Erdgas

Wissen: Power-to-Gas

Vielversprechende Technologie

Mit Power-to-Gas kann überschüssig anfallender Strom aus Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerken in Form von Methan (synthetisches Erdgas) oder Wasserstoff gespeichert werden. Power-to-Gas ist eine vielversprechende Technologie für eine nachhaltige Energieversorgung der Schweiz. Eine bedeutende Rolle spielt dabei das Erdgasnetz: Es wird zum Speicher erneuerbarer Energien.

Wenn also mehr elektrische Energie produziert als verbraucht wird, kann der Überschuss durch Herstellung von Methan langzeitig gespeichert werden. Damit ist es möglich, Energien aus erneuerbarer Ressourcen in grossen Mengen zwischen Gas- und Stromnetz zu transferieren, um zeitlich wie räumlich flexibel zu sein.

Verfahren

Wasser wird mittels elektrischen Stroms in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt (Elektrolyse). Der Wasserstoff wird anschliessend mit Kohlendioxid (CO2) in einem Reaktor zu Methangas umge­wandelt. Das erzeugte Methan kann ins öffentliche Gasnetz eingespeist werden. Mit diesem Verfahren wird beim Verbrennen des Methans die Umwelt nicht durch den Ausstoss von zusätzlichem CO2 belastet, da das frei werdende CO2 genau der Menge entspricht, die der Herstellprozess der Umwelt entnimmt.

Filmbeiträge zu Power-to-Gas:

Anwendung im industriellen Umfeld

HSR Hochschule für Technik Rapperswil

Mit Unterstützung der Schweizer Gaswirtschaft erstellte das IET Institut für Energietechnik an der HSR Hochschule für Technik Rapperswil die erste Power-to-Methan-Anlage der Schweiz. Ziel war, Know-how aufzubauen, wie man mit Sonnenenergie, Wasser und CO2 klimaneutrales Methan herstellt, das zum Betanken von Gasfahrzeugen verwendet oder ins Gasnetz eingespeist werden kann. Das Projekt wurde im März 2017 erfolgreich abgeschlossen.

Im Rahmen eines Forschungsprojekts der Europäischen Union baut das IET in Rapperswil SG zusammen mit der ETH Lausanne (EPFL) eine verbesserte Power-to-Gas-Anlage. Mit Unterstützung der Schweizer Gaswirtschaft und anderen Projektpartnern aus Forschung und Wirtschaft soll diese neue Technologie unter industrienahen Bedingungen untersucht werden. Ziel des Projekts HEPP (High Efficiency Power-to-Methane-Pilot) ist es, den Wirkungsrad und damit die Wirtschaftlichkeit solcher Anlagen zu verbessern, auch im Hinblick auf Anwendungen in der Industrie.

Energienetze wachsen zusammen

Hybridwerk Regio Energie Solothurn

Ein für die Energieversorgung zukunftsweisendes Projekt ist das Hybridwerk der Regio Energie Solothurn. Im Gebiet Aarmatt der Solothurner Gemeinde Zuchwil kommen die Netze für Strom, Gas und Fernwärme zusammen. Diese Ausgangslage nutzt der Energieversorger für ein neuartiges Energiesystem, das alle drei Energieträger verbindet.

Herzstück der Anlage ist ein Elektrolyseur, der überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien in Wasserstoff umwandelt und ins Erdgasnetz einspeist. Wenn man den Wasserstoff mit CO2 angereichert, entsteht Methan, das ebenfalls ins Netz geleitet werden kann. Das Hybridwerk Aarmatt ist Teil des Leuchtturmprogramms des Bundesamts für Energie und wird entsprechend unterstützt.

Bei dieser in der Schweiz einzigartigen Anlage spielt das Gasnetz eine zentrale Rolle; dieses verfügt über ein enormes Potenzial für den Transport und die Speicherung grosser Energiemengen. Statt Solar-, Wind- oder Wasserkraftwerke bei einem Stromüberangebot von Netz zu nehmen, kann der Strom dank dem Power-to-Gas-Verfahren in synthetisches Erdgas umgewandelt und im Gasnetz gespeichert werden.

Das Gas wird als Brenn- oder Treibstoff genutzt. Auch eine Rückverstromung ist möglich und kann in bestimmten Fällen sinnvoll sein. Bei den einzelnen Prozessen handelt es sich um bewährte Verfahren. Neu ist die Kombination zu einer innovativen Gesamtlösung, die verschiedene Energieträger und die dazugehörenden Netze zusammenführt (Sektorkopplung).

Im Rahmen von Horizon 2020, dem EU-Förderprogramm für Forschung und Innovation, wird auf dem Gelände des Hybridwerks erforscht, wie Power-to-Gas weiterentwickelt und im industriellen Massstab eingesetzt werden kann. Im Zentrum steht die biologische Methanisierung von Wasserstoff. Mit dem Projekt „STORE&GO“, an dem 27 Partner aus sechs europäischen Ländern beteiligt sind, werden an zwei weiteren Standorten in Deutschland und Italien chemische Methanisierungsverfahren entwickelt.

