Was sind dekarbonisierte und erneuerbare Gase?

Unter dem Begriff „dekarbonisierte und erneuerbare Gase“ versteht man alle Energieträger, die in gasförmiger oder in aus Gasen verflüssigter Form vorliegen, die keinen Kohlenstoff mehr enthalten und/oder aus Erneuerbaren Energien gewonnen wurden. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Klimaziele. Dazu gehören u.a.:

  • Wasserstoff – ein vielseitig einsetzbarer Energieträger, wenn er z. B. mithilfe von erneuerbarem Strom erzeugt wurde oder durch die Abscheidung von Kohlenstoff aus Erdgas/Methan entstanden ist.
  • Biogas – aus Biomasse erzeugtes erneuerbares Gas
  • SNG (Abk. für Synthetic Natural Gas) – ein synthetisch hergestelltes Brenngas, dessen chemische Eigenschaften weitgehend mit Erdgas übereinstimmen. Als Ausgangsstoff dient Wasserstoff (H2), der unter Hinzunahme von Kohlenstoffdioxid (CO2) zu Methan (CH2) umgewandelt wird. SNG kann beispielsweise mit dem Power-to-Gas-Verfahren erzeugt werden.

Was ist Dekarbonisierung?
Fossile Energieträger enthalten Kohlenstoff, weswegen bei Ihrer Verbrennung Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht. Bei der Dekarbonisierung wird dem Brennstoff vor der Verbrennung der Kohlenstoff entzogen.

Dekarbonisierte und erneuerbare Gase sind CO2-neutral und tragen somit nicht zum Treibhauseffekt und zur Erderwärmung bei.

Wie werden erneuerbare und dekarbonisierte Gase erzeugt?

In diesem Lernbaustein werden drei Verfahren zur Herstellung von erneuerbaren und dekarbonisierten Gasen vorgestellt:

  1. Biogas: Biogas entsteht bei der Vergärung von Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff und Licht in sogenannten Fermentern. In einem mehrstufigen Prozess werden die Substrate mithilfe von Mikroorganismen aufgespalten und so Biogas produziert.
  2. Wasserstoff: Für die Produktion von Wasserstoff existieren mehrere Verfahren.
    Grüner Wasserstoff entsteht durch die Elektro­lyse von Wasser unter Verwendung von Strom aus erneuer­baren Quellen: Wind oder Photovoltaik. Im Elektrolyseur wird Wasser (H2O) durch Anlegen einer elektrischen Spannung in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) aufgespalten. Dabei bilden die Protonen an der Kathode (Minuspol) Wasserstoffmoleküle, die aufsteigen und aufgefangen werden.
    Sogenannter blauer Wasserstoff wird aus Erdgas (CH4) gewonnen. Hierfür kommen mehrere Verfahren infrage, zum Beispiel die Pyrolyse oder die Dampfreformierung. Bei der Dampfreformierung wird mit­hilfe von Wasserdampf der im Erdgas enthaltene Wasserstoff vom Kohlenstoff getrennt und so reiner Wasserstoff gewonnen. Das bei der Dampfreformierung anfallende Kohlenstoffmonoxid wird zu Kohlenstoffdioxid (CO2) überführt. Bei der Methanpyrolyse wird Erdgas in einem Hochtemperaturreaktor in seine Bestandteile Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H2) zerlegt.
  3. Synthetisches Gas: wird aus erneuerbarem Strom erzeugt. Das Verfahren heißt Power-to-Gas. Hier erfolgt die Umwandlung elektrischer Energie in chemische Energie brennbarer Gase. Power to Gas ist ein Konzept, dessen zentraler Bestandteil die Erzeugung von EE-Gas (z. B. Wasserstoff oder Methan) mit Hilfe elektrischer Energie ist.

Biogas: Nachwachsende Energie

Als organisches Ausgangsmaterial für die Biogaserzeugung dienen nachhaltig und gewässerverträglich angebaute Energiepflanzen, tierische Exkremente (Gülle, Mist) sowie kommunale und industrielle Abfall- und Reststoffe wie z. B. Speisereste.

Biogas entsteht bei der Vergärung von Biomasse unter Ausschluss von Sauerstoff und Licht in sogenannten Fermentern. In einem mehrstufigen Prozess werden die Substrate mithilfe von Mikroorganismen aufgespalten und so Biogas produziert.

Das entstandene Biogas wird entweder direkt in Blockheizkraftwerken (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt oder zu Biomethan (CH4) aufbereitet.

