Fraunhofer-Institut: Innovation für umweltfreundlichen Strom

Nicht erst seit der Katastrophe von Fukushima sind Forschungsinstitute wie die der Fraunhofer-Gesellschaft und Firmen in großem Maßstab an Forschungen beteiligt, die CO2-Belastungen des Klimas vermeiden sollen und Nachhaltigkeit bei der Versorgung mit Strom und Gas im Focus haben.

Bisher gehörte Erdgas zu den fossilen Brennstoffen. Künftig kann man aus Gas auch umweltfreundlichen Strom erzeugen: Forscher des Fraunhofer IWES und des ZSW Stuttgart sind an einem Projekt beteiligt, in dem Audi und SolarFuel eine neuartige Anlage errichten. Sie wandelt Strom aus Wind und Sonne erstmals im industriellen Maßstab in Methan um, also in künstlich hergestelltes Erdgas. Während sich Strom schlecht speichern lässt, kann man das Erdgas problemlos lagern. Bei Flaute und bedecktem Himmel kann man daraus über Gaskraftwerke wieder Strom erzeugen, oder den Tank von Gasautos damit füllen.

Auf Feldern und Äckern drehen sich zunehmend mehr Rotoren von Windkraftwerken, und auf den Dächern sieht man statt Ziegeln vermehrt Solaranlagen. An einem windigen sonnigen Tag liefern diese Anlagen oft mehr Strom als die Verbraucher benötigen – an windstillen lauen Tagen reicht die Produktion von Strom dagegen nicht aus. Den Strom zu speichern und später zu verwenden, gestaltet sich recht schwierig.

Fraunhofer-Institut für Windenergie

Hier soll das neue Technologiekonzept „Power-to-Gas“ künftig helfen, das Forscher vom Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Kassel gemeinsam mit ihren Kollegen des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ZSW in den letzten Jahren entwickelt haben. Sie wandelt Strom aus erneuerbaren Energien in Methan um, in künstlich hergestelltes Erdgas – auch e-gas genannt, kurz für erneuerbares Gas. Der Vorteil: Im Gegensatz zu Strom lässt sich das Methan lagern. Herrscht ein Mangel an Strom, kann das Gas in Gaskraftwerken erneut Strom erzeugen.

Konzept Power-to-Gas

Außerdem lassen sich damit herkömmliche Erdgasautos betanken. Das Methan und Erdgas die gleichen chemischen Eigenschaften haben, braucht das Auto dafür nicht umgerüstet werden. „Unser Konzept Power-to-Gas löst gleich zwei Kernprobleme der Energiewende: Die Speicherung von erneuerbaren Energien und die Versorgung mit klimafreundlichem Kraftstoff. Damit wird eine stabile Stromversorgung auch mit Wind- und Solarenergie möglich“, sagt Dr. Michael Sterner, leitender Wissenschaftler am IWES.

Klimaneutrales CO2

Die Firmen SolarFuel und Audi setzen dieses Technologiekonzept nun erstmals im industriellen Maßstab um – gemeinsam mit dem IWES und dem ZSW. Die Anlage, die 2013 in Betrieb gehen soll, wird eine Leistung von 6,3 Megawatt haben, etwa so viel wie drei große Windräder oder 1000 Photovoltaikanlagen. Das für den Prozess benötigte CO2 wird aus einer Biogasanlage des Partners EWE in unmittelbarer Nähe bereitgestellt, die Reststoffe und Abfälle verwertet und klimaneutrales CO2 liefert. Das erzeugte Methan wird in Werlte in Niedersachsen in das Gasnetz eingespeist, wo es dann in Deutschlands größten Speichern, den Gasspeichern, lagert. Von dort aus strömt es über die vorhandenen Erdgasleitungen zu den Verbrauchern.

Erneuerbarer Strom als Primärenergie

Doch wie funktioniert das Verfahren? Der elektrische Strom spaltet Wassermoleküle zunächst in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Lässt man den Wasserstoff mit CO2 reagieren, entsteht das Methan. Das Verfahren an sich ist seit langem bekannt. Es in großem Maßstab einzusetzen, um Netzengpässe durch erneuerbaren Energien auszugleichen, ist dagegen ein gänzlich neuer Ansatz. „Strom- und Gasnetz zu koppeln, ist ergänzend zu Netzausbau, Lastmanagement und Kurzzeitspeichern ein Eckpfeiler der Energiewende“, sagt Prof. Dr. Jürgen Schmid, Leiter des IWES. „Es ist absehbar, dass erneuerbarer Strom zur Primärenergie wird, da sich beispielsweise Windstrom mit zur günstigsten Art und Weise der Energiegewinnung aus erneuerbaren Energien entwickelt.“ Indem die Power-to-Gas-Technologie die Strom- und Gasnetze koppelt, kann sie Stromengpässe von bis zu zwei Wochen überbrücken. „E-Gas stellt die Stromversorgung mit erneuerbaren Energien und damit die Energiewende auf sichere Beine“, sagt Sterner.

