Technik

Die Zeichen stehen auf Wasserstoff

Gasunie

Gasunie hat die Zeichen der Zeit erkannt und beteiligt sich an zahlreichen Wasserstoff-Projekten und -Initiativen in Nordwesteuropa, so wie hier beim Bau einer Wasserstoffleitung in den Niederlanden.

Getrieben durch die Notwendigkeit des Klimaschutzes kommt die Wasserstoffwirtschaft in Europa in Bewegung. Fossiles Erdgas gerät zunehmend unter Druck, der Game Changer im Energiesystem der Zukunft kann CO2-neutraler Wasserstoff sein. Als international agierendes Gasinfrastrukturunternehmen hat Gasunie die Zeichen der Zeit erkannt und beteiligt sich an zahlreichen Wasserstoff-Studien und -Projekten.

Gemeinsam mit dem Stromnetzbetreiber Tennet hat Gasunie Anfang 2019 den Infrastructure Outlook 2050 vorgelegt, in dem Strom- und Gasnetze gemeinsam simuliert werden. Ein zentrales Ergebnis der Studie ist, dass Strom- und Gasnetze in Zukunft gemeinsam eine entscheidende Rolle für die Energieversorgung spielen und komplementäre Funktionen erfüllen.

In den Niederlanden plant Gasunie den Aufbau eines nationalen Wasserstoff-Netzwerks. Die ersten Meilensteine für den großtechnischen Transport und die Speicherung von Wasserstoff wurden im Rahmen des Projekts HyStock 2018 bereits erreicht.

Auch in Deutschland beschreitet Gasunie gemeinsam mit Thyssengas und Tennet den Weg in Richtung einer großindustriellen Nutzung von Power-to-Gas. Mit dem Bau eines 100-MW-Elektrolyseurs wird die größte deutsche Power-to-Gas-Anlage entstehen.

von Matthias Schulz, Gasunie Deutschland

Manchmal braucht es fast 150 Jahre, um aus Visionen Realität werden zu lassen. In seinem 1874 erschienen Roman „Die geheimnisvolle Insel“ lässt Jules Verne seinen Protagonisten vom Wasser als der Kohle für morgen philosophieren – der via Elektrolyse gewonnene Wasserstoff treibt als Energiequelle Dampfschiffe und Lokomotiven an und erzeugt Wärme. Mit dieser vorweggenommenen Skizze der Sektorenkopplung erweist sich der Autor einmal mehr als realistischer Visionär.

Tatsache ist, dass die Wasserstoffwirtschaft in Europa jetzt in Bewegung kommt. Den Grund hierfür hat Verne allerdings nicht vorhersehen können. Wesentliche Treiber sind nicht die ausgeförderten Kohlevorkommen, sondern die politischen Initiativen zum Klimaschutz auf europäischer wie nationaler Ebene. Vor dem Hintergrund der CO2-Thematik geraten die fossilen Energieträger zunehmend unter Druck. Aktuelle Veröffentlichungen wie der Sonderbericht des Weltklimarats IPCC zum 1,5-Grad-Ziel, insbesondere auch die Diskussionen auf dem UN-Klimagipfel in Kattowitz im vergangenen Dezember zeigen, wie sehr alle beteiligten Stakeholder jetzt gefordert sind, Lösungen für den Klimaschutz zu erarbeiten. Dieser Druck von oben verstärkt sich zunehmend noch durch den Druck breiter gesellschaftlicher Schichten. Jüngste Aktivitäten wie FridaysForFuture sind eindrucksvoller Beweis dafür, wie stark das Themenfeld Umwelt und Klima im gesellschaftlichen Mindset angekommen ist – sie zu ignorieren ist keine Lösung.

Im Energiesystem der Zukunft fasziniert insbesondere der CO2-neutrale Wasserstoff, hat er doch das Potenzial, zum game changer zu werden. Gasunie als international agierendes Gasinfrastrukturunternehmen hat diesen Lösungsweg gemeinsam mit Partnern beschritten, in der Funktion als nordwesteuropäische Gasdrehscheibe kann das Unternehmen sowohl in Deutschland als auch in den Niederlanden sein Energie-Know-how und umfassende Erfahrung in der Realisierung großer und komplexer Infrastrukturprojekte einbringen. So hat Gasunie es sich zum Ziel gesetzt, einen signifikanten Beitrag zur zukünftigen CO2-freien Energieversorgung zu leisten.

