Synthetisches Gas

Problemlöser der Energiewende

Das Energiesystem der Zukunft ist auf erneuerbaren Energien aufgebaut. Regenerativ erzeugter Strom hat allerdings ein Defizit: Er kann bisher nicht in den benötigten Mengen und nicht über längere Zeit gespeichert werden. Das ist ein Problem, weil die Sonne nicht immer scheint und der Wind nicht immer weht. An windstillen Tagen mit starker Bewölkung wird also nicht genug erneuerbare Energie erzeugt, um Deutschland zuverlässig mit Strom und Wärme zu versorgen.

Synthetisches Gas löst dieses Problem zu einem großen Teil: Mit der Power-to-Gas-Technologie kann Strom in Zeiten des Überschusses in erneuerbares Gas umgewandelt werden. Das geschieht mit der Elektrolyse: Dabei wird mithilfe des grünen Stroms Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff zerlegt. Durch die anschließende Methanisierung entsteht synthetisches Gas.

Klimaneutrale Energie wird also in Moleküle umgewandelt. Diese Moleküle lassen sich über große Entfernungen transportieren und außerdem in beträchtlichen Mengen speichern – in einer Infrastruktur, die es bereits gibt und die dafür nicht mit großem Aufwand um- oder ausgebaut werden muss.

Wie wird aus Strom synthetisches Gas?

SNG besteht aus H₂ und CO₂. Der Wasserstoff wird über die Power-to-Gas-Technologie hergestellt:

Mit z. B. Wind- und Solar-Anlagen wird erneuerbarer Strom produziert.
Der Strom, der nicht direkt verbraucht wird, fließt über das Stromnetz zu einer Power-to-Gas-Anlage.
In einem Elektrolyseur wird Wasser mithilfe des Ökostroms in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H₂) gespalten.
Der aus erneuerbarem Strom hergestellte Wasserstoff wird über eine Methanisierung in synthetisches Gas umgewandelt. Dafür kann Kohlendioxid (CO₂) aus z. B. den Kläranlagen der Region zugeführt werden.
Das so entstandende synthetische Gas – sogenanntes SNG – kann im Gas-Netz zu den Verbraucherinnen und Verbrauchern transportiert und in den Gas-Speichern langfristig eingespeichert werden.

Das klimaneutrale Gas lässt sich wie konventionelles Erdgas oder erneuerbares Biogas nutzen. Synthetisches Gas kann als Langzeitspeicher für die erneuerbaren Energien genutzt werden und bietet eine Lösung für einen steigenden regenerativen Anteil im deutschen Energiesystem.

Power-to-Gas

Synthetisches Gas als Stromspeicher auch an nebligen Wintertagen

Das synthetische Gas kann dann entweder zur Wärmeerzeugung genutzt werden und stellt auch an kalten, nebligen Wintertagen die Wärmeversorgung der Menschen und der Unternehmen sicher. Oder die Moleküle nehmen den Weg zurück: Das synthetische Gas wird mit der Rückverstromung zum Beispiel in Gas-Kraftwerken wieder in Strom zurückverwandelt.

Dabei entstehen unweigerlich Umwandlungsverluste: Ein Teil der Energie wird dafür benötigt, aus Strom erst Gas und dann ggf. wieder Gas zu Strom zu machen. Derzeit müssen bei Überschusssituationen im Stromnetz aber Windräder zeitweise stillgelegt oder Solarparks vom Netz genommen werden, weil der Strom nicht verbraucht werden kann und somit das Stromnetz überlastet würde. 2020 fiel ein ungenutzter Überschuss von mehr als 6.000 Gigawattstunden Ökostrom an. 2022 wurden 8.071 GWh abgeregelt: rund 70 Prozent (5.682 Gigawattstunden) der Abregelungen von Erneuerbaren-Energien-Anlagen im gesamten Jahr 2022 erfolgten aufgrund von Engpässen im Übertragungsnetz. Die restlichen rund 30 Prozent (2.389 Gigawattstunden) der Abregelungen sind in den Verteilernetzen verursacht worden. Da es deutlich sinnvoller ist, diesen Strom für eine nicht nur klimaneutrale, sondern auch witterungsunabhängige und damit zuverlässige Energieversorgung zu nutzen, wurde im Rahmen der am 10. November 2023 vom Bundestag beschlossenen Reform des EnWG auch eine neue Regelung zur Verringerung der Abregelung von Erneuerbaren-Energien-Anlagen wegen strombedingter Netzengpässe (§ 13k EnWG) eingeführt. Dieses neue Instrument soll am 1. Oktober 2024 mit einer Erprobungsphase beginnen.

