Speicherung von Bioenergie und erneuerbarem Strom im Erdgasnetz
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Dr. Specht u. a. • Speicherung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz
FVEE • AEE Themen 2009
Speicherung von Bioenergie und
erneuerbarem Strom im Erdgasnetz
1. Speicherung erneuerbarer träger Methan effizient gespeichert, verteilt und ZSW
zur bedarfsgerechten Nutzung bereitgestellt. Dr. Michael Specht
Energien für Fluktuations- michael.specht@zsw-bw.de
Die bidirektionale Konvertierbarkeit Strom/Gas
ausgleich, Versorgungs- ermöglicht eine Energiespeicherung und Strom- Frank Baumgart
frank.baumgart@zsw-bw.de
sicherheit und Netzstabilität netzstabilisierung, indem bei Stromüberschuss
negative Regelenergie durch Einspeisung von Bastian Feigl
Erdgassubstitut bzw. bei Strombedarf positive bastian.feigl@zsw-bw.de
Ziel eines zukünftigen Energiesystems ist eine
Regelenergie durch Rückverstromung von Volkmar Frick
nachhaltige Vollversorgung aus erneuerbaren volkmar.frick@zsw-bw.de
Erdgassubstitut bereitgestellt wird.
Ressourcen. Dabei sollen die Endenergien Strom,
Bernd Stürmer
Wärme und Kraftstoff jederzeit ohne Nutzungs- bernd.stuermer@zsw-bw.de
beschränkungen zur Verfügung stehen. Viele
Dr. Ulrich Zuberbühler
erneuerbare Energien (EE) wie z. B. Windkraft 2. Energiespeicherung: ulrich.zuberbuehler@
und Solarenergie fallen jedoch fluktuierend an. Schlüsselkomponente in zsw-bw.de
Die Lösung liegt in der Energiespeicherung.
So kann auch zu Zeiten mit einem geringen einem nachhaltigen
Fraunhofer IWES
Angebot an EE (z. B. Windflaute) die Nachfrage Energiesystem Dr. Michael Sterner
gedeckt werden. msterner@iset.uni-kassel.de
Vorgestellt wird ein neuer Lösungsansatz zur Von den EE lässt sich Biomasse am einfachsten
saisonalen Speicherung von EE. Speichermedium speichern, da diese als Brennstoff materiell vor- Solar Fuel
ist Erdgassubstitut (Substitute Natural Gas, SNG), liegt. Sie ist saisonal lagerfähig, steht bei Bedarf Technology GmbH
das sich über die Konversionspfade „Biogas-to- zur Wärme-, Strom- und Kraftstoffproduktion & Co. KG
SNG“, „BioSyngas-to-SNG“ und das neue zur Verfügung und eignet sich damit ideal für Gregor Waldstein
Konzept „Wind-to-SNG“ erzeugen lässt. die Grundlastsicherung. Biomasse deckt derzeit Hofhaymer Allee 42
A-5020 Salzburg
ca. 10 % des Weltenergiebedarfs, der Beitrag
Die Erzeugung von Erdgassubstitut („Biome- waldstein@solar-fuel.com
am Weltenergieverbrauch kann jedoch auf
than“, „Bioerdgas“) aus Biogas ist Stand der
maximal ca. 20 % anwachsen.
Technik. Herstellungsverfahren aus „Bio-Synthe-
Ebenfalls grundlastfähig sind Geothermie und
segas“ über den Weg der Biomassevergasung
Laufwasserkraft, die aber nur begrenzt zur
befinden sich in der Demonstrationsphase.
Verfügung stehen. Die großen Potenziale der EE
Neu ist der Verfahrensweg, aus CO2 und H2
bilden die quasi nicht limitierte Solarstrahlung,
Erdgassubstitut zu erzeugen. Fluktuierend
aber auch die Windenergie, die jedoch beide
anfallende Elektrizität aus erneuerbaren Energie-
stark fluktuierend anfallen, nur begrenzt regel-
quellen (z. B. aus Windkraft) dient im „Wind-to-
bar sind und daher der Speicherung bedürfen.
SNG-Konzept“ zur elektrolytischen Erzeugung
von Wasserstoff, der mit CO2 (z. B. aus Biogas) Nur mit ausreichender Energiespeicherung wird
oder mit CO/CO2-Gemischen (z. B. aus dem eine gesicherte Vollversorgung mit EE gelingen.