Die gegenwärtigen Aktivitäten diesseits und jenseits der Grenze sind durch eine Vielzahl an Aktivitäten gekennzeichnet. Dazu gehören Studien – wie der Mitte Februar 2019 vorgestellte Infrastructure Outlook 2050 – ebenso wie strategische Partnerschaften und Netzwerke (Gasunie ist z. B. Mitglied der Hydrogen Coalition, einer Initiative unter der Leitung von Greenpeace, die im Mai 2018 das Wasserstoff-Manifest für die Niederlande veröffentlicht hat). Hinzu kommen eine Reihe von konkreten Wasserstoffvorhaben unterschiedlichster Größe und Ausprägung, die mittlerweile eine verdichtete Projektlandkarte ergeben.

Studien definieren die Grundlagen

Gasunie Deutschland unterstützt als Mitgliedsunternehmen die umfassenden Aktivitäten der relevanten Stakeholder wie DVGW und dena zum Thema Wasserstoff. Dazu zählt auch die vom FNB Gas, der Interessensvertretung der deutschen Fernleitungsnetzbetreiber, im Herbst 2017 veröffentlichte Untersuchung „Der Wert der Gasinfrastruktur für die Energiewende in Deutschland“, die das Thema nachdrücklich in der politischen Öffentlichkeit positionierte. Die Studie zeigte erstmals deutliche Kosteneinsparungen für die Energiewende durch Nutzung der Gasinfrastruktur auf, indem sie beispielsweise die Reduzierung des Stromnetzausbaus sowohl im Übertragungsnetz als auch im Verteilnetz durch Nutzung der Gasnetze, Gasspeicher und Gasanwendungen errechnete. Mit den Ergebnissen der von ihnen in Auftrag gegebenen Studie belegten die Fernleitungsnetzbetreiber, dass eine sektorenübergreifende Kopplung von Strom- und Gasnetzen als Schlüssel für ein effizientes, zukunftsfähiges und bezahlbares Energiesystem gelten kann.

Deutsch-niederländische Perspektive

Mit dem gemeinsam mit dem Übertragungsnetzbetreiber Tennet herausgegebenen Infrastructure Outlook 2050 ist Gasunie Anfang diesen Jahres einen Schritt weiter gegangen, indem im Rahmen eines internationalen und integrierten Ansatzes Strom- und Gasnetze gemeinsam simuliert wurden. Die Studie untersucht zwei der wichtigsten europäischen Energiemärkte – Deutschland und die Niederlande. Die Ausgangsvoraussetzungen sind – trotz Unterschieden insbesondere bei der Aufkommensstruktur für die Erdgasversorgung – vergleichbar. Beide Volkswirtschaften stehen vor der Herausforderung, ihre nationale Energiewende umsetzen zu müssen, in beiden Ländern hat die Politik ehrgeizige Klimaschutzziele vorgegeben. Neu an der Studie ist, dass Gasunie und Tennet hier den Ansatz einer integrierten Betrachtung beider Infrastrukturen gewählt haben, um aus dieser Perspektive ein möglichst umfassendes, ganzheitliches Bild zu liefern. Dahinter steht die Überzeugung, dass das Energiesystem der Zukunft ein starkes und gleichzeitig in hohem Maße integriertes Gas- und Elektrizitäts-Backbone erfordert. Mit dieser Studie wollen die Herausgeber insbesondere die Politik bei der Formulierung einer volkswirtschaftlich sinnvollen Infrastrukturstrategie mit hoher gesellschaftlicher Akzeptanz unterstützen, indem sie belastbare Argumente pro Sektorenkopplung sowie Analysen zum optimalen Einsatz der Power-to-Gas-Technologie liefern.

Die Studie verfolgt einen innovativen Modellierungsansatz, der sich auf die Kopplung der Gas- und Strominfrastruktur konzentriert und die (zukünftigen) Infrastrukturen für Strom, Methan und Wasserstoff mit ihren wechselseitigen Abhängigkeiten sowohl für Deutschland als auch die Niederlande berücksichtigt. Insgesamt drei unterschiedliche energiewirtschaftliche Angebots- und Nachfrageszenarien wurden der Modellsimulation zugrunde gelegt. Auf dieser Basis ließen sich die unterschiedlichen Rollen und Anforderungen für die beide Energieträger Strom und Gas ermitteln und deren zukünftige Anwendung anschaulich umsetzen.


