Die Power-to-X-Story

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Die vollständige Umsetzung des Pariser Klimaschutzabkommens verlangt die weltweite Einführung neuer Technologien zur Energieumwandlung, Steigerung der Energieeffizienz sowie zur Speicherung. Power-to-X ist hierfür Schlüsseltechnologie und bietet große Chancen für den Maschinen- und Anlagenbau.

Power-to-X – Energiespeicher für die Zukunft

Strom muss immer dort verfügbar sein, wo wir ihn gerade brauchen: Sei es, um das Smartphone aufzuladen oder um eine komplette Produktionsanlage in Gang zu halten. Doch Elektronen an einem Ort zu speichern, um sie später wieder abrufen zu können, verlangt einige Kniffe. Eine besonders hohe Energiedichte weisen chemische Speicher auf, die klimaneutral mit Hilfe von regenerativem Strom hergestellt werden können. Diese Technologiepfade werden als „Power-to-X“ oder kurz P2X bezeichnet. Gemeinsam ist ihnen, dass am Anfang der Kette immer regenerativ erzeugter Strom steht („Power“), aus dem gasförmige oder flüssige Energieträger („X“) hergestellt werden. Unabhängig vom Endprodukt wird bei nahezu allen P2X-Verfahren mit Hilfe des regenerativen Stroms in einem ersten Schritt Wasserstoff aus reinem Wasser produziert. Der Energieträger Wasserstoff ist vielfältig einsetzbar: Man nutzt ihn beispielsweise in Brennstoffzellen, um Strom zu dem Zeitpunkt und an dem Ort zu erzeugen, wo er verbraucht wird. Er kann aber auch direkt im Motor verbrannt werden. Bei beiden Methoden entsteht außer Wasser keinerlei Abfallprodukt.

Eine deutlich höhere Energiedichte ist zu erzielen, wenn der Wasserstoff mit Kohlenstoff angereichert wird. Der einfachste technisch nutzbare Kohlenwasserstoff ist CH4, auch bekannt als Methan, das wiederum den Hauptbestandteil von Erdgas ausmacht. Die Methanisierung von Wasserstoff basiert auf einem bekannten chemischen Verfahren („Wasserstoff-Shift-Reaktion“), das genutzt wird, um Wasserstoff aus fossilem Erdgas herzustellen. Dreht man den Prozess um, benötigt man Kohlendioxid als Ausgangsstoff. Dieses kann aus industriellen Prozessen wie der Zementherstellung stammen, bei denen Kohldioxid bislang unvermeidbar als Abfallprodukt entsteht – es handelt sich dann um ein klimaneutrales Kohlenstoffrecycling. Kohlendioxid kann mit sogenannten „Carbon Capture“-Verfahren aber auch direkt aus der Luft gewonnen werden, was zu einer Verringerung der CO2-Konzentration in der Atmosphäre führt. Synthetisch erzeugtes Methan eignet sich sowohl für den Einsatz in Verbrennungsmotoren als auch in Gasturbinen. In letzteren kann die erzeugte mechanische Energie genutzt werden, um einen Generator zur Stromgewinnung anzutreiben.

Die Energiedichte lässt sich weiter steigern, indem auf Basis des regenerativ erzeugten Wasserstoffs flüssige statt gasförmige Energieträger hergestellt werden. Mittels „Power-to-liquid“-Technologien hergestellte flüssige Energieträger können innerhalb der bestehenden Energieinfrastruktur sehr gut transportiert und distribuiert werden. Sie eignen sich aufgrund der hohen Energiedichte besonders für mobile Anwendungen, etwa in Flugzeugturbinen oder Schiffsmotoren.

Generell gilt für alle P2X-Verfahren, dass mit zunehmender volumetrischer Energiedichte auch der Energieaufwand in der Herstellung zunimmt, gleichzeitig aber der Aufwand für Speicherung und Transport abnimmt. Der Einsatz ist deshalb dort sinnvoll, wo Langzeitspeicherung oder hohe Mobilitätsanforderungen einen höheren Wert darstellen als maximale Effizienz in der direkten Energiewandlung. P2X-Verfahren können außerdem nicht nur für die Produktion von Energieträgern eingesetzt werden. P2X-Produkte ersetzen perspektivisch auch die mineralölbasierten Grundstoffe, die in der Pharma- bzw. der chemischen Industrie benötigt werden, beispielsweise um Kunststoffe herzustellen.

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Um den weiteren Temperaturanstieg zu begrenzen müssen die CO2-Emissionen schnell reduziert werden.

P2X – Garant für die Energiewende

Das Pariser Klimaschutzabkommen setzt Politik und Gesellschaft ein klares Ziel: Um den Temperaturanstieg bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auf maximal zwei Grad Celsius zu begrenzen, müssen die Treibhausgas-Emissionen schnell drastisch sinken. Im Energiesektor hat Deutschland durch die 2011 eingeleitete Energiewende bereits große Fortschritte erzielt. 42,5 Prozent der deutschen Nettostromerzeugung stammten im ersten Quartal 2021 laut Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme aus Sonne, Wasser, Wind und Biomasse.

