Beim Verfahren Power-to-Gas (P2G®) wird überschüssiger Strom aus fluktuierenden Quellen per Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt. Dieser kann direkt genutzt oder in einem weiteren Prozesschritt mit Kohlendioxid methanisiert werden. Das ZSW entwickelt hierfür sowohl Elektrolyseure als auch Synthesereaktoren. Durch die Umwandlung von Strom zu Gas wird Sonnen- und Windenergie im Erdgasnetz über Monate speicherbar. Zudem können Wasserstoff und Methan zum klimafreundlichen Antrieb von Brennstoffzellen- bzw. Erdgasfahrzeugen genutzt werden.

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Power-to-Gas: Verfahrensschema und Einbindung in das Energiesystem. Grafik: ZSW

Mit dem sogenannten Power-to-Gas-Verfahren kann Wasserstoff und bei Bedarf Methan hergestellt werden. Die einzelnen Schritte von Power-to-Gas(P2G®)-Elektrolyse und Methanisierung sind zwar bekannt, neu ist – neben zahlreichen Effizienzsteigerungen bei der Anwendung – die Kombination dieser beiden Prozesse. Erneuerbares Methan, hergestellt aus Wind- und Sonnenenergie, ist von seiner Zusammensetzung her nichts anderes als Erdgas und kann dementsprechend in das gut ausgebaute Erdgasnetz eingespeist und effizient gespeichert werden. Zur vorhandenen Erdgas-Infrastruktur zählen neben den eigentlichen Leitungen Gastanks und unterirdische Kavernen. All diese Speichermöglichkeiten stehen bereits zur Verfügung und bieten mit mehr als 200 Terrawattstunden immense Kapazitäten. Sowohl Methan als auch in bestimmten Mengen Wasserstoff können darin aufgenommen, verteilt und zur bedarfsgerechten Nutzung bereitgestellt werden. Die Gase können zudem mehrere Monate verlustfrei in den genannten Möglichkeiten gespeichert werden. So bietet der P2G®-Prozess die Option auf ein Zusammenwachsen von Stromnetz und Gasnetz zu einem integrierten Gesamtsystem.

// Wasserstoff und Methan für die Mobilität von morgen

Als CO2-Quelle für den Methanisierungsprozess kommen beispielsweise Biogasanlagen, Anlagen zur Bioethanolproduktion, Kraftwerksprozesse und die chemische Industrie infrage. Der Zugang zu weiteren CO2-Quellen ist weiterhin Gegenstand aktueller Forschungen am ZSW. Das synthetische Erdgas kann bei Bedarf in modernen Gas- und Dampfkraftwerken oder in dezentralen Blockheizkraftwerken zurückverstromt werden, in der Industrie zum Einsatz kommen oder aber als Kraftstoff, z. B. für Erdgasautos, Verwendung finden. Auch der im P2G®-Prozess erzeugte Wasserstoff kann für die Mobilität von morgen – als Antrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen – genutzt werden. Beide Optionen können eine entscheidende Lösung bei der Energiewende im Verkehrssektor bieten, wobei die Antriebstechnik von Erdgasautos bereits ausgereifter als die anderer umweltfreundlicher Techniken ist. Auch das Tankstellennetz für CNG (Compressed Natural Gas) ist verhältnismäßig gut ausgebaut.

Das Engagement des Automobilherstellers Audi, der mit wissenschaftlicher Unterstützung des ZSW die weltweit erste industrielle P2G®-Anlage (6 MWel) gebaut hat, verdeutlicht das enorme Potenzial. Die Ende 2013 erfolgte Inbetriebnahme der 6-MWel-Anlage ist ein direktes Ergebnis der langjährigen Forschung, Entwicklung und Demonstration des P2G®-Verfahrens am ZSW.

Zusammenfassend betrachtet, bildet P2G® eine wichtige Basis für das Erreichen der Nachhaltigkeitsziele im Mobilitätssektor und ermöglicht sowohl eine Kurz- als auch Langstreckenmobilität. Die Erzeugung von Wasserstoff und Methan ist gegenüber flüssigen erneuerbaren synthetischen Energieträgern technologisch einfacher, energetisch effizienter und im Entwicklungsstadium weiter voran. Die Systemlösung P2G® ist darüber hinaus geeignet, Deutschlands technologischen Vorsprung zu sichern sowie die Abhängigkeit von Erdgasimporten – und mit Blick auf den Mobilitätssektor auch die Abhängigkeit von Mineralöl – zu verringern.

// P2G® – Eine Entwicklung „Made by ZSW“

Die P2G®-Technologie hat bereits den Schritt in die Industrialisierung geschafft. Der Weg dorthin war lang und konsequent. Chemische, wasserstoffbasierte Energieträger – von Methanol mit CO2-Gewinnung aus der Luft bis hin zu CNG – erforscht das ZSW seit seinem Bestehen. Das Basic Engineering für P2G®-Anlagen und die Anpassung an spezifische Anforderungsprofile bilden dabei einen Schwerpunkt. Im Jahr 2009 hat das ZSW bereits erfolgreich nachgewiesen, dass das P2G®-Konzept einwandfrei funktioniert: anhand einer containerintegrierten 25-kWel-Testanlage. Diese wird seit 2011 an verschiedenen Standorten mit verschiedenen CO2-Quellen betrieben.

Im Herbst 2012 nahm das ZSW eine zehnmal leistungsstärkere 250-kWel-Pilotanlage in Betrieb. Im Sommer 2013 gelang dort mit der Herstellung von besonders hochwertigem Gas ein bedeutender Erfolg: Mit 99 prozentigem Methananteil erreichten die Forscher eine Gasqualität, die den Gaseinspeise-Richtlinien mehr als Genüge tut. Möglich wurde das durch eine Membrantechnologie, mit deren Hilfe das Gas nach der Methanisierung aufbereitet wird. Die Erfahrungen aus dem Forschungsbetrieb fließen auch in das Audi-Projekt im niedersächsischen Werlte ein.

Seit Sommer 2015 koordieniert das ZSW das „Leuchtturmprojekt Power-to-Gas Baden-Württemberg“. In dessen Rahmen werden die letzten wissenschaftlichen Weichen für den wirtschaftlichen Betrieb der Technologie gestellt. Ziel ist es, erneuerbaren Strom per Elektrolyse zu regenerativen Wasserstoff für den Antrieb von Brennstoffzellenautos umzuwandeln und so insgesamt den Weg für die Energiewende im Verkehr zu ebnen.

250kW-Power-to-Gas-Pilotanlage des ZSW. Foto: ZSW