Beschleuniger der Energiewende

Die große Frage künftiger Energiesysteme ist: Wie müssen sie konzipiert sein, um trotz volatiler Stromerzeugung durch Wind und Sonne stabil zu bleiben? Eine wichtige Lösung sind Power-to-X-Technologien. Armin Schnettler, Leiter der Siemens-Konzernforschung zu Energie und Elektronik sowie Gabriele Schmiedel, Leiterin von Hydrogen Solutions bei Siemens, sprechen über Funktionsweise, Chancen und Perspektiven der Technologie. Ein Vorhaben des Übertragungsnetzbetreibers Amprion spielt dabei eine wichtige Rolle.

Von Ulrich Kreutzer

Power-to-Gas-Technologien sind in vieler Munde. Was versteckt sich hinter dem Begriff und warum werden sie immer wichtiger?

Schmiedel: Power-to-Gas-Technologien stellen die Brücke zwischen der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und anderen Sektoren her. Das Prinzip ist einfach: „Grüner“ Strom und Wasser werden über einen Elektrolyseprozess CO2-neutral in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt. Der Wasserstoff kann dann in bestehenden Gasinfrastrukturen zwischengespeichert, als Treibstoff genutzt oder auch als Wertstoff für die Industrie eingesetzt werden. Damit hilft Power-to-Gas zum einen, die volatile Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen auszugleichen und zum anderen, einen Beitrag zur Dekarbonisierung aller Sektoren zu leisten.

 

Schnettler: Nehmen wir das Beispiel Deutschland: Heute machen erneuerbare Energien einen Anteil von mehr als 30 Prozent an der gesamten Stromerzeugung aus. Je höher ihr Anteil steigt, desto höher sind auch die Anforderungen an unsere Netze, die den volatil erzeugten Strom aufnehmen müssen. Hier kommt Power-to-Gas ins Spiel. Bereits heute gibt es mehrere Anlagen im Regelbetrieb in der einstelligen Megawattklasse. Damit sind wir bereits auf einem guten Weg! Um Netzstabilität und Versorgungssicherheit aber auch bei 50 oder mehr Prozent Erneuerbarer garantieren zu können, muss die Anlagengröße künftig stark anwachsen.

Können Power-to-Gas-Technologien denn auch den Netzausbau, der ebenfalls zur Integration von Wind- und Sonnenstrom notwendig ist, komplett ersetzen?

Schnettler: Nein, wir sprechen hier nicht von entweder – oder. Wir brauchen weltweit einen erheblichen Netzausbau, insbesondere in den nächsten zehn, 15 Jahren. Spätestens dann wird es nicht mehr ausreichen, nur die Netzinfrastruktur auszubauen. Wir brauchen Speicher und neue Verbraucher – und zwar vielfältige. Einer ist Power-to-Gas. Der Hintergrund liegt auf der Hand: Der Anteil erneuerbarer Energien wird weltweit steigen, gleichzeitig sinken ihre Gestehungskosten erheblich. Bereits heute liegt der PV-Preis in Europa bei unter 4 US-Cent pro Kilowattstunde, an wind- und sonnengünstigeren Standorten wie beispielsweise im Mittleren Osten sogar unter 2 Cent! Gleichzeitig ist es das Ziel, alle Sektoren zu dekarbonisieren – wozu Power-to-Gas erheblich beitragen kann. Für diese Sektorkopplung, also die zunehmende Verzahnung aller Sektoren wie Strom, Wärme/Kälte, Gas, Industrie oder Mobilität, liefert die CO2-neutrale Erzeugung von Wasserstoff und seine Weiterverwendung einen wesentlichen Beitrag.

Der Übertragungsnetzbetreiber Amprion hat kürzlich Pläne für eine Power-to-Gas-Anlage mit einer Leistung von bis zu 100 Megawatt in Deutschland veröffentlicht. Was bedeutet diese Ankündigung für die gesamte Branche und für Siemens im Speziellen?

 

Schmiedel:  Wir sehen das Vorhaben von Amprion, eine Anlage mit bis zu 100 Megawatt zu bauen, als strategischen Meilenstein! Entscheidend ist es, die Größe der bestehenden Anlagen zu skalieren, und zwar rasch. Unser Ziel ist es, die Leistung der Elektrolyseure alle vier bis fünf Jahre um den Faktor zehn wachsen zu lassen. Nur so können wir Schritt halten mit dem starken Wachstum der Erneuerbaren.  Unsere Elektrolyseanlage bei einer Ölraffinerie in Hamburg – basierend auf dem Silyzer 200 – ist mit 5 Megawatt Dauerleistung Stand heute die größte Anlage weltweit, die sich im Dauerbetrieb befindet. Aktuell arbeiten wir an der neuen Produktgeneration Silyzer 300 im EU-Forschungsprojekt H2Future in Linz. Die dortige Anlage ist für 6 Megawatt geplant. Um in die Leistungsklasse von 100 Megawatt vorzustoßen, setzen wir dann auf einen modularen Aufbau, der auf dem Silyzer 300 basiert.

