Mit grünen Gasen in die klimaneutrale Zukunft

Die Energiewende stellt Industrie, Forschung, Politik und Gesellschaft vor enorme Herausforderungen. Robert Schlögl, Direktor des Max-Planck-Instituts für chemische Energiekonversion, sagt sogar:

Denn mit dem Ausstieg aus Atom- und Kohlekraft allein ist es nicht getan. Zwar haben die erneuerbaren Energien, insbesondere Windkraft und Photovoltaik, heute schon einen Anteil von ca. 42 Prozent am Energiemix der Bundesrepublik, doch auch deren weiterer Ausbau wird nicht reichen, um den gewaltigen Energiebedarf in Zukunft zu decken. Deshalb braucht es neue Technologien, damit wir in Zukunft CO2-neutral leben, heizen und fahren können. Liefert Gas hier Antworten?

Die Zeit des fossilen Gases läuft ab. Aber was kommt danach?

In der Diskussion über die klimaneutrale Energiezukunft hat das Gas besondere Bedeutung. Und obwohl klassisches Erdgas als Brückentechnologie eine wichtige Rolle spielt, werden künftig andere Gase durch die Leitungen fließen. In einer ersten Bilanz zum „Dialogprozess Gas 2030“ hält das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fest, „dass bei ambitionierten Klimaschutzzielen bis 2050 praktisch kein Platz für fossiles Erdgas in seiner heutigen Verwendung sein wird“. Die Betonung liegt hier auf der „heutigen Verwendung“.

Die Gasinfrastruktur für die Gestaltung der Zukunft nutzen

Denn einerseits ist die Versorgung durch Erdgas im Transformationsprozess ein wichtiger Pfeiler, um Versorgungssicherheit zu garantieren. Andererseits gehört die Infrastruktur des Gasnetzes zu den besten in Europa. 536.000 Kilometer lang sind die Leitungen, über die das Gasnetz verfügt. Hinzu kommen unterirdische Gasspeicher.

Grüne Gase sind alle gasförmigen Energieträger, bei deren Verbrennung nicht mehr CO₂ freigesetzt wird, als zuvor der Atmosphäre entnommen wurde. Sie sind daher nahezu klimaneutral. So heißt es in einer Defintion des BDEW Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirtschaft.

Zu den grünen Gasen bzw. klimaneutralen Gasen zählen:

• Biogas: entsteht bei der Vergärung von Biomasse und kann ins Gasnetz eingespeist werden
• Wasserstoff: entsteht entweder durch die Elektrolyse von Wasser mittels Strom (Power-to-Gas) oder dadurch, dass Erdgas unter großer Hitze in Wasserstoff und CO₂ aufgespalten wird. Das CO₂ wird dabei zur weiteren Verwertung aufgefangen.

Wie können grüne Gase produziert werden?

Biogas

Überall, wo es gärt, entsteht Biogas, genauer gesagt Methan (CH4). Zum Beispiel in Mooren oder Güllegruben. Biogasanlagen funktionieren im Grunde nach demselben Prinzip. Nur dass hier Mikroorganismen die Gärung künstlich anstoßen. Dieser Prozess heißt Methanogenese. Dabei entsteht durch die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid Methan. Das wird anschließend zu Biomethan, synthetischem Erdgas (CH4+) veredelt und kann ins Gasnetz eingespeist werden. In 90 Prozent der Fälle wird das Biogas direkt am Entstehungsort in Blockheizkraftwerken in Strom und Wärme umgewandelt. Biomethan kann aber beispielsweise auch verwendet werden, um Fahrzeuge mit Brennstoffzelle anzutreiben oder mit Brennstoffzellen-Heizungen Wärme zu erzeugen.

Wasserstoff ist gerade in Politik und Forschung groß im Trend. Bundesforschungsministerin Anja Karliczek nennt ihn „das Erdöl von morgen“. Dabei ist Wasserstoff eigentlich ein alter Bekannter und noch dazu das häufigste Element im Universum. Allerdings: Ohne Veredelung ist Wasserstoff nicht nutzbar. Und da lag bisher der Haken. Beim herkömmlichen Verfahren zur Wasserstoffproduktion, der Dampfreformierung, wird Erdgas unter großer Hitze in Wasserstoff und CO₂ aufgespalten. Das CO₂ wird anschließend ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben. Die Folge: eine katastrophale CO₂-Bilanz. Pro hergestellter Tonne dieses sogenannten grauen Wasserstoffs fallen 10 Tonnen CO₂ an, die im Unterschied zu blauem und türkisem Wasserstoff nicht gespeichert oder weiterverwendet werden. Mit diesem „schmutzigen“ grauen Wasserstoff hat die aktuelle Debatte allerdings nichts mehr zu tun. Im Gegenteil: Die Zukunft liegt – wenn es nach Anja Karliczek geht – allein im grünen Wasserstoff. 

