Power-to-Gas

Die Energieversorgung in Deutschland wird Schritt für Schritt auf erneuerbare Energiequellen umgestellt. Dabei müssen zwei große Herausforderungen gemeistert werden. Die erste betrifft die Volatilität erneuerbarer Energien: Die Stromerzeugung ist witterungs- sowie jahres- und tageszeitlich bedingt Schwankungen unterworfen. Übersteigt die Stromproduktion den Bedarf, werden die Stromerzeuger abgeregelt, um das Netz stabil zu halten. 

Die zweite Herausforderung besteht darin, dass sich der Ökostrom nur schwer speichern lässt. Als ein Baustein der Energiewende sollen Power-to-Gas-Anlagen dabei helfen, diese Hürden zu überwinden.

Was ist Power-to-Gas?

Power-to-Gas, kurz PtG, P2G oder auch Power2Gas, beschreibt die Umwandlung von Strom in ein Brenngas. Dieses Brenngas kann gespeichert und später für verschiedene Zwecke genutzt werden. Power-to-Gas gehört zu den Power-to-X-Technologien. 2021 gab es in Deutschland 24 Power-to-Gas-Anlagen, hauptsächlich Pilot- und Demonstrationsprojekte, die zu Forschungszwecken dienen. Einige Projekte befinden sich derzeit in Planung, andere wurden bereits wieder eingestellt.

Wie funktioniert Power-to-Gas?

Hinter der Power-to-Gas-Technologie stecken Verfahren, die schon recht lange bekannt und erprobt sind. Zentraler Bestandteil des Konzepts ist die Wasserelektrolyse. Dabei wird Wasser (H2O) unter Stromzufuhr in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) aufgespalten. Kommt bei diesem Vorgang Strom aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie zum Einsatz, spricht man auch von grünem Wasserstoff.

Der über Power-to-Gas hergestellte Wasserstoff kann direkt als Brenn- oder Kraftstoff genutzt werden. Mehr zu den Eigenschaften des Gases erfahren Sie im Artikel Wasserstoff als Energieträger. Es lässt sich aber auch in einem zweiten Schritt zu synthetischem Erdgas weiterverarbeiten. 

Bei der sogenannten Methanisierung reagieren Wasserstoff und Kohlendioxid (CO2) an einem Katalysator zu Methan (CH4) und Wasser. Als Kohlenstoffquelle kommen beispielsweise unvermeidbare CO2-Emissionen aus Industrieprozessen sowie Biogas- und Kläranlagen infrage. Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Abscheidung aus der Atmosphäre. Die Methanisierung kann auch auf biologischer Basis unter Einsatz von Mikroorganismen erfolgen. Das Verfahren ist weniger aufwendig, es werden weder Überdruck noch hohe Temperaturen benötigt. Zudem verbraucht es vergleichsweise wenig Energie.

Das synthetische Methan ist hinsichtlich seiner brenntechnischen Eigenschaften fossilem Erdgas sehr ähnlich. Zudem lässt es sich – im Gegensatz zu Wasserstoff – unbegrenzt in das vorhandene Erdgasnetz einspeisen und speichern. Wird Energie benötigt, könnte das Methan wie herkömmliches Erdgas in Gaskraftwerken verbrannt oder zur Wärmeversorgung genutzt werden.

Einsatzmöglichkeiten von Power-to-Gas

Die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff und synthetischem Methan aus Power-to-Gas-Anlagen sind vielfältig:

• Bereitstellung alternativer Kraftstoffe: Die Gase lassen sich in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle oder in Gasfahrzeugen mit Verbrennungsmotor direkt als Treibstoff nutzen. Aufgrund des geringen Wirkungsgrads von Wasserstoffautos, der lückenhaften Infrastruktur und der hohen Kosten, konnte sich die Technologie im Bereich privater Pkw bisher noch nicht durchsetzen. Sinnvoller ist hier die direkte Nutzung von Ökostrom für die Elektromobilität. Bei Nutzfahrzeugen kommt der Wasserstoffeinsatz jedoch zunehmend in Schwung. Potenzial besitzen auch synthetische Kraftstoffe, sogenannte Power- oder E-Fuels, die mithilfe von Power-to-Fuels-Verfahren aus dem synthetischen Methan hergestellt werden. Sie könnten dabei helfen, die Emissionen in Bereichen, die sich nur schwer elektrifizieren lassen – etwa im Schwerlast-, Flug- oder Schiffsverkehr – zu senken. Die Motoren müssen dafür nicht angepasst werden.
• Industrielle Nutzung: Wasserstoff kommt bisher vor allem für die Herstellung von Düngemitteln und in Raffinerien zum Einsatz. Meist wird er aus fossilen Rohstoffen gewonnen. Mit Power-to-Gas ließe sich der graue Wasserstoff durch grünen Wasserstoff ersetzen. Zudem könnte grüner Wasserstoff in großen Kraftwerken als Kühlmittel und zur Wärmeerzeugung genutzt werden. Industrieprozesse, für die Erdgas benötigt wird, ließen sich dagegen mit synthetischem Methan klimafreundlicher gestalten.
• Wärmeversorgung: Das in Power-to-Gas-Anlagen hergestellte Methan könnte zukünftig Erdgas bei der Wärmeversorgung ersetzen. Über das vorhandene Erdgasnetz wird es direkt zu den Privathaushalten und Unternehmen transportiert. In modernen Quartieren ließen sich auch Brennstoffzellenheizungen einsetzen. Sie versorgen die Gebäude gleichzeitig mit Strom und Wärme. 
• Nutzung als Langzeitspeicher: Mit Power-to-Gas ließe sich Strom aus erneuerbaren Energien effizienter nutzen. Kommt es zu einer Überproduktion, werden die Stromüberschüsse verwendet, um Gase zu erzeugen. Diese können entweder gespeichert oder weiterverarbeitet werden. Im Prinzip wäre sogar eine Rückverstromung in Gaskraftwerken oder in Blockheizkraftwerken (BHKW) möglich. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Power-to-Gas-to-Power (PtGtP). Allerdings führt die Mehrfachumwandlung zu hohen Energieverlusten.

