Methan für die Umwelt 1

Treibhausgas soll Energieversorgung sichern

Autor : Klaus Wagner, freier Journalist im Auftrag von ke NEXT

Energie aus Sonne und Wind
Windstille und Wolken bewirken, dass der Energiefluss aus Windkraft und Photovoltaikanlagen stark schwankt. Die Lösung lautet: Überschussmengen rechtzeitig speichern.

Die Prognosen für Wind und Sonnenschein in den kommenden Tagen sehen düster aus: Kein Lüftchen im Norden und eine dichte Wolkendecke über der ganzen Republik. Strom aus Windkraft und Sonnenstrahlung, den tragenden Säulen unserer Energieversorgung, werden wir also nicht erzeugen. Und die Atomkraftwerke sind schon vor Jahren vom Netz genommen worden. Dennoch, weder Stromversorgung noch Wirtschaft werden zusammenbrechen. Eine Utopie? Keineswegs. Ein Fernziel? Ja. Um dieses zu erreichen, müssen aber noch enorme Anstrengungen unternommen werden. Die Bundesregierung hat den vollständigen Atomausstieg bis 2022 beschlossen und bis 2050 will sie den Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung auf 80 Prozent erhöhen.

Wissenschaftler halten 100 Prozent für technisch möglich – ohne Einbußen an Lebensstandard und Leistungsfähigkeit unserer hoch entwickelten Industrie. Da der Energiefluss aus Windkraft- und Photovoltaikanlagen starken Schwankungen unterliegt, müssen aber ausreichende Überschussmengen elektrischer Energie gespeichert werden. Pumpspeicherkraftwerke können derzeit nur 0,04 Terrawattstunden (TWh) aufnehmen. Gerade ausreichend, unseren jährlichen Bruttostrombedarf von 619 TWh für weniger als eine Stunde zu decken. Die Ausbaumöglichkeiten dieser Speichertechnik sind äußerst begrenzt. Bei Erdgas beträgt die vorhandene Speicherkapazität 217 TWh. Daraus lassen sich theoretisch 130 TWh elektrische Energie gewinnen.

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) in Stuttgart, das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel und die Firma SolarFuel in Stuttgart entwickeln derzeit die Technik, mit der Strom in großem Maßstab in Methan umgewandelt werden kann. Erste Erfahrungen mit einer Anlage mit 25 KW Anschlussleistung liegen bereits vor. Eine größere Pilotanlage befindet sich im Bau und eine sechs MW-Anlage ist bereits beschlossene Sache.

Über zwei Stufen von der Stromleitung in den Gasspeicher

“Bei Elektrolyseuren mit katalytisch beschichteten Elektroden liegt an diesen während der Ein- und Ausschaltphasen kurzzeitig ein Oxidationspotenzial an.”
Andreas Brinner, ZSW

„Unsere Power-to-Gas Pilotanlage im 25 KW-Maßstab läuft so zuverlässig, dass wir über längere Zeit hinweg einen Kubikmeter Methan je Stunde produzieren können, das sich zum Betanken von Fahrzeugen und zum Einspeisen ins Erdgasnetz eignet“, sagt Dr. Ulrich Zuberbühler, Leiter des Methanisierungs-Projektes beim ZSW. Die Umwandlung von Strom in Methan erfolgt dabei in zwei Stufen.

Unter Verbrauch von Gleichstrom wird Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Anschließend wird der Wasserstoff in einem Reaktor zusammen mit Kohlendioxid (CO2) in Methan umgewandelt. Aus einer KWh elektrischer Energie kann man so Methangas mit einem Brennwert von 0,6 KWh herstellen, aus welchem wieder 0,36 KWh elektrische Energie erzeugt werden können. Bei Nutzung der Abwärme von diesen Prozessen ist ein systemischer Wirkungsgrad von 0,6 möglich.

Für die Aufspaltung des Wassers verwenden die Ingenieure vom ZSW die alkalische Elektrolyse, wobei durch Natrium- oder Kaliumhydroxid im Wasser dessen Leitfähigkeit erhöht wird. Ein Elektro-lyseur mit 25 KW elektrischer Anschlussleistung kann je nach Hersteller aus bis zu hundert einzelnen Zellen aufgebaut sein.

Schritt 1 : Bei der Umwandlung von Strom in Methan: die etwa 25-prozentige Kalilauge dient bei der alkalyschen Elektrolyse als Elektrolyt, die Membran ist wasser-, aber nicht gasdurchlässig. Durch ein an die Zelle angelegter Gleichstrom spaltet sich das Wasser in Wasserstoff (Kathode) und Sauerstoff (Anode) auf.