Power-to-Gas – sauberer geht’s nicht

Grüner Wasserstoff wird ausschließlich aus erneuerbaren Energien hergestellt und ist klimaneutral. Power-to-Gas (PtG) heißt das Prinzip, bei dem Strom aus regenerativer Wind- und Sonnenenergie durch Elektrolyse in sauberen Sauer- und Wasserstoff umgewandelt wird. Der Wasserstoff kann zu einem kleinen Teil entweder direkt ins Erdgasnetz eingespeist oder durch Zugabe von CO₂ – etwa aus der Luft oder als Restprodukt aus Biogasanlagen – zu synthetischem Erdgas (CH4) veredelt werden.

Sonnenenergie gibt’s bald auch nachts und mit Windkraft kann man Auto fahren

Ganz nebenbei löst das Power-to-Gas-Verfahren noch ein weiteres Problem der Erneuerbaren, nämlich die Frage: Woher kommt der Strom, wenn die Sonne mal nicht scheint oder der Wind nicht weht? Die Lösung lautet: Man speichert ihn einfach. Bislang war das noch nicht im großen Stil möglich, ganz im Gegenteil: Bei Überkapazitäten im Stromnetz mussten Windkraftanlagen abgeriegelt werden. Mit Power-to-Gas werden diese Überkapazitäten einfach für die Wasserstoffproduktion genutzt. Der landet dann in unterirdischen Energiespeichern – bis man die Energie wieder braucht.

Mit blauem und türkisem Wasserstoff die Klimaziele erreichen?

Nicht zu 100 Prozent grün, aber trotzdem klimaneutral ist der Ansatz, fossiles Erdgas zu dekarbonisieren, also das CO₂ abzuscheiden. Unter großer Hitze wird aus Erdgas Wasserstoff erzeugt und Kohlendioxid abgeschieden. Je nachdem, was danach mit dem überflüssigen CO₂ passiert, unterscheidet man zwischen blauem und türkisem Wasserstoff. Beide Verfahren gelten als mögliche Brückentechnologien, um die Klimaziele des Pariser Abkommens zu erreichen.

Blauer Wasserstoff

Wird das CO₂, das bei der Herstellung entsteht, im Untergrund eingelagert, spricht man von blauem Wasserstoff. Diesen Prozess nennt man Carbon Capture Storage (CCS). Das geologische Speicherpotenzial Europas ist immens, Schätzungen der International Association of Oil and Gas Producers (IOGP) zufolge liegt es bei 134 Gigatonnen. Trotzdem ist die Speicherung von CO₂ im Untergrund, beispielsweise unter dem Meeresboden, umstritten. Die Forschung hat noch keine abschließende Antwort auf die Sicherheit dieses Verfahrens (Erdbebensicherheit und Folgen der langfristigen Lagerung) gefunden. Aktuelle Studien laufen noch.

Türkiser Wasserstoff

Wird das Kohlendioxid, das bei der Abscheidung entsteht, nicht eingelagert, sondern zur stofflichen Nutzung weiter veredelt (Carbon Capture and Utilization, CCU), spricht man von türkisem Wasserstoff. Fester Kohlenstoff spielt etwa in der chemischen Industrie, aber auch bei der Produktion von Baumaterialien eine Rolle.

Um in Zukunft wirklich alle fossilen Brennstoffe zu ersetzen, muss der Strom der Zukunft nicht nur aus erneuerbaren Energien produziert werden, sondern auch für Wärme und Verkehr als echte Alternative zur Verfügung stehen. Grüne Gase sind ein Schlüssel dazu. Erst wenn erneuerbare Energien sektorenübergreifend einsatzbereit sind, wird die Energiewende gelingen. Klimaneutrale Gase werden in diesem System eine zentrale Rolle spielen. Und gerade deshalb arbeiten die Gasversorgungsunternehmen mit Hochdruck daran, neue Konzepte schnell umzusetzen. Denn jetzt kommt es darauf an, verfügbare Technologie so auszubauen und zu entwickeln, dass sie wirtschaftlich sind und für Kunden bezahlbar werden. 30 Jahre sind nicht viel für die größte Wirtschaftsumstellung des 21. Jahrhunderts, die uns jetzt bevorsteht.