Power-to-Gas als neue Technologie zur Aufnahme und Speicherung regenerativer Energie. Bedarf, Potenzial und der aktuelle Forschungsstand

Inhaltsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1 Einführung
1.1 Motivation
1.2 Ziele und Grenzen der Arbeit
1.3 Forschungsfragen und Methodik

2 Das Potential der Solarenergie in der Europäischen Union
2.1 Funktionsweise und Potential von Photovoltaik
2.2 Funktionsweise und Potential von Windkraft
2.3 Volatilität als Problematik bei der Nutzung regenerativer Energie

3 Power-to-Gas als Lösung zur Speicherung regenerativer Energie
3.1 Funktionsweise und Arten der Wasserelektrolyse
3.2 Funktionsweise und Arten der Methanisierung

4 Bedarf, Chancen und Potential von Power-to-Gas
4.1 Das Konzept von Power-to-Gas
4.2 Anwendungsmöglichkeiten von Power-to-Gas
4.3 Abgrenzung von Power-to-Gas zu anderen Power-to-X-Technologien
4.4 Power-to-Gas als Schlüsseltechnologie im Rahmen der Energiewende
4.5 Standortfaktoren einer Power-to-Gas-Anlage
4.6 Kosten und Wirkungsgrad von Power-to-Gas

5 Der generelle Entwicklungsstand und Projekte mit Power-to-Gas im Fokus
5.1 Die bisherige Entwicklung in der DACH-Region
5.2 Die bisherige Entwicklung aus europäischer und globaler Perspektive

6 Resümee und Ausblick

7 Literaturverzeichnis
7.1 Monographien, Sammelwerke und Zeitschriftenaufsätze
7.2 Internetquellen

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Aufteilung der EE-Technologien in der EU

Abbildung 2: Ursprüngliches PtG-Konzept

Abbildung 3: Ablauf Audi e-gas project

Abbildung 4: Power-to-X-Technologien

Abbildung 5: Standortfaktoren einer PtG-Anlage

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Daten Audi e-gas project

Tabelle 2: Die vier Phasen der Energiewende

Tabelle 3: Wirkungsgrad und Kosten von PtG

Tabelle 4: Vision, Herausforderungen und Handlungsbedarf von PtG in Österreich

1 Einführung

1.1 Motivation

Die Klimakonferenz in Paris im Dezember 2015, bei der ein einheitliches Klimaabkommen zwischen 195 Staaten zustande kam, bewegte in vielen Individuen und Organisationen ein Umdenken. Vor allem die Verringerung der CO2-Emissionen, um die Erhöhung der Erdtemperatur unter 2°C zu halten,^[1] des sogenannten 2-Grad-Ziels, ist für diese Staaten oberste Priorität. Daher haben bereits viele Organisationen und Unternehmen ihre Philosophie auf Nachhaltigkeit ausgerichtet und beinahe allen Zielen liegen umweltwirtschaftliche Absichten zugrunde. Corporate Social Responsibility, kurz CSR, ist im aktuellen Zeitalter eine der Grundvoraussetzungen zur Erhaltung der Marktposition und zur Generierung eines Wettbewerbsvorteils. Wir befinden uns mitten in der Energiewende und nachhaltiges Wirtschaften steht dabei an erster Stelle. Die Schonung der Umwelt ist bereits für Viele ein großes Anliegen, jedoch sollten noch viel mehr Menschen im Bezug auf Nachhaltigkeit sensibilisiert werden. Einen großen Bereich der Substitution fossiler mit erneuerbaren Energieträgern stellt die E-Mobilität dar, womit Treibhausgase gemindert werden können. In diesem Sektor sind China und Norwegen Spitzenreiter. Allein im ersten Quartal 2018 wurden in China 142.445 und in Norwegen 16.181 Elektroautos verkauft.^[2] Zum Vergleich waren es in Österreich im gesamten Jahr 2017 nur 5.433 Neuzulassungen.^[3] Ein vermehrtes Umdenken ist daher unbedingt notwendig. Die Substitution fossiler Energie wie Erdgas, Erdöl und Kohle mit erneuerbarer, auch regenerativer Energie genannt, spielt eine führende Rolle im Zusammenhang mit der Schonung unserer Ressourcen bzw. dem Umweltschutz. Wind- und Sonnenenergie sind jedoch aufgrund der fluktuierenden Umweltbedingungen oft volatil, wodurch bei der Nutzung bzw. Umwandlung dieser regenerativen Energie via Photovoltaik, Windkraft oder anderen Umwandlungstechnologien leider manchmal erhebliche Energieverluste die Folge sind. Aufgrund dieser Problematik wurde Power-to-Gas , kurz PtG oder P2G, entwickelt. Diese Technologie soll zur Speicherung von Überschussstrom in energiereichen Zeiten dienen. Bei einem hohen Energieangebot sollen die Überschüsse gespeichert werden, damit sie in Zeiten mit einem geringen Energieangebot wieder eingesetzt werden können und somit keine Energie verloren geht bzw. eine höhere Energieeffizienz erreicht wird. Da jedoch noch viel Optimierungspotential an der Technologie vorhanden ist, läuft die Forschung bereits auf Hochtouren. Power-to-Gas zählt zu den derzeit am meisten diskutierten umweltwirtschaftlichen und -technischen Themenbereichen. Auch im Rahmen des 15. Symposiums Energieinnovation im Februar 2018 an der Technischen Universität Graz wurde die Power-to-Gas-Technologie ausführlich diskutiert und es wurden einige Konzepte präsentiert, die auch zum Teil in dieser Arbeit erwähnt bzw. beschrieben werden. Das Skriptum zum Symposium gilt als Beweggrund und Grundlage dieser Arbeit.

