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Energie & Management > Wasserstoff - PtX als Antwort auf die zunehmende grüne Stromerzeugung
Quelle: Shutterstock / Audio und werbung
Wasserstoff

PtX als Antwort auf die zunehmende grüne Stromerzeugung

Das PtX Lab Lausitz visiert den Hochlauf der PtX-Technologien an. In einer Gesprächsrunde unterstrich das Praxislabor die Bedeutung von PtX zur Stabilisierung des Energiesystems.
Der zum sechsten Mal stattfindende PtX-Lab-Talk drehte sich um „Die Rolle der Power-to-X-Anlagen in einem treibhausgasneutralen Energiesystem“. Dass diese Rolle enorm sein wird, wurde in der Vortragsrunde schnell klar: „Es wird künftig sehr hohe Spitzen der Erzeugung aus erneuerbaren Energien geben“, erklärte Christoph Kost, Gruppenleiter für Energiesysteme und Energiewirtschaft am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Diese müssten abgefangen werden − etwa durch die Power-to-Gas-Technologie der Elektrolyse − für Zeiten, in denen die Stromerzeugung nachlässt. „Wir können es uns nicht leisten, PtX-Anlagen durchlaufen zu lassen“, erklärte Kost in Bezug auf die Betriebszeiten von Elektrolyseuren. „Der Strompreis in Stunden mit geringer Erneuerbarenerzeugung ist einfach zu hoch, als dass wir synthetischen Strom wieder in die Elektrolyse schicken könnten“. 

Zum Hintergrund: PtX steht für „Power-to-X“, darunter subsumiert sind alle Verfahren, die elektrischen Strom umwandeln in Brenn- und Kraftstoffe (Power-to-Gas, Power-to-Liquid), in Rohstoffe für die Industrie (Power-to-Chem) oder in andere Energieformen (Power-to-Heat). 

​Dem Sommer-Winter-Dilemma entgegensteuern

Die Problematik, die sich durch den steigenden Anteil der Erneuerbaren am deutschen Strommix ergibt, zeigte ebenfalls Prof. Fabian Mauß auf. Er leitet an der Brandenburgischen Technischen Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg den Lehrstuhl Thermodynamik/Thermische Verfahrenstechnik. „Die Fluktuationen der Erneuerbaren stimmen nicht mit den Verbräuchen überein. Daher brauchen wir Technologien, die in der Lage sind, solche Fluktuationen auszugleichen.“

Zur Veranschaulichung des Dilemmas nannte Mauß die Privathaushalte, die mit ihrer PV-Dachanlage, sofern diese weiter ausgebaut würden, ihren eigenen Energiebedarf im Sommer zwar sehr gut decken können. Im Winter jedoch arbeiteten diese Anlagen nur geringfügig, zudem werde Energie für die Wärmesysteme, wie etwa die Wärmepumpen, benötigt. In der Folge entstehe ein Energiebedarf, der durch die Haushalte nicht gedeckt werden könne. 

Mauß lenkte den Blick vor allem auf die Elektrolyse. Das Energie Innovationszentrum (EIZ), in welchem er am BTU tätig ist, analysiert die Elektrolysetechnologien anhand verschiedener Faktoren, wie Wirkungsgrad und Flexibilität beim An- und Abfahren. Das Ergebnis: Die AEL (Alkalische Elektrolyse)-Elektrolyse und die PEM (Proton Exchange Membrane)-Elektrolyse hätten für sich jeweils eine hohe Flexibilität bei Start und Lastwechsel. Die SOEC (Hochtemperatur)-Elektrolyse dagegen spiele ihren Vorteil mit einem höheren Wirkungsgrad aus, benötigt jedoch längere Aufheiz- und Abkühlphasen. Jedoch könne hier durch die Nutzung der Abwärme − SOEC laufe bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celcius ab − die Effizienz noch gesteigert werden. Auch die Kopplung mit einem Batteriespeicher sei generell sinnvoll.

