Power to Gas. - rlp.de...Eigenschaften Alkalische Elektrolyse PEM-Elektrolyse Investitionskosten 800 bis 1.500 € / kW 2.000 bis 6.000 € / kW Wirkungsgrad bezogen auf den oberen

Power to Gas.Eine innovative Systemlösung auf dem Weg zur Marktreife.

P o w e r t o G a s . E i n e i n n o v a t i v e S y s t e m l ö s u n g a u f d e m W e g z u r M a r k t r e i f e .

Inhalt.

32 e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .

Einführung. ........................................................................................................................ 3

Die Systemlösung Power to Gas. .................................................................................... 4

Nutzungspfade von Power to Gas. ................................................................................. 6

Eckpunkte einer Roadmap. ............................................................................................. 7

Technologie: Elektrolyse. ................................................................................................ 8

Technologie: Methanisierung. ....................................................................................... 10

Technologie- und Anwendungsforschung. .................................................................... 11

Wirtschaftlichkeit. ........................................................................................................... 12

Standortwahl. ................................................................................................................... 14

Forschungs- und Pilotprojekte. ...................................................................................... 16

Rechtliche Rahmenbedingungen. ................................................................................. 18

Strategieplattform Power to Gas. ................................................................................. 20

Positionen der Strategieplattform. ............................................................................... 21

Glossar. ............................................................................................................................... 22

Impressum. ........................................................................................................................ 23

Einführung.

Die energiepolitischen Ziele.

Das deutsche Energiesystem wandelt sich grundlegend. Mit dem Energiekonzept von 2010

und den Beschlüssen für eine beschleunigte Energiewende in 2011 hat die Bundesregierung

die Weichen für eine nachhaltige Energieversorgung gestellt. So soll der Ausstoß von Treib-

hausgasemissionen bis 2050 gegenüber 1990 um mindestens 80 Prozent gesenkt werden.

Darüber hinaus hat sich die Bundesregierung weitere ambitionierte Ziele gesetzt, z. B. den

Anteil erneuerbarer Energien am Bruttoendenergieverbrauch bis 2050 auf 60 Prozent zu

steigern. Um diese Ziele zu erreichen sowie eine gesicherte und wirtschaftliche Energiever-

sorgung zu gewährleisten, sind innovative technische Lösungen gefragt. Eine besonders

vielversprechende Systemlösung ist Power to Gas.

Die innovative Systemlösung.

Die Idee von Power to Gas ist, erneuerbaren Strom in Wasserstoff bzw. Methan umzu-

wandeln. Das Gas kann in der Gasinfrastruktur transportiert und gespeichert und an-

schließend in den verschiedenen Anwendungsbereichen genutzt werden. Bei Bedarf wird

es wieder verstromt. Ebenso ist die direkte Verwendung des Wasserstoffs beispielsweise im

Mobilitätssektor möglich. Power to Gas ist somit eine systemübergreifende Lösung zur In-

tegration erneuerbarer Energien in das Energiesystem. Power to Gas kann dazu beitragen,

die CO2-Emissionen in verschiedenen Verbrauchssektoren zu reduzieren, indem das über

Power to Gas erneuerbar erzeugte Gas fossile Energieträger in der Mobilität, der Industrie,

der Wärmeversorgung und der Stromerzeugung ersetzt. Darüber hinaus kann Power to

Gas als Stromspeicher dazu beitragen, die durch Wind- und Sonnenenergie zunehmenden

Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen bzw. in Zeiten besonders hoher

erneuerbarer Erzeugung nicht direkt in das Stromnetz integrierbaren Strom langfristig

nutzbar zu machen.

Der schnelle Überblick.

Power to Gas wird derzeit in Fachkreisen viel beachtet und diskutiert. Gleichzeitig wurden

in den letzten Jahren viele Schritte initiiert, um den Weg für eine Markteinführung der

Systemlösung zu bereiten. Diese Publikation stellt die wichtigsten Daten und Fakten zu

Power to Gas übersichtlich vor und zeigt den Umsetzungsstand sowie die noch bestehenden

Herausforderungen.

e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t . 5

Power to Gas bietet die Möglichkeit, nicht

jederzeit integrierbaren Strom aus erneu-

erbaren Energien durch die Umwandlung

in Gas in die Gasinfrastruktur einzuspei-

sen. So lässt sich der Strom speichern,

verteilen und für verschiedene Energie-

nutzungsbereiche zur Verfügung stellen.

Aufgrund seiner vielfältigen Einsatzmög-

lichkeiten und der verschiedenen zum

Einsatz kommenden Technologien wird

Power to Gas als Systemlösung bezeichnet.

In einem Elektrolyseur wird Strom aus er-

neuerbaren Energien dazu genutzt, um

Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu

zerlegen.

Wasserstoff kann bis zur Erreichung der

zulässigen Konzentration von derzeit zwei

Volumenprozent direkt in die bestehende

Erdgasinfrastruktur eingespeist, und in

dieser gespeichert und verteilt werden.

