Sektorenkopplung verknüpft die energiewirtschaftlichen Sektoren Strom, Wärme und Verkehr durch den Energieträger Strom, sodass Synergien effektiv genutzt werden können. Die Sektorenkopplung hat eine hohe Bedeutung in der Energieversorgungssicherheit und Speicherung von Leistungsüberschüssen. Insbesondere die Speicherung und Umwandlung von Wind- und Solarenergie kann Schwankungen in der Energieversorgung ausgleichen, zusätzlich ermöglicht der Prozess der Methanisierung die CO2-Rückholung aus der Atmosphäre. Daher ist die Sektorenkopplung ein bedeutendes Konzept für die Energiewende, um Treibhausgasneutralität zu erreichen.
Welche Technologien stecken hinter Sektorenkopplung?
Die Elektrolyse ist der erste Schritt für die weitere Umwandlung von Strom in andere Kraftstoffe. In der Elektrolyse wird Wasser durch die Zuführung von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Es gibt verschiedene Technologien, die sich insbesondere durch das Temperatur-Niveau unterscheiden.
Power to Gas
In diesem Verfahren wird mittels Elektrolyse Wasserstoff aus Strom erzeugt. Der Wasserstoff wird in der Methanisierung verarbeitet, um Methan zu erhalten. Für diesen Prozess wird CO2 benötigt, das aus der Luft entnommen wird, oder aus nahegelegenen Industrien mit hohem CO2-Ausstoß stammt. Kritiker dieses Verfahrens zeigen allerdings auf, dass Methan eine große Treibhausgaswirkung aufzeigt und treibhausgasintensive Industrien einem Greenwashing unterzogen werden können. Es wird unterschieden zwischen der katalytischen Methanisierung, bei der ein Katalysator zum Beispiel auf der Basis von Nickel eingesetzt wird, und der biologischen Methanisierung, die durch Mikroorganismen gesteuert wird.
Ein Vorteil der Power to Gas Sektorenkopplung ist, dass die Nutzung der bestehenden Infrastruktur (des Erdgasnetzes) möglich ist. Zudem besteht eine hohe Speicherkapazität im Netz und in vorhandenen Gasspeichern. Der Strom wird für den Wärme- und Mobilitätssektor nutzbar gemacht, sodass die Abhängigkeit von Erdgasimporten in naher Zukunft beendet werden kann. Eine CO2-freie Herstellung von Gas ist möglich, ohne wie im Biogassektor in Konflikt mit der Nahrungsmittelproduktion zu treten.
Nachteile der Technologie sind der noch sehr geringe Wirkungsgrad und hohe Kosten zur Erzeugung von Wasserstoff und Methan, sowie bei der Nutzung von Wasserstoff in der Brennstoffzelle. Zudem besteht eine geringere Energiedichte als im Batteriespeicher. Das System ist derzeit noch nicht wirtschaftlich, hat jedoch ein hohes Entwicklungspotenzial.
Power to Liquid
Aus dem in der Elektrolyse erzeugten Wasserstoff können auch Kraftstoffe, sogenannte e-fuels erzeugt werden, welche fossile Kraftstoffe ersetzen. Um flüssige Kraftstoffe zu erhalten, kann Methanisierung oder die Fischer-Tropsch-Synthese angewandt werden.
Bei der Methanisierung wird Methanol aus Wasserstoff und CO2 gewonnen, das in gasförmiger oder verflüssigter Form verwendet werden kann. Das Methanol kann in das Gasnetz oder in Gasspeicher eingeführt werden. Jedoch ist die Methanisierung von Wasserstoff energiewirtschaftlich erst dann sinnvoll, wenn Elektrolysewasserstoff aus regenerativen Energien den Wasserstoff, der hierfür aus fossilem Erdgas gewonnen wird, vollständig ersetzt hat.
Die Fischer-Tropsch-Synthese nutzt Wasserstoff und Kohlen monoxid, um einen flüssigen Kraftstoff zu erzeugen, der anschließend raffiniert wird. Ein Vorteil der Methode ist, dass viele energiereiche Rohstoffe geeignet sind, wie z.B. Biogas, Holz, landwirtschaftliche und häusliche Abfälle. Ein Nachteil bei der Herstellung von Benzin ist, dass im Vergleich zu herkömmlichen Benzin die doppelte Menge an Treibhausgasen freigesetzt wird.
