Neue Liaison zwischen Strom und Gas

Konzept - Erdgas hatte in jüngster Zeit mit einigen Rückschlägen zu kämpfen. Die Zukunft schien klar rein den erneuerbaren Energien zu gehören. Jedoch haben diese das Problem der Speicherbarkeit. Eine Lösung ist die Speicherung mittels Wasserstoff oder synthetischem Methan. Damit wachsen Stromund Gasinfrastruktur zu einem Gesamtenergiesystem zusammen.

02. Februar 2011

Für mich steht fest, dass erst über die Nutzung unserer Gasinfrastruktur und neuer Gastechnologien die regenerativen Energien nachhaltig in unsere Energiesysteme integriert werden können«, sagte Dr. Jürgen Lenz, Vizepräsident des DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.) auf der Gasfachlichen Aussprachetagung gat Ende November 2010 in Stuttgart. Der dahinter stehende Ansatz ist es, aus überschüssigem regenerativ erzeugtem Strom mittels Elektrolyse Wasserstoff zu produzieren und diesen direkt in das Gasnetz einzuspeisen. Für Lenz eine wirtschaftliche Lösung, denn der für den Ausbau erneuerbarer Energien erforderliche Netz- und Speicherausbau auf der Stromseite »dürfte bei Nutzung der bestehenden Gasinfrastruktur deutlich geringer ausfallen«. In der aktuellen Debatte über die Energieversorgungssysteme der Zukunft seien die erheblichen Lösungspotenziale der Gasinfrastruktur und der Gasanwendungstechnologien nicht berücksichtigt, betont Lenz.

»Lösungsansätze werden überwiegend auf der Stromseite diskutiert. Deshalb wird möglicherweise ein suboptimales Gesamtsystem favorisiert.« Der Energieträger Gas ist für der den DVGW-Vizepräsidenten ein wesentlicher Baustein eines ganzheitlichen Energiesystems. Er beschreibt eine Zukunft, über die bisher trotz des erkennbaren Potenzials noch zu wenig nachgedacht wurde: »In dem zukünftigen System der Energieversorgung wird es zwei zentrale Elemente geben: ein zunehmend volatil beaufschlagtes Stromnetz und ein durch seine Speicherfähigkeit flexibles Gasnetz.« Der Speicherbedarf zum Ausgleich der stark fluktuierenden Wind- und Solarenergie ist hoch. Experten haben eine Größenordnung von 20 bis 50TWh errechnet. Für die Speicherung von elektrischer Energie stehen derzeit nur Pumpspeicherkraftwerke mit einer Kapazität von 0,04TWh zur Verfügung. Auch Technologien wie Druckluftspeicher oder Elektrofahrzeuge können die benötigten Speicherkapazitäten bei Weitem nicht bereitstellen.

»Das Pipelinenetz ist ein bereits vorhandener energetischer Supraleiter. Der Transport von Energie erfolgt effizient. Warum wollen wir diesen Vorteil nicht nutzen?«, fragt Marc Hall, Geschäftsführer der Bayerngas. Die gute Regelbarkeit des Strom-Gas-Systems wirkt in beide Richtungen. Windstrom wird über Elektrolyse zu Wasserstoff und kann dann direkt ins Gasnetz eingespeist oder mit aus der Umwelt gewonnenem CO2 in Methan umgewandelt werden. In den Bedarfstälern wird Strom somit im Gaspipeline- und Speichersystem geparkt. Bei Bedarf erfolgt die Rückwandlung in Wärme, kombiniert mit Strom.