Um größere Mengen erneuerbaren Stroms

umwandeln und einspeisen zu können,

kann im zweiten Schritt aus dem Wasser-

stoff unter Zuführung von Kohlendioxid

Methan (synthetisches Erdgas, SNG)

erzeugt werden. Die Einspeisung von

synthetischem Methan ins Erdgasnetz

ist grundsätzlich jederzeit möglich, so-

fern die gleiche Menge an anderer Stelle

wieder abgenommen wird.

Über die Nutzung des erneuerbar er-

zeugten Gases lassen sich in den jewei-

ligen Energienutzungsbereichen die

Treibhausgasemissionen reduzieren.

Bei Biogasanlagen kann durch die Me-

thanisierung des biogenen CO2-Anteils

die produzierte Gasmenge fast verdop-

pelt werden.

Methanisierung H2

H2H2 CH4

GasspeicherErdgasnetz

Elektrolyse

Bis zu 2 % Wasserstoff kann die Erdgasinfra- struktur auf- nehmen.

Die Systemlösung Power to Gas.


Power to Gas stellt Kraftstoffe für

die Mobilität bereit: Power to Gas

eröffnet im Verkehrssektor neue Chancen,

die klimaschädlichen CO2-Emissionen und

andere Schadstoffe zu reduzieren. Durch die

Bereitstellung von Wasserstoff oder synthe-

tischem Erdgas als Kraftstoff ermöglicht

Power to Gas beispielsweise eine nachhal-

tige und wirtschaftliche Kurz- und Lang-

streckenmobilität, wobei der erneuerbar

erzeugte Kraftstoff den fossilen ersetzt. Da-

bei spielen insbesondere moderne Kraft-

stoffe eine entscheidende Rolle. In den für

die Mobilität benötigten Größenordnungen

können sie gegenwärtig nur durch Wasser-

stoff oder Methan bereitgestellt werden.

Zudem ist die Erzeugung von Wasserstoff

und Methan aus volatilen erneuerbaren En-

ergien im Vergleich zur Erzeugung flüssi-

ger erneuerbarer Kraftstoffe technologisch

einfacher umzusetzen.

Power to Gas in der industriellen

Nutzung: Erneuerbar produzierter

Wasserstoff ermöglicht die Substitution

von Wasserstoff aus fossilen Einsatzstoffen

und kann z. B. in Raffinerien, in der chemi-

schen Industrie, aber auch in Stahlwerken

(zur Direktreduktion) eingesetzt werden.

Ebenso kann erneuerbar erzeugtes SNG

fossiles Erdgas in der Industrie ersetzen.

Power to Gas liefert Brennstoff

für die Wärmeversorgung: Das

erneuerbare Gas aus dem Power-to-Gas-

Verfahren gelangt über die Erdgasinfra-

struktur zu Wärmeversorgungsanlagen

von privaten und gewerblichen Nutzern

und kann hier fossiles Erdgas substituieren.

Eine besonders effiziente Energienutzung

ist in diesem Zusammenhang der Einsatz

in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen.

Power to Gas als Langzeitspeicher

im Stromsektor: Aufgrund der

großen Speicherkapazität des Erdgasnetzes

und der daran angeschlossenen Erdgasspei-

cher bietet Power to Gas ein hohes Potenzial

für die Speicherung großer Energiemengen.

Bei Bedarf kann das mithilfe des Power-to-

Gas-Verfahrens produzierte erneuerbare

Gas z. B. in Gaskraftwerken oder Blockheiz-

kraftwerken wieder verstromt werden.

Nutzungspfade von Power to Gas. Eckpunkte einer Roadmap.

Weitere Informationen zu

Nutzungspfaden und zur

Roadmap finden Sie unter:

www.powertogas.info/

positionen oder unter:


roadmap

Die dena-Strategieplattform Power to Gas

hat eine Roadmap zur Weiterentwicklung

der Systemlösung Power to Gas vorgelegt.

Diese benennt wesentliche Handlungs-

felder und Fragestellungen sowie damit

verbundene Zeitkorridore, die für eine er-

folgreiche Nutzbarmachung von Power to

Gas unter Einbeziehung aller Nutzungs-

pfade (Strom, Wärme, Verkehr, stoffliche

Nutzung) im Zusammenwirken von Politik,

Industrie, Wissenschaft und Forschung

bearbeitet werden müssen. Die Roadmap

skizziert einen aus heutiger Sicht realistisch

erscheinenden, zeitlich strukturierten

Handlungspfad, mit dem der großtechni-

sche, wirtschaftlich tragfähige Einsatz von

Power to Gas bis 2022 erreicht werden kann.

Dabei werden sowohl die Zielsetzungen

und daraus abgeleitete Fragestellungen als

auch die notwendigen Akteure definiert.

Ziel der Partner der dena-Strategieplattform

ist es, bis 2022 in Deutschland eine Power-

to-Gas-Anlagenkapazität von 1.000 MWel

zu errichten.

EnergiewirtschaftlicheGrundlagenforschung

Investitionsbereitschaft schaffen

EnergiewirtschaftlicheRahmenbedingungen

2012 2014 2015 2020 2022

Technologie- undAnwendungsforschung Markteinführung

Großtechnische und wirtschaftliche Verfügbarkeit der SystemlösungPower to Gas

Eckpunkte einer Roadmap Power to Gas.


Eigenschaften Alkalische Elektrolyse PEM-Elektrolyse

Investitionskosten 800 bis 1.500 € / kW 2.000 bis 6.000 € / kW

Wirkungsgrad bezogen auf den oberen Heizwert

67 – 82 % 44 – 86 %

Spezifischer Energieverbrauch 4,0 bis 5,0 kWh / Nm3 H2 4,0 bis 8,0 kWh / Nm3 H2


Technologie: Elektrolyse.

Für das Power-to-Gas-Konzept müssen

verschiedene Technologien ineinander-

greifen. Zu den wichtigsten Verfahren

zählen dabei die Elektrolyse und die

Methanisierung. Die Wasserelektrolyse

zur Erzeugung des Wasserstoffs ist der

Kernprozess des Power-to-Gas-Konzepts.

Im Rahmen der Elektrolyse wird in einem

Elektrolyseur Wasser mithilfe von Strom

in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

Verfahren.

Für die Wasserelektrolyse gibt es verschie-

dene technologische Verfahren, die zukünf-

tig im Hinblick auf eine Integration in die

Systemlösung Power to Gas weiter optimiert

werden müssen. Hierzu werden die Verfah-

ren kontinuierlich weiterentwickelt.

Die drei für Power to Gas relevanten Ver-

fahren der Elektrolyse sind:

die alkalische Wasserelektrolyse mit

einem flüssigen basischen Elektrolyt

die saure bzw. Polymer-Elektrolyt-Mem-

bran-Elektrolyse (kurz PEM-Elektrolyse)

mit einem polymeren Festelektrolyt

die Hochtemperatur-Wasserdampfelek-

trolyse mit einem Festoxid als Elektrolyt

Bei der alkalischen Elektrolyse und bei der

PEM-Elektrolyse muss zwischen atmosphä-

rischer und Druckelektrolyse unterschieden

werden. Vorteile der Druckelektrolyse lie-

gen in der kompakteren Bauweise sowie in

der Möglichkeit der direkten Ankopplung

an viele industrielle druckgeführte Appli-

kationen sowie die Erdgasinfrastruktur.

Ziel ist es, die Investitionskosten der Elektro-

lyse bis 2022 auf 500 €/kW zu reduzieren.

Kostensenkungspotenziale ergeben

sich vorrangig durch die kontinuierliche

Steigerung der jährlichen Produktions-

stückzahlen und den Übergang zu einer

Serienfertigung.

Kennzahlen.

Herausforderungen.

Die technischen Herausforderungen für

den Einsatz der Wasserelektrolyse im Power-

to-Gas-Konzept sind die aufgrund der Schwan-

kungen in der Stromerzeugung benötigte

Anlagendynamik, die Stabilisierung des

spezifischen Energieverbrauchs und die

konsequente Verlängerung von Wartungs-

intervallen. Die elektrochemischen Pro-

zesse im Elektrolyseur können nahezu ver-

zögerungsfrei auf Last wechsel reagieren.

Entscheidend für den Betrieb und den Wir-

kungsgrad des Prozesses sind jedoch die

Peripheriekomponenten einer Elektrolyse-

Anlage wie Laugenpumpen, Druckregler

und Produktgasseparatoren. Häufige Last-

wechsel und komplettes Herunterfahren be-

lasten diese mechanischen Komponenten

durch die Störung des Wärmehaushalts und

reduzieren somit die Lebensdauer des Systems.

Umsetzungsstand.

PEM-Elektrolyseure weisen technische

Vorzüge für den Einsatz in Power-to-Gas-

Anlagen auf, da sie einem schwankenden

Leistungseintrag besser folgen als alkali-

sche Elektrolyseure. Sie reagieren schneller

auf Lastwechsel, arbeiten auch im unteren

Teillastbereich und erreichen in der Start-

phase schnell die Betriebstemperatur. Aller-

dings konnten bei alkalischen Elektrolyseu-

ren bei den genannten Aspekten ebenfalls

Entwicklungssprünge verzeichnet werden.

PEM-Elektrolyseure weisen wiederum der-

zeit noch höhere Investitionskosten auf als

alkalische Elektrolyseure. Generell bedarf es

noch weiterer Forschung und Entwicklung,

um PEM-Elektrolyseure großtechnisch ver-

fügbar zu machen, insbesondere im Hinblick

auf den Einsatz geeigneter Werkstoffe und

die verfahrenstechnischen Prozesse.

Alkalische Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion.

Kat

ho

de

Gleichstrom

Elektrolyt

Sauerstoff Wasserstoff

Mem

bran

+ –

An

od

e

OH-


11e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .10

Technologie: Methanisierung.

Herausforderung.

Die Methanisierung ist ein zusätzlicher Um-

wandlungsschritt im Power-to-Gas-Verfah-

ren und bedeutet somit einen weiteren

Wirkungsgradverlust. Jedoch kann die

Methanisierung auch direkt im Fermenter

einer Biogasanlage durchgeführt werden.

Mit diesem sogenannten In-situ-Verfahren

wird als Kohlendioxidquelle für die Methani-

sierung direkt, ohne vorherige Abtrennung,

das im Biogas enthaltene Kohlendioxid ge-

nutzt. So können Synergien erschlossen

und die Effizienz des Gesamtprozesses ge-

steigert werden.

