Power-to-X-Technologien

Die Stromerzeugung durch regenerative Quellen wie Wind und Sonne unterliegt naturgemäß großen Schwankungen. Während an windreichen, sonnigen Tagen Überschüsse produziert werden, die nicht direkt verbraucht oder vom Stromnetz aufgenommen werden können, entstehen an windstillen, dunklen Tagen möglicherweise Engpässe in der Stromversorgung. Durch diese Volatilität der erneuerbaren Energien ist eine Flexibilisierung der Energieströme nötig, was durch die Speicherung des überschüssigen Stroms in Batteriespeichern oder Wasserkraftwerken erreicht werden kann. Erzeugung und Nutzung können so zeitlich voneinander entkoppelt werden. Eine weitere Methode stellen Power-to-X-Technologien dar, bei denen der Strom in andere, sogar sektorenübergreifend nutzbare Energieträger oder Stoffe umgewandelt wird.  

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Übersicht und Definition

Unter den Power-to-X-Technologien (Abkürzung: PtX oder P2X) versteht man die Umwandlung der Stromüberschüsse in Energieformen, die sich im Gegensatz zu Strom relativ unkompliziert speichern, lagern oder sogar weiterverarbeiten lassen. Elektrische Energie wird also in einen gasförmigen oder flüssigen Energieträger, in Wärme oder in ein Produkt als Roh- oder Grundstoff gewandelt. Die Bezeichnung „Power“ steht dabei für elektrische Energie bzw. Strom und das „X“ für die Energieform, in die der Strom umgewandelt wird.

Oft wird bei Power-to-X durch Elektrolyse zunächst Wasserstoff hergestellt, der durch den Einsatz regenerativ erzeugter elektrischer Energie dann als „grüner“ Wasserstoff bezeichnet werden kann. Dieser Wasserstoff kann der Ausgangsenergieträger für viele Prozesse sein, etwa für den Einsatz in Brennstoffzellen, als Beimischung im Erdgasnetz, in der Mobilität oder in der energieintensiven Industrie. Wasserstoff kann auch der Grundstoff für die Produktion weiterer Stoffe sein, beispielsweise durch die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff zu Methan oder Ammoniak. Mit Power-to-X-Verfahren lassen sich auch defossilisierte Kraft-, Brenn- und Chemiegrundstoffe herstellen. Derart erzeugte Stoffe tragen außerdem zur für den Ausbau der Energiewende notwendigen Sektorenkopplung bei.

Zu den Power-to-X-Technologien zählen:

Power-to-Gas (PtG / P2G – Strom zu Gas)

Bei Power-to-Gas handelt es sich um einen chemischen Prozess, bei dem Wasser in einem Elektrolyseur mit Hilfe von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. In einem weiteren Schritt wird der Wasserstoff mit Kohlendioxid zu Methan umgewandelt. Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas. Es lässt sich daher problemlos in die Erdgasnetze einspeisen und so zur Beheizung und als Wärmelieferant für Industrieprozesse nutzen. Je nach Art des eingesetzten erneuerbaren Stroms wird das hergestellte Gas als Windgas, Solargas oder als EE-Gas (EE = Erneuerbare Energien) bezeichnet. In Erdgasspeichern zwischengelagertes Gas nennt man auch Speichergas. Bei Bedarf können Gaskraftwerke aus dem Gas erneut Strom erzeugen, was über den gesamten Prozess hinweg aber mit Energieverlusten verbunden ist, da bei der Umwandlung immer auch Energie verloren geht bzw. nicht in das neue Produkt umgesetzt wird.

Power-to-Heat (PtH / P2H – Strom zu Wärme)

Mit Power-to-Heat-Technologien wird aus überschüssigem erneuerbarem Strom Wärmeenergie erzeugt. Oftmals handelt es sich dabei überwiegend um großtechnische Anwendungen. Im Rahmen der Fernwärmeversorgung betreiben Energieversorger beispielsweise Elektrodenheizkessel mit Leistungen im Megawattbereich, um Wasser zu erhitzen, das anschließend in Nah- und Fernwärmenetze eingespeist wird. Möglich ist aber auch der Einsatz von Wärmepumpen, die möglichst regenerativ erzeugten Strom als Antriebsenergie nutzen, um Umweltwärme aus der Luft, dem Erdreich oder dem Grundwasser für Heizzwecke nutzbar zu machen.