Schnettler: Für uns ist es wichtig, für die Anforderungen einer künftigen Energieversorgung gewappnet zu sein. Wir gehen davon aus, dass das Wachstum der erneuerbaren Anlagen in der aktuellen Form weitergeht. In vielen Ländern könnte es sogar noch mehr ansteigen – insbesondere durch Anlagen im Bereich oberhalb mehrerer 100 Megawatt. Daher müssen wir Anlagen in genau dieser Leistungsklasse zur Verfügung stellen, und dafür brauchen wir so früh wie möglich fundierte Betriebserfahrung. Das Vorhaben von Amprion ist ein konsequenter Schritt in die richtige Richtung, Power-to-Gas-Technologien zu beschleunigen und in den Markt zu bringen.

"Für uns ist es wichtig, für die Anforderungen einer künftigen Energieversorgung gewappnet zu sein."

Was ist das Besondere an der Silyzer-Lösung von Siemens?
 

Schmiedel: Wir setzen auf die PEM-Elektrolyse, die auf einer protonenleitenden Membran basiert. Im Vergleich zur traditionellen Alkali-Technologie ist sie ideal geeignet, um volatil erzeugten Strom aufzunehmen, da sie sich ohne Vorwärmen schnell ein- und ausschalten lässt. Herzstück der Anlage ist die sogenannte Proton Exchange-Membrane. Ihre spezielle Eigenschaft: Sie ist durchlässig für Protonen, aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Sie übernimmt in einem elektrolytischen Prozess unter anderem die Funktion des Separators, der die Vermischung der Produktgase verhindert. Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden aus Edelmetall angebracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden sind. Hier findet dann die Wasserspaltung statt.
 

Wo findet der CO2-neutral erzeugte Wasserstoff anschließend Verwendung?
 

Schnettler: Wasserstoff ist multifunktional. Der Vorteil von Wasserstoff ist: Er lässt sich leicht speichern, beimischen und transportieren, beispielsweise im bereits vorhandenen Gasnetz mit einer Gesamtlänge von 511.000 Kilometern. Laut dem Gasfachverband DVGW ist es in Deutschland schon heute möglich, rund 200 Terawattstunden Energie in unterirdischen Gasspeichern zu lagern – entsprechend etwa der 23.000-fachen Kapazität eines hochmodernen Pumpspeicherkraftwerks.

 

Schmiedel: Außerdem dient der Wasserstoff als Prozessgas in der Industrie, als alternativer Treibstoff in der Mobilität oder auch als Ausgangsstoff für chemische Wertstoffe. Zukünftig ist auch eine Rückverstromung lohnenswert.

Stichwort Treibstoff: Welche Rolle kann Power-to-Gas übernehmen, um die Mobilität zu verändern?
Schmiedel: 
Synthetische Kraftstoffe werden künftig als „grüne“ Brennstoffe eine entscheidende Rolle für den Mobilitätssektor spielen. Gerade für den Gütertransport über lange Distanzen via Bahn oder Lkw ist Wasserstoff ein idealer Energieträger. Er kann über ein Pipelinesystem geliefert werden, lässt sich aber auch vor Ort an der Tankstelle über einen Elektrolyseur erzeugen. Daneben steht natürlich die Weiterverwendung des „grünen“ Wasserstoffs in chemischen Anlagen, die synthetisches Methan oder auch „grünen“ Treibstoff herstellen.

 

Was sind aus heutiger Sicht die großen Herausforderungen auf dem Weg zu Power-2-Gas-Anlagen mit dreistelliger Megawatt-Größe?

Schnettler: Natürlich ist das Thema Preis entscheidend. Ich bin mir aber sicher, dass „grüner“ Wasserstoff bei immer niedrigeren Kosten für Erneuerbare bereits in wenigen Jahren wettbewerbsfähig sein wird mit der traditionellen Wasserstofferzeugung. Und das bei vollständiger CO2-Neutralität, während die gewöhnliche Herstellung rund 10 Kilogramm CO2 pro Kilogramm Wasserstoff verursacht! Projekte wie dasjenige von Amprion oder auch anderen Partnern helfen somit, diese Technologie schnell in die erforderliche Industrialisierungsstufe zu bringen. Dies ist zwingend erforderlich, damit wir den technologischen Vorsprung halten, weiter Know-How und Expertise aufbauen und somit zur Stärkung der Wirtschaftsleistung beitragen.

05.07.2018

Das Interview führte Ulrich Kreutzer

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