Power-to-Gas: Aus erneuerbarem Strom wird Gas

Ausgangslage und Herausforderung

Die Gaskunden nutzen immer mehr erneuerbares Gas zum Heizen, Kochen und als Treibstoff. Damit diese Nachfrage gedeckt werden kann, wurden in den vergangenen Jahren über 30 Anlagen gebaut, die Biogas ins Schweizerische Gasnetz einspeisen. Diese und alle zukünftigen Anlagen könnten mit dem Einsatz der Power-to-Gas-Technologie rund 60 Prozent mehr erneuerbares Gas produzieren.

Das Power-to-Gas-Verfahren besteht aus zwei Schritten. Zuerst wird erneuerbarer Strom durch Elektrolyse zu Wasserstoff umgewandelt. Beim zweiten Schritt, der Methanisierung, verbindet sich der Wasserstoff mit CO₂ zu erneuerbarem Gas. Dieses lässt sich ins Gasnetz einspeisen.

Die Schweizer Gaswirtschaft hat sich zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Gase im Wärmemarkt bis 2030 auf 30% zu erhöhen – vor allem dank Power-to-Gas. Allerdings gab es in der Schweiz bisher erst Anlagen im Laborbetrieb und keine im realen Betrieb. Deshalb haben sich das Paul Scherrer Institut und Energie 360° für einen Langzeittest entschieden, um die Praxistauglichkeit von Power-to-Gas zu untersuchen. Dabei ist ein besonders innovatives Methanisierungsverfahren zum Einsatz gekommen – die Direktmethanisierung.

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Die drei Vorteile von Power-to-Gas

• Aus der gleichen Menge von Bioabfällen und Klärschlamm mehr erneuerbares Gas produzieren

• CO₂ in Biogas-Aufbereitungsanlagen nicht mehr abtrennen, sondern mit Wasserstoff zu zusätzlichem Methan umwandeln

• Überschüssigen erneuerbaren Strom wie Wasserstrom, Solarstrom oder Windstrom nutzen

Die Lösung

Im Klär- und Vergärwerk Zürich Werdhölzli entsteht durch die Vergärung von Bioabfällen und Klärschlamm Roh-Biogas. Dieses enthält neben Methan auch etwa 40% CO₂. Herkömmliche Aufbereitungsanlagen für Biogas trennen das CO₂ mit grossem Aufwand ab, damit sich das übrigbleibende Methan als Biogas ins Gasnetz einspeisen lässt. Das Paul Scherrer Institut und Energie 360° sind mit Power-to-Gas einen anderen Weg gegangen. Sie haben bei ihrem Langzeittest das CO₂ durch Zugabe von erneuerbarem Wasserstoff in erneuerbares Gas umgewandelt und zurück in den Kreislauf geführt.

Herzstück der innovativen Technologie ist ein vom Paul Scherrer Institut neu entwickelter Wirbelschichtreaktor: Der Wasserstoff, das CO₂ im Roh-Biogas sowie fein gemahlene Nickelteilchen als Katalysator verwirbeln darin derart stark, dass sich die Gase zu Methan verbinden. Dank dieser sogenannten Direktmethanisierung lässt sich nicht nur das bereits im Roh-Biogas vorhandene Methan ins Gasnetz einspeisen, sondern auch das zusätzlich produzierte. Mit Power-to-Gas entsteht aus der gleichen Menge Biomasseabfall also mehr erneuerbares Gas.

Der 1000-stündige Langzeittest im Klärwerk Werdhölzli beweist, dass sich Power-to-Gas auch unter realen Bedingungen bestens bewährt und sich das Verfahren im Dauerbetrieb gleichermassen effizient und wirtschaftlich einsetzen lässt. Für den Pilotversuch mit der Direktmethanisierung sind das Paul Scherrer Institut und Energie 360° Anfang 2018 vom Bundesamt für Energie mit dem «Watt d’Or» ausgezeichnet worden.

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Ergebnisse des Langzeittests

• Produktion von erneuerbarem Gas in der Biogas-Anlage um 60% gesteigert

• Über 90% des im Roh-Biogas enthaltenen CO₂ in Methan umgewandelt

• Nahezu 100% des Roh-Biogases verwertet