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Forschung und Entwicklung

Neue Technologien


Die Zukunft gehört dem Green Gas. Die RAG arbeitet seit Jahren intensiv an neuen Ansätzen, um erneuerbare Energie für die Abnehmer effizient und in großen Mengen zugänglich zu machen. Wind + Sonne = Green Gas – auf diese einfache Formel lässt sich Power-to-Gas bringen. Gemeinsam mit Erdgas ist es die Lösung, mit der die Energiewende gelingen kann. Die erneuerbare Sonnen- und Windenergie kann so in großen Mengen wirtschaftlich rentabel transportiert und gespeichert werden. Die klimafreundliche Energie ist damit jederzeit verfügbar, wenn man sie braucht.

Bereits jetzt sind das Multitalent Erdgas und die erneuerbaren Energieträger ein perfektes Team. Mal stehen Windräder still oder scheint die Sonne nicht, mal produzieren sie Überkapazitäten. Um die ehrgeizigen Klimaziele zu erreichen und den Anteil erneuerbarer Energieträger langfristig ausbauen zu können, braucht es einen Partner im Energiemix, der die Versorgungsschwankungen zuverlässig ausgleichen kann.
Nicht nur die schwankende Versorgung bei Strom aus erneuerbaren Energien muss ausgeglichen werden: Wie bekommt man die Energie aus dem Sommer in den Winter? Was tun mit der ungenutzten Energie, die in verbrauchsarmer Zeit in Wind- und Solarparks erzeugt wird?
Diese überschüssige Energie braucht große Speicher, um sie bei erhöhter Nachfrage sofort wieder zur Verfügung stellen zu können. Die bislang eingesetzten Pumpspeicheranlagen können dies nicht leisten. Die Lösung liegt auf der Hand. Die Gasinfrastruktur, bestehend aus Pipelines und den natürlichen unterirdischen Gasspeichern, die mehr Gas aufnehmen können, als in Österreich in einem Jahr verbraucht wird, erfüllt bereits jetzt alle Voraussetzungen, um künftig als Speicher für Green Gas genutzt werden zu können. Zahlreiche Studien aus Deutschland belegen, dass die Nutzung der vorhandenen Gasinfrastruktur und der Power-to-Gas-Technologie die Systemkosten der Energiewende deutlich reduzieren helfen. Einerseits könne auf den Ausbau von Stromübertragungsleitungen verzichtet werden, andererseits sparen Verbraucher bei den Endgeräten, da bestehende effiziente Gasheizungssysteme weiterhin benützt werden könnten.

Green Gas hat nicht nur enormes Potenzial, es ist obendrein nachhaltig, leistbar, speicherbar und daher rund um die Uhr verfügbar. Mit anderen Worten: Es ist Wegbereiter der Energiewende.

Mit seinen flexiblen Einsatzmöglichkeiten steht Gas und zunehmend erneuerbares Green Gas durch Power-to-Gas für eine sichere, nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung.

Gasspeicher = Energiespeicher

Der Großteil des erneuerbaren Stroms, der in Österreich gewonnen wird, wird im Frühjahr und Sommer und damit außerhalb der Heizperiode erzeugt: Laufwasserkraftwerke etwa produzieren im Sommer doppelt so viel Energie wie im Winter. Sieben von zehn Solar-Kilowattstunden werden während der Sommermonate gewonnen. Diese Strommengen lassen sich jedoch nicht über einen längeren Zeitraum lagern – denn entsprechende großvolumige Stromspeicher fehlen. Vorhandene Gasspeicher sind die Lösung.

Power-to-Gas

Die Power-to-Gas-Technologie funktioniert denkbar einfach: Mithilfe der überschüssigen Elektrizität aus Sonnen- und Windenergie wird mittels Elektrolyse Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. Der Wasserstoff kann nun beigemischt, direkt gespeichert und später weiterverwendet werden (z. B. als Primärenergie in Brennstoffzellen). Möglich ist auch ein weiterer Prozessschritt: Bei der sogenannten Methanisierung reagiert der Wasserstoff mit Kohlendioxid (CO2) zu Methan, dem Hauptbestandteil von Erdgas (98 %). Das CO2 wird aus der Luft entnommen oder kann auch aus einer Biogas- oder Industrieanlage stammen. Nach diesem Prozess liegt Methan als regenerativ erzeugtes synthetisches Gas vor.

Strom wird also in Gas umgewandelt und damit erstmalig in großem Umfang speicherbar. Gleichzeitig löst diese Methode auch die größte Schwierigkeit der Stromspeicherung, nämlich das Platzproblem. Es kann einfach auf die bestehende Erdgasinfrastruktur, sprich das Leitungsnetz und die riesigen Erdgasspeicher, zurückgegriffen werden. Statt neue, teure und technisch aufwändige Speichermöglichkeiten zu entwickeln und zu bauen, wird der in synthetisches Gas umgewandelte Strom in den ausgeförderten Erdgaslagerstätten zwischengespeichert.

