Power-to-Gas als Schlüsseltechnologie für eine grüne Wasserstoffwirtschaft und ganzheitliche Energiewende – ANZEIGE
Wasserstoffanlage zur Erzeugung von Wasserstoff Foto: E.ON

Power-to-Gas als Schlüsseltechnologie für eine grüne Wasserstoffwirtschaft und ganzheitliche Energiewende – ANZEIGE

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Investitionen in eine grüne Wasserstoffwirtschaft  

Grüner Wasserstoff gilt als Zukunftsenergieträger für eine nachhaltige klimafreundliche Energieversorgung und den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft. Power-to-Gas (PtG) ist eine Schlüsseltechnologie und bringt Anwendungsmöglichkeiten für die sektorübergreifende Nutzung von grünem Wasserstoff als sauberem Energieträger mit sich. Welche Potenziale im Energieträger Wasserstoff liegen, offenbart die von E.ON in Ibbenbüren installierte Power-to-Gas Testanlage. Dort zeigt sich exemplarisch, warum es sich lohnt, in eine grüne, emissionsfreie Wasserstoffwirtschaft zu investieren.   

Politische Weichenstellung für eine künftige Wasserstoffwirtschaft

Mit ihrer im Juni 2020 erklärten „Nationalen Wasserstoffstrategie“ verfolgt die Bundesregierung das Ziel der Etablierung einer Wasserstoffwirtschaft in Deutschland. Durch Wasserstoff als Energieträger und Speichermedium soll die volatile Energieerzeugung aus erneuerbaren Energien ein stabiles Fundament bekommen. Zudem soll er eine Nutzung von erneuerbaren Energien in den Sektoren Wärme, Verkehr und Industrie ermöglichen. Damit schafft eine künftige Wasserstoffwirtschaft die Voraussetzung für eine umfassende, sektorenübergreifende Energiewende.

Das, was auf nationaler Ebene angestoßen wurde, forciert zugleich die Europäische Union auf europäischer Ebene. So hat sie im Juli 2020 die „Europäische Allianz für sauberen Wasserstoff“ auf den Weg gebracht, um die Herausbildung einer europäischen Wasserstoffwirtschaft zu fördern. Dieser Allianz trat Energieversorger E.ON gemeinsam mit 200 weiteren Unternehmen und Organisationen bei.  

Erklärtes Ziel ist bis zum Jahr 2030 Wasserstofftechnologien zum Erzeugen von grünem Wasserstoff weiterzuentwickeln. Dabei stehen politische Weichenstellungen genauso wie wirtschaftliche Aspekte und Fragen einer technisch-hochskalierten Umsetzung im Fokus. Ohne Zweifel verfügt grüner Wasserstoff als Energieträger Zukunftspotenzial für eine saubere Energieversorgung. Durch ihn lässt sich erneuerbare Energie flexibel und bedarfsgerecht nutzen. Doch bevor auf die Verwendungsmöglichkeiten von grünem Wasserstoff näher eingegangen wird, kurz ein paar Worte zum Element Wasserstoff. 

Erklärtes Ziel ist bis zum Jahr 2030 Wasserstofftechnologien zum Erzeugen von grünem Wasserstoff weiterzuentwickeln. Dabei stehen politische Weichenstellungen genauso wie wirtschaftliche Aspekte und Fragen einer technisch-hochskalierten Umsetzung im Fokus. Ohne Zweifel verfügt grüner Wasserstoff als Energieträger Zukunftspotenzial für eine saubere Energieversorgung. Durch ihn lässt sich erneuerbare Energie flexibel und bedarfsgerecht nutzen. Doch bevor auf die Verwendungsmöglichkeiten von grünem Wasserstoff näher eingegangen wird, kurz ein paar Worte zum Element Wasserstoff. 

Über das Element Wasserstoff und seine Eigenschaften

Wasserstoff ist ein chemisches Element, welches bereits Mitte des 18. Jahrhunderts von dem britischen Naturwissenschaftler Henry Cavendish entdeckt wurde. Es wird durch das Symbol H2 ausgedrückt. Wasserstoff verfügt über die höchste gewichtsbezogene Energiedichte und ist das am häufigsten im Universum vorkommende Element.

