Die digitale Welt des Wasserstoffs

Wasserstoff gilt als vielversprechender Energieträger, der großen Einfluss auf die erfolgreiche Umstellung auf eine klimafreundliche Energieversorgung nehmen kann, indem er zur Dekarbonisierung von Industrie und dem Verkehrssektor beiträgt. Dabei spielen digitale Lösungen eine entscheidende Rolle, um die Produktion, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff effizienter, sicherer und kosteneffektiver zu gestalten. Digitale Lösungen können die Integration von erneuerbaren Energiequellen in die Wasserstoffproduktion erleichtern und eine bessere Vernetzung von Produktion und Verbrauch ermöglichen. In diesem Zusammenhang gewinnen digitale Lösungen in der Wasserstoffproduktion immer mehr an Bedeutung und werden in Zukunft eine wichtige Rolle in der Energiewende spielen. Darüber hinaus sind digitale Angebote ein wichtiger Wachstumsmotor und können den Weg für neue Geschäftsmodelle ebnen. Seit dem Jahr 2021 arbeiten das Fraunhofer IMW gemeinsam mit verschiedenen Forschungspartnern daran, den Markthochlauf im Bereich Wasserstoff in Deutschland digital zu begleiten. Dabei werden die Hürden und Herausforderungen für den digitalen H2-Hochlauf untersucht und notwendige Maßnahmen diskutiert. 

 

Discovery Day und Workshop

Die Discovery Days richten sich an Unternehmen, die sich intensiv mit der Rolle von digitalen Technologien bei der Etablierung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft beschäftigen (möchten). Im Rahmen der Workshops werden verschiedene Aspekte behandelt, darunter die Digitalisierung von Wasserstoffproduktionsanlagen, die Integration von Wasserstoff in bestehende Energieinfrastrukturen, die Rolle von digitalen Technologien bei der Optimierung von Wasserstoffnetzwerken und die Entwicklung von digitalen Geschäftsmodellen im Wasserstoffbereich.

Ziel der Discovery Days ist es, ein Verständnis für die Bedeutung von digitalen Lösungen bei der Umsetzung einer nachhaltigen Wasserstoffwirtschaft zu vermitteln und diese in einer individuellen Wasserstoffstrategie mit ersten Umsetzungsideen zu verankern. Bisher wurden in verschiedenen Formaten bereits drei solcher Discovery Days durchgeführt.

HyTrust – Datenaustausch in der Wasserstoffwirtschaft

Im Forschungsprojekt HyTrust steht die Frage des Datenaustauschs in der aufstrebenden Wasserstoffwirtschaft im Fokus. Diese Branche spielt eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung gesellschaftlich relevanter Probleme wie der Energiewende. Die Entwicklung digitaler Lösungen und die Förderung von Innovation und Wettbewerb hängen stark von der Möglichkeit ab, Daten effektiv zu teilen. Trotz der zunehmenden Verfügbarkeit von Daten wird der organisationsübergreifende Datenaustausch bisher nur zögerlich umgesetzt. Dies ist auf verschiedene Hemmnisse zurückzuführen, darunter mangelndes Vertrauen, die Angst vor Know-how-Verlust und Wettbewerbsnachteilen sowie das Fehlen eines sicheren organisatorischen Rahmens und klarer Geschäftsmodelle.

In diesem Kontext erweisen sich Datentreuhandmodelle (DTM) als vielversprechende Ansätze, um den organisationsübergreifenden Datenaustausch zu fördern und Daten wirtschaftlich zu nutzen. Ein entscheidendes Ziel dabei ist die Stärkung der individuellen Kontrolle über den Datenverkehr. Dennoch sind mit der Einführung von Datentreuhandmodellen zahlreiche Fragen verbunden, die in verschiedenen Themenfeldern untersucht werden müssen.

Das Projekt HyTrust, das vom Fraunhofer IEE in Kassel und dem Fraunhofer IMW in Leipzig durchgeführt wird, zielt darauf ab, die Implementierung von Datentreuhand-Systemen in der aufstrebenden Wasserstoffwirtschaft für unterschiedliche Anwendungskontexte zu erforschen. Das Projekt konzentriert sich auf zwei Use Cases, den Wasserstoff-Industriepark und die Wasserstoffnetze bzw. Kapazitätsvermarktung

Das Projekt HyTrust ist somit ein wichtiger Schritt, um die Herausforderungen im Datenaustausch und die wirtschaftliche Nutzung von Daten in der Wasserstoffwirtschaft anzugehen und einen Beitrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende zu leisten.

