Multi-objektive techno-ökonomische und ökologische Optimierung eines wasserstoffbasierten hybriden erneuerbaren Energiesystems mit dem Osprey-Optimierungsalgorithmus

Warum das für die tägliche Energieversorgung wichtig ist

Licht anhalten und zugleich die Verschmutzung reduzieren gehört zu den größten Herausforderungen beim Übergang zu sauberer Energie. Solarmodule und Windturbinen sind emissionsarm, ihre Erzeugung schwankt jedoch mit dem Wetter. Diese Studie untersucht, wie die Kombination von Sonne, Wind und Wasserstoffspeicherung gleichmäßigen, erschwinglichen Strom liefern und gleichzeitig die gesundheitlichen Schäden durch Emissionen aus Kraftwerken verringern kann. Außerdem wird eine neue rechnerische Methode getestet, um aus vielen konkurrierenden Optionen die bestmögliche Auslegung zu finden.

Ein intelligenterer grüner Energiemix

Die Forschenden entwarfen ein hybrides System erneuerbarer Energien, das mehrere Technologien kombiniert. Solarmodule und Windturbinen liefern die Primärenergie. Überschüssiger Strom wird in einen Elektrolyseur geleitet, der Wasser in Wasserstoff aufspaltet, der in einem Tank gespeichert wird. Bei geringem Sonnen‑ und Windaufkommen erzeugt eine Brennstoffzelle aus diesem gespeicherten Wasserstoff wieder Strom. Das System ist ans Netz angeschlossen, das Überschüsse abnehmen oder bei Bedarf Ausfallenergie liefern kann. Diese Anordnung soll die natürlichen Schwankungen erneuerbarer Energien ausgleichen und gleichzeitig rund um die Uhr Versorgungssicherheit gewährleisten.

Kosten und gesundheitliche Folgen in Einklang bringen

Statt nur den Strompreis oder nur die CO2‑Emissionen zu betrachten, optimiert die Studie das System nach zwei Zielen zugleich. Das erste Ziel sind die Lebenszykluskosten der Energie, inklusive Geräte, Wartung sowie Netzkäufen und -verkäufen. Das zweite Ziel ist eine gesundheitsbasierte Kennzahl, die abschätzt, wie Treibhausgasemissionen entlang der gesamten Energiekette in Schäden für die menschliche Gesundheit übersetzt werden, ausgedrückt in verlorenen gesunden Lebensjahren. Diese Kennzahl berücksichtigt Emissionen nicht nur aus der erneuerbaren Ausrüstung, sondern vor allem aus Netzstrom, der häufig aus fossilen Kraftwerken stammt. Indem Kosten und Gesundheit gemeinsam behandelt werden, suchen die Forschenden nach Auslegungen, die wirtschaftlich sind und zugleich Mensch und Umwelt schonen.

Ein neuer Ansatz zur Suche nach der besten Auslegung

Die richtige Mischung und Dimensionierung von Solarmodulen, Windturbinen, Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Wasserstofftanks zu finden, ist ein komplexes Puzzle mit vielen Kombinationen. Das Team verwendete eine neu entwickelte Suchmethode namens Osprey Optimization Algorithm, inspiriert vom Jagdverhalten des Fischadlers. Rechnerisch erkundet diese Methode viele Kandidatenentwürfe, verfeinert die vielversprechendsten und vermeidet dabei das Verharren bei mittelmäßigen Lösungen. Der Algorithmus wurde mit realen Wetter‑ und Stromnