergienimJahr 2020. Langfristig betrachtet wird die Wasserstoffbeimischung an Grenzen stoßen. Daher ziehen die an demDemonstrationsprojekt beteiligten Unternehmen bereits eine weitere Verwendung desWasserstoffs in Betracht, um die mit der Power-to-Gas-Technologie erschließbaren Speichervolumina weiter zu erhöhen. Mit Hilfedes Verfahrensder Methanisierung lässt sich Wasserstoff mit Kohlendioxid zu synthetischem Methan konvertieren. Im Gegensatz zu Wasserstoff lässtsichsynthetischesMethan unbegrenzt indas Erdgasnetz einspeisen. Die Erzeugung von „grünem Erdgas“ kann an CO 2 -Quellen wie beispielsweise Gaskraftwerken oder Biogasanlagen erfolgen. Auf diese Weise lässt sichzugleicheine klimaschonende Verwertung des dort freigesetzten Kohlenstoffs realisieren. Fazit Ziel derThüga-Gruppe istes, mitdem gestarteten Demonstrationsvorhaben einen Beitrag zu den klimapolitischen Zielen der Bundesregierung zu leisten und gleichzeitig die technischen Herausforderungen aufzuzeigen. Außerdem gilt es, Erfahrungen zubündeln, um mittel- bis langfristig die Wirtschaftlichkeit der Power-to-Gas-Technologie zu steigern. Der ausgewählte Standort inFrankfurt amMain eignet sich für die Demonstrationsanlage besonders gut, weil dort die Infrastruktur zum Anschluss einer Elektrolyseanlage bereits vorhanden ist. Zudem ist der zum Betrieb erforderliche Mindestgasabsatz in der Region selbst inden verbrauchsschwachen Sommermonaten gewährleistet. Ein weiteres Plus könnten die vor Ort vorhandenen hocheffizienten KWK-Kraftwerke der Mainova im Frankfurter Stadtgebiet sein, bei derenWärme-und StromproduktionCO 2 anfällt. Die vorhandenen CO 2 -Quellen ermöglichen es perspektivisch, die Power-to-Gas-Technologie in Frankfurt für die Produktion von synthetischem Methan einzusetzen. Dr. Constantin H. Alsheimer, Mainova AG, Frankfurt am Main, info@mainova.de UmweltMagazin April-Mai 2013 41

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