»Methan ist damit Rucksack und zweifacher Balancegeber der Erneuerbaren: Es ist der beste Systempartner, um Volatilitäten bei der Erzeugung von Wind- und Wasserenergie aufzufangen«, ist sich Hall sicher. Einerseits werde bei einem Überangebot ›Wetter‹ zwischengespeichert, andererseits werde bei schlechten energetischen Verhältnissen durch die Zuschaltung von Gasturbinen oder dezentralen KWK-Anlagen der zusätzliche Strombedarf gedeckt und das Netz stabilisiert. Hinzu kommen weitere Vorteile: Das Gasnetz transportiert mit rund 1.000Mrd. kWh Energie jährlich etwa die doppelte Energiemenge des Stromnetzes (rund 540 Mrd. kWh). Im Gegensatz zum Stromnetz kann die Gasinfrastruktur insbesondere wegen der Untergrundspeicher ›atmen‹ und zusätzliche Mengen abpuffern. 20% des jährlichen Gasabsatzes werden derzeit in Untergrundspeichern vorgehalten, bis 2030 soll dieser Wert auf 30% steigen.

Auch die Lage der Speicher ist günstig. Viele liegen im Norden Deutschlands, also dort, wo auch große Mengen an Windstrom anfallen. Als Standorte für die Erzeugung und Einspeisung von Wasserstoff bieten sich zahlreiche Kreuzungspunkte von Strom- und Gasleitungen – Höchstspannungsleitungen und Hochdruckgastransportleitungen – an. Jetzt gilt es, die konkrete technische Machbarkeit der engen Strom-Gas-Liaison zu eruieren. »Wir sehen Forschungs- und Handlungsbedarf insbesondere bei der Technologie, Verfügbarkeit und Dimensionierung der Elektrolyseure sowie den Einspeisemöglichkeiten, der möglichst schnellen Umsetzung von Pilotprojekten und der Schaffung von rechtlichen Rahmenbedingungen«, sagt Dr. Lenz vom DVGW. Die Möglichkeiten und Grenzen der Wasserstoffzumischung wurden unter anderem im EU-Projekt Naturalhy untersucht. Danach ist netzseitig eine Zumischung von 5 bis 10% Wasserstoff zu Erdgas problemlos möglich.

Auf Seiten der Gasanwendung (Gasmotoren oder CNG-Fahrzeuge) kann sich die Zumischung von einigen Prozent Wasserstoff laut Dr. Frank Graf von der DVGW-Forschungsstelle sogar positiv auf Wirkungsgrad und Emissionen auswirken. Offene Fragen seien beispielsweise bei der Abrechnung zu klären, da mit den derzeit verwendeten Prozessgaschromatografen üblicherweise keine Wasserstoffmessung möglich ist. »Unter Berücksichtigung aller technischen Randbedingungen ist deshalb das maximal tolerierbare Verhältnis von eingespeistem Wasserstoff zu vorhandenem Erdgas festzulegen«, sagt Graf.

Im Falle der Methanisierung ist die Einspeisung in das Erdgasnetz grundsätzlich einfacher, da das erzeugte Methan in aller Regel keine wesentliche Beschaffenheitsveränderung des Endproduktes hervorruft. Außerdem ist die volumenbezogene Energiedichte von Methan etwa um den Faktor 3 höher als für Wasserstoff. Dagegen sind die Wirkungsgradverluste durch den Methanisierungsprozess höher.

Während die Elektrolyse rund 20% der elektrischen Energie des erzeugten Stromes verbraucht, kommen bei der Methanisierung nochmals rund 16% hinzu. Berechnungen haben ergeben, dass von 100% Strom aus erneuerbaren Energien im Erdgasnetz zwischen 63 und 64% ankommen. Allerdings lässt sich die unter anderem bei der Methaniserung entstehende Prozesswärme noch nutzen.

Ein weiteren Aspekt hinsichtlich der zukünftigen Rolle der Gasinfrastruktur hat Michael G. Feist ausgemacht: die zunehmende Verbindung von Erdgas mit dem Thema Mobilität. Im gegenwärtigen Fokus von Politik, Automobilwirtschaft und auch Energiewirtschaft stehe zweifelsohne das Thema Elektromobilität, sagte der Vorstandsvorsitzende der Stadtwerke Hannover auf der gat in Stuttgart. »Hier wird es die Aufgabe der Gaswirtschaft sein, darauf hinzuwirken, dass mit Erdgas als Kraftstoff eine Alternative zur derzeit noch in den technischen Kinderschuhen steckenden Technologie für Elektrofahrzeuge eingesetzt werden kann.«

