In allen Kopernikus-​Projekten arbeiten Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft gemeinsam an Lösungen für den Klimaschutz, um die Energiewende in der Bundesrepublik Deutschland zu ermöglichen.

Unser Energiesystem beruht auf stofflichen Energieträgern, die fast ausschließlich fossiler Natur sind, wie Öl, Kohle und Erdgas. Stoffliche Energieträger haben viele Vorteile: Sie können nahezu unbegrenzt gelagert werden, haben sehr hohe Energiedichten und können über die vorhandene Infrastruktur (Tankstellen, Gasnetz) verteilt werden.

Mit Power-to-X können diese Ressourcen nachhaltig ersetzt werden. Aus erneuerbarem Strom („Power“) werden dabei stoffliche Energieträger („X“) wie Wasserstoff, Chemieprodukte oder synthetische Treibstoffe hergestellt. So können entlang von Wertschöpfungsketten aus Abgasen (CO₂) wieder neue Energieträger entstehen. Die Dekarbonisierung des Energiesektors ermöglicht somit die Defossilisierung der anderen Sektoren.

Auf diesem Weg können Bereiche nachhaltig werden, die nicht bzw. nur schwer zu elektrifizieren sind. Beispiele sind die Chemieindustrie, wo Öl als Ausgangsstoff dient, und die Glasindustrie, die Erdgas zur Beheizung der Schmelztiegel verwendet. Aber auch Treibstoffe für Flugzeuge und Lastentransport sind Anwendungsgebiete für Power-to-X-​Produkte.

Das kommt ganz auf das X an. Beispiel Power-to-Gas: Bei der Wasser-​Elektrolyse zur Produktion von Wasserstoff mit erneuerbarem Strom liegt die Effizienz bei derzeit rund 60 Prozent. Das heißt: Rund 60 Prozent der Energie, die für die Elektrolyse aufgewendet wird, wird auch in Wasserstoff gebunden. Bei höherwertigen Stoffen, wie synthetischen Kraftstoffen, ist die Effizienz üblicherweise niedriger. Weil Power-to-X-​Technologien allerdings noch relativ jung sind, ist davon auszugehen, dass sich ihre Effizienz in den kommenden Jahren durch Forschung und Entwicklung noch steigern lässt.

Bei der Nutzung von Power-to-X-​Produkten kommt es wiederum zu Energieverlusten: Beispielsweise setzt ein Verbrennungsmotor nur rund 20 bis maximal 40 Prozent der chemischen Energie eines (fossilen oder erneuerbaren) Kraftstoffs in Bewegungsenergie um (neuste Verbrenner erreichen bereits 50 Prozent Wirkungsgrad). Die restliche Energie entweicht in Form von Wärme. Auch bei der Rückumwandlung von Wasserstoff in Strom bleiben nur rund 50 Prozent der Energie erhalten.

Daher gilt es, bei der Auswahl des Einsatzgebietes von Power-to-X-​Technologien alle Vor- und Nachteile abzuwägen. Das theoretische Potenzial erneuerbarer Ressourcen ist ausreichend hoch, wird aber durch ökonomische, ökologische und soziale Restriktionen stark eingeschränkt. Sobald dieses Potenzial durch Solaranlagen, Windkraft, Geothermie und weitere mehr kostengünstig genutzt werden kann, ist die Frage der Effizienz weniger entscheidend. Relevant ist die Frage der Wirtschaftlichkeit inklusive der Klimafolgen – hier ist davon auszugehen, dass Power-to-X-​Produkte schon in den kommenden Jahren wettbewerbsfähig sein werden.

Die Kosten sind im Moment hauptsächlich von den Stromkosten und der Auslastung der Power-to-X-Anlage ab. Die Stromkosten sind wiederum abhängig von regulatorischen Rahmenbedingungen wie der EEG-​Umlage. Dadurch lassen sich bisher nur pauschale Aussagen zum Preis von Power-to-X-​Technologien treffen.

Sicher ist allerdings, dass diese umso günstiger werden, je weiter ihre Entwicklung und Anwendung fortschreitet. Beispiele dafür liefern unter anderem die Ergebnisse, die im Kopernikus-​Projekt P2X erreicht wurden, wie die Einsparung von teuren Materialien bei der Elektrolyse und die Kombination von Prozessschritten zu einer integrierten Anlage.

In erster Linie dort, wo genügend erneuerbare Energie zur Verfügung steht, um Power-to-X-​Produkte in großem Maßstab kosteneffizient herzustellen. Das Bundesforschungsministerium setzt aus diesem Grund auf strategische Partnerschaften mit Süd- und Westafrika sowie mit Australien. Dort herrschen hervorragende Bedingungen, um Strom aus Wind und Sonne auf ungenutzten Flächen zu produzieren.

