Was bedeutet Power-to-Gas für die heimische Versorgungssicherheit?

Die Energiewende stellt Europa vor eine zentrale Herausforderung: Wie lässt sich überschüssiger Strom aus Wind und Sonnenenergie zuverlässig speichern und bei Bedarf wieder bereitstellen? Power-to-Gas gilt als eine der vielversprechendsten Antworten auf diese Frage. Die Technologie ermöglicht es, elektrische Energie in gasförmige Energieträger umzuwandeln und damit langfristig zu speichern – ein entscheidender Baustein für eine stabile und unabhängige Energieversorgung.

Wie Power-to-Gas funktioniert, wo es zum Einsatz kommt und welche Vor- und Nachteile diese Technologie mit sich bringt, erfahren Sie in folgendem Beitrag.

Die wichtigsten Fakten zu Power-to-Gas auf einen Blick:

• Power-to-Gas wandelt überschüssigen Strom in speicherbares Gas (Wasserstoff oder Methan) um.
• Anwendung: Die Technik unterstützt die Industrie, den Schwerlastverkehr und dient als saisonaler Energiespeicher für den Winter.
• Klimaschutz: Wird erneuerbarer Strom eingesetzt und stammt das verwendete CO₂ aus der Atmosphäre oder aus nachhaltigen biogenen Quellen, kann bei der Herstellung von synthetischem Methan ein weitgehend geschlossener Kohlenstoffkreislauf entstehen.
• Herausforderungen: Hohe Umwandlungsverluste und enorme Investitionskosten bremsen derzeit die Wirtschaftlichkeit.
• Infrastruktur: Synthetisches Methan kann bei Einhaltung der geltenden Qualitäts- und Einspeiseanforderungen grundsätzlich in der bestehenden Erdgasinfrastruktur genutzt werden. Für Wasserstoff gelten technische Beimischungsgrenzen; je nach Anwendung sind Umrüstungen oder eigene Wasserstoffleitungen erforderlich.

Wie lässt sich überschüssige Energie umwandeln?

Der erste Schritt besteht darin, mittels Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten. Wenn der eingesetzte Strom aus Wind- oder Wasserkraft stammt, entsteht hierbei sogenannter grüner Wasserstoff. Somit lässt sich flüchtige elektrische Energie umwandeln und in stofflicher Form speichern. Power-to-Gas-Anlagen können überschüssigen Strom aufnehmen und dadurch dazu beitragen, die Abregelung von Wind- und Solaranlagen zu reduzieren.

So bleibt wertvolle heimische Energie im System erhalten, anstatt ungenutzt zu verpuffen.

Vereinfachte Darstellung der Elektrolyse von Strom zu Wasserstoff

Was unterscheidet grünen Wasserstoff von herkömmlichen Gasen?

Nicht jeder Wasserstoff ist gleich. Je nach Herstellungsverfahren unterscheidet man verschiedene „Farben" des Wasserstoffs. Grauer Wasserstoff wird aus fossilem Erdgas gewonnen und verursacht erhebliche CO₂-Emissionen. Blauer Wasserstoff entsteht ebenfalls aus fossilen Quellen, jedoch mit CO₂-Abscheidung und -Speicherung. Grüner Wasserstoff hingegen wird ausschließlich durch Elektrolyse mit erneuerbarem Strom erzeugt.  Bei der Elektrolyse selbst entstehen keine direkten CO₂-Emissionen. Die gesamte Treibhausgasbilanz hängt unter anderem von der Stromerzeugung, dem Anlagenbau sowie von Transport und Speicherung ab. Da die direkte Nutzung von Wasserstoff in herkömmlichen Heizungen nur begrenzt möglich ist, dient er oft als Vorstufe für die weitere Veredelung zu synthetischen Brennstoffen.

Wie kann man aus Wasserstoff Methan herstellen?

