Die Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit am Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement (IIRM) der Universität Leipzig analysiert in ihrem Teilprojekt die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen, bewertet auf deren Basis unter Einbindung der Ergebnisse der anderen Teilprojekte die Wirtschaftlichkeit des Geschäftsmodells „Flexibilisierung der Wasserstofferzeugung“ und leitet daraus Anforderungen für die künftige Betriebsführung von flexibel betriebenen Elektrolyseanlagen ab.

Laufzeit: 09.2018 - 12.2021

Mittelgeber: BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung

Beteiligte Organisationseinheiten der UL: Professur für Energiemanagement und Nachhaltigkeit, Abteilung Forschung und Entwicklung (Universitätsrechenzentrum (URZ))

H2FLEX: Zwanzig20 - HYPOS - Verbundvorhaben H2-Flex

Hintergrund

Mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien (Photovoltaik, Wind) unterliegt unsere Stromversorgung immer stärkeren Schwankungen, die zudem zeitlich nicht parallel zu den Schwankungen in der Elektrizitätsnachfrage verlaufen. Gegenwärtig wird dieses Problem durch flexible konventionelle Kraftwerke abgefedert. Doch mit der Stilllegung dieser Kraftwerke wird auch deren kurzfristige Flexibilität entfallen, was den Bedarf an anderen Flexibilitätslösungen schafft. Aus diesem Grund ist die Erforschung und Entwicklung entsprechender Infrastrukturen unerlässlich, die vor allem im Bereich kurzfristiger Flexibilität die Schwankungen der Residuallast (Last abzüglich der Einspeisung aus erneuerbaren Energien) verkraften kann.

Projektziel

Modellgestützte Wirtschaftlichkeitsbewertung des Geschäftsmodells "Flexibilisierung der Wasserstofferzeugung einer Chlor-Alkali-Elektrolyse" auf Basis unterschiedlicher Technologie- und Marktszenarien.

Ansatz

Die Universität Leipzig wird die energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz einer flexiblen Wasserstoffproduktion analysieren, um auf deren Basis die wirtschaftlichen Vorteile zu bestimmen, die mit einer Flexibilisierung des Betriebs von Elektrolyseanlagen verbunden sind.

Die Ermittlung von konsistenten Preisszenarien mit hohem Detailierungsgrad für den Spot- und den Regelleistungsmarkt bis 2040 dient als Grundlage für die anschließende Bewertung der Wasserstoffproduktion als nachhaltiges Geschäftsmodell. Mit Hilfe einer umfassenden Sensitivitätsanalyse ist es möglich, (1) den relevanten Schwankungsbereich unsicherer Parameter (zum Beispiel im Hinblick auf die zukünftig zu erwartenden Brennstoff- und CO2-Preise) zu analysieren, (2) die sich daraus ergebenden Implikationen für die Spotmarkt- und Regelenergiepreise zu quantifizieren und (3) auf deren Basis, die wirtschaftlichen Vorteile (beziehungsweise die damit verbundenen Risiken) eines flexiblen Betriebs von Elektrolyseanlagen zu identifizieren.

Hierzu sollen in einem ersten Schritt Preiszeitreihen für die zukünftig zu erwartenden Spotmarkt- und Regelenergiepreise ermittelt werden, die als Eingangsdaten für die Anwendung eines techno-ökonomischen Optimierungs- und Analysemodells dienen, das im zweiten Schritt eine ökonomische Bewertung des Geschäftsmodells „Flexibler Betrieb von Elektrolyseanlagen“ erlaubt. Bei dem hierfür einzusetzenden techno-ökonomischen Optimierungs- und Analysemodells handelt es sich um die projektspezifische Weiterentwicklung eines am Lehrstuhl für Energiemanagement und Nachhaltigkeit des IIRM der Universität Leipzig in den letzten Jahren erstellten integrierten Geschäftsmodell-Analyseframeworks IRPsim (Scheller et al., 2017), das in der Vergangenheit erfolgreich zur Bewertung von Geschäftsmodellinnovationen im Kontext der Energiewende herangezogen wurde. Im Zentrum der geplanten Erweiterung steht die Erstellung eines Teilmodells zur Bestimmung der gewinnmaximierenden Fahrweise von Elektrolyseanlagen, das deren dynamisches Betriebsverhalten mit einer für techno-ökonomische Analysen ausreichenden Genauigkeit wiedergibt.

Im weiteren Projektverlauf gehen die Arbeitsergebnisse der Universität Leipzig in die Gesamtbeurteilung der Wertschöpfungskette und die Ableitung von Handlungsempfehlungen ein. Die wesentlichen Ergebnisse (Deliverables) des Beitrages der Universität Leipzig zum Projekt lassen sich wie folgt zusammenfassen: 

  • Szenarien der zukünftig zu erwartenden Spotmarkt- und Regelenergiepreise (in hoher zeitlicher Auflösung)
  • Szenarien zum Flexibilitätsbedarf
  • Computermodell zur Bestimmung des betriebswirtschaftlich optimalen Einsatzes von flexiblen Elektrolyseanlagen
  • Nutzung dieses Modells zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen im Kontext der zugrunde gelegten Spotmarkt- und Regelenergiepreise
  • Ableitung von Handlungsempfehlungen

Nutzen

Mit den Ergebnissen können die Größenordnungen der wirtschaftlichen Vorteile, die durch das Geschäftsmodell "Flexibilisierung der Wasserstofferzeugung einer Chlor-Alkali-Elektrolyse" entstehen, genauer vorhergesagt werden. Zudem erlaubt das entwickelte Modell die kontinuierliche Analyse weiterer Fälle in diesem Kontext. Nebenbei werden im Projekt energiewirtschaftliche Daten wie beispielsweise zukünftige Strompreise auf dem Day-Ahead Spotmarkt modelliert oder recherchiert, die zur Beantwortung einer Vielzahl an weiteren Fragestellungen nützlich sind.

Eindrücke aus der Projektarbeit

Foto der Anlagen für die Chlor-Alkali-Elektrolyse in der Fabrikhalle unseres Partners.
Die Grafik zeigt Input- und Output-Datenströme, die in das verwendete Optimierungsmodell IRPopt ein- und ausgehen. Zu den Strommarktdaten aus MICOES Europe und MICOES Barometer kommen Prozessparameter aus der H2-Flex Datenbank hinzu.
Das Bild zeigt die Nutzeroberfläche des Programms, in dem manuell eine Systemübersicht mit den Komponenten Erzeuger, Netz, Markt, Last und Speicher, und Elementflüssen für Strom, Wärme, Gas und Biomasse erstellt werden kann. Innerhalb des so erstellten Systems kann das Optimierungswerkzeug Berechnungen anstellen.
Die Grafik zeigt für die vier Szenarien jährliche Stromkosten von ca. 296.500 (Szenario 4) - 324.500 (Szenario 1)€/MWcap. Zudem ist je Jahr ein beispielhafter Betriebsprofilauszug dargestellt.

Projektmitarbeitende

 Philipp Lerch

Philipp Lerch

Wiss. Mitarbeiter

Energiemanagement und Nachhaltigkeit
Institutsgebäude
Grimmaische Straße 12, Raum I 430
04109 Leipzig

Telefon: +49 341 97-33521

Weitere Forschungsprojekte an unserer Professur