Vor- und Nachteile von Power-to-Gas

Vorteile:

• Keine CO2-Emissionen: Bei der Gewinnung von grünem Wasserstoff und Methan entsteht kein CO2.
• Viele Anwendungsmöglichkeiten: Wasserstoff und Methan lassen sich sowohl stofflich als auch energetisch nutzen. 
• Flexibilität: Power-to-Gas-Anlagen lassen sich schnell hoch- und runterfahren. Wetterbedingte Spitzen bei der Stromerzeugung könnten damit abgefangen werden, Stromerzeuger müssten nicht mehr abgeschaltet werden.
• Langfristige Speicherung von Ökostrom: Mit Power-to-Gas könnte Strom aus erneuerbaren Energien sektorenübergreifend gespeichert und bedarfsgerecht an anderer Stelle wieder eingesetzt werden. Mehr zum Thema lesen Sie im Ratgeberartikel zur Sektorenkopplung.
• Verringerung der CO2-Belastung: Mit Power-to-Gas bzw. der Methanisierung könnte CO2 aus industriellen Prozessen gebunden werden.
• Senkung des Verbrauchs fossiler Rohstoffe: Da synthetisches Methan Erdgas sehr ähnlich ist, lässt es sich überall dort einsetzen, wo bisher der fossile Energieträger verwendet wurde. 
• Nutzung der bestehenden Infrastruktur: Zum Transport und zur Speicherung von synthetischem Methan kann das gut ausgebaute Erdgasnetz genutzt werden. Befürworter von Power-to-Gas sehen in diesem Aspekt einen Effizienzvorteil gegenüber dem Aufbau einer komplett neuen Infrastruktur.

Nachteile und Herausforderungen: 

• Geringer Wirkungsgrad: Die Wasserelektrolyse besitzt – je nachdem, welches Verfahren angewendet wird – einen Wirkungsgrad von etwa 75 %. Das bedeutet, dass 25 % der ursprünglich eingesetzten Energie verloren geht – hauptsächlich in Form von Wärme. Bei der nachgeschalteten Methanisierung sind es noch einmal zwischen 20 und 25 %. Die Erhöhung der Effizienz ist eines der wichtigsten Forschungsziele. Inzwischen gibt es Ansätze, die Abwärme als zusätzliche Energiequelle zu nutzen.
• Hohe Kosten: Noch sind Power-to-Gas-Verfahren nicht wirklich wirtschaftlich. Das liegt im Wesentlichen an den hohen Investitionskosten: Unternehmen, die eine Power-to-Gas-Anlage kaufen möchten, müssen mit Preisen zwischen 2.500 und 3.500 € pro Kilowatt elektrischer Leistung rechnen. Bei der alkalischen Elektrolyse sind es 1.500 € pro Kilowatt. Hinzu kommen die hohen Produktionskosten.
• Geringe Auslastung könnte mit Graustrom abgefangen werden: Die Wirtschaftlichkeit von Power-to-Gas-Anlagen lässt sich erhöhen, wenn sie voll ausgelastet sind. Derzeit reichen die Stromüberschüsse dafür jedoch (noch) nicht aus. Das könnte Anreiz für Unternehmen sein, Graustrom zu nutzen. Zum Klimaschutz tragen Power-to-Gas-Anlagen jedoch nur bei, wenn der Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt.
• Ökostrom kann in anderen Sektoren effizienter genutzt werden: Es ist wirtschaftlicher und zum jetzigen Zeitpunkt auch ökologischer, den grünen Strom direkt im Wärmesektor oder im Verkehr zu nutzen. Kritiker befürchten zudem, dass durch falsche Hoffnungen hinsichtlich der Power-to-Gas-Technologie kostengünstigere Effizienzmaßnahmen verschlafen werden könnten. 

Die Power-to-Gas-Kleinanlage für das eigene Zuhause

2019 wurde in einer Wohnanlage in Augsburg die weltweit erste Power-to-Gas-Kleinanlage in Betrieb genommen. Wie eine große Power-to-Gas-Anlage wandelt sie Strom, der mithilfe einer Photovoltaikanlage produziert wird, in Methan um. Das Methan wird in einen Tank geleitet, wo es dann einem Blockheizkraftwerk zur Wärme- und Stromversorgung zur Verfügung steht. Zusammen mit weiteren Maßnahmen konnte der Nutzungsgrad des Solarstroms auf rund 90 % gesteigert werden. Aufgrund der derzeitigen gesetzlichen Lage ist das Projekt allerdings noch nicht wirtschaftlich.