Dem Wissenschaftler war zudem der Wasserbedarf für die Elektrolyse eine Erwähnung wert: Zur Herstellung jedes Wasserstoff-Moleküls (H2) benötige man ein Wassermolekül (H2O). Mauß: „Dadurch, dass das Sauerstoff-Atom im Wasser-Molekül um das 16-fache schwerer ist als das Wasserstoffatom, benötigen wir gewichtsmäßig ein Achtfaches an Wasser, das dann als Wasserstoff gespeichert wird. „Möchte man im großen Stil Wasserstoff produzieren, muss man auch diese Mengen an Wasser zur Verfügung stellen können. Das ist heutzutage ein immer größer werdendes Problem.“

Kohlenstoffkreisläufe geschlossen halten

Bei der Entnahme des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher brachte Mauß die Methansynthese ins Spiel (siehe Grafik). Dabei falle im Übrigen wieder etwas Wasser ab, das zurückgespeist werden kann. „Das Methan müsste man auf einen entsprechend hohen Druck bringen, so man eine Einspeisung ins Gasnetz, unseren größten Speicher überhaupt, vornehmen könnte“, so Mauß. Er fügte jedoch hinzu, dass dies nach gegenwärtigem Plan der Bundesregierung nicht vorgesehen sei. Sollte es bei dieser Einstellung bleiben, müsste man externe Speicher vorhalten, was er als nicht sinnvoll erachte.
 
Schema eines Power-to-X-Energiesystems
(zur Vergrößerung bitte auf die Grafik klicken)
Quelle: E&M

Für die Methansynthese erforderlich ist CO2, das etwa aus einer CCS (Carbon Capture and Storage)-Anlage kommen könnte. Hier warnte der Professor davor, das Klima „nicht zu betrügen“. Es sei wichtig, dass Kohlenstoffkreisläufe geschlossen gehalten werden und das abgetrennte und gespeicherte CO2 am Ende nicht doch noch in die Atmosphäre entweicht. 

Als Alternative zur Methansynthese führte Mauß die Methanolsynthese an. Diese sei in Fällen sinnvoll, in denen eine Einspeisung des aus Wasserstoff gewonnenen Methans ins Erdgasnetz nicht möglich sei oder man die Produktion von E-Fuels im Sinn habe. Methanol liege in flüssiger Form vor, sodass ein flüssiger Speicher entwickelt werden könnte, der größer ist und geringere Sicherheitsanforderungen hat als Methangas. 

Donnerstag, 1.06.2023, 16:50 Uhr
Davina Spohn
Energie & Management > Wasserstoff - PtX als Antwort auf die zunehmende grüne Stromerzeugung
Quelle: Shutterstock / Audio und werbung
Wasserstoff
PtX als Antwort auf die zunehmende grüne Stromerzeugung
Das PtX Lab Lausitz visiert den Hochlauf der PtX-Technologien an. In einer Gesprächsrunde unterstrich das Praxislabor die Bedeutung von PtX zur Stabilisierung des Energiesystems.
Der zum sechsten Mal stattfindende PtX-Lab-Talk drehte sich um „Die Rolle der Power-to-X-Anlagen in einem treibhausgasneutralen Energiesystem“. Dass diese Rolle enorm sein wird, wurde in der Vortragsrunde schnell klar: „Es wird künftig sehr hohe Spitzen der Erzeugung aus erneuerbaren Energien geben“, erklärte Christoph Kost, Gruppenleiter für Energiesysteme und Energiewirtschaft am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). Diese müssten abgefangen werden − etwa durch die Power-to-Gas-Technologie der Elektrolyse − für Zeiten, in denen die Stromerzeugung nachlässt. „Wir können es uns nicht leisten, PtX-Anlagen durchlaufen zu lassen“, erklärte Kost in Bezug auf die Betriebszeiten von Elektrolyseuren. „Der Strompreis in Stunden mit geringer Erneuerbarenerzeugung ist einfach zu hoch, als dass wir synthetischen Strom wieder in die Elektrolyse schicken könnten“. 

Zum Hintergrund: PtX steht für „Power-to-X“, darunter subsumiert sind alle Verfahren, die elektrischen Strom umwandeln in Brenn- und Kraftstoffe (Power-to-Gas, Power-to-Liquid), in Rohstoffe für die Industrie (Power-to-Chem) oder in andere Energieformen (Power-to-Heat). 

