Die Demonstratoranlage des Projekts Helmeth verbindet Methanisierung (links) und Elektrolyse (rechts) mit einem Wirkungsgrad von 76 Prozent.

Bild: Sunfire
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Projekterfolg für Power-to-Gas 75 Prozent Wirkungsgrad sind möglich

12.02.2018

KIT-Forscher haben die Synergien zwischen Elektrolyse und Methanisierung konsequent ausgenutzt und schüren nun die Hoffnung auf Wirkungsgrade von bis zu 80 Prozent im Power-to-Gas-Prozess.

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Um das Erdgasnetz als Puffer für den wetterabhängigen Strom aus Wind und Sonne zu nutzen, sind wirtschaftliche Prozesse nötig, die aus Strom chemische Energieträger erzeugen. Ein wichtiger Schritt auf dem Weg dorthin ist dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun im EU-Projekt Helmeth gelungen.

Machbarkeit von 75-%-Wirkungsgrad demonstriert

Das vom KIT koordinierte Projekt hat gezeigt, dass Hochtemperaturelektrolyse und Methanisierung als gemeinsamer Power-to-Gas-Prozess mit einem Wirkungsgrad von über 75 Prozent im Technikumsmaßstab möglich sind. Um diesen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, der rund 20 Prozentpunkte über dem der Standardtechnologien liegt, haben die KIT-Forscher die Synergien zwischen Elektrolyse und Methanisierung erstmals konsequent ausgenutzt.

Eine konventionelle Power-to-Gas-Industrieanlage setzt rund 54 Prozent der elektrischen Energie erneuerbaren Stroms in chemische Energie des Brennstoffes Methan um. Der Prototyp des EU-Projektes Hemleth, der in etwa in zwei gängige Seefracht-Container von je rund sechs Metern Länge passt, erreichte bei den finalen Messungen einen Wirkungsgrad von 76 Prozent.

Dieser Wert lässt auf einen Wirkungsgrad im Industriemaßstab von 80 Prozent hoffen. Voraussetzung dafür: Die in dem Projekt identifizierten, limitierenden Prozesschritte müssen durch künftige Forschung in Angriff genommen werden. Parallel wurden Studien zur Wirtschaftlichkeit und Klimabilanz der neuen Technologie erstellt. Mit diesem hohen Wirkungsgraden macht die Power-to-Gas-Technologie einen großen Schritt hin zur Wirtschaftlichkeit.

Prozesswärme besser nutzen

Ein großes Potenzial, das in Helmeth gehoben wurde, lag in der optimalen Nutzung der Prozesswärme aus der Methanisierung, um etwa den Wärmebedarf bei der verwendeten Elektrolysetechnologie zu decken. Insbesondere die Hochtemperaturelektrolyse bei rund 800 °C und hohen Drücken hat thermodynamische Vorteile, die den Wirkungsgrad steigern.

Bei der Elektrolyse wird der Strom zunächst genutzt, um Wasser in Sauerstoff und den Energieträger Wasserstoff zu zersetzen. Danach reagiert der Wasserstoff gemeinsam mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid unter Wärmeentwicklung zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas, weiter. 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 möglicherweise bei Transport und Anwendungen größeren Anpassungen, da Energiedichte und chemische Eigenschaften stark unterschiedlich sind. Das im Helmeth-Projekt erzeugte Erdgassubstitut enthielt letztlich stets Wasserstoffkonzentrationen kleiner zwei Volumenprozent und wäre somit in das gesamte deutsche Erdgasnetz ohne Einschränkungen einspeisefähig.

Über das Projekt

Helmeth steht als Akronym für Integrated High-Temperature Electrolysis and Methanation for Effective Power to Gas Conversion. Projektpartner sind neben dem KIT die Universität Turin und TU Athen, die Firmen Sunfire und EthosEnergy Italia sowie das European Research Institute of Catalysis ERIC und der Deutsche Verein des Gas und Wasserfaches DVGW.

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