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Power–to–Gas 2.0

Stromspeicher für den Sektor Verkehr

Das Projekt Segelenergie Follow the Wind, von Prof. Michael Sterner, Professor für Energiespeicher an der Technischen Hochschule Regensburg und Leiter der Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES), auf der Dena organisierten Jahreskonferenz Power–to–Gas vorgestellt, stellt eine Ergänzung zur regenerativ erzeugten Stromversorgung auf den Bereich Kraftstoffherstellung dar.


Auf der, von der Dena organisierten Jahreskonferenz Power–to–Gas — eine Systemlösung auf dem Weg zur Marktreife, diskutierten am 18. und 19. Juni 2013 Experten aus Industrie, Wissenschaft, Verbänden und Politik Fragen über die Rolle der Energiespeicher im zukünftigen Energiesystem. Auf ihr wurde ein Überblick über die zur Zeit existierenden Pilotprojekte gegeben und internationale Entwicklungen beleuchtet. Michael Sterner thematisierte in seinem Vortrag die große ungelöste Frage der Mobilität & Kraftstoffversorgung und stellte das von der TH Regensburg weiterentwickelte Power–to–Gas 2.0 Konzept, als Kombination des Wind–Wasser–Speicher–System, vor.


Bleibt der Bahnstrom unberücksichtigt, werden in Deutschland auf dem Sektor Verkehr mit 700 TWh rund 30 Prozent der Endenergie verbraucht. An diesem Gesamtbedarf stellen die Erneuerbaren Energien wiederum nur einen Anteil von 5,7%. Bis zu dem Jahr 2020 soll sich diese Zahl am Gesamtverbrauch an Motorkraftstoff verdoppeln (Quelle: BMU, AGEE–Stat Daten zu Erneuerbaren Energien 2012). Bei dieser Zielsetzung spielen die Biokraftstoffe eine große Rolle. Allerdings lässt sich die zurzeit verfügbare Anbaufläche für die nachwachsenden Rohstoffe in Höhe von 2,4 Mio. ha nicht erhöhen. Der aus dem Ausland stammende hälftige Anteil ist zwar theoretisch steigerbar. Dies würde jedoch zu einer weiteren Abholzung von den Regenwäldern, als riesige globale CO2–Speicher und so also tatsächlich zu einer Steigerung der globalen Treibhausgasemissionen beitragen. Auch führt der Anbau von Energiepflanzen zu einer Abnahme der Anbaufläche für Nahrungsmittel. Mit der Folge eines Anstiegs der weltweit hungernden Menschen. Die Töpfer–Aussage „erst der Teller, dann der Tank” wird dadurch konterkariert.
Das Potential f�r den Einsatz strom-basierten Kraftstoff aus Erneuerbaren Energien, der an Land produziert wird, ist begrenzt. Legt man einen Wirkungsgrad Strom-zu-Kraftstoff von ca. 50% zugrunde, dann m�ssten Windenergie-Anlagen mit einer Leistung von 350 GW Onshore installiert werden, um die H�lfte des Gesamtbedarfs an Kraftstoffen zu decken, also etwa 12x mehr Windkraft Onshore. Gegen den Ausbau der heute installierten 30 GW protestieren jetzt schon viele Anwohner wegen der Beeintr�chtigung des Landschaftsbildes und des L�rms. Ob der vielfache Ausbau seine gesellschaftliche Akzeptanz findet, ist schwer vorstellbar.


Mit dem Konzept des Segelenergie — follow the wind werden die einschränkenden Faktoren in der Produktion von Strom aus Windenergie, wie Windstärke, wechselnde Windrichtung und die Windhöhe, berücksichtigt. So können gegenüber den stationären Offshore–Windparks höhere Erträge erzielt werden. „Der Wind weht wie er will, deshalb müssen wir ihm folgen, damit wir konstant Energie aus ihm gewinnen können. Das geht am besten über Segelenergie”, sagt Prof. Dr. Sterner. Er betont: „Damit erschließen wir ein enormes Potential.” Zudem treten bei den Offshore–Windparks enorme Probleme auf, u.a. Baurecht, Lärmschutz, Naturschutz und insb. die Einflüsse auf das Landschaftsbild. Auf der rund 36.000 Mio. Hektar Meeresfläche weicht man diesen aus. Und es kommt zu keiner Konkurrenz zu Nahrung und Futter.


Stationäre Energieschiffe gab es historisch in Städten an Flüssen, in denen Wassermühlen zum Getreide mahlen auf Schiffen am Ufer befestigt wurden. Das Segelenergiekonzept basiert auf dem selben Prinzip und nutzt die Kraft des Windes, um das Meerwasser „in Strömung” zu versetzen. Als Schiffsantrieb wurden 3 verschiedene Verfahren gewählt: Zum einem, die schon ausgereifte Segeltechnik. Dann die Zugdrachen, die jetzt schon bei Containerschiffen zur Treibstoffminimierung eingesetzt. Und schließlich die Flettner–Rotoren.

Flettner–Rotoren: Das Wirkprinzip der Flettner–Rotoren beruht auf dem Magnus–Effekt. Dieser ist auch verantwortlich für sogenannte „Bananenflanken” im Fußball. Die großen Zylinder auf dem Schiff werden angetrieben und drehen sich daher. Der Wind streift an ihnen vorbei und wird aufgrund der Zylinderrotation auf der einen Seite beschleunigt. Dies hat eine Druckverringerung zur Folge, welche dann zu einer Vortriebskraft führt. Das Schiff fährt somit 90 Grad zum Wind um geradeaus fahren zu können.