Umsetzungsstand.

Um über Methanisierung die benötigte Gas-

qualität bereitstellen zu können, müssen

bestimmte Anforderungen erfüllt werden.

Das betrifft sowohl das Anlagenkonzept als

auch die Reaktionsführung. Aktuell verfüg-

bare Anlagen erreichen bereits Methan-

gehalte von über 94 Prozent.

Das zur Methanisierung notwendige Koh-

lendioxid kann aus biogenen, effizient er-

schließbaren Kohlenstoffquellen (z. B. Koh-

lendioxid aus Biogas, Biomassevergasung

oder aus Brauereien, Ethanolindustrie oder

aus Klärgasen) herangezogen werden. Aber

auch die Kombination mit CO2 aus konven-

tionellen Kraftwerken oder Prozessen, wie

beispielsweise der Zement- oder Stahlher-

stellung, kann eine Option zur CO2-Minde-

rung im Energiesystem darstellen.

Der regenerativ erzeugte Wasserstoff

aus der Elektrolyse kann unter Nutzung

von Kohlenstoffdioxid in einer nachge-

schalteten Methanisierung in Methan

überführt werden.

Vorteile der Methanisierung.

Über die Methanisierung wird ein synthe-

tisches Erdgas (SNG) mit brenntechnischen

Eigenschaften erzeugt, die nahezu identisch

mit denen von fossilem Erdgas sind. Es kann

damit ohne Mengenbegrenzung in die Erd-

gasinfrastruktur integriert werden. Ein

besonders reines synthetisches Erdgas ist

auch vor dem Hintergrund entscheidend,

dass einzelne Erdgasanwendungen, zum

Beispiel in der Glas- und Keramikindustrie

oder in Kraftfahrzeugen, sehr hohe Anfor-

derungen an die Erdgasqualität stellen.

Technologie: Methanisierung

Methanisierung zur Produktion von SNG.

Technologie-/Anwendungsforschung.

Technikkomponente Untersuchungsschwerpunkte

Elektrolyseur – Erprobung der verschiedenen Elektrolyseverfahren und Weiter-entwicklung für den Einsatz in Power-to-Gas-Systemen

– Flexibilität des Elektrolyseurs in Bezug auf schwankende Stromversorgung und schnelle Lastwechsel: Steigerung der Effizienz

Wasserstoffeinspeisung in das Erdgasnetz

– Einspeisung in die verschiedenen Gasnetzebenen– Einspeisung in ein regionales Wasserstoffnetz– Verteilung des Wasserstoffs im Erdgasnetz– Auswirkungen verschiedener H2-Konzentrationen auf Erdgasanwendungen– Erhöhung der H2-Konzentration im Gasnetz

Wasserstoffspeicher – Eignung von Wasserstoffspeichern für den Einsatz in Power-to-Gas-Systemen, z. B. stationäre Druckspeicher: Mitteldruckspeicher, Hochdruckspeicher, Feststoff- speicher, Kavernenspeicher

– Anbindung an eine Wasserstoff-Pipeline

Wasserstoff als Kraftstoff (direkt oder beigemischt)

– Potenzial und Gestehungskosten von Wasserstoff als Kraftstoff – Wasserstofferzeugung an Tankstellen – Betankungstechnologien– Versorgungs- und Belieferungskonzepte für Tankstellen– Beimischung des Wasserstoffs im Kraftstoffproduktionsprozess

Stoffliche Nutzung von Wasserstoff

– Anbindung von Power-to-Gas-Systemen an Industrieanlagen – Herstellung chemischer Grundstoffe mithilfe von Wasser-

stoff als Ersatz für Erdöl als Grundstoff– Reduktion von Metallen

Methanisierung – Eignung verschiedener Kohlendioxidquellen, z. B. Umge-bungsluft, Biogasanlagen oder fossile Kraftwerke

– direkte Methanisierung im Biogasreaktor (in situ) – Eignung verschiedener Katalysatoren für die Methanisierung

Methan als Kraftstoff – Einspeisung ins Erdgasnetz – Entnahme über Bilanzierungssystem an Erdgastankstellen– Einsatz von LNG als Kraftstoff im Lkw- und Schiffsverkehr

Abwärme als Neben- produkt der Elektrolyse

– Einspeisung ins Fern- oder Nahwärmenetz – Nutzung als Prozessenergie (bspw. in Biogasanlagen)– Nutzung für Gebäudeheizung

Sauerstoff als Neben- produkt der Elektrolyse

– Stoffliche Nutzung in der Industrie– Entwicklung von Nutzungskonzepten


12 13e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .

Wirtschaftlichkeit.

pfad und Marktteilnehmer, der die An-

lage betreibt, kann der Bezug des Stroms

aus erneuerbaren Energien unterschied-

lich ausgestaltet sein.

Für den Methanisierungsprozess müs-

sen auch die Kosten und die Verfügbar-

keit von Kohlendioxid berücksichtigt

werden. Dabei gilt es, Synergien mit an-

deren Prozessen optimal zu nutzen. Hin-

gegen sind beim reinen Wasserstoffpfad

die Kosten für den Aufbau einer flächen-

deckenden Wasserstoffinfrastruktur

zu berücksichtigen.