 

Jede besteht aus einem Anoden- und einem Kathodenraum, in denen Sauerstoff (Anodenraum) und Wasserstoff (Kathodenraum) gebildet werden, welche durch eine gasdichte Membran voneinander getrennt sind. Bei einer Zellenspannung von 2,5 Volt fließt bei solch einem Elektrolyseur durch eine Reihenschaltung von hundert Zellen ein Strom von hundert Ampere.

Noch gewaltigere Ströme im Bereich von zehn Kiloampere sind bei größeren Elektrolyseuren möglich. „Die Elektroden in den Zellen sind sehr porös gestaltet, wodurch deren Reaktivität erhöht und der Energieverbrauch je Normkubikmeter Wasserstoff verringert wird“, sagt Andreas Brinner, Elektro- und Maschinenbauingenieur und verantwortlich für Entwicklungen im Bereich Elektrolyse im ZSW.

Schritt 2 : Im Anschluss an die Elektrolyse wird der gewonnene Wasserstoff zusammen mit Kohlendioxid in einem Reaktor in Methan umgewandelt. Aus einer KWh elektrischer Energie lässt sich so Methangas mit einem Brennwert von 0,6 KWh herstellen. Aus diesem lässt sich wieder 0,36 KWh elektrische Energie erzeugen.

 

„Bei einer sichtbaren Oberfläche von zum Beispiel einem Quadratmeter kann sich auf Grund der Poren eine sogenannte innere Oberfläche von mehreren hundert Quadratmetern ergeben.“ Um Methan herzustellen, leitet man Wasserstoff und CO2 in einem Festbettreaktor durch eine Schüttung von Katalysatorpellets, wobei die chemische Reaktion bei einem Druck von weniger als 10 bar und einer Temperatur zwischen 250 und 500 Grad Celsius abläuft.

Weiteres Treibhausgas wird zum begehrten Rohstoff

Untergebracht ist die 25 KW-Anlage in zwei großen, stählernen Transportcontainern, wobei einer davon den Elektrolyseur, den Methanreaktor und die Abfüllstation für das Methan enthält. Im zweiten befinden sich die Apparate zur Gewinnung von CO2, das in der Luft in einer Konzentration von 0,04 Prozent enthalten ist.

“Aufgrund des abnehmenden Verbrauchs von Erdgas und der zu erwartenden Methanproduktion werden wir immer weniger von Gasimporten abhängen.”
Prof. Jürgen Schmid, Fraunhofer IWES

Über eine Waschanlage wird hier das Treibhausgas mit Natrium- oder Kaliumhydroxid aus der Luft entfernt und in einem Elektrodialysegerät über ein elektrisches Feld und eine Ionenaustauschermembran wieder gewonnen. „Dieser Prozess verbraucht zusätzlich Energie, wodurch sich der Wirkungsgrad der Methanerzeugung verschlechtert“, sagt Zuberbühler. „Daher ist er für den Standardbetrieb viel zu unwirtschaftlich.“ Interessant könnte diese Methode allerdings in solchen Gegenden sein, wo man keine ergiebigen Quellen für CO2 erschließen kann. Sehr viel günstiger ist es, wenn man CO2 verwendet, das durchschnittlich zu 35 Prozent im Rohbiogas enthalten ist.

Vorteilhaft ist die Kombination einer Power-to-Gas-Anlage mit einer Biogasanlage noch aus anderen Gründen. Den Sauerstoff aus dem Elektrolyseur kann man für die Grobentschwefelung des Biogases verwenden, mit der Abwärme der Stromvergasungsanlage lässt sich der Fermenter temperieren. Der Sauerstoff kann aber auch in der Stahlproduktion dazu dienen, den Kohlenstoff aus dem geschmolzenen Metall zu entfernen. „Unsere transportable Pilotanlage haben wir bereits erfolgreich in Verbindung mit zwei verschiedenen Biogasanlagen getestet“, sagt Zuberbühler. Bei der Biogasanlage der rheinland-pfälzischen Energielandschaft Morbach wurde entschwefeltes Rohbiogas für die Methanisierung verwendet. Einsparen kann man dadurch die Abtrennung von CO2, etwa durch eine Aminwäsche oder das Druckwechselabsorptionsverfahren. Das gebildete Methan enthält dann aber noch Verunreinigungen aus dem Rohbiogas.

Schritt 3 : Die Übersicht zeigt: Energie aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen kann man speichern, indem man den Strom zur Elektrolyse von Wasser verwendet. Der entstehende Wasserstoff wird mit Kohlendioxid zu Methan umgesetzt, das sich in großen Mengen speichern lässt. Bei Bedarf wird in Gaskraftwerken wieder Strom erzeugt und in Verteilernetze eingespeist.

