FA 13 Gasgeben für die Energiewende

Verzicht auf Atomkraft und eine geringere Nutzung fossiler Brennstoffe – Länder wie Deutschland forcieren die Energiewende. Doch mangelt es bisher nicht nur an ausreichend ausgebauten Stromtrassen, sondern auch an einem Energiespeichersystem. Neue Netze müssen also gezogen und verlegt werden und eine noch junge Technologie, Power to Gas, könnte in Zukunft Energieschwankungen aus Wind und Sonne ausgleichen. Gelingen kann die Energiewende nur mit geeigneten Armaturen.

Die Natur nimmt ihren Lauf, so oder so – ändern kann der Mensch daran nichts. Strahlt die Sonne und bläst der Wind kräftig, wird reichlich Energie erzeugt, die aber bisher nicht komplett in das Stromnetz eingespeist bzw. nicht gespeichert werden kann. Aber auch der umgekehrte Fall ist problematisch: Versteckt sich die Sonne hinter dicken Wolken und weht keine frische Brise, sinkt der Energieertrag beträchtlich. Eine Versorgungslücke droht. Der Königsweg lautet daher: Wird zu viel Strom erzeugt, sollte der Überschuss gespeichert werden, der bei einem Mangel in der Energieerzeugung wieder abgerufen werden kann. „Wenn in Zukunft erneuerbare Energien die Stromversorgung dominieren, müssen große Mengen Strom langfristig gespeichert werden, um längere Perioden mit wenig Wind und Sonne zu überbrücken“, betont Stephan Kohler, Vorsitzender der Geschäftsführung der Deutschen Energie-Agentur (dena).

Pumpspeicheranlagen reichen nicht
Soweit die Theorie: Fakt ist, dass man den zuviel produzierten erneuerbaren Strom „nicht einfach im Stromnetz lagern kann. Erzeugung und Verbrauch müssen dort immer zeitgleich erfolgen“, erklärt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Bisher wird zum Speichern auf bestehende Pumpspeicherkraftwerke zurückgegriffen. Allerdings vermögen sie im Notfall rein rechnerisch den kompletten Strombedarf Deutschlands für nur weniger als eine Stunde zu decken. „Das ist deutlich zu wenig“, so das ZSW. Diese Technik kann – selbst bei einem Ausbau – nicht die Lücke schließen, sie allenfalls ein wenig verringern.

Um das Dilemma zu lösen, wird seit einigen Jahren an der Entwicklung der sogenannten Power-to-Gas-Technologie gearbeitet. Die Power-to-Gas-Technologie ist mittlerweile technologisch umsetzbar, aber nicht unumstritten. Experten halten Power to Gas momentan noch für zu ineffektiv und unwirtschaftlich. Dass Handlungsbedarf besteht, scheint der dena bewusst zu sein: „Für die langfristig benötigte Option der Rückverstromung, d.h. des Einsatzes von Power to Gas als Stromspeicher unter Nutzung der Erdgasinfrastruktur, muss der Systemwirkungsgrad noch deutlich gesteigert werden.“

Power to Gas als Pilotprojekte
Was sich auch bei einer dena-Roadmap mit einem Handlungspfad darstellt, mit dem der großtechnische, wirtschaftlich tragfähige Einsatz von Power to Gas bis 2022 in Deutschland mit einer Power-to-Gas-Anlagenkapazität von 1.000 Mwel angestrebt wird. Status derzeit also: Bestehende Anlagen gelten als Pilot- und Demonstrationsprojekte mit einer erhofften guten mittel- bis langfristigen Perspektive für die Energieversorgung. In Deutschland sind – Stand Januar 2014 – zehn Anlagen in Betrieb, rund 15 Power-to-Gas-Projekte befinden sich in der Planung oder im Bau. Power to Gas bedeutet, dass aus Energiestrom Gas wird. Power-to-Gas-Anlagen arbeiten mit einer Speichertechnologie, um erneuerbare Energien in das Energiesystem zu integrieren. „Dabei wird überschüssiger Strom, zum Beispiel aus Windkraftanlagen, dazu genutzt, um im Elektrolyseverfahren aus Wasser Wasserstoff zu gewinnen“, erläutert die dena. Unter Zugabe von Kohlendioxid könne der Wasserstoff in einem zweiten Schritt zu Methangas weiterverarbeitet werden. Das CO2 kann aus industriellen Prozessen, Brauereien, aus Klärgasen, Ethanolindustrie, Biogasanlagen und – bearbeitet – aus der Umgebungsluft genutzt werden. Allein in Deutschland gibt es rund 6.000 Biogasanlagen.

Langfristig Gas speichern
„Das synthetisch erzeugte Erdgas oder auch der Wasserstoff können in der bestehenden Erdgasinfrastruktur langfristig gespeichert und vielfältig verwendet werden – zur Rückerzeugung von Strom und Wärme oder als Kraftstoff“, erläutert die „Strategieplattform Power-to-Gas“. Erzielt würde also – neben der industriellen und privaten Nutzung – auch eine Verwendung für die Mobilität. Die Technologie „ermöglicht den Einsatz schadstofffreier und hocheffizienter Brennstoffzellenfahrzeuge“, erläutert Werner Diwald, Mitglied des Vorstands der Enertrag AG. Die Technologie gilt damit als systemübergreifend.

