Innovative numerische Simulationsverfahren zur Sicherung widerstandsfähiger Wasserstoffnetze
Grüner Wasserstoff, der aus überschüssiger Wind- und Solarenergie erzeugt wird, stellt eine zentrale Komponente der Energiewende dar. Er kann lokal gespeichert und über Pipelines zu den Verbrauchern transportiert werden. Dabei sind jedoch Risiken im Zusammenhang mit Speicherung und Transport zu beachten, da Naturkatastrophen, Sabotageakte oder politische Maßnahmen die Versorgung beeinträchtigen können. Deshalb ist eine sorgfältige Planung robuster Wasserstoffinfrastrukturen essenziell, insbesondere in grenzüberschreitenden Netzen, um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
Simulation extremer Störereignisse als Alleinstellungsmerkmal
Am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut (EMI), wird ein hydraulisches Simulationswerkzeug entwickelt, das die dynamischen Reaktionen von Wasserstoffnetzwerken inklusive Speichersystemen bei Störungen detailliert abbildet. Dieses Tool ermöglicht sogenannte Was-wäre-wenn-Analysen, identifiziert kritische Schwachstellen und bewertet die Resilienz des Gesamtsystems. Die Algorithmen erfassen dabei auch außergewöhnliche Belastungen und liefern präzise zeitliche Verläufe der Auswirkungen, inklusive der voraussichtlichen Dauer der Wiederinbetriebnahme.
Dr. Till Martini vom Fraunhofer EMI erläutert: „Unsere Software kann Störungsszenarien abbilden, bei denen ein Netz bis zu 30 Stunden von der Versorgungsquelle getrennt ist. So lassen sich die Folgen für einzelne Netzelemente und das Gesamtsystem umfassend darstellen. Besonders wichtig ist die Simulation der dynamischen Netzreaktionen auf solche Extremereignisse.“
Weiterentwicklung eines bewährten Simulationsalgorithmus für Wasserstoffnetze
Die numerische Methode basiert auf einem im EU-Projekt SecureGas entwickelten hydraulischen Algorithmus, der ursprünglich für Erdgasnetze unter abweichenden Betriebsbedingungen konzipiert wurde. Da Wasserstoff andere physikalische Eigenschaften als Erdgas besitzt – beispielsweise kleinere Moleküle, höhere Diffusionsraten und veränderte Druckverhältnisse – wird das Tool für den Wasserstofftransport angepasst und erweitert. Dabei werden nicht nur statische, sondern auch dynamische Druck- und Flussverhältnisse berücksichtigt, ebenso wie die Integration verschiedener Speicherkapazitäten und -typen.
Schnelle und umfassende Prognosen zur Netzstabilität
Das entwickelte Simulationswerkzeug ermöglicht erstmals zeitnahe und durchgängige Vorhersagen des Systemverhaltens vor, während und nach großflächigen Störungen in hybriden oder reinen Wasserstoffnetzen unterschiedlicher Größenordnungen – von lokalen Verteilnetzen bis hin zu internationalen Transportinfrastrukturen. Die Simulationen analysieren potenzielle Engpässe, bewerten die Stabilität der Versorgung und prüfen Strategien zur Schadensminderung.
Dr. Martini weist darauf hin, dass zusätzliche Wasserstoffspeicher dazu beitragen können, Leistungseinbrüche bei Störungen abzufedern. Die Untersuchungen zeigen zudem, dass aufgrund der geringeren Dichte und des niedrigeren Heizwerts von Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas größere Speicherkapazitäten erforderlich sind, um Ausfälle effektiv zu kompensieren. Die gewonnenen Erkenntnisse unterstützen Netzbetreiber und Behörden bei der Planung resilienter Wasserstoffinfrastrukturen und liefern wichtige Grundlagen für Risiko- und Resilienzbewertungen im Kontext der zukünftigen transnationalen Energieversorgung.