Auf der Erde kommt Wasserstoff nahezu vollständig in chemisch gebundener Form vor. So ist er in gebundener Form mit Sauerstoff Bestandteil von Wasser (H2O). In der Erdatmosphäre enthält Wasserdampf in molekularer Form Wasserstoff. Organisch gebunden ist er ebenso in Pflanzen sowie pflanzlichen Überresten als Kohlenwasserstoff beispielsweise in Erdöl oder Erdgas enthalten. Wasserstoff selbst lässt sich emissionsfrei verbrennen, da er keine Kohlenstoffe enthält. Um Wasserstoff zu verbrennen, braucht es einen Oxidator und um reinen Wasserstoff zu erzeugen, viel Energie.

Wasserstoff und seine Verwendungsmöglichkeiten  

Seit seiner Entdeckung wird Wasserstoff als Rohstoff für industrielle Zwecke genutzt. Allein im Jahr 2019 wurden weltweit insgesamt etwa 117 Millionen Tonnen Wasserstoff erzeugt, wie eine Statistik von Statista zeigt.

So wird er beispielsweise als stofflicher Energieträger in der Petrochemie zur Raffinierung von Benzin und Diesel genutzt. Ebenso wird er zur Herstellung von Ammoniak oder Methanol verwendet. In geringerem Umfang kommt er zur Eisenerzreduktion zum Einsatz, im Transportwesen oder bei der Wärmeerzeugung.

Neben seiner Verwendung als Rohstoff verfügt Wasserstoff über bislang wenig erschlossenes Potenzial zur Nutzung als Energieträger. Doch um genau dieses dreht sich eine künftige Wasserstoffwirtschaft, bei der grüner Wasserstoff einer ganzheitlichen Energiewende dient. Als grünes Gas oder in verflüssigter Form kann er als sauberer Sekundärenergieträger die Energiewende vorantreiben.

Dabei erschließen unterschiedliche Wasserstoff-Technologien verschiedene Anwendungsoptionen für den grünen Wasserstoff. Verwendet in den Bereichen Wärme, Gebäude, Industrie und Verkehr wird so eine sektorenübergreifende Nutzung von sauberem Strom aus regenerativen Energiequellen möglich. Gleichzeitig können Brenn- und Kraftstoffe auf Basis fossiler, Kohlendioxid produzierender Energieträger, wie Kohle, Erdgas und Erdöl, durch ihn ersetzt werden.

Wasserstoff und seine unterschiedlichen Herstellungsverfahren  

Allerdings nur dann, wenn Wasserstoff aus sauberen Herstellungsverfahren stammt. Denn nicht alle Verfahren bringen eine emissionsfreie Wasserstofferzeugung mit sich. Er lässt sich auf sehr unterschiedliche Art erzeugen. Zur Wahl stehen chemische, elektrolytische oder biologische Herstellungsverfahren. Je nach Art des Herstellungsverfahrens und Technikeinsatzes geht die Produktion von Wasserstoff mit CO2-Emissionen einher.

Obwohl Wasserstoff an sich ein farbloses Element ist, wird anhand einer Farbskala zwischen grauem, blauem, türkisem und grünem Wasserstoff unterschieden. Dabei bringt die Farbskala den CO2-Gehalt des Wasserstoffs zum Ausdruck. Nur der grüne Wasserstoff ist komplett CO2-frei. Er kann beispielsweise durch das Verfahren der Elektrolyse in Verbindung mit dem Einsatz von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugt werden.

Prinzip des alkalischen Elektrolyseurs tiny
Prinzip des alkalischen Elektrolyseurs zur Erzeugung von Wasserstoff Quelle: E.ON

Der blaue Wasserstoff hingegen wird aus Erdgas gewonnen. In dem Prozess wird das CO2 separiert und dauerhaft in Gesteinsformationen, z.B. aus geförderten ehemaligen Erdgaslagerstätten, gespeichert. Beim türkisen Wasserstoff wird Wasserstoff erzeugt, indem beispielsweise Methan thermisch gespalten wird. Dieses Verfahren heißt Methanpyrolyse. Hierbei entsteht anstelle von gasförmigen CO2 fester Kohlenstoff. CO2-neutral kann türkiser Wasserstoff über die Wärmeversorgung aus erneuerbaren Energiequellen gewonnen werden. Zusätzlich muss für eine dauerhafte Bindung des Kohlenstoffs gesorgt werden.

Wasserstoffherstellung per Erdgasdampfreformierung tiny
Wasserstoffherstellung per Erdgasdampfreformierung Quelle: E.ON

Desto mehr Erzeugungskapazitäten in Zukunft aus erneuerbaren Energien-Anlagen zur Verfügung stehen, desto größere Mengen grünen Wasserstoffs lassen sich produzieren. Dabei dürfte insbesondere die Power-to-Gas Technologie zum Einsatz kommen. Sie kann bei der Herstellung von grünem Wasserstoff zu einer Schlüsseltechnologie werden und somit die Weichen zu einer sauberen Wasserstoffwirtschaft stellen.