Produktgas der thermochemischen Konversion Die Potenziale und die möglichen Einsatzberei-
von Biomasse) in einem Synthesereaktor zu che der verschiedenen Speicher werden durch
Methan konvertiert und als Erdgassubstitut in die erforderliche Speicherkapazität und
das Erdgasnetz eingespeist wird. Speicherdauer sowie die Umwandlungsverluste
und die Kosten bestimmt.
In der vorhandenen Erdgas-Infrastruktur wird Erst durch die Erweiterung der Stromnetze, den
der erneuerbar hergestellte, chemische Energie- Zusammenschluss verschiedener Stromerzeuger
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Randbedingungen in Deutschland sehr stark
eingeschränkt sind, werden sie nur in einem
begrenzten Umfang zur zukünftigen Integration
Discharge time [h]
der EE ins Stromnetz beitragen können.
Druckluftspeicher arbeiten in mit Pumpspeich-
erwerken vergleichbaren Leistungsbereichen.
Weltweit sind jedoch erst zwei Anlagen in
Betrieb.
Die Speicherung in Schwungradspeichern oder
Superkondensatoren ist insbesondere hinsicht-
Storage capacity of different storage systems
lich Dauer und Kapazität begrenzt. Daher be-
CAES: Compressed Air Energy Storage (Druckluftspeicherkraftwerk) steht deren primäre Aufgabe in der kurzfristigen
PHS: Pumped Hydro Storage (Pumpspeicherwerk)
H2, SNG: Die Untertage-Ausspeicherung beinhaltet die Rückverstromung in (
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2.2 Speicherkapazitäten im heutigen haben dabei den Vorteil einer sehr schnellen
Energiesystem und beim Ausbau der Ansprechzeit und können somit flexibel zu- und
Elektromobilität abgeschaltet werden. Dadurch bieten diese
mobilen Energiespeicher die Möglichkeit,
Im heutigen Energiesystem wird die Vorhaltung Systemdienstleistungen zur Stabilisierung der
von Energie durch die Lagerung fossiler Brenn- Netze zu übernehmen, wie z. B. die Bereitstel-
stoffe gelöst (Kohle, Erdöl und Erdgas). Die lung von Regelenergie oder den Lastausgleich.
Bevorratung liegt hier typischerweise in einem Zu Starklastzeiten steht diese Energie durch
Bereich, der dem Verbrauch von mehreren Entladung der Traktionsbatterien zur Verfügung,
Monaten entspricht. Dies gilt jedoch nicht für während sie zu Schwachlastzeiten wieder aufge-
Strom. Angebot und Nachfrage müssen sich laden werden. Dies führt zu einer Glättung der
stets genau die Waage halten. Bei einer über- Stromlastkurve und entlastet die Energieerzeu-
wiegenden Versorgung mit EE stellt sich die gung sowie – bedingt durch die räumliche
prinzipielle Frage, welche Speicher an die Stelle Verteilung der Speicher – auch die Netze.
der Bevorratung fossiler Brennstoffe treten Unter der Annahme, dass 40 Mio. Fahrzeuge
können. alle gleichzeitig am Stromnetz angeschlossen
sind und jedes Fahrzeug 10 kWh einspeist, be-
Die aufgeführten Zahlen in Tabelle 1 verdeutli- trägt die Speicherreichweite ca. 6 Stunden und
chen die Problematik bei der Stromspeicherung: übertrifft damit die bisher in Form von Pump-
Erzeugung und Verbrauch müssen zeitgleich speicherwerken installierte Kapazität um ein
erfolgen. Die heute vorhandene Stromspeicher- Mehrfaches (Tabelle 2).
kapazität beläuft sich auf nur 0,04 TWh, d. h.,
die vorhandenen Speicher könnten rein rechne- Durch die Einbindung von Traktionsbatterien
risch den kompletten Strombedarf Deutschlands kann die Elektromobilität damit zur Stromspei-
nur für weniger als eine Stunde decken. cherung und Stromnetzstabilisierung beitragen.
