Entlastung der Stromnetze durch Integration von Power-to-X-Anlagen

Entlastung der Stromnetze durch Integration von Power-to-X-Anlagen

Ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen, das an adaptiven Technologiemaßnahmen für das Strom-, Gas- und Wärmesystem im virtuellen Institut „Strom zu Gas und Wärme“ arbeitet, hat erste Ergebnisse aus drei Jahren Forschungsarbeit veröffentlicht.

Strom in Gas und Wärme umwandeln (Bild: Fraunhofer UMSICHT)

Kommunen erhalten Handlungsempfehlungen wie beispielsweise Power-to-X-Anlagen zu integrieren, um das Stromnetz zu entlasten. Zunehmend entstehen temporäre und räumliche Unterschiede zwischen Erzeugung und Nachfrage von Strom durch den kontinuierlich wachsenden Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung.

Systemanalysen führten zu Handlungsempfehlungen

Flexible Maßnahmen für eine adaptive Nutzung von Strom aus volatilen erneuerbaren Energien sind nötig, um diese Diskrepanz möglichst effizient und kostengünstig zu beheben und gleichzeitig die nötige Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Eine Möglichkeit dafür bietet Power-to-X (PtX). Darunter versteht man verschiedene Technologien zur Speicherung bzw. anderweitigen Nutzung von Strom.

Die Transformation von Strom zu unterschiedlichen Produkten wie Wärme (Power-to-Heat, PtH), Gasen (Power-to-Gas, PtG), chemischen Produkten (Power-to-Chemicals, PtC) oder Kraftstoffen (Power-to-Fuel, PtF) gehört zu solchen Maßnahmen.

In einer Systemanalyse wurden Langfristszenarien mit Fokus auf den Verkehr und die Industrie betrachtet. Sie verfolgen mit unterschiedlichen Strategien das Ziel einer Treibhausgasreduzierung. Anschließend floss der Beitrag, den Power-to-X-Technologien zu diesem Ziel leisten können, in ein integriertes Strommarkt- und Stromnetzmodell ein.

Darüber hinaus erfolgten durch Pfadanalysen Standortanalysen für Power-to-X-Anlagen. Die Pfadanalyse von Fraunhofer UMSICHT, die auf Power-to-X-Technologien Bezug nimmt, beschreibt ein sogenanntes „3-Säulen-Modell“. Es umfasst sowohl die direkte Verwendung von Strom für energieintensive Prozesse als auch Methoden, mit denen schwer aufzuarbeitende Ressourcen erschlossen werden können sowie „Carbon-Capture-and-Utilisation-(CCU) Verfahren“.

Mit Hilfe von elektrischem Strom wird Wasserstoff bei Letzteren erzeugt. Grundsätzlich kann dieser dazu verwendet werden, aus CO“ chemische Grundstoffe oder Treibstoffe herzustellen. Produktrouten mit Primär- und Folgeprodukten wurden zur Identifizierung und Bewertung möglicher Produkte vorgestellt.

PtX-Anlagen standardisieren

Das Forschungszentrum Jülich errichtete im Rahmen der experimentellen Untersuchungen eine Anlage zur Demonstration der Power-to-Gas-Technologie und nahm diese in Betrieb. Ergänzend zu der Elektrolyse und auf einer chemischen Methanerzeugung basierenden Demonstration des PtG-Verfahrens wurde bei Fraunhofer UMSICHT ein biologisches Verfahren zur Herstellung von Methan aus CO2 an einer eigens hierzu entwickelten Technikumsanlage untersucht.

Fraunhofer UMSICHT erarbeitete im Rahmen des Projekts das »3-Säulen-Modell« eines PtX-Konzepts (Bild: Fraunhofer UMSICHT)

Bakterien kamen dabei als biologische Komponente zum Einsatz. Unter anaeroben Bedingungen sind sie im Stande aus CO2 und Wasserstoff Methan zu machen. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass bei der Umsetzung des Verfahrens der Stofftransport zu den Mikroorganismen ein entscheidender Faktor ist, der für eine industrielle Umsetzung weiter verbessert werden muss.

Das Konsortium rät dem Land Nordrhein-Westfalen dazu, PtX-Anlagen als Element der Netzentlastung zu integrieren und Planungs- und Genehmigungsverfahren für PtX-Anlagen zu standardisieren. Ebenso sollten Instrumente für Kommunen und Stadtwerke zu entwickeln, um lokale Akteure bei der Identifikation, Erschließung und (Weiter-)Entwicklung von geeigneten Standorten für PtX-Anlagen zu unterstützen.

Im Auftrag der Landesregierung arbeiten im Virtuellen Institut „Strom zu Gas und Wärme“ sieben Forschungsinstitutionen aus NRW an einer Weiterentwicklung dieser Flexibilitätsmaßnahmen unter Einbeziehung des Energiemarktes, der Netzstabilität und des stetig wachsenden Gesamtsystems.

Im Rahmen eines Abschlussberichts wurden die Forschungsaktivitäten der Jahre 2015-2017 veröffentlicht. Die Ergebnisse zur Integration von Flexibilitätsoptionen ins Energiesystem stehen in fünf Bänden plus Management Summary als Download zur Einsicht bereit.