Eine Kostensenkung von Power to Gas

kann insbesondere durch eine Senkung

der Investitionskosten, eine Steigerung

des Wirkungsgrads des Gesamtsystems

sowie die Einstufung als Nicht-Letztver-

braucher erreicht werden.

Geschäftsmodelle.

Für Power-to-Gas-Anlagen sind verschie-

dene Geschäftsmodelle möglich, die je-

weils auf einen anderen Markt mit unter-

schiedlichen Rahmenbedingungen und

damit Konkurrenzsituationen und poten-

ziellen Erlösmöglichkeiten abzielen.

Produkte im Strom-, Gas-, Wärme- und

Verkehrsmarkt und in der Industrie

Beimischung als erneuerbares Gas im

Kraftstoffsektor

Vertrieb regenerativer Sekundärenergie-

träger (H2 und SNG)

Einsatz zur (Langzeit-) Speicherung von

Strom aus erneuerbaren Energien

Bereitstellung von Systemdienstleistungen

z. B. Teilnahme am Regelenergiemarkt

Kostenaspekte.

Ein wesentlicher Faktor für die Wirtschaft-

lichkeit von Power-to-Gas-Anlagen sind

die Investitionskosten für die Elektrolyse

und die Methanisierung. Diese liegen je

nach Anlagengröße zwischen 2.500 und

3.500 Euro pro Kilowatt elektrischer Leis-

tung (€/kWel) bzw. bei 1.500 €/kWel für

die alkalische Elektrolyse.

Neben den Investitionskosten spielen bei

Power to Gas die Betriebskosten, insbe-

sondere die Strombezugskonditionen,

eine wesentliche Rolle. Je nach Nutzungs-

Wirkungsgradaspekte.

Bei der Elektrolyse werden etwa 80 Prozent

der eingebrachten Energie in Wasserstoff

umgesetzt, hier senken insbesondere Wär-

meverluste den Wirkungsgrad. Die nach-

geschaltete Methanisierung hat einen Nut-

zungsgrad von circa 80 Prozent, sofern die

Abwärme mitgenutzt wird. Betrachtet man

den Wirkungsgrad Strom-Gas-Strom, liegt

dieser je nach Betriebsweise und Leistungs-

größe bei etwa 40 Prozent und liegt damit

in der Größenordnung konventioneller

Kraftwerke. Die Erhöhung der Effizienz ist

deshalb ein zentrales Ziel der Forschung

und Ent wicklung zu Power to Gas.

Die ausschließliche Betrachtung des Wir-

kungsgrads wird der Systemlösung Power

to Gas jedoch nicht gerecht. Wesentlich

bei der Systemlösung Power to Gas ist der

bereichsübergreifende Ansatz zur Integra-

tion erneuerbarer Energien in die Nutzungs-

pfade Mobilität, Wärmeerzeugung und

Industrie. Hier ermöglicht Power to Gas,

den universell einsetzbaren erneuerbaren

Energieträger Wasserstoff mit einem Wir-

kungsgrad von über 80 Prozent bereitzu-

stellen. Für die langfristig benötigte Option

der Rückverstromung, d. h. des Einsatzes

von Power to Gas als Stromspeicher unter

Nutzung der Erdgasinfrastruktur, muss

der Systemwirkungsgrad noch deutlich

gesteigert werden. Es ist daher wichtig, die

dafür erforderlichen Entwicklungs- und

Forschungstätigkeiten bereits heute ein-

zuleiten.

Ein Thesenpapier

der Strategieplattform zur

Wirtschaftlichkeit finden

Sie unter:


thesen-wirtschaftlichkeit


15

Kriterien für die Standortwahl.

Verfügbarkeit einer erneuerbaren Strom-

quelle (Menge und Angebotscharakteris-

tik). Zusätzlich wird auch das Stromnetz

maximal entlastet, wenn die Elektroly-

seure in der Nähe der erneuerbaren Strom-

erzeuger stehen. Gleichwohl kann aus

Gründen der Kostenoptimierung die Ins-

tallation größerer Elektrolyseure an zen-

tralen Stromnetzknoten sinnvoll sein.

Absatz- und Vertriebsmöglichkeiten für

Wasserstoff bzw. Methan

Wasserstoffaufnahmekapazität des Gas-

netzes bei direkter Einspeisung von H2.

Für Elektrolyseure ist ein Standort mit

einem ganzjährig kontinuierlich hohen

e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .

Gasdurchfluss im Erdgasnetz von Vorteil,

da hier größere Mengen Wasserstoff

eingespeist werden können.

Für große Wasserelektrolyseure mit nach-

geschalteter Methanisierung ist die räum-

liche Nähe zu Gasspeichern ein wichtiger

Standortfaktor, wenn die Transportkapa-

zitäten nicht ausreichen.

Für die Methanisierung ist eine Kohlen-

dioxidquelle notwendig.

Wirtschaftliche Absatzmöglichkeiten

für die Nebenprodukte Wärme und

Sauerstoff steigern zusätzlich den ener-

getischen Nutzungsgrad und die Wirt-

schaftlichkeit.

Standortwahl.

