Foto: Staatliche Schlösser und Gärten Baden-Württemberg

Wie „Power-to-Gas“ umwelt­freundlich und rentabel wird

Wasserstoff könnte schon heute mit Strom aus Windkraft profitabel produziert werden. Bislang galt diese umwelt­freundliche „Power-to-Gas“-Methode als unrentabel. Ökonomen der Universität Mannheim und der Technischen Universität München (TUM) zeigen nun, wie die Technologie mit flexiblen Produktions­anlagen und einer Änderung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes zu einem wichtigen Baustein der Energiewende werden kann.

Pressemitteilung der Technischen Universität München vom 26. Februar 2019

Ob bei der Herstellung von Dünger, als Kühlmittel in Kraftwerken oder in Brennstoffzellen für Autos: Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbares Gas. Für die Industrie wird es heute überwiegend aus fossilen Rohstoffen hergestellt, vor allem aus Erdgas und Kohle. In einem umwelt­freundlichen Energiesystem könnte Wasserstoff aber auch eine andere Rolle spielen, als wichtiger Speicher und Stromnetzstabilisator: Überschüssige Wind- und Solarenergie kann genutzt werden, um das Gas mit Elektrolyse aus Wasser zu gewinnen. Dieses Verfahren wird Power-to-Gas genannt. Die Energie kann der Wasserstoff später zurückgeben, indem er beispielsweise in Brennstoffzellen Strom und Wärme erzeugt, im Erdgasnetz beigemischt oder in synthetisches Erdgas umgewandelt wird.

„Verkaufe ich die Energie oder wandle ich sie um?“

Doch Power-to-Gas galt bislang als nicht wettbewerbs­fähig. Gunther Glenk vom Lehr­stuhl für Controlling der TUM und Prof. Stefan Reichelstein, der an der Universität Mannheim forscht, haben nun berechnet, wie Wasserstoff zu hundert Prozent CO2-frei und gleichzeitig rentabel produziert werden kann. Ihre Studie, die in der renommierten Fach­zeitschrift „Nature Energy“ erschienen ist, zeigt, dass für die derzeitige Markt­situation in Deutschland zwei Faktoren entscheidend sind:

  • Es müssen Anlagen zum Einsatz kommen, die Strom sowohl ins Netz einspeisen als auch zur Wasserstoffproduktion nutzen. Diese Kombi-Anlagen, die bislang nur vereinzelt betrieben werden, müssten optimal auf die großen Schwankungen der Windkraft und der Preise am Strom­markt reagieren. „Der Betreiber kann zu jedem Zeitpunkt entscheiden: Verkaufe ich die Energie oder wandle ich sie um“, erklärt Stefan Reichelstein.
  • Geändert werden muss das Erneuerbare-Energien-Gesetz, das die Einspeisevergütung regelt. Diese garantiert derzeit Energieerzeugern Mindest­preise, wenn sie Strom ins Netz geben. „Wasserstoffspeicher kann man in Deutschland mit einer einfachen Stellschraube rentabel machen“, sagt Gunther Glenk. „Die Vergütung wird nicht für die Einspeisung, sondern für die Erzeugung erneuerbarer Energie gezahlt. Dann habe ich die Wahl, direkt zu verkaufen oder zu speichern.“

Produktion für einige Branchen würde sich heute schon rechnen

In Deutschland wäre unter diesen Voraussetzungen schon heute die Wasserstoffproduktion mit Windkraft bis zu gewissen Mengen konkurrenz­fähig gegenüber der Produktion aus fossilen Quellen. „Für mittel- bis kleinvolumige Produktionen würde sich der Einsatz der Anlagen bereits rechnen“, sagt Reichelstein. Solche Mengen benötigen beispielsweise die Metall- und die Elektronikindustrie – oder eine Gabelstaplerflotte auf dem Fabrikgelände. Für den Zeitraum bis 2030 prognostizieren die Ökonomen die Wettbewerbs­fähigkeit auch in großem Maßstab, zum Beispiel für Raffinerien und die Ammoniakproduktion, sofern die Kosten für Windkraft- und Elektrolyseanlagen ähnlich stark fallen wie in den vergangenen Jahren. „Vorstellbar ist auch die Nutzung in Brennstoffzellen für Lkws und Schiffe“, sagt Glenk.

Energieträger für intelligente Infrastruktur

Das Modell der Ökonomen bietet eine Planungs­grundlage für Industrie und Energiepolitik, da es viele weitere Faktoren wie etwa Abgaben auf CO2-Emmissionen einbeziehen und die optimalen Kapazitäten der beiden Anlagen-Komponenten berechnen kann. Auch auf andere Staaten ist es anwendbar: Für Texas haben die Forscher ebenfalls die Wettbewerbs­fähigkeit gezeigt.

„Power-to-Gas bietet Unternehmen verschiedener Branchen neue Geschäfts­modelle“, sagt Glenk. „Energieversorger können zum Wasserstofflieferanten der Industrie werden. Das produzierende Gewerbe kann mit eigenen Kombi-Anlagen in die dezentrale Stromversorgung einsteigen. So können wir eine klima­freundliche und intelligente Infrastruktur aufbauen, die Stromversorgung, Produktion und Verkehr optimal verbindet.“

Publikation:

G. Glenk, S. Reichelstein: Economics of converting renewable power to hydrogen. Nature Energy, 2019. DOI: 10.1038/s41560-019-0326-1

Zu Prof. Stefan Reichelstein:

Stefan J. Reichelstein ist seit dem 1. Juli 2018 Stiftungs­professor für Allgemeine Betriebs­wirtschafts­lehre an der Universität Mannheim. Zuvor hatte er Professuren an international renommierten Universitäten inne, dar­unter der UC Berkeley und Stanford. Mit seiner Expertise baut Prof. Reichelstein an der Universität Mannheim das Stiftungs­institut „Mannheim Institute for Sustainable Energy Studies“ (MISES) auf, das sich vornehmlich mit den privat- und gesamtwirtschaft­lichen Kosten der Energiewende beschäftigen wird.