In Deutschland sind mehrere Forschungs- und Versuchsprojekte mit der Power-to-Gas-Technologie sehr erfolgreich verlaufen. Gasförmige Energie mit anschließender Methanisierung kann viel einfacher und über einen deutlich längeren Zeitraum als Strom gespeichert werden. Durch SNG werden die Sektoren Wärme und Strom sinnvoll gekoppelt und die Versorgungssicherheit erhöht.

Für Endverbrauchende ändert sich mit synthetischem Gas nichts

Power-to-Gas ist eine der technologischen Stützen für die Energiewende, denn sie ist eine zentrale Kopplungstechnologie zwischen Strom- und Gas-Infrastruktur. Lokale Anwendungsprojekte sind bereits heute am Netz. Das entstehende synthetische Gas – abgekürzt: SNG – kann genauso verwendet werden wie konventionelles Gas oder Biogas, zur Erzeugung von Wärme und Strom oder als Energieträger für große Kraftwerke. Für Endverbraucherinnen und Endverbraucher, die bereits auf effiziente Gas-Technologien im Eigenheim setzen, ändert sich mit synthetischem Gas nichts: Ihre Heizung kann SNG genauso zur Wärmeversorgung nutzen wie klassisches Erdgas.

Verwendung Gas

Impulspapier: Systemische und volkswirtschaftliche Potenziale von synthetischem Erdgas

Synthetisches Erdgas (Synthetic Natural Gas, SNG) könnte aufgrund der vorhandenen Infrastruktur von fossilem Erdgas in Deutschland Potentiale zur Vermeidung von Investitionen und Emissionen aufweisen. Vor diesem Hintergrund erörtert das Impulspapier die Potenziale einer Nutzung von SNG als Energieträger mit dem Ziel, eine vertiefte Auseinandersetzung mit den spezifischen Vorteilen von SNG als Bestandteil eines zukünftigen Energieträgermixes anzuregen.

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Zehn Gigawatt an Elektrolyseleistung für grünen Wasserstoff bis 2030

Bis 2030 soll die Wasserstoffproduktion in Deutschland 10 Gigawatt installierte Leistung erreichen. Die Produktionskapazitäten entwickeln sich kontinuierlich. Allerdings ist ein deutlich stärkerer Ausbau notwendig, um das Ziel zu erreichen.

Im Jahr 2022 betrug die deutsche installierte Produktionsleistung für Wasserstoff 0,07 Gigawatt. In 2023 waren es 0,06 Gigawatt. Zahlreiche Projekte befinden sich in der Planungsphase. Bei entsprechender Umsetzung steigt die installierte Leistung auf etwa 8,77 Gigawatt im Jahr 2030. Das bedeutet: Das Ziel der Bundesregierung (10 Gigawatt) würde mit den bislang projektierten Anlagen noch nicht ganz ausreichen.

Elektrolyseleistung für grünen Wasserstoff bis 2030

Was sind Power-to-Gas-Anlagen?

In ihnen wird klimaneutrales Gas erzeugt. Herzstück der Power-to-Gas-Technologie ist der Elektrolyseur, der Wasser mithilfe von erneuerbarem Überschuss-Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Die Technologie ist das verbindende Element zwischen Strom- und Gas-Infrastruktur.

Was ist Elektrolyse?

Bei der Elektrolyse wird die chemische Verbindung H₂O (Wasser) mithilfe elektrischen Stroms in die Bestandteile Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zerlegt. Die wichtigste Anwendung von Elektrolyse ist zur Gewinnung von Wasserstoff.

Wie funktioniert die Methanisierung?

Wasserstoff (H₂) und Kohlendioxid (CO₂) reagieren zu Methan (CH₄) und Wasser (H₂O). Für die Methanisierung kann schwervermeidbares CO₂aus z. B. industriellen Prozessen verwendet werden. Es gibt bereits auch Prozesse zur biologischen Methanisierung durch Mikroorganismen. Das so entstehende synthetische Gas kann in unbegrenzten Mengen in die bestehende Gas-Infrastruktur eingespeist werden.