Die zentralen Ergebnisse der Studie mit Fokus in Deutschland sind, dass Elektron und Molekül zukünftig eine perfekte Verbindung darstellen – dies gilt im Übrigen sowohl für Deutschland als auch für Holland. Alle betrachteten Szenarien zeigen, dass Strom- und Gasinfrastruktur gemeinsam eine entscheidende Rolle für die zukünftige Energieversorgung spielen und komplementäre Funktionen erfüllen. Um die im Pariser Klimaabkommen festgelegten Emissionsziele für 2050 zu erreichen, muss das derzeitige fossile Energiesystem im Zuge der Energiewende vollständig überarbeitet werden, ohne dass das Ergebnis in einer all electric world besteht. Am Ende steht dann nicht nur eine starke Strominfrastruktur, sondern auch eine starke Gasinfrastruktur mit zwei getrennten Gassystemen für reinen Wasserstoff und für synthetisches Methan sowie Biogas.

Als einen wichtigen Eckpfeiler identifiziert der Infrastructure Outlook 2050 die Power-to-Gas-Technologie, die dem gesamten Energiesystem die notwendige Flexibilität und Verlässlichkeit auch in Zeiten kalter Dunkelflauten – in Zeiten sehr geringer Solar- und Windstromerzeugung während längerer Kälteperioden – verleiht. Dadurch ist es möglich, Flexibilität für regelmäßige saisonale Effekte vorzuhalten. Das derzeit einzige technisch-wirtschaftliche Verfahren zur saisonalen Großspeicherung erneuerbar gewonnener Energie stellen Moleküle in Form von grünem Wasserstoff und grünem Methan in Gaskavernen und Porenspeichern dar. Das riesige in Deutschland existierende Gasspeichervolumen kann hierfür eingesetzt werden. Somit erschließt Power-to-Gas das sehr hohe Speichervermögen der heutigen Gasspeicher für die erneuerbaren Energien, so reichen die bestehenden Speicherkapazitäten für Methan in Deutschland auch für den zukünftigen Bedarf (zwischen 30 und 60 TWh) aus, die Kapazität der Gaskavernen allerdings muss teils sogar noch erhöht werden, um den identifizierten Bedarf zu decken (zwischen ca. 30 und 75 TWh). Zusätzlich bietet die bereits heute bestehende Gasinfrastruktur das immense Energietransportvermögen, das rund doppelt so hoch ist wie die des Stromnetzes. Deshalb ergibt sich aus der Studie die Forderung nach einer detaillierten Power-to-Gas-Umsetzungsstrategie, an deren Ausarbeitung die Strom- und Gasnetzbetreiber beteiligt werden sollten.

Ein weiteres Ergebnis der Studie bezieht sich auf die Frage nach der geeigneten Verteilung und Einbindung der Power-to-Gas-Erzeugungsanlagen in das Gesamtsystem. Die Empfehlung geht dahin, sie in Nähe der erneuerbaren Produktionsanlagen zu errichten, um so Engpässe in der Strominfrastruktur zu beseitigen bzw. nicht noch zusätzlich entstehen zu lassen. Mit Standort, Kapazität und Betrieb von Power-to-Gas-Anlagen lassen sich die entscheidenden Faktoren beschreiben.

Studien alleine verändern aber nicht das Energiesystem – und der notwendige Transformationsprozess findet auch nicht über Nacht statt. Deshalb soll hier auch über die praktischen Schritte berichtete werden, die mittlerweile teils angeschoben, teils in der konkreten Planung oder sogar schon umgesetzt sind.

Initiativen in den Niederlanden

Gasunie plant, bis 2030 die großen Industrieregionen Zeeland, Maasvlakte (mit dem Hafen Rotterdam), Noord-Holland, Limburg und Groningen (Eemshaven) über ein nationales Wasserstoff-Netzwerk zu verbinden. Erste Schritte hierfür sind bereits unternommen.

So erreichte Gasunie im letzten Jahr die ersten Meilensteine für den großtechnischen Transport sowie die Speicherung von Wasserstoff. Gemeinsam mit der Gasunie-Tochtergesellschaft EnergyStock begannen 2018 die Arbeiten am ersten Elektrolyseur der Niederlande mit einer Leistung von einem MW. Auf dem Betriebsgelände des Gasunie-Speichers Zuidwending in der Provinz Groningen, rund 25 Kilometer von der Grenze zu Deutschland entfernt, wird zukünftig grüner Strom in grünen Wasserstoff verwandelt und steht entweder sofort für industrielle Zwecke und zum Einsatz im Transport- und Mobilitätsbereich zur Verfügung oder lässt sich in den vorhandenen Kavernenspeichern im Salzgestein speichern, um bei Bedarf in das Gastransportnetz eingespeist zu werden. Noch in diesem Jahr soll das Projekt HyStock in Betrieb gehen.

