Wasserstoff – Zukunftsthema in der Informatik

TLDR:

Er ist erneuerbar, speicherbar und kann klimafreundlich produziert werden: Wasserstoff gilt vielen als Energieträger der Zukunft. Doch damit er in großem Stil genutzt werden kann, müssen Energiesysteme präziser überwachbar, vorhersehbar und steuerbar sein. Sebastian Lehnhoff, Professor für Energieinformatik und Vorstandsvorsitzender am OFFIS – Institut für Informatik erklärt, welchen Beitrag er und seine Mitarbeitenden für dieses Ziel leisten.

Lesedauer: 2:30 min Kategorie: Informationstechnologie Datum: 21. Juni 2022

Herr Lehnhoff, was hat die Informatik als Forschungsdisziplin mit Wasserstoff als Energieträger zu tun?

Wenn wir in Zukunft mehr Energie aus Wasserstoff nutzen wollen, wird die Energieversorgung komplizierter. Konkret heißt das, dass es komplexer wird zu messen und vorauszusagen, wie viel Strom zu welchem Zeitpunkt erzeugt oder verbraucht wird. Es gibt zwar schon jetzt die Netzleittechnik, also ein digitales Kommunikations- und Überwachungssystem, das das leisten soll. Aber das ist auf Stromnetze mit wenigen großen Energieerzeugern wie beispielsweise Kohlekraftwerken ausgelegt. Wir erstellen daher Modelle von diesem Überwachungs- und Steuerungssystem, die auch mit vielen kleinen Energieerzeugern funktionieren.

Warum wird das Energiesystem durch die Nutzung von Wasserstoff komplexer?

Das hat damit zu tun, wie Wasserstoff erzeugt wird: Dazu braucht man Elektrolyseure, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten. Das Problem ist, dass diese Elektrolyseure einen geringen Wirkungsgrad haben: Der theoretische Wert liegt aktuell bei zwischen 60 und 70 Prozent. Verwendet man den Wasserstoff nach Transport und Speicherung wieder zur Stromerzeugung, dann landet man bei etwa 40 Prozent. Das heißt, dass man nur etwa 40 Prozent der Energie, die man für die Erzeugung von Wasserstoff benötigt, am Ende wiedergewinnt. Dieses Minusgeschäft ist mit Energieträgern wie Kohle nicht sinnvoll, kann aber mit erneuerbaren Energien funktionieren. Denn immer wieder kommt es vor, dass zum Beispiel bei starkem Wind in der Nacht in Windkraftanlagen mehr Energie erzeugt wird, als in dem Moment verbraucht werden kann. Diese überschüssige Energie eignet sich optimal, um Elektrolyseure zu betreiben. Die Nutzung von Wasserstoff ist also eng mit der Nutzung von erneuerbaren Energien verbunden. Und dieses abgestimmte Zusammenspiel macht das System komplexer.

Um Wasserstoff zu erzeugen, braucht man Elektrolyseure, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spalten.

Inwiefern ist die Komplexität ein Problem?

Das Problem ist, dass die vielen kleinen Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, Brennstoffzellen oder Blockheizkraftwerke bisher noch nicht überwacht oder sogar aktiv gesteuert werden. Das Kommunikations- und Überwachungssystem zur Stromversorgung erfasst bloß die großen Stromerzeuger wie Kohlekraftwerke. Wir sind also auch deswegen weiter auf sie angewiesen, weil wir keine zuverlässigen Daten darüber haben, wie viel Strom gerade bei Versorgungsengpässen wie etwa bei Windstille zur Verfügung stehen würde. Wenn wir all die kleinen Anlagen mit einbeziehen würden, müssten wir mit vielen tausendmal so vielen Daten arbeiten, wie wir es bisher tun. Wir erstellen am OFFIS daher Modelle von diesen Informationssystemen, mit denen sich die Energieerzeugung an allen Anlagen steuern und prognostizieren ließe.

Um Kommunikations- und Überwachungssysteme zu modellieren, arbeiten die Forschenden im Labor zum Beispiel mit Reglern oder Messgeräten, die normalerweise etwa in Windkraftanlagen oder Trafostationen verbaut werden.

Was könnte dabei helfen, so ein System präziser und belastbarer zu machen?

Dabei spielen unter anderem digitale Zwillinge eine Rolle. Das ist neben der Modellierung der Kommunikations- und Überwachungssysteme das zweite große Projekt zur Wasserstoffforschung am OFFIS. Gemeinsam mit Siemens entwickeln wir digitale Zwillinge von Elektrolyseuren. Dazu liefert uns Siemens Daten von einzelnen Elektrolyseuren, zum Beispiel Reißbrettzeichnungen von der Anlage oder Angaben zu bisherigen Wartungsarbeiten an dem Objekt, aber vor allem große Messdatenmengen aus dem Labor und Testständen zum Betrieb dieser Anlagen. Wir erstellen dann exakte digitale Modelle, die von den jeweiligen Elektrolyseuren im Feld laufend weitere Daten empfangen.

 

Welchen konkreten Nutzen haben solche digitalen Zwillinge?

Zum einen können sie dabei helfen, die Elektrolyseure selbst effizienter zu machen. Man könnte zum Beispiel im digitalen Zwilling die Konstruktion selbst verändern und schauen, wie sich das auf die Leistung des Geräts auswirkt. So könnte man langfristig erreichen, dass die Elektrolyseure einen höheren Wirkungsgrad erzielen. Die digitalen Zwillinge ließen sich aber auch in die Netz- und Informationsystemmodelle, von denen wir eben sprachen, integrieren. Auf diese Weise könnte man herausfinden, wie die Wasserstofferzeugung im Zusammenhang mit den anderen Energieanlagen effizienter funktioniert: Wo sollten die Elektrolyseure am besten aufgebaut werden, wie viele von ihnen sollten zusammenstehen, sollte man sie an bestimmte Windparks koppeln? So könnte der Einsatz dieser wichtigen Technologie noch effizienter werden.

 

Vielen Dank für das Gespräch!

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