Modellierung und Kennzahlen zur optimalen Dimensionierung erneuerbarer Kraftwerke zur Versorgung von Systemen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff

Aus Sonne und Wind sauberen Treibstoff machen

Wasserstoff wird oft als künftiger „universeller Brennstoff“ beschrieben, der Lkw, Fabriken und sogar ganze Quartiere ohne CO2-Emissionen antreiben kann – vorausgesetzt, er wird mit sauberem Strom hergestellt. Dieses Papier untersucht, wie erneuerbare Kraftwerke so ausgelegt werden können, dass sie verlässlich Wasserstoffproduktion versorgen, und beantwortet eine sehr praktische Frage: Wie viel Solar‑ und Windleistung, Batteriekapazität und Netz-Backup werden tatsächlich benötigt, um eine grüne Wasserstoffstation effizient und kostengünstig zu betreiben?

Bausteine einer grünen Wasserstoffstation

Die Studie betrachtet eine vollständige, realistische Anlage: Solarmodule und Windturbinen erzeugen Strom; eine große Batterie gleicht Schwankungen aus; ein Netzanschluss dient als Sicherheitsnetz; und auf der Nachfrageseite nutzt eine industrielle Wasserstoffstation diesen Strom. Die Wasserstoffstation umfasst eine Wasseraufbereitungsanlage, einen Elektrolyseur, der Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet, Verdichter, die den Wasserstoff auf Speicherdruck bringen, sowie Niedrig- und Hochdrucktanks. Statt sich auf einen speziellen Standort zu konzentrieren, entwickeln die Autoren einen modularen „Digital Twin“ der gesamten Kette, der mit stündlichen Daten arbeitet und sich so an viele Standorte und Größen anpassen lässt.

Von Wetterdaten zu Energieflüssen

Um das Verhalten in der realen Welt abzubilden, wandelt das Modell satellitengestützte Wetterdaten – Einstrahlung auf geneigte Solarmodule und Windgeschwindigkeiten in Nabenhöhe – in elektrische Leistung über ein ganzes Jahr stündlich um. Anschließend verfolgt es, wohin dieser Strom fließt: direkt ins Wasserstoffsystem, in die Batterie oder über den Netzanschluss hin und her. Das Batteriemodell verfolgt den Ladezustand und die alterungsbedingte Degradation; das Elektrolyseurmodell berücksichtigt schwankende Wirkungsgrade beim Auf- und Abfahren sowie die Abnutzung des Stacks über die Zeit; Tanks und Kompressor sind so modelliert, dass das System auf eine konstante Wasserstoffnachfrage gleichmäßig reagieren kann. Diese langfristige Perspektive erlaubt es den Autoren, saisonale Muster zu erkennen, etwa überschüssige Solarenergie im Sommer und stärkere Abhängigkeit von Wind- und Netzstrom in winterlichen Nächten.

Leistungsbewertung über die reinen Kosten hinaus

Die meisten Auslegungsstudien konzentrieren sich auf eine Kennzahl wie die durchschnittlichen Wasserstoffkosten. Hier führen die Autoren ein breiteres Set an Messgrößen ein. Dazu gehören, wie groß der Anteil der tatsächlich gedeckten Wasserstoffnachfrage ist, wie effektiv erneuerbare Energie genutzt statt verschwendet wird, wie stark die Batterie belastet ist und wie gesund sie bleibt, wie viel Energie aus dem Netz statt aus lokalen Erneuerbaren stammt, sowie die bekannten Kapital- und nivellierten Kosten des Wasserstoffs. All diese Kennzahlen werden normiert und in einer flexiblen Bewertungsmethode kombiniert, die Planern und Investoren erlaubt, je nach Priorität unterschiedliche Gewichtungen vorzunehmen: niedrige Kosten, geringe CO2-Bilanz, hohe Zuverlässigkeit oder minimale Batteriebelastung.

Wie eine „optimale“ Anlage in der Praxis aussieht

Um zu zeigen, wie der Rahmen funktioniert, testen die Autoren einen konkreten Fall im Vereinigten Königreich: eine Wasserstoffstation mit einem Megawatt-Elektrolyseur, der eine konstante Produktion von 18 Kilogramm Wasserstoff pro Stunde liefern soll. Sie untersuchen 1.470 verschiedene Kombinationen aus Solar- und Windkapazitäten, Batteriekapazitäten und Netzanschlussstärken. Das ausgewogenste Design, das sie finden, nutzt 1,5 Megawatt Windleistung, 2,5 Megawatt Solarleistung, eine vergleichsweise modest ausgelegte Batterie mit 1 Megawattstunde und einen 200-Kilowatt-Netzanschluss. Selbst mit diesem relativ kräftigen Ausbau erneuerbarer Energien kann die Anlage nur etwa 61 % der gewünschten Wasserstoffmenge eigenständig liefern; etwa ein Fünftel des Stroms stammt weiterhin aus dem Netz und rund 16 % der erneuerbaren Energie gehen verloren, weil sie nicht rechtzeitig genutzt oder gespeichert werden können.

Folgen für eine reale Wasserstoffwirtschaft

Für die interessierte Leserschaft lautet die Kernaussage: Grüner Wasserstoff ist möglich, aber es ist nicht so einfach wie das Hinzufügen eines Elektrolyseurs zu einem Windpark. Verlässliche Produktion erfordert sorgfältig ausbalancierte Kapazitäten für Solar, Wind, Batterien und Backup-Strom, und selbst dann gibt es Kompromisse zwischen Kosten, dem gedeckten Nachfrageanteil und der tatsächlichen „Gründheit“ des Wasserstoffs. Das modulare Modell und die Leistungskennzahlen der Studie bieten Planern ein Werkzeug, um diese Abwägungen transparent zu erkunden, bevor in Stahl und Beton investiert wird. Im dargestellten Beispiel hält das „beste" Design die Wasserstoffkosten bei etwa £3,2 pro Kilogramm und begrenzt die Netzabhängigkeit, lässt aber weiterhin Verbesserungsmöglichkeiten — etwa die Nutzung überschüssiger erneuerbarer Energie für Heizen oder Kühlen — offen, um die verfügbare saubere Energie besser zu nutzen.

Zitation: Naderi, M., Stone, D.A. & Ballantyne, E.E.F. Modelling and metrics for optimal sizing of renewable power plants supplying green hydrogen generation systems. Sci Rep 16, 6261 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36987-0

Schlüsselwörter: grüner Wasserstoff, erneuerbare Energien, Elektrolysesysteme, Energiespeicherung, techno-ökonomische Modellierung