1.2 Ziele und Grenzen der Arbeit

Das grundlegende Ziel dieser Arbeit ist es, die formulierten Forschungsfragen zum Thema Power-to-Gas, die im nächsten Abschnitt angeführt werden, im Schlussteil der Arbeit so gut wie möglich zu beantworten. Des Weiteren soll den LeserInnen dieser Arbeit ein gutes Grundverständnis über Power-to-Gas vermittelt werden, da das Thema im Laufe der Bearbeitung immer interessanter wurde und somit sollen auch Andere dafür begeistert werden. Im Zuge dessen soll dieser durchaus technische Themenbereich so verständlich wie möglich erklärt werden. Es ist besonders wichtig, dass auch Personen ohne Affinität zur Technik das Thema verstehen bzw. Freude am Lesen dieser Arbeit haben sollen. Die genauen Verfahrensschritte der Technologie sollen verständlich erklärt und deren Anwendungsbereiche genauer unter die Lupe genommen werden. Der Bedarf, die Chancen und ebenfalls das Potential von Power-to-Gas sollen übermittelt werden. Des Weiteren soll der derzeitige Entwicklungsstand erläutert und ein Ausblick auf zukünftige Entwicklungen gegeben werden. Die Arbeit konzentriert sich zum größten Teil auf die Power-to-Gas-Forschung in der DACH-Region, d. h. in Österreich, Deutschland und der Schweiz. Zusätzlich soll auch der europäische und weltweite Status Quo kurz zusammengefasst werden. Bezugnehmend auf Projekte mit dem Fokus auf Power-to-Gas kann nicht auf jedes einzelne eingegangen werden, da der Umfang dieser den Rahmen der Arbeit deutlich überschreiten würde. Aus diesem Grund soll nur eine kurze Einführung in die bekanntesten bzw. größten Projekte erfolgen. Die Arbeit soll sich in erster Linie mit der umweltwirtschaftlichen Perspektive von Power-to-Gas auseinandersetzen, daher werden darin kaum detaillierte Erklärungen bzw. Formeln für chemische oder technische Prozesse nachzulesen sein. Es kommt jedoch vor, dass einige technische Prozesse, insbesondere bei den Verfahrensschritten, theoretisch etwas detaillierter erklärt werden. Dies soll zur besseren Heranführung an die Thematik und dem besseren Verständnis dienen. Die rechtlichen Aspekte von Power-to-Gas wurden im Rahmen dieser Arbeit gänzlich ausgeblendet.

1.3 Forschungsfragen und Methodik

Zur Bearbeitung des Themas Power-to-Gas im Bezug auf die formulierte Problemstellung bzw. Motivation und die Zielsetzung in den vorangegangenen Abschnitten habe ich folgende Forschungsfragen formuliert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Grundlage bzw. den Hauptbestandteil dieser Arbeit lieferte eine fundierte Literaturrecherche, wodurch es sich um eine rein hermeneutische Arbeit handelt. Da rund um das Thema Power-to-Gas derzeit sehr viel Forschung betrieben wird und ein regelrechter Hype darum herrscht, konnten zahlreiche Artikel, Bücher, Fachartikel und Forschungsberichte dazu gefunden werden, aus denen die wichtigsten Informationen auf den nächstfolgenden Seiten zusammengefasst wurden. Der erste Schritt der Bearbeitung des Themas bestand darin, sich ausreichend über den Themenbereich zu informieren. Dazu wurde zu Beginn sehr viel Literatur gesucht, die das Thema vorerst nur im Allgemeinen beschreibt. Infolgedessen war es möglich, ein gutes Grundverständnis vom Thema Power-to-Gas zu erhalten. Anschließend wurde auf Basis dieses Schrittes eine erste Gliederung erstellt, um gezielter nach Informationen zu den einzelnen Kapiteln suchen zu können. Der Literaturrechercheservice LISSS der JKU und Google Scholar stellten sich als optimale Tools zum Finden von Quellen heraus. Ebenso in den Online-Portalen für wissenschaftliche Publikationen researchgate.net und sciencedirect.com kann man zahlreiche Quellen zum Thema Power-to-Gas finden. Einige Quellen aus den Büchern des Verlages Springer Vieweg sind ebenso in die Arbeit eingeflossen, da diese sehr gut und verständlich erklärt sind. Diese waren besonders bei der Erstellung des Grundkonzepts hilfreich. Viele Organisationen und Unternehmen beschäftigen sich auch bereits mit dem Thema bzw. sind in betreffende Projekte involviert. Infolgedessen konnten wichtige Fakten auf deren Websites nachgelesen und in der Arbeit integriert werden. Interessante und wichtige Daten sowie Zahlen wurden vorwiegend in eigens angefertigten Diagrammen, Grafiken und Tabellen veranschaulicht, um den LeserInnen einen besseren Überblick zu ermöglichen.