Erste Rückmeldungen aus der Politik zum Gas-to-Power-Konzept sind positiv. Sowohl das Bundeswirtschaftsministerium als auch das Bundesumweltministerium haben den Ansatz begrüßt und den DVGW zur Weiterführung und Konkretisierung des Konzeptes gebeten. Die Gasbranche werde als Problemlöser von der Politik dadurch wieder ernst genommen, sagt Dr. Lenz mit Blick auf die schwache Rolle von Erdgas im jüngst vorgelegten Energiekonzept der Bundesregierung. Nicht zuletzt müsse sich die für viele verblüffende Erkenntnis durchsetzen, dass Gas und Strom künftig keine getrennten Energieversorgungsströme mehr sind, sondern in einem Gesamtenergiesystem zusammengehören. (mn)

»Spätestens das Energiekonzept hat die Branche wachgerüttelt«

Dr. Jürgen Lenz, DVGW-Vizepräsident, zum steigenden Optimismus in der Gaswirtschaft und zu den Chancen von Erdgas als Energiespeicher.

Auf der Gasfachlichen Aussprachetagung gat Ende November in Stuttgart war Aufbruchstimmung in der Gasbranche zu spüren. Wie groß ist der Optimismus?

Mit der Innovationsoffensive hat der DVGW zur richtigen Zeit den richtigen Impuls gesetzt. Wir sind überzeugt, dass Gas ein Bestandteil eines integrierten Energiesystems ist und die regenerativen Energien erst über die Nutzung unserer Gasinfrastruktur und neuer Gastechnologien nachhaltig in unser Energiesystem integriert werden können. Die Diskussionen auf der gat haben gezeigt, dass dieser Ansatz auf eine breite Resonanz gestoßen ist. Der Beitrag von Gas könnte sogar größer ausfallen, als heute allgemein angenommen. Insofern ist Optimismus durchaus berechtigt.

Das war nicht immer der Fall. Im Energiekonzept spielt Erdgas nahezu keine Rolle. Ist die Gasbranche mit ihren Forderungen nicht richtig durchgedrungen?

Spätestens das neue Energiekonzept der Bundesregierung hat die Branche wachgerüttelt. Sicher ist es nicht gelungen, die spezifischen Vorteile des Gases mit seiner Infrastruktur schnell genug weiterzuentwickeln und dies auch adäquat bei den politischen Entscheidungsträgern zu adressieren. Dies wollen wir möglichst rasch ändern, denn die Auswirkungen auf Infrastruktur, Gasanwendung und Hersteller wären nicht zuletzt auch marktökonomisch fatal.

Das heißt die Wertschätzung von Gas wird wieder steigen?

Gas ist der ideale Partner der erneuerbaren Energien. Ich bin mir sicher, sobald es an die praktische Umsetzung des Energiekonzeptes geht, wird Gas eine Renaissance erleben. Das Bestechende an unserem Ansatz ist, dass bereits Bestehendes neu verknüpft wird. Das ist nicht nur wirtschaftlich interessant, sondern es entstehen auch keine unbekannten technologischen Risiken.

Die Technologie der Umwandlung von überschüssigem Regenerativstrom in Wasserstoff ist schon länger bekannt. Wieso setzt man erst jetzt darauf?

Die Umwandlung von Strom mittels Elektrolyse in Wasserstoff ist in der Tat schon länger bekannt. Neu ist die Idee, den Wasserstoff in großem Maßstab in das vorhandene Erdgasnetz einzuspeisen, zu speichern und zeitversetzt wieder zur Stromerzeugung zu nutzen – entweder über GuD-Kraftwerke oder besser noch in dezentraler Kraft-Wärme-Kopplung. Das Gasnetz würde sich bei diesem Konzept ähnlich wie das Stromnetz zu einem Sammelsystem entwickeln und neben Erdgas auch Biogas und regenerativen Wasserstoff aufsammeln. Dabei kann die Gasinfrastruktur im Gegensatz zum Stromnetz sozusagen atmen und damit zusätzliche Mengen schnell und flexibel puffern. (mn)