IKZ-ENERGY Nr. 10-2013

Das fuE Power-to-gas
Mit dem Power-to-Gas-Verfahren entwickelte
das Zentrum für Sonnenenergie
und Wasserstoff-Forschung Baden-Würt-
temberg (ZSW), in Zusammenarbeit mit
der Fraunhofer IWES, im Jahr 2009 eine
Technik, die es ermöglichen würde, Strom
aus Erneuerbaren Energieanlagen (EEA)
langfristig zu speichern. Der zugrunde
liegende Sabatierprozess ist alt, die Einbeziehung
der EE zur Biomethanisierung
ist neu.
Das Power-to-Gas-Verfahren nutzt den
produzierten Strom aus Windenergieanlagen,
um das Wasser elektrolytisch in Wasserstoff
und Sauerstoff zu spalten. In einer
anschließenden Synthese mit dem emittierten
CO2 aus den Biogasanlagen wird
Biomethan, mit einem energetischen Wirkungsgrad
> 65 % kWh SNG /kWh el , produziert.
Das Konzept wurde am Fraunhofer
IWES in Kassel und am ZSW – federführend
von Dr. Specht und Dr. Sterner – entwickelt.
Die Firma SolarFuel GmbH baute
im Jahr 2009 auf dem Gelände der ZSW die
Pilotanlage mit einer Anschlussleistung
von 25 kW. In ihr wurde die Synthese des
Erdgassubstituts (Substitute Natural Gas,
SNG) getestet.
Über die Einspeisung in das Erdgasnetz
mit seiner Länge von 370 000 km und einer
Aufnahmekapazität von aktuell bei
217 TWh th und 65 TW th (1 TW = 1000 GW)
im Zubau entsteht ein enorm großer Langzeitspeicher
für regenerativ erzeugten
Strom – 217 Terrawattstunden thermischer
Energie entsprechen einem Energieverbrauch
von mehreren Monaten. Damit
könnte das bislang im Energiesystem
entkoppelte Transportsystem für elektrische
Energie mit der Gasinfrastruktur
verknüpft werden. Die Rückverstromung
geschieht über KWK-Anlagen, GuD-KWK,
BHKW, GuD-Anlagen. Die Anwendungsfelder
liegen aber nicht nur auf der Rückverstromung,
sondern natürlich auch der
Wärmeversorgung, der industriellen Nutzung
und der Mobilität.
Das Power-to-Gas-Verfahren löst gleich
zwei Kernprobleme der Energiewende. Die
Speicherung von EE und die Versorgung
mit klimafreundlichem Kraftstoff – besonders
für lange Strecken als Ergänzung der
Elektromobilität. Damit wird eine stabile
Stromversorgung mit Wind- und Solar-
energie und eine Option für den Verkehr
möglich.
P2g und Bereitstellung von Energie
Grundsätzlich gibt es drei Verfahren der
Elektrolyse: Die alkalische Elektrolyse, die
Membran-Elektrolyse und die Druck-Elektrolyse.
Das ZSW aus Stuttgart arbeitet mit der
Technik der Druck-Alkali-Wäsche. Ihre Forscher
wollen in einem Konsortium mit dem
Fraunhofer IWES und der SolarFuel die
notwendigen marktwirtschaftlichen Parameter,
wie z. B. die Wirkungsgrad- und
die Kostenoptimierung des Biomethanisierungsverfahrens,
für künftige Powerto-Gas-Anlagen
im Betrieb testen. Energiewirtschaftlich
relevant meint Anlagen
in einer Größenordnung von 1 bis 20 MW.
Hierfür wurde im Oktober 2012, mit einer
Anschlussleistung von 250 KW und einer
möglichen Methanproduktion von bis zu
300 m³ pro Tag, die weltweit größte Powerto-Gas-Anlage
eingeweiht. Mit ihr soll im
Betrieb ein innovatives Prozessleitsystem
für die Steuerung und Regelung für die
Bereitstellung von Regelenergie getestet
werden. „Unsere Forschungsanlage arbeitet
dynamisch und intermittierend. Im Gegensatz
zur ersten Anlage, kann sie flexibel
auf das rasch wechselnde Stromangebot
aus Wind und Sonne und auf plötzliche
Unterbrechungen reagieren“, erklärt Dr.
Michael Specht, Leiter des ZSW-Fachgebiets
Regenerative Energieträger und Verfahren.
Recht schnell registrierten die Forscher,
dass das jetzige Elekrolyseverfahren
für die Wirtschaftlichkeit zukünfiger Anlagen
einer Nachrüstung bedarf.
Auf dem Forschungsgelände arbeiten
seit Anfang Januar 2013 Forscher des
ZSW und Mitarbeiter der Firmen SolarFuel
und Enertrag an diesem zusätzlichen Projekt.
In einem innovativen 300-kW-Druckelektrolyseur
bilden seine 70 Zellen einen
kompakten Stapel. Die Vergrößerung der
Zellenfläche in Verbindung mit einer verbesserten
Elektrodenaktivierung soll zur
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Speicher
Erhöhung der Gasabgabemenge und des
Wirkungsgrades führen. Die geplante Anlage
fungiert als Demonstrator einer Wasserelektrolyse
im unteren MW-Maßstab einer
Größenordnung, die für Anlagen im
1- bis 20-MW-Bereich notwendig ist. Weitere
Inhalte der Forschungsarbeiten bei
der Elekrolysetechnik gelten der Elekrodenbeschichtung.
Auch eine Analyse potenzieller
CO2-Quellen hinsichtlich Verfügbarkeit,
Erzeugungspotenzial, Wirtschaftlichkeit
und Kosten ist Gegenstand
der F&E-Arbeiten. Wie z. B. das CO2 aus der
Bioethanolherstellung, CCS oder CO2-Re-
cycling, aus Prozessen der chemischen Industrie
oder CO2-Produzenten wie Aluminiumwerke
und Müllverbrennungsanlagen.
Finanziert wird dieses auf drei Jahre
limitierte Vorhaben von dem Bundesministerium
für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit.
Eine andere Option stellt das Verfahren
mittels des „Protonen Austausch Membran
Elekrolyseur“ (engl. PEM) dar. Die semipermeable
Membran erlaubt die Diffusion
von H+-Ionen, nicht aber die von Anionen.
Die Vorteile gegenüber der alkalischen
genutzten Elekrolysetechnik liegen darin,
dass bei der PEM-Technik eine Feststoffmembran
vorliegt, die ohne Gefahrenstoffe
arbeiten kann. Auch ist mit diesem
Verfahren eine Produktion von über 99 %
reinem Wasserstoff ohne aufwendige Nach-
Reinigung möglich. Die aktuell eingesetzten
Elektrolyseure haben jedoch ein ungünstiges
Preis-Leistungs-Verhältnis und
werden nur in Bereichen von bis zu 100 kW
eingesetzt.
Ein Konsortium aus den Industriepartnern
E.on Hanse, Hydrogenics und Solivicore
legte im 2. Quartal 2013, in Hamburg-Reitbrook,
den Grundstein für eine
Vorbild
Naturkreislauf
Wir freuen uns auf Sie!
SHKG in Leipzig
vom 16. – 18. Oktober 2013
Halle 3 Stand B53
10/2013 IKZ-EnErgy 49
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