Energiespeicher dank Power to Gas

Mit zunehmendem Ausbau von Wind- und Solarenergie besteht in wind- und sonnenreichen Zeiten ein Überangebot, welches nicht mehr vollständig durch Flexibilitätsoptionen wie Smart Grids oder überregionalen Stromaustausch direkt verbraucht werden kann. Die Entwicklung von Energiespeichern und deren Ausbau ist daher eine der größten Herausforderungen der Energiewende.

Während Batteriespeicher und Pumpspeicher die Energie nur maximal für einige Tage bereitstellen können, bietet das Gasnetz in Deutschland mit seinen Rohrleitungen und unterirdischen Kavernen eine Speicherkapazität von mehreren Monaten. In gasförmigem Zustand kann die Energie zudem flexibel und dezentral eingesetzt werden. Die Herausforderung besteht nun darin, wie der in den Windund Solarstromanlagen erzeugte Strom in den Gasnetzen gespeichert werden kann. Eine interessante Lösungsmöglichkeit stellt die Technologie Power-to-Gas dar. Dafür wird in einem ersten Schritt die elektrische Energie aus Wind- und Sonnenstromanlagen in einem Elektrolyseverfahren genutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Sauerstoff wird abgegeben, und der Wasserstoff kann nun bereits als Brennstoff genutzt werden. Die Speicherung ist jedoch sehr aufwendig und im Gasnetz nur bis zu einem Anteil von ca. fünf Prozent möglich. Daher wird der Wasserstoff in einem zweiten Schritt methanisiert. Hier reagiert Kohlenstoffdioxid (CO2) mit Wasserstoff zu Methan. Methan kann uneingeschränkt ins Gasnetz eingespeist werden, da es auch der Hauptbestandteil von Erdgas ist.

Ein innovatives Power-to-Gas-Verfahren nutzt die Viessmann Group. Am Unternehmensstammsitz in Allendorf (Eder) wird seit März 2015 Methan ins öffentliche Erdgasnetz eingespeist, das mithilfe eines biologischen Verfahrens aus regenerativem Strom erzeugt wird. Mit diesem Verfahren kann aus überschüssigem Wind- und Solarstrom aus Wasser durch Elektrolyse Wasserstoff hergestellt werden. In Allendorf wird zur Gewinnung des Wasserstoffs ein PEM-Elektrolyseur eingesetzt, der von Carbotech – einem Viessmann Unternehmen – gebaut wurde. Der Wasserstoff kann direkt genutzt oder methanisiert werden. In Allendorf wird der Wasserstoff auf mikrobiologischem Wege zu Methangas umgewandelt.

Millionen kleiner Helfer
Drei Container und die Biomethananlage bilden die Power-to-GasAnlage in Allendorf. Während in bisherigen Power-to-Gas-Projekten die Methanisierung auf chemisch-katalytischem Weg erfolgte, hat MicrobEnergy, ein Unternehmen der Viessmann Group, ein biologisches Verfahren entwickelt. Dabei werden das in einer Biogasanlage anfallende Kohlendioxid und extern zugegebener Wasserstoff in Methan umgewandelt. Die eigentliche Methanisierung wird dabei von Millionen hochspezialisierten Mikroorganismen durchgeführt. Diese nehmen den in Flüssigkeit gelösten Wasserstoff und das Kohlendioxid durch ihre Zellwand auf und „verdauen“ es zu Methan – übrig bleibt bei diesem Prozess lediglich noch Wasser.

Die Millionen kleiner Helfer können in Kombination mit Biogasanlagen oder Kläranlagen, die als Kohlenstoffdioxidquelle dienen, eingesetzt werden. Die Energie, die sie selbst zum Überleben brauchen, erhalten sie durch den Umwandlungsprozess von Wasserstoff und Kohlendioxid. Durch die Nutzung vorhandener Biogas- und Klärgasanlagen können die Investitionskosten für Power-to-Gas-Anlagen deutlich gesenkt werden, da an den Standorten Transformatoren, Strom- und Gasnetzanschlüsse oftmals bereits vorhanden sind. Durch die Nutzung von Klärschlamm und biogenen Abfallstoffen können auch die Entgelte der kommunalen Entsorgungsdienste für die Kunden gesenkt werden, da der Gewinn aus dem eingespeisten Methan sich positiv auf den Haushalt der kommunalen Unternehmen auswirkt.