Cluster of Excellence Integrierte Energiesysteme (CINES)

Der Bereich »Energiesystemanalyse« des Fraunhofer Cluster of Excellence Integrierte Energiesystemes CINES wird vom Fraunhofer ISI koordiniert. CINES adressiert die zentralen technologischen und ökonomischen Herausforderungen der System- und Marktintegration hoher Anteile variabler erneuerbarer Energien in das Energiesystem und betrachtet dabei – als ein zentrales Element der Transformation – die Wasserstofferzeugung durch Elektrolyse. Leistungen richten sich primär an Policy Maker und Entscheidungräger: innen auf nationalter und EU-Ebene, aber auch an Akteure der Energiewirtschaft (ÜNBs, EVUs, BNetzA, etc.) und umfassen:

• Modellierung der Gesamtenergiesysteme in hoher Auflösung.
• Entwicklung von Visualisierungstools für den Stand der deutschen Energiewende und Visualisierung der Transformation des deutschen Energiesystems.
• Pfadanalyse zur Klimaneutralität. Dabei beschäftigen wir uns mit den Fragestellungen zur Integration von Erneuerbaren Energien und der Rolle von Wasserstoff im zukünftigen Energiesystem.
• Aufbau umfassender Datenbank zum deutschen und europäischen Energiesystem.
• Kompetenzbündelung verschiedener Fraunhofer Institute und kombinierte Nutzung verschiedener Modelle

Langfristszenarien

Im Projekt »Langfristszenarien für die Transformation des Energiesystems in Deutschland« (Langfristszenarien 3) werden im Auftrag des Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz Szenarien für die zukünftige Entwicklung des Energiesystems modelliert, mit denen die energie- und klimapolitischen Ziele erreicht werden. Die Modellierung umfasst das gesamte Energiesystem, also übergreifend die Erzeugung von Strom, Wärme und Wasserstoff sowie die Nachfrage nach Energie in den Sektoren Industrie, Verkehr, Gebäude und Geräte. Die Energieinfrastrukturen (Strom und Gase) werden ebenfalls mit modelliert. Im Fokus der Analyse steht dabei nicht die Entwicklung eines einzelnen »Leitszenarios «, sondern die Untersuchung von unterschiedlichen Szenariowelten um durch die vergleichenden Analysen Erkenntnisse über die Vor- und Nachteile alternativer Pfade für die Transformation des Energiesystems zu gewinnen. Das Projekt stellt detaillierte Ergebnisse, Datensätze und Inhalte in Form eines Szenario-Explorers und einer Vielzahl an themenspezifischen Webinaren für Wissenschaft, Industrie und Politik zur Verfügung.

HYPAT – Globaler H2-Potentialatlas

Das Projekt HYPAT entwickelt einen globalen Wasserstoff- Potenzialatlas und identifiziert dafür erstmals umfassend mögliche Partnerländer Deutschlands für eine kooperative Entwicklung einer zukünftigen grünen Wasserstoffwirtschaft inklusive der Bedeutung der Produktionsregionen für eine gesicherte, ökonomische und ökologisch nachhaltige Versorgung. Dem Vorhaben liegen die Zielsetzungen der deutschen nationalen Wasserstoffstrategie (NWS), dem internationalen Übereinkommen zum Klimaschutz und den Sustainable Development Goals (SDG) zu Grunde. Neben der detaillierten Erhebung der weltweiten techno-ökonomischen Potenziale und Analyse der Wasserstoffketten, schließt die Analyse die symmetrischen Bedürfnisse der Partnerländer ein. Letztere umfassen die nachhaltige Deckung der eigenen Energienachfrage, das Erreichen eigener Klimaziele und das Einhalten spezifischer Nachhaltigkeitskriterien für die Wasserstoffwirtschaft in den Partnerländern. Weiterhin werden die Fähigkeiten der Länder, solche kapital- und technologieintensiven Anlagen zu errichten, analysiert. Ebenso werden die sich für diese Länder ergebenden Chancen erhoben sowie Akzeptanz- und Stakeholderanalysen durchgeführt. Dem sich hieraus ergebenden Angebot an Wasserstoff- und Syntheseprodukten wird dann die weltweite Nachfrage der Importländer gegenübergestellt. Dabei wird Wert daraufgelegt zu analysieren, wie sich künftig Wasserstoffmärkte etablieren und welche Marktpreise von Wasserstoff künftig erwartet werden können. Auf dieser Basis werden schließlich Politikempfehlungen für die Entwicklung einer nachhaltigen Importstrategie für Deutschland abgegeben.

