Die Hoffnungsträger Wasserstoff und Methan

Wasserstoff ist als chemischer Energiespeicher absolut schadstofffrei. Wege zur Zwischenspeicherung des voluminösen Gases führen in den Untergrund. Auch künstlich hergestelltes Methan wird hoch gehandelt. Das Erdgassubstitut kann klimaschädliches CO2 vorübergehend binden.

Wasserstoff und Methan werden als Energiespeicher für elektrische Energie hoch gehandelt. Lassen sich diese Gase doch prinzipiell ganz einfach unter Einsatz elektrischer Energie aus Wasser gewinnen. Mit der Gewinnung geht elektrische in chemische Energie über. Als Wasserstoff oder in Form von Methan kann die Energie auch langfristig gespeichert werden. Für die Energiewende sind Speicheroptionen von entscheidender Relevanz, denn Sonnen-, Windenergie, Wellen- oder Gezeitenenergie sind sogenannte dargebotsabhängige Energieformen. Diese Energie steht nur dann dem Stromverteilernetz zur Verfügung, wenn sie gerade in diesem Moment irgendwo produziert wird, die Sonne gerade scheint oder der Wind gerade weht. Für die Regelenergie und zum Ausgleich von Spitzenlasten im Stromnetz sind diese Formen der erneuerbaren Energien deshalb bisher nur bedingt geeignet. Fänden sich jedoch Wege, die gerade gewonnene Energie zu speichern, wäre der große Nachteil der Unplanbarkeit ausgeglichen.

Wie kann aus elektrischer chemische Energie werden?

Der Wind weht, die Sonne scheint, Wellen brechen, das Meer bewegt sich mit den Gezeiten: mit der hier produzierten (und gerade nicht gebrauchten) elektrischen Energie wird in mit Elektrolyten versetztem Wasser die Elektrolyse in großem Stil in Gang gesetzt. Die „klassische“ und verfahrenstechnisch einfache Methode trennt den Wasserstoff und Sauerstoff des Wassers. Der positiv geladene Wasserstoff wandert zum Minuspol (Kathode) und der negativ geladene Sauerstoff des Wassers zum Pluspol (Anode). Gewonnen wird Wasserstoff als chemischer Energiespeicher, Sauerstoff entweicht dabei einfach in die Atmosphäre. Fortschrittliche Elektrolyseure (Anm. der Red.: Stoffumwandler) erreichen im Auslegungspunkt energetische Wirkungsgrade bis über 80 %. Noch umweltfreundlicher als die Nutzung regenerativer Energien zur Herstellung von Wasserstoff könnte eines Tages die Wasserstoffgewinnung mit speziellen „Erbsenkatalysatoren“ werden. Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie haben mit Taiwanesischen Kollegen der National Dong Hwa Universität gerade erst zeigen können (Studie), wie mithilfe von energiearmem Infrarotlicht, welches nahezu 50 Prozent des Sonnenlichts darstellt, energiereicher Wasserstoff direkt ohne großen technischen Aufwand und Stromverbrauch hergestellt werden kann. Erbsenförmige Goldpartikel, die sich in einer Schote aus elektrisch leitendem Niob-Oxid befinden, absorbieren direkt Sonnenlicht. Gibt man die wenige Mikrometer großen, mit Nano-Goldpartikeln gefüllten Röhrchen dann in Wasser, wird es in seine Elemente Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Momentan jedoch braucht es noch regenerative bzw. fossile Energie zur Gewinnung von Wasserstoff.

