Power-to-X: Was steckt dahinter?

Die EU soll bis 2050 klimaneutral werden – das bedeutet, dass nur noch unvermeidbare Treibhausgase ausgestoßen und die wenigen Emissionen vollständig ausgeglichen werden. Deutschland will dieses Ziel sogar schon bis zum Jahr 2045 erreichen. Doch noch immer gibt es viele Prozesse und Sektoren, die auf fossile Rohstoffe angewiesen sind und sich auch in Zukunft nicht direkt auf erneuerbare Energiequellen umstellen lassen. Hier kommen die Power-to-X-Technologien ins Spiel: Sie machen erneuerbare Energien auch für diese Prozesse und Sektoren kompatibel und nutzbar.

Was ist Power-to-X?

Power-to-X ist ein Oberbegriff für verschiedene Verfahren, mit denen Strom aus erneuerbaren Quellen wie Windenergie oder Strom aus Solarenergie in andere Energieträger, Brenn- und Kraftstoffe oder Rohstoffe für die Industrie umgewandelt wird. Üblich sind auch die Abkürzungen P2X oder PtX. P bzw. Power steht dabei für die elektrische Energie und X für die Energieform oder die Rohstoffe, die damit erzeugt werden. Power-to-X-Technologien dienen zur stärkeren Vernetzung von Strom-, Wärme- und Mobilitätssektor. Mehr zum Thema lesen Sie im Ratgeberartikel zur Sektorenkopplung.

Ausgangspunkt für Power-to-X ist meist die Herstellung von Wasserstoff mithilfe der Elektrolyse von Wasser unter dem Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energien. Der grüne Wasserstoff kann dann entweder direkt genutzt oder mit anderen Gasen wie Kohlendioxid (CO2) oder Stickstoff (N2) in nachgeschalteten Schritten weiterverarbeitet werden. Für die Gewinnung von CO2 gibt es mehrere Möglichkeiten, etwa die Abscheidung aus konzentrierten Quellen oder die direkte Entnahme aus der Atmosphäre.

Welche Power-to-X-Technologien gibt es?

Power-to-X-Technologien lassen sich sowohl nach der entstehenden Energieform als auch nach dem Verwendungszweck einteilen. Teilweise gibt es dabei Überschneidungen.

Einteilung nach der Energieform:

• Power-to-Gas: Über das Power-to-Gas-Verfahren wird mithilfe der Wasserelektrolyse ein Brenngas – Wasserstoff, Methan oder Ammoniak – erzeugt. Das Brenngas kann entweder direkt genutzt oder weiterverarbeitet werden. Beispielsweise lassen sich daraus synthetische Kraftstoffe, sogenannte E-Fuels, oder chemische Rohstoffe herstellen. Auch eine langfristige Speicherung und die spätere Rückverstromung in Gaskraftwerken ist grundsätzlich möglich. Allerdings besitzen Power-to-Gas-Verfahren einen sehr geringen Wirkungsgrad. Es ist daher wirtschaftlicher und zum jetzigen Zeitpunkt auch ökologischer, den grünen Strom direkt im Wärmesektor oder im Verkehr zu nutzen – etwa über Wärmepumpen oder Elektromobilität.
• Power-to-Heat: Unter Power-to-Heat versteht man die Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme – etwa über Elektrodenheizkessel, Heizstäbe oder Wärmepumpen. Großes Potenzial entfaltet sich in Kombination mit Wärmespeichern, die in der Nacht oder in Zeiten, in denen nur wenig grüner Strom zur Verfügung steht, die Wärmeversorgung sichern. 
• Power-to-Liquid: Der Begriff Power-to-Liquid umfasst verschiedene technische Verfahren zur Umwandlung elektrischer Energie in flüssige Kraftstoffe. Dabei wird der Wasserstoff, der mittels Power-to-Gas-Verfahren gewonnen wurde, mit Kohlenmonoxid (CO) oder CO2 zu flüssigen Kohlenwasserstoffen synthetisiert. Nach einer weiteren Aufbereitung stehen diese als synthetischer Dieselkraftstoff, E-Benzin oder E-Kerosin zur Verfügung. Ihr Einsatz ist vor allem dort sinnvoll, wo eine direkte Elektrifizierung mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen nicht oder nur schwer möglich ist – beispielsweise im Schwerlast- oder im Flugverkehr.