Elektrofahrzeuge können somit zukünftig vor
Werden Batterien von Elektrofahrzeugen bidi- allem als Kurzzeitspeicher zur Unterstützung des
rektional in das Netz integriert und mit einem Netzbetriebs und Überbrückung kurzfristiger
intelligenten Energiemanagement verknüpft, ist Schwankungen eingesetzt werden.
sowohl das Laden als auch das Entnehmen von Eine mehrtägige oder sogar saisonale Strom-
Energie möglich (Vehicle-to-Grid). Batterien speicherung ist jedoch im bestehenden System
Strom Erdgas Flüssigkraftstoffe1) Tabelle 1
Verbrauch [TWh/a] 615 930 707 Energieverbrauch und
durchschnittliche Leistung [GW] 70 106 2) 81 -speicherkapazitäten
Speicherkapazität [TWh] 0,04 3) 217 4) 250 5) in Deutschland (2008)
rechnerische Speicherreichweite 6) [h] 0,6 2000 3100
1) Benzin, Diesel, Kerosin
2) jahreszeitlich stark schwankend
3) Pumpspeicherwerke
4) 47 Untertage-Gasspeicher (zzgl. 79 TWh in Bau / Planung) [1]
5) Bevorratung an Benzin, Diesel, Kerosin und Heizöl EL
6) bezogen auf die durchschnittliche Leistung
1 Mio. Elektrofahrzeuge 40 Mio. Elektrofahrzeuge
Tabelle 2
Verbrauch 2) [TWh/a] 1,9 76
Energieverbrauch und
Anteil am Stromverbrauch [%] 0,3 12
Speicherkapazität 3) [TWh] 0,01 0,4 -speicherkapazitäten
rechnerische Speicherreichweite 4) [h] 0,15 6 durch Elektrofahrzeuge
in Deutschland 1)
1) Bezugsjahr 2008
2) 0,16 kWh/km; 12.000 km/a
3) verfügbare Speicherkapazität pro Fahrzeug: 10 kWh
4) bezogen auf die durchschnittliche Leistung von 70 GW (vgl. Tab. 1)
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selbst unter der Annahme einer vollständigen sich die ca. 10- bis 100-fache, bei regenerativ
Umstellung des PKW-Bestands auf Elektrofahr- erzeugtem Erdgassubstitut sogar die ca. 30- bis
zeuge nicht möglich. 300-fache Speicherkapazität gegenüber der
Druckluftvariante (abhängig vom Speicher-
Nach heutigem Kenntnisstand ist für die saison- druck). Ein Vergleich mit den existierenden und
ale Speicherung von Energie die Erzeugung von den in Planung befindlichen Erdgasspeichern
Sekundärenergieträgern eine notwendige zeigt, dass diese Speicherkapazitäten heute in
Voraussetzung. Flüssige und gasförmige Brenn- der bestehenden Infrastruktur bereits Realität
stoffe lassen sich im Gegensatz zu Strom direkt sind (Tabelle 1). Rein rechnerisch lassen sich aus
und in großem Umfang speichern. Im Kraftstoff- 217 TWh von in Kavernen lagerndem Erdgas
markt werden Benzin und Diesel über Monate mit Gas-und-Dampf-Kraftwerken zeitlich flexibel
bevorratet. Die Gasspeicherkapazitäten in 130 TWh Strom erzeugen. Andere Speicher-
Deutschland sind um den Faktor 5000 höher technologien mit einer Kapazität in einer Grö-
als die Kapazitäten der Pumpspeicherwerke ßenordnung von > 10 TWh sind nicht in Sicht.
(Tabelle 1). Da sich Erdgas in modernen Kraft-
werken mit einem Wirkungsgrad von nahezu Bei der Speicherung von EE in Untertagespei-
60 % verstromen lässt, liegt es nahe, die Gas - chern bahnt sich jedoch ein Konflikt an: Die
speicherkapazität für die Speicherung von EE zu Technologien Druckluftspeicher und Gasspei-
nutzen. cher (Erdgas, Erdgassubstitut oder Wasserstoff)
können zumindest regional mit der so genann-
2.3 Erfordernisse an die Kapazität saisonaler ten „Speicher“-Technologie CCS (Carbon Cap-
Speicher ture and Storage) konkurrieren, bei der es sich
Eine prinzipielle Frage ist, welche Speicherleistung um eine Entsorgung von CO2 handelt und nicht
und welche Speicherkapazität des deutschen um eine Energiespeicherung. Sollte es bei der
Stromnetzes bei 100 %-Vollversorgung durch EE Verstromung fossiler Energieträger in erheblichen
erforderlich sind, um beispielsweise längere Umfang zu einer Deponierung von CO2 in aus-
Windflauten zu überbrücken. gebeuteten unterirdischen Erdgaslagerstätten
Grundlastfähige EE zur Stromerzeugung sind kommen, so stehen entsprechende Reservoire
Bioenergie, Geothermie, Laufwasserkraft und zur saisonalen Speicherung von EE nicht mehr
ca. 10 % der installierten Windkraftleistung. Von zur Verfügung.
