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News  – Nachrichten aus der Energieforschung

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In einer 25-kW-Pilotanlage in Stuttgart testen Forscher seit November 2009, wie erneuerbares Gas aus Wind, Wasser und Luft hergestellt wird.
© SolarFuel
Workshop zeigt Geschäftsmodelle für Energiespeicher
29.11.2011

Wind speichern und Geld verdienen

Über die Funktion des Gasnetzes als Speicher erneuerbarer Energien haben in Berlin Experten aus der Energiewirtschaft diskutiert. Die Bundesnetzagentur und das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES hatten zu einem Workshop zum Thema „Power-to-Gas“ eingeladen. Die Beiträge machten das Vermarktungspotenzial des „grünen“ Erdgases deutlich. Es reicht von der Rückverstromung des Gases über den Einsatz in der Kraft-Wärme-Kopplung bis hin zur Nutzung im Mobilitätssektor.

Der Begriff "Power-to-Gas" steht für ein Konzept, bei dem überschüssiger Strom dazu verwendet wird, per Elektrolyse aus Wasser Wasserstoff zu produzieren und diesen bei Bedarf in einem zweiten Schritt zusammen mit Kohlendioxid (CO2) in synthetisches Methan umzuwandeln. Als Speicher für dieses Methan und auch für einen Anteil des Wasserstoffs könnte die bestehende Erdgasinfrastruktur verwendet werden, also das Gasnetz mit den angeschlossenen Untertagespeichern.

Die Idee, Wasser mittels Elektrolyse in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, hat an Bedeutung gewonnen, weil die Energiewende unsere Stromversorgung auf größtenteils fluktuierende erneuerbare Energien umstellen will. Daher wird neben dem Netzausbau sowie einem intelligenten Last- und Erzeugungsmanagement erheblich mehr Speicherkapazität notwendig sein, um die Fluktuation von Sonneneinstrahlung und Wind bei der Stromerzeugung ausgleichen zu können. Für den kurzzeitigen Ausgleich sind Pumpspeicherkraftwerke eine gute Lösung. Deren Kapazität in Deutschland ist jedoch begrenzt. Die Langzeitspeicherung ist deshalb eine große Herausforderung für die Transformation der Energieversorgung.

Ein vielversprechendes Konzept hat das Fraunhofer IWES zusammen mit dem Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erarbeitet. In zukünftigen Energiesystemen sollen Wind- und Solarkraftwerke den Hauptbeitrag bei der Stromversorgung leisten. Simulationsrechnungen zeigen, dass für eine Vollversorgung mit erneuerbaren Energien bei Windflaute und geringer Sonneneinstrahlung wie im Winter bis zu zwei Wochen zu überbrücken sind. Für den Ausgleich längerfristiger Schwankungen im Bereich von Tagen oder Wochen empfehlen die Forscher chemische Speicher auf der Basis von Wasserstoff, Methan oder anderen Gasen bzw. Flüssigkeiten. Die Vorträge der Referenten stehen auf der Webseite der Bundesnetzagentur zur Verfügung.

Speichermöglichkeiten im Vergleich

In zukünftigen Energiesystemen sollen Wind- und Solarkraftwerke den Hauptbeitrag bei der Stromversorgung leisten. Dabei müssen große Schwankungen bei der Stromerzeugung ausgeglichen werden. Für den kurzfristigen Ausgleich im Bereich einiger Stunden eignen sich dafür Pumpspeicherkraftwerke, wie sie heute schon weltweit eingesetzt werden. Ihr Wirkungsgrad liegt bei etwa 80 Prozent.  Für den Ausgleich längerfristiger Schwankungen im Bereich von Tagen oder Wochen lassen sich chemische Speicher zum Beispiel auf der Basis von Wasserstoff, Methan oder anderen Gasen bzw. Flüssigkeiten verwenden. Dabei wird im ersten Schritt mit Hilfe der Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Im Wasserstoff stecken dann etwa 70 Prozent der Stromenergie, der Rest steht als Abwärme zur weiteren Nutzung zur Verfügung. In den meisten Fällen wird diese Abwärme jedoch nicht genutzt. Aus Wasserstoff kann dann wieder mit Hilfe von Brennstoffzellen Strom erzeugt werden. Bei dieser Umwandlung entsteht etwa 60 Prozent Strom und 40 Prozent Wärme, die zum Beispiel für Heizzwecke genutzt werden kann. Damit lässt sich ein Speicher realisieren, der aus 100 Prozent Stromeinspeisung wieder etwa 40 Prozent Strom abgeben kann. Der Rest von 60 Prozent geht verloren, es sei denn die Abwärme sowohl bei der Wasserstoff-Herstellung als auch bei der Rückverstromung wird sinnvoll genutzt.

Für Wasserstoff existiert jedoch heute noch keine Infrastruktur in Form von Gasnetzen bzw. Speichern und auch keine Verbraucher wie zum Beispiel Kraftwerke. Bis zu einem geringen Prozentanteil lässt sich jedoch Wasserstoff mit Erdgas mischen und in der heutigen Erdgaswelt nutzen. Speziell ausgestattete Automotoren können z.B. über Wasserstoff-Tankstellen direkt mit Wasserstoff betankt werden. Bei höheren Anteilen von Wasserstoff im Erdgas ändern sich jedoch die Verbrennungseigenschaften. Dies macht eine spezielle Anpassung der Verbraucher erforderlich. Diese Probleme können umgangen werden, wenn der Wasserstoff über einen weiteren Umwandlungsschritt in Methan (daraus besteht Erdgas) umgewandelt wird. Damit steht diesem Produkt die gesamte Erdgaswelt (Gasnetze, Gasspeicher, Erdgas-Autos, Heizgeräte, Blockheizkraftwerke, Gaskraftwerke) zur Verfügung.

Dies ist der Weg, den Fraunhofer IWES in Kassel und ZSW in Stuttgart verfolgen. Bei der Umwandlung von Wasserstoff in Methan werden zwar etwa 10 Prozent der im Wasserstoff enthaltenen Energie in Form von Wärme frei, die sich ebenso nutzen lässt, wie die Abwärme bei der Kraft-Wärme-Kopplung. Der Schritt über die Methanisierung erspart also den Aufbau einer speziellen Wasserstoff-Infrastruktur. Betrachtet man also nur den Strom, lässt sich aus der Wasserstofferzeugung und der Rückverstromung ca. 42 Prozent Strom zurückgewinnen. Mit einer zusätzlichen Methanproduktionsstufe kämen noch einmal 10 bis 15 Prozent Wärmeverluste hinzu. Damit ließen sich 36 bis 38 Prozent Strom zurückgewinnen. Bis zu zwei Drittel der ursprünglich erzeugten Energie gehen so verloren. Wird die bei der Umwandlung anfallende Wärme jedoch genutzt, ergeben sich Energienutzungsgrade von rund 80 Prozent für beide Verfahren.

(ph)

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