CO2 aus nachhaltigen Quellen nutzen

Damit das Verfahren das Klima nicht schädigt ist es wichtig, das CO2 aus nachhaltigen Quellen zu gewinnen. Davon gibt in Deutschland genügend: Alleine in den bestehenden 50 Biogas-Aufbereitungsanlagen entstehen 500 000 Tonnen CO2. Damit ließen sich 4,8 Terawattstunden Strom speichern – das entspricht dem Jahresverbrauch von etwa eineinhalb Millionen Haushalten. Herkömmliche Biogasanlagen liefern ebenfalls sehr viel CO2. Alleine 20 Prozent der Anlagen könnten zwei Millionen Tonnen CO2 bereitstellen. Weitere große Quellen sind Bioethanolanlagen, Brauereien und Klärwerke, sie liefern 1,1 Millionen Tonnen CO2.

Nutzt man das CO2 aus Biogasanlagen für die Power-to-Gas-Anlage, ergibt sich ein weiterer Vorteil: Das Biogas, das zu 60 Prozent aus Methan und zu 40 Prozent aus CO2 besteht, wird über Biogas-Aufbereitungsanlagen üblicherweise in das Gasnetz eingespeist, um es in der Fläche einer sinnvollen energetischen Nutzung zuzuführen. Dabei entweichen etwa zwei Prozent des Methans in die Atmosphäre, man spricht von Methanschlupf. Eine heikle Angelegenheit für das Klima, da Methan auf hundert Jahre gesehen 21mal klimaschädlicher ist als CO2. „Dieses Loch können wir stopfen, indem man das Biogas durch die Power-to-Gas-Anlage leitet. Dabei entsteht aus dem Biogas fast reines Methan, das ohne Methanschlupf aufbereitet werden kann“, erläutert Sterner.

e-gas als Tankfüllung

Auch als Kraftstoff hat e-gas eine gute CO2-Bilanz. „Über den gesamten Lebenszyklus des Fahrzeugs gesehen produziert ein e-gas betriebenes Fahrzeug kaum mehr CO2 als ein Elektroauto“, sagt Prof. Dr. Schmid. Elektrofahrzeuge haben zwar im Betrieb sehr geringe Emissionen, ihre Herstellung ist aber deutlich CO2-intensiver als die Herstellung von Gasfahrzeugen. „Betankt“ man ein Elektroauto mit Strom aus Windenergie, stößt es zwar nur fünf Gramm Kohlenstoffdioxid pro Kilometer aus. Dafür wird bei der Herstellung sehr viel CO2 produziert: Bei einer Lebensfahrleistung von 200 000 Kilometern sind es umgerechnet je nach Fahrzeugkonzept 50 bis 60 Gramm pro Kilometer. Damit stößt ein Elektroauto insgesamt 55 bis 60 Gramm CO2 pro Kilometer aus. Ein Gasfahrzeug verursacht mit Windgas aus Windstrom zwar je nach Technologiestand 20 bis 30 Gramm pro Kilometer im Fahrbetrieb, ist aber in der Herstellung mit 30 bis 35 Gramm klimafreundlicher als das Elektroauto und kommt damit insgesamt ebenfalls nur auf 50 bis 65 Gramm pro Kilometer.

Die Elektromobilität und e-gas können sich gut ergänzen. Denn bislang stellen die Batteriesysteme von Elektroautos noch eine große Herausforderung dar – ihre Reichweite ist noch sehr begrenzt und sie sind recht kostenintensiv. Möchte der Fahrer weitere Strecken zurücklegen, könnte er auf e-gas aus Wind- und Solarstrom umschalten, ohne den CO2-Ausstoss stark zu erhöhen.

Was die Wirtschaftlichkeit der Power-to-Gas-Anlage angeht, ist Sterner zuversichtlich: „Selbst bei einem ideal ausgebauten Stromnetz und optimalem Lastmanagements sind Stromspeicher nötig. Es ist daher nur eine Frage der Zeit, bis sich hier ein wirtschaftliches Konzept ergibt“, ist sich der Forscher sicher. Denn während die Speicher, die im Stromnetz vorhanden sind, die Stromversorgung nur für wenige Stunden aufrechterhalten können, bietet das Erdgasnetz eine rund 3000-fach höhere Speicherkapazität. (red)