Erneuerbare Energien speichern Unterirdisch gut – wie wir Solarkraft im Boden parken

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Solarenergie in chemische Energie umwandeln und für später nutzbar machen ist das Ziel von Power-to-Gas-Technologien. Hierzu arbeitet die Empa mit Industriepartnern in einem Kooperationsprojekt, um Solarenergie mithilfe von Mikroorganismen chemische in Form von Methan im Boden zu speichern.

Dübendorf/Schweiz – CO₂-Neutralität bis 2050 – das Ziel ist klar gesetzt. Und auch einige Werkzeuge sind bereits verfügbar, allen voran erneuerbare Energien aus Wind-, Wasser- und Solarkraft. Allerdings sind die Ausbeuten hier saisonal sehr unterschiedlich. Im Winterhalbjahr fällt in unseren Breiten zu wenig erneuerbare Energie an, um die kalte Jahreszeit zu überbrücken. Deshalb braucht es Speicher- und Umwandlungstechnologien, um Energie aus Produktionsspitzen für spätere Verwendung aufzuheben. An einer derartigen Lösung forschen Wissenschaftler der Empa in einem internationalen Projekt: Erneuerbarer Wasserstoff und Kohlendioxid werden zusammen in den Boden gepumpt, wo natürlich vorkommende Mikroorganismen die beiden Stoffe in Methan umwandeln, den Hauptbestandteil von Erdgas.

Mikrobische Helfer aus der Urzeit

Die so genannte „Underground Sun Conversion“, die sich das Energieunternehmen RAG Austria patentiert hat, bietet einen Weg, um erneuerbare Energie saisonal und in großem Maßstab zu speichern und ganzjährig verfügbar zu machen. Im Sommer wird dabei überschüssige erneuerbare Energie – beispielsweise Solarstrom – in Wasserstoff (H₂) umgewandelt. Dieser wird zusammen mit Kohlendioxid (CO₂) in natürlichen Untergrundspeichern wie ehemaligen Erdgaslagerstätten in über 1.000 Metern Tiefe eingelagert.

Dort kommen kleine Helferchen ins Spiel: Spezielle Mikroorganismen, so genannte Archaeen. Sie wandeln über ihren Stoffwechsel Wasserstoff und CO₂ zu Methan (CH₄) um. Archaeen sind auf der ganzen Welt verbreitet, vorwiegend in anaeroben, also sauerstoffarmen Umgebungen. Bereits vor Millionen von Jahren haben sie Biomasse in Erdgas umgewandelt und sind deshalb auf diesen Prozess bestens angepasst. Durch die Zuführung von Wasserstoff und CO₂ in geeignete poröse Sandsteinlagerstätten wird die Arbeit der Archaeen quasi von neuem gestartet. Das dort unten entstehende Methan kann dann im Winter den Speichern entzogen und als CO₂-neutrales Erdgas vielfältig genutzt werden.

Vielversprechende Speicherlösung

Um die „Underground Sun Conversion“ weiterzuentwickeln, haben sich nun österreichische und Schweizer Energieunternehmen und Forschungseinrichtungen zusammengeschlossen. In den nächsten zwei Jahren sollen die technischen und wirtschaftlichen Potenziale in der Schweiz und Österreich ausgelotet werden. Die Empa entwickelt dabei eine Perspektive auf das gesamte Energiesystem. „Wir schauen uns an, wann und wo Überschussstrom anfällt, wo geeignete CO₂-Quellen wären und wo letztlich auch die Nachfrage nach erneuerbarem Erdgas vorhanden ist“, erklärt Martin Rüdisüli von der Empa-Abteilung „Urban Energy Systems“. Zusammen mit den geologischen Voraussetzungen, die von der Universität Bern untersucht werden, und den ökonomischen Randbedingungen, die von der Ostschweizer Fachhochschule OST erarbeitet werden, soll daraus eine Landkarte mit möglichen Standorten für die Anwendung der „Underground Sun Conversion“-Technologie entstehen.

Rüdisüli hält die Technologie für vielversprechend. Insbesondere deshalb, weil sie neben der biologischen Methanisierung auch eine Antwort auf das saisonale Speicherproblem liefere. „Auch bei einem großen Anstieg der Methangasproduktion bräuchte es dank der natürlichen Speicher im Erdinnern keinen Ausbau der oberirdischen Speicherinfrastruktur“, sagt er.

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Die Volatilität der erneuerbaren Energiequellen stellt eine der großen Herausforderung der Energiewende dar. Im Winter gibt es grundsätzlich zu wenig erneuerbaren Strom, im Sommer zu viel. In einer früheren Studie zum Potenzial der „Power-to-Gas“-Technologie – also der Umwandlung von erneuerbarem Strom in chemische Energieträger wie Wasserstoff oder Methan –prognostizierte Empa-Forscher Rüdisüli für die Schweiz einen Überschuss von gut 10 TWh Solarstrom in den nächsten Jahrzehnten – vorausgesetzt ein Großteil der geeigneten Dachflächen würde mit Photovoltaik ausgebaut. Dies sei nötig, wenn damit der wegfallende Atomstrom ersetzt werden soll. Wandelt man den Überschussstrom im Sommer in Methan um, ließen sich damit rund eine Million Gasfahrzeuge ganzjährig erneuerbar betreiben.

„Die Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität in saisonal speicherbare Energieträger ist ein wichtiger Pfeiler eines dekarbonisierten Energiesystems“, fasst Rüdisüli zusammen. Resultate dieser früheren „Power-to-Gas“-Studie dienen auch als Grundlage für das laufende Projekt.

* S. Kälin, Empa, 9014 St. Gallen

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