Power-to-Liquid (PtL / P2L – Strom zu Kraftstoffen)

EE-Gas, das durch Power-to-Gas gewonnen wurde, wird in weiteren Prozessen zu Kraftstoffen verflüssigt, die Motoren antreiben und theoretisch auch für Ölheizungen nutzbar sind. Flüssige Kraftstoffe lassen sich relativ einfach transportieren und lagern und sind somit für alle Bereiche interessant, in denen Energie mobil einsetzbar sein muss.

Power-to-Solid (PtS / P3S – Strom zu (Zwischen-)Produkt)

Die Chemieindustrie benötigt eine Vielzahl verschiedener Roh- und Grundstoffe bei der Produktion etwa Methanol, Dimethylether (DME) oder Olefine. Per Elektrolyseverfahren können durch Power-to-X ganz neue Wertschöpfungsketten für die kohlenstoffneutrale chemische Industrie entwickelt werden.

VDI-Richtlinienreihe

Der Verein Deutscher Ingenieure (VDI) hat im November 2021 die Agenda Power-to-X-Technologien für die Sektorenkopplung formuliert, mit der eine breitere Öffentlichkeit, aber auch technische Regelsetzer und Entscheidungsträger über die umfangreichen Aktivitäten im Rahmen der Richtlinienreihe VDI 4635 informiert werden soll.

Wegen der Interdisziplinarität des Fachgebiets und der teils noch jungen Technologien existiert – so der Ansatz des VDI – noch kein einheitliches System zur Vergleichbarkeit in Bezug auf die Mess- und Nachweismethoden oder die Angabe und Bezeichnung von Systemparametern. Deshalb entschied der Richtlinienausschuss VDI 4635, alle Einzelprozesse und alle Prozessketten von PtX zu betrachten. In der neuen Richtlinienreihe sollen besonders die technischen Parameter der verschiedenen Prozesse in der PtX-Kette definiert und standardisiert werden, damit Anlagen und einzelne Prozesse miteinander verglichen werden können. Die Richtlinienreihe wird als Baukastensystem konzipiert, die die verschiedenen PtX-Prozesse (Powert-to-X, -Gas, -Liquid, -Solids und -Heat) abbilden. Die Veröffentlichung der VDI-Richtlinienblätter wird derzeit sukzessive vorgenommen (mehr Informationen s. Surftipps).

Kopernikus-Projekt P2X des BMBF

Mit der Frage nach der besten ökologischen, ökonomischen und gesellschaftlichen Eignung der Umwandlung von Strom in andere Energieträger beschäftigt sich auch das Kopernikus-Projekt P2X, eines der vier vom Bundesforschungsministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Energiewende-Projekte zu Schlüsselbereichen des zukünftigen Energiesystems. Ziel des Projekts ist es, erneuerbaren Strom per Elektrolyse in einen anderen Energieträger umzuwandeln. Drei Forschungscluster beschäftigen sich mit Elektrolyseverfahren, drei weitere verarbeiten die dort entstehenden Zwischenprodukte weiter, z. B. zu synthetischem Gas wie Wasserstoff oder zu Treibstoffen für den Mobilitätsbereich. Das Projekt erforscht also, welche Möglichkeiten im Einsatz von Power-to-X-Technologien liegen (mehr Informationen und Download der Roadmaps s. Surftipps).

Bedeutung in der Energiewende

Die Energiewende ist eine mindestens so große gesellschaftliche wie technische Herausforderung. Power-to-X-Technologien leisten einen wichtigen Beitrag, um die Energie sektorenübergreifend und zeitlich unabhängig von Erzeugung und Nutzung zu organisieren. Neben dem Ausgleich von Erzeugungsspitzen kurbeln sie somit auch die Energiewende im Wärme- und Verkehrssektor an. Regenerativ erzeugter Strom, Wasserstoff und die verschiedenen energietragenden Produkte nehmen dabei eine Schlüsselrolle ein. Nach dem Power-to-X-Verfahren hergestellte Energieträger und Grundstoffe tragen also einen wichtigen Teil zu einer Welt ohne die Nutzung und Verbrennung fossiler Rohstoffe bei.

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Auch kleine Anlagen am Gebäude oder in Gebäudenähe können zur regenerativen Strom- oder auch Warmwassererzeugung beitragen, abhängig von der Region und dem dort vorherrschenden durchschnittlichen Windaufkommen.

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Unter KWK versteht man die gleichzeitige Gewinnung elektrischer sowie thermischer Energie in derselben Anlage in einem thermodynamischen Prozess. Die gleichzeitige Strom- und Wärmeproduktion ermöglicht eine hohe Primärenergie-Einsparung.

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