Modellentwicklung zur techno-ökonomischen Optimierung von Wasserstoffclustern

Grüner Wasserstoff und seine Derivate sind für das Erreichen der Klimaziele von entscheiden-der Rolle. Besonders in Industriesektoren, die schwer zu elektrifizieren sind, wie bei stofflichem Bedarf von Wasserstoff (Raffinerien, chemische Industrie und Stahlproduktion), bei hohen industriellen Prozesswärmebedarf oder als Derivat in der Schifffahrt und im Flugverkehr, wird er zukünftig eingesetzt.
Trotz der Notwendigkeit steht die praktische Umsetzung der Wasserstoffwirtschaft aufgrund bestehender Hemmnisse noch weitgehend aus. Grund ist vor allem, dass grüner Wasserstoff zu fossilen Alternativen bislang noch nicht wirtschaftlich konkurrenzfähig ist und es an Planungssicherheit fehlt, da die notwendige Erzeugung und Infrastruktur noch nicht vorhanden sind. Hier können sogenannte Wasserstoffcluster (lokale Netzwerke mit meist vollständiger Wasserstoffwertschöpfungskette) genutzt werden.
In der Arbeit wurde eine techno-ökonomische Methodik inklusive Modellierung entwickelt, die die räumliche und zeitliche Verknüpfung von Wasserstoffproduzenten und Abnehmern optimiert. Zunächst wurden geeignete Industriesektoren sowie Transport- und Speicheroptionen identifiziert. Auf dieser Grundlage wurde ein vom Fraunhofer IEE entwickeltes Modell zur Produktionsanlagenauslegung, um die Abnehmerseite erweitert. Hier wurde die Sicherstellung der Bedarfsdeckung von Verbrauchern sowie die Optimierung eines Pufferspeichers und der anschließende Transport zum Endabnehmer implementiert. So kann für Bedarfszeitreihen eine ideale Versorgung jeden geplanten Standort eines Wasserstoffclusters anhand von abnehmerspezifischen gewährleistet werden.
Anschließend wurde die Methodik anhand einer Beispielregion validiert. Dazu wurden für die Wasserstoffregion „Grande Region Hydrogen“ mehrere Szenarien erstellt. Betrachtet wurde eine vereinfachte Darstellung des Projektvorhabens, die Optimierung des Wasserstoffclusters unter den Berechnungen der Wasserstoffbedarfe nach dem Vorgehen der Methodik und die Erschließung weiterer Abnehmer in der unmittelbaren Umgebung des Clusters. In allen Szenarien erfolgte die Optimierung der erforderlichen Anlagenkomponenten, des Speichersystems und des Transportnetzes. Neben der technischen Auslegung wurden die Gesamtkosten, aufgeteilt in Betriebs- und Investitionskosten sowie mengenbezogene Gestehungskosten, analysiert.
Das vorliegende Modell liefert trotz der vorgenommenen Vereinfachungen wertvolle Einblicke in die techno‑ökonomischen Rahmenbedingungen von Wasserstoffclustern. Es kann daher sowohl von Produzenten als auch von Abnehmern als Entscheidungs‑ und Planungsinstrument genutzt werden, um die jeweils optimale Cluster‑Konfiguration zu bestimmen.