Beim Einsatz von Power-to-X-​Anlagen in Deutschland muss genau hingeschaut werden. Das zeigt ein einfaches Rechenbeispiel: Allein aufgrund der klimatischen Unterschiede müsste in Deutschland laut Max-​Planck-Institut dreimal so viel Leistung installiert werden wie in Australien, um dieselbe Menge Energie produzieren zu können.

Wo Power-to-X-Technologien in der Anwendung in Deutschland sinnvoll sein können, hat Anfang 2020 das Kopernikus-​Projekt ENSURE analysiert: So können Power-​to-Gas-Anlagen, die Methan produzieren, das deutsche Stromnetz erheblich entlasten. Diese machen den Netzausbau zwar nicht günstiger – ihr stabilisierender Mehrwert gleicht die finanziellen Investitionen jedoch aus. In den Projekten der Initiative „Solares Bauen/Energieeffiziente Stadt“ wird derzeit untersucht, ob und wie Power-to-Gas-​Anlagen auch in Wohnsiedlungen sinnvoll sein können.

Deutschland nimmt im Bereich der Technologie-Exporte weltweit eine Führungsposition ein. Die Entwicklung für die Energiewende wegweisender Power-to-X-Technologien kann diese Position dauerhaft stärken und gegebenenfalls sogar ausbauen. So ist die Idee, Power-to-X-Technologien künftig in großem Stil zu exportieren. Gleichwohl gibt es auch in Deutschland Bereiche, in denen Power-to-X-Technologien sinnvoll eingesetzt werden können (siehe oben).

Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau gibt für deutsche Anlagenbauer im Bereich Power-to-X einen Weltmarktanteil von mehr als einem Sechstel an. Ziel der Bundesregierung ist es, diesen Anteil durch weitere aus Forschung und Entwicklung resultierenden Innovationen zu festigen. So sollen in diesem wachsenden Wirtschaftszweig Arbeitsplätze geschaffen und Exportchancen wahrgenommen werden.

Derzeit wird für einen Potenzialatlas Wasserstoff in Süd- und Westafrika analysiert, welche Möglichkeiten es vor Ort für die Produktion und den Export von Grünem Wasserstoff gibt. In diesen Regionen kann aufgrund der Nähe zum Meer Meerwasser verwendet werden. Dieses Meerwasser soll mithilfe erneuerbarer Energie zuerst entsalzt und dann für die Wasserstoff-Produktion genutzt werden.

Das folgende Beispiel veranschaulicht die Dimensionen: Für einen Liter synthetisches Kerosin (auf Basis von Wasserstoff)braucht man rund 1,4 Liter sauberes Süßwasser. Hochgerechnet auf den Kerosinbedarf der deutschen Fluggesellschaften wären dafür jährlich rund 16 Millionen Kubikmeter Wasser nötig. Zum Vergleich: Dies entspricht dem durchschnittlichen jährlichen Wasserbedarf von rund 350.000 Menschen in Deutschland.

Forschungsministerin Anja Karliczek hat zudem betont, dass in Regionen, die für den Export von Energie in Form von Grünem Wasserstoff in Frage kommen, zunächst der Eigenbedarf an Energie und Wasser gesichert werden soll. Erst dann ist eine Verschiffung nachhaltiger Energieträger nach Deutschland und Europa vorgesehen.

Elektrolyse bezeichnet eine chemische Reaktion, bei der ein Ausgangsstoff mit Hilfe von elektrischem Strom in höherwertige energetische (also chemisch wertvollere) Bausteine gespalten wird. Beispielsweise liefert die Elektrolyse von Wasser neben Sauerstoff den Energieträger Wasserstoff.

Ein Katalysator führt eine chemische Reaktion herbei oder beschleunigt sie, ohne dabei selbst verbraucht zu werden und liegt nach der Reaktion unverändert vor.

Katalyse bezeichnet die Änderung einer chemischen Reaktion mittels eines Katalysators, mit dem Ziel sie überhaupt zu starten, zu beschleunigen oder die Selektivität der Produkte, d.h. die bevorzugte Bildung eines bestimmten Produktes, in eine gewünschte Richtung zu lenken.

Synthesegas ist ein industriell hergestelltes Gasgemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, welches als wichtiger Ausgangsstoff in der chemischen Industrie eingesetzt wird, beispielsweise zur Produktion von Methanol, Essigsäure oder synthetischen Kraftstoffen.

Eine Wertschöpfungskette beschreibt die chemische Aufwertung der nachhaltigen Ausgangsstoffe Kohlenstoffdioxid und Wasser. Hierbei wird Elektrizität aus erneuerbaren Quellen eingesetzt, um die Moleküle in höherwertige Verbindungen umzuwandeln. Diese können als Grundstoffe in der chemischen Industrie, als Kraftstoffe oder als stoffliche Energieträger eingesetzt werden.