Systemanalyse – TransHyDE-Projekt zu Transportlösungen für grünen Wasserstoff

Im Projekt »Systemanalyse« des Wasserstoff-Leitprojekts »TransHyDE« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) wurden wichtige Fragen nach der künftigen Wasserstoff-Infrastruktur beantwortet: Wo, wann und wie werden Wasserstoff und seine Derivate erzeugt, eingesetzt, gespeichert und transportiert, um zum richtigen Zeitpunkt und zu ökomischen Konditionen zur passenden Anwendung zu gelangen? Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE übernahm innerhalb des Konsortiums die techno-ökonomische Modellierung potenzieller regionaler Wasserstoff-Ökosysteme, wofür das Modell »HYSCOPE« entwickelt wurde, sowie Nachhaltigkeitsbewertungen der im Projekt betrachteten Technologieoptionen.

Ausgangslage

Um die im Projekt »Systemanalyse« aufgeworfenen Fragen nach dem optimalen »Wo, Wann und Wie« der Infrastruktur beantworten zu können, mussten bestehende methodische Hürden überwunden werden. Vorherige Analysetools wie das Modell H2ProSim konnten regionale Wertschöpfungsketten nicht simultan über mehrere Standorte hinweg optimieren. Zudem waren Standortanalysen für Wasserstoffregionen oft auf qualitative GIS-Untersuchungen beschränkt. Es fehlte ein Werkzeug, das die komplexen Wechselwirkungen zwischen lokaler Erzeugung, dem Anschluss an das Wasserstoff-Kernnetz und dem Transport zu den Abnehmern mit hoher räumlicher und zeitlicher Detailtiefe abbilden konnte, um ökonomische Risiken wie Stranded Assets bereits in der Planungsphase zu identifizieren.

Ziel

Im Fokus der ISE-Arbeiten stand die Entwicklung des Modells »HYSCOPE«, um eine wissenschaftlich fundierte Entscheidungsgrundlage für den Aufbau regionaler Wasserstoff-Ökosysteme zu schaffen. Das Ziel war es, die optimale Konfiguration von Anlagenkapazitäten, Standorten und Transportpfaden endogen zu berechnen. Parallel dazu sollte eine Harmonisierung der Nachhaltigkeitsbewertungen (LCA) innerhalb des TransHyDE-Konsortiums erreicht werden. Durch die Definition einheitlicher Parametersteckbriefe und die Untersuchung kritischer Faktoren, wie der Rohstoffverfügbarkeit oder der Klimawirkung verschiedener Transportmedien, wurde eine ganzheitliche ökologische und ökonomische Bewertung der Transformationspfade zur vernetzten Wasserstoffwirtschaft angestrebt.

Lösungsansatz

Der Lösungsansatz des ISE basierte auf einer engen Verknüpfung von techno-ökonomischer Modellierung und ökologischer Bilanzierung:

• Entwicklung HYSCOPE: Programmierung eines räumlich aufgelösten Optimierungsmodells, das flexibel Erzeugung, Speicherung und verschiedene Transporttechnologien (Lkw-Trailer, Pipelines) integriert.
• Szenarien-Validierung: Anwendung des Modells auf fünf repräsentative Hydrogen Valleys, um den Einfluss von Netzanschlüssen und lokalen Windpotenzialen auf die Gestehungskosten zu prüfen.
• Nachhaltigkeits-Harmonisierung: Erstellung von Parametersteckbriefen zur Vergleichbarkeit der Konsortium-Ergebnisse und Durchführung gezielter LCA-Analysen (z. B. zum Iridium-Bedarf oder zum Recycling).
• Systemvergleich: Meta-Analyse der THG-Emissionen für verschiedene Transportmedien wie GH2, LH2, LOHC und Ammoniak.

Ergebnisse

Das zentrale Ergebnis ist das einsatzbereite Modell HYSCOPE, das eine präzise Optimierung regionaler Wasserstofflieferketten ermöglicht. Die Analysen in fünf Hydrogen Valleys zeigen, dass der Anschluss an das Wasserstoff-Kernnetz der entscheidende Faktor für günstige lokale Preise ist. Ohne diesen Anschluss drohen frühe Insel-Investitionen zu wertlosen »Stranded Assets« zu werden. Im Bereich Transport erweisen sich Lkw-Trailer und Kurzstrecken-Pipelines als kosteneffizient (~1 €/kg). Die ökologischen Analysen bestätigen, dass der Bau neuer H2-Pipelines bereits nach wenigen Jahren klimatechnisch amortisiert ist. Zudem wurde Iridium als kritischer Engpass für die PEM-Elektrolyse identifiziert, was die Bedeutung von Recyclingstrategien und harmonisierten Parametersteckbriefen für künftige Roadmaps unterstreicht.

• VDEh-Betriebsforschungsinstitut GmbH
• BTU Cottbus-Senftenberg
• DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V.
• Karlsruher Institut für Technologie KIT
• Energy Systems Analysis Associates - ESA² GmbH
• Forschungsstelle für Energiewirtschaft e.V.
• Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft mbH
• Fraunhofer IEG
• Fraunhofer IFF
• Fraunhofer IKTS
• Fraunhofer ISI
• Fraunhofer SCAI
• Hochschule Bonn-Rhein-Sieg
• Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie e.V.
• Institut für ZukunftsEnergie- und Stoffstromsysteme
• Papiertechnische Stiftung
• Salzgitter Mannesmann Forschung GmbH
• TU Berlin
• Universität Kassel
• VNG AG

Assoziierte Partner:

• 50Hertz Transmission GmbH
• Gasunie
• GRTgaz Deutschland GmbH
• Nowega GmbH
• ONTRAS Gastransport GmbH
• RWE Generation (und RWE Renewables)
• TenneT TSO GmbH
• VDZ Technology gGmbH

Das Wasserstoff-Leitprojekt »TransHyDE« Systemanalyse wurde der Transport des Wasserstoffs im Kontext des gesamten Energie- und Wirtschaftssystems betrachtet. Das Projekt wurde mit ca. 17,5 Mio. Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert (Förderkennzeichen: 03HY201A-V).