Power-to-Gas: Wie funktioniert diese Technik und wie sieht es mit der Wirtschaftlichkeit aus?

Question

Arbeitet einer der Experten hier in diesem Bereich und kann über den aktuellen Stand berichten?

Answer 1

Mit Power-to-Gas (P2G) sind Verfahren benannt, die aus (momentan überschüssigem) Strom mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugen. Da Wasserstoff  schwierig zu speichern ist, und nur 5% Wasserstoff dem Erdgas beigemischt werden dürfen, geht man in der Regel einen Schritt weiter und setzt den Wasserstoff mit CO2 zu Methan (=Erdgas) um. Dafür ist die Speicher und Verteilungsinfrastruktur vorhanden, was natürlich ein großer Vorteil ist. Das Erdgas sollte dann für Heizund und Mobilität (Benzinersatz) verwendet werden.

Während Wasserstoff lediglich der Elektrolyse bedarf, laufen die meisten Verfahren zur Produktion von Methan chemisch ab und erfordern einen hohen Druck, eine hohe Temperatur, hohe CO2-Konzentration und -Reinheit. Es gibt auch die Möglichkeit, die Methansynthese in Bioreaktoren mithilfe von Archaeen durchzuführen. Durch die hohe Selektivität der Mikroorganismen kann auch bei niedrigeren Konzentrationen methanisiert werden.

Leider sind alle Verfahren mit ziemlichen Verlusten behaftet. 

Wirkungsgrade:
Strom -> Wasserstoff  max. 72 %
Strom -> Methan max: 64 %

Bei einer Rückwandlung in Strom gibt es weitere erhebliche Verluste:
Gesamtwirkungsgrad:
Strom -> Wasserstoff -> Strom: max. 44 %
Strom -> Methan -> Strom max. 38 %

etwas besser sieht es bei der Kraftwärmekopplung (Strom & Wärme) aus:
Strom -> Wasserstoff -> KWK: max. 62 %
Strom -> Methan -> KWK: max. 54 %

Daraus könnte man schließen, dass diese Verfahren unwirtschaftlich sind. Aber man kann auch argumentieren, dass der Strom ansonsten verloren wäre (Abschaltung der Windkraftanlage, Abregelung der PV). Ein technisch / ökonomisches Problem ist die Gewinnung des CO2 aus technischen Prozessen oder aus der Luft. Die biochemischen Verfahren scheinen hier günstiger.

siehe auch Wikipedia

Answer 2

Das ist eine Technologie, die wegen ihrer sehr großen Speicherkapazitäten interessant ist.

Sie kann über Wochen oder Monate Strom speichern und zur Verfügung stellen, ist aber heute noch nicht so ausgereift, dass man sie sofort massenhaft aufbauen könnte. Kostensenkungen sind ebenfalls nötig. Ein weiterer Nachteil dieser Technologie sind die relativ hohen Verluste, die sich bei der Umwandlung von Strom in Gas und bei der Rückwandlung ergeben.

Das ist beim Batteriespeicher besser: Lithium-Batterien erreichen  Speicherwirkungsgrade in der Größenordnung von 90% d.h. nur 10% gehen verloren. Wegen der geringeren Verluste darf die Lithium-Batterie auch teurer sein als die Power2Gas-Technologie. Außerdem lassen sich Batteriesysteme in kleineren Leistungen realisieren und können bereits ab 2 kWh Speicherkapazität eingesetzt werden.

Answer 3

Ergänzend zu dem hierzu bereits hervorragend Ausgeführtem möchte ich unterstreichen, dass Power-to-Gas gegenwärtig die einzige Energiespeichertechnologie ist, mit der große Energiemengen saisonal gespeichert werden können. In großen Energieversorgungssystemen in mittleren und hohen geographischen Breiten wird ab einem Anteil von erneuerbaren Energien von 80% an der Stromversorgung die saisonale Speicherung aber unabdingbar, wenn Energieträger mit hohen saisonalen Erzeugungsunterschieden, sprich vor allem PV-Anlagen zum Einsatz kommen. Da nur Windkraft- und PV-Anlagen in großen Energieversorgungssystemen, zum Beispiel Deutschland als Ganzes, hinreichend viel Strom erzeugen können, um mehr als 80% des Bedarfs zu decken, und eine Kombination beider den Gesamtspeicherbedarf senkt, ist der Einsatz von Power-to-Gas dann dringend erforderlich.

In kleinen Energieversorgungssystemen egal in welchen Breitengraden, etwas einzelnen Dörfern, kann die saisonale Energiespeicherung auch in Form von fester und flüssiger Biomasse erfolgen. In großen Energieversorgungssystemen in niedrigen geographischen Breiten (Äquatornähe), etwa großen Inseln, ist die Erzeugung von Strom aus PV-Anlagen saisonal hinreichend ausgeglichen, so dass nicht zwingend Langzeitspeicher mit einer Kapazität benötigt werden, für welche dann nur Power-to-Gas in Frage käme.

Der Vergleich von Power-to-Gas mit Batterien hinkt insofern, als diese Kurzzeit-, jene Langzeitspeicher sind. Power-to-Gas ist zu ineffizient, als dass damit Energie nur für kurze Zeit gespeichert werden sollte, Batterien haben überwiegend eine zu große Selbstentladung, als dass sie als Langzeitspeicher in Frage kämen. Eine Ausnahme bilden Redox-Flow-Batterien, bei denen die Selbstentladung gut vermieden werden kann.