 

Im November 2018 hat Gasunie in der niederländischen Provinz Zeeland zum ersten Mal eine rund zwölf Kilometer lange, bisher zum Transport von Erdgas genutzte Leitung als Wasserstoffleitung in Betrieb genommen. Auf diese Weise lässt sich der Transport via Lkw auf der Straße ersetzen. Technische Voraussetzung dafür war die Errichtung der notwendigen Anschlüsse zur Ein- und Ausspeisung, darüber hinaus mussten an einigen Stellen Modifikationen der Gasleitung vorgenommen werden. Die Transportmenge beläuft sich auf über 4.000 Tonnen Wasserstoff im Jahr, der in der Industrie zum Einsatz kommt. Der Wasserstoff wird in den Crackern des Chemiekonzerns Dow Benelux in Terneuzen produziert und an einen Düngemittelhersteller geliefert. Durch die Umstellung auf Wasserstoff in der Produktion spart dieser fossiles Erdgas als Energieträger ein. In einer zweiten Ausbaustufe ist geplant, die Pipeline zu verlängern, um auch ein weiteres energieintensives Unternehmen der chemischen Industrie, einen Bromproduzenten, anzuschließen. Berechnungen von Gasunie haben ergeben, dass sich durch dieses Projekt Energieeinsparungen von 0,15 Petajoule (41,7 Mio. kWh) im Jahr erzielen lassen, die zu einer CO2-Reduktion von rund 10.000 Tonnen führen.

In einem internationalen Konsortium, das aus Tennet, dem dänischen Netzbetreiber Energinet und dem Port of Rotterdam besteht, beteiligt sich Gasunie am North Sea Wind Power Hub, einer künstlichen Windenergie-Insel in der Nordsee, die allein schon aufgrund ihrer Dimensionierung einen Quantensprung darstellt. Dieses innovative Hybridprojekt, das den Netzanschluss von Windparks mit Power-to-Gas und länderübergreifenden Stromleitungen verbindet, hat bereits ein hohes Maß an öffentlicher Aufmerksamkeit erzielt – sollen hier doch mittel- bis langfristig Großkapazitäten zur Erzeugung von Off-shore Windenergie (bis zum Jahr 2040 Kapazitäten von 70 bis 150 Gigawatt, bis 2045 bis zu 180 Gigawatt) modular und sukzessive erschlossen werden. Je nach Ausbaugrad lassen sich dadurch mehrere hundert Millionen europäische Haushalte mit grüner Energie versorgen. Erste Kostenanalysen wurden im Auftrag des Konsortiums bereits vorgenommen, wobei eine Betrachtung der Power-to-Gas-Komponenten und des Wasserstoff-Transports noch nicht erfolgte.

Geplant ist, weitere Studien zum North Sea Wind Power Hub durchzuführen, denen sich kurzfristig eine intensive Bewertungsphase anschließt - das Ergebnis ist dann Basis für das weitere Vorgehen.

Element Eins als Pilotprojekt für Deutschland

Auch in Deutschland hat Gasunie gemeinsam mit Thyssengas und Tennet das Tor in Richtung großindustrieller Nutzung von Power-to-Gas weit aufgestoßen. So soll mit dem Bau eines 100-Megawatt-Elektrolyseurs die größte deutsche Power-to-Gas-Pilotanlage entstehen. Als Lokationen kommen dafür die Standorte Diele und Conneforde in Betracht, an beiden Lokationen, die über eine gute Anbindung an das Gas-Fernleitungsnetz verfügen, bestehen heute bereits Umspannwerke von Tennet, in denen vor allem Offshore-Windstrom aus der Nordsee gesammelt und weiterverteilt wird.

Ziel des Pilotprojektes, das unter dem Namen Element Eins auftritt, ist es, Erfahrungen mit Power-to-Gas-Anlagen im industriellen Maßstab sowie der Netzsteuerung zu sammeln. Darüber hinaus geht es darum, die infrastrukturelle Sektorenkopplung, also die intelligente Verbindung  der Strom- und Gasnetze , für die Umsetzung der Energiewende zu verproben. Das Ineinanderfassen von Strom- und Gasinfrastruktur durch die Power-to-Gas-Technologie ermöglicht es, den in Wasserstoff umgewandelten Grünstrom nicht nur über bestehende Gasleitungen von der Nordsee ins Ruhrgebiet zu transportieren, sondern u. a. auch über Wasserstoff-Tankstellen für Mobilität und über die Speicherung in Kavernen für die Industrie zur Verfügung zu stellen.