diesen insgesamt ca. 18 GW prognostizierter
Leistung im Jahr 2050 entfallen auf Bioenergie
5 GW, Geothermie 4 GW, Laufwasserkraft 3 GW
3. Lösungsansatz:
und den grundlastfähigen Anteil der Windener-
gie 6 GW, berechnet nach [2]. Bei einer durch- Erdgassubstitut (SNG) als
schnittlichen Last von 70 GW (siehe Tabelle 1) Speichermedium für
verbleibt eine Speicherkapazität von nahezu
20 TWh, wenn die verbleibende Leistung von
erneuerbare Energien
ca. 50 GW über einen Zeitraum von ca. 2 Wochen
abgerufen wird. Zur Stromspeicherung stehen Der regenerative Energieträger SNG lässt sich
in Deutschland z. Zt. jedoch nur 0,04 TWh in über verschiedene Pfade herstellen.
Form von Pumpspeicherwerken zur Verfügung. Primärressourcen sind
Bei einer Vollversorgung durch erneuerbaren • „nasse“ Biomasse für die anaerobe
Strom ist also ein Ausbau der Speicherkapazitä- Vergärung (Biogas-to-SNG)
ten um das ca. 500-fache notwendig! • „trockene“ Biomasse für die thermochemi-
sche Vergasung (BioSyngas-to-SNG)
Für die erforderlichen Kapazitäten von ca. 20 TWh • regenerativ erzeugter Strom zur elektro-
in Deutschland kommen nur chemische Ener- lytischen Erzeugung von Wasserstoff in
gieträger infrage, die z. B. in Kavernen als Gas Kombination mit Kohlen(di)oxid aus diver-
untertage gespeichert werden können. Beim sen biogenen und nicht-biogenen Quellen
Vergleich eines Kavernenspeichers mit Wasser- (Wind-to-SNG)
stoff als chemischem Speichermedium ergibt • Kombinationen der genannten Verfahren
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Die einzelnen Pfade werden nachfolgend AER-Verfahren (Absorption Enhanced Reforming)
erläutert. wegen seines hohen H2-Gehalts von > 60 Vol.%
sehr gute Voraussetzungen für eine nachge-
3.1 Biogas-to-SNG schaltete Methanisierung. Bei dieser Reaktion
Bei der anaeroben Fermentation von Biomasse werden CO und CO2 durch den im Gas vorhan-
wird ein Rohbiogas mit den Majorkomponenten denen Wasserstoff zu Methan konvertiert
CH4 (50 – 70 Vol.%) und CO2 (30 – 50 Vol.%) (Gleichung 1 – 3). Dies erfordert ein definiertes
gewonnen. Weiterhin sind Wasserdampf, die H2/CO/CO2-Verhältnis, sofern auf eine Gaskon-
Minorkomponenten H2S, NH3 sowie je nach Art ditionierung/Gastrennung verzichtet werden
der Vorentschwefelung auch N2 und O2 enthal- soll. Das AER-Produktgas eignet sich aufgrund
ten. Eine Aufbereitung des Rohbiogases zu SNG der einstellbaren Stöchiometrie [3], seiner
erfolgt durch Abtrennen von Wasser, der Minor- Bestandteile und des bereits vorhandenen
komponenten und der Majorkomponente CO2, CH4-Anteils ideal zur SNG-Erzeugung, da nach
bis die für die Einspeisung notwendige Qualität weitgehend quantitativem Reaktionsumsatz und
(Austauschgasqualität) bezüglich der Maximal- nach Abtrennung des Reaktionswassers weitere
konzentrationen der Gasbestandteile und der Prozessschritte entfallen. Werden Synthesegase
brenntechnischen Eigenschaften erreicht ist. aus der Vergasung mit nicht angepasstem
CO2 wird in bestehenden Anlagen durch Druck- H2-Gehalt verwendet, so ist eine nachgeschal-
wechseladsorption oder verschiedene Wäscher- tete CO2-Abtrennung zwingend erforderlich.
