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Ein Beitrag von Christian Bach, Abteilungsleiter Fahrzeugantriebssysteme Empa
Unter “Power-to-X” (Abk. PtX) versteht man die Umwandlung von erneuerbarer Elektrizität (Power) in Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe (z.B. synthetisches Methan, Methanol, Benzin, Diesel, Kerosin) oder thermische Energie (Wärme). Das “X” steht dabei als Platzhalter für den entsprechenden chemischen Energieträger oder die Wärme. Man unterscheidet zwischen synthetischen “drop-in” und “non drop-in” Treibstoffen. Drop-in bedeutet, dass sie fossilen Energieträgern in beliebigen Anteilen (von 0 – 100%) beigemischt werden können. Zudem können sie bestehende Handelsmechanismen und Transportinfrastrukturen nutzen, können kostengünstig über grosse Distanzen transportiert werden und sie sind in flüssiger Form auch über Monate gut speicherbar (beispielsweise als saisonaler “Stromspeicher”).
Die “Power-to-X”-Verfahren werden auch als künstliche Photosynthese bezeichnet, weil die biologischen Schritte der Photosynthese durch technische Verfahren nachgebildet werden. Dies geschieht wie folgt:
In einem ersten Schritt wird Wasser mittels erneuerbarer Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespalten. In der Photosynthese geschieht das, indem das Chlorophyll (Blattgrün) der Pflanzen Sonnenenergie in biochemische Energie umwandelt und damit Wasser, das die Pflanze über die Wurzeln aufnimmt, aufspaltet. In PtX-Anlagen wird Sonnenenergie mittels Photovoltaik, Solarthermie oder Windkraft in Elektrizität umgewandelt und damit Wasser in Elektrolyseanlagen aufgespalten. Der zweite Schritt beinhaltet die Umwandlung des Wasserstoffs mit Kohlendioxid (CO2) in Kohlenhydrate (Photosynthese) bzw. Kohlenwasserstoffe. Die Pflanze nimmt CO2 über die Blätter aus der Atmosphäre auf und bei PtX-Anlagen wird CO2 über eine Filtration ebenfalls aus der Atomsphäre bezogen. Wie auch die Photosynthese ist Power-to-X nicht durch hohe Energieeffizienz, sondern durch geschlossene Kreisläufe gekennzeichnet. Holz beispielsweise erzeugt während seiner Verbrennung gleich viel CO2, wie er während dem Wachstum der Atmosphäre entzogen hat. Ein synthetischer Energieträger erzeugt während seiner Verbrennung ebenfalls nur so viel CO2, wie der Atmosphäre während der Herstellung entzogen wurde.
Gemäss Energieperspektiven 2050+ des BFE wird der Bedarf der Schweiz an synthetischen Energieträgern auf jährlich 30 – 60 TWh geschätzt, davon ein grosser Teil für den Flugverkehr sowie für Hochtemperaturprozesse internationaler Strassengüterverkehr, Spezialmaschinen oder allenfalls für die Rückverstromung im Winter. Die Herstellung ist stark verlustbehaftet. Heute erreichen PtX-Anlagen Wirkungsgrade um 50%. Es ist deshalb absehbar, dass PtX-Anlagen primär nicht in der Schweiz oder in Mitteleuropa stehen werden, sondern im Sonnengürtel, wo enorme energetische Potential vorhanden sind. Pro m2 PV-Fläche resultiert im Sonnengürtel im Vergleich zur Schweiz ein doppelt so hoher Ertrag an erneuerbarer Elektrizität.