Überzeugende Testergebnisse
MicrobEnergy testete das Verfahren bereits bis Dezember 2014 in einer Demonstrationsanlage im bayerischen Schwandorf, dem Firmensitz von Schmack Biogas und MicrobEnergy. Die Testergebnisse zeigten eine hervorragende Produktgasqualität von mehr als 98 Prozent Methangehalt mit einem sehr geringen Wasserstoffanteil von weniger als zwei Prozent und einer stabilen Produktionsmenge. Nach Verlegung der Anlage an den Standort Allendorf im Rahmen des Förderprojekts „BioPower2Gas“ wird seit Anfang März 2015 der vor Ort produzierte Wasserstoff mittels des erprobten, biologischen Verfahrens methanisiert und über die vorhandene Biogaseinspeiseanlage in das Erdgasnetz eingespeist. Das Power-to-GasVerfahren dient in Allendorf zusätzlich als Aufbereitungstechnologie für Rohbiogas aus Biogas- und Kläranlagen.

Im Juni 2015 wurde ein einmonatiger Leistungstest durchgeführt. Kriterien für einen erfolgreichen Abschluss waren die zu produzierende Energiemenge von 35.000 Kilowattstunden und die Einhaltungstrikter Qualitätskriterien: Das gewonnene Gas sollte zu mehr als 98 Prozent aus Methan und zu weniger als 1,5 Prozent aus Wasserstoff bestehen. Die gesetzten Ziele wurden letztendlich um 20 Prozent übertroffen. Die zur Vermarktung des Gases einzuhaltenden Qualitätskriterien wurden durch den Standard „Bilanzierung Erneuerbare Energien“ durch den TÜV Süd bestätigt. Zudem hat das synthetische Erdgas die Zertifizierung nach Vorgaben des Zertifizierungsstandards REDcert-EU erhalten. Dies ist ein wichtiger Meilenstein für Power-to-Gas als Aufbereitungstechnologie von Biogas und die anschließende Nutzung im Kraftstoffsektor. Die Anlage wurde zudem mit dem Award „Biogaspartnerschaft des Jahres 2015“ ausgezeichnet.

Erzeugung flexibilisieren und zeitlich und räumlich vom Verbrauch entkoppeln
Seit Anfang Juli 2015 verkauft Viessmann den Biokraftstoff an einen der führenden deutschen Automobilhersteller und nutzt am Stammsitz in Allendorf selbst Gasfahrzeuge in der Flotte, die mit dem selbst erzeugten Methan fahren. Die in Allendorf jährlich bereitgestellte Gasmenge reicht aus, um mit einem gasbetriebenen Kompaktklassewagen etwa 750.000 Kilometer zurückzulegen. Man käme damit fast 20 Mal um die Erde. Aber nicht nur als Kraftstoff für die Mobilität kann das Methan genutzt werden. Es kann auch zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden.

Die biologische Methanisierung zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus und ist damit ideal geeignet, fluktuierende Energiemengen aus Wind- oder Sonnenkraft aufzunehmen. So kann das synthetische Erdgas, wie das eingespeiste Methan auch genannt wird, im Erdgasnetz gespeichert und auch über viele Kilometer transportiert werden. Durch die Speichermöglichkeit können Schwankungen zwischen Erzeugung und Verbrauch ausgeglichen werden. Ort und Zeit der Erzeugung regenerativer Energien werden somit zeitlich und räumlich vom Verbrauch entkoppelt, ohne auf konventionelle Kapazitäten wie Kern- oder Braunkohlekraftwerke zurückgreifen zu müssen. Gerade für Biogasanlagen ohne regionale Verbraucher oder für die außerhalb der größeren Städte liegenden Kläranlagen und Deponien bieten sich so neue Möglichkeiten. 

