Per Mausklick in eine H2-Zukunft

Simulations-Tool zur Förderung der regionalen Beteiligung
Die Beteiligung unterschiedlichster Akteure an gesellschaftspolitischen Transformationsprozessen ist unabdingbar für den Erfolg und die Akzeptanz der entwickelten Lösungen. Je nach Herkunft, Qualifikation und Interessenslagen existieren jedoch unterschiedliche Sichtweisen auf die Problemstellung und mögliche Gestaltungsansätze. Alle Perspektiven frühzeitig in die Entscheidungsprozesse zur Ausgestaltung der regionalen Energiewende einzubinden, erfordert eine Befähigung der regionalen Akteure, die technischen und wirtschaftlichen Potentiale der Wasserstofftechnologien im jeweiligen regionalen Kontext zu erkennen und zu verstehen.

Nicht erst seit der aktuellen Gaskrise wird deutlich, dass sich zentrale Annahmen und Rahmenbedingungen der Energiewende rasch ändern können und sich heute noch attraktiv erscheinende Lösungsansätze morgen als nicht zuverlässig oder wirtschaftlich realisierbar herausstellen. Entscheidungen zu Investitionen in Energieinfrastrukturen mit einem geplanten Betriebszeitraum von 15 bis 20 Jahren müssen diese Unsicherheiten berücksichtigen – umso wichtiger ist es, die Auswirkungen von sich ändernden Rahmenbedingungen abschätzen zu können.

BBE

Aus diesem Gedanken heraus entstand in einer Zusammenarbeit der Spilett new technologies und der Akteure des Kreises Steinfurt im Jahr 2016 die Idee eines Szenarienrechner-Tools für Wasserstoffregionen. Die beteiligten Akteure formulierten erste Ideen, wie regionale Entscheidungsfindungsprozesse unter unsicheren Bedingungen besser unterstützt werden könnten und definierten somit die Anforderungen inhaltlicher und konzeptioneller Art. Schnell wurde klar, dass ein vollständig parametrisierbares Optimierungsmodell erforderlich sein würde, das für die unterschiedlichen Zielgruppen (Experten der Energiewirtschaft, Fachlaien) die Komplexität der Thematik reduziert und gleichzeitig ausreichend detaillierte und belastbare Informationen für die Entscheidungsfindung liefert.

Im Jahr 2019 konnte die Toyota Mobility Foundation als Sponsor für die Entwicklung des H2-Szenarienrechners gewonnen werden. Unter konzeptioneller Leitung der Spilett new technologies GmbH wurde das Open-Source-basierte Onlinetool im Zeitraum 2019 bis 2022 gemeinsam mit den Modellierern der BBH Consulting AG, den Software-Entwicklern der ENDA GmbH & Co. KG und den Akteuren des energieland2050 im Kreis Steinfurt entwickelt und validiert.

Funktionsweise des H2-Szenarienrechners

Der H2-Szenarienrechner ermöglicht regionalen Entscheidungsträgern, in einem ersten Schritt ein kostenoptimiertes H2-Infrastruktursystem durch individuelle Konfigurationen zu identifizieren (regionale Energienachfrage, verfügbare Ressourcen und politische Zielstellungen). Das Ziel ist, die Wasserstoffnachfrage der unterschiedlichen Sektoren unter dem Aspekt der Versorgungssicherheit und unter gegebenen regionalen Rahmenbedingungen auf stündlicher Basis für ein definiertes Zieljahr zu gewährleisten

Die mit dem Aufbau sowie dem Betrieb des kostenoptimierten Infrastruktursystems verbundenen wirtschaftlichen, ökologischen und gesellschaftlichen Kosten beziehungsweise Nutzen werden in einem zweiten Schritt detailliert aufgeschlüsselt und dargestellt. Hierbei wurde ein zweistufiger Ansatz gewählt:

•           Zehn zentrale Kenngrößen geben einen Überblick über die wichtigsten ökonomischen und ökologischen Leistungsparameter des jeweiligen Infrastruktursystems („Systemkennzahlen KPIs“, s. Abb. 2).

•           Nach Leistungsbereichen aufgeschlüsselte Informationen und Kenngrößen (Energie- und Stoffstrombilanzen, Wirtschaftlichkeit, gesellschaftlicher Nutzen) vertiefen das Verständnis.

Die Ergebnisse im Bereich Energie- und Stoffstrombilanzen umfassen jahresbilanzielle und zeitlich aufgeschlüsselte Übersichten zur Wasserstoff- und Stromherkunft sowie zu deren jeweiligem Verbleib. Die Befüllung und Entnahme von Wasserstoff aus den regionalen Speichern werden hierbei ebenso wie der Im- und Export von Strom und Wasserstoff zur Deckung temporärer Engpässe mit angezeigt.

