Durch den kontinuierlich wachsenden Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung entstehen zunehmend temporäre und räumliche Unterschiede zwischen Erzeugung und Nachfrage von Strom. Um diese Diskrepanz möglichst effizient und kostengünstig zu beheben und gleichzeitig die nötige Versorgungssicherheit zu gewährleisten, sind flexible Maßnahmen für eine adaptive Nutzung von Strom aus volatilen erneuerbaren Energien nötig.

Power-to-X (PtX) ist eine Möglichkeit dafür. Darunter versteht man verschiedene Technologien zur Speicherung bzw. anderweitigen Nutzung von Strom. Zu solchen Maßnahmen gehört die Transformation von Strom zu unterschiedlichen Produkten wie Wärme (Power-to-Heat, PtH), Gase (Power-to-Gas, PtG), chemischen Produkten (Power-to-Chemicals, PtC) oder Kraftstoffen (Power-to-Fuel, PtF).

Energiesystem flexibler gestalten

Im Virtuellen Institut »Strom zu Gas und Wärme« arbeiten sieben Forschungsinstitutionen aus NRW im Auftrag der Landesregierung an einer Weiterentwicklung dieser Flexibilitätsmaßnahmen unter Einbeziehung des Energiemarktes, der Netzstabilität und des stetig wachsenden Gesamtsystems. Die Forschungsaktivitäten des Hauptprojekts der Jahre 2015-2017 wurden nun im Rahmen eines Abschlussberichts veröffentlicht. Die Ergebnisse zur Integration von Flexibilitätsoptionen ins Energiesystem stehen in fünf Bänden plus Management Summary als Download zur Einsicht bereit

Analyse von Power-to-X-Technologien

Mit Fokus auf den Verkehr und die Industrie wurden in einer Systemanalyse Langfristszenarien betrachtet, die mit unterschiedlichen Strategien das Ziel einer Treibhausgasreduzierung verfolgen. Der Beitrag, den Power-to-X-Technologien zu diesem Ziel leisten können, floss anschließend in ein integriertes Strommarkt- und Stromnetzmodell ein.

Weiterhin erfolgten durch Pfadanalysen Standortanalysen für Power-to-X-Anlagen. Die Pfadanalyse von Fraunhofer UMSICHT, die auf Power-to-X-Technologien Bezug nimmt, beschreibt ein sogenanntes »3-Säulen-Modell«. Es umfasst sowohl die direkte Verwendung von Strom für energieintensive Prozesse als auch Methoden, mit denen schwer aufzuarbeitende Ressourcen erschlossen werden können sowie »Carbon-Capture-and-Utilisation-(CCU) Verfahren«. Bei Letzteren wird mit Hilfe von elektrischem Strom Wasserstoff erzeugt, der grundsätzlich dazu verwendet werden kann aus CO₂ chemische Grundstoffe oder Treibstoffe herzustellen. Zur Identifizierung und Bewertung möglicher Produkte wurden Produktrouten mit Primär- und Folgeprodukten vorgestellt.

Demonstrationsanlage für Power-to-Gas-Technologie

Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurde durch das Forschungszentrum Jülich eine Anlage zur Demonstration der Power-to-Gas-Technologie errichtet und in Betrieb genommen. Ergänzend zu der Elektrolyse und auf einer chemischen Methanerzeugung basierenden Demonstration des PtG-Verfahrens wurde bei Fraunhofer UMSICHT ein biologisches Verfahren zur Herstellung von Methan aus CO₂ an einer eigens hierzu entwickelten Technikumsanlage untersucht.

Als biologische Komponente kamen dabei Bakterien zum Einsatz, die unter anaeroben Bedingungen CO₂ und Wasserstoff zu Methan verarbeiten können. Der Wasserstoff wird, so wie es auch bei der chemischen Methanisierung der Fall ist, durch eine Elektrolyse bereitgestellt. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Umsetzung des Verfahrens der Stofftransport zu den Mikroorganismen ein entscheidender Faktor ist, der für eine industrielle Umsetzung weiter verbessert werden muss.

Handlungsempfehlungen für NRW

Diese und weitere aus dem Projekt abgeleiteten Ergebnisse dienen als Handlungsempfehlungen für Wissenschaft, Wirtschaft und Industrie. So rät das Konsortium etwa dazu, PtX-Anlagen als Element der Netzentlastung zu integrieren und Planungs- und Genehmigungsverfahren für PtX-Anlagen zu standardisieren. Ebenso sollten Instrumente für Kommunen und Stadtwerke zu entwickeln, um lokale Akteure bei der Identifikation, Erschließung und (Weiter-)Entwicklung von geeigneten Standorten für PtX-Anlagen zu unterstützen.

»Der Zusammenschluss von sieben verschiedenen Forschungseinrichtungen aus NRW hat gezeigt, dass eine Zusammenarbeit auf dieser Basis sehr effektiv gestaltet werden kann. Die Bündelung der unterschiedlichen Kompetenzen ergibt einen deutlichen Mehrwert für die deutsche Energieforschung«, resümiert Dr. Thomas Marzi, Abteilungsleiter Ideenfabrik am Fraunhofer UMSICHT. Im geplanten Folgeprojekt wird Fraunhofer UMSICHT dann PtX-Technologien zur Herstellung von Chemikalien für die chemische Industrie weiterentwickelt werden.

Beteiligte Forschungseinrichtungen im Virtuellen Institut »Strom zu Gas und Wärme«  

• Das Konsortium wird durch das Gas- und Wärme-Institut Essen e.V. koordiniert
• Fraunhofer UMSICHT
• ewi Energy Research & Scenarios gGmbH
• Ruhr Universität Bochum RUB
• Forschungszentrum Jülich: Fachbereich Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3) des Instituts für Energie- und Klimaforschung, Zentrum für Brennstoffzellentechnik, Gas- und Wärme-Institut
• Wuppertal Institut
• Duisburger Zentrum für Brennstoffzellentechnik GmbH

Förderhinweis

Das Hauptprojekt des Virtuellen Instituts »Strom zu Gas und Wärme« wurde vom Ministerium für Wirtschaft, Innovation, Digitalisierung und Energie des Landes Nordrhein-Westfalen (MWIDE) gefördert.