Synthetisches Methan für Gasfahrzeuge

Demonstrationsanlage «move», Empa in Dübendorf

2015 eröffnete die Empa in Dübendorf unter dem Namen «move» eine Demonstrationsanlage, um Wege aufzuzeigen, die Mobilität auf erneuerbare Energie umzustellen. Die erste Projektphase konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Dabei stand eine Anlage zur Herstellung und Betankung von Wasserstoff im Zentrum, zusammen mit den entsprechenden Fahrzeugen, unter anderem einem Lieferwagen, der mit einem Erdgas/Biogas-Wasserstoffgemisch betrieben wurde. 2018 ist «move» in die nächste Runde gegangen: Dabei steht die Umwandlung von Wasserstoff und CO2 in synthetisches Methan für den Betrieb von Gasfahrzeugen im Mittelpunkt. Das synthetische Methan wird mit dem Power-to-Gas-Verfahren hergestellt. 

«Move» zeigt exemplarisch auf, wie Stromüberschüsse im Sommerhalbjahr in die Mobilität transferiert und als Ersatz von fossilen Treibstoffen genutzt werden können. So kann die temporär überschüssige Elektrizität tagsüber in einer Batterie gespeichert werden, um in der Nacht Elektrofahrzeuge zu laden. Oder sie wird zur Erzeugung von Wasserstoff genutzt. Der Wasserstoff wird verdichtet und kann über eine Wasserstofftankstelle entweder direkt in Brennstoffzellenfahrzeugen genutzt werden oder als Beimischung zum Biogas in Gasfahrzeugen. Der Vorteil dabei: Das synthetisch hergestellte Methan kann im bestehenden Erdgasnetz gespeichert werden; es braucht somit keine neue (und teure) Infrastruktur, um umweltfreundlich Auto zu fahren.

Mehr Biogas dank Power-to-Gas

Demonstrationsanlage in Zürich, PSI und Energie 360°

Aus Biomasse gewonnenes Roh-Biogas enthält neben biogenem Methan bis zu 40 Prozent CO2. Deshalb muss das Biogas zuerst aufbereitet werden, bevor es ins Netz eingespeist werden kann. Das im Roh-Biogas enthaltene CO2 lässt sich mit Hilfe der Power-to-Gas-Technologie jedoch auch nutzen.

Das Paul Scherrer Institut (PSI) und Energie 360° haben in einem gemeinsamen Projekt in der Biogas-Anlage Werdhölzli in Zürich aufgezeigt, wie die Produktion von einspeisefähigem Biogas deutlich gesteigert werden kann. So wird CO2 in einer Gasaufbereitungsanlage nicht abgetrennt, sondern durch Zugabe von Wasserstoff zu Methan gewandelt. Der Wasserstoff wird mittels der Power-to-Gas-Technologie aus erneuerbarem Strom hergestellt. Ein neu entwickelter Wirbelschicht-Reaktor bringt die Wasserstoff- und die CO2-Teilchen mit Hilfe eines Katalysators zur Reaktion, so dass sie sich zu Methan verbinden. Am Ende kann also nicht nur das bereits im Roh-Biogas vorhandene Methan genutzt werden, sondern auch das neu aus CO2 und erneuerbarem Wasserstoff entstandene Methan.

Der Pilotversuch hat gezeigt, dass dank der Power-to-Gas-Technologie die bisherige Biogas-Produktion um 60 Prozent gesteigert werden kann. Mit anderen Worten: Würden die bestehenden Schweizer Klär- und Vergärwerke, die heute schon Biogas produzieren und ins Netz einspeisen, entsprechend umgerüstet, könnte die Biogas-Menge verfünffacht werden.

Speicherkonzepte für erneuerbare Energien

Energy-System-Integration-Plattform, PSI

Unterschiedliche Varianten des Power-to-Gas-Konzepts erprobt das Paul Scherrer Institut PSI in Villigen AG. Zu diesem Zweck wurde 2016 die sogenannte Energy-System-Integration-Plattform ESI in Betrieb genommen. Mit dieser Einrichtung soll gezeigt werden, wie integrale Speicherkonzepte aussehen müssen, um in Zukunft eine dezentrale Energieversorgung mit erneuerbaren Energien zu ermöglichen.

Im Mittelpunkt der Plattform steht die Power-to-Gas-Technologie. Dabei werden Stromüberschüsse, welche die Netze überlasten würden, zur Herstellung von Wasserstoff genutzt. Dieser kann direkt eingesetzt oder für die Produktion von Methan (synthetisches Erdgas) weiterverwendet werden. Der Strom wird also zu energiereichen Gasen umgewandelt. Der Vorteil von Wasserstoff oder Methan ist, dass die Gase lange gelagert und weit transportiert werden können. Bei Bedarf werden sie wieder in Strom oder Wärme umgewandelt. Die Gase lassen sich aber auch als Treibstoff in Fahrzeugen oder als Rohstoff in der Industrie nutzen.

Einzelne Komponenten der Power-to-Gas-Technologie sind seit vielen Jahren Gegenstand der Forschung am PSI. Bei der ESI-Plattform geht es darum, die bisher isoliert erforschten Bauteile erstmals in ihrem komplexen Zusammenspiel im Pilotmassstab zu untersuchen. Dabei sollen vielfältige Varianten des Power-to-Gas-Konzepts durchgespielt werden. Ziel ist, auszuloten, welche Varianten eine besonders effiziente Energienutzung erlauben. Die ESI-Plattform hat eine Leistung von 100 Kilowatt. Fernziel ist, bezahlbare Anlagen zu entwickeln, die Strom im Megawattbereich speichern können.