Insbesondere die Hochtemperaturelektrolyse bei rund 800 Grad Celsius und hohen Drücken hat thermodynamische Vorteile, die den Wirkungsgrad steigern, wenn als Ausgangsstoff bereits Wasserdampf vorliegt. Um etwa den Wärmebedarf bei der verwendeten Elektrolysetechnologie zu decken, liegt ein großes Potenzial in der optimalen Nutzung der Prozesswärme aus der Methanisierung. Wissenschaftlern vom Karlsruher Institut für Technologie ist es nun gelungen, die Synergien zwischen Elektrolyse und Methanisierung erstmals konsequent auszuschöpfen. Bei der Hochtemperaturelektrolyse wird der Strom zunächst genutzt, um Wasserdampf in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff zu zersetzen. Danach wird Wasserstoff nicht komprimiert oder gespeichert, sondern reagiert gemeinsam mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, weiter. Dabei wird sehr viel Wärme frei, die die Wissenschaftler sich nun zunutze machen konnten. Der Vorteil von Methan gegenüber Wasserstoff ist, dass es in der bestehenden Erdgasinfrastruktur ohne Begrenzungen oder weitere Aufbereitung eingespeist werden kann. Die Einspeisung von reinem Wasserstoff bedarf hingegen möglicherweise bei Transport und Anwendungen größeren Anpassungen und Vorsichtsmaßnahmen, da Energiedichte und chemische Eigenschaften stark unterschiedlich sind. Das im HELMETH-Projekt erzeugte Erdgassubstitut enthielt letztlich stets Wasserstoffkonzentrationen kleiner 2 Volumenprozent und wäre somit in das gesamte deutsche Erdgasnetz ohne Einschränkungen einspeisefähig.

Bedarfsgerechte Rückwandlung der Energie

Der Bedarf an Energie ist gerade in den Morgen- und Abendstunden groß, genau dann wenn beispielsweise gerade nicht die Sonne scheint. Wird Methan als Energiespeicher genutzt, kann es einfach wieder, wie natürliches Erdgas auch, verbrannt werden. Doch warum wurde Methan als Ersatz für natürliches Erdgas dann bisher nicht schon umfangreich hergestellt, zumal bei dem Prozess auch noch klimaschädliches Kohlendioxid gebunden wird? Die Umweltfreundlichkeit steht nicht im Vordergrund. Der Kostenfaktor wiegt wesentlich stärker: natürliches Erdgas ist noch gut verfügbar und deshalb immer billiger.

Die Nutzung von Wasserstoff gestaltet sich nicht ganz so unkompliziert. Damit aus der chemischen Energie in Form von Wasserstoff wieder elektrische Energie wird, gibt es verschiedene Wege. Wird Wasserstoff wieder mit (Luft-)Sauerstoff in Motoren, Turbinen in Kontakt gebracht, wird in der Reaktion Energie frei, die genutzt werden kann. Brennstoffzellen, wie sie im großen Stil bald in Autos genutzt werden könnten, kehren einfach die Elektrolyse um, wobei Energie wieder frei wird, die das Auto antreibt. Theoretisch ist Rückwandlung in elektrische Energie innerhalb von Sekunden möglich. Praktisch hängt die Geschwindigkeit bei Wasserstoff von dem Zwischenspeicher und der Bereitstellung ab. Der Untergrund beispielsweise wäre dann das richtige Speichermedium, wenn saisonal oder tageweise zwischengespeichert werden soll.

Die Hürden bei der Nutzung von Wasserstoff

Zwei große Probleme bringt Wasserstoff mit sich. Wasserstoff ist ein leichtes Gas und hat dadurch ein enormes Volumen. Ganze 12 Kubikmeter unverdichteter Wasserstoff entsprechen erst einem Liter Benzin. Unterirdische Speicher wären für diese Volumina geeignet. In ihnen steckt ein großes Potential. Das Zentrum für Umweltforschung beschäftigt sich intensiv mit den Auswirkungen der Nutzung des geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher im Kontext der Energiewende. Auch die Dimensionierung ist Gegenstand der Forschung. Das Platzproblem kann aber auch anders gelöst werden. Wasserstoff wird entweder komprimiert oder unter hohem Druck gleich verflüssigt. Jedoch verschlingt dieser Verflüssigungsprozess selbst viel Energie. Einmal verdichtet und komprimiert, wird aus dem Nachteil ein Vorteil, denn 1 kg Wasserstoff enthält dann fast so viel Energie wie 3 kg Benzin. Wissenschaftler sagen hierzu: Wasserstoff hat eine hohe, massebezogene Energiedichte, liefert demnach viel Energie pro Kilo. Somit sind Speichervolumina in Größenordnungen von Gramm bis mehrere tausend Tonnen sinnvoll und möglich.

