Neuartige numerische Simulationsmethoden für resiliente Wasserstoffnetze
Grüner Wasserstoff bietet Chancen in der Energiewende. Allerdings birgt
der Transport des Energieträgers über Pipelines Risiken. Am Fraunhofer-
Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI entsteht ein
hydraulisches Simulationstool, das die Planung einer resilienten
Wasserstoffinfrastruktur unterstützt, um die Versorgungssicherheit zu
gewährleisten.
Grüner Wasserstoff, beispielsweise gewonnen aus überschüssiger Wind- und
Solarenergie, hat Vorteile als fossilfreie Energiequelle. Er lässt sich
lokal speichern und über Leitungsnetze zu Verbrauchern transportieren.
Doch Speicherung und Transport können mit Risiken einhergehen:
Naturkatastrophen, Sabotage oder politische Sanktionen können die
Versorgung gefährden. Eine sorgfältige Planung widerstandsfähiger Was-
serstoffinfrastrukturen ist daher unerlässlich, um die Energieversorgung
gerade in transnationalen Netzen zu sichern.
Alleinstellungsmerkmal: Software bildet extreme Störereignisse ab
Numerische Netzwerkmodellierungen bieten hierfür wertvolle Werkzeuge.
Forschende am Fraunhofer EMI entwickeln ein hydraulisches Simulationstool,
das dynamische Reaktionen von Wasserstoffnetzen mit Speichersystemen auf
Störungen analysiert. Es ermöglicht Was-wäre-wenn-Analysen, hilft
Schwachstellen wie kritische Systemkomponenten zu identifizieren, nach
Folgenschwere zu kategorisieren und erlaubt die Widerstandsfähigkeit des
Gesamtsystems zu bewerten. Hierfür bilden die Algorithmen das
Netzverhalten auch unter Extrembedingungen präzise ab und liefern dabei
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.«
Die numerische Simulationsmethode basiert auf einem im EU-Projekt
SecureGas entwickelten hydraulischen Simulationsalgorithmus zur
Modellierung von Erdgasnetzen unter Betriebsbedingungen, die sich von
Normalbetriebszuständen unterscheiden. »Der Aufbau eines Wasserstoffnetzes
in Deutschland ist 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, wobei sie nicht nur
statische, sondern dynamische Druck- und Flussverhältnisse wie etwa den
Druckabfall im Netz abbilden können. Auch Speicherkapazitäten wurden in
die numerische Simulation integriert. Das Tool bietet die Möglichkeit,
Speicher flexibel zu modellieren, verschiedene Speicherarten und -formen
zu berücksichtigen.
Schnelle Vorhersagen des Systemverhaltens vor, während und nach Störungen
Das Fraunhofer-Tool ermöglicht erstmals durchgängige und zeitlich schnelle
Vorhersagen des Systemverhaltens vor, während und nach weitreichenden
Störungen in hybriden oder reinen Wasserstoffnetzen unterschiedlicher
Größenordnung, vom lokalen Verteilnetz bis zum internationalen
Transportnetz. 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 veranschaulichen, dass die geringere Dichte und
der niedrigere Heizwert von Wasserstoff im Vergleich zum 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 und können
Resilienz- und Risikobewertungen zukünftiger transnationaler
Energieversorgung unterstützen.