​Dem Sommer-Winter-Dilemma entgegensteuern

Die Problematik, die sich durch den steigenden Anteil der Erneuerbaren am deutschen Strommix ergibt, zeigte ebenfalls Prof. Fabian Mauß auf. Er leitet an der Brandenburgischen Technischen Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg den Lehrstuhl Thermodynamik/Thermische Verfahrenstechnik. „Die Fluktuationen der Erneuerbaren stimmen nicht mit den Verbräuchen überein. Daher brauchen wir Technologien, die in der Lage sind, solche Fluktuationen auszugleichen.“

Zur Veranschaulichung des Dilemmas nannte Mauß die Privathaushalte, die mit ihrer PV-Dachanlage, sofern diese weiter ausgebaut würden, ihren eigenen Energiebedarf im Sommer zwar sehr gut decken können. Im Winter jedoch arbeiteten diese Anlagen nur geringfügig, zudem werde Energie für die Wärmesysteme, wie etwa die Wärmepumpen, benötigt. In der Folge entstehe ein Energiebedarf, der durch die Haushalte nicht gedeckt werden könne. 

Mauß lenkte den Blick vor allem auf die Elektrolyse. Das Energie Innovationszentrum (EIZ), in welchem er am BTU tätig ist, analysiert die Elektrolysetechnologien anhand verschiedener Faktoren, wie Wirkungsgrad und Flexibilität beim An- und Abfahren. Das Ergebnis: Die AEL (Alkalische Elektrolyse)-Elektrolyse und die PEM (Proton Exchange Membrane)-Elektrolyse hätten für sich jeweils eine hohe Flexibilität bei Start und Lastwechsel. Die SOEC (Hochtemperatur)-Elektrolyse dagegen spiele ihren Vorteil mit einem höheren Wirkungsgrad aus, benötigt jedoch längere Aufheiz- und Abkühlphasen. Jedoch könne hier durch die Nutzung der Abwärme − SOEC laufe bei Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celcius ab − die Effizienz noch gesteigert werden. Auch die Kopplung mit einem Batteriespeicher sei generell sinnvoll.

Dem Wissenschaftler war zudem der Wasserbedarf für die Elektrolyse eine Erwähnung wert: Zur Herstellung jedes Wasserstoff-Moleküls (H2) benötige man ein Wassermolekül (H2O). Mauß: „Dadurch, dass das Sauerstoff-Atom im Wasser-Molekül um das 16-fache schwerer ist als das Wasserstoffatom, benötigen wir gewichtsmäßig ein Achtfaches an Wasser, das dann als Wasserstoff gespeichert wird. „Möchte man im großen Stil Wasserstoff produzieren, muss man auch diese Mengen an Wasser zur Verfügung stellen können. Das ist heutzutage ein immer größer werdendes Problem.“

Kohlenstoffkreisläufe geschlossen halten

Bei der Entnahme des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher brachte Mauß die Methansynthese ins Spiel (siehe Grafik). Dabei falle im Übrigen wieder etwas Wasser ab, das zurückgespeist werden kann. „Das Methan müsste man auf einen entsprechend hohen Druck bringen, so man eine Einspeisung ins Gasnetz, unseren größten Speicher überhaupt, vornehmen könnte“, so Mauß. Er fügte jedoch hinzu, dass dies nach gegenwärtigem Plan der Bundesregierung nicht vorgesehen sei. Sollte es bei dieser Einstellung bleiben, müsste man externe Speicher vorhalten, was er als nicht sinnvoll erachte.
 
Schema eines Power-to-X-Energiesystems
(zur Vergrößerung bitte auf die Grafik klicken)
Quelle: E&M

Für die Methansynthese erforderlich ist CO2, das etwa aus einer CCS (Carbon Capture and Storage)-Anlage kommen könnte. Hier warnte der Professor davor, das Klima „nicht zu betrügen“. Es sei wichtig, dass Kohlenstoffkreisläufe geschlossen gehalten werden und das abgetrennte und gespeicherte CO2 am Ende nicht doch noch in die Atmosphäre entweicht. 

Als Alternative zur Methansynthese führte Mauß die Methanolsynthese an. Diese sei in Fällen sinnvoll, in denen eine Einspeisung des aus Wasserstoff gewonnenen Methans ins Erdgasnetz nicht möglich sei oder man die Produktion von E-Fuels im Sinn habe. Methanol liege in flüssiger Form vor, sodass ein flüssiger Speicher entwickelt werden könnte, der größer ist und geringere Sicherheitsanforderungen hat als Methangas. 

Donnerstag, 1.06.2023, 16:50 Uhr
Davina Spohn

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