Ein weiterer Nachteil, der aber in Zukunft aufgelöst werden kann, ist, dass sowohl bei der Gewinnung von Wasserstoff wie auch bei der Rückwandlung Energie in Form von (Ab-)Wärme verloren geht. Bei der Gewinnung von Wasserstoff im Übrigen fast doppelt so viel. Das summiert sich dann auf insgesamt fast 50 % der ehemals, durch beispielsweise Windkraft eingespeisten Energie. Wird diese Energie nicht aufgefangen, „stirbt“ sie den „Wärmetod“, d.h. sie geht zwar nicht verloren, kann dem Menschen aber nicht mehr nützlich werden. Kraft-Wärme Kopplungssysteme könnten hier Abhilfe schaffen, indem sie die Abwärme direkt vor Ort nutzen. Muss Wasserstoff verflüssigt werden, geht noch weitere Energie verloren: circa 1/3 des Energieinhalts der verflüssigten Wasserstoffmenge werden benötigt. Dann kann aber der flüssige Wasserstoff bei minus 253 °C in speziellen Kryotanks, die dann ohne Kühlung auskommen, gelagert werden. Energieverluste bei der Umwandlung und Speicherung von erneuerbarer Energie in den Griff zu bekommen und hohe Wirkungsgrade zu erreichen, ist die große Herausforderung.

Lösungen in Sicht: Forscher erreichen hohe Wirkungsgrade bei der Herstellung von Methan

Auch bei der Herstellung von Methan als Ersatzstoff für natürliches Erdgas geht Energie verloren. Bisher setzt eine konventionelle Power-to-Gas (Power-to-Methan) Industrieanlage rund 54 Prozent der elektrischen Energie, gewonnen aus erneuerbarem Strom, in chemische Energie des Brennstoffes Methan um. Der Prototyp des EU-Projektes HELMETH, der in etwa in zwei gängige Seefracht-Container passt, erreichte eine beachtliche Steigerung. Der erreichte Wirkungsgrad von 76 Prozent lässt auf 80 Prozent im Industriemaßstab hoffen. Parallel wurden Studien zur Wirtschaftlichkeit und Klimabilanz der neuen Technologie erstellt. „Mit so hohen Wirkungsgraden macht die Power-to-Gas-Technologie einen großen Schritt hin zur Wirtschaftlichkeit“, so Prof. Dr.-Ing. Dimosthenis Trimis vom KIT, Koordinator des EU-Projektes HELMETH.

Speicherung von chemischer Energie im Untergrund

Zurück zum Wasserstoff. Das voluminöse Gas muss zwischengespeichert werden, eventuell auch in unkomprimierter Form. Wissenschaftler des Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ untersuchen daher geologische Speicheroptionen. In Frage kommen für Gase wie Wasserstoff vor allem Salzkavernen. Diese sind ideal. In Tiefen von mehreren hundert Metern bis circa 2 km finden sich diese für Wasserstoff geeigneten Speicherräume. Forscher vermuten allein für Niedersachsen, dass das Potential der Salzkavernen bei einer Befüllung mit Wasserstoff bei circa 350 Milliarden kWh liegt. Auch tiefe saline, poröse Speichergesteine, also mit Salzlauge gefüllte, durchlässige Gesteine eignen sich. Wird Wasserstoff hier injiziert, muss darauf geachtet werden, dass Salzlauge aus porösen Speichergesteinen nicht in Grundwasserschichten wandert. Die Nutzung ehemaliger Erdgasreservoire bietet sich darüber hinaus an. In Deutschland hat das Norddeutsche Becken (Zechstein, Rotliegend) ein großes Potential. Wie schnell in dem gewählten Reservoir im Untergrund dann der Wasserstoff gespeichert werden kann, hängt von Durchlässigkeit des Gesteins und dessen maximaler Druckbelastungsmöglichkeit ab. Durch die Gasinjektion kommt es zu zyklischen Veränderungen von Druck und Temperatur im Untergrund. Salzkavernen sind beispielsweise dynamisch: sie können ihr Volumen vergrößern, aber es kann auch zu einem Zugspannungsbruch infolge der Gasinjektion kommen. Der entscheidende Vorteil der Speicherung im Untergrund sind die geringen spezifischen Baukosten und damit die Wirtschaftlichkeit. Eine einzige Bohrung in die Tiefe/ in die Salzkaverne würde bereits genügen.