2 Das Potential der Solarenergie in der Europäischen Union

Bei regenerativer Energie handelt es sich laut dem österreichischen Umweltbundesamt um Energieträger, die sich im Gegensatz zu fossilen Energieträgern stetig selbstständig erneuern. Dazu zählen Biogas, Biomasse, Geothermie, Photovoltaik, Sonnenenergie, Wasserkraft und Windenergie.^[4] Das Klima- und Energiepaket 2020 der Europäischen Kommission umfasst neben den Maßnahmen zur Senkung der Treibhausgasemissionen und der Verbesserung der Energieeffizienz um jeweils 20 Prozent bis zum Jahr 2020 auch einen gewünschten Anteil von 20 Prozent der Energie in der EU aus erneuerbaren Energiequellen.^[5] Alle zwei Jahre wird von der EU ein Report über die Entwicklung der erneuerbaren Energien veröffentlicht. Aus dem Report vom Jahr 2017 geht hervor, dass der Anteil der regenerativen Energien im Jahr 2014 bei 16 Prozent lag, im Jahr 2016 wird dieser auf 17 Prozent geschätzt.^[6] Es ist wahrscheinlich, das Ziel bis 2020 zu erreichen, jedoch müssen die einzelnen Maßnahmen der Mitgliedsstaaten fortgesetzt werden.^[7] Im Jahr 2016 betrugen die neu installierten Kapazitäten an erneuerbarer Energie weltweit gesehen 922 GW, wobei 2.017 GW inklusive Wasserkraft installiert wurden, im Vergleich dazu waren es im Jahr 2017 1.081 GW exklusive und 2.195 GW inklusive Wasserkraft.^[8] Im Jahr 2016 lag der EU-28-Anteil an den 922 GW bei 300 GW, wobei es allein in Deutschland 98 GW und in Italien 33 GW waren. Diese beiden fielen somit unter die Top-6-Staaten.^[9] Von den 1.081 GW im Jahr 2017 hatte die EU-28 einen Anteil von 320 GW zu verzeichnen, wobei Deutschland mit 106 GW wieder unter die Top-6-Staaten fiel.^[10] Das Referenzszenario der EU behandelt die Entwicklungen bzw. Trends bis zum Jahr 2050, welche Energie, Transport und Treibhausgasemissionen betreffen. Laut dem Manuskript aus dem Jahr 2016 wird der Anteil von Sonnenenergie am gesamten Energieaufwand für das Jahr 2020 auf etwa 5 Prozent vorhergesagt. Bei Windenergie sind es immerhin 14 Prozent im Vergleich.^[11] Im Allgemeinen lässt sich Solarenergie in die direkte und die indirekte Nutzung unterscheiden. Bei der direkten Variante lässt sich diese aufgrund von direkter Sonneneinstrahlung sofort nutzen, wobei sie bei der indirekten Variante vorher durch einen natürlichen Prozess in eine andere Erscheinungsform umgewandelt wird.^[12] Ebenso kann die direkte Nutzung der Sonnenenergie auch als aktive und die indirekte als passive deklariert werden. Die aktive Nutzung dient als solche unmittelbar der Heizung und Warmwasseraufbereitung. Passiv wird sie in Wärme- oder Lichtenergie umgewandelt und in dieser Form durch bauliche Anpassungen wie spezieller Fenster oder Verglasungen effektiv genutzt.^[13] Den Hauptanteil der erneuerbaren Energie in Österreich macht Wasserkraft mit 36,4 Prozent im Jahr 2016 aus. Im Vergleich fallen die Anteile von Photovoltaik mit 1 Prozent, Solarwärme mit 1,9 Prozent und Windkraft mit 4,8 Prozent deutlich geringer aus.^[14] Die International Renewable Energy Agency sagt voraus, dass die EU den Anteil der erneuerbaren Energien am Energiemix ohne Einbußen auf 34 Prozent für das Jahr 2030 steigern kann, da alle EU-Mitgliedsstaaten Potential zur Steigerung haben.^[15] Laut Crastan (2017) stellt die Solarenergie die wichtigste Energie dar, da sie bereits heute zur Deckung eines Großteils des Weltenergiebedarfs durch Biomasse und Wasserkraft indirekt beteiligt ist. Photovoltaik zählt zu der direkten bzw. unverzögerten und Windkraft zu der indirekten bzw. verzögerten Nutzung von Solarstrahlung. Beide zählen zu den wichtigsten Solarenergiearten.^[16] Photovoltaik und Windkraft gelten als Schlüsseltechnologien für die CO2-freie Energiegewinnung und sie können modular fast überall auf diesem Planeten eingesetzt werden. Der europäische Elektrizitätssektor kann große Anteile an Photovoltaik und Windkraft unterbringen.^[17] Solar- und Windenergie in Europa sind in großem Ausmaß vorhanden und können nicht von einem Land monopolisiert werden.^[18] Aufgrund der besseren Heranführung an das Thema Power-to-Gas soll nun auf diese beiden Umwandlungstechnologien für erneuerbare Energien besonders eingegangen werden.