Gas-Netz

Gibt es Praxisbeispiele für Power-to-Gas in Deutschland?

Verschiedene Power-to-Gas-Anlagen haben die technische Machbarkeit bereits unter Beweis gestellt. In zahlreichen Forschungs- und Pilotanlagen wird das Strom-zu-Gas-Verfahren weiterentwickelt.

Der Energiekonzern Uniper hat bereits vor Jahren bewiesen, dass Wasserstoff aus erneuerbaren Energien funktioniert. Im brandenburgischen Falkenhagen wurde 2013 die international erste Demonstrationsanlage zur Speicherung von Windstrom im Erdgasnetz errichtet. Der Strom aus der Windkraftanlage wird in einem Elektrolyseprozess in rund 360 Nm³/h Wasserstoff umgewandelt, der in das Ferngasnetz eingespeist werden kann.

Das Projekt AquaVentus bietet von Helgoland aus hinaus in die Deutsche Bucht ein optimales und skalierbares Projekt, um die deutschen und europäischen Klimaziele zu erreichen. 10 Gigawatt Erzeugungsleistung für grünen Wasserstoff aus Offshore-Windenergie bis zum Jahr 2035. Führende Unternehmen, Forschungsinstitute und Verbände entlang der gesamten Wertschöpfungskette ebnen mit AquaVentus den Weg, die Wirtschaft schnell und umweltfreundlich jährlich mit einer Million Tonnen grünem Wasserstoff aus der Nordsee zu versorgen.

Erzeugung von grünem Wasserstoff per Photokatalyse

Bei der Photokatalyse wird Wasser mit Katalysatoren gemischt. Diese Katalysatoren spalten das Wasser mit Hilfe des Sonnenlichts in Wasserstoff und Sauerstoff auf. Dieses Prinzip wird bereits bei ersten Versuchsanlagen in Japan angewendet. Aktuell (Stand 2024) liegen die Bestrebungen darin, die Effizienz des Verfahrens zu optimieren und deutlich (derzeitiger Effizienzgrad i. H. v. 2 Prozent) zu erhöhen. Dafür werden nachhaltige und ressourcenschonende Katalysatoren gesucht und erforscht – wie bspw. in dem vom BMBF geförderten Projekt zur Erzeugung von grünem Wasserstoff per Photokatalyse der Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Biologische Methanisierung

Der Heizgerätehersteller Viessmann engagierte sich im Bereich Power-to-Gas und entwickelte ein eigenes Verfahren, um Überschussstrom im Gas-Netz zu speichern: Biologische Methanisierung direkt im Fermenterraum des Biogas-Fermenters Eucolino, der ein aktives Volumen von 100 m³ hat. Viessmann bot mit einem optimierten Energie- und Fahrplanmanagement für dezentrale KWK-Anlagen, dem Einsatz von Biogas-Anlagen als Spitzenlastkraftwerk und zur Stromnetzentlastung einzigartige Lösungsansätze für die Power-to-Gas-Technologie.

Synthetisches Gas kann in unbegrenzten Mengen in das Gas-Netz einspeist werden

Mikroorganismen wandeln Strom in synthetisches Methan um

Für die Biogas-Anlage werden nachwachsende Rohstoffe genutzt. Sie erzeugt pro Stunde etwa 10 m³ Roh-Biogas (Gas-Zusammensetzung von etwa 52 Prozent Methan und 48 Prozent Kohlendioxid). Hierdurch stehen etwa 5 m³ Kohlendioxid pro Stunde für die biologische Methanisierung zur Verfügung. Der eingesetzte Elektrolyseur erzeugt maximal etwa 20 m³ Wasserstoff pro Stunde, so dass eine vollständige Umsetzung des Kohlendioxids im Roh-Biogas möglich wäre.

Für die biologische Methanisierung werden hochspezialisierte Mikroorganismen eingesetzt, die Wasserstoff und Kohlenstoff bei Umgebungsdruck und -temperatur in reines Methan umwandeln können. Das so gewonnene synthetische Methan wird entweder in einem Gas-Speicher bevorratet und bedarfsgerecht in einem BHKW verstromt oder direkt in das Gas-Netz eingespeist.