Armaturen „pflastern“ den gesamten Weg des Energiestroms. Bereits beginnend bei der Energieerzeugung durch Wind und Sonne, ist diese Anlagenkomponente unverzichtbar. Durch die erneuerbaren Energien ergibt sich also eine neue Kette an Anlagen. Zukünftig verstärkt bis hin zu Power-to-Gas-Anlagen?

Armaturen sind essentiell
Auch für die Power-to-Gas-Anlagen selbst sind Armaturen unverzichtbar. Die Branche kann in vielfacher Weise von der Weiterentwicklung dieser Technologie profitieren. Zum Einsatz kommen Armaturen beispielsweise bei der Wasserelektrolyse, der Rückverwandlung von H2 zu Strom in Gaskraftwerken, bei der Einspeisung von Wasserstoff in das öffentliche Erdgasnetz, bei Tankstellen – inklusive Lieferlogistik –, bei der Methanisierung und bei Brennstoffzellen. Armaturen sind hier essentiell. Nur mit ihnen können Fluide wie Wasser, Wasserstoff, Sauerstoff, Methan oder Erdgas zielgerecht gehändelt werden. Durch die mannigfachen Anwendungsfelder und die einzelnen anfallenden Aufgaben kommen alle bekannten Armaturenarten zum Einsatz, also unter anderem Regelventile, Sicherheitsventile, Klappen, Schieber, Kugelhähne, Magnetventile und Kondensatableiter.

Bei der Wasserelektrolyse werden beispielsweise zur Prozessregelung das zugeleitete Wasser und die entstehenden Gase Wasserstoff und Sauerstoff durch Regelarmaturen wie Druckregler und Durchflussregelventile sowie durch Absperrarmaturen punktgenau gesteuert. Während Magnetventile im Bereich der Brennstoffzelle eingesetzt werden, verhindern Sicherheitsventile unzulässige Überdrücke in Wasserstoff- oder Erdgastanks. Außerdem werden Regelventile, Kondensatableiter und andere Armaturentypen etwa in Untergrundspeichern, Verdichterstationen und bei der Gaslogistik verwendet.

Hohe Ansprüche
An Armaturen im Umfeld von Power to Gas werden hohe Ansprüche gestellt. Sie müssen aufgrund der überwiegend gasförmigen Medienphase hohe Anforderungen an die Dichtigkeit erfüllen. Die Armaturen müssen daher die europäische Druckgeräterichtlinie erfüllen und das CE-Kennzeichen besitzen. In vielen Fällen müssen auch die Anforderungen der europäischen Explosionsschutzrichtlinie (ATEX) erfüllt und im Rahmen der CE-Kennzeichnung entsprechend dokumentiert werden.

Moderne Simulationswerkzeuge wie CFD und FEM werden eingesetzt, um die innere Geometrie oder das Verhältnis Gewicht zu Druckfestigkeit zu optimieren. Das eine Material oder die eine Geometrie für Armaturen bei Power to Gas gibt es übrigens nicht. Stattdessen muss der Werkstoff der Armatur jeweils auf das Einsatzgebiet mit seinen verschiedenen Anforderungen an die Medien, die Betriebsbedingungen und die Konstruktionen der Produkte abgestimmt werden.

Reduzierung von Treibhausgasen
Im Gegensatz zu Strom ist die Speicherung von Gas unproblematisch. „Mehr als 400.000 Kilometer Leitung und 47 unterirdische Gasspeicher bietet das Gasnetz an“, berichtet das deutsche Energieunternehmen EnBW. Würde Gas aus der Power-to-Gas-Technologie in Leitungen und Gasspeichern ‚geparkt’, ließe sich die Stromversorgung in Deutschland bei Abruf hiermit für rund zwei bis drei Monate absichern.

Nicht nur die Energieversorgung würde mit Power to Gas gesichert. Auch dem ökologischen Aspekt könnte diese Technologie Rechnung tragen, ein Kriterium, das der Motor der Energiewende ist. Und der Anspruch ist hoch: So soll beispielsweise laut der deutschen Bundesregierung der Ausstoß von Treibhausgasemissionen bis 2050 gegenüber 1990 um mindestens 80 Prozent gesenkt werden. Ferner ist beabsichtigt, den Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bis 2050 auf 60 Prozent zu steigern – ambitionierte Klimaschutzziele.

Um Power to Gas stärker zu forcieren, wären Anreize zu schaffen, die die Technologie effizienter und wirtschaftlicher machen. „Zur Markteinführung sind politisch flankierte Markteinführungsinstrumente sowie die Anrechenbarkeit von erneuerbarem Wasserstoff und Methan auf die Biokraftstoffquote bzw. Treibhausminderungsquote notwendig“, wünscht sich die dena.

Politik am Zug
Und damit ist die Politik wieder am Zug. Wer A sagt, muss auch B sagen. Wenn die deutsche Bundesregierung die Energiewende massiv vorantreiben möchte, kann sie aus heutiger Sicht an der Power-to-Gas-Technologie nicht vorbeikommen. Und möglicherweise wird Deutschland bei diesen Anlagen zu einem Vorreiter weltweit. Neue Exportschlager? Nicht ausgeschlossen!

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