Power to Gas - Sauberes Gas aus Strom herstellen

Bild: Strom und Wärme aus Power to Gas — Power to Gas im Einfamilienhaus?

Viele Eigenheimbesitzer träumen von einer völlig autonomen Versorgung ihres Zuhauses und der Unabhängigkeit von Energieversorgern und steigenden Preisen. Was lange klang wie Wunschdenken, kann mittels Power to Gas tatsächlich erreicht werden.

In der Energiewirtschaft wird das Verfahren zur Herstellung von grünem Wasserstoff als Schlüsseltechnologie gehandelt. Nach und nach hält das Verfahren aber auch Einzug in Einfamilienhäuser und Mehrfamilienhäuser. Zur Herstellung braucht es nicht mehr als Wasser und Strom.

Doch wie genau funktioniert Power to Gas und welche Einsatzmöglichkeiten gibt es? Kann ein Einfamilienhaus tatsächlich völlig unabhängig mit Energie versorgt werden und ist dies auch wirtschaftlich? Dies und mehr erfahren Sie hier.

Was versteht man unter Power to Gas?

Power to Gas ist ein energietechnisches Verfahren, bei dem aus Strom ein brennbares Gas hergestellt wird. In der Regel wird mittels Elektrolyse Wasserstoff hergestellt. Dieser Wasserstoff kann sehr einfach gespeichert werden oder im weiteren Prozess in Methan oder Ammoniak, also umweltfreundliches Biogas, umgewandelt werden. Da Gas im Gegensatz zu Strom sehr einfach speicherbar ist, dient das Verfahren vor allem der Energiespeicherung.

Innerhalb der Energiewende gilt Power to Gas als wichtige Technologie, vor allem zum Speichern von Stromüberschüssen, die durch erneuerbare Energien erzeugt wurden. Da aber insbesondere die Rückwandlung des entsprechenden Gases mit hohen Energieverlusten verbunden ist, gilt Power to Gas zum aktuellen Zeitpunkt noch als vielversprechende Zukunftstechnologie.

Die Technologie wird zusehends auch in einzelnen Projekten im Bereich der Mehrfamilienhäuser eingesetzt. Einige Hersteller bieten sogar schon Lösungen für Einfamilienhäuser an. Allerdings ist ein Einsatz von Power to Gas in Hinblick auf alternative Wärmegewinnung durch beispielsweise eine Wärmepumpe im privaten Bereich noch nicht wirtschaftlich. Dazu unten mehr.

Aus Strom wird Wasserstoff

Bei der Produktion von Ökostrom, beispielsweise durch Windkraft oder eine Photovoltaik-Anlage, kann es an besonders windigen oder sehr sonnigen Tagen zu einem Überschuss an Strom kommen. Damit der überschüssige Strom nicht verloren geht, wird er dazu genutzt, mittels Elektrolyse Wasserstoff herzustellen.

Bei dieser chemischen Reaktion werden zwei Wassermoleküle in zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül aufgespalten. Der Sauerstoff kann als Nebenprodukt einfach an die Luft abgegeben werden, wohingegen der Wasserstoff gespeichert und so zu einem späteren Zeitpunkt wieder nutzbar gemacht werden kann.

Aus Wasserstoff wird Methan

Im Anschluss an die Elektrolyse kann der Wasserstoff mittels industriell abgeschiedenem oder aus der Luft gewonnenem Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan weiterverarbeitet werden. Das Methan kann anschliessend direkt ins Gasnetz eingespeist werden, um damit eine herkömmliche Gasheizung im Einfamilienhaus zu versorgen. Alternativ kann es bis zum Einsatz in Gasspeichern gelagert werden.

Was sich erst einmal anhört wie die Lösung für den durch CO2 ausgelösten Klimawandel, ist jedoch sehr aufwendig und energieintensiv, da das benötigte Kohlenstoffdioxid vor der Methanisierung gereinigt werden muss. Somit erhält man durch Power to Gas zwar umweltfreundliches sogenanntes EE-Gas. Der Energieverlust liegt allerdings bei über 50 %. Es ist auch möglich, das Methan auf biologische Weise mittels Mikroorganismen herzustellen. Die biologische Methanisierung findet vor allem in Biogasanlagen statt.