systeme entfernt. Die bei der Aufbereitung
anfallenden Restgase werden meist in einem 3.3 Wind-to-SNG
Brenner zur Wärmeerzeugung für den Fermen- Das Thema „Herstellung C-basierter Brennstoffe
ter oder in einem Gasmotor zur gekoppelten aus CO2 und H2“ wird am ZSW seit Ende der
Strom-/ Wärmeerzeugung verwertet. 80er Jahre mit der Zielsetzung bearbeitet, EE zu
speichern [4 – 6]. Neue Aspekte beim Wind-to-
3.2 BioSyngas-to-SNG SNG-Konzept sind die Nutzung bestehender
Werden feste Brennstoffe nicht verbrannt son- Gasnetz-Infrastrukturen für die Speicherung und
dern vergast, erhält man ein Brenngas, das viel- Verstromung des erzeugten Brennstoffs sowie
seitig genutzt werden kann. Der Brennstoff insbesondere die Verwendung von Windstrom,
reagiert mit Luft, Sauerstoff und/oder Wasser- dessen weiterer Ausbau zurzeit durch die Auf-
dampf und es entsteht das gewünschte Rohgas, nahmekapazität der Stromnetze begrenzt wird.
dessen Zusammensetzung von dem Verga- Es kann aber auch Solarstrom bzw. jeder andere
sungsverfahren, den Prozessbedingungen sowie erneuerbare Strom für den Prozess eingesetzt
von den Einsatzstoffen abhängig ist. werden.
Idealerweise ist das Gas nicht durch die Inert-
komponente Stickstoff (Vergasung mit Luft) ver- Das Grundprinzip des Wind-to-SNG-Konzepts
dünnt. Majorkomponenten sind H2, CO, CO2, ist die bidirektionale Verknüpfung der existieren-
H2O und (je nach Vergasungstemperatur) CH4. den Infrastruktureinheiten Stromnetz und Gas-
Minorkomponenten wie Schwefelverbindungen, netz mit dem Ziel, ein neuartiges Last- und
Ammoniak, Teere und Staubfrachten müssen Erzeugungsmanagement zu etablieren, das die
aus dem Gas entfernt werden. Aufnahme hoher Anteile fluktuierender Stromer-
zeugung aus EE ins Energiesystem ermöglicht.
Für die Erzeugung von SNG über die Biomasse- Bislang besteht die Verknüpfung nur durch
vergasung bietet das am ZSW entwickelte Stromerzeugung aus Erdgas (Gas-to-Power),
Methanisierungsreaktionen Gleichung 1 bis 3
3 H2 + CO ➞ CH4 + H2O(g) DHR = -206 kJ/mol (Gleichung 1)
4 H2 + CO2 ➞ CH4 + 2 H2O(g) DHR = -165 kJ/mol (Gleichung 2)
CO-Shift-Reaktion
H2O(g) + CO ➞ H2 + CO2 DHR = -41 kJ/mol (Gleichung 3)
73Dr. Specht u. a. • Speicherung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz
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Abbildung 2
Wind-to-SNG-Konzept
zur bidirektionalen
Kopplung von Strom-
und Gasnetz mit
Anbindung an den
Verbrauchssektor
Mobilität
CCPP: Combined Cycle Power Plant
B-CHP: Block-Type Combined Heat and Power Station
BEV: Battery Electric Vehicle
FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle
CNG-V: Compressed Natural Gas Vehicle
Plug-In HEV: Plug-In Hybrid Electric Vehicle; Especial: Plug-In Electric Drive Motor Vehicles/Range-Extended Electric Vehicle
nicht jedoch in umgekehrter Richtung (Power- Stromerzeugungsleistung zur Verfügung stellen
to-Gas). Grundlage des neuen Konzeptes ist, zu können, ist eine Kombination der Wind-to-
aus Gründen der Netzstabilität nicht einspeis- SNG-Anlage mit einem Gas- oder Blockheiz-
bare bzw. preiswert verfügbare Elektrizität (z. B. Kraftwerk eine geeignete Konzeption, wobei die
bei hohem Windstromaufkommen) in Form von Verstromung nicht notwendigerweise am Stand-
Erdgassubstitut zu speichern. Ein wesentliches ort der Wind-to-SNG-Anlage erfolgen muss.
