Forscher des Fraunhofer-Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) in Kassel und des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) arbeiten gemeinsam mit den Firmen SolarFuel und Audi an einer Anlage, die Strom aus Wind und Sonne erstmals im industriellen Maßstab in Methan umwandeln soll. Dieses künstliche Erdgas kann problemlos gelagert werden und bei Flaute und bedecktem Himmel über Gaskraftwerke wieder Strom erzeugen oder Gasautos antreiben.
Die Anlage soll 2013 in Betrieb gehen und wird eine Leistung von 6,3 MW haben, etwa so viel wie drei große Windräder oder 1000 Photovoltaikanlagen. Das für den Prozess benötigte CO2 wird aus einer Biogasanlage, die Reststoffe und Abfälle verwertet und klimaneutrales CO2 liefert, bereitgestellt. Das erzeugte Methan wird in Werlte in Niedersachsen in das Gasnetz eingespeist, wo es dann in Gasspeichern lagert. Von dort aus strömt es über die vorhandenen Erdgasleitungen zu den Verbrauchern.
Doch wie funktioniert das Verfahren? Der elektrische Strom spaltet Wassermoleküle zunächst in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Lässt man den Wasserstoff mit CO2 reagieren, entsteht das Methan. Das Verfahren an sich ist seit langem bekannt. Es in großem Maßstab einzusetzen, um Netzengpässe durch erneuerbaren Energien auszugleichen, ist dagegen ein gänzlich neuer Ansatz. „Strom- und Gasnetz zu koppeln, ist ergänzend zu Netzausbau, Lastmanagement und Kurzzeitspeichern ein Eckpfeiler der Energiewende“, sagt Prof. Dr. Jürgen Schmid, Leiter des IWES. „Es ist absehbar, dass erneuerbarer Strom zur Primärenergie wird, da sich beispielsweise Windstrom mit zur günstigsten Art und Weise der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien entwickelt.“ Indem die Power-to-Gas-Technologie die Strom- und Gasnetze koppelt, könne sie Stromengpässe von bis zu zwei Wochen überbrücken.
Damit das Verfahren das Klima nicht schädigt ist es wichtig, das CO2 aus nachhaltigen Quellen zu gewinnen. Davon gibt es nach Ansicht der Forscher in Deutschland genügend: Allein in den bestehenden 50 Biogas-Aufbereitungsanlagen entstehen 500.000 Tonnen CO2. Damit ließen sich 4,8 TWh Strom speichern – das entspricht dem Jahresverbrauch von etwa 1,5 Mio. Haushalten. Herkömmliche Biogasanlagen liefern ebenfalls sehr viel CO2. Alleine 20 % der Anlagen könnten 2 Mio. t CO2 bereitstellen. Weitere große Quellen sind Bioethanolanlagen, Brauereien und Klärwerke, sie liefern 1,1 Mio. t CO2.
Nutzt man das CO2 aus Biogasanlagen für die Power-to-Gas-Anlage, ergibt sich ein weiterer Vorteil: Das Biogas, das zu 60 % aus Methan und zu 40 % aus CO2 besteht, wird über Biogas-Aufbereitungsanlagen üblicherweise in das Gasnetz eingespeist, um es in der Fläche einer sinnvollen energetischen Nutzung zuzuführen. Dabei entweichen etwa 2 % des Methans in die Atmosphäre, man spricht von Methanschlupf. Eine heikle Angelegenheit für das Klima, da Methan auf hundert Jahre gesehen 21 Mal klimaschädlicher ist als CO2. „Dieses Loch können wir stopfen, indem man das Biogas durch die Power-to-Gas-Anlage leitet. Dabei entsteht aus dem Biogas fast reines Methan, das ohne Methanschlupf aufbereitet werden kann“, erläutert Dr. Michael Sterner, leitender Wissenschaftler am IWES.
Was die Wirtschaftlichkeit der Power-to-Gas-Anlage angeht, ist Sterner zuversichtlich: „Selbst bei einem ideal ausgebauten Stromnetz und optimalem Lastmanagement sind Stromspeicher nötig. Es ist daher nur eine Frage der Zeit, bis sich hier ein wirtschaftliches Konzept ergibt“, ist sich der Forscher sicher. Denn während die Speicher, die im Stromnetz vorhanden sind, die Stromversorgung nur für wenige Stunden aufrechterhalten könnten, biete das Erdgasnetz eine rund 3000-fach höhere Speicherkapazität.
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