In der Elektrolyse wird zu Beginn des Power-to-Gas-Verfahrens Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Die Carbotech GmbH, ein ehemaliges Viessmann Tochterunternehmen, lieferte den Elektrolyseur in Modulbauweise auf Basis der PEM-Technologie (Protonen-Austausch-Membran). Im nächsten Schritt des Power-to-Gas-Verfahrens wird synthetisches Methan erzeugt. Das ehemalige Viessmann Tochterunternehmen MicrobEnergy GmbH, jetzt Hitachi Zosen Inova Schmack GmbH, hat zur Methanisierung das BiON-Verfahren entwickelt. Dabei produzieren hochspezialisierte Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, aus Wasserstoff und CO₂ reines Methan.

BiON-Verfahren

Erdgeschichte im Zeitraffer: Unterground Sun Storage

In der Natur hat die Evolution hauptsächlich Kohlen- und Wasserstoff als Energieträger und Speichermöglichkeit entwickelt. Diese Prozesse hat sich die RAG zum Vorbild genommen und in der Power-to-Gas-Technologie umgesetzt: An einer kleinen, ausgeförderten Gas-Lagerstätte in Oberösterreich erprobt die RAG die Speicherung von in Wasserstoff umgewandelter Sonnenenergie. Das Forschungsprojekt Underground Sun Storage zur Speicherung von Wind- und Sonnenenergie in natürlichen Erdgas-Lagerstätten wurde im Folgeprojekt Underground Sun Conversion fortgesetzt.

Die Sonne liefert zunächst erneuerbaren Strom, mit dem aus Wasser Wasserstoff erzeugt wird. Dieser grüne Wasserstoff wird zusammen mit CO₂ in eine vorhandene (Poren-)Erdgas-Lagerstätte eingebracht. In über 1.000 Metern Tiefe wandeln natürlich vorhandene Mikroorganismen diese Stoffe in relativ kurzer Zeit in erneuerbares Gas um, das anschließend direkt vor Ort in der Lagerstätte gespeichert, bei Bedarf jederzeit entnommen und über die vorhandenen Leitungsnetze zum Verbrauchenden transportiert werden kann.

Vorteile des umweltfreundlichen Verfahrens

CO₂-neutral/Kohlenstoff-Kreislauf: Erneuerbares Gas ist dann CO₂-neutral, wenn vorhandenes CO₂ (z. B. aus Biomasseverbrennung) genutzt und im Produktionsprozess gebunden wird. So entsteht ein Kohlenstoff-Kreislauf.
Erneuerbare Energien werden speicherbar: Die Stromgewinnung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt wetterbedingten Schwankungen. Eine bedarfsorientierte Produktion ist daher nicht möglich. Das Problem der Speicherbarkeit von erneuerbaren Energien wird durch die Umwandlung in erneuerbares Gas gelöst.
Nutzung der vorhandenen Infrastruktur: Sowohl für den natürlichen Produktionsprozess als auch für die unterirdische Speicherung in natürlichen Erdgas-Lagerstätten und den umweltfreundlichen Transport zum Endverbrauchenden kann bereits vorhandene Infrastruktur genutzt werden.

Untersuchung der Wasserstoffverträglichkeit der Untergrund-Gas-Speicher

Die Untersuchung der Wasserstoffverträglichkeit der Untergrund-Gas-Speicher ist Hauptgegenstand dieses Leitprojektes. Gelingt ein positiver Nachweis, könnten die Gas-Speicher mit ihren enormen Speichervolumina (mehr als 8 Mrd. m³ entsprechend 92.000 GWh in Österreich) im Energiesystem der Zukunft neu positioniert werden und als Ausgleichsspeicher für erneuerbare Energien dienen. Im Zuge des Leitprojektes wird der Nachweis für die Verträglichkeit von Wasserstoffgehalten bis 10 Prozent angestrebt.

Leitprojekt USS 2030

Praxisbeispiele

Das Gas-Netz transportiert Energien sicher zu Industrie, Gewerbe und Haushalten

Das Gas-Netz als Batterie der Energiewende

Ökostrom, der ansonsten ungenutzt bliebe, kann mit Hilfe von Power-to-Gas in synthetisches Gas und somit in einen nutz- und speicherbaren Energieträger umgewandelt werden. Sinnvollerweise werden Power-to-Gas-Anlagen künftig dort stehen, wo Ökostrom in großen Mengen erzeugt wird. Das Gas-Netz wird unterdessen zur Energie-Autobahn und bringt das CO₂-neutrale SNG sicher und zuverlässig in nahezu jeden Winkel dieses Landes.

Gas-Netz