EE-Gas: Das Gasnetz als Stromspeicher

Durch Umwandlung in Wasserstoff und regeneratives Erdgas werden Erneuerbare Energien speicherbar und grundlastfähig

Zwei Gegenargumente wirtschaftlicher und technischer Art werden häufig genannt, wenn es um die Möglichkeit der Energieversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien geht: Hohe Kosten und starke Verfügbarkeitsschwankungen. Letztere ließen sich nur durch intelligente Stromnetze und enorme Speichermöglichkeiten ausgleichen, die momentan nicht in dem Maßstab verfügbar seien und deren Ausbau enorm langwierig und kostenintensiv wäre.

In den letzten Jahren sind die Kosten für Photovoltaik und Windkraft deutlich gesunken. Inzwischen gehen Fachleute daher davon aus, dass elektrischer Strom aus diesen Quellen in Deutschland innerhalb von 5 Jahren zu Marktpreisen erzeugt werden kann, also die sog. Netzparität erreicht wird. Aus unserer Sicht werden Erneuerbare Energien in absehbarer Zeit die günstigste Energieform darstellen. Dieser Preisvorteil wird sich noch in dem Maße verstärken, in dem konventionelle Energieträger zunehmend knapper und teurer werden.

Durch die Netzparität von elektrischem Strom aus Wind und Sonne würde sich die Kostenproblematik in einen Kostenvorteil wandeln. Es bliebe aber, auch aufgrund der erheblichen Schwankungsbreite der Energieerzeugung aus Wind und Sonne, beim Netz- und Speicherproblem. Oft wird argumentiert, Wind- und Sonnenstrom wären nicht grundlastfähig und könnten nicht gespeichert werden oder für die Speicherung müssten Pumpspeicherkraftwerke mit entsprechender Kapazität in Norwegen oder den Alpen gebaut werden, gegen die es z.T. erhebliche Widerstände gäbe.

Genau hier setzt die Umwandlung von regenerativ erzeugtem, elektrischem Strom in sogenanntes EE-Gas (Wasserstoff oder Methan) an und schließt die Netz- und Speicherlücke, da die beiden Gase flexibel verwendet und je nach Bedarf auch langfristig und in großem Umfang im bereits vorhandenen Gasnetz gespeichert werden können.

Elektrolyse und Methanisierung machen Ökostrom zu EE-Gas

Um dieses Potential zu nutzen, kann Ökostrom in einem ersten Schritt mittels Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion verwendet werden. Dabei wird Wasser mit Hilfe von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der Wasserstoff kann einerseits gespeichert und vor Ort dann als Kraftstoff für wasserstoffbetriebene Verkehrsmittel genutzt werden. Andererseits kann er in einem KWK-Blockheizkraftwerk unter Zugabe von 30 % Biogas oder ohne Verbrennung in einer Brennstoffzelle auch rückverstromt werden. Als weitere Alternative kann Wasserstoff gemäß DIN-Norm bis zu einem Anteil von 5 % (der mittelfristig auf 15 % steigen könnte) in das Gasnetz eingespeist werden.

Wenn mehr Wasserstoff zur Verfügung steht als beispielsweise für Fahrzeuge, Blockheizkraftwerke und Brennstoffzellen benötigt wird und auch die Potentiale zur Direkteinspeisung ins Gasnetz technisch ausgereizt sind, schließt die Umwandlung in Methan diese Speicherlücke. Dabei reagiert der Wasserstoff in der sog. Sabatier-Reaktion mit Kohlendioxid zu Methan und Wasser. Das entstehende Methan wird auch synthetisches Methan oder regeneratives Erdgas genannt. Dieses regenerative Erdgas kann bis zu einem Anteil von annähernd 100 % in das bestehende Gasnetz eingespeist und genutzt werden, da fossiles Erdgas ohnehin zu 75-99 % aus Methan besteht.

Die Umwandlung von Ökostrom in EE-Gas erfolgt also in zwei grundlegenden und heute bereits vielfach angewandten Reaktionen:

1. Elektrolyse: Aufspaltung von Wasser (H₂O) in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) mit Hilfe von elektrischem Strom gemäß der Formel:
   2 H₂O + elektr. Energie → 2 H₂ + O₂
   
   
2. Methanisierung durch Sabatier-Reaktion: Wasserstoff (H₂) reagiert unter Zugabe von Kohlendioxid (CO₂) zu Methan (CH₄) und Wasser (H₂0) gemäß der Formel:
   CO₂ + 4 H₂ → CH₄ + 2 H₂O

Je nach Anwendung ist Wasserstoff oder Methan vorzuziehen, wobei der Wirkungsgrad von Wasserstoff höher ausfällt, Methan hingegen besser gespeichert werden kann und ohne größere Umrüstungen mit heutigen Gaskraftwerken kompatibel ist. Vor dem Hintergrund, dass ein Großteil der für die Generierung von EE-Gas verwendeten Primärenergie derzeit ohne dieses Verfahren gar nicht genutzt werden könnte und dass als Alternative nur eine Abschaltung von Wind- und ggf. auch Solarkraftwerken in Frage kommt, ist die Umwandlung und Speicherung in EE-Gas besonders sinnvoll. 

100 % Erneuerbare Energien mit regenerativem Erdgas aus Wind- und Sonnenstrom

Langfristig könnte das "Windgas" bzw. "Sonnengas" aus heimischer Erzeugung klimaschädliches Erdgas und andere fossile Energieträger sowie Atomstrom bei der Erzeugung von elektrischem Strom und Wärme ersetzen. Die technischen Voraussetzungen dafür sind vorhanden, allerdings fehlt es noch an den Marktbedingungen für den Einsatz der Technologie im großen Maßstab, wenngleich bereits mehrere Anlagen, darunter das Hybridkraftwerk der ENERTRAG AG bei Prenzlau, in Betrieb sind.

Schon heute müssen Windparkbetreiber ihre Windparks bisweilen wegen Netzüberlastung vom Netz nehmen, so dass deren Produktion verloren geht, auch wenn der Ertragsausfall in den meisten Fällen gemäß EEG erstattet wird. Schon 2009 gingen in Deutschland laut Ecofys 89 GWh Windstrom aufgrund überlasteter Netze verloren - Tendenz steigend.

Dieser Menge stehen zur Zeit nur 40 GWh deutscher Pumpspeicherkapazität gegenüber. Im Gegensatz zu diesen überschaubaren  Speichermöglichkeiten könnte bereits das vorhandene Gasnetz soviel EE-Gas aufnehmen, dass man, entsprechende Verstromungskapazitäten vorausgesetzt, damit theoretisch über 100 TWh elektrischen Strom erzeugen könnte. Diese Kapazität entspricht einem Sechstel des jährlichen Stromverbrauchs in Deutschland von ca. 600 TWh (2010) und soll nach aktuellen Planungen bis 2030 noch einmal um 37 % erhöht werden. Eine elektrische Kapazität von 100 TWh würde somit ausreichen, um Deutschland zwei Monate lang mit elektrischem Strom zu versorgen. Mit regenerativem Erdgas könnte so das Ziel von 100 % grundlastfähigen Erneuerbaren Energien erreicht werden.

Das Problem der vom Bedarf entkoppelten Verfügbarkeit von Ökostrom könnte durch die Speicherung als EE-Gas gelöst werden. Dieses neue Potential der regenerativen Energien wird zunehmend auch in Wirtschaft und Politik gesehen, so dass ein weiterer Ausbau der Methanisierungskapazitäten zu erwarten ist.