TransHyDE-Sys

Das Leitprojekt TransHyDE ist eines von drei Wasserstoff-Leitprojekten des BMBF und beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Wasserstoff-Transport-Infrastruktur. Dazu sollen mehrere Technologien zur Wasserstoff-Infrastruktur entwickelt, bewertet und demonstriert werden. Um die Herausforderungen und Hürden beim Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft aus dem Weg zu räumen, setzt das Leitprojekt TransHyDE sowohl auf Demonstrationsprojekte als auch auf Forschungsverbünde. Im Forschungsverbund TransHyDE-Sys - »Systemanalyse zu Transportlösungen für grünen Wasserstoff« nimmt die Systemanalyse als Querschnittsprojekt eine spezielle Funktion wahr: Einerseits wird mit Hilfe von eigenen Modellierungs- und Simulationsarbeiten sowie ökologische Analysen wesentliches Systemwissen für den zeitabhängigen Aufbau und die Kopplung der Energieinfrastrukturen generiert. Andererseits sollen Beobachtungen, Analysen und Anforderungen der Umsetzungs- und Forschungsprojekte aufgenommen sowie mit existierendem Wissen abgeglichen und übergreifend eingeordnet werden. Die Ergebnisse sollen in eine sich kontinuierlich entwickelnde Roadmap einfließen. Diese unterstützt fortlaufend die Forschungs- und Umsetzungsprojekt, identifiziert mögliche Forschungs- und Entwicklungsthemen für die nächsten Projektphasen und liefert auch wichtige Handlungsempfehlungen für externe Stakeholder.

Modellbildung und Simulation von Brennstoffzellensystemen in hybriden Anwendungen

In aktuellen Entwicklungsprozessen spielen vermehrt simulative Betrachtungen eine zentrale Rolle um Entwicklungszyklen zu verkürzen und aufwendige Zwischenschritte in kostenintensiven Prototypen zu vermeiden. Besonders im Schwerpunkt Brennstoffzellensysteme und deren Integration in Fahrzeuge sind weitreichende Kompetenzen an den Fraunhofer-Standorten vorhanden.

Einen Schwerpunkt der Arbeiten am Fraunhofer IVI bildet die Modellierung von Brennstoffzellensystemen im Kontext der Erstellung von effizienten und verschleißarmen Betriebsstrategien im Fahrzeugkontext. Dabei kommen eigene Modelle von Brennstoffzellen und Batteriesystemen zum Einsatz, die sowohl die Leistungs- als auch die Verschleißcharakteristik beinhalten. Zur Erstellung der Simulationsmodelle werden Prüfstände zur Zell- und Systemcharakterisierung genutzt. Die entwickelten Betriebsstrategien für die Verwendung in hybriden Antriebssträngen mit Batterie und Brennstoffzelle sind selbstlernend und prädiktiv und optimieren Komponentenlebensdauer und Systemeffizienz.

Der Schwerpunkt der Simulation und Modellierung liegt hier in der Feststellung und Ausnutzung von Komponenteneigenschaften in verschiedenen Nutzungsszenarien für Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge sowie Landmaschinen und Sonderfahrzeuge. Besonderes Ausgenmerk wird daraufgelegt, dass die entwickelten Betriebsstrategien echtzeitfähig auf Fahrzeugsteuergeräten ausgeführt werden können und somit der Schritt von der Simulation in die Realität möglichst unkompliziert vollzogen werden kann. Mit diesen integrativen Simulationsaufgaben werden direkte Interessen von Fahrzeugentwicklern für die Fahrzeugdimensionierung und -Konzeption bedient.

Fraunhofer geht aber auch weiter ins Detail. So wird am Fraunhofer ISE Brenstoffzellensystementwicklung und -Simulation auf Zell- und Stackebene durchgeführt. Dies dient dem Verständnis der physikalisch-chemischen Effekte auf Mikro- und Makroebene, um das Leistungs- und Alterungsverhalten im Zusammenspiel mit Komponentendesign, Materialauswahl und Betriebsführung zu beschreiben. Dazu kommen analytische und numerische Modelle von 0-D bis 3-D zum Einsatz sowie Methoden des maschinellen Lernens - letztere insbesondere um die Auswirkung verschiedener Produktionsprozesse zu analysieren.