Ziel ist, die Einspeisung von Windstrom plan-
und regelbar zu gestalten. Das Prinzip ist in Das Wind-to-SNG-Konzept lässt sich hervorra-
Abbildung 2 dargestellt. gend in das bestehende Energiesystem integrie-
ren. Ein besonderer Vorteil gegenüber anderen
Das Konzept sieht vor, „überschüssigen“ Strom Optionen ist die Nutzung des Erdgasnetzes mit
aus fluktuierenden Quellen mittels Elektrolyse seiner hohen Speicher- und Transportkapazität.
zunächst zu Wasserstoff und in einer anschlie- Während eine Hochspannungs-Gleichstrom-
ßenden Synthesestufe mit CO2 (und/oder CO) übertragung (HGÜ) auf Leistungen < 7 GW be-
zu Erdgassubstitut umzusetzen. Der energetische schränkt ist, beträgt diese bei einer Gaspipeline
Wirkungsgrad beläuft sich hierbei auf > 60 % bis zu 70 GW.
(kWhSNG /kWhel ). Hohe Windkrafterträge können als „Wind-SNG“
sowohl saisonal gespeichert, als auch mit hohen
Eine Wind-to-SNG-Anlage kann überschüssigen Energieübertragungsleistungen über große
Windstrom über das Anfahren der Elektrolyse Entfernungen transportiert werden. Für die
aufnehmen und als SNG im Erdgasnetz Verstromung bieten sich Gaskraftwerke mit elek-
zwischenspeichern. Durch gezieltes Drosseln trischen Wirkungsgraden von bis zu 60 % an.
oder Abschalten der Elektrolyse kann in Zeiten Mit steigendem Anteil EE im Stromnetz benötigt
schwächeren Windstromangebots bzw. höherer Deutschland den Zubau dieser hocheffizienten
Stromnachfrage die Elektrolyseleistung gesenkt Kraftwerke, um schnell auf Lastschwankungen
werden. Um zu jeder Zeit – auch bei Windflaute – reagieren zu können. Im Gegensatz zu Atom-
74Dr. Specht u. a. • Speicherung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz
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und Kohlekraftwerken lassen sich Gaskraftwerke Wasserstoff aus der Elektrolyse von Wind-to-
schnell und problemlos regeln. SNG-Anlagen kann einerseits über H2-Netze ver-
teilt und für die Mobilität bereitgestellt werden.
Hervorzuheben ist zudem die besondere Flexibi- Andererseits ist eine Bereitstellung von Wasser-
lität hinsichtlich der Nutzungsoptionen der ge- stoff durch dezentrale Erzeugung an Tankstellen
speicherten Energie, denn SNG kann nicht nur durch Reformieren von SNG unter Nutzung
rückverstromt, sondern auch im Wärme- oder existierender Infrastruktur möglich, ohne dass
Kraftstoffmarkt eingesetzt werden. Letzteres ist eine großflächige Verteilungsinfrastruktur für
vor dem Hintergrund des geplanten steigenden Wasserstoff erforderlich wird.
