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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.
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Resiliente Infrastruktur ist entscheidend für eine stabile Wasserstoffversorgung. Simulationstools d ...
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Criteria of this press release:
Journalists
Electrical engineering, Energy, Environment / ecology, Information technology, Mathematics
transregional, national
Research results, Transfer of Science or Research
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Resiliente Infrastruktur ist entscheidend für eine stabile Wasserstoffversorgung. Simulationstools d ...
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