Damit die Energiewende hierzulande ein Erfolg wird, muss Deutschland trotzdem noch einen weiten Weg zurücklegen. Eine große Herausforderung besteht in der Energiespeicherung: Die größten natürlichen Energiequellen für regenerativ erzeugten Strom – Sonne und Windkraft – sind wetterabhängig. Die nicht wetterabhängigen Ressourcen (Geothermie, Fließwasserkraft, Gezeiten und nachwachsenden Rohstoffe) stehen in Deutschland nicht in ausreichendem Maß zur Verfügung, um eine kontinuierliche Stromerzeugung zu gewährleisten. Um auch Dunkelflauten – Zeiten, in denen über mehrere Tage oder gar Wochen kein Energieeintrag erfolgt – zu überstehen, muss zuvor erzeugter Sonnen- und Windstrom gespeichert werden. Um eine stabile, auf regenerativen Quellen basierende Stromversorgung im Industrieland Deutschland zu gewährleisten, müssen daher flexible Gaskraftwerke zur Verfügung stehen, die kurzfristig hoch- und runtergefahren werden können und so als Puffer die Energiequellen Wind und Sonne ergänzen. Diese Kraftwerke können mit synthetisch hergestelltem Methan oder Wasserstoff klimaneutral betrieben werden.

Power-to-X - Technologien für die Sektorkopplung

Eine weitere große Herausforderung, die für das Gelingen der Energiewende zu meistern ist, besteht darin, dass viele Sektoren, neben bestimmten Industrien insbesondere die Mobilität und der Wärmesektor, nach wie vor sehr stark von fossilen Energieträgern abhängig sind. Die Umstellung auf batterieelektrische Antriebe ist für den Pkw eine wichtige und daher zu Recht intensiv verfolgte Option. Für den wachsenden Straßengüterverkehr, die Schifffahrt sowie die Luftfahrt sind diese jedoch keine vollumfängliche Alternative, die Verbrennungsmotoren und Gasturbinen bis 2050 vollständig ersetzen könnte. Eine baldige Unabhängigkeit von mineralölbasierten Kraftstoffen ist nur über P2X-Kraftstoffe zu erreichen. Bei der Verbrennung solcher „eFuels“ wird ausschließlich die Menge Kohlendioxid freigesetzt, die zuvor während der Herstellung chemisch gebunden wurde, insofern sind solche Kraftstoffe CO2-neutral.

Sehr hoch ist der Anteil fossiler Brennstoffe bislang auch im Wärmebereich. Wärme wird nicht nur zum Heizen von Gebäuden, sondern auch für viele industrielle Prozesse, etwa in der Metallerzeugung und -verarbeitung, benötigt. Die Wärme dort unterscheidet sich von der in Gebäuden genutzten Wärme durch sehr hohe Temperaturen von mehreren hundert Grad sowie dadurch, dass sie kontinuierlich zur Verfügung stehen muss. Unterbrechungen der Wärmeversorgung können an Produktionsanlagen schwere Schäden bis zur vollständigen Zerstörung zur Folge haben. Industrielle Prozesswärme wird heutzutage in der Regel durch die Verbrennung von Erdgas erzeugt – ein Gas, das durch synthetisch hergestelltes Gas vollständig und sicher substituiert werden könnte.

In der Chemie- und Stahlindustrie wird bereits intensiv über alternative Technologie- und Prozessoptionen nachgedacht und diese in einer Vielzahl von Forschungsprojekten untersucht und getestet. Für die Stahlindustrie ist Wasserstoff offensichtlich der Weg in eine Welt ohne fossile Energieträger: Statt Kohlenstoff wird im Hochofen Wasserstoff eingesetzt, wo beim Kohleeinsatz CO2 entsteht, entsteht beim Einsatz von Wasserstoff Wasserdampf. In der Chemieindustrie geht es eher um den Einsatz von Wasserstoffderivaten wie Ammoniak und Methanol – Produkte, die auch außerhalb Deutschlands produziert und importiert werden können.

Anders als beim Wasserstoff haben übrigens synthetisches Gas und flüssige eFuels eines gemeinsam: Für ihren Einsatz kann die auf fossilen Energieträgern basierende Infrastruktur für den Transport und das Betanken weiter genutzt werden. Zudem können sie fossilen Energieträgern in nahezu beliebigen Anteilen beigemischt werden und somit bereits während der Einführungsphase zu einer Absenkung der Treibhausgasemissionen beitragen. Im Verbund mit den Vorteilen, die klimaneutral hergestelltes Gas für eine sichere Stromversorgung hat, lässt sich feststellen: Die Energiewende kann nur mit Hilfe von P2X-Technologien gelingen.