Anteils von regenerativen Kraftstoffen im Ver-
kehrsbereich von besonderem Interesse. 3.4 Biogas/Wind-to-SNG
Die Bereitstellung des für die Methanisierung
Das Wind-to-SNG-Konzept weist verschiedene benötigten Kohlendioxids kann aus verschiede-
Schnittstellen zum Mobilitätsbereich auf nen Quellen erfolgen (CO2-Abtrennung bei
(„Wind-to-Tank“ in Abbildung 2), da drei rege- Verstromung fossiler Energieträger, Kalk-/
nerative Energieträger für Fahrzeuge bereitge- Zementherstellung, Prozesse der chemischen
stellt werden können: Industrie, etc.). Als „Off-Gas“ entsteht CO2 bei
• (gespeicherter) Strom für batterieelektrische der Aufbereitung von Biogas zu „Bio-Methan“
Fahrzeuge (BEV) (CO2-Abtrennung). Da dieses biogene CO2
• H2 für Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) nicht mit klimarelevanten Emissionen belastet
• SNG für Erdgasfahrzeuge (CNG-V) ist, eignet es sich besonders als Edukt für die
Methanisierung (Abbildung 3.1). Alternativ kann
Die chemischen Energieträger H2 und SNG CO2 aus Biogas auch ohne vorherige Abtren-
eignen sich darüber hinaus für Plug-In-Hybrid- nung direkt genutzt werden, indem das Biogas
Fahrzeuge (Plug-In HEV), mit denen kurze Fahr- direkt einer Methanisierungseinheit zugeführt
distanzen rein elektrisch zurückgelegt werden wird (Abbildung 3.2). Eine optimale Kombina-
können – erst bei längeren Fahrdistanzen kom- tion ist die Kopplung Windpark/Biogas-/Wind-to-
men H2 bzw. SNG durch Verstromung in einem SNG-Anlage an Stellen, an denen Stromnetz-
„Range Extender“ zum Einsatz. engpässe den weiteren Windkraftzubau verzögern
Abbildung 3
Steigerung des
Methanertrags von
Biogasanlagen durch
H2-Zugabe und
anschließende
Methanisierung
75Dr. Specht u. a. • Speicherung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz
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Abbildung 4 3.5 BioSyngas/Wind-to-SNG
Containerintegrierte In einer weiteren Ausführung sollen auch bio-
Wind-to-SNG-Anlage gene Gase aus der thermochemischen Verga-
mit Elektrolysestack [1] sung verwendet werden, deren Stöchiometrie
und Methanisierungs- nicht auf die nachfolgende SNG-Erzeugung
apparatur [2] adaptiert ist. Die Zugabe von H2 zum Verga-
[2] sungsgas ermöglicht eine nahezu vollständige
Konversion des biogenen Kohlenstoffs zu Brenn-
stoffkohlenstoff. Hierdurch lassen sich biogene
Ressourcen bezüglich des Brennstoffertrags
wesentlich effizienter nutzen. Ein weiterer
Aspekt ist die Verwendung des bei der Elektro-
lyse anfallenden Sauerstoffs für die Biomassever-
gasung.
4. Experimentelle Ergebnisse
[1]
Am ZSW wurden verschiedene Festbettreakto-
ren zur SNG-Erzeugung bis zu einer Leistungs-
klasse von 50 kW aufgebaut und getestet.
(z. B. im Küstenbereich mit hohem Zubau an Durch die Exothermie der Methanisierung und
Offshore-Windkraft). die Qualitätsanforderungen an die Gasbeschaf-
fenheit zur Einspeisung in das Gasnetz
In einer ersten technischen Realisierungsstufe ist (H2 < 5 Vol.%, CO2 < 6 Vol.%) ergeben sich
der Aufbau einer 10 MW-Wind-to-SNG-Anlage besondere Anforderungen an die Reaktionsfüh-
in Kopplung mit einer Biogasanlage geplant, in rung und das Reaktorkonzept. Diesen wird
der das Biogas ohne CO2-Abtrennung durch Rechnung getragen durch die Reaktorgeome-
Zudosierung von H2 zu SNG methanisiert wird. trie, das Reaktorkühlkonzept und eingestellte
Ziel für die Inbetriebnahme ist das Jahr 2012. Aktivitätsprofile der Katalysatorschüttbetten.
Abbildung 5
Gaszusammensetzung
der Edukt- und
Produktgase bei der
Methanisierung
Reaktorsystem:
Festbett; Ni-basierter
Katalysator;
T = 250 – 550 °C; pabs
= 8 bar; Raum-
geschwindigkeit =
5000 1/h);
Reaktionspfade:
AER-Syngas ➞ SNG;
CO2/H2 ➞ SNG;
Biogas/H2 ➞ SNG
76Dr. Specht u. a. • Speicherung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz
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Ziel ist ein möglichst hoher Umsatzgrad in 5. Fazit
einem einstufigen Reaktorsystem ohne die Erfor-
dernis einer nachgeschalteten Gaskonditionie- Die verschiedenen Methoden der SNG-Herstel-
rung. Alternativ werden Reaktorkonzepte mit lung aus EE und die Nutzungsoptionen in unter-
Zwischenkondensation/Wasserabtrennung un- schiedlichen Verbrauchssektoren bieten die
tersucht. Chance für ein Zusammenwachsen der Energie-
sektoren Stromnetz, Gasnetz und Mobilität.