Dabei wird der Wasserstoff unter Zugabe von Kohlendioxid (CO₂) veredelt. Die zugrundeliegende chemische Reaktion ist die sogenannte Sabatier-Reaktion:

CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O

Diese Reaktion findet bei Temperaturen zwischen 300 und 400 Grad Celsius statt und benötigt einen Katalysator, meist auf Nickelbasis. Chemisch gesehen lässt sich so aus Wasserstoff Methan herstellen, das nahezu identisch zu Erdgas ist und eingespeist werden kann.

Wo kommt Power-to-Gas zum Einsatz?

Die Einsatzmöglichkeiten von Power-to-Gas sind vielfältig und gehen über die reine Speicherung hinaus:

• Energiespeicherung und Netzstabilisierung: In Regionen mit hohem Anteil erneuerbarer Energien treten häufig Engpässe im Stromnetz auf. Power-to-Gas-Anlagen können überschüssigen Strom aufnehmen, bevor er abgeregelt werden muss, und so zur Netzstabilität beitragen.
• Industrie und Mobilität: Grüner Wasserstoff kann in ausgewählten Prozessen der Stahl-, Chemie- und Raffinerieindustrie fossile Rohstoffe, Brennstoffe oder Reduktionsmittel ersetzen.
• Wärmeversorgung und Gebäudeheizung: Synthetisches Methan kann ins Gasnetz eingespeist und für Heizzwecke genutzt werden. In Kombination mit Wärmepumpen und Kraft-Wärme-Kopplung bietet dies flexible Lösungen für die Dekarbonisierung des Wärmesektors.
• Rückverstromung: In Zeiten hoher Stromnachfrage kann das gespeicherte Gas in Gaskraftwerken oder Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden – ein wichtiger Beitrag zur Versorgungssicherheit bei Dunkelflauten.

Energie umwandeln für den Klimaschutz?

Power-to-Gas: die Nachteile liegen in der Wirtschaftlichkeit

Trotz der Vorteile ist die Methode nicht ohne Schwächen, insbesondere im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit. Bei jeder Umwandlung – von Strom zu Gas und eventuell zurück zu Strom – entstehen physikalische Verluste. Der Wirkungsgrad liegt oft deutlich unter dem einer direkten Stromnutzung. Kritiker bemängeln zudem die aktuell noch hohen Investitionskosten für große Anlagen. Eine nüchterne Betrachtung ist wichtig, um keine falschen Erwartungen zu wecken.

„Die heutige Methanproduktion mittels Power‑to‑Methane ist unter aktuellen Marktbedingungen wirtschaftlich nicht wettbewerbsfähig. Eine Kostengleichheit mit fossilem Erdgas ist nur bei sehr niedrigen Strompreisen, einer hohen Auslastung der Anlagen und deutlich sinkenden Investitionskosten erreichbar."

Quelle: Monzer, D.; Bouallou, C. (2023): Economic Analysis of the Power‑to‑Methane Process Using a High‑Temperature Molten Carbonates Electrolyzer

Die Vorteile:

• Langzeitspeicherung: Power-to-Gas ermöglicht als eine der wenigen Technologien eine saisonale Energiespeicherung über Wochen und Monate.
• Nutzung bestehender Infrastruktur: Für synthetisches Methan können bei Einhaltung der geltenden Anforderungen große Teile der bestehenden Erdgasinfrastruktur genutzt werden. Für reinen Wasserstoff sind je nach Netzabschnitt technische Prüfungen, Umrüstungen oder eigene Wasserstoffleitungen erforderlich.
• Sektorkopplung: Strom, Wärme, Mobilität und Industrie können miteinander verbunden und dekabonisiert werden.
• Hohe Speicherkapazitäten: Gaskavernen können enorme Energiemengen aufnehmen, die weit über die Kapazitäten von Batteriespeichern hinausgehen.
• Verringerung der Abregelung: Power-to-Gas kann dazu beitragen, die Abregelung überschüssiger erneuerbarer Stromerzeugung zu reduzieren.