Es folgt ein Fallbeispiel, bei der die PtG-Technologie in die Anwendung überführt worden ist.

Fallbeispiel: PtG-Pilotanlage in Ibbenbüren erzeugt grünen Wasserstoff   

Die im westfälischen Ibbenbüren errichtete PtG-Testanlage ging im Jahr 2015 in Betrieb. Betreiber der Anlage ist E.ON. Über das Verfahren der Elektrolyse erzeugt die Anlage grünen Wasserstoff. Dabei spaltet ein PEM (Proton Exchange Membrane) -Elektrolyseur unter Einsatz von Strom aus Windenergie-Anlagen Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff.

Der aus der Anlage gewonnene Wasserstoff fließt direkt in das Erdgasnetz. Seine Energie wird dort zwischengespeichert. Gleichzeitig wird die bei der Elektrolyse anfallende Abwärme zu Vorwärmezwecken in einer nahe gelegenen Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM) genutzt. Der im Gasnetz zwischengespeicherte Wasserstoff wird bilanziell in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Erzeugung von Strom und Fernwärme in Ibbenbüren verwendet.

Auch dabei wird Prozesswärme als Abwärme genutzt und steigert damit den Nutzungsgrad des BHKW. Allgemein betrachtet, vereinigt die PtG-Pilotanlage Strom-, Gas- und Fernwärmenetze. Sie ermöglicht das Zwischenspeichern erneuerbarer Energie und erschließt weitere Verwendungspotenziale für andere Sektoren, wie in dem Fall die Wärmeversorgung. Der ermittelte Nutzungsgrad der Anlage in Ibbenbüren liegt bei 75 Prozent.

Mit der Ibbenbürener PtG-Anlage hat E.ON die Praxistauglichkeit des PEM-Elektrolyseurs unter Einsatz von regenerativer Energie unter Beweis gestellt. Windenergie lässt sich in Wasserstoff umwandeln und in die örtliche Erdgasinfrastruktur einspeisen. Dadurch wird volatile erzeugte Energie speicherfähig und lässt sich sektorenübergreifend nutzen. Zusätzlich wird Abwärme genutzt und so der Nutzungsgrad der Anlagentechnik insgesamt gesteigert.

Stellschrauben für eine saubere Energieversorgung auf Basis von grünem Wasserstoff

Für eine verlässliche und klimaneutrale Energieversorgung aus erneuerbaren Energiequellen braucht es Speicherkapazitäten. Diese können nicht ausschließlich auf elektrischen Speichermedien beruhen. Zwar ist die Elektrifizierung ein wesentlicher Bestandteil der Energiewende. Um die Nachfrage und das Angebot von Strom jedoch sektorenübergreifend auszutarieren, kann die grüne Wasserstoffwirtschaft einen wesentlichen Beitrag leisten.

Doch dazu sind noch einige Stellschrauben zu drehen. Längst sind die gesetzlichen Rahmenbedingungen auf solche Erzeugungsstrukturen nicht optimal ausgerichtet und verhindern teilweise einen wirtschaftlichen Betrieb. Daher braucht es parallel zum Aufbau von Förderstrukturen, die Anwendungsoptionen von Technologien beflügeln, ebenso die Anpassungen des rechtlichen Rahmens sowie Maßnahmen, die auch eine Marktentwicklung beschleunigen.    

Fazit und Ausblick

Mit der Power-to-Gas Technologie steht eine Technologie bereit, die die Voraussetzung zur Speicherung von erneuerbarer Energie in großem Umfang im Energie-System schafft. Sie gilt als Schlüsseltechnologie für die Energiewende. Die Voraussetzungen für den Einsatz von Power-to-Gas Anlagen sind vielerorts gegeben. Sie könnten somit eine umfängliche Nutzung von regenerativ erzeugter Energie zur sauberen sektorenübergreifenden Energieversorgung über den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft eröffnen.

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Dr. Katja Reisswig

Freie Redakteurin und Gründerin des Online-Magazins Technewable.com - spezialisiert auf digitale Kommunikation und Themen rund um die grüne Wirtschaft mit Fokus auf grüne Technologien, Innovationen, Lösungen und Anwendungen. Ihr Themenportfolio umfasst: Energie, Mobilität, Nachhaltigkeit, Digitalisierung & Transformation

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