Definition des Technologiefeldes

Der Begriff Power-to-Gas (PtG) beschreibt die Umwandlung von (erneuerbarem) Strom in ein (erneuerbares) Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Methan. Das Gas kann sowohl im Erdgasnetz gespeichert als auch direkt oder zeitversetzt verschiedenen Nutzungssektoren (z. B. chemische Industrie oder Verkehr) zugeführt werden. Es existieren unterschiedliche Umwandlungsmöglichkeiten von Strom zum Gas, in diesem Bericht steht die elektrolytische Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Stromquellen im Fokus. Die elektrische Energie für die Wasserelektrolyse kann entweder in einem Schritt, wie bei Photovoltaik, oder in zwei Schritten beispielsweise mit dem Zwischenschritt der mechanischen Energie (z. B. Windkraftanlagen) bzw. thermischen Energie (solarthermische Anlagen) erzeugt werden. In Elektrolyseuren erfolgt die Zersetzung des Wassermoleküls in Wasserstoff und Sauerstoff durch Gleichstrom oder pulsierenden Gleichstrom. Die momentan wichtigsten drei Elektrolysetechniken, unterteilt nach den eingesetzten Elektrolyten, sind:

• alkalische Elektrolyse (AEL) mit wässriger Kali- oder Natronlauge als Elektrolyt,
• Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse (PEMEL) mit einer protonenleitenden Membran als Elektrolyt, 
• Feststoff-Oxid-Hochtemperatur-Elektrolyse (engl. SOEL; Solid Oxid Electrolysis) mit einer keramischen ionenleitenden Membran als Elektrolyt.

