Die Energiewirtschaft der Zukunft benötigt für eine sichere, flexible und CO2-neutrale
Energieversorgung neben dem Netzausbau insbesondere Kapazitäten zur Speicherung von volatilen regenerativen Energien. Power-to-X-Systeme bieten als Sektorenkopplungstechnologien eine Lösung für die Speicherung und Nutzung in Strom-, Wärme- und gasbasierten Systemen. Sie können daher entscheidend zur Dekarbonisierung des Energie-, Chemie- und Mobilitätssektors beitragen. Ein Großteil der Power-to-X-Systeme setzt sich aus verschiedenen technisch bewährten Verfahren zusammen. Neben neuen Ansätzen kommen zum Beispiel die Wasserelektrolyse, die Brennstoffzellentechnologie und auch biologische Prozesse, wie die Biogasherstellung, zum Einsatz. Erst durch die Kopplung dieser Einzelprozesse ergibt sich ein Power-to-X-System, wodurch neue Möglichkeiten der flexiblen Nutzung regenerativer Ressourcen erschlossen werden können. In Folge des Zusammenschlusses verschiedener Prozesse ergeben sich jedoch Herausforderungen für die Effizienzbewertung des Gesamtsystems. Für nahezu jeden (Teil-)Prozess bestehen unterschiedliche Methoden und Kennzahlen zur Bewertung der Systemeffizienz. Die resultierenden Benchmarks sind häufig nicht vergleichbar, sodass eine ganzheitliche Bewertung des Power-to-X-Systems, bei der die tatsächliche Grenze der Optimierbarkeit aufgezeigt werden kann, nur selten möglich ist.
Eine Antwort auf dieses Problem bietet die Methode des Physikalischen Optimums. Diese basiert auf einem Vergleich des realen Prozesses mit einem idealisierten Referenzprozess, welcher unter Zuhilfenahme der Grundlagen der Thermodynamik und unter Berücksichtigung physikalischer und gesetzlicher Grenzen modelliert werden kann. Dadurch ist die Methode universell auf technische Prozesse anwendbar und dennoch für jeden Vorgang ultimativ.
In diesem Paper wird das Anwendungspotenzial der Methode des Physikalischen Optimums für die Effizienzbewertung von Power-to-X-Systemen, unter besonderer Berücksichtigung biologischer Prozesse, analysiert. Die Anwendung wird am Beispiel des Fermentationsvorgangs einer
Biogasanlage verdeutlicht.