Grüner Wasserstoff, der beispielsweise aus überschüssiger Wind- und Solarenergie gewonnen wird, bietet Chancen für die Energiewende und hat als fossilfreie Energiequelle Vorteile. Er lässt sich lokal speichern und über Leitungsnetze zu Verbrauchern transportieren. Doch Speicherung und Transport können mit Risiken einhergehen. Naturkatastrophen, Sabotageakte oder politische Sanktionen können die Versorgung gefährden. Eine sorgfältige Planung widerstandsfähiger Wasserstoffinfrastrukturen ist daher unerlässlich, um die Energieversorgung – gerade in transnationalen Netzen – zu sichern.
Was-wäre-wenn im Extremfall
Hierfür bieten numerische Netzwerkmodellierungen wertvolle Werkzeuge. Forschende am Fraunhofer EMI entwickeln ein hydraulisches Simulationstool, das die dynamischen Reaktionen von Wasserstoffnetzen mit Speichersystemen auf Störungen analysiert. Es ermöglicht Was-wäre-wenn-Analysen, hilft, Schwachstellen wie kritische Systemkomponenten zu identifizieren und nach Folgenschwere zu kategorisieren, und erlaubt die Bewertung der Widerstandsfähigkeit des Gesamtsystems.
Hierzu bilden die Algorithmen das Netzverhalten auch unter Extrembedingungen präzise ab und liefern nicht nur die Information, welche Netzelemente infolge der Störung nicht mehr versorgt werden, sondern auch den genauen zeitlichen Verlauf der Auswirkungen einschließlich der Frage, wie lange eine Wiederinbetriebnahme voraussichtlich dauert.
„Unsere Software ist in der Lage, sehr weitreichende Störungsszenarien abzubilden – etwa ein Netz, das für 30 Stunden von der Versorgungsquelle getrennt ist“, beschreibt Dr. Till Martini, Wissenschaftler am Fraunhofer EMI, das Alleinstellungsmerkmal des hydraulischen Simulationstools. „Damit können wir die Auswirkungen einer Störung auf das gesamte Netz darstellen und etwa zeigen, welche Netzelemente nicht mehr betriebsbereit sind und welche Auswirkungen dies auf den Systemzustand hat.“ Besonders wichtig ist die Simulation der dynamischen Reaktionen des Netzes auf extreme Ereignisse.“
Vom Erdgas-Algorithmus zum Wasserstoffnetz
Die numerische Simulationsmethode basiert auf einem hydraulischen Simulationsalgorithmus zur Modellierung von Erdgasnetzen unter Betriebsbedingungen, die sich von Normalbetriebszuständen unterscheiden. Dieser Algorithmus wurde im EU-Projekt SecureGas entwickelt.
„Der Aufbau eines Wasserstoffnetzes in Deutschland ist ein zentraler Bestandteil der Energiewende. Ein Großteil des Kernnetzes soll durch die Umstellung bestehender Erdgasleitungen auf Wasserstoff entstehen“, so Martini. „Wasserstoff weist andere physikalische Eigenschaften auf als Erdgas. Die Moleküle sind kleiner, die Diffusionsrate ist höher, und auch die Druckverhältnisse müssen angepasst werden. Dennoch bleibt der Transport im Grundsatz vergleichbar.“ Daher entwickeln die Forschenden am Fraunhofer EMI das im Projekt SecureGas etablierte Tool für das Medium Wasserstoff weiter. Dabei können sie nicht nur statische, sondern auch dynamische Druck- und Flussverhältnisse, wie etwa den Druckabfall im Netz, abbilden. Auch Speicherkapazitäten wurden in die numerische Simulation integriert. Das Tool bietet die Möglichkeit, Speicher flexibel zu modellieren und verschiedene Speicherarten und -formen zu berücksichtigen.
Prognosen vor, während und nach der Störung
Mithilfe des Fraunhofer-Tools können erstmals das Systemverhalten vor, während und nach weitreichenden Störungen in hybriden oder reinen Wasserstoffnetzen unterschiedlicher Größenordnung – vom lokalen Verteilnetz bis zum internationalen Transportnetz – durchgängig und zeitnah vorhergesagt werden. Die Simulation umfasst unter anderem Untersuchungen potenzieller Versorgungsengpässe, die Bewertung der Versorgungsstabilität und Tests von Minderungsstrategien.
„Unsere Simulationen veranschaulichen, dass zusätzliche Wasserstoffspeicher in der Lage sind, Leistungsabfälle in einem Störfall abzupuffern”, beschreibt Martini eine mögliche Maßnahme, um das Netz widerstandsfähiger zu gestalten. Anhand beispielhafter Szenarien konnten die Forschenden zeigen, dass die geringere Dichte und der niedrigere Heizwert von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas größere Speicherkapazitäten für effektive Kompensationsmaßnahmen erfordern.
Alles in allem liefern die Analyse von Reaktionen auf Störungen sowie Prognosen zu Überlebens- und Wiederherstellungszeiten Netzbetreibern und Behörden wertvolle Beiträge für die Planung resilienter Wasserstoffnetze. Zudem können sie Resilienz- und Risikobewertungen zukünftiger transnationaler Energieversorgungen unterstützen.