2.1 Funktionsweise und Potential von Photovoltaik

Bei Photovoltaik handelt es sich um eine direkte Nutzungsform der Solarenergie. Im Gegensatz zur Solarthermie, bei der die Solarenergie vorher in thermische und anschließend in elektrische Energie umgewandelt wird, kann diese bei der Anwendung von Photovoltaik direkt in elektrische Energie umgewandelt werden.^[19] Bei dieser Art der Stromerzeugung wird vom photovoltaischen Effekt Nutzen gemacht, wobei die Strahlung durch ein speziell konditioniertes Halbleitermaterial in direkt nutzbaren Gleichstrom umgewandelt wird. Zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz muss dieser wiederum in Wechselstrom durch einen in der PV-Anlage integrierten Wechseltrichter umgewandelt werden.^[20] Im Jahr 2016 wurden in der EU 6,7 GW an Photovoltaik-Kapazitäten installiert, was einem Anteil von 27,4 Prozent am Energiemix entspricht.^[21] Im Jahr 2017 hingegen gab es einen leichten Rückgang mit 6,03 GW und einem Anteil von 21,3 Prozent.^[22]

2.2 Funktionsweise und Potential von Windkraft

Bei Windkraft handelt es sich um eine indirekte Nutzung der Solarenergie. Der Rotor einer modernen Windkraftanlage wendet das Tragflächenprinzip an und wandelt dadurch die kinetische Energie des Windes zuerst in Bewegungsenergie um. Der potentielle nächste Schritt besteht darin, diese Bewegungsenergie wiederum durch ein Getriebe mit Generator in elektrische Energie zu konvertieren.^[23] Windenergie lässt sich in onshore und offshore unterteilen. Unter onshore versteht man die Generierung der Elektrizität an Land. Sie stellt eine treibende Kraft in der Energiewende dar.^[24] Unter offshore versteht man die Elektrizitätsgewinnung durch starke, stetig wehende Winde auf hoher See, wobei diese aufgrund höherer Volllaststunden doppelt so hoch ist als wie an Land und sich daher immer mehr etabliert.^[25] Im Jahr 2016 wurde Windkraft zur zweitgrößten Form der Energiegewinnung in Europa und überholte somit den fossilen Energieträger Kohle. Laut WindEurope beträgt das neu installierte Maß an Kapazitäten von Windanlagen im Jahr 2017 in der EU 15,6 GW, was eine 25-prozentige Steigerung im Vergleich zum Jahr 2016 darstellt.^[26] Im Vergleich dazu waren es im Jahr 2016 gesamt nur 12,5 GW in der EU.^[27] Von den gesamten Neuinstallationen im Jahr 2017 wurden 12,5 GW onshore und 3,2 GW offshore installiert. Im gesamten Europa wurden im Jahr 2017 16,8 GW installiert.^[28] In Abbildung 1 lassen sich die gesamten neu installierten Energiekapazitäten an erneuerbaren Energien ohne Wasserkraft sowie deren Anteile an Photovoltaik und Windkraft veranschaulichen. Zusätzlich erfolgt ein Vergleich des Jahres 2017 mit dem Jahr 2016.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Aufteilung der EE-Technologien in der EU

Quelle: Adaptiert nach REN21 2017, S. 34 und 2018, S. 42; WindEurope 2017, S. 11 und 2018, S. 11.

2.3 Volatilität als Problematik bei der Nutzung regenerativer Energie

Da erneuerbare Energie, insbesondere Sonnen- und Windenergie, räumlich dezentral und zeitlich fluktuierend anfällt, stellt dieser Umstand eine große Herausforderung beim zunehmenden Ausbau bzw. der Integration dieser erneuerbaren Energien dar. Bereits jetzt kann die Überschussenergie teilweise nicht mehr im Stromnetz Verwendung finden, wodurch Folgen wie negative Strompreise oder die Abschaltung von Anlagen auftreten.^[29] Bei der Stromgenerierung aus Solarenergie herrscht also ein kontinuierliches Auf und Ab, beispielsweise ist deren Gewinnung nur tagsüber möglich und es treten regelmäßig Perioden langer Windstille auf. Der ständige Wechsel der Jahreszeiten gilt als weitere Ursache für die Volatilität.^[30] Da das Ausmaß der Stromgewinnung aus Wind- und Sonnenenergie immer weiter steigt, stellt der gleichzeitig steigende Anteil an zeitlich volatiler Erzeugung dieser eine gewisse Herausforderung dar. Um einen Ausgleich dieser Schwankungen herzustellen, werden daher Langzeitspeichertechnologien für die Überschussenergie benötigt.^[31]

3 Power-to-Gas als Lösung zur Speicherung regenerativer Energie

Speichertechnologien werden also nicht zur kurzzeitig, sondern auch saisonal benötigt. Eine Kopplung der Energieinfrastruktur mit dem Stromnetz könnte daher eine Lösung sein, da mittels Elektrolyse Wasserstoff aus erneuerbaren Energien erzeugt werden kann. Entweder kann das H2 begrenzt mit Erdgas aus der vorhandenen Infrastruktur wie Gasspeichern oder Pipelines gemischt werden oder der Wasserstoff reagiert in der Methanisierung mit CO2 und wird zu synthetischem Erdgas. Dadurch wird auf das Gasnetz ausgewichen, das Stromnetz entlastet und die Energie kann längerfristig gespeichert werden; wir sprechen hier von der Power-to-Gas-Technologie.^[32] Laut Tichler ist der Einsatz von Power-to-Gas sehr flexibel einzuordnen. Die Prozessketten bestehen aus einem autarken System der Wasserelektrolyse und -bereitstellung, das den Strom durch Photovoltaik oder Windkraft bezieht, und der anschließenden Einspeisung des Methans in das Gasnetz, wobei der Strom aus dem öffentlichen Netz bezogen wird.^[33] Das Schema von Power-to-Gas besteht darin, dass elektrische Energie in chemisch gebundene Energie in Form eines Gases wie Wasserstoff oder Methan umgewandelt wird.^[34] Nachfolgend soll nun dieser beschriebene Prozess der Power-to-Gas-Technologie genauer erklärt werden.