Schlüsseltechnologie für Klimaschutz und Energiewende
Der UN-Klimavertrag von Paris sendet hinsichtlich der Dekarbonisierung der Weltwirtschaft ein starkes Signal. Grundsätzlich wurde der Umbau von einer auf fossilen Energiequellen beruhenden Energiewirtschaft hin zu einer Versorgung mit regenerativen Energieträgern beschlossen. Dies betrifft alle drei Bereiche, die für die energiebedingten Emissionen verantwortlich sind: den Strom-, Wärme- und Mobilitätsbereich. Bei der Mobilität, die etwa 14 Prozent zu den gesamten weltweiten Treibhausgasemissionen beiträgt, ist der Einsatz von Biokraftstoffen und damit auch von synthetischem Erdgas Gegenstand der Ressourcen- und Dekarbonisierungsstrategie. Im Strombereich benötigen die beiden wichtigen Säulen Wind und Sonne einen flexiblen Partner, der dann einspringen kann, wenn die Erzeugung von Wind- und Sonnenstrom nicht reicht. Auch hier bietet synthetisches Erdgas eine wichtige Alternative zu den konventionellen Brennstoffen. Im Wärmebereich, der mit 40 Prozent den größten Teil der eingesetzten Endenergie ausmacht, bietet synthetisches Erdgas die Möglichkeit zur effizienten Nutzung in Anlagen zur KraftWärme-Kopplung, welche Strom und Wärme gleichermaßen erzeugen. Wind- und Sonnenstrom können flexibel im Wärmemarkt genutzt werden und gerade der Sonnenstrom für die Nutzung im Winter gespeichert werden. Die Power-to-Gas-Anlage in Allendorf zeigt, dass dieses mithilfe von Mikroorganismen bereitgestellte reine Gas eine Schlüsselrolle zur Speicherung, Flexibilisierung und zeitlichen sowie räumlichen Entkopplung der Stromerzeugung einnehmen kann.

Microbenergy GmbH
Die MicrobEnergy GmbH wurde zum Januar 2012 als Ausgliederung der Forschungsabteilung der Schwandorfer Firma Schmack Biogas GmbH gegründet und ist wie diese eine 100%ige Tochter des Heiztechnikherstellers Viessmann. Die MicrobEnergy GmbH zeichnet sich durch langjährige Erfahrung, Kompetenz und fundiertes Wissen im Bereich der Biogastechnologie, Power-to-GasTechnologie und Mikrobiologie aus.

Hintergrund

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Forschungsprojekt „BioPower2Gas“ (www.biopower2gas.de) vereint Partner, die zum Ausbau einer flexiblen Stromerzeugung durch Erneuerbare Energien gebraucht werden – vom Entwickler der Technologie MicrobEnergy GmbH über den Netzbetreiber EnergieNetz Mitte GmbH und den Energieversorger EAM EnergiePlus GmbH der EAM Gruppe bis hin zum beratenden Ingenieurbüro CUBE Engineering GmbH sowie dem Forschungsinstitut IdE Institut dezentrale Energietechnologien gGmbH (Projektkoordinator). Assoziierter Partner des Projektvorhabens ist das Bioenergiedorf Jühnde.

Die Forschungen werden innerhalb des Programms „Energetische Biomassenutzung“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und vom Deutschen Biomasseforschungszentrum wissenschaftlich begleitet.

Autor: Petra Krayl

ist verantwortlich für Presse und Kommunikation bei der Schmack Biogas GmbH. Das Unternehmen aus dem bayerischen Schwandorf ist einer der führenden deutschen Anbieter von Biogasanlagen. Seit 1995 setzt das Unternehmen den Standard für Biogasanlagen mit hoher Effizienz und Wirtschaftlichkeit. Die Produktpalette umfasst Anlagensysteme im Leistungsbereich von 50 Kilowatt bei Kompaktanlagen bis hin zur 20-Megawatt-Gaseinspeisungsanlage. Weltweit wurden bereits über 450 Anlagen errichtet. Seit Januar 2010 ist Schmack Biogas ein Unternehmen der Viessmann Group, eines der international führenden Herstellers von Heiz-, Industrie- und Kühlsystemen. Das 1917 gegründete Familienunternehmen beschäftigt 11.500 Mitarbeiter, der Gruppenumsatz beträgt 2,2 Milliarden Euro.