Strom zu Gas (Power to Gas)

Power to Gas ist die Umwandlung von Elektrizität in einen gasförmigen Brennstoff wie Wasserstoff oder Methan. Die drei kommerziellen Methoden verwenden Elektrizität, um Wasser mittels Elektrolyse (mit einem «Elektrolysator» rsp. «electrolyzer») in Wasserstoff und Sauerstoff zu reduzieren.

Bei der ersten Methode wird Wasserstoff in das Erdgasnetz eingespeist oder für den Transport verwendet.

Bei der zweiten Methode wird der Wasserstoff mit Kohlendioxid kombiniert, um mit Hilfe einer Methanisierungs-Reaktion wie der Sabatier-Reaktion oder der biologischen Methanisierung Methan zu erzeugen, was zu einem zusätzlichen Energieumwandlungsverlust von 8% führt. Das Methan kann dann in das Erdgasnetz eingespeist werden.

Die dritte Methode nutzt das Ausgangsgas eines Holzgasgenerators oder einer Biogasanlage, nachdem der Biogasaufbereiter mit dem Wasserstoff aus dem Elektrolyseur vermischt wurde, um die Qualität des Biogases zu verbessern.

Wasserstoff als Energiespeicher (Energieträger)

Das Element Wasserstoff kann eine Form der gespeicherten Energie sein. Wasserstoff kann über eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Strom erzeugen.

Die grösseren Energieverluste im Wasserstoffspeicherkreislauf entstehen durch die Elektrolyse von Wasser, die Verflüssigung oder Kompression des Wasserstoffs und die Umwandlung in Elektrizität.

Für die Herstellung eines Kilogramms Wasserstoff werden etwa 50 kWh (180 MJ) Sonnenenergie benötigt, daher sind die Kosten für den Strom entscheidend. Bei 0,03 $/kWh, einer in den Vereinigten Staaten üblichen Off-Peak-Hochspannungsleitungsrate, kostet Wasserstoff 1,50 $/kg für den Strom, was 1,50 $/Gallone für Benzin entspricht. Zu den weiteren Kosten gehören die Elektrolyseuranlage, Wasserstoffkompressoren oder Verflüssigung, Lagerung und Transport.

Wasserstoff kann auch aus Aluminium und Wasser hergestellt werden, indem die natürlich vorkommende Aluminiumoxidbarriere des Aluminiums entfernt und in Wasser eingebracht wird. Diese Methode ist vorteilhaft, weil recycelte Aluminiumdosen zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet werden können, jedoch sind Systeme zur Nutzung dieser Option noch nicht kommerziell entwickelt worden und viel komplexer als Elektrolysesysteme. Gängige Methoden zum Ablösen der Oxidschicht sind ätzende Katalysatoren wie Natriumhydroxid und Legierungen mit Gallium, Quecksilber und anderen Metallen.

Unterirdische Wasserstoffspeicherung ist die Praxis der Wasserstoffspeicherung in Kavernen, Salzstöcken und ausgeförderten Öl- und Gasfeldern. Große Mengen an gasförmigem Wasserstoff werden von der Imperialen Chemischen Industrie seit vielen Jahren ohne Schwierigkeiten in Kavernen gespeichert.

Methan als Energiespeicher (Ersatz-Erdgas)

Methan ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit der Summenformel CH4. Methan lässt sich leichter speichern und transportieren als Wasserstoff. Die Infrastruktur für Speicherung und Verbrennung (Pipelines, Gasometer, Kraftwerke) ist ausgereift.

Synthetisches Erdgas (Syngas oder SNG) kann in einem mehrstufigen Prozess, beginnend mit Wasserstoff und Sauerstoff, hergestellt werden. Wasserstoff wird dann mit Kohlendioxid in einem Sabatier-Prozess zur Reaktion gebracht, wobei Methan und Wasser entstehen. Methan lässt sich speichern und später zur Stromerzeugung nutzen. Das entstehende Wasser wird wiederverwertet, wodurch der Wasserbedarf reduziert wird. In der Elektrolysestufe wird Sauerstoff für die Methanverbrennung in einer reinen Sauerstoffumgebung in einem angrenzenden Kraftwerk gespeichert, wodurch Stickoxide eliminiert werden.

Bei der Methanverbrennung entstehen Kohlendioxid (CO2) und Wasser. Das Kohlendioxid kann wiederverwertet werden, um den Sabatier-Prozess anzukurbeln, und Wasser kann für die weitere Elektrolyse wiederverwertet werden. Bei der Herstellung, Lagerung und Verbrennung von Methan werden die Reaktionsprodukte wiederverwertet.

Das CO2 hat einen wirtschaftlichen Wert als Bestandteil eines Energiespeichervektors, nicht als Kostenfaktor wie bei der Kohlenstoffabscheidung und -speicherung.

Strom zu Flüssigkeit (Power to Liquid)

Power to Liquid ist ähnlich wie Power to Gas, ausser dass der Wasserstoff in Flüssigkeiten wie synthetisch zu Methanol oder Ammoniak umgewandelt wird. Diese sind einfacher zu handhaben als Gase und erfordern weniger Sicherheitsvorkehrungen als Wasserstoff. Sie können für den Transport, auch in Flugzeugen, aber auch für industrielle Zwecke oder im Energiesektor verwendet werden.

Biokraftstoffe (Bio-Energieträger, Biofuels)

Verschiedene Biokraftstoffe wie Biodiesel, Pflanzenöl, Alkoholkraftstoffe oder Biomasse können fossile Kraftstoffe ersetzen. Verschiedene chemische Prozesse können den Kohlenstoff und Wasserstoff in Kohle, Erdgas, pflanzlicher und tierischer Biomasse und organischen Abfällen in kurze Kohlenwasserstoffe umwandeln, die sich als Ersatz für bestehende Kohlenwasserstoffkraftstoffe eignen. Beispiele sind Fischer-Tropsch-Diesel, Methanol, Dimethylether und Synthesegas. Diese Dieselquelle wurde im Zweiten Weltkrieg in Deutschland, das nur begrenzten Zugang zu Rohöl hatte, in großem Umfang genutzt. Südafrika produziert aus ähnlichen Gründen den größten Teil des Dieselkraftstoffs des Landes aus Kohle. Ein langfristiger Ölpreis von über 35 USD/bbl kann solche synthetischen Flüssigkraftstoffe in großem Maßstab wirtschaftlich machen. Jedoch geht der Preis-Trend in die andere Richtig.

Aluminium als Energiespeicher

Aluminium ist als Energiespeicher vorgeschlagen worden. Sein elektrochemisches Äquivalent (8,04 Ah/cm3) ist fast viermal grösser als das von Lithium (2,06 Ah/cm3). Dem Aluminium kann Energie entzogen werden, indem es mit Wasser reagiert, um Wasserstoff zu erzeugen. Allerdings muss zuerst die natürlichen Oxidschicht entfernt werden, ein Prozess, der chemische Prozesse erfordert (Viel Abfall). Das Nebenprodukt der Reaktion zur Wasserstofferzeugung ist Aluminiumoxid, das mit dem Hall-Héroult-Verfahren zu Aluminium recycelt werden kann, so dass die Reaktion theoretisch erneuerbar ist. Wenn das Hall-Héroult-Verfahren mit Sonnen- oder Windkraft betrieben wird, könnte Aluminium zur Speicherung der erzeugten Energie mit einem höheren Wirkungsgrad als bei der solaren Direktelektrolyse verwendet werden. in ähnlicher weise könnten auch Bor, Silizium und Zink zur Energiespeicherung verwendet werden.

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