3.1 Funktionsweise und Arten der Wasserelektrolyse

Im ersten Prozessschritt, der Wasserelektrolyse, wird H2 erzeugt, wobei O2 ein Nebenprodukt darstellt, welches für Verbrennungsprozesse und die Industrie gut geeignet ist. Speicherprobleme, Infrastrukturdefizite und derzeitige Einschränkungen bei den Anwendungsmöglichkeiten sind Nachteile der Wasserelektrolyse.^[35] Die Stromzufuhr mit Gleichspannung muss für eine reibungslose Reaktion zwischen den Elektroden stets gewährleistet sein. Die elektrochemische Reduktion in Form von Elektronenaufnahme und der Abnahme der Oxidationsstufe passiert an der Kathode, dem Minuspol. An der Anode, dem Pluspol, findet die elektrochemische Oxidation in Form von Elektronenabgabe und der Erhöhung der Oxidationsstufe statt. Wenn Wasserstoff an der Kathode und Sauerstoff an der Anode entsteht, spricht man von einer Wasserelektrolyse.^[36] Es existieren drei Verfahrensarten der Wasserelektrolyse, die alkalische Elektrolyse, die Membranelektrolyse und die Hochtemperaturelektrolyse, die nun nachfolgend etwas näher erläutert werden.

3.1.1 Alkalische Elektrolyse

Bei der alkalischen Elektrolyse, kurz AEL, bestehen die Zellen aus jeweils zwei Halbzellen, die durch den Separator, einem ionendurchlässigen Diaphragma, gespalten und von einem Zellrahmen umgeben sind, auf dem die Elektrolytlösung zirkuliert. Auf beiden Seiten der Elektrolysezelle befinden sich die Elektroden, die bei ausreichender Spannung an der Kathode Wasser in atomaren Wasserstoff und Hydroxidionen trennen. Diese Hydroxidionen diffundieren durch den Separator und werden wiederum an der Anode in Wasser und Sauerstoff umgewandelt. Sauerstoff- und Wasserstoffmoleküle sind dabei das Endprodukt.^[37] Diese Elektrolyseart gibt es bereits sehr lange, wodurch sie einer ausgiebigen Überprüfung unterlaufen ist. Sie benötigt viel Leistung, sodass Power-to-Gas-Anlagen, die diese Elektrolyseart anwenden, im Umkreis von großen Kraftwerken errichtet werden sollten. Die alkalische Elektrolyse ist ebenso kommerziell verfügbar, Verbesserungspotential besteht jedoch noch bei der Anwendung mit fluktuierenden, regenerativen Energien, insbesondere beim dynamischen Betrieb, dem Betrieb unter Druck und der Effizienz.^[38]

3.1.2 Membranelektrolyse

Die Abkürzungen für die Membranelektrolyse lauten PEM bzw. PEMEL, was für Proton Exchange Membrane bzw. Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis steht. PEM-Elektrolysezellen besitzen bipolare Platten und die darin eingravierten Kanäle sind für den Wasser- und Gastransport verantwortlich. Die Räume der Anoden und Kathoden werden im Inneren der Platten durch eine protonenleitende Membran, welche den Elektrolyten darstellt, getrennt. Die Elektroden inklusive der Membran sind meistens fest mit der Membrane Electrode Assembly, kurz MEA, verbunden. Den Stromfluss für die Elektroden und die Durchlässigkeit für Produktgase bzw. Wasser ermöglichen Stromableiter zwischen MEA und den bipolaren Platten. Bei ausreichender Spannung wird Wasser an der Anode zu Sauerstoff und Protonen geteilt, wobei die Protonen durch die Membran diffundieren und an der Kathode mit Elektronen zu Wasserstoff reagieren. Somit entstehen wiederum Sauerstoff- und Wasserstoff.^[39] Diese Art der Elektrolyse eignet sich besser für den dynamischen Betrieb bzw. den Betrieb unter Druck, jedoch wurde sie bis jetzt nur vorwiegend in Anlagen mit kleineren Dimensionen erprobt. Die Membranelektrolyse ist aus der Brennstoffzellentechnik bzw. den inversen Vorgängen darin entstanden.^[40]