Power to Chemicals
Hier wird der erzeugte Wasserstoff im chemischen Sektor verwendet, um fossile Ressourcen zu ersetzen. Oft wird zum Beispiel Ammoniak verwendet, das aus Wasserstoff und Stickstoff extrahiert werden kann. Auch Methanol kann als Ausgangsstoff für Olefine verwendet werden, die dann in Ethylen und Propylen aufgespalten werden.
Welche Sektoren sind relevant?
Die energiebedingten Treibhausgasemissionen werden auf folgende Sektoren aufgeteilt: Der Stromverbrauch der Energiewirtschaft geht mit dem größten Anteil einher, der Verkehr mit 22 %, gefolgt vom Wärmeverbrauch durch Industrie, Haushalte und GHD (Gewerbe, Handel und Dienstleistungen).
Die energiebedingten Treibhausgasemissionen der Energiewirtschaft entstehen vor Allem in der Stromerzeugung durch Kohleverstromung, aber auch in fossilen Gaskraftwerken. Demnach sind eine Dekarbonisierung und Kopplung dieser Sektoren von höchster Relevanz für die Energiewende. Um die Produktion von Treibhausgasen einzudämmen und Treibhausgasneutralität zu erreichen, muss der Energieverbrauch der Sektoren ausschließlich über Erneuerbare Energien gedeckt werden [2].
Ein zusätzlich einzukalkulierender Sektor ist der Energiebedarf für die CO2-Rückholung aus der Atmosphäre. Der vorindustrielle CO2-Gehalt von 250 ppm ist auf über 400 ppm angestiegen und muss reduziert werden, um dem Kippen des Klimas vorzubeugen [4].
CO2 kann beispielsweise im Power to Liquid Verfahren aus der Atmosphäre entnommen und zur Herstellung von Methanol genutzt werden. Somit kann der CO2-Gehalt der Atmosphäre reduziert werden, und dient, gespeichert in einem Methanoltank, als Energiequelle [5 ] [6 ]. Weitere Verfahren zur CO2-Rückholung sind z.B. die Verarbeitung von Pflanzenkohle im Pyrolyse-Prozess, einem Bereich der Sektorenkopplung mit der Landwirtschaft.
Quellen:
[1] https://www.dvgw.de/themen/energiewende/sektorenkopplung/
[2] Sektorkopplung durch die Energiewende, Anforderungen an den Ausbau erneuerbarer Energien zum Erreichen der Pariser Klimaschutzziele unter Berücksichtigung der Sektorkopplung, Volker Quaschning, Hochschule für Technik und Wirtschaft HTW Berlin, Veröffentlichung 20.06.2016, https://www.volker-quaschning.de/publis/studien/sektorkopplung/Sektorkopplungsstudie.pdf
[3] Übersicht zur Entwicklung der energiebedingten Emissionen und Brennstoffeinsätze in Deutschland 1990 2016, Umweltbundesamt (Hrsg.), März 2018, https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/376/publikationen/energiebedingte_emissionen_u_brennstoffeinsaetze_in_d_1990-2016.pdf
[4] 100 % Erneuerbare genügen nicht mehr. CO2 Rückholung unumgänglich, Wolf von Fabeck, 25.07.2019, http://www.sfv.de/artikel/100__erneuerbare_genuegen_nicht_mehr_co2_rueckholung_unumgaenglich.htm
[5] Rückholung von CO2 aus der Atmosphäre durch Methanolsynthese - Ökologische Bewertung, Wolf von Fabeck, 31.12.2017, https://www.sfv.de/artikel/rueckholung_von_co2_aus_der_atmosphaere_durch_methanolsynthese_-_oekologische_be.htm
[6] CO2-Recycling zur Herstellung von Methanol, Dr. M. Specht (Projektleitung), Dr. A. Bandi, Dipl. Volkswirtin M. Elser, Dipl.-Ing. A. Heberle, Dr. C.U. Maier, Prof. Dr.-Ing. K. Schaber, Dr.-Ing. T. Weimer, Juli 2000, https://www.sfv.de/pdf/Report_000700_ZSW_CO2_to_MeOH_LQ2.pdf