Die Standortwahl hat maßgeblichen Ein-

fluss auf die Kosten einer Power-to-Gas-

Anlage. Die Auswahl des Standorts richtet

sich nach dem Geschäftsmodell der ge-

planten Anlage. Dabei muss sich die Wahl

an den Gegebenheiten sowohl im Strom-

als auch im Gasnetz orientieren. So ist

zum Beispiel für die Methanisierung die

räumliche Nähe zu einer Kohlendioxid-

quelle von Vorteil.

H2

H2

H2

CO2

CH4

CH4

H2

O2

CO2

Standortfaktoren Power to Gas

Power-to-Gas-Anlage

Industrieanlage / Raffinerie H2-Tankstelle

Strom aus erneuerbaren

Energien

Gasnetz

H2- undErdgasspeicher

StromBiogasanlage

1716 e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .P o w e r t o G a s . E i n e i n n o v a t i v e S y s t e m l ö s u n g a u f d e m W e g z u r M a r k t r e i f e .

Forschungs- und Pilotprojekte.

In Deutschland gibt es derzeit über 20 For-

schungs- und Pilotanlagen, in denen das

Power-to-Gas-Verfahren eingesetzt und

weiterentwickelt wird. Die Projekte haben

unterschiedliche Schwerpunkte und Ziele.

Bei allen geht es darum, die technische

Machbarkeit zu demonstrieren, Standar-

disierung und Normierung zu erreichen,

die Kosten zu senken und Geschäftsmo-

delle zu erproben.

Die nebenstehende Projektkarte gibt einen

Überblick über den aktuellen Stand der

Power-to-Gas-Projekte in Deutschland.

Zum Stand Januar 2014 sind 10 Anlagen

in Betrieb, ca. 15 Power-to-Gas-Projekte

befinden sich in der Planung oder im Bau.

Das Leistungsspektrum der installierten

oder geplanten Anlagen erstreckt sich

von unter 100 kWel bis 6 MWel. Die Pro-

jekte sind überwiegend zu Forschungs-

Methanisierung am Eichhof

Power to Gas im Eucolino

Verbundprojekt „Power-to-Gas“

Thüga-Demonstrationsanlage

Multi-Energie-Tankstelle H2BERH2-Forschungs- zentrum Cottbus

HYPOS

Hybridkraftwerk Prenzlau

Windpark RH2-WKA

Pilotanlage Falkenhagen

RWE-Demonstrationsanlage

Wasserstofftankstelle HafenCity

Audi e-gas Projekt

H2Herten

sunfire Power-to-Liquids

CO2RRECT

und Demonstrationszwecken errichtet

worden und verfolgen das Ziel, Power to

Gas in eine großtechnisch verfügbare und

wirtschaftlich nutzbare Technologie zu

überführen. Lern- und Skaleneffekte und

der Übergang zu einer Großserientechnik

werden durch eine Markteinführung von

Power to Gas ermöglicht.

Projektstatus Legende Stoff

in Betrieb Methanisierung Wasserstoff

Einspeisung in das Gasnetz Methan

Verstromung

Wärmeerzeugung

Gasspeicher

Kraftstoff

Stoffliche Nutzung

in Bau

in Planung

Weitere Pilot- und

Demonstrationsprojekte

werden unter:


pilotprojekte

ausführlich vorgestellt.

1918 e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .P o w e r t o G a s . E i n e i n n o v a t i v e S y s t e m l ö s u n g a u f d e m W e g z u r M a r k t r e i f e .

Rechtliche Rahmenbedingungen.

die Nutzung des Speichergases zu ande-

ren Zwecken kann die EEG-Umlage um

2 ct/kWh verringert werden (§ 39 EEG).

Es besteht eine Stromsteuerbefreiung,

wenn die Elektrolyse eine Nennleistung

von 2 MW nicht überschreitet und im

räumlichen Zusammenhang zur EE-An-

lage steht (§ 9 StromStG).

Wasserstoff und synthetisches Erdgas

(SNG) werden rechtlich als Biogas behan-

delt, vorausgesetzt der zur Elektrolyse

eingesetzte Strom und das zur Methani-

sierung eingesetzte Kohlendioxid stam-

men nachweislich weit überwiegend aus

erneuerbaren Quellen (§ 3 EnWG). Für die

Einspeisung von Wasserstoff und SNG in

Der Bezug von Strom aus erneuerbaren

Energien zur Elektrolyse ohne Nutzung

des öffentlichen Stromnetzes ist befreit

von: Stromsteuer (§ 9 StromStG), EEG-Um-

lage (§ 37 EEG), KWK-Zuschlag (§ 9 KWKG)

und Konzessionsabgaben (§ 1 KAV).