Schrittweise ab 2022 soll die Pilotanlage ans Netz gehen und grünen Strom in Gas umwandeln, um so neue Verwendungs-, Speicher- und Transportpotenziale für erneuerbaren Strom zu erschließen. Insbesondere in der Politik stieß das Innovationsprojekt auf große Zustimmung. So würdigte der niedersächsische Umwelt- und Energieminister Olaf Lies Element Eins, indem er betonte: „Die Energiewende dürfen wir nicht ausschließlich als Stromwende betrachten. Gerade der Sektorenkopplung kommt eine herausragende Bedeutung zu. Ich begrüße es sehr, dass wichtige Player der Energiewende jetzt dabei aktiv werden. Das ist das richtige Signal“.

Für die Element-Eins-Partner bietet Power-to-Gas ein großes Potenzial, da dem Stromnetz so die dringend benötigte Flexibilität zur Verfügung stehen kann und sich die teure Abregelung von Windanlagen vermeiden, zumindest aber begrenzen lässt. Das innovative Projekt gehört zum umfangreichen Innovationsprogramm von Tennet, mit dem der Übertragungsnetzbetreiber Möglichkeiten untersucht, um mehr Flexibilität für den sicheren Netzbetrieb verfügbar zu machen. Für die beteiligten Fernleitungsnetzbetreiber, die über ein gut ausgebautes Netz verfügen, bietet Power-to-Gas die Chance, ihre Infrastruktur werterhaltend und nachhaltig zu betreiben sowie volkswirtschaftlich sinnvolle Lösungen für die Erschließung weiterer Sektoren mit erneuerbarer Energie zu entwickeln.

Perspektive Sektorenkopplung

Die Power-to-Gas-Technologie als praktische Lösung für die Verbindung bislang getrennter Infrastrukturen nimmt also deutlich an Fahrt auf. Neben den eigenen Projekten, an denen Gasunie immer mit Partnern beteiligt ist, treten spannende Vorhaben von Dritten, wenn auch mit unterschiedlichen strategischen und operativen Zielsetzungen. Deutschland braucht mittelfristig eine nationale Wasserstoff-Strategie, für die Niederlande gibt es hierfür bereits erste Vorschläge. Entscheidend ist auch die aktive Weiterentwicklung des regulatorischen Umfelds – hierzu liegen von mehreren Stakeholdern bereits erste Diskussionsvorschläge auf dem Tisch.

Die Politik signalisiert, dass sie die Bedeutung des Themas erkannt hat. Insofern befinden wir uns auf einem Weg, der an Dynamik zunimmt. Noch werden die Netzentwicklungspläne als Masterpläne für den Energienetzausbau im Strom und im Gas voneinander getrennt gedacht und entwickelt. Unsere Infrastruktur transportiert heute noch überwiegend Erdgas – aber den ersten Kubikmeter Wasserstoff werden wir 2020 in Schleswig-Holstein in unser Netz einspeisen, hier in die gemeinsam mit Open Grid Europe betriebene DEUDAN. Und spätestens 2050, wenn wir das Ziel einer klimafreundlichen, CO2-neutralen Energieversorgung erreicht haben wollen, muss die Gasinfrastruktur bereit für den Transport von Wasserstoff, synthetischem Methan und vielleicht sogar CO2 sein. Damit kommt dann ein Transformationsprozess zum Abschluss, der im Übrigen die Gaswirtschaft seit Jahrzehnten schon kennzeichnet: Denn unserer Industrie ist Wasserstoff nicht fremd, haben wir doch in der Vergangenheit Stadt- und Kokereigas, das signifikante Anteile von Wasserstoff enthält, in unseren Netzen transportiert. Mit den Anforderungen, die sich aus dem Entwicklungsprozess in Richtung Wasserstoffwirtschaft ergeben, ändert sich auch die Rolle des traditionellen Gasinfrastrukturunternehmens: Gasunie wird mehr und mehr zum Energieinfrastruktur-Unternehmen.

Über den Autor:
Matthias Schulz ist Manager Business bei Gasunie Deutschland.

Kontakt:
Gasunie Deutschland Transport Services GmbH
Pasteurallee 1
30655 Hannover

Tel.: 0511 640607-2557