«Power-to-Gas» heisst das Konzept, welches das Stromnetz mit dem Erdgasnetz verbinden soll. Damit wollen die Forschenden am Paul Scherrer Institut Solar- und Windenergie längerfristig speichern. Auf einer Plattform mit Containern voller High-Tech-Anlagen testen sie zusammen mit Industriepartnern Verfahren unter realen Bedingungen.

Marcel Hofer, Projektleitung Realisation und Koordinator ESI (l.) und Peter Jansohn, Leiter ESI. (Foto: Kellenberger Kaminski Photographie)

Auf dem Gelände des Paul Scherrer Instituts (PSI) in Villigen steckt die Energiezukunft in sechs weissen Containern, die auf einer Plattform namens «ESI», kurz für «Energy System Integration», aufgereiht sind. Die Container enthalten kompakte, modernste Anlagen. Damit kann man Wasserstoff sowie Erdgas herstellen, und der Wasserstoff kann in den Brennstoffzellen bei Bedarf wieder zu Strom umgewandelt werden. Daneben stehen Tanks für Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid, die mit der Plattform verbunden sind. Auf der Tafel davor sind über 20 Projektpartner, Benutzer und Förderinstitutionen aufgelistet, darunter der ETH-Rat sowie EPFL, ETH Zürich und Empa, aber auch der nahe gelegene, neu entstehende Standort des des schweizerischen Innovationsparks PARK INNOVAARE und der Stromnetzbetreiber Swissgrid.

«Werden Photovoltaik- und Windkraftanlagen wie erwartet ausgebaut, müssen wir zukünftig mehrere Terawattstunden Energie vom Sommer in den Winter retten», sagt Peter Jansohn.

«Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff oder Methan ist das Hauptthema der ESI-Plattform», erklärt Peter Jansohn, Leiter Energy System Integration am PSI. Wird im Rahmen der Energiestrategie 2050 des Bundes die Kernkraft durch erneuerbare Energien ersetzt, so braucht es neue Speichermöglichkeiten. Denn Solar- und Windenergie liefern nicht nur dann Strom, wenn er gebraucht wird. Das Potenzial der Pumpspeicherkraftwerke ist in der Schweiz bereits ausgereizt und Batterien eignen sich nicht zum Energiespeichern über lange Zeiträume. «Werden Photovoltaik- und Windkraftanlagen wie erwartet ausgebaut, müssen wir zukünftig mehrere Terawattstunden Energie vom Sommer in den Winter retten», sagt Peter Jansohn.

Mit der überschüssigen, elektrischen Energie sollen chemische Energieträger produziert werden –  ein Konzept, das «Power-to-Gas» genannt wird. Deshalb befindet sich in einem ESI-Container ein Elektrolyseur, der mit Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die Anlage hat 100 Kilowatt Leistung. «Damit ist sie gross genug, dass es für die Kommerzialisierung nur einen weiteren Skalierungsschritt braucht», so der ESI-Leiter.

Eine neue Besucherausstellung macht die komplexen Herausforderungen einer Energieversorgung mit neuen, erneuerbaren Energien und ihre Lösungsansätze erlebbar. (Foto: Kellenberger Kaminski Photographie)

In einem gegenüberliegenden Container produziert ein Brennstoffzellen-System aus den Gasen wiederum Strom. Dieser kann stationär zum Beispiel für die Hausenergieversorgung eingesetzt werden. Eine Brennstoffzelle kann aber auch ein Fahrzeug elektrisch antreiben. Sowohl beim Elektrolyseur als auch beim Brennstoffzellen-System setzt das PSI auf eine Technik, mit der es jahrzehntelange Erfahrung hat. Herzstück der Anlagen sind Zellstapel mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM). Das Brennstoffzellen-System wird zudem mit reinem Sauerstoff statt Luft betrieben – ein Verfahren, das am PSI entwickelt wurde und besonders effizient ist.

Auch das Potenzial von Biomasse nutzen

Mit Kohlendioxid aus dem Tank neben der Plattform produzieren die PSI-Forschenden aus dem Wasserstoff zudem Methan. Dieses künstliche, CO2-neutrale Erdgas lässt sich hervorragend speichern und direkt ins bestehende Schweizer Pipelinenetz einspeisen. «Das Erdgasnetz an sich wirkt als Speicher, weil man den Druck saisonal variieren und so ohne weiteres mehrere Terawattstunden unterbringen kann», erklärt Peter Jansohn. «Deshalb sind das Stromnetz und das Erdgasnetz für uns ein ideales Paar, das sich ausgezeichnet ergänzt.»

Anhand der interaktiven Modellstadt Esiville wird der Weg von der gegenwärtigen zu einer zukünftigen Schweizer Energieversorgung erzählt. (Foto: Paul Scherrer Institut/Mahir Dzambegovic)

Die Methanisierungsanlage auf der ESI-Plattform hat bereits einen auswärtigen Grosseinsatz hinter sich: Cosyma (kurz für «Container-basiertes System für die Methanisierung») wurde im Januar 2017 von einem Kran durch eine Luke des Plattformdachs gehoben, auf einen Transporter verladen und zum Vergär- und Klärwerk Werdhölzli (Projektpartner: Energie 360°) in Zürich gefahren. Dort erzeugte Cosyma in einem 1000-Stunden-Dauertest aus Bioabfällen 60 % mehr Biogas als herkömmliche Verfahren. Der Trick: In einem Wirbelschicht-Reaktor verbindet sich zugeführter Wasserstoff mit Kohlendioxid, das im Rohbiogas enthalten ist. So entsteht Biomethan, das man direkt ins Erdgasnetz einleiten kann. Im Januar 2018 zeichnete das Bundesamt für Energie (BFE) das PSI und Energie 360° mit dem Watt d’Or 2018 in der Kategorie «Erneuerbare Energien» aus.

Inzwischen ist Cosyma ans PSI zurückgekehrt und Peter Jansohn zieht Bilanz: «Die Herstellung von Biomethan ist so effizient, dass das Verfahren grosses Potenzial hat in der Praxis realisiert zu werden.» Rund 100 Kläranlagen in der Schweiz könnten auf diese Weise grünes Methan produzieren.