Modellkopplung zur integrierten Optimierung langfristiger Transformationspfade (MOPPL)

Mit dem Forschungsprojekt MOPPL wurde ein neuer Ansatz entwickelt, um die langfristige Transformation des Energiesystems sektorübergreifend zu untersuchen. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie Strom- und Wasserstoffinfrastrukturen gemeinsam geplant werden können und welche Auswirkungen infrastrukturelle Restriktionen, Standortentscheidungen und unterschiedliche Entwicklungspfade auf das Gesamtsystem haben.

Das Projekt lief von August 2022 bis Dezember 2025 und betrachtete insbesondere das klimaneutrale Energiesystem Deutschlands im Zieljahr 2045.

Mit dem zunehmenden Ausbau erneuerbarer Energien gewinnt Wasserstoff als Energieträger und Flexibilitätsoption an Bedeutung. Gleichzeitig entstehen neue Wechselwirkungen zwischen Stromerzeugung, Elektrolyse, Wasserstoffspeicherung, Wasserstoffrückverstromung sowie Strom- und Wasserstoffnetzen.

Bisher werden die verschiedenen Infrastrukturen in Planungs- und Modellierungsansätzen häufig getrennt betrachtet. So konnte eines der Systeme optimiert werden, ohne jedoch zu berücksichtigen, ob im gekoppelten System ein volkswirtschaftliches Optimum erreicht werden kann. MOPPL setzte deshalb auf eine integrierte Betrachtung: Energiesystem-, Stromnetz- und Wasserstoffnetzmodelle wurden miteinander gekoppelt, sodass Investitionsentscheidungen und der spätere Netzbetrieb gemeinsam betrachtet und optimiert werden können.

Im Projekt wurde ein gekoppeltes Optimierungsverfahren auf Basis der Benders Decomposition entwickelt, mit dem Investitionen und Betriebsentscheidungen zwischen den verschiedenen Systemebenen iterativ aufeinander abgestimmt werden können.

Der Modellierungsansatz wurde auf verschiedene Szenarien für das deutsche Energiesystem im Jahr 2045 angewendet. Dabei wurden unter anderem die zukünftige Strom- und Wasserstoffnachfrage, der Ausbau erneuerbarer Energien, Wasserstoffimporte, Speicher sowie die räumliche Verteilung von Elektrolyseuren und Wasserstoffkraftwerken berücksichtigt.

Zusätzlich wurden Sensitivitätsanalysen durchgeführt, um zu untersuchen, wie robust die gefundenen Investitionsentscheidungen gegenüber veränderten Rahmenbedingungen sind.

Die Ergebnisse zeigen, dass die verfügbaren Kapazitäten im Strom- und Wasserstoffnetz erheblichen Einfluss darauf haben, an welchen Standorten Elektrolyseure und Wasserstoffkraftwerke sinnvoll betrieben und ausgebaut werden können.

Eine sektorübergreifende Planung verändert damit die Bewertung von Investitionen gegenüber einer isolierten Betrachtung der einzelnen Infrastrukturen. Die Analysen zeigen, dass unterschiedliche Systemkonfigurationen zu ähnlichen Ausbauregionen für Elektrolyseure führen, wohingegen die Kapazitäten des Zubaus getrieben durch unterschiedliche Bedarfe variieren. Die Gesamtsystemkosten sind dabei stark getrieben durch die angenommenen Wasserstoffimportpreise in Kombination mit Engpässen im Stromsystem, die durch Wasserstoffkraftwerke ausgeglichen werden müssen.

Neben den übergeordneten Strom- und Wasserstoffnetzen wurde auch untersucht, welche Auswirkungen unterschiedliche Transformationspfade auf die Verteilnetzebene haben.

Dafür wurde eine Methodik entwickelt, mit der zukünftige Versorgungsgebiete für Fernwärme und Wasserstoff mit unterschiedlichen Siedlungsstrukturen verknüpft werden können. Die Analysen zeigen, dass regionale Gegebenheiten und die räumliche Verteilung der Technologien entscheidend dafür sind, welcher Infrastrukturbedarf vor Ort entsteht.

Damit schafft MOPPL eine Verbindung zwischen gesamtdeutschen Energiesystemszenarien und den konkreten Anforderungen auf regionaler Ebene.

Das GWI brachte insbesondere seine Expertise in der Modellierung von Gas- und Wasserstoffinfrastrukturen ein. Im Projekt wurde ein Wasserstoffnetzmodell entwickelt, das Erzeugung, Nachfrage, Speicher, Importe und das zukünftige Wasserstoffkernnetz berücksichtigt und die Kosten zur Deckung der Wasserstoffnachfrage, unter Berücksichtigung von Restriktionen, optimiert.

Darüber hinaus untersuchte das GWI die Auswirkungen verschiedener Transformationsstrategien auf die Verteilnetzebene und entwickelte Methoden zur Abschätzung zukünftiger Infrastrukturbedarfe für Wasserstoff- und Wärmenetze.

Gemeinsam mit den Projektpartnern wurde außerdem eine technische Infrastruktur geschaffen, über die die verschiedenen Modelle automatisiert Daten austauschen und ihre Berechnungen aufeinander abstimmen können. Auf diese Weise konnte trotz hohem Rechenaufwand und vielen Iterationen die Konvergenz der Kosten gegen ein volkswirtschaftliches Optimum gewährleistet werden.

Das Projekt zeigt, wie wichtig eine integrierte Planung der Energieinfrastrukturen für die Transformation hin zu einem klimaneutralen Energiesystem ist. Stromnetze, Wasserstoffnetze, Elektrolyseure, Wasserstoffkraftwerke und Speicher sollten nicht unabhängig voneinander betrachtet werden, da ihre Wechselwirkungen sowohl den Netzbetrieb als auch langfristige Investitionsentscheidungen beeinflussen.

Der entwickelte Modellierungsansatz schafft eine Grundlage, um unterschiedliche Transformationspfade systematisch zu vergleichen und zukünftige Planungs- und Forschungsprozesse zu unterstützen.

Projektlaufzeit: 3 Jahre (8/2022 – 12/2025)
Förderkennzeichen: 03SF0660B
Fördermittelgeber: BMFTR
Partner: ie³, EWL
Assoziierte Partner: Thyssengas GmbH, Amprion GmbH, WSW Netz GmbH, ENERVIE Vernetzt GmbH, EWE Gasspeicher GmbH