 

Ungefähr 50 Biogasanlagen in Deutschland verfügen über eine Einrichtung zum Isolieren von CO2. Eine davon, die Biogasanlage des Energieversorgers EWE zur Verarbeitung von Abfällen, steht im emsländischen Werlte, wo die 25-KW-Anlage ebenfalls getestet wurde. „Das hier gewonnene CO2 ist so rein, dass das produzierte Methan die Qualität von Erdgas hat“, sagt Zuberbühler. Außer von Biogasanlagen könnte das CO2 auch von Brauereien, Klärwerken oder Ethanolherstellern kommen. Will man Strom CO2-neutral speichern, darf man keine fossilen Quellen für dieses Treibhausgas anzapfen.

Eine 25-KW-Power-to-Gas Anlage direkt über eine Photovol-taikanlage entsprechender Leistung mit Strom zu versorgen, um diesen in Methan umzuwandeln, ist zum jetzigen Zeitpunkt wegen der hohen Investitionskosten und des apparativen Aufwands unrentabel. Gefördert vom Bundesumweltministerium wird derzeit am ZSW eine 250-KW-Pilotanlage gebaut. Diese stellt einen wichtigen Meilenstein dar auf dem Weg, Anlagen mit bis zu 50 MW Anschlussleistung bauen und betreiben zu können. „Mit der größeren Pilotanlage wollen wir Regelstrategien und Betriebsweisen zum Verarbeiten von Überschusskapazitäten an erneuerbarem Strom testen“, sagt Ulrich Zuberbühler. Da solche Kapazitäten nicht immer vorliegen, muss der Anlagenbetrieb eine gewisse Dynamik aufwiesen. Und hier gibt es noch Entwicklungsbedarf.

Pausen sind nicht immer förderlich

“Was Stromsteuern und die Umlage aus dem Gesetz für Erneuerbare Energien betrifft, werden Energiespeicher bisher nicht anders behandelt als eine Glühbirne.”
Stephan Rieke, SolarFuel

Bei gleichbleibender Belastung sind herkömmliche Elektrolyseure mit Laufzeiten von zehn bis 20 Jahren zwischen zwei Wartungszyklen wahre Dauerläufer. Durch häufiges Ein- und Ausschalten schwankt jedoch deren Betriebstemperatur, was sich durch thermische Ausdehnung belastend auf die Bauteile auswirkt. Aber das ist nicht das einzige Problem. „Bei Elektrolyseuren mit katalytisch beschichteten Elektroden liegt an diesen während der Ein- und Ausschaltphasen kurzzeitig ein Oxidationspotenzial an. In diesem Zustand werden weder Wasserstoff noch Sauerstoff produziert, aber an der Anode bildet sich eine dauerhafte Oxidschicht“, sagt Brinner. Innerhalb von ungefähr 20.000 Betriebsstunden führt dies zu einem Anstieg des Energieverbrauchs je gebildetem Kubikmeter Wasserstoff, wodurch der Betrieb unrentabel wird, und die Elektroden ausgetauscht werden müssen.

Bei vielen Beschichtungen kann man die Oxidation nur dadurch verhindern, indem man beim Stillstand des Elektrolyseurs die Spannung an den Elektroden soweit erhöht, dass keine Oxidation mehr stattfindet, und noch kein Wasserstoff oder Sauerstoff gebildet wird. Die Elektrolyseure für wechselnde Betriebsbedingungen zu optimieren und durch geeignete Speicherung von Wasserstoff und CO2 einen möglichst konstanten Betrieb des Methanreaktors zu gewährleisten, daran arbeiten die Ingenieure am ZSW.

Alkalischer 0,5 MWN Druckelektrolyseur für die Wasserstoffherstellung aus Solarenergie: Für die großtechnische Herstellung von Wasserstoff sind neben einem Elektrolyseblock weitere Anlagenkomponenten erforderlich, die über ein komplexes Rohrsystem miteinander verbunden sind.

Erfahrungen mit der 250 KW-Anlage sollen in die sechs MW-Anlage einfließen, die SolarFuel schlüsselfertig für den Automobilkonzern Audi in Werlte am Standort der Biogasanlage errichten wird. Ab Mitte 2013 soll sie stündlich mehr als 300 m3 Methan in Erdgasqualität liefern. Der Autobauer, der auch in Offshore-Windanlagen investiert, will mit seinem „e-gas“ (erneuerbares Gas) Projekt die CO2-neutrale Mobilität ausbauen, denn 2013 soll ein neuer Audi auf den Markt kommen, der mit Methan betankt wird.

„Aus betriebswirtschaftlicher Sicht ist nicht zu erwarten, dass mit der Sechs-MW-Anlage schon große Gewinne eingefahren werden“, sagt Stephan Rieke von SolarFuel, zuständig für den Vertrieb der Power-to-Gas-Anlagen und energiepolitische Themen. Vielmehr soll sie zur Demonstration der Technik im industriellen Maßstab, zum Entwurf von Geschäftsmodellen und zur Schaffung geeigneter gesetzlicher Rahmenbedingungen dienen, welche Investitionen in die Speichertechnologie ermöglichen. Letzteres ist notwendig, denn wer investiert schon, wenn sich kein Geld verdienen lässt?