Darüber hinaus werden die benötigten Wassermengen für die Produktion von Wasserstoff via Elektrolyse oder Dampfgasreformierung ausgewiesen, um in Zeiten beziehungsweise in Regionen mit knappen Wasserressourcen keine Nutzungskonkurrenzen entstehen zu lassen. Die bei der H2-Produktion entstehende Abwärme wird ebenfalls stündlich aufgeschlüsselt und dient der Entscheidungsunterstützung bei der Standortfindung von Produktionsanlagen.

Die Ergebnisse im Bereich Wirtschaftlichkeit umfassen Angaben zu betriebswirtschaftlichen Kennzahlen (u. a. Kapitalwert, Rendite, Amortisationsdauer und Umsätze), zu den Wasserstoffgestehungskosten (aufgeschlüsselt nach Investitionskosten, fixen und variablen Betriebskosten, CO2-Kosten sowie Steuern, Umlagen und Abgaben) und zu den Auslastungsgraden der installierten Anlagen (in Volllaststunden je Anlage).

Die Ergebnisse im Bereich gesellschaftlicher Nutzen beinhalten Informationen zur erwarteten direkten regionalen Wertschöpfung aus dem Betrieb des Infrastruktursystems (aufgeschlüsselt in regionale Nettoeinkommen, regionale Gewinne, regionalen Anteil an der Einkommenssteuer und Gewerbesteuer), zur Menge der durch den Einsatz von Wasserstoff eingesparten CO2-Emissionen sowie zu den resultierenden vermiedenen externen Kosten (CO2-Emissionen, NOx-Emissionen des Verkehrssektors).

Zusatzfunktion: Stresstest

Als Ergänzung wurde gemeinsam mit den Steinfurter Akteuren eine „Stresstest-Funktion“ definiert, die es erlaubt, die Auswirkungen von sich ändernden Rahmenbedingungen auf Wirtschaftlichkeit und gesellschaftlichen Nutzen nach Inbetriebnahme der H2-Infrastrukturen zu quantifizieren. Damit können die Nutzer des Szenarienrechners in einem dritten Schritt selbst definieren, welche ökonomischen und ökologischen Konsequenzen sich infolge von Änderungen der regionalen Rahmenbedingungen während der bis zu zwanzig Jahren umfassenden Betriebsphase des H2-Infrastruktursystems ergeben. Außerdem lässt sich dadurch erkennen, welche Handlungsspielräume existieren, die Betriebsergebnisse zu verbessern.

Die Änderungen von Grundannahmen des regionalen Kontextes können einzeln oder in Kombination gewählt werden, ihre jeweiligen Auswirkungen auf die zehn ökonomischen, ökologischen und gesellschaftlichen Systemkennzahlen (KPIs) werden zur besseren Vergleichbarkeit durch Angabe der prozentualen Änderungen zum Idealwert, dem Ausgangswert, angegeben.

Damit die Akteure in Politik sowie Gesellschaft ein Verständnis darüber entwickeln, wie die Etablierung der regionalen Wasserstoffwirtschaft auch aktiv unterstützt werden kann, enthält der Stresstest auch die Möglichkeit, Gewinnerwartungen zu definieren und anschließend anhand ausgewählter Stellschrauben zu sehen, wohin Entwicklungen gelenkt werden müssen (Zielkosten bzw. Zahlungsbereitschaften). In Abbildung 4 wird exemplarisch für zwei Fragestellungen der Break-even-Fall dargestellt.

Fazit und Ausblick

Der H2-Szenarienrechner wird seit Anfang 2022 in den fünfzehn HyStarter-Regionen des HyLand-Förderprogramms der Bundesregierung eingesetzt und unterstützt dort die regionalen Akteure in der Entscheidungsfindung und Formulierung ihrer jeweiligen Zielsysteme für das Jahr 2030. Im Austausch mit den teilnehmenden Regionen konnten die Eignung und die Aktualität des Tools verifiziert werden. Die von den Steinfurter Akteuren formulierten Fragen an die Wasserstoffwirtschaft wurden von den beteiligten Akteuren der anderen Regionen als vollständig und zielführend bestätigt.

Der gewählte Ansatz der vollständigen Parametrisierung der Eingabewerte ermöglicht es, die aktuelle Energiekrise umfassend abzubilden, indem z. B. die Verfügbarkeit von Erdgas zur Wasserstoffproduktion limitiert und Energiepreise flexibel angepasst werden können. Auch die im Sommer 2022 erlebten Hitzeperioden und Wasserknappheit konnten durch eine Limitierung der Wasserressourcen im Modell abgebildet werden und haben den Akteuren alternative Pfade zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion aufgezeigt.

Der H2-Szenarienrechner soll zum Jahresende allen interessierten Regionen zur Verfügung gestellt werden. In der Zwischenzeit können sich interessierte Wasserstoffregionen beim Projektteam melden und einen Probezugang erhalten (szenarienrechner@spilett.com).

Autoren:
Nadine Hölzinger
Spilett n/t GmbH
nadine.hoelzinger@spilett.com

Andy Fuchs
Toyota Mobility Foundation Europe
Andy.Fuchs@toyota-europe.com

Abbildung 1: Ergebnisübersicht – kostenoptimiertes Infrastruktursystem

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