Biogasanlagen 2.0 und Power-to-gas

Biogasanlagen 2.0 und Power-to-gas

Die Biogastechnik entwickelt sich weiter und erweitert die Einsatzfälle für Biogasanlagen. Wir haben in diesem Blog bereits über verschiedene Nachteile von Biogasanlagen berichtet. Nun soll auch über die positiven Seiten und Chancen der Biogastechnik berichtet werden.Ein sinnvoller Schritt für Biogasanlagen ohne Aufbereitung zu Biomethan liegt in der Steigerung der Gasspeicherkapazität. Auf dem Markt existieren verschiedene Systeme zur Nutzung der Gärbehälter (Fermenter) oder Gärrest-Lagerbehälter als Gasspeicher. Durch eine veränderte Geometrie (z. B. Halbkugel über Behälter), die ggf. mit einer Erhöhung des Drucks auf bis zu 20 mbar einhergeht, kann das Speichervolumen deutlich erhöht werden. Eine interessante Übersicht bietet z. B. das Agrarinformationssystem der Thüringer Landesanstalt für Landwirtschaft . Auch separate Speicherbehälter sind verfügbar, jedoch meist weniger wirtschaftlich.Wenn eine Biogasanlage einen Gasspeicher für 12 -18 Stunden aufweist, ist sie eine sehr gute Ergänzung für die Produktion von PV-Anlagen. Die von uns besuchte Biogasanlage in Wallerstädten (Besuchsbericht und Berechnungen) kann nach ergänzenden Angaben des Betreibers mit dem vorhandenen Gasvorrat unter den Abdeckungen etwa 10-12 Stunden Volllast Strom produzieren.  Bessere Rahmenbedingungen, d. h. zeitvariable Vergütungen für die Einspeisung in Zeiten verringerter EE-Erzeugung wären eine notwendige Rahmenbedingungen, damit Biogasanlagen diese Funktion als Ergänzung zur PV übernehmen können.Noch einen Schritt weiter gehen die Überlegungen von Biogaspionier Ulrich Schmack, der unter dem Dach von Viessmann in der Firma MicrobEnergy GmbH an der biologischen Methanisierung von Wasserstoff arbeitet. Die Erzeugung von Erdgas aus Wasserstoff gilt unter dem Namen „Power-to-gas“ als eine der interessantesten Optionen für die Langzeitspeicherung. Die ersten Forschungen zu power-to-gas gingen von der katalytischen Methanisierung bei Temperaturen von 350°C und Drücken von über 20 bar aus. MicrobEnergy entwickelt eine biologische Methanisierung bei Umgebungsdruck und mesophil-thermophilen Bedingungen wie Energie&Management im November 2012 berichtete (s. auch http://www.viessmann.de/de/Presse/aktuelles/apt-206009.html).

Damit soll nicht nur eine kostengünstigere Teillösung für die power-to-gas-Technologie entstehen. Die erhoffte Erhöhung des Methan-Gehalts in vorhandenen Biogasanlagen würde ebenfalls die Speicherkapazität der Anlagen deutlich erhöhen.

Biologisch dürfte das Vorhaben nicht ohne Probleme sein. Die Einleitung von Wasserstoff in eine Biogasanlage kann die Biologie der Anlage empfindlich stören. Die sog. acetogenen Bakterien, die einen Teil der mehrstufigen biologischen Prozesse   im Gärbehälter übernehmen, reagieren sehr empfindlich auf einen erhöhten Wasserstoffanteil. Dem Vorhaben von MicrobEnergy sollte dennoch viel Erfolg gewünscht werden.

Hans-Peter Scheerer

Wie gross ist der Speicherbedarf bei schneller Umsetzung der Energiewende mit Photovoltaik und Windenergie?

Professor Volker Quaschning von der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin hat in einem sehr schönen Artikel einmal aufgezeigt, wie groß unser Bedarf an Stromspeichern sein wird, wenn die Energiewende konsequent umgesetzt werden soll.

