Im Gegensatz zu notgedrungenen Übergangslösungen wie die Weiternutzung von Atomkraftwerken stellt der Ausbau erneuerbarer Energiequellen die zukunftsorientierte Lösung dar, um die Strom- und Wärmeversorgung zu sichern. Auch der Ansatz Power-to-X spielt hierbei eine signifikante Rolle.

Derzeit sind die Stromleitungen von Windparks zu Industriestandorten noch ausbaufähig, zumal der allgemeine Netzausbau nicht dem für eine schnelle Energiewende nötigen und in der Vergangenheit bereits festgelegten Planungsstand entspricht. Zudem sollten Entscheider die Dauer der Bau-, Genehmigungs- und Zertifizierungsprozesse von beispielsweise Windkraft- oder Fotovoltaikanlagen deutlich beschleunigen.

Die größte technologische Herausforderung liegt neben dem Ausbau der regenerativen Erzeugungskapazitäten in dem der Speicherkapazitäten. Diese sind für den zeitlichen Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch aufgrund der erhöhten Flexibilitätsanforderungen neben dem Ausbau der Netze zum räumlichen Ausgleich essenziell, um auf die Volatilität im Dargebot der erneuerbaren Energien reagieren zu können.

Im Vordergrund steht dabei immer die flexible Anpassung von Stromerzeugung und Stromverbrauch an die unterschiedlichen Dargebote der Erneuerbaren. Eine Lösung ist es, möglichst alle „Sektoren“ gemeinsam zu betrachten und kombinieren und damit Synergieeffekte zu nutzen. Die verschiedenen Optionen werden unter dem Begriff Sektorenkopplung zusammengefasst. Die Technologien, die dies ermöglichen, werden auch als Power-to-X-Technologien bezeichnet.

Power-to-X bedeutet die Wandlung elektrischer Energie in einen chemischen Energieträger (gasförmig, flüssig oder fest), in Wärme oder in ein Produkt (Rohstoff, Grundstoff). Damit bietet Power-to-X die Möglichkeit, überschüssige oder explizit dafür erzeugte erneuerbare elektrische Energie in stofflich oder energetisch nutzbarer Form entweder direkt zu nutzen oder für eine spätere Nutzung zu speichern.

Oft ist die Elektrolyse von Wasser ein wesentlicher Basisprozess für die Power-to-X-Prozesskette. Mithilfe von elektrischer Energie wird auf diese Weise Wasserstoff als gasförmiger chemischer Energieträger erzeugt. Dies wird allgemein auch als Power-to-Gas (PtG) bezeichnet. Wenn die Wasserelektrolyse mit regenerativ erzeugtem Strom betrieben wird, bezeichnet man den Wasserstoff als sogenannten „grünen“ Wasserstoff, da hierbei kein CO₂ entsteht.

Entweder lässt sich der entstehende Wasserstoff direkt verwenden oder verteilen; oder man erzeugt in einer anschließenden Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenstoffdioxid oder Stickstoff beispielsweise Methan oder Ammoniak, die durch Nutzung verschiedener Pfade vielfältig eingesetzt werden können. Das so erzeugte grüne Methan kann fossiles Erdgas substituieren.

Die Erzeugung von flüssigen Kohlenwasserstoffen aus regenerativem Strom, Wasser und Kohlenstoffoxiden über sogenannte Power-to-Liquid-Verfahren ermöglicht eine Umstellung auf defossilisierte Kraft-, Brenn- und Chemiegrundstoffe auch in solchen Anwendungsgebieten, die nicht über eine direkte Elektrifizierung adressiert werden können. Sie stellen langfristig also einen direkten Ansatz zum Austritt aus dem Abhängigkeitsverhältnis von der russischen Gaslieferung und anderen fossilen Pfadabhängigkeiten dar – eine Chance für die Zukunft.

Im Wärmebereich stellen Power-to-Heat-Anwendungen wie beispielsweise Wärmepumpen oder Elektrokessel einen wesentlichen Baustein zur Defossilisierung des Wärmesektors dar. Diese Anlagen gelten heute als ausgereift und werden sowohl in großen Stückzahlen als auch für hohe Leistungen geliefert. Üblicherweise werden sie mit Wärmespeichern kombiniert. Auch im Bereich der Prozesswärme sind neue strombasierte Verfahren in Entwicklung.

Bislang galten Power-to-Heat-Systeme in vielen Anwendungen als unwirtschaftlich, da sie gegen die lange Zeit sehr günstigen Preise für die fossilen Energieträger Gas und Öl konkurrieren mussten. In letzter Zeit verschiebt sich die Situation jedoch zu Gunsten von Power-to-Heat, insbesondere mit den bei guter Planung erreichbaren Jahresarbeitszahlen von modernen Wärmepumpen.

„Power-to-X ist als fester Bestandteil des globalen, erneuerbaren Energiesystems einzuordnen und kann zukünftig wesentlich zum Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger und zu einer sicheren Energieversorgung beitragen“, so Rolf Bank, der Vorsitzende des VDI-Gremiums VDI 4635 PtX. Dies belegen auch die aktuellen politischen Bestrebungen zur Beschaffung grünen Wasserstoffs. Zwar werden Europa und Deutschland noch auf längere Sicht von Energieimporten abhängig sein, durch die Power-to-X-Technologien lässt sich die Abhängigkeit jedoch mindern.

Darüber hinaus werden die Power-to-X-Technologien in Deutschland und Europa als wertvolles Gut der Ingenieurwissenschaften entwickelt und eignen sich daher für den Export in solche Länder, die nur über nicht speicherbare oder nur mit erheblichen energetischen Verlusten speicherbare Energien verfügen. Grundvoraussetzung für Power-to-X ist jedoch der rasche Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung, damit ausreichende Strommengen aus erneuerbaren Energiequellen für diese Sektorenkopplung zur Verfügung gestellt werden können.

Die Richtlinienreihe VDI 4635 schafft technologische und normungstechnische Transparenz für die Beurteilung von Prozessen der chemischen Industrie, der Wärmetechnik, des Energietransportes und der Energieumwandlung. Denn hohe Energieeffizienz wird noch auf lange Sicht wichtig bleiben bei gleichzeitiger Eignung der Technologien für volatile Lastprofile.