Die einzige Emission, die während des Prozesses entsteht, ist Sauerstoff, der bei der Spaltung von Wasser frei wird. Derzeit liegt der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnen- und Windenergie in Erdgas bei 60 % – sehr viel, wenn man bedenkt, dass der überschüssige Strom gegenwärtig aus Mangel an Speichermöglichkeit oft gar nicht genutzt werden kann und Windräder aus dem Wind gedreht oder ganze Windparks vom Netz genommen werden müssen.


Underground Sun Storage

Sonnenenergie gewinnen, speichern und bereitstellen: Diese zukunftsweisende Form der Energieproduktion und -speicherung testete die RAG in dem einzigartigen Forschungsprojekt „Underground Sun Storage“.

An einer kleinen, ausgeförderten Gaslagerstätte in Oberösterreich wurde die Speicherbarkeit von in Wasserstoff umgewandelter Sonnenenergie nachgewiesen. Denn nur erneuerbare Energie, die dank Speicherung nicht verloren geht, kann im gleichen Ausmaß herkömmliche Energieträger ersetzen – die Gasspeicher der RAG bieten die notwendige Infrastruktur dafür. Das Projekt wird vom österreichischen Klima- und Energiefonds gefördert. 

Permanente Innovationskraft und stetige Weiterentwicklung durch Forschung und Entwicklung gehören zu den Erfolgsfaktoren der RAG.
 

Herausforderungen

Erneuerbare Energiequellen sind in den meisten Fällen nur eingeschränkt steuerbar. Weder Wind noch Sonne richten sich nach dem aktuellen Energieverbrauch. Stromnetze können Energie allerdings nicht speichern, und so sind die Netzbetreiber gezwungen, die Erzeugung an die Nachfrage exakt anzupassen. Ist es möglich, große Mengen Strom zu speichern und bei Bedarf wieder ins Netz einzuspeisen, führt dies zu einer Entkoppelung von Erzeugung und Verbrauch. Daher müssen in einer erneuerbaren Welt massive Energiespeicher zur Verfügung stehen. In der Natur hat die Evolution hauptsächlich Kohlen- und Wasserstoff als Energieträger und Speichermöglichkeit entwickelt. 
 

Wasserstoff speichern

Diese Prozesse haben wir uns zum Vorbild genommen und in der Power-to-Gas-Technologie umgesetzt. Überschüsse aus der Produktion erneuerbarer Energie werden durch Elektrolyse in Wasserstoff umgewandelt und sind dadurch im Erdgassystem speicherbar. In zahlreichen Untersuchungen wird und wurde die Wasserstofftoleranz der Erdgasinfrastruktur untersucht. Dabei konnte belegt werden, dass ein Wasserstoffanteil von bis zu 10 % mit der vorhandenen Infrastruktur gut verträglich ist. 
Erst die Lösung der Speicherfrage für erneuerbare Energien ermöglicht die Erreichung eines größtmöglichen Anteils am Energiemix und führt dadurch zu einer substanziellen Reduktion des CO2-Ausstoßes. Unser Forschungsprojekt ist daher von herausragender Bedeutung für Unternehmen, politische Entscheidungsträger und Behörden zur strategischen Weiterentwicklung der Energiesysteme.

„Die Power-to-Gas-Technologie macht die Umwandlung überschüssiger elektrischer Energie in Wasserstoff bzw. synthetisches Methan möglich – im Forschungsprojekt ,Underground Sun Storage‘ wird die Speicherfähigkeit von Wasserstoff als Beimengung zu Erdgas/synthetischem Methan in Porenlagerstätten erforscht.“
 

Forschungsprojekt

Hauptgegenstand dieses Leitprojektes war die Untersuchung der Wasserstoffverträglichkeit der Untergrundgasspeicher. Im Zuge des Leitprojektes wurde der Nachweis für die Verträglichkeit von Wasserstoffgehalten bis 10 % in Gasspeichern belegt. Damit sind natürliche Gasspeicher kein limitierender Faktor im Gesamtsystem und können mit ihren enormen Speichervolumina (mehr als 8 Milliarden Kubikmeter entsprechen 92 TWh in Österreich) im Energiesystem der Zukunft neu positioniert werden und als Ausgleichsspeicher für erneuerbare Energien dienen.

Durchgeführt wurden Laborversuche, Simulationen und ein In-situ-Versuch im industriellen Maßstab an einer existierenden Lagerstätte, deren Eigenschaften mit den großen erschlossenen Speicherreservoirs in Österreich vergleichbar sind. Diese Untersuchungen wurden von einer Risikobewertung, einem Life Cycle Assessment sowie einer Analyse der rechtlichen und ökonomischen Rahmenbedingungen begleitet. Durch den Abgleich der Ergebnisse aus Labor, Simulationen und In-situ-Versuch konnten die im Rahmen dieses Projektes (weiter)entwickelten Simulationstools kalibriert werden. Damit wird es möglich, ähnliche Fragestellungen für viele andere Speicherstrukturen weltweit zu untersuchen.