Einteilung nach dem Verwendungszweck:

• Power-to-Ammonia: Ammoniak (NH3) ist ein bedeutender Grundstoff für die Düngemittelindustrie. Hergestellt wird er aus Wasserstoff und Stickstoff. Dafür werden große Mengen an fossilen Energieträgern benötigt. Unter Verwendung von Strom aus erneuerbaren Energien lässt sich Ammoniak auch CO2-neutral erzeugen. Gegenüber Wasserstoff besitzt das Gas einen entscheidenden Vorteil: Es lässt sich besser transportieren und speichern. Kann grüner Ammoniak in großem Maßstab hergestellt werden, eröffnen sich ganz neue Anwendungsfelder. Denkbar ist beispielsweise die Nutzung als Kraftstoff für Gasturbinen und modifizierte Verbrennungsmotoren oder die Rückverstromung in speziellen Brennstoffzellen. Zudem könnte Ammoniak zukünftig als Wasserstofflieferant dienen.
• Power-to-Chemicals: bezeichnet einen Prozess zur Herstellung von chemischen Rohstoffen unter der Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Ausgangspunkt ist dabei die Wasserelektrolyse. Mit Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff ließe sich im Prinzip die gesamte Palette an Grundchemikalien erzeugen. So kann synthetisches Methanol beispielsweise in Ethylen und Propylen umgewandelt werden.
• Power-to-Fuel: beschreibt die Herstellung von gasförmigen oder flüssigen Kraftstoffen wie synthetisches Erdgas (SNG), Methanol oder E-Benzin. Unter dem Begriff lassen sich verschiedene Power-to-Gas- und Power-to-Liquid-Pfade zusammenfassen.
• Power-to-Power: Bei Power-to-Power geht es um die Speicherung von Strom in speziellen Speicherkraftwerken. Letztere wandeln elektrische Energie in potenzielle Energie (Lageenergie), kinetische Energie, chemische Energie oder in Wärme um. In dieser Form kann die Energie zeitweise zwischengespeichert und bei Bedarf wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Die verschiedenen Speicherkraftwerke unterscheiden sich je nach Speichermedium, das zum Einsatz kommt. Das können Wasser, Festkörper, rotierende Schwungmasse, Batterien, Druckluft, wärmespeichernde Medien wie Steingranulate und flüssige Wärmeträger oder tiefkalte Flüssigkeiten wie flüssige Luft und flüssiger Stickstoff sein.
• Power-to-Protein: Die Herstellung von tierischem Protein für die menschliche Ernährung verbraucht viel Landfläche, fossile Rohstoffe und Wasser. Zudem entstehen bei der Viehhaltung große Mengen klimaschädlicher Emissionen. Derzeit wird an verschiedenen Alternativen geforscht. Es gibt Ideen und Ansätze, tierisches Protein mithilfe von erneuerbaren Energien und Mikroorganismen direkt aus Grundstoffen wie CO2 und Ammoniak zu erzeugen.
• Power-to-Syngas: bezieht sich auf die Erzeugung von Synthesegas mithilfe von elektrischem Strom. Ein Synthesegas ist ein Gasgemisch, das zu einer Synthese – also der Herstellung komplexerer Verbindungen aus einfach gebauten Verbindungen – eingesetzt wird. Beispiele sind die Ammoniaksynthese und die Methanolsynthese.

Power-to-X ermöglicht Flexibilität

Viele Power-to-X-Konzepte gehen von der Nutzung von Stromüberschüssen aus. Um das Stromnetz stabil zu halten, werden Windkraft- und Photovoltaikanlagen derzeit abgeregelt, wenn die Stromproduktion den Bedarf übersteigt. Mit Power-to-X könnte der grüne Strom besser genutzt werden: Besteht ein Überangebot, werden die Anlagen hochgefahren. In Zeiten, in denen nicht genug erneuerbare Energien zur Verfügung stehen, ließe sich die gespeicherte Energie zur Deckung des Bedarfs nutzen. 

Herausforderung für Power-to-X

Im Jahr 2021 waren in Deutschland insgesamt 36 Power-to-X-Anlagen in Betrieb. Der häufigste Anlagentyp ist dabei Power-to-Gas mit dem Endprodukt Wasserstoff. Viele Technologien befinden sich derzeit noch in der Forschung. Experten zufolge werden strombasierte Stoffe erst nach 2030 eine relevante Klimaschutzmaßnahme sein. Bis es zur breiten Nutzung kommt, sind noch einige Herausforderungen zu meistern:

• Für den Transport von Wasserstoff gibt es derzeit noch keine flächendeckende Infrastruktur.
• Mit jedem Umwandlungsschritt geht ein Teil der ursprünglichen Energie verloren. Damit Power-to-X mit konventionellen Herstellungsmethoden konkurrieren kann, müssen die Energieverluste klein gehalten werden.
• Strombasierte Stoffe sind derzeit noch teurer als fossile Energieträger. Die Treibhausgasemissionen lassen sich mit anderen Maßnahmen kostengünstiger senken – dazu gehört beispielsweise die Dämmung der Gebäudehülle, die Verbesserung von Industrieprozessen oder die Elektromobilität.
• Viele Teilprozesse sind noch nicht auf einen großindustriellen Einsatz ausgerichtet. Die Skalierung bedarf Zeit.

Power-to-X trägt nur zur Senkung der Treibhausgasemissionen bei, wenn der eingesetzte Strom aus erneuerbaren Energiequellen stammt. Wird die Energie konventionell erzeugt, kann die Herstellung strombasierter Stoffe sogar zu höheren CO2-Emissionen führen als die Nutzung fossiler Alternativen.