Referenz
Power-to-Gas: Hoffnungsträger für das Smart Grid

Power-to-Gas-Anlagen, die Stromüberschüsse in die speicherbaren Gase Wasserstoff und Methan umwandeln, könnten im Energiemarkt künftig eine entscheidende Rolle spielen. Denn die Anlagen koppeln den Stromsektor mit der Wärme und der Mobilität und beziehen somit zwei wichtige Bereiche in den Klimaschutz ein. WAGO-Steuerungen erleichtern die Einbindung und kommunikative Vernetzung der Anlagen in flexibel regelbaren virtuellen Kraftwerken.

Klimaschutz ist in Deutschland hoch aufgehängt. Bis 2050 soll der Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch von derzeit knapp 35 auf 100 Prozent erhöht werden. Experten halten sogar ein höheres Ausbautempo für möglich. Denn soll die Erderwärmung tatsächlich auf 1,5 Grad Celsius begrenzt werden, muss ihrer Ansicht nach bis 2050 eine erneuerbare Vollversorgung auch in den Sektoren Mobilität und Wärme erreicht werden. Allerdings stoßen die Stromleitungen wegen des schnellen Ausbaus von Solar- und Windenergie bereits an ihre Grenzen. Denn die Ökostromproduktion unterliegt witterungsbedingten Schwankungen und muss an den Bedarf angepasst werden, um die Netzstabilität nicht zu gefährden.

Aus Strom wird Gas – und wieder Strom. So unterstützt Sie WAGO:

Einfache Anbindung von Power-to-Gas-Anlagen an die Leitebene mit dem WAGO-Fernwirk-Gateway WTG
Problemlose Integration in virtuelle Kraftwerke über den neuen Kommunikationsstandard VHPready
Verschlüsselte Datenübertragung über OpenVPN oder IPSec

Sektorenkopplung von Strom, Wärme und Mobilität

Speicher können das Problem lösen, indem sie Stromüberschüsse aufnehmen und bei Bedarf wieder abgeben. Während sich Batteriespeicher eignen, Stromüberschüsse kurzfristig und schnell aus dem Netz zu ziehen, können sogenannte Power-to-Gas-Anlagen als Langfristspeicher für Entlastung sorgen. Die Technik wird derzeit in vielen Projekten erprobt. Immer dann, wenn Windräder in der Umgebung zu viel Strom produzieren, wandelt ein Elektrolyseur die Überschüsse in Wasserstoff um. Das Gas wird in Tanks gespeichert, die bei der Elektrolyse entstehende Wärme ins Fernwärmenetz eingespeist. Steigt der Strombedarf wieder, wird der Wasserstoff wieder verbrannt, etwa in einer angeschlossenen Biogasanlage.

Schlüsseltechnik Elektrolyse

Die Technik könnte eine wichtige Rolle spielen, denn der Wasserstoff lässt sich nicht nur im Stromsektor einsetzen. Er bietet sich auch als Rohstoff für die Chemieindustrie oder als Sprit für Brennstoffzellenfahrzeuge an. Oder es kann in Methan umgewandelt und in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden, das Heizungen, Kraftwerke und Tankstellen versorgt. Allerdings müssen bis zur Marktreife von Power-to-Gas noch technische Probleme gelöst werden. Die Anlagen müssen wegen der volatilen Ökostromproduktion auf ständige Lastwechsel reagieren. Neuartige PEM-Elektrolyseure (Polymer Electrolyte Membrane) können das ermöglichen und Schwankungen schnell folgen. Beim PEM-Verfahren wird destilliertes Wasser als Elektrolyt verwendet und über eine spezielle, protonenleitende Membran durch Strom in Millisekunden in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

Technische Innovationen entwickeln sich rasch

Für den großtechnischen Einsatz müssen die schnellen Wandler aber noch kompakter und langlebiger werden. Ein weiteres Manko ist ihre Effizienz. Elektrolyseure wandeln Strom mit einem Wirkungsgrad von maximal 80 Prozent in Wasserstoff um. Mit Methanisierung fällt der Wert auf 50 Prozent. Wird am Ende wieder elektrische Energie erzeugt, sinkt die Effizienz auf weniger als 40 Prozent. Außerdem funktioniert die Methanisierung nur mit Kohlendioxid (CO₂), das mit Wasserstoff in Methan und Wasser umgewandelt wird. Doch woher soll das CO₂ künftig stammen? Erwogen wird, das Gas direkt vor Ort mit Adsorptionsanlagen aus der Luft zu filtern. Doch auch dieses Verfahren ist noch nicht ausgereift. Trotz der Hürden glauben die Experten an einen Durchbruch von Power-to-Gas, denn es seien noch wesentliche technische Weiterentwicklungen zu erwarten. Außerdem lässt sich der Wirkungsgrad der Anlagen durch geschickte Konfiguration steigern. Wird etwa die Abwärme der Elektrolyse und der Methanisierung als Fernwärme genutzt, steigt die Effizienz.

