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Fachartikel
27. Mai 2021

Erneuerbare Energien

Geomethanisierung: nachhaltige Speicherlösung

Die saisonale Speicherung von erneuerbarer Energie gehört zu den grössten Herausforderungen der Energietransformation. Eine verheissungsvolle Lösung dafür ist die Geomethanisierung. Energie 360°, RAG Austria AG sowie mehrere Forschungspartner untersuchen nun im Rahmen des internationalen Forschungsprojekts «Underground Sun Conversion – Flexible Storage» Bedarf, Potenzial und Machbarkeit dieser Technologie.
Andreas Kunz 

Es ist eine zentrale Frage für die Umsetzung der Energiestrategie 2050: Wie gelingt es der Schweiz, überschüssige erneuerbare Energie aus dem Sommer saisonal zu speichern – und so die wachsende Stromlücke im Winter zu schliessen? Aus mehreren Gründen wird die Antwort darauf immer wichtiger. Auf der Produktionsseite gewinnen die erneuerbaren Energien an Bedeutung, die jedoch eine saisonal stark schwankende Menge Strom liefern. Gleichzeitig steigt durch die rasch wachsende Anzahl Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge die Nachfrage – vor allem in den Wintermonaten. Hinzu kommt, dass Strom als Energieträger wegen der Digitalisierung noch unverzichtbarer wird. Die unterbruchfreie Versorgung mit Strom hat für unser modernes Leben und Arbeiten höchste Priorität. Gefragt sind daher sektorübergreifende und nachhaltige Speicherlösungen, dank denen die Versorgungssicherheit auch im Winter mit erneuerbarer Energie statt mit CO2-belastetem Importstrom gewährleistet ist. Im besten Fall entwickelt sich die Geomethanisierung zu einer solchen Lösung. Ähnlich wie bei den bereits bekannten Power-to-Gas-Technologien wird bei diesem innovativen Verfahren überschüssiger erneuerbarer Strom in einem zweistufigen Prozess in erneuerbares Methangas umgewandelt. Dieses lässt sich in Zeiten mit erhöhtem Energiebedarf flexibel nutzen.

Methanisierung in 1000 Metern Tiefe

Die Geomethanisierung besteht aus zwei Prozessschritten: Während der erste, die Elektrolyse, oberirdisch in konventionellen Anlagen abläuft, geschieht die Methanisierung als zweiter Schritt unterirdisch. Dabei wird der erneuerbare Wasserstoff zusammen mit CO2, das etwa aus Biogasanlagen stammt, in natürlichen Untergrundspeichern eingebracht. In über 1000 Metern Tiefe beginnt ein mikrobiologischer Prozess: Mikroorganismen, sogenannte Archaeen, verbinden Wasserstoff und Kohlenstoff zu erneuerbarem Methangas. Dieses wird in den porösen unterirdischen Speicherformationen auch gleich eingelagert und erst bei Bedarf wieder an die Oberfläche gefördert.
Entdeckt und erforscht hat das Verfahren die RAG Austria AG. Als das grösste Gasspeicherunternehmen Österreichs prüfte, ob seine ausgeförderten Erdgasstätten für eine Beimischung von Wasserstoff im Speichergas kompatibel sind, stellte es eine teilweise Methanisierung des eingeleiteten Wasserstoffs fest. Offenbar hatten die Archaeen im Untergrund Wasserstoff und molekularen Kohlenstoff in Methan umgewandelt. Daraufhin wiederholte die RAG diese Umwandlung in mehreren Ein- und Ausspeicherzyklen und konnte den Vorgang so nachweisen.