3.1.3 Hochtemperaturelektrolyse

Die Abkürzungen der Hochtemperaturelektrolyse lauten HTES – High Temperature Electrolysis of Steam bzw. SOEL – Solid Oxide Electrolysis. Die Hochtemperaturelektrolysezelle besteht ebenso aus zwei Halbzellen, jedoch sind diese durch einen festen, gasdichten Elektrolyten geteilt, der Sauerstoff leitet. Auf beiden Seiten kommen Elektronen zum Einsatz. Die Zufuhr von Wasserdampf anstatt Wasser unterscheidet diese Elektrolyseart von den anderen beiden. Die Zellspannung kann um mehr als 0,5 V auf unter 1 V gesenkt werden, da ein Teil der Spaltungsenergie aus dem erhitzten Wasser durch eine vorgeschaltete Wärmezuführung einfließen kann. An der Kathode spaltet sich überhitzter Wasserdampf mit Elektronen in Wasserstoffmoleküle und Sauerstoffione. Die Ionen diffundieren durch den Elektrolyten zur Anode und dort werden sie mit Elektronen zu Sauerstoffmolekülen. Es werden wieder Wasser- und Sauerstoff produziert.^[41] Im Rahmen der Hochtemperatur- bzw. Dampfelektrolyse wird anstatt flüssigem Wasser der Wasserdampf zerteilt. Die benötigte Energie zwischen den Phasen flüssig und gasförmig wird durch externe Wasserverdampfung aus z. B. Abwärme anstatt durch Elektrizität zur Verfügung gestellt, was eine Minderung des Energiebedarfs um 16 Prozent bedeutet. Die geringere Zellspannung bedeutet im Vergleich zu den anderen Elektrolysearten einen höheren Wirkungsgrad. Die Ursache ist der Bezug von Spaltungsenergie durch die Teilung von Sauerstoff und Wasserstoff, die bei einer Hochtemperatur von 850 bis 1000°C bezogen wird. Die Vorzüge der Hochtemperaturelektrolyse bestehen einerseits darin, dass neben dem Wasserdampf auch CO2 zu CO gewandelt werden kann, wodurch das Synthesegas für Power-to-Gas bereits im Rahmen der Elektrolyse durch H2O oder CO2 erzeugt werden kann. Andererseits ist die Reversibilität der Komponenten vorhanden, wodurch die Nutzung von HTES als Brennstoffzelle oder Elektrolyseur substituierbar ist, was mit einer hohen Auslastung bzw. einem hohen Wirkungsgrad einhergeht.^[42]

Laut Tichler (2013) gilt die Elektrolyse als Schlüsseltechnologie von Power-to-Gas, wobei die alkalische und die PEM-Elektrolyse am häufigsten Anwendung finden. Die Hochtemperaturelektrolyse befindet sich noch eher in der Entwicklung. Der Vorteil der alkalischen Elektrolyse ist die kommerzielle Verfügbarkeit von hohen Leistungsklassen aufgrund der weiten Entwicklung. Handelt es sich jedoch um stark fluktuierende Energiequellen, stellt die PEM-Elektrolyse aufgrund des dynamischen Verhaltens die bessere Lösung dar.^[43] Brellochs et al. Gaben im Jahr 2015 an, dass die Leistungsklasse für MWe als AEL kommerziell am Markt verfügbar ist, PEM und SOEL jedoch noch nicht marktreif sind. Da daher noch keine Massenfertigung der letzten beiden Elektrolysearten möglich ist, ist dieser Umstand mit höheren Kosten im Vergleich zur ersten verbunden.^[44]

3.2 Funktionsweise und Arten der Methanisierung

Neben Methan aus organischen Abfällen oder nachwachsenden Rohstoffen und synthetischem Methan aus Biomasse, kann auch synthetisches Methan aus elektrischer Energie im Rahmen von Power-to-Gas produziert werden.^[45] Der zweite Prozessschritt, die Methanisierung, ist durchaus relevant, um vereinzelte Nachteile von Wasserstoff, die im Abschnitt zur Wasserelektrolyse angeführt wurden, zu umgehen. Dabei reagiert der Wasserstoff mit einer Kohlenstoffquelle und es entsteht Methan, kurz CH4 oder auch SNC, Synthetic Natural Gas, welches Erdgas substituiert und somit in das Gasnetz eingespeist werden kann.^[46] Im Rahmen der Methanisierung finden chemische und biologische Verfahren Anwendung, wobei bei beiden in einer exothermen Reaktion Methan aus Wasserstoff und Kohlendioxid generiert wird. Die Vorteile von Methan gegenüber Wasserstoff sind die dreifach höhere volumetrische Speicherdichte und die Möglichkeit der Einspeisung als Austauschgas in das öffentliche Erdgasnetz.^[47] Es sollte stets sichergestellt werden, dass während dem Betrieb des Reaktorkonzeptes die Temperatur im Reaktor kontrolliert und der Umsatz maximiert wird. Durch diese zielgerichteten Maßnahmen kann das daraus hergestellte synthetische Erdgas, das aus H2 und CO2 besteht, in das Erdgasnetz eingespeist werden.^[48] Es existieren das chemische bzw. katalytische sowie das biologische Methanisierungsverfahren, auf die jetzt kurz näher eingegangen werden soll.

