Klima und Energie
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Power-to-X (PtX / P2X)

Unter Power-to-X versteht man alle Verfahren, die Ökostrom / Grünen Strom in chemische Energieträger zur Stromspeicherung, in strombasierte Kraftstoffe zur Mobilität oder Rohstoffe für die Chemieindustrie umwandeln. Auf klimafreundliche Art lässt sich mit Power-to-X beispielsweise Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge herstellen, aber auch Kerosin für Flugzeuge. Power bezeichnet die über dem Bedarf liegenden zeitweisen Stromüberschüsse und X steht für die Energieform oder den Verwendungszweck.

Unterteilt werden die Power-to-X-Technologien daher nach Verwendungszweck (z.B. Power-to-Fuel, Power-to-Chemicals oder Power-to-Ammonia) bzw. nach Energieform (Power-to-Gas, Power-to-Heat, Power-to-Liquid).

Power-to-Gas (PtG / P2G)

Power-to-Gas, also elektrische Energie zu Gas, bezeichnet den chemischem Prozess zur Herstellung von Brenngas aus Wasser. Dies erfolgt durch die Wasserelektrolyse und eine teilweise nachgeschaltete Mathanisierung. Das entstandene Brenngas wird gespeichert und kann unterschiedlich eingesetzt werden. Mit dem Verwendungszweck Power-to-Fuel kann es beispielsweise als Treibstoff für Flugzeuge und Schiffe eingesetzt werden. Wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll ist Power-to-Gas, wenn für die Herstellung des Gases auf Strom aus erneuerbaren Energien zurückgegriffen werden kann.

Und so funktioniert es im Detail: Bei der Elektrolyse wird das Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Anschließend wird es unter der Zugabe von Kohlenstoffdioxid methanisiert und ins Erdgasnetz eingespeist. Zwei Wassermoleküle werden in zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül aufgespalten. Die Elektrolyse kann mittels alkalischen Elektrolyseuren oder PEM-Elektrolyseuren erfolgen. Eingespeist werden kann das EE-Gas an jeder beliebigen Stelle ins Erdgasnetz.

Nachteile von Power-to-Gas

Stand 2018 ist Power-to-Gas weiterhin eine sehr teure Speichertechnologie. Die Anlagen sind vor allem dann wirtschaftlich, wenn sie voll ausgelastet sind. Wenn ausschließlich Überschussstrom empfangen wird, leidet die Wirtschaftlichkeit. Um die benötigte hohe Auslastung zu erreichen, könnte man auch auf fossile Stromerzeugung zurückgreifen, was dem Umstieg auf erneuerbare Energien widerspricht.

Die Nachfrage nach Langfristspeichern ist derzeit begrenzt, fossile Optionen sind ausreichend verfügbar.

Power-to-Gas bringt zu hohe Effizienzverluste mit sich. Der Wirkungsgrad der Anlagen ist niedrig, wenn es zu Energieverlusten über mehrere Schritte wie Elektrolyse, Methanisierung und Rückverstromung gibt. Ohne Wärmenutzung bleiben bei einer reinen Rückverstromung nur ca. 30-35 Prozent der eingesetzten Energie für die Stromerzeugung verfügbar.

Vorteile von Power-to-Gas

Power-to-Gas ermöglicht es, in Verbindung mit einer Methanisierung, Kohlenstoffdioxid aus Industrie-Prozessen zu binden. Nach der Umwandlung in Wasserstoff wird die Elektrolyse durch eine Methanisierung ergänzt. Der erzeugte Wasserstoff reagiert mit Kohlendioxid, das Ergebnis sind Erdgas undWasser.

Wasserstoff aus Power-to-Gas-Anlage kann fossil erzeugten Wasserstoff ersetzen.

Das bestehende Erdgasnetz in Deutschland kann genutzt werden.

Power-to-Gas kann Strom aus erneuerbaren Energien langfristig speichern.

Power-to-Heat (PtH / P2H)

Power-to-Heat steht für die Umwandlung elektrischer Energie mit einem fast einhundertprozentigen Wirkungsgrad in Wärme. Durch den wachsenden Anteil an Erneuerbaren Energien entstehen stärkere Schwankungen im Stromnetz, da Windkraft- und Solaranlagen nicht konstant gleichmäßig viel Strom liefern, sondern abhängig von Wetter und Tageszeit sind. Mögliche Überschüsse bleiben durch Power-to-Heat nicht ungenutzt und können ins Wärmenetz eingespeist werden.

Wie funktioniert eine Power-to-Heat-Anlage?

Derartige Anlagen können im Hoch- und Niedrigtemperaturbereich eingesetzt werden. Im letzteren Fall werden meistens Heizstäbe bzw. Heizpatronen verwendet, im Hochtemperaturbereich dagegen Elektrodenheizkessel. Ein solcher Elektrodenheizkessel macht die Erzeugung von Prozessdampf von bis zu 30 bar möglich. Grundlage für die Dampferzeugung ist der elektrische Widerstand des Kesselwassers mit entsprechend niedriger elektrischer Leitfähigkeit.

Die klassische Wärmepumpe im Heizkeller nutzt Strom, um beispielsweise die Wärme aus der Erde aufzunehmen, zu verdichten und für den Heizungsanlagenbetrieb zu verwenden. Durch die Nutzung dieser Umweltwärme werden aus nur einer Kilowattstunde Strom gleich mehrere Kilowattstunden Wärme. Wenn keine sehr hohen Temperaturen benötigt werden, ist die Wärmepumpe gut geeignet. Für höhere Temperaturen, in der Industrie, werden die oben erwähnten Elektrodenheizkessel verwendet. In diesen riesigen Kesseln wird das Wasser durch die Elektroden direkt erhitzt. Erneuerbarer Strom kann direkt in Wärme umgewandelt werden. Hier wird aus einer Kilowattstunde Strom jedoch nur etwas weniger als eine Kilowattstunde Wärme.

Für die Energiewende ist Power-to-Heat eine große Chance. In Kombination mit Wärmespeichern kann diese Technologie so eingesetzt werden, dass immer dann viel Strom aufgenommen wird, wenn gerade besonders viel zur Verfügung steht, also bei kräftigem Wind oder strahlendem Sonnenschein. In der Nacht kann dann der Wärmespeicher die Versorgung überbrücken.

Power-to-Liquid (PtL / P2L)

Power-to-Liquid bezeichnet die Nutzung von elektrischer Energie zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe. Dies kann beispielsweise durch die Verflüssigung von brennbarem Kohlenwasserstoffgas erfolgen, das mit dem bereits beschriebenen Power-to-Gas-Verfahren erzeugt wurde. Zunächst kommt Strom aus erneuerbaren Energien zum Einsatz, um mittels Elektrolyse Wasser zu spalten. Der gewonnene Wasserstoff wird anschließend mit CO2 synthetisiert. Das Ergebnis ist flüssiger Kohlenwasserstoff.

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