Verbundvorhaben H2Giga_QT5.2: Vollständige Orchestrierung der Systemkomponenten für eine effiziente grüne Wasserstoff-Infrastruktur; Teilantrag: Regulatorik und Netzdienliche Systemintegration (ReNeSyst)

Abstract

Im Mittelpunkt des Verbundvorhabens H2Giga_QT5.2: Vollständige Orchestrierung der Systemkomponenten für eine effiziente grüne Wasserstoff-Infrastruktur (im weiteren SYSTOGEN100 genannt) steht die vollständige Orchestrierung aller Systemkomponenten, die für eine effiziente grüne Wasserstoffinfrastruktur notwendig sind: Von der stromangebotsorientierten Erzeugung über die Dimensionierung von Speicherkapazitäten und Transportinfrastruktur bis hin zur Deckung der Bedarfe in den verschiedenen Energiesektoren wird die gesamte Wertschöpfungskette des Wasserstoffs berücksichtigt. Die Systemorchestrierung ist grundsätzlich erforderlich, weil grüner Wasserstoff nicht allein durch den Bau von Elektrolyseuren zum Erfolgsfaktor der Energiewende wird. Erst wenn Erzeugung, Netzintegration, Speicher, Verbraucher und digitale Steuerung optimal aufeinander abgestimmt sind, kann grüner Wasserstoff als flexibles Bindeglied zwischen erneuerbaren Energien und einer klimaneutralen Wirtschaft sein volles Potenzial entfalten. Die innerhalb des Projekts definierten Säulen der Orchestrierung umfassen die Auslegung, Finanzierung und den Betrieb von Elektrolyseuren. In interdisziplinärer Zusammenarbeit von Projektpartnern aus Forschung, Wirtschaft und regionalen Akteuren entwickelte SYSTOGEN100 neue Methoden, Modelle und Tools, um die komplexen Einzelteile zu einem funktionierenden Gesamtsystem zusammenzuführen. So entstanden praxisnahe Lösungen, die sowohl im großen Maßstab als auch in regionalen Demonstrationsprojekten anwendbar sind. Das Institut für die Transformation des Energiesystems (ITE) der Fachhochschule Westküste (FHW) war im Projekt einerseits mit der Arbeitsgruppe Energiewenderecht (FHW ER) und andererseits mit der Arbeitsgruppe Netzintegration (FHW NI) beteiligt. Aufgabe der FHW ER war es im Projekt, die energie-, regulierungs- und finanzmarktrechtlichen Regelungen mit Bedeutung für eine Gesamtsystemorchestrierung herauszuarbeiten und – in Abstimmung mit den übrigen Verbundpartnern – Vorschläge zur Weiterentwicklung des Rechtsrahmens mit dem Ziel einer bestmöglichen Systemintegration von Elektrolyseuren zu erarbeiten. Aufgabe von FHW NI war die Untersuchung und Weiterentwicklung der netzrelevanten Eigenschaften der eingesetzten neuen Komponenten, die Erforschung des Automatisierungskonzepts für Elektrolyseure sowie die Konzeptionierung der ITK und der Schnittstellen für die zukünftige Netzintegration. Regulatorische Rahmenbedingungen für eine Wasserstoffwirtschaft allgemein und insbesondere auch für Fragen der Systemintegration von Elektrolyseuren waren zu Projektbeginn nur rudimentär vorhanden. Gleiches gilt für spezifische netztechnische Rahmenbedingungen für die Netzintegration von Elektrolyseuren. Entsprechend gab es zu Projektbeginn kaum relevante wissenschaftliche Vorarbeiten, auf denen aufgebaut werden konnte. Wesentliches Ergebnis der Arbeiten zum Energiewenderecht sind Handlungsoptionen insbesondere des Gesetz- und Verordnungsgebers zur Weiterentwicklung des Rechtsrahmens für die Netz- und Systemdienlichkeit von Elektrolyseanlagen. Die Handlungsoptionen wurden im Projekt von FHW ER entwickelt, mit den Projektpartnern diskutiert und in einer Veröffentlichung zusammengefasst (Freitag/Buchmüller, Netz- und Systemdienlichkeit von Elektrolyseanlagen - Rechtliche Steuerungsinstrumente im heutigen und zukünftigen Energiesystem, Schriftenreihe Interdisziplinäre Energieforschung des ITE, 2026, im Erscheinen). Wesentliche Aussage ist, dass sich die Stromnetzdienlichkeit von Elektrolyseanlagen am besten durch eine „große Lösung“ in Form einer grundlegenden Reform des Strommarktdesigns adressiert wird. Dies könnte durch die Einführung eines Nodalpreissystems oder die Aufteilung der einheitlichen deutsch-luxemburgischen Stromgebotszone erfolgen. Die alternative und politisch wahrscheinlichere „kleine Lösung“ besteht darin, die Stromnetzdienlichkeit von Elektrolyseanlagen durch eine Vielzahl von Einzelmaßnahmen zu steuern. Entsprechende Maßnahmen können insbesondere im Bereich der Stromnetzregulierung ansetzen. Ergänzt werden können Instrumente der Stromnetzregulierung durch weitere Ansätze aus dem Bereich des Förder- und/oder Ordnungsrechts. Weitere Ergebnisse der Forschung zum Rechtsrahmen der Systemintegration sowie der Finanzierung von Elektrolyseanlagen sind im Sachbericht 2 ausführlich dargestellt. Aus der Forschung zur Netzintegration sind folgende Ergebnisse hervorgegangen: Für die Entwicklung und Erprobung der Kommunikationsarchitektur wurde eine IT-Testumgebung aufgebaut, bestehend aus einem Schaltschrank, Fernwirktechnik, Beckhoff-IPCs sowie verschiedenen Kommunikationskomponenten. Diese Infrastruktur ermöglicht die Simulation von Anbindungen, Protokollen und Betriebsprozessen. Zusätzlich wurde ein KPI-Katalog zur Bewertung der Netz- und Systemdienlichkeit erarbeitet, der unter anderem Eigenverbrauch, Flexibilitätskennwerte, Rampenverhalten von Elektrolyseur und Transformator sowie Energieverluste umfasst. Es erfolgten Austausch und Abstimmungen mit Projektpartnern sowie die Einrichtung funktionierender Kommunikationspfade, unter anderem zwischen der Fernwirktechnik und dem EDDIE über IEC 60870-5-104. AP3 beinhaltete die Entwicklung neuer Kennzahlen zur Netz- und Systemdienlichkeit (GSI und SSI), die räumlichen und zeitlichen Abweichungen von Sollwerten im Energie- bzw. Netzbetrieb quantifizieren. Es erfolgte die modellbasierte Nachbildung von AEL- und AEM-Elektrolyseanlagen in MATLAB/Simulink. Das Modell bildet verschiedene Betriebszustände (Cold-Standby, Hot-Standby, Betrieb, Störung) sowie die dynamischen Übergänge realistisch ab. In den Themenfeldern Energiewenderecht und Netzintegration wurden Themen des Projekts zudem in die Hochschullehre integriert, unter anderem in den Studiengängen Automatisierungstechnik, Green Energy, Elektrotechnik und Informationstechnik, Green Buildings Systems und Management & Technik.