Erdgasnetz als Langfristspeicher

Um Power-to-Gas auf den Weg zu bringen, erproben Unternehmen die Technik in vielen Projekten. Sie zielen unter anderem darauf ab, zu testen, wie viel Wasserstoff im Erdgasnetz gespeichert werden kann. Derzeit darf der Anteil wegen der hohen Energiedichte des Wasserstoffs fünf Prozent nicht überschreiten. Doch kann das sicherheitstechnisch vertretbare Limit nicht oberhalb liegen? Dann ließe sich das Erdgasnetz stärker als Langfristspeicher nutzen. Ein anderer Weg, Wasserstoff nutzbar zu machen, führt über die Umwandlung zu Kohlenwasserstoff, einem Kraftstoff. Nach der Elektrolyse wird ein Teil des Wasserstoffs mit zu Kohlenmonoxid (CO₂) reduziert. Dieses wird dem restlichen Wasserstoff vermischt und bildet die Basis für ein Verfahren, bei dem hochreiner Sprit entsteht, der Diesel ersetzen könnte.

Kompatible Lösungen gefragt

WAGO kann helfen, Power-to-Gas in das Smart Grid und in flexibel regelbare Verbünde, sogenannte virtuelle Kraftwerke, einzubinden. Die Strom-, Gas-, Wärme- und Wasserversorgung wird wegen der steigenden Zahl der dezentralen Anlagen immer komplexer; es entsteht teils ein unübersichtliches Netz mit verschiedenen Schnittstellen verschiedener Hersteller. Mehr denn je sind daher intelligente und flexible Fernwirklösungen gefragt, die dem Bedarf der Anwender nach kompatiblen Lösungen gerecht wird. Das WAGO-Fernwirk-Gateway WTG bietet eine Lösung. Mit ihm lassen sich bis zu 16 Fernwirkunterstationen in einer offenen Struktur an die Leitebene anbinden. Damit gewinnen Anwender ein neues Maß an Freiheit, Transparenz und Kosteneffizienz. WAGOs WTG führt erstmals eine offene Übertragungsebene zwischen den Teilnehmern in Feld und der Leitebene ein. Dafür verbindet die Steuerung PFC200 mit WAGO-Fernwirksoftware als Kommunikationsgateway die Unterstationen mit der Leitwarte. Das WTG kann überall zum Einsatz kommen, wo Unterstationen herstellerunabhängig angeschaltet werden sollen.

Einfache Kommunikation über VHPready

Ein weiteres Problem beim Zusammenschluss von dezentralen Anlagen wie Power-to-Gas-Anlagen ist, dass sie aufgrund der verschiedenen Hersteller nicht dieselbe Sprache sprechen und sich ihr Einsatz daher schwer koordinieren lässt. WAGO kann für eine bessere Kommunikation sorgen: Seine Fernwirksteuerungen erfüllen die Anforderungen des Industriestandards VHPready (Virtual Heat and Power) und stellen somit eine problemlose Anbindung der Anlagen an das virtuelle Kraftwerk sicher. Die aktuelle Version der Spezifikation ist die VHPready 4.0. Sie fasst die Steuerung und Kommunikation im Verbund des virtuellen Kraftwerks zusammen und sorgt quasi als Dolmetscher dafür, dass sich Leitwarte und Anlagen verstehen. VHPready standardisiert die Objekte und Variablen unterschiedlicher Kommunikationsprotokolle und deklariert sie eindeutig. Statt wie bisher über ein anlagenspezifisches Set an Variablen wird mit VHPready über vordefinierte Profile mit einheitlichen Datenpunktlisten kommuniziert. Neben der Kommunikation werden durch VHPready auch domainspezifische Festlegungen wie Vorgaben zum Betriebsverhalten und zu Reaktionszeiten definiert. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, Anlagen über Fahrpläne zu steuern. Damit kann die Leitwarte Steuerungsparameter für einen Zeitraum von 24 Stunden als Befehl/Satz/Meldung/Datei zur Anlage übertragen. Dabei spielt Datensicherheit eine zentrale Rolle. Aus der WAGO-Steuerung heraus kann direkt über OpenVPN oder IPSec ein VPN-Tunnel aufgebaut werden, um verschlüsselt Daten an die Leitstelle zu übertragen und von dort zu empfangen. Die Technik zur Integration von Power-to-Gas ins Smart Grid steht bereit.

Text: Daniel Wiese, WAGO

Sonnensprit – auch nachts

Das Ingenieurbüro Fehringer hat eine Stromtankstelle entwickelt, die Photovoltaik und Speicher kombiniert. WAGO-Technik erledigt das Schnittstellen-Management.

Mehr erfahren