Strom speichern mit Wasserstoff

Bild: Grüner Wasserstoff als Stromspeicher — Wie kann Wasserstoff Strom speichern?

Der Vorteil der Umwandlung von Strom zu Wasserstoff liegt darin, dass sich das Gas einfach speichern lässt. Überschüssig produzierter Strom aus Windparks oder grossen Photovoltaik-Anlagen kann als Wasserstoff einfach und langfristig gespeichert werden.

Zu einem späteren Zeitpunkt kann mittels einer Brennstoffzelle der Wasserstoff wieder in Strom zurückgewandelt werden. So geht der grüne Strom an Tagen mit Überschüssen nicht verloren und kann zum Beispiel dafür benutzt werden, eine elektrische Heizung umweltfreundlich zur betreiben.

Photovoltaik-Anlage mit einer Brennstoffzelle kombinieren

Mit der Kombination aus einer Photovoltaik-Anlage und einer Brennstoffzelle ist es theoretisch möglich, ein Gebäude komplett autark mit Strom zu versorgen. Hierfür wird im Sommer der Überschuss an Strom aus der Solaranlage in Wasserstoff umgewandelt, welcher dann mittels eines Kompressors in Hochdruckspeicher gespeist werden kann. Die Wasserstoffspeicher werden einfach vor dem Haus aufgestellt.

Im Winter wandelt dann eine Brennstoffzelle den Wasserstoff wieder zu nutzbaren Strom um. Die bei der Elektrolyse und bei der Rückverstromung entstehende Wärme kann zur Warmwasserbereitung im Haus genutzt werden.

Der Strom aus der Brennstoffzelle kann beispielsweise für den Betrieb von Haushaltsgeräten oder einer umweltfreundlichen Wärmepumpe genutzt werden. Um auch abends den Solarstrom nutzen zu können, wird ausserdem ein separater Lithium-Ionen-Speicher eingebaut.

Energieverluste bei Power to Gas

Ein Nachteil beim Einsatz von Power to Gas mit einer Brennstoffzelle ist allerdings der relativ hohe Energieverlust. Bei der Elektrolyse geht etwa 30 % der Energie verloren. Wird der Wasserstoff wieder zurück verstromt, sind weitere Verluste von 40 % zu erwarten.

Damit wird ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 42 % erreicht. Dieser ist vergleichbar mit klassischen Verbrennungsmotoren. Der Wirkungsgrad ist aber beispielsweise nicht mit dem von Lithium-Ionen-Stromspeichern zu vergleichen: Sie erreichen über 90 %. Allerdings sind diese klassischen Stromspeicher im Gegensatz zu Wasserstoff-Tanks nicht zur Langzeitspeicherung geeignet und deutlich kleiner dimensioniert.

Alternativ kann mit dem synthetischen Wasserstoff auch eine kleine wärmegeführte Kraft-Wärme-Kopplungsanlage betrieben werden, welche direkt nutzbare Wärme herstellt. Hier ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von bis zu 60 %. Auch dieses Verfahren gilt gegenüber alternativer Wärmeerzeugung, beispielsweise durch eine Wärmepumpe, aber als relativ verlustreich.

Power to Gas im Einfamilienhaus

Aus rein technischer Sicht ist es möglich, ein Einfamilienhaus mit Strom und dementsprechend Wasserstoff aus dem Power to Gas-Verfahren zu versorgen. Aus den Überschüssen aus einer Photovoltaik-Anlage kann auch zuhause Wasserstoff hergestellt werden, welcher gespeichert und mittels einer Brennstoffzelle zu späterem Zeitpunkt wieder in Strom umgewandelt werden kann.

Zum anderen ist es in der Theorie auch möglich, den Wasserstoff in Methan umzuwandeln und mit dem entstehenden Methangas eine Gasheizung im Einfamilienhaus zu betreiben. Dies geschieht allerdings in extra dafür vorgesehenen Power to Gas-Anlagen oder in Biogas-Anlagen.

Wie bereits bei der Umwandlung in Wasserstoff geht bei der Methanisierung des Gases allerdings Energie verloren. Die Menge an Strom, den es bräuchte, um ein Einfamilienhaus mit einem Wärmebedarf von 20’000 Kilowattstunden im Jahr mit genügend Methan zu versorgen, liegt um ein Vielfaches höher als zum Beispiel der Betrieb einer Wärmepumpe erfordert.