Underground Sun Conversion

Erdgeschichte im Zeitraffer. In über 1.000 Meter Tiefe, dort, wo vor Millionen von Jahren bereits natürliches Erdgas entstanden ist, wird erstmals ein mikrobiologischer Prozess zur unterirdischen „Erzeugung“ von Erdgas erforscht. So kann Erdgas natürlich und erneuerbar erzeugt werden.

Mit dieser weltweit einzigartigen und innovativen Methode wird der natürliche Entstehungsprozess von Erdgas nachgebildet, aber gleichzeitig um Millionen von Jahren verkürzt – Erdgeschichte im Zeitraffer gewissermaßen. Wasserstoff und Kohlendioxid können in geeigneten Erdgaslagerstätten durch einen mikrobiologischen Prozess in Methan = erneuerbares Erdgas umgewandelt werden. Energieumwandlung, Erhöhung der Energiedichte und Energiespeicherung erfolgen unsichtbar im porösen Gestein in mehr als 1.000 Meter Tiefe.
 

Erdgas natürlich erzeugen

Aus Sonnen- oder Windenergie und Wasser (Power-to-Gas-Technologie) wird zunächst in einer oberirdischen Anlage Wasserstoff erzeugt. Gemeinsam mit CO2 wird dieser Wasserstoff in eine vorhandene (Poren-)Erdgaslagerstätte eingebracht. In über 1.000 Meter Tiefe wandeln nun natürlich vorhandene Mikroorganismen diese Stoffe in relativ kurzer Zeit in erneuerbares Erdgas um, welches anschließend direkt in dieser Erdgaslagerstätte gespeichert, bei Bedarf jederzeit entnommen und über die vorhandenen Leitungsnetze zum Verbraucher transportiert werden kann.
Das Ziel des Forschungsprojektes ist es, vorhandene (Poren-)Erdgaslagerstätten als natürliche geologische „Reaktoren“ zu nutzen. So finden sowohl der Methanisierungsprozess als auch die Speicherung auf natürlichem Weg in unterirdischen Porenlagerstätten statt. Das große Potenzial liegt darin, dass derart die bislang fehlende, aber dringend benötigte Flexibilität im Umgang mit erneuerbaren Energien geschaffen wird. Damit kann es gelingen, einen nachhaltigen Kohlenstoff-Kreislauf zu etablieren.
Gemeinsam mit einem Konsortium werden Laborversuche, Simulationen und wissenschaftliche Feldversuche an einer existierenden Lagerstätte der RAG durchgeführt. Ziel ist es auch, die Übertragbarkeit der gewonnenen Ergebnisse auf viele andere Lagerstätten weltweit zu prüfen. Die angestrebten Ergebnisse sind daher von herausragender Bedeutung, die führende Position Österreichs im Bereich der Energiespeicherung und der dazugehörigen Forschung und Entwicklung weiter auszubauen. Ziel ist es, das im Projekt entwickelte Verfahren – sowohl Technologie als auch Know-how – global zur Anwendung zu bringen.

Leitprojekt des Klima- und Energiefonds

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Underground Sun Storage“ hat sich in ersten Laborversuchen gezeigt, dass in die Lagerstätte eingebrachter Wasserstoff mit CO2 mikrobiologisch in Methan umgewandelt wird. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde das Projekt „Underground Sun Conversion“ gestartet und unter Federführung der RAG durch ein österreichisches Konsortium abgewickelt. Der Klima- und Energiefonds fördert dieses Leitprojekt im Rahmen des österreichischen Energieforschungsprogramms.

Vorteile

CO2-neutral
Erneuerbares Erdgas ist dann CO2-neutral, wenn vorhandenes CO2 (z. B. aus Biomasseverbrennung) genutzt und im „Produktionsprozess“ gebunden wird. So entsteht ein nachhaltiger Kohlenstoff-Kreislauf.

Erneuerbare Energien werden speicherbar
Die Stromgewinnung aus Sonnenenergie und Wind unterliegt wetterbedingten Schwankungen. Eine bedarfsorientierte Produktion ist daher nicht möglich. Das Problem der Speicherbarkeit von erneuerbaren Energien wird durch die Umwandlung in natürliches erneuerbares Erdgas gelöst.

Vorhandene Infrastruktur wird genutzt
Sowohl für den natürlichen Produktionsprozess als auch für die unterirdische Speicherung in natürlichen Erdgaslagerstätten und den umweltfreundlichen Transport zum Endverbraucher kann bereits vorhandene Infrastruktur genutzt werden.