Aktueller Stand der Technologie

Die alkalische Wasserelektrolyse (TRL 8) ist die älteste und am weitesten verbreitete Technologie. Sie wird heute überwiegend dort eingesetzt, wo Strom sehr günstig zur Verfügung steht, der Transport von reinem Wasserstoff zum Verbrauchsort zu teuer ist, wenn variable Mengen von Wasserstoff benötigt werden, und wo die Bevorratung von Wasserstoff in den benötigten Mengen nicht möglich ist. Im kommerziellen Bereich werden mit Ausnahme von 3-MPa- bzw. 5-MPa-Druckelektrolyseuren alkalische Elektrolyseure nahe Atmosphärendruck (etwa 1 Bar) bis zu einigen Bar Überdruck betrieben. Derzeit ist die alkalische Elektrolyse in der erforderlichen MWel- Leistungsklasse bis über 5 MWel pro einzelnem Elektrolyseblock am Markt verfügbar. Die in den letzten Jahren deutlich gestiegenen Systemwirkungsgrade der Umsetzung von elektrischer Energie in Wasserstoff liegen bei der alkalischen Elektrolyse zwischen 51 und 79 % (bezogen auf den Brennwert des Wasserstoffs). Eine weitere heute schon nutzbare Wasserelektrolyse-Technologie ist die PEMEL-Elektrolyse (TRL 6), die sich am Beginn der industriellen Umsetzung befindet. Diese Technologie nutzt derzeit hauptsächlich ionenleitende Polymermembranen, z. B. auf der Basis von Perfluorsulfonsäure-Ionomeren (PFSA). Bei der PEMEL-Elektrolyse wird das Speisewasser auf der Anodenseite zugeführt. Hier wird im ersten Schritt Sauerstoffgas erzeugt und die übrig bleibenden H+-Ionen werden durch die Ionen-leitfähige Membran auf die Kathodenseite transportiert. An der Kathode wird, wie bei der alkalischen Zelle, Wasserstoffgas erzeugt. Für den Transport der H+-Ionen durch die Membran hindurch wird ein saurer anstelle eines alkalischen Elektrolyten benötigt. Der saure Elektrolyt ist in diesem Fall nicht in flüssiger Form vorhanden, sondern in Form einer festen Membran. Die PEMEL-Elektrolyse ist in der unteren MWel- Leistungsklasse bis ca. 2 MWel pro Elektrolyseanlage am Markt verfügbar und erreicht Systemwirkungsgrade von 47-79 % (bezogen auf den Brennwert des Wasserstoffs). An der Hochtemperatur-Elektrolyse (TRL 4) wird schon seit längerer Zeit intensiv geforscht. Sie befindet sich allerdings noch im Labormaßstab. Die SOEL wird bei 700 bis 1.000 °C mit dotierter Zirkondioxid-Keramik als Elektrolyt und Wasserdampf betrieben. Das Prinzip dieser Technik basiert auf der Umkehrfunktion der Festoxidbrennstoffzelle (engl. Solid Oxide Fuel Cell; SOFC-Brennstoffzelle). Beide Halbzellen sind durch einen O2-leitenden Festelektrolyten getrennt, auf den die Elektroden aufgebracht sind. An der Kathode wird überhitzter Wasserdampf zugeführt, der mit zwei Elektronen zu Wasserstoff und O2–Ionen reagiert. Die O2–Ionen wandern aufgrund der Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden durch den Elektrolyten zur Anode, an der sie unter Elektronenabgabe zu Sauerstoff-Molekülen reagieren. Die SOEL-Elektrolyse wird derzeit im Leistungsbereich von 10-50 kWel getestet. Bzgl. der Systemwirkungsgrade liegen für die SOEL noch keine Angaben vor, beim Stack-Wirkungsgrad werden bezogen auf die benötigte elektrische Leistung 100% erreicht. Seit 2010 wurden mehrere PtG-Neuanlagen in Betrieb genommen. Mittlerweile existieren 26 Anlagen in Deutschland, die Wasserstoff mittels Elektrolyse herstellen (Stand 2015). Damit ist Deutschland weltweiter Vorreiter im Bereich von PtG-Projekten. In der Anwendung wird Wasserstoff heute großtechnisch vor allem in der chemischen und petrochemischen Industrie zur Herstellung von Raffinerieprodukten, Ammoniak und einer Vielzahl von Chemikalien eingesetzt. Im Verkehrswesen wurde durch den Bau von Wasserstofftankstellen der Grundstein für eine landesweite Wasserstoffinfrastruktur gelegt. Demgegenüber fällt die Wasserstoffnutzung in Fahrzeugen noch nachfragebedingt gering aus. Spezielle Vorteile des Wasserstoffs sind seine Umweltfreundlichkeit in der Verwendung und die Gewinnung aus Wasser, seine Transportfähigkeit und seine hohe gewichtsspezifische Energiedichte. Auch bietet sich Wasserstoff als chemischer Energieträger zur verlustfreien Speicherung der fluktuierend anfallenden regenerativen Energie an. Allerdings ist Wasserstoff aufgrund seiner geringen volumetrischen Speicherdichte speziell im Mobilitätssektor im Nachteil gegenüber Flüssigkraftstoffen wie Benzin, Diesel oder anderen gasförmigen Energieträgern, wie z. B. Erdgas. Wasserstoff muss aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften für den Einsatz im stationären wie auch mobilen Bereich zunächst als Energieträger gespeichert werden. Dies erfolgt durch Verdichtung, Verflüssigung oder auch durch die Direkteinspeisung in das vorhandene Erdgasnetz: Wasserstoffverdichter werden in der chemischen Industrie seit Jahrzehnten eingesetzt und gelten als Stand der Technik. Der Wasserstoff wird hierzu durch einen Kompressor verdichtet und in einen Druckgasbehälter eingefüllt. Aktuell wird an der Entwicklung neuer Verdichter-Prinzipien (z. B. elektrochemischer Verdichter) sowie bzgl. industriell verfügbarer Verdichter (ionischer Verdichter, intermittierender Langzeitbetrieb, öl- und covergas-loser Betrieb, Langzeit- Wartungsintervalle) geforscht. Durch Wasserstoffverdichtung wird der volumetrische Speicherinhalt erhöht. Wenn dies nicht ausreichend ist, besteht die Möglichkeit, durch Wasserstoffverflüssigung eine weitere Erhöhung der Speicherdichte zu erzielen. Dies ist von Vorteil, wenn Wasserstoff transportiert oder gelagert werden soll. Eine durch unvermeidbare äußere Wärmeeinträge in den Speicher bedingte Verdampfung macht eine kontinuierliche Off-Gas-Behandlung notwendig, weswegen sich flüssiger Wasserstoff eher nicht für den mobilen Einsatz in PKW eignet. Weltweit sind einige Dutzend Verflüssiger im kommerziellen Einsatz. Zur Verflüssigung von Wasserstoff muss dieser auf -253 °C gekühlt werden. Die Herausforderung bei den Verflüssigern liegt in der Reduzierung des Stromeinsatzes für die Verflüssigung. Damit einher geht die Reduzierung der Kosten (der Strompreis dominiert die Herstellungskosten) und die Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage.

Quellen