3.2.1 Chemisches bzw. katalytisches Verfahren

Die CO2-Quelle für diese Art der Methanisierung muss vor allem rein sein, d. h. frei von Schwefel, da dies zu einer Deaktivierung des Katalysators führen könnte. Des Weiteren ist es wichtig, dass der nachgefragte Gasstrom mengen- und zeitmäßig ausreichend während dem Prozess geliefert wird.^[49] Bei der katalytischen Methanisierung läuft die sogenannte Sabatier-Reaktion ab, in der sich Kohlenstoffdioxid bzw. -monoxid mit dem Wasserstoff vermengen und somit Methan und Wasserdampf entsteht. Um die Aktivierungsenergie für den Prozess zu mindern, benötigt man einen Katalysator, der in den meisten Fällen aufgrund der geringeren Kosten und der höheren Wirkung im Vergleich zu anderen aus Nickel besteht.^[50]

3.2.2 Biologisches Verfahren

Diese Art der Methanisierung, auch Methanogenese genannt, funktioniert wie das chemische Verfahren, jedoch kommen zusätzlich Organismen aus der Domäne der Archaea, welche zu den ältesten Lebewesen der Welt zählen, zum Einsatz. Der Prozess läuft ebenfalls über Katalysatoren ab, nur sind diese bei der biologischen Methanisierung in Enzymen verpackt und die gerade genannten Organismen bzw. Bakterien steuern die Reaktionen.^[51] Einige Vorteile der biologischen gegenüber der katalytischen Methanisierung sind, dass bei einem Methananteil von über 98 Prozent bei geringer Reaktorbelastung die Umwandlung in einem Schritt ohne Gasaufbereitung passieren kann, niedrige Prozesstemperaturen und -drücke herrschen und der Anspruch an die Reinheit der CO2-Quelle geringer ist. Nachteile sind z. B. ein kontinuierlicher Bedarf an den Bakterien, das Abwasserrecycling bzw. die -aufbereitung und die schlechte Löslichkeit von H2 in den Wasserlösungen bzw. der Energieaufwand für die Gaseintragungen.^[52]

Im Jahr 2013 wurde ein Research Studio Austria, namentlich „EE-Methan aus CO2: Entwicklung eines katalytischen Prozesses zur Methanisierung von CO2 aus industriellen Quellen“, im Rahmen der Energieforschungsinitiative der FFG gegründet. Dabei involviert sind die MU Leoben, die TU Wien, die Profactor GmbH und das Energieinstitut an der JKU Linz aus der Forschung zusammen mit Christof Industries, Repotec, EVN und OMV aus der Industrie. Dabei wurde herausgefunden, dass Elektrolyseure im Bezug auf rasche Anspruchszeiten und geringe Kosten im Stand-By-Modus grundsätzlich effizienter als Methanisierungsanlagen sind.^[53] Falls der Wasserstoff vor der Einspeisung in das natürliche Erdgasnetz methanisiert wird, kann dieses Verfahren nicht immer durchgeführt werden, wenn das Wasserstoffangebot gerade fluktuierend ist. Dabei handelt es sich um die Prozessdynamik der Methanisierung.^[54] Die schwankenden Strompreise, unterschiedliche Stromnetzbelastungen oder die fluktuierende Generierung erneuerbarer Energien haben indirekten oder direkten Einfluss auf den Betrieb eines Elektrolyseurs. Um diesen Wasserstoffeintrag der katalytischen Reaktion für die Methanisierung auszugleichen, werden Zwischenspeicher benötigt, die jedoch wieder zusätzliche Kosten aufwerfen.^[55]

4 Bedarf, Chancen und Potential von Power-to-Gas

Der Bedarf, die Chancen und das Potential von Power-to-Gas werden in diesem Kapitel erörtert. Zu Beginn soll ein Gesamtbild des Power-to-Gas-Konzepts vermittelt werden und anschließend sollen die zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten der vielversprechenden Technologie den Bedarf, die Chancen bzw. das Potential unterstreichen. Danach erfolgt eine Abgrenzung bzw. Unterscheidung zu einigen anderen Power-to-X-Technologien und es wird auf die Relevanz von Power-to-Gas in der Energiewende, in der wir uns bereits jetzt befinden und auch in der Zukunft befinden werden, eingegangen. Den Abschluss des Kapitels sollen entscheidende Standortfaktoren einer Power-to-Gas-Anlage und deren Kosten bzw. Wirkungsgrad festmachen.

4.1 Das Konzept von Power-to-Gas

Die Hauptaufgabe der Power-to-Gas-Technologie ist es, elektrische und stoffliche Energienetze zu verknüpfen, wodurch Wasserstoff zum Teil und Methan fast gänzlich in das natürliche Gasnetz eingespeist werden können. Neben der klassischen Rückverstromung, lässt sich die Technologie auch für die Wärmeerzeugung und im Mobilitätssektor einsetzen. Beim Bau von Hochspannungsnetzen können einige Probleme auftreten, wodurch eine alternative Energieroute notwendig werden könnte. In diesem Fall wäre Power-to-Gas ebenfalls bestens geeignet, da durch die Technologie ein Zugriff auf das bestehende Erdgasnetz samt den Speichern möglich ist.^[56] Brellochs et al. (2015) fassen die primären Ziele von Power-to-Gas im Jahr 2015 wie folgt zusammen:

- Die erneuerbare Energie, u. a. aus Photovoltaik und Windkraft, soll längerfristig gespeichert werden.
- Das Stromnetz soll durch netzgeführten Strombezug bzw. -einspeisung mittels Rückverstromen stabilisiert werden.
- Der Energietransport soll partiell vom Stromnetz auf das Gasnetz verlagert werden.
- Es sollen grüne, nicht substituierbare Kraftstoffe erzeugt werden, z. B. flüssige Kohlenwasserstoffe für den Flugverkehr auf längere Sicht.^[57]