Er hat eine Simulationsrechnung durchgeführt und geht dabei von 200GWp Photovoltaik und jeweils 50GW Offshore- und 50GW Onshore Windenergie aus. Insgesamt käme man damit auf eine Deckung von 80% des Strombedarfs mit Erneuerbaren Energien. Der Speicherbedarf ist allerdings nicht unerheblich und wird – wie auch schon von Eduard Heindl, dem Erfinder des Lageenergiespeichers, vorgerechnet – nicht mit neuen Pumpspeicherwerken realisierbar sein. Professor Quaschning kommt auf einen Speicherbedarf in der Größenordnung von 30TWh, was dem 750 fachen der derzeit verfügbaren Kapazität entspricht. Es dürfte daher klar sein, dass auf dem Gebiet der Stromspeicherung entschlossenes Handeln dringend erforderlich ist. Wie auch hier im Blog bereits mehrfach thematisiert, schlägt Professor Quaschning hierfür die Kopplung des Stromnetzes mit dem Erdgasnetz vor. Das dürfte die Schlüsseltechnologie sein, um die Ziele zu erreichen.

Photovoltaik statt Biomasse

Mit Biomasse kann man zwar Strom immer dann erzeugen wenn er gebraucht wird, von diesem Vorzug wird allerdings derzeit kein Gebrauch gemacht. Biomasseanlagen speisen wie Photovoltaik- und Windenergieanlagen einfach ins Netz ein. Dafür sind die Flächennutzungsgrade der Biomasse aber eigentlich zu schlecht.

Beispiel: In diesem Artikel im Tagesspiegel wird berichtet, dass in Deutschland inzwischen von 12 Mio Hektar (1 Hektar = 10.000 m²) 2,3 Mio Hektar für Energiepflanzen genutzt werden.
Um die Größenordnung besser einschätzen zu können, habe ich mir mal die Mühe gemacht auszurechnen wie viel Strom man auf der gleichen Fläche mit Photovoltaikanlagen erzeugen könnte. Hier die Rechnung:
Für Biomasse genutzte Fläche: 2.300.000 * 10.000 m² = 2,3E^10m²
Wenn man eine Freiflächen Photovoltaikanlage im 15° Winkel nach Süden ausrichtet, kann man etwa die Hälfte der Fläche mit Modulen belegen.
Nutzbare Modulfläche: ca. 1,15E^10m².
Belegt man diese Fläche mit Solarmodulen mittlerer Leistung, kommt man auf einen Flächenbedarf von ca. 8m²/kWp.
Daraus ergibt sich eine Photovoltaikleistung von: 1,15E10m²/8 = 1.437.500.000 kWp. (1,437 TWp)
Geht man von einem mittleren Ertrag von 900kWh/kWp aus (das ist für Deutschland sicherlich ein realistischer Wert), kommt man auf eine jährliche Energiemenge von:
1.437.500.000 kWp * 900kWh/kWp = 1.293.750.000.000 kWh
Um die Zahl etwas griffiger zu machen hier noch ein paar Umrechnungen:
1.293.750.000.000 kWh
1.293.750.000 MWh
1.293.750 GWh
1.293,75 TWh

Die auf die Fläche bezogene Energieausbeute bei Solarstromnutzung beträgt: 1.293.750.000.000 kWh/2,3E^10m² = 56,25kWh(Strom)/m²

Zum Vergleich, der Strombedarf in Deutschland:

Teilt man 604/1.293,75 = 0,4668.

Das bedeutet: Auf 46,68% der im Moment für Energiepflanzen genutzten deutschen Anbaufläche könnte man die gleiche Menge Strom erzeugen, wie die, die derzeit (Stand 2010) in Deutschland verbraucht wird.

Nun ist Solarstrom ja nicht immer verfügbar. Um Solarstrom zu speichern, könnte man z.B. mit dem Power to Gas Prozess synthetisches Methan erzeugen. Das Methan könnte man speichern und dann wieder zu Strom machen wenn er benötigt wird. Die Umwandlung von Strom in Methan erfolgt derzeit mit einem Wirkungsgrad von ca. 60%. Die Rückverwandlung von Methangas in Gaskraftwerken erfolgt mit einem Wirkungsgrad von ca. 50%. Moderne Brennstoffzellen schaffen sogar 60%. Setzt man voraus, dass die gesamte Energiemenge über den Speicher gegangen ist (worts case) (was nicht zutrifft, da ein Teil des erzeugten Solarstromes direkt verbraucht werden könnte) erhält man die notwendige Strommenge:

604TWh/(0,6*0,5) = 2013,33TWh.

Das bedeutet: Nutzt man den Power to Gas Prozess zur Energiespeicherung und die im Moment (2011) bereits für Energiepflanzen genutzte Fläche und erntet dort Solarstrom, so kann man mit diesem bereits 1.293,75/2013,33 = 0,6425 also 64 % des deutschen Strombedarfs decken.