Nachteile:

• Niedriger Wirkungsgrad: Ein erheblicher Teil der eingesetzten Energie geht verloren.
• Hohe Investitionskosten: Elektrolyseure und Methanisierungsanlagen sind derzeit noch teuer in Anschaffung und Betrieb.
• Skalierungsbedarf: Um nennenswerte Beiträge zur Energieversorgung zu leisten, müssen Anlagen im großen Maßstab betrieben werden.
• Wasserstoffinfrastruktur: Der Transport und die Speicherung von reinem Wasserstoff erfordern spezielle Materialien und Sicherheitsvorkehrungen.
• Konkurrenz zu anderen Technologien: Batteriespeicher und andere Flexibilitätsoptionen können in bestimmten Anwendungsfällen wirtschaftlicher sein.

Eine Speichertechnologie für saisonale Balance und Versorgungssicherheit

Die vielleicht bedeutendste Eigenschaft von Power-to-Gas ist die Fähigkeit zur saisonalen Energiespeicherung. Photovoltaikanlagen erzeugen im Sommer deutlich mehr Strom als im Winter. Regional und zeitweise kann die Stromerzeugung den aktuellen Bedarf oder die verfügbare Netzkapazität übersteigen. Dieses saisonale Ungleichgewicht zwischen Stromerzeugung und Energiebedarf ist eine zentrale Herausforderung der Energiewende.

Experten sind sich einig: Power-to-Gas wird eine der Schlüsseltechnologien einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung sein. Die Technologie reift schnell, die Kosten sinken, und der politische Wille zur Wasserstoffwirtschaft wächst in Europa deutlich. Mit den richtigen Rahmenbedingungen und gezielten Investitionen kann Power-to-Gas in den kommenden Jahrzehnten einen unverzichtbaren Beitrag zu Klimaschutz und Versorgungssicherheit leisten.

FAQs zu Power-to-Gas

Was versteht man unter Power-to-Gas?

Power-to-Gas (PtG) ist ein Verfahren, bei dem überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien mittels Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt wird. Dieser Wasserstoff kann entweder direkt genutzt oder in einem weiteren Schritt zu Methan (synthetischem Erdgas) weiterverarbeitet werden, um Energie im Gasnetz speicherbar zu machen.

Was sind die Nachteile von Power-to-Gas?

Der größte Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad, da bei der Umwandlung von Strom zu Gas und gegebenenfalls wieder zurück zu Strom erhebliche Energieverluste auftreten. Zudem sind die Anlagen in der Anschaffung sehr teuer und die großindustrielle Skalierung steht noch am Anfang.

Warum ist die Zukunft von Wasserstoffautos im Personenverkehr eher unwahrscheinlich?

Für PKW ist die Technik energetisch ineffizient, da ein Wasserstoffauto etwa dreimal so viel Ökostrom für die gleiche Strecke benötigt wie ein batteriebetriebenes Elektroauto. Da die Kosten für Batterien sinken und die Ladeinfrastruktur schneller wächst, hat sich der Markt im PKW-Sektor fast vollständig gegen den Wasserstoff entschieden.

Was kostet eine Power-to-Gas-Anlage?

Die Investitionskosten für moderne Elektrolyseanlagen liegen – je nach Technologie, Projektgröße und Ausstattungsumfang – derzeit typischerweise im Bereich von rund 500 bis 1.500 Euro pro Kilowatt installierter Leistung. Eine mittelgroße Industrieanlage kostet damit schnell einen zweistelligen Millionenbetrag, wobei die Kosten durch technologische Fortschritte und Serienfertigung stetig sinken.

Welches Land erzeugt 100% grünen Strom?

Island und Paraguay decken nahezu ihren gesamten Strombedarf aus erneuerbaren Quellen. Auch Albanien produziert fast seinen kompletten Strom aus Wasserkraft, ist jedoch bei Dürreperioden manchmal auf Importe angewiesen.