Wird Strom aus dem öffentlichen Strom-

netz bezogen, so sind Anlagen zur Speiche-

rung elektrischer Energie für 20 Jahre von

den Netznutzungsentgelten befreit (§ 118

EnWG). Der gesamte Strom aus erneuer-

baren Quellen, der zur Zwischenspeiche-

rung in Form von Speichergas eingesetzt

wird, ist von der EEG-Umlage befreit (§ 37

EEG), sofern das Speichergas anschließend

zur Stromerzeugung eingesetzt wird. Für

1

2

das Gasversorgungsnetz gelten die Rege-

lungen für Biogas der GasNZV: Vorrang

beim Gasnetzzugang, Begrenzung der

Netzanschlusskosten für den Anschluss-

nehmer (§ 33 GasNZV), Befreiung von Ein-

speiseentgelten für das Gasnetz (§ 118

EnWG) sowie Anspruch auf vermiedene

Netzkosten für die Dauer von 10 Jahren

(§ 20a GasNEV). Die DVGW-Arbeitsblätter

G 260 und G 262 regeln die Anforderun-

gen hinsichtlich der Gasqualität.

Für Wasserstoff und SNG aus erneuerba-

ren Energien erfolgt derzeit keine An-

rechnung auf die Biokraftstoffquote. SNG

wird wie konventionelles Erdgas besteuert

und unterliegt bis zum 31. Dezember 2018

einer Steuerermäßigung (§ 1a EnergieStG).

Wasserstoff als Kraftstoff ist steuerfrei.

Für den Einsatz in Erdgasfahrzeugen

darf der Anteil des Wasserstoffs im

Kraftstoff maximal 2 Volumenprozent

betragen (ECE R 110).

Die Vergütung für die Rückverstromung

richtet sich nach der EEG-Vergütung der

ursprünglichen Stromquelle.

Die DIN EN 437 gilt für alle Gasgeräte,

die in der öffentlichen Gasversorgung

betrieben werden, und schreibt für die

Gruppe Erdgas H ein Prüfgas mit einem

H2-Anteil von 23 Prozent vor.

3

Technische Regelwerke

DVGW-Arbeitsblatt G 260 – Gas-

beschaffenheit

DVGW-Arbeitsblatt G 262 – Nutzung

von Gas aus regenerativen Quellen in

der öffentlichen Gasversorgung

DIN 51624: 2008 – Kraftstoffe für Kraft-

fahrzeuge – Erdgas – Anforderungen

und Prüfverfahren

ECE-Regelung Nr. 110 über den Einsatz

von komprimiertem Erdgas

DIN EN 437: Prüfgase – Prüfdrücke –

Gerätekategorien

Gesetze

Energiewirtschaftsgesetz (EnWG)

Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)

Stromsteuergesetz (StromStG)

Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz (KWKG)

Energiesteuergesetz (EnergieStG)

Bundesimmissionsschutzgesetz (BImSchG)

Verordnungen

Gasnetzzugangsverordnung (GasNZV)

Gasnetzentgeltverordnung (GasNEV)

Konzessionsabgabenverordnung (KAV)

4

5

7

6

21

Strategieplattform Power to Gas. Positionen der Strategieplattform.


Um den Einsatz und die Weiterentwick-

lung der Systemlösung Power to Gas zu

unterstützen, hat die Deutsche Energie-

Agentur (dena) die Strategieplattform

Power to Gas initiiert.

Zusammen mit Partnern aus Wirtschaft,

Verbänden und Wissenschaft werden die Be-

deutung von Power to Gas für die Nutzung

erneuerbaren Stroms analysiert und die

Rahmenbedingungen für die Nutzbarma-

chung der Systemlösung für den wirtschaft-

lichen und großtechnischen Einsatz defi-

niert. Darüber hinaus tritt die Plattform mit

der Politik in den Dialog und informiert die

Öffentlichkeit über die innovative System-

lösung Power to Gas.

In der Strategieplattform bündeln die Part-

ner ihre vielfältigen Kompetenzen und Er-

Die Power-to-Gas-Technologie ist aus

technologischer Sicht heute einsatz-

fähig. Die Weiterentwicklung und Opti-

mierung von Verfahren, Komponen-

ten und Anlagenkonzepten wird von

Unternehmen und Wissenschaft konti-

nuierlich vorangetrieben, sofern die

Rahmenbedingungen für eine Markt-

einführung geschaffen werden.

Die Power-to-Gas-Technologie trägt als

Systemlösung dazu bei, die energiepoli-

tischen Zielstellungen für die Nutzungs-

bereiche Mobilität, Industrie, Wärmever-

sorgung und Stromerzeugung zu errei-

chen. Power to Gas bietet somit die Chance,

um von der Stromwende hin zu einer

Energiewende zu gelangen.

Um eine Markteinführung zu ermögli-

chen, ist eine rechtliche Einordnung von

Power-to-Gas-Systemen als Nicht-Letzt-

verbraucher zwingend notwendig. Sie

nehmen nicht ins Stromsystem integrier-

bare Strommengen auf und wandeln

diese in einen speicherbaren chemischen

Energieträger um. Dieser wird dann

erst über Rückverstromung oder über

den Einsatz in anderen Verbrauchsbe-

reichen einem Letztverbrauch zugeführt.

Methan und Wasserstoff, die auf Basis

von erneuerbarem Strom erzeugt wur-

den, sind auf die Biokraftstoffquote und

ab 2015 auf die Treibhausgasminde-

rungsquote mit dem Vierfachen ihres

Energiegehalts anzurechnen. Dadurch

wird die Marktverbreitung von erneuer-

barem Gas in der Mobilität unterstützt.