Power-to-X – Arbeitsplätze und Wettbewerbsfähigkeit

Für den exportorientierten deutschen Maschinen- und Anlagenbau stellt die Energiewende eine große Chance dar, denn die vollständige Umsetzung des Pariser Klimaschutzabkommens verlangt die weltweite Einführung neuer Technologien. Die mehr als 3.300 VDMA-Mitgliedsunternehmen verstehen sich als Ausrüster der Energiewende. So sind Mitgliedsunternehmen des Verbandes führend in der Entwicklung und Herstellung von Anlagen zur Stromerzeugung. Nicht zuletzt arbeiten in Schiffen, Flugzeugen und mobilen Maschinen weltweit energieeffiziente Antriebe, die in Deutschland entwickelt und produziert werden.

Verschiedene aktuelle Studien beziffern das enorme Potential für einen Wasserstoff- und Power-to-X-Markt mit entsprechenden, hochqualifizierten Arbeitsplätzen in Deutschland und Europa. Es erscheint realistisch, dass bereits bis 2030 etwa eine Million zusätzliche Jobs in der EU entstehen können und bis 2050 sogar über fünf Millionen. Dabei spielt das Thema Energieimporte eine entscheidende Rolle: Deutschland importiert heute weit mehr als 2/3 seiner Energieressourcen in fossiler Form. Klar ist, dass sich dies schnell ändern muss hinsichtlich der fossilen Energieträger – aber auch im Jahr 2050 werden wir noch einen sehr großen Anteil unserer Energieressourcen importieren müssen. Dies wird im Wesentlichen mittels chemischer Energieträger wie Wasserstoff und eFuels geschehen – die entsprechende Wertschöpfung wird in Ländern mit einem hohen Potential an Wind- und Sonnenenergie stattfinden. Dennoch können hiesige Firmen davon in erheblichem Maße profitieren. 

Der deutsche Maschinen- und Anlagenbau ist bereits heute ein wichtiger Arbeitgeber: Allein die Mitgliedsunternehmen des VDMA beschäftigen weit mehr als eine Million Menschen in sozial abgesicherten Arbeitsverhältnissen. Voraussetzung dafür ist der Erfolg auf den Weltmärkten, wo Maschinen und Anlagen „Made in Germany“ mit technologischem Fortschritt und hoher Produktivität punkten. Um am sich abzeichnenden Markt für P2X-Technologien zu partizipieren, ist es notwendig, Deutschland zu einem Leitmarkt zu entwickeln. So werden bei P2X Klimaschutz und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit Hand in Hand gehen. Für die als Ausrüster tätigen Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus wäre dies ein weiteres Marktsegment, auf dem sie sich im globalen Wettbewerb behaupten müssen. Bei den dafür benötigten Prozesstechnologien gehören deutsche Anlagenbauer bereits heute zu den leistungsfähigsten Anbietern weltweit. So stammt mindestens jede fünfte weltweit verkaufte Elektrolyse-Anlage aus Deutschland, und auch bei den Anlagenteilen, die für die nachfolgenden chemischen Prozesse notwendig sind, sind die Firmen in Deutschland technologisch führend. 

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P2X kann auch geopolitische Perspektiven eröffnen.

Power-to-X – Geopolitische Bedeutung

Zum industriepolitischen Nutzen kommt noch ein weiterer Vorteil hinzu, wenn man schaut, wo außerhalb Europas Wasserstoff und seine Derivate wie eFuels künftig aller Wahrscheinlichkeit hergestellt werden: In Südamerika vermutlich, in Australien, aber auch vor Europas Haustür. Die MENA-Region zählt zu den aussichtsreichsten Kandidaten unter jenen, die „grüne Moleküle“ nach Europa liefern könnten. Mit Ländern wie Tunesien Energiepartnerschaften zu etablieren und supranationale P2X-Projekte zu initiieren kann dabei über die zuvor genannten Aspekte hinaus einen wichtigen Vorteil auch für Europa bieten: Mit einer Industrialisierung vor Ort kann es gelingen, dort Arbeitsplätze zu schaffen und damit Fluchtursachen zu bekämpfen – ein Stichwort, das seit 2015 in vielen Sonntagsreden zu hören ist, bislang aber wenig konkrete Umsetzung erfahren hat. 

Die geopolitische Perspektive hat aber noch einen weiteren Aspekt. Deutschland als Exportland profitiert erheblich davon, weltweit Hightech zu verkaufen – bezahlt andererseits aber viel Geld für den Import von u.a. (bislang fossiler) Energie. Würde letztgenannter Warenfluss drastisch reduziert werden ist kaum vorstellbar, dass unsere Autos, Maschinen und Anlagen weiterhin in alle Welt geliefert werden – früher oder später wären die Handelsbilanzen unserer Käuferländer einseitig gestört.