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Germany's energy transition, known as 'Energiewende', was always very progressive. However, it came technically to a halt at the question of large-scale, seasonal energy storage for wind and solar, which was not available. At the end of the 2000s, we combined our knowledge of both electrical and process engineering, imitated nature by copying photosynthesis and developed Power-to-Gas by combining water electrolysis with CO2-methanation to convert water and CO2 together with wind and solar power to synthetic natural gas. Storing green energy by coupling the electricity with the gas sector using its vast TWh-scale storage facility was the solution for the biggest energy problem of our time. This was the first concept that created the term 'sector coupling' or 'sectoral integration'. We first implemented demo sites, presented our work in research, industry and ministries, and applied it in many macroeconomic studies. It was an initial idea that inspired others to rethink electricity as well as eFuels as an energy source and energy carrier. We developed the concept further to include Power-to-Liquid, Power-to-Chemicals and other ways to 'convert' electricity into molecules and climate-neutral feedstocks, and named it 'Power-to-X'at the beginning of the 2010s.

Power-to-Methane as one part of Power-to-Gas has been recognized globally as one of the key elements for the transition towards a sustainable energy system. While plants that produce methane catalytically have been in operation for a long time, biological methanation has just reached industrial pilot scale and near-term commercial application. The growing importance of the biological method is reflected by an increasing number of scientific articles describing novel approaches to improve this technology. However, these studies are difficult to compare because they lack a coherent nomenclature. In this article, we present a comprehensive set of parameters allowing the characterization and comparison of various biological methanation processes. To identify relevant parameters needed for a proper description of this technology, we summarized existing literature and defined system boundaries for Power-to-Methane process steps. On this basis, we derive system parameters providing information on the methanation system, its performance, the biology and cost aspects. As a result, three different standards are provided as a blueprint matrix for use in academia and industry applicable to both, biological and catalytic methanation. Hence, this review attempts to set the standards for a comprehensive description of biological and chemical methanation processes.

Durch das in Paris beschlossene Ziel, die globale mittlere Temperatur auf deutlich unter 2 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen, ist ein Ausstieg aus der Nutzung fossiler Energieträger und Rohstoffe bis zum Jahr 2050 notwendig (WBGU 2016). Daher hat sich die Bundesregierung das Ziel gesetzt, bis zur Mitte des Jahrhunderts eine weitgehende Treibhausgasneutralität zu erreichen. Hierzu ist neben einer Steigerung der Energieeffizienz in allen Sektoren ein Ausbau erneuerbaren Energien notwendig. Dies beinhaltet hauptsächlich den Zubau von Wind‐ und Solarstromanlagen. Somit gewinnt die Sektorkopplung immer mehr an Bedeutung und wird in Zukunft eine tragende Rolle für die Defossilisierung des Energiesystems spielen (BMUB 2016). Als zentrales Element der Sektorkopplung gilt Strom, der über Power‐to‐X (PtX) sowohl energetisch im Wärme‐, und Verkehrssektor als auch stofflich in der Industrie und vor allem im Chemiesektor eingesetzt werden kann (Ausfelder et al. 2018a). Im Rahmen des P2X‐Vorhabens der Kopernikus Forschungsinitiative wird die Sektorkopplung durch die Umwandlung von Strom mittels elektrochemischer Prozesse in stoffliche Ressourcen wie Wasserstoff, Synthesegas oder Kohlenstoffmonoxid untersucht. Der Schwerpunkt liegt auf der Betrachtung der Kopplung von Strom und Verkehr sowie Strom und Chemie und der Untersuchung von Prozessen und Pfaden, die aus ökologischer, ökonomischer und gesellschaftlicher Sicht vorteilhaft sind. Eine vergleichende Einordnung in den Gesamtkontext der Energiewende mit Abwägung zahlreicher Alternativen und Konkurrenztechnologien ist dort allerdings nicht vorgesehen. Zudem werden einige relevante PtX‐Technologien wie Power‐to‐Heat nicht betrachtet. Aus diesem Grund wurden in SPIKE ergänzende PtX‐Technologiepfade aus systemanalytischer Sicht untersucht. Dies sind Power‐to‐Heat (PtH) und Power‐to‐Gas (PtG) über Elektrolyse und optionaler anschließender Methanisierung sowie die Herstellung ausgewählter Pfade der strombasierten Herstellung von Produkten der energieintensiven Industrie. Ziel des Forschungsvorhabens war die Analyse von PtX‐Technologien und Pfaden, deren vergleichende Einordnung im Gesamtkontext der Energiewende sowie die Unterstützung des P2X Roadmapping Prozesses und die Ableitung von Handlungsempfehlungen. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf dem Einsatz von PtX im Industriesektor. Für das Vorhaben wurden Arbeitspakete (AP) erstellt, die Untersuchungen zu Technologie, Potenzial, Ökonomie und Ökologie von PtH (AP 1), PtG (AP 2), Power‐to‐Ammoniak, Power‐to‐Ethen und Power‐to‐Propen (AP 3) umfassten. Daraus wurde in AP 4 ein Systemvergleich mit Einordnung von PtX in die Energiewende durchgeführt. Auf dieser Basis und der Identifizierung regulatorischer Rahmenbedingungen für PtX (AP 5) wurde das deutsche Energiesystem samt PtX‐Pfaden in einem Energiesystemmodell abgebildet (AP 6). Die Ergebnisse flossen in das Roadmapping ein (AP 7). Zudem erfolgte ein Austausch mit den Projektpartnern und das Verfassen wissenschaftlicher Abhandlungen (AP 8).