Um die großtechnische und vor allem auch

wirtschaftliche Machbarkeit der System-

lösung Power to Gas unter Beweis zu stellen,

ist es aus Sicht der Partnerinstitutionen der

dena-Strategieplattform Power to Gas ziel-

führend und notwendig, den verstärkten Zu-

bau von Anlagen in den kommenden zehn

Jahren anzustreben und mit einer konkreten

Zielsetzung zu verknüpfen. Ziel ist es, bis zum

Jahr 2022 Power-to-Gas-Systeme mit einer

Leistung von insgesamt 1.000 MW in Deutsch-

land zu installieren und zu betreiben.

Positionspapiere der Strategieplattform Power to Gas und ihrer Partner finden Sie hier: www.powertogas.info/

positionen

www.powertogas.info

fahrungen. In regelmäßigen Workshops

werden die wichtigsten Fragestellungen zur

Weiterentwicklung und Markteinführung

der Systemlösung Power to Gas diskutiert.

Hierzu zählen technologische Aspekte (z. B.

zu Elektrolyseverfahren), die Ausgestaltung

geeigneter Rahmenbedingungen oder der

Aufbau zukunftsfähiger Geschäftsmodelle.

Für alle Partner der Strategieplattform

Power to Gas steht stets die gleichberech-

tigte Entwicklung aller Nutzungspfade

von Power to Gas im Vordergrund.

Diskutieren Sie Power to Gas in der Xing-

Gruppe der Plattform:

www.xing.com/net/powertogas

Informative Videos zu Power to Gas finden

Sie im Youtube-Kanal der Plattform:

www.youtube.com/user/Power2Gas


23e f f i z i e n z e n t s c h e i d e t .

Glossar. Impressum.

Herausgeber.

Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)

Energiesysteme und

Energiedienstleistungen

Chausseestraße 128 a

10115 Berlin

Tel.: +49 (0)30 72 61 65-600

Fax: +49 (0)30 72 61 65-699E-Mail: [email protected]

Internet: www.dena.de

Redaktion.

Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena)

Nadia Grimm, Stephan Hohmeier,

Jeannette Uhlig, Andreas Weber,

Immo Zoch

Druck.

trigger.medien.gmbh, Berlin

Stand.

12/2013

Alle Rechte sind vorbehalten. Die Nutzung steht unter dem Zustimmungsvorbehalt der dena.

Sämtliche Inhalte wurden mit größtmöglicher Sorg-falt und nach bestem Wissen erstellt. Die dena über-nimmt keine Gewähr für die Aktualität, Richtigkeit und Vollständigkeit der bereitgestellten Informatio-nen. Für Schäden materieller oder immaterieller Art, die durch Nutzung oder Nichtnutzung der dargebote-nen Informationen unmittelbar oder mittelbar verur-sacht werden, haftet die dena nicht, sofern ihr nicht nachweislich vorsätzliches oder grob fahrlässiges Verschulden zur Last gelegt werden kann.

DVGW ƒ Deutscher Verein des Gas- und

Wasserfaches e. V.

ECE-Regelungen ƒ International verein-

barte, einheitliche technische Vorschriften

für Kraftfahrzeuge

Elektrolyse ƒ In dem bei Power to Gas ein-

gesetzten Verfahren der Wasserelektrolyse

wird Wasser mithilfe elektrischen Stromes

in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.

in situ ƒ Mehrere Reaktionen im gleichen

Reaktor

Kavernenspeicher ƒ Gesolter Speicher-

hohlraum in unterirdischen Salzformationen

KWK ƒ Kraft-Wärme-Kopplung

Oxyfuel-Verfahren ƒ Verbrennungsver-

fahren mit hohem Sauerstoffanteil

PEM-Elektrolyse ƒ Polymer-Elektrolyt-

Membran-Elektrolyse oder Proton-Exchange-

Membrane-Elektrolyse

SNG ƒ Substitute Natural Gas, synthetisch

erzeugtes Methan, welches dem fossilen

Erdgas in seinen brenntechnischen Eigen-

schaften sehr ähnlich oder gleich ist

Speichergas ƒ Jedes Gas, das keine er-

neuerbare Energie ist, aber zum Zweck

der Zwischenspeicherung von Strom aus

erneuerbaren Energien ausschließlich

unter Einsatz von Strom aus erneuer-

baren Energien erzeugt wird

Diskutieren Sie Power to Gas in der Xing-Gruppe der Plattform: www.xing.com/net/powertogas

Informative Videos zu Power to Gas finden Sie im Youtube-Kanal der Plattform: www.youtube.com/user/Power2Gas

Weitere Informationen zu Power to Gas finden Sie auf der Internetseite der Strategieplattform: www.powertogas.info

Herr Professor Dr.-Ing. Michael Sterner (Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg)

ist persönliches Mitglied der Strategieplattform Power to Gas.

Verband kommunaler Unternehmen e.V.

Partnerinstitutionen der Strategieplattform Power to Gas:

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Power to Gas. - rlp.de...Eigenschaften Alkalische Elektrolyse PEM-Elektrolyse Investitionskosten 800 bis 1.500 € / kW 2.000 bis 6.000 € / kW Wirkungsgrad bezogen auf den oberen