Der aus dem Wind gewonnene Vortrieb / Schub dient dem Eigenantrieb und der Energiegewinnung. Die Zugkraft des Windes wird durch eine Wasserturbine, die am Schiff befestigt ist, in Strom gewandelt. Station�re Energieschiffe gab es historisch in St�dten an Fl�ssen, in denen Wasserm�hlen zum Getreidemahlen auf Schiffen am Ufer befestigt wurden. Das Segelenergiekonzept basiert auf dem selben Prinzip und nutzt die Kraft des Windes, um das Meerwasser �in Str�mung� zu versetzen. Die elektrische Energie wird �ber Power-to-Gas in Gas gewandelt und gespeichert wird. Das f�r diesen Prozess notwendige Kohlendioxid kann aus der Luft absorbiert werden kann oder das CO2-reiche Schwachgas der maritimen Gaswirtschaft wird f�r die Aufbereitung genutzt. Der andere Reaktionspartner, Wasser, kann in Tanks mitgenommen werden oder wird unterwegs mit Filtern aus Meerwasser aufgereinigt. Die vollen Speicher k�nnen entweder in H�fen entladen werden oder die Schiffe steuern Gasplattformen in der Nordsee an, die die nahtlose Integration in die Gasinfrastruktur erm�glichen. Die Methode �Follow the Wind� erm�glicht ein hohes Potential von Strom aus Windenergie für die Grundlast. Antriebssysteme

Ein erster Feldtest wird zurzeit im Nordatlantik durchgeführt. Dort kreuzen seit Wochen 22 „Ceres”–Schiffe vor dem Wind. Ein 200 m langes Energieschiff dieser Flotte besitzt 26 Flettner–Rotoren mit einer Höhe von 35 Metern, die für den Eigenantrieb sorgen. Ein zusätzlicher Zugdrachen unterstÜtzt und optimiert den bis zu 14 Knoten hohen Vortrieb. Über vier je 1,25 MW großen Wasserturbinen am Rumpf wird die Windenergie in Strom gewandelt, die der Elektrolyseur mit der Leistung von 5 MW für die Hydrolyse des Wassers benötigt. Das für diesen Prozess des Power–to–Gas Verfahren notwendige Kohlendioxid kann aus der Luft absorbiert werden oder das CO2–reiche Schwachgas der maritimen Gaswirtschaft wird, nach Aufbereitung, genutzt. Neben der Reinigung und Filterung des Wassers als der andere Reaktionspartner, kann der Wasserstoff aber auch in Tanks mitgenommen werden. Die vollen Speicher können entweder in Häfen entladen werden oder die Schiffe steuern Gasplattformen an, die so eine nahtlose Integration in die Gasinfrastruktur an Land ermöglicht.
Ersten Berechnungen zu Folge, kann ein 90m langes Energieschiff, dass mit einer 2 MW großen Elektrolyse ausgestattet ist, bei einer Auslastung von 80% und einer angestrebten Fahrtdauer von 3 Monaten, ca. 1.200 MWh speichern. Dank Navigationsalgorithmen, die ständig historische und aktuelle Winddaten auswerten, sind die Schiffe in der Lage, sich dauerhaft am Wind zu orientieren und so die notwendigen 7.000 Volllaststunden der Elektrolyseure zu erreichen. Diese Energiemenge reicht aus, um ca. 630 Automobile mit einer Fahrleistung von 20.000 km pro Jahr und einen Spritverbrauch von 50 kWh / 100 km (ca. 5 l / 100 km) für ein Jahr zu betanken. In diesen Zahlen sind schon alle Verluste und Wirkungsgrade an Schiffswiderstand, Strömungsmaschine, Generator, Leistungselektronik, Hilfsenergie an Bord, Elektrolyse, Methanisierung, CO2–Bereitstellung aus der Luft, Gasverdichtung– und verflüssigung enthalten. Wird das CO2 anders gewonnen oder „nur” Wasserstoff geerntet und hocheffiziente Brennstoffzellenfahrzeuge eingesetzt, erhöhen sich entsprechend die Erträge und die Anzahl der Fahrzeuge. Je nach Träger bei Wasserstoff liegen die Kosten für den so erzeugten Kraftstoff im Optimum bei 16€–ct./kWh Methangas aufwärts, ab 23€–ct./kWh bei Nutzung von atmosphärischem CO2, Methanol: und ab 19€–ct./kWh (Nutzung von atmosphärischem CO2). Als Referenzwert dienen mit 33€–ct./kWh die Kosten für erneuerbaren Wasserstoff aus Onshore–Windkraftanlagen.

Während das Power–to–Gas Verfahren einen wichtigen Baustein im Rahmen der Energiewende bei der Stromversorgung darstellt, bietet die konstante Nutzung des Winds auf dem Meer ein wichtiges Potential auf dem Feld Mobilität. Die Technologie zur Nutzung steht bereit — s. der Audi A3 Sportback g–tron. Oder das Modell S der Fa. Tesla.

– Mehr Infos unter: Homepage Segelenergie