Eine vollständige Wind-to-SNG-Anlage in der Strom und SNG sind bidirektional ineinander
Leistungsklasse 30 kW wurde im Auftrag der umwandelbar und verfügen über eine voll aus-
Firma Solar Fuel Technology containerintegriert gebaute Infrastruktur mit saisonaler Gasspei-
aufgebaut. Sie beinhaltet Elektrolyse, Methani- cherkapazität. Zudem lässt sich aus beiden
sierung, Steuer- und Regelelektronik inklusive Energieträgern dezentral H2 erzeugen, ohne auf
eines Betankungsmoduls für Erdgasfahrzeuge ein großflächiges H2-Verteilsystem mit hohen
(Abbildung 4). Die Anlage wird zur Untersu- Infrastrukturkosten angewiesen zu sein. Das vor-
chung von Lastprofilen für die Netzregelung gestellte Konzept zeichnet sich durch folgende
eingesetzt. Nach Abschluss der Testphase wird Merkmale aus:
die Wind-to-SNG-Anlage an einer Biogasanlage
betrieben. Das Biogas soll hierbei direkt (ohne • Die SNG-Erzeugung ermöglicht die saisonale
vorherige CO2-Abtrennung) nach Verfahrens- Speicherung erneuerbarer Energie. Während
variante 2 in Abbildung 3 methanisiert werden. sich die Speicherkapazität des Stromnetzes
heute auf nur ca. 0,04 TWh beläuft – mit
Die Ergebnisse der SNG-Erzeugung aus den einer Speicherreichweite von unter einer
Eduktgasen „AER-Syngas“, „CO2/H2“ und Stunde –, beträgt die Speicherkapazität des
„Biogas/H2“ sind in Abbildung 5 dargestellt. Der Gasnetzes in Deutschland über 200 TWh mit
Reaktor wurde in allen drei Fällen mit vergleich- Speicherreichweiten im Bereich von
baren Betriebsparametern betrieben. Nach ein- Monaten.
fachem Reaktordurchgang werden für die • Zur Stabilisierung des Stromnetzes kann
Eduktgase „AER-Syngas“ und „Biogas/H2“ die durch das Wind-to-SNG-Konzept positive
Grenzkonzentrationen bzgl. H2 und CO2 im und negative Regelenergie bereitgestellt
erzeugten SNG nach Trocknung ohne weitere werden (SNG-Verstromung sowie Ab- bzw.
Gaskonditionierung unterschritten. Für das Zuregelung der Elektrolyse).
Eduktgas „CO2/H2“ sind diese Grenzkonzentra- • Durch den Ausbau der Windenergie (insbe-
tionen geringfügig zu hoch, können aber durch sondere Offshore) werden zukünftig immer
Reduktion der Gasbelastung und/oder Drucker- häufiger hohe Windkraftleistungen zur Ver-
höhung eingehalten werden. fügung stehen, die nicht vollständig vom
Stromnetz, aber in Form von SNG im vor-
Die grundsätzliche Eignung des Wind-to-SNG- handenen Gasnetz aufgenommen werden
Konzeptes zur Energiespeicherung und Netz- können.
regelung wurde nachgewiesen. Mit einem • Die SNG-Erzeugung aus CO2 und H2 unter-
gegenüber der Fischer-Tropsch- bzw. Methanol- liegt im Gegensatz zu Bio-SNG keiner
Synthese deutlich reduzierten verfahrenstechni- Flächenlimitierung durch den Anbau von
schen Aufwand lässt sich SNG auch in Biomasse.
dezentraler Anwendung herstellen, über das • SNG kann aus verschiedenen EE hergestellt
Erdgasnetz verteilen, speichern und bedarfs- werden (Biomasse, Wind-/Solarstrom, etc.).
gerecht nutzen. • Durch die Kombination der Ressourcen Bio-
masse und Strom aus EE lässt sich Biomasse-
Kohlenstoff nahezu vollständig in
Kraftstoff-Kohlenstoff überführen, so dass die
Reichweite biomassestämmiger Kraftstoffe
bedeutend erhöht wird (z. B. „Verdopplung“
des Methanertrags einer Biogasanlage).
77Dr. Specht u. a. • Speicherung erneuerbarer Energien im Erdgasnetz
FVEE • AEE Themen 2009
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[5] M. Specht, U. Zuberbühler, A. Bandi, Nova
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