Power-to-Gas ist ein Konzept zur Speicherung von Energie, wodurch elektrische Energie in chemische Energie in Form von Wasserstoff (H2) und anschließend Methan (CH4) umgewandelt wird. Durch die Umwandlung wird eine Speicherung von großen Energiemengen gewährleistet.^[58] Durch diesen Vorgang kann der überschüssige Strom, der durch Photovoltaik und Windkraft in Zeiten von hoher Sonneneinstrahlung bzw. viel Wind entsteht, genutzt werden und geht somit nicht verloren.^[59] Das ursprüngliche Konzept besteht darin, das Elektrizitäts- und natürliche Gasnetz miteinander zu verbinden. Die Überschussenergie aus den erneuerbaren Quellen kann demzufolge im Gasnetz eingespeist und weiter in der Form von Methan für die Luftfahrt oder zur Wärmegenerierung verwendet werden oder aus ihr kann auch erneuerbares Kerosin, sowie Methanol, Ethanol und Ethylen für die Industrie gewonnen werden. Das gespeicherte synthetische Erdgas kann wiederum zum Kräfteausgleich in Blockheizkraftwerken und Gasturbinen zurückverwandelt werden. Die Vorteile von CH4 gegenüber H2 sind die Speicherung in Form von chemischer Energie und die hohe Energiedichte.^[60] Die soeben beschriebene Energieinfrastruktur wurde in Abbildung 2 visualisiert.

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^[1] Vgl. Crastan 2016, S. 1

^[2] Vgl. Die Presse 2018

^[3] Vgl. Trend 2018

^[4] Vgl. Umweltbundesamt Österreich o.J.

^[5] Vgl. Europäische Kommission o.J.

^[6] Vgl. European Commission o.J.

^[7] Vgl. Europäische Kommission 2017

^[8] Vgl. REN21 2018, S. 19

^[9] Vgl. REN21 2017, S. 34

^[10] Vgl. REN21 2018, S. 42

^[11] Vgl. European Commission 2016, S. 66

^[12] Vgl. Wien Energie o.J., S. 4

^[13] Vgl. Swissolar o.J.

^[14] Vgl. Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus 2017

^[15] Vgl. IRENA 2018, S. 2

^[16] Vgl. Crastan 2017, S. 13 f

^[17] Vgl. IRENA 2018, S. 2

^[18] Vgl. Jäger-Waldau/Lacal Arantegui 2018, S. 1

^[19] Vgl. Dirr 2017, S. 8

^[20] Vgl. Kaltschmitt/Witte 2016, S. 63 f

^[21] Vgl. WindEurope 2017, S. 11

^[22] Vgl. WindEurope 2018, S. 11

^[23] Vgl. Kaltschmitt/Witte 2016, S. 62

^[24] Vgl. Bundesverband WindEnergie o.J.

^[25] Vgl. Bundesverband WindEnergie o.J.

^[26] Vgl. WindEurope 2018, S. 7

^[27] Vgl. WindEurope 2017, S. 7 f

^[28] Vgl. WindEurope 2018, S. 8

^[29] Vgl. Biegger/Lehner/Medved 2017, S. 246

^[30] Vgl. Biegger/Lehner/Medved 2018, S. 412

^[31] Vgl. Energieinstitut an der JKU Linz et al. o.J.

^[32] Vgl. Biegger/Lehner/Medved 2017, S. 246

^[33] Vgl. Tichler 2013, S. 5

^[34] Vgl. Biegger et al. 2016, S. 3

^[35] Vgl. Biegger et al. 2016, S. 3

^[36] Vgl. Zapf 2017, S. 167

^[37] Vgl. Zapf 2017, S. 173

^[38] Vgl. Sterner et al. 2017c, S. 356

^[39] Vgl. Zapf 2017, S. 173

^[40] Vgl. Sterner et al. 2017c, S. 357

^[41] Vgl. Zapf 2017, S. 173

^[42] Vgl. Sterner et al. 2017c, S. 359 f

^[43] Vgl. Tichler 2013, S. 2

^[44] Vgl. Brellochs et al. 2015, S. 144

^[45] Vgl. Hochi/Schultz/Zimmermann 2015, S. 101; Klemm/Müller-Langer/Schlüter 2015, S. 128; Hammer/Otten 2015, S. 133 f

^[46] Vgl. Biegger et al. 2016, S. 3

^[47] Vgl. Sterner et al. 2017a, S. 179

^[48] Vgl. Brellochs et al. 2015, S. 143

^[49] Vgl. Sterner et al. 2017d, S. 377

^[50] Vgl. Zapf 2017, S. 181

^[51] Vgl. Sterner et al. 2017d, S. 382 f

^[52] Vgl. Zapf 2017, S. 384

^[53] Vgl. Biegger et al. 2016, S. 5

^[54] Vgl. DVGW 2014, S. 64 f, 79 f, 163, 178

^[55] Vgl. Brunner/Hauser/Michaelis 2016, S. 10

^[56] Vgl. Biegger et al. 2016, S. 3

^[57] Vgl. Brellochs et al. 2015, S. 143

^[58] Vgl. Zapf 2017, S. 165

^[59] Vgl. Schmidt 2017, S. 60

^[60] Vgl. Sterner 2009, S. 106 f