Viel grösseres Speichervolumen

Gegenüber anderen Speichertechnologien weist die Geomethanisierung gewichtige Vorteile auf: Das Verfahren weist im Vergleich zu Pumpspeicherkraftwerken oder Batteriespeichern eine viel höhere Speicherkapazität auf – bei gleichzeitig geringem Flächenbedarf.
Zudem hat der Methanisierungsprozess auch gegenüber konventionellen Power-to-Gas-Verfahren Vorzüge: Wenn der Untergrundspeicher gleichzeitig als Methanisierungsreaktor dient, lassen sich die zwei Input-Gase in jenen Mengen einspeisen, die gerade anfallen. Anders als bei einer oberirdischen Methanisierung ist also kein genaues stöchiometrisches Verhältnis von Wasserstoff und CO2 einzuhalten. Das Ausmass dieser Flexibilität soll im Forschungsprojekt nun untersucht werden.
Allerdings haben Speicherformationen einige Anforderungen zu erfüllen, um für die Geomethanisierung infrage zu kommen. So muss der Untergrund von einer gasundurchlässigen Schicht nach oben abgedichtet sein, um Wasserstoff und Methangas zurückzuhalten. Zudem braucht es Gesteinsschichten mit einer grossen Oberfläche und somit von einer hohen Porosität, damit sich die Archaeen optimal vermehren können.

Internationales Projekt
Grundlagenforschung

Nach ihren erfolgreichen Feldversuchen bei einer ausgeförderten Erdgaslagerstätte im österreichischen Pilsbach entschied sich die RAG dafür, die Geomethanisierung näher zu erforschen und weiterzuentwickeln. Gleichzeitig wurde Energie 360° auf die vielversprechende Technologie aufmerksam. Anlässlich einer Anlagenbesichtigung beschlossen die beiden Unternehmen, für die Grundlagenforschung gemeinsam das internationale Forschungsprojekt «Underground Sun Conversion – Flexible Storage» (USC-FlexStore) aufzusetzen. Damit wollen sie technische, betriebliche, wirtschaftliche, ökologische und regulatorische Aspekte der Geomethanisierung untersuchen und den Nachweis für die Machbarkeit als saisonale Speicherlösung mit hohem Volumen erbringen.
«Als nachhaltig orientierter Energiedienstleister und Pionier für erneuerbare Gase arbeiten wir an vorderster Front mit, wenn es um das Energiesystem von morgen geht. Deshalb verstehen wir uns auch als Enabler solcher Zukunftsprojekte», erklärt Jörg Wild, CEO von Energie 360°, das Engagement seines Unternehmens. «Wir wollen mit USC-FlexStore nicht nur das Potenzial der Geomethanisierung untersuchen, sondern genauso die Möglichkeit der saisonalen Speicherung in einem vollständig erneuerbaren Energiesystem klären.»
Die Kompetenzen der RAG und von Energie 360° ergänzen sich für das Projekt optimal. Die RAG bringt ihr Know-how für Speicherlösungen ein, Energie 360° das ergänzende Fachwissen für die Power-to-Gas-Technologie, den Energiehandel und die Produktion und die Einspeisung erneuerbarer Gase. Die grenzüberschreitende Zusammenarbeit bedingt sich aus dem Bewusstsein, dass die Speicherung von erneuerbaren Energien eine europäische Gemeinschaftsaufgabe ist. Energie 360° sieht die Geomethanisierung in diesem grösseren Kontext.
Wie bei einem solchen Forschungsprojekt üblich, arbeiten bei USC-FlexStore Forschung und Industrie eng zusammen. Energie 360° als Mitinitiator und Industriepartner suchte in der Schweiz nach wissenschaftlichen Institutionen, welche die benötigten Fachkenntnisse mitbringen. So konnten die Universität Bern, die Empa und die Ostschweizer Fachhochschule als Forschungspartner für das Forschungsprojekt gewonnen werden.

Acht Arbeitspakete

Um die gewünschten Schlüsselerkenntnisse zu erlangen, ist das internationale Forschungsprojekt in acht Arbeitspakete aufgeteilt. Die österreichischen Projektpartner fokussieren sich dabei auf technische Aspekte und führen weitere Laborversuche und Feldtests durch. Sie erforschen etwa den Einfluss unterschiedlicher Drücke und Gaszusammensetzungen auf die Geomethanisierung. Im Zentrum steht dabei, die Durchsatzraten zu optimieren. Auch der Bedarf an der weiteren Aufbereitung des Methans wird geklärt. Nach aktuellem Kenntnisstand fällt diese nicht aufwendiger aus als bei industriellen Power-to-Gas-Verfahren.
Die Schweizer Projektpartner kümmern sich um Arbeitspakete, die unter anderem geologische, energiewirtschaftliche und regulatorische Fragestellungen beantworten. Forschende der Universität Bern bewerten verschiedene geologische Formationen im Untergrund auf ihre Eignung als Speicherformation. Dazu analysieren sie Daten von bereits bestehenden Tiefenbohrungen im Schweizer Mittelland.