Eine effiziente Wärmepumpe mit der Jahresarbeitszahl 4 bräuchte hierfür 5’000 kWh elektrische Energie. Eine Gasheizung, die mit Gas aus einer Power to Gas-Herstellung betrieben wird, würde zu einem Stromverbrauch von etwa 33’000 kWh führen und läge damit um das sechsfache höher. Insofern ist Power to Gas für den Gebrauch im privaten Energiesektor noch keine energetisch effiziente Alternative.

Kosten von Power to Gas für private Nutzung

Entsprechend all dieser Faktoren ist offensichtlich, dass sich ein Power to Gas System im privaten Bereich, wenn überhaupt, nur im Neubau lohnt. Der Aufwand an Planung und die Kosten für Geräte und Installation würden den Nutzen und die erwartbare Ersparnis im Bestandsbau bei weitem übertreffen.

Neben den Wasserstofftanks zur Speicherung, der Elektrolysezelle und Brennstoffzelle, braucht es auch noch eine Heizung, welche mit Strom betrieben werden kann. In der Regel wird in Häusern mit Power to Gas Versorgung dafür eine Luft-Wasser-Wärmepumpe eingesetzt.

Nachfolgend haben wir eine kleine Übersicht der in etwa zu erwartenden Kosten verschiedener Komponenten zusammengestellt. Da es wenig bis keine Standardlösungen für Einfamilienhäuser auf dem Markt gibt ist es schwer, pauschale Aussagen über die zu erwartenden Kosten zu treffen. Die folgenden Preise sind daher als Richtwerte zu verstehen.

Mit einem Power to Gas-System kann theoretisch ein Autarkiegrad von 98 % erreicht werden. Allerdings liegen die Investitionskosten wesentlich höher als bei alternativen umweltfreundlichen Systemen, wie beispielsweise der Kombination aus Wärmepumpe und Photovoltaik-Anlage. Hier würden die Investitionskosten je nach Dimensionierung der Solaranlage und der Art der Wärmepumpe ungefähr zwischen CHF 55’000 und 80’000 liegen.

Komponente	Investitionskosten
Photovoltaik-Anlage	CHF 20'000
Stromspeicher	CHF 15'000
Luft-Wasser-Wärmepumpe	CHF 32'000
Pufferspeicher	CHF 2'000
Elektrolysezelle	CHF 20'000
Kompressor	CHF 10'000
H2 Hochdruckspeicher	CHF 45'000
Brennstoffzelle	CHF 50'000
Summe	ca. CHF 200'000

Fazit: Hat Power to Gas Zukunft?

Bild: Power to Gas — Gas ist ein wichtiger Rohstoff

Energiewirtschaftlich gesehen gilt Power to Gas auf lange Sicht als unverzichtbare Methode, um erneuerbare Energien bereitstellen zu können. Gerade der Einsatz von Wasserstoff gilt zum Beispiel in den Bereichen des Düngens, der Schifffahrt und der langfristigen Stromspeicherung als alternativlos.

Auch die Herstellung von Methan aus überschüssigem grünen Strom und die entsprechende Einspeisung in bestehende Gasnetze ist eine gute und saubere Methode, um fossile Brennstoffe ersetzen zu können. Allerdings ist der Einsatz von Power to Gas aktuell noch mit hohen Energieverlusten verbunden und aus wirtschaftlicher Sicht zumindest im privaten Sektor nicht lohnenswert.

Gerade in Bezug auf die Wärmeversorgung ist der effizienteste Weg heute die Wärmepumpe. Auch in Neubauten, die mit einer Brennstoffzelle ausgestattet werden, gehört beispielsweise die Sole-Wasser-Wärmepumpe zum Standard.

Im Bestandsbau ist der nachträgliche Einbau eines Brennstoffzellen-Systems unwirtschaftlich. Stattdessen kann aber eine Wärmepumpe mit einer Photovoltaik-Anlage kombiniert werden, deren Stromüberschuss ins öffentliche Netz eingespeist wird. Diese Kombination ist ebenso umweltfreundlich und sorgt für ein gutes Stück Unabhängigkeit vom Energieversorger. Für die nähere Zukunft bleibt abzuwarten, welche Alternativen die Power to Gas-Technik bereithält.