Wird der Wasserstoff hingegen komprimiert, können Druck- und Metallhydridspeicher ihn verlustfrei auch über lange Zeiträume lagern. Auch kann die Energie mühelos transportiert werden. Transports per Pipeline, LKW oder auch per Schiff sind möglich. Nutzung und Erzeugung sind dadurch entkoppelt, genau wie bei Benzin oder Diesel.

Wasserstoff und die Umwelt

Dies ist die beste Nachricht: Die Umwandlung von elektrischer Energie in Wasserstoff und die bedarfsabhängige Rückwandlung der im Wasserstoff gespeicherten chemischen Energie ist völlig schadstofffrei. Wasserdampf ist das einzige Endprodukt.

Operativ muss das plötzliche Entweichen von Wasserstoff aus dem Untergrund vermieden werden. Liegt der Volumenanteil von Wasserstoff in der Luft zwischen 4 % und 77 % kann es zu einer Explosion kommen, jener Knallgasreaktion, die jeder aus dem Chemieunterricht kennt. An sich ist dies genau der Prozess mit dem, unter kontrollierten Verhältnissen, auch wieder elektrische Energie gewonnen wird. Durch gute Auswahl der unterirdischen Speicher und ausgereifte Technologien kann das unkontrollierte Entweichen jedoch vermieden werden.

Wer weiter in das Thema Energiespeicherung einsteigen möchte, dem bietet das Stuttgarter EnergieSpeicherSymposium 2018 am 21.3. und 22.3. 2018 die Gelegenheit, aktuelle Forschungsergebnisse kennenzulernen. Organisiert wird das Symposium vom Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum.


Text:
ESKP - Jana Kandarr. Fachliche Prüfung: Dipl.-Ing. Manuel Gruber (KIT)

Weiterführende Informationen

Karlsruher Institut für Technologie: 
Das Projekt HELMETH lief fast vier Jahre und mit einem Budget von rund 3,8 Millionen Euro. HELMETH steht als Akronym für “Integrated High-Temperature ELectrolysis and METHanation for Effective Power to Gas Con-version“. Projektpartner sind neben dem KIT die Universität Turin und TU Athen, die Firmen Sunfire GmbH und EthosEnergy Italia SPA sowie das European Research Institute of Catalysis ERIC und der DVGW – Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.. Pressemitteilung des KIT.

Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung: 
ANGUS+ Auswirkungen der Nutzung des geologischen Untergrundes als thermischer, elektrischer oder stofflicher Speicher im Kontext der Energiewende - Dimensionierung, Risikoanalysen und Auswirkungsprognosen als Grundlagen einer zukünftigen Raumplanung des Untergrundes.

Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum:
Das Stuttgarter EnergieSpeicherSymposium 2018 fand am 21.3. und 22.3. 2018 statt. Mit dem Stuttgarter EnergieSpeicherSymposium bietet das Deutsche Luft- und Raumfahrtzentrum die Gelegenheit, aktuelle Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Energiespeicherung kennenzulernen, Kontakte zu knüpfen und Kooperationsbeziehungen anzubahnen und zu vertiefen.

Forschungszentrum Jülich: 
Dr. Thomas Grube leitet am Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung die Arbeitsgruppe Mobilität. Ein Schwerpunkt seiner Arbeit sind aktuell emissionsfreie Antriebe mit Batterien und Brennstoffzellen.

Helmholz-Zentrum Geesthacht, Zentrum für Material- und Küstenforschung: 
Einblicke in die Wasserstoffforschung am HZG.

Weitere Quellen

  Die Bundesregierung: Energiespeicher im Salz.
  Artikel: Riesige Salkavernen sollen in Norddeutschland Windenergie speichern.
 Planet Gbr Ingenieurbüro für Energie und Versorgungstechnik

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eskp.de | Earth System Knowledge Platform – die Wissensplattform des Forschungsbereichs Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft

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