Erfolgt die Rückverwandlung des synthetischen Methans in Strom in Kraft Wärmekopplung, können sogar noch erhebliche Teile der oben eingerechneten 50% Verluste in Form von Wärme genutzt werden.

Nutzt man statt dem Power To Gas Prozess den Lageenergiespeicher von Eduard Heindl, so erreicht man sogar Speicherwirkungsgrade von etwa 80%. Bei gleichen Voraussetzungen wie oben (die gesamte Energie geht über den Speicher) bräuchte man dann eine Strommenge von 604TWh/0,8 = 755 TWh.

Das bedeutet: Mit Lageenergiespeichern würden bereits 755/1293,75 = 0,5836 also 58% der im Moment bereits für Energiepflanzen genutzten landwirtschaftlichen Fläche ausreichen um Deutschland vollständig mit Solarstrom zu versorgen.

Um einschätzen zu können wie effektiv die energetisch genutzten landwirtschaftlichen Flächen derzeit genutzt werden, habe ich mal ausgerechnet, wie viele kWh Strom man erzeugen könnte, wenn man Raps anbaut und das Rapsöl anschließend verstromt:

Die Ausbeute liegt laut dieser Quelle bei etwa 3 Mio Tonnen Rapsöl auf 2,4 Mio Hektar.
Rechnet man um sind dies 3.000.000.000kg auf 2.400.000*10.000m² = 2,4E^10m² >> 0,125kg/m²
Die auf die Fläche bezogene Energieausbeute bei Rapsöl beträgt: 0,125kg/m²*10kWh/m² = 1,25kWh(Öl)/m²
Würde man mit diesem Rapsöl nun Strom erzeugen (um mit der Photovoltaiknutzung vergleichen zu können) könnte man dies in einem Verbrennungsmotor mit einem Wirkungsgrad von ca. 25-30% tun. (Bei Kraft Wärmekopplung könnte natürlich auch hier die Brennstoffausnutzung noch verbessert werden.)
Dadurch verringert sich die Energieausbeute bei Rapsölnutzung auf: 1,25*0,3=0,375kWh/m² (gegenüber 56,25kWh/m² bei der Photovoltaik)

Ich möchte am Ende der Überlegungen noch darauf hinweisen, dass es sich natürlich nur um Modellrechnungen handelt, um ein Gefühl für die Größenordnungen zu erhalten. Es gibt neben der Photovoltaik schließlich auch noch die Windenergie, die Wasserkraft und die Geothermie um regenerativ Strom zu erzeugen.

Man kann jedoch sicherlich die Aussage treffen, dass eine photovoltaische Nutzung von Flächen, für die Energieerzeugung wesentlich effizienter ist, als der Anbau von Energiepflanzen.

geposted von Matthis Diehl

In Google Plus hat sich eine interessante Diskussion zu dem Thema dieses Blogbeitrages entwickelt.

Wind speichern und Geld verdienen

Der BINE Informationsdienst berichtet in einem  Fachartikel  über die Funktion des Gasnetzes als Speicher erneuerbarer Energien.

Die Bundesnetzagentur und das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES hatten zu einem Workshop zum Thema „Power-to-gas“ eingeladen. ENERGIEWENDE e. V.  hatte in diesem Blog immer wieder über diese derzeit wahrscheinlichste Speichermöglichkeit für regenerative Energien berichtet. 

Die Vorträge der Referenten stehen auf der  Website der Bundesnetzagentur zur Verfügung. Sie sind durchaus lesenswert, teilweise aber echt Hardcore. Wenn Prof. Dr. Robert Schlögl, Direktor am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Englisch über die offenen Fragen der Katalysatorchemie schreibt, dürften die meisten Leser aussteigen. Interessant ist der Vortrag von Audi zum Thema Power-to-gas im Verkehrssektor aber auch andere Beiträge. Wer mehr wissen will über die Speicherung von Windenergie wird sehr gut bedient.

 

Hans-Peter Scheerer

 

 

ZDF Beitrag zum Thema Erdgas als Energiespeicher

Anbei ein schöner Beitrag des ZDF zu dem von uns schon hier diskutierten Thema Erdgas als Energiespeicher.
geposted von Matthias (diesmal auch mit dem richtigen Clip 😉 )

 

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=_6cRwiATawU?wmode=transparent]

 

außerdem noch ein Clip von Greenpeace zum gleichen Thema:

 

[youtube http://www.youtube.com/watch?v=2IViXkAu7mk?wmode=transparent]