Optimale Betriebsführung von Multi-Träger-Energiesystemen mit integrierten erneuerbaren Energien und Wasserstoffspeichern

Städte mit vielen Energiequellen versorgen

Wenn wir mehr Solarmodule, Windturbinen, Elektrofahrzeuge und smarte Geräte in unsere Städte integrieren, wird es zunehmend komplex, die Versorgung mit Strom und Wasser stabil zu halten. Dieser Artikel untersucht eine neue Methode zur Steuerung lokaler Energienetze, sodass Strom, Wärme, Kälte, Wasser und sogar Wasserstoff gemeinsam und nicht getrennt geplant werden. Das Ziel ist leicht verständlich: sauberere Energie effizienter nutzen, weniger verschwenden und die Kosten für alle senken.

Von eindimensionalen Netzen zu Multi-Energie-Hubs

Traditionelle Energiesysteme transportieren Strom meist in einer Richtung von großen Kraftwerken zu den Verbrauchern. Die Autoren richten ihren Fokus stattdessen auf „Energiehubs“ — quartierskalige Systeme, die verschiedene Energieformen (wie Strom und Gas) empfangen und das liefern können, was Menschen tatsächlich brauchen: Energie für Geräte, Warmwasser und Heizung, Klimatisierung und trinkbares Wasser. Im Modell teilen sich drei benachbarte Hubs lokale erneuerbare Erzeugung aus Solar- und Windanlagen sowie gasbefeuerte Blockheizkraftwerke, die gleichzeitig Strom und Wärme produzieren. Jeder Hub betreibt ein Portfolio an Geräten, darunter elektrische und Absorptionskältemaschinen zur Kühlung, Kessel sowie Energiespeicher, die Strom, Wärme oder Kälte für eine spätere Nutzung vorhalten können.

Wasser, Wasserstoff und Druckluft ins Energiemix einbinden

Ein zentrales Merkmal dieser Arbeit ist, dass sie Strom nicht isoliert betrachtet. Die Hubs managen auch die „Wasserseite“ und die „Wasserstoffseite“ des Systems. Trinkwasser kann aus Grundwasserbrunnen, einer Entsalzungsanlage, die Salzwasser in Frischwasser umwandelt, oder aus einem Wasserlager kommen. Da Entsalzung viel Strom benötigt, erlaubt das Modell den Hubs, Grundwasser zu bevorzugen und das Pumpen zeitlich so zu steuern, dass es in günstigen Stromzeiten erfolgt. Zusätzlich wandelt ein Elektrolyseur überschüssigen erneuerbaren Strom in Wasserstoff um, der in Tanks gespeichert und später in Brennstoffzellen genutzt wird, um in teuren Spitzenstunden Strom zu erzeugen. Druckluftspeicher bieten einen weiteren Puffer: Wenn Strom billig ist, wird Luft komprimiert und gespeichert; ist Strom teuer, wird die gespeicherte Energie wieder freigesetzt, um die Nachfrage zu decken.

Warum Kooperation Einzelkämpfen überlegen ist

Die zentrale Frage der Studie lautet, wie viel besser diese Hubs abschneiden, wenn sie kooperieren statt alleine zu agieren. Im „autarken“ Szenario versucht jeder Hub, sein eigenes Angebot und Nachfrage mit begrenztem Austausch auszubalancieren, was teils dazu führt, dass lokale Nachfrage nicht vollständig gedeckt wird und mehr vom Hauptnetz bezogen werden muss. Im „kooperativen“ Szenario dürfen Hubs Strom und andere Energiedienstleistungen untereinander handeln. Überschüsse eines Hubs aus Solarstrom oder gespeicherter Energie können einen Mangel bei einem anderen Hub ausgleichen. Mittels detaillierter Computermodelle und eines tagesbasierten Stundenplans zeigen die Autoren, dass Kooperation die Betriebskosten senkt und unversorgte Energie vollständig eliminiert. Für das getestete System sinken die täglichen Gesamtkosten um etwa 1,6 %, und die Menge unbeantworteter Nachfrage fällt von 64,3 Kilowattstunden auf null.

Gesteuerte Zeitsteuerung und Speicher machen Erneuerbare nützlicher

Die Untersuchung betrachtet zudem, was passiert, wenn Preise oder Anlagengrößen variieren. Steigen die Strompreise, zahlen sowohl autarke als auch kooperative Systeme mehr, aber das kooperative System bleibt stets günstiger, weil es weniger auf Bezüge aus dem Hauptnetz angewiesen ist. Zusätzliche Batterien und thermische Speicher oder deren Vergrößerung senken die Kosten weiter, indem sie Energie von günstigen zu teuren Stunden verschieben. Eine Erhöhung der Kapazität erneuerbarer Quellen wie Solar- und Windkraft reduziert die Betriebskosten in beiden Betriebsarten; bei Verdreifachung der Erneuerbaren betragen die Einsparungen mehr als 13 %. Eine stochastische, also unsicherheitsbewusste, Variante des Modells, die variierendes Wetter und Preise berücksichtigt, bestätigt denselben Befund: Das Teilen von Ressourcen zwischen Hubs reduziert sowohl Kosten als auch das Risiko ungedeckter Nachfrage deutlich.

Was das im Alltag bedeutet

Für Nicht-Fachleute lautet die Botschaft: Zukünftige Viertel werden nicht nur an ein großes Stromnetz angeschlossen sein; sie können zu Mini-Systemen werden, die Strom, Wärme, Wasser und Wasserstoff untereinander handeln. Durch Koordination bei der Nutzung von Brunnen, Entsalzung, Batterien, Wasserstofftanks und Druckluftspeichern können diese lokalen Hubs die Schwankungen von Sonne und Wind ausgleichen, weniger auf fossile Brennstoffe angewiesen sein und sowohl niedrigere Rechnungen als auch zuverlässigere Versorgung bieten. Anschaulich zeigt die Arbeit: Wenn verschiedene saubere Technologien gemeinsam geplant und Nachbarbezirke kooperativ handeln, können Städte resilienter und kostengünstiger in Richtung einer kohlenstoffarmen Zukunft steuern.

Zitation: Foroughian, S., Bijan, Z.A.J., Karimi, H. et al. Optimal operation of multi-carrier energy systems integrated with renewable energy sources and hydrogen storage systems. Sci Rep 16, 6635 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35497-3

Schlüsselwörter: Multi-Energiesysteme, Integration erneuerbarer Energien, Wasserstoffspeicherung, Energiehubs, Lastflexibilität (Demand Response)