Biogas besteht je nach Ausgangssubstrat aus verschiedenen Bestandteilen. Während des Faulprozesses entstehen neben CH4 viele chemische Komponenten, wie Kohlenstoffdioxid (CO2), Sauerstoff O2, Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2) sowie flüchtige organische Komponenten (VOCs) und Siloxane. In dieser Form besitzt Biogas nicht die gleiche Qualität wie Erdgas. Um die Eigenschaften von Biogas zu verbessern, wird es bei der Aufbereitung zu Biomethan getrocknet und entschwefelt. Außerdem wird das enthaltene CO2 abgeschieden. Aufbereitetes Biomethan kann ins Erdgasnetz eingeleitet werden.

Biomethan kann grundsätzlich genauso verwendet werden wie Erdgas. Dies schließt die Strom- und Wärmerzeugung, die Verwendung als Kraftstoff und auch die Nutzung in Industrieprozessen ein.

Arbeitsauftrag 1

  1. Lies den Text zu Biogas aufmerksam durch. Unten findest du eine Reihe von Grafiken. Wenn du auf eine Grafik klickst, erscheint sie in der Arbeitsfläche. Dort lässt sie sich bewegen. Ergänze das Pfeilschema mit den Grafiken so, dass die Zusammenhänge der Biogasgewinnung vom Ausgangsmaterial bis zur Nutzung deutlich werden.

Arbeitsfläche

Icons

Arbeitsauftrag 1

  1. Biomethan ist nahezu CO2-neutral, obwohl doch bei seiner Verbrennung CO2 anfällt. Erkläre, warum die CO2-Bilanz trotzdem neutral ausfällt. Stelle Vermutungen auf, warum eine komplette Neutralität dennoch nicht gewährleistet ist.

Power-to-Gas: Energie aus Sonne und Wind

Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne erfolgt nicht konstant, sondern unterliegt natürlichen Schwankungen. Mit dem zunehmenden Ausbau der Erneuerbaren Energien steigt die Notwendigkeit, die Differenzen zwischen Angebot und Nachfrage mit Erneuerbaren Energien auszugleichen. Power-to-Gas stellt dafür eine Option dar.

Arbeitsauftrag 2

  1. Unten findest du die einzelnen Schritte die erklären, wie im Power-to-Gas-Verfahren Erneuerbare Energien gespeichert werden können. Bringe sie durch Ziehen der Felder in die richtige Reihenfolge von 1 bis 5.
  1. Um den Strom zu speichern, wird mittels Elektrolyse Wasser mit Hilfe von elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten.
  2. Das entstandene Gas wird als SNG (Synthetic Natural Gas) in die Erdgasinfrastruktur eingespeist oder gespeichert.
  3. Der Wasserstoff kann direkt genutzt oder in das Erdgasnetz eingespeist werden. Der maximal zulässige Anteil von Wasserstoff im Erdgasnetz ist allerdings aus technischen Gründen heute noch begrenzt.
  4. Die in Sonnenstrahlung und Wind gespeicherte Energie wird durch Photovoltaikanlagen und Windräder in Strom umgewandelt.
  5. In einem weiteren Schritt kann eine Methanisierung erfolgen. Bei der Methanisierung werden aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid Methan – der Hauptbestandteil von Erdgas – erzeugt. Das dazu eingesetzte CO2 stammt zum Beispiel aus erneuerbaren CO2-Quellen (wie einer Biogasanlage) oder aus Industrieprozessen.
  1. Im Power-to-Gas-Verfahren finden zwei chemische Umwandlungsprozesse statt, die Elektrolyse und die Methanisierung. Wähle die Informationen in den Steckbriefen so aus, dass beide Prozesse korrekt beschrieben sind.

Steckbrief Elektrolyse

Strukturformel
Der Wirkungsgrad liegt zwischen

Steckbrief Methanisierung

Strukturformel
Der Wirkungsgrad liegt zwischen

Blick in die Zukunft: Biogaserzeugung oder Power-to-Gas oder beides?

Du hast jetzt mit Biogaserzeugung und Power-to-Gas zwei Verfahren kennengelernt, die klimaneutrale Gase erzeugen. Im letzten Arbeitsauftrag kannst du beide miteinander vergleichen.

Arbeitsauftrag 3

  1. Welches System hältst du für zukunftsträchtiger, Biogaserzeugung oder Power-to-Gas? Recherchiere, wäge Vor- und Nachteile gegeneinander ab und diskutiere deine Ergebnisse im Schreibfeld.

    Tipp

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