Wirtschaftliche Berechtigung zwingend

Die Forschungspartnerin Empa modelliert in ihrem Arbeitspaket die potenziellen Mengen der benötigten Input-Gase Wasserstoff und CO2. Um die saisonalen Überschussmengen an Strom und somit das Produktionspotenzial für Wasserstoff abzuschätzen, betrachten die Forschenden mehrere Szena­rien zum Ausbau der erneuerbaren Energien in der Schweiz. Ebenso prognostizieren sie den Bedarf an synthetisch hergestelltem Gas (SNG). Diese Modelle erstellt die Empa zwar für die Schweiz, sie sind sinngemäss jedoch auch für andere europäische Regionen anwendbar.
Die Ostschweizer Fachhochschule entwickelt in ihrem Arbeitspaket die Datengrundlage, um die wirtschaftlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen für eine Marktimplementierung abzuleiten. Dabei ermitteln die Forschenden den Einfluss von Faktoren wie Energiepreisen, Netzgebühren, Anlagengrösse und jährlichen Betriebsstunden auf die Wirtschaftlichkeit der Geomethanisierung. Weiter untersuchen sie, wie sich die Skaleneffekte durch das grosse Volumen auf die Gestehungs- und Speicherkosten des Methans auswirken, denn nur wenn die Geomethanisierung eine wirtschaftliche Berechtigung hat, kann das Konzept ausgerollt werden.

Aktive Rolle als Industriepartner

Energie 360° übernimmt bei USC-FlexStore die Projektkoordination sowie das Reporting gegenüber Regulatoren und Förderstellen. Zusätzlich erbringt der Energiedienstleister den Nachweis für die CO2-Neutralität der Geomethanisierung. Dazu strebt er die Zertifizierung des in der Erdgaslagerstätte Pilsbach methanisierten Gases als «Proof of Concept» an.
Energie 360° spielt bei USC-FlexStore bewusst eine aktive Rolle. Denn das schweizweit tätige Energieunternehmen ist daran interessiert, dass das Projekt wirklich handfeste Ergebnisse liefert, die ihm als valide Entscheidungsgrundlage für die nächsten Schritte dienen.
Weil sich die Geomethanisierung erst in der Phase der Grundlagenforschung befindet, ist USC-FlexStore mit dem Risiko verbunden, dass sich kein wirtschaftliches Geschäftsmodell entwickeln lässt. Trotzdem hat sich Energie 360° entschieden, die nötigen Ressourcen in das Vorhaben zu investieren: Wegen der grossen Zukunftsdimension der Geomethanisierung ist der Energiedienstleister überzeugt vom Projekt – auch wenn er die Ergebnisse heute noch nicht abschätzen kann. Voraussichtlich Anfang 2023 liegen diese Resultate vor. Dann wollen die Projektpartner von USC-FlexStore entscheiden, ob sie mit Folgeprojekten nächste Schritte initialisieren.

Unterstützung durch ERA-NET

Das Projekt USC-FlexStore wird im Rahmen der europäischen Programminitiative ERA-Net Smart Energy System gefördert und erhält die Unterstützung des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon2020 der Europäischen Union. Dazu wurde das Projekt von ERA-Net aus einer Vielzahl von eingereichten Vorhaben ausgewählt. Zusätzlich erhält das Projekt nationale Förderbeiträge: in der Schweiz vom Bundesamt für Energie und in Österreich von der Forschungsförderungsgesellschaft. Das gesamte Projektbudget beläuft sich auf 3,7 Mio. Euro. Das Projekt hat im Dezember 2020 begonnen und dauert bis Mitte 2023.

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Kommentare (1)

Matkus Hladik am 29.05 2021 um 12:08

Kooperation

Ich freue mich dass diese Schweiz-Österreichische Kooperation zustande gekommen ist. (ehemaliger MA bei der RAG und viele Jahre tätig in der Schweizer Gasindustrie). Markus Hladik

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