„Was Stromsteuern und die Umlage aus dem Gesetz für Erneuerbare Energien betrifft, werden Energiespeicher bisher nicht anders behandelt als eine Glühbirne. Sowohl bei der Umwandlung von Strom in Methan als auch bei der Gasnutzung wird man zur Kasse gebeten, und dies entspricht einer Doppelbesteuerung“, sagt Rieke. Seiner Auffassung nach werden sich die Stromproduzenten der Zukunft nicht darauf beschränken, elektrische Energie ins Stromnetz einzuspeisen, sondern auch entscheiden, wofür die erzeugte Energie genutzt wird. „Das Schöne an der Umwandlung von Strom in Methan ist, dass man das Gas sowohl für die Bereitstellung von Strom, Kraftstoff oder Wärme vermarkten kann“, sagt Stephan Rieke.

Gute Perspektiven

Für Prof. Jürgen Schmid, Institutsleiter vom Fraunhofer IWES und Mitglied im „Wissenschaftlichen Beirat der Bundesregierung Globale Umweltveränderungen“ birgt die Möglichkeit aus Strom Methan herzustellen eine besondere Perspektive: „Auf Grund des abnehmenden Verbrauchs von Erdgas und der zu erwartenden Methanproduktion im eigenen Land werden wir immer weniger von Gasimporten abhängen. Allerdings sollte die rein thermische Nutzung von Energieträgern zur Bereitstellung von Prozess- oder Heizwärme zugunsten dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung umgestellt werden.“

“Unsere Power-to-Gas Pilotanlage im 25 KW-Maßstab läuft so zuverlässig, dass wir über längere Zeit hinweg einen Kubikmeter Methan je Stunde produzieren können.”
Dr. Ulrich Zuberbühler, ZSW

Ist die Bundesregierung der Auffassung, dass bis 2050 durch Einsparungen und Effizienzsteigerungen weniger Strom verbraucht wird, sieht Schmid durch zunehmende Elektromobilität und Nutzung von Wärmepumpen dennoch einen Anstieg im Bruttoverbrauch elektrischer Energie auf 740 TWh. Weiterhin müsse ein Überschuss von 20 Prozent an regenerativer Energie erzeugt werden, um ausreichende Mengen an Methan speichern zu können. „Geht man davon aus, dass eine Periode ohne Wind und Sonnenschein maximal zwei Wochen dauert, müssen dafür ungefähr 60 TWh gespeichertes Gas zur Verfügung stehen“, sagt Schmid.

Wegen des rückläufigen Gasverbrauchs seien aber keine zusätzlichen Speicher notwendig. Ob die Speicherung von reinem Wasserstoff für die Energieversorgung jemals eine große Rolle spielen wird, kann noch nicht gesagt werden. Einerseits funktionieren die Brennstoffzellen und Wasserstoffturbinen-Kraftwerke zur Verstromung bisher nur im Labormaßstab, und andererseits gibt es noch kein entsprechendes Leitungsnetz. „Ob man jemals eines bauen wird, ist fraglich“, sagt Prof. Schmid, „denn die Herstellung von Methan aus Wasserstoff ist einfach zu bewältigen, der um sechs Prozent niedrigere Wirkungsgrad bei der Erzeugung und Verstromung von Methan zu verschmerzen.“

Das bleibt hängen

Strom in Methan umwandeln

  • Die Ausbaumöglichkeiten von Pumpenspeicherkraftwerken sind begrenzt
  • Strom in Methan umwandeln – diese Technik entwickeln derzeit das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW), das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) und die Firma SolarFuel
  • Erste Erfahrungen mit einer 25 KW-Anlage liegen bereits vor
  • Im ersten Schritt wird Wasser elektrolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt
  • Anschließend wird der Wasserstoff in einem Reaktor zusammen mit Kohlendioxid in Methan umgewandelt
  • Günstig ist es, wenn man CO2 verwendet, das zu 35 Prozent in Rohbiogas vorkommt
  • Das CO2 kann auch von Brauereien, Klärwerken oder Ethanolherstellern stammen
  • Das Bundesumweltministerium fördert den Bau einer 250-KW-Pilotanlage, die derzeit am ZSW gebaut wird
  • SolarFuel wird für Audi in Werlte, am Standort einer dort befindlichen Biogasanlage, eine Sechs-MW-Anlage errichten. Ab Mitte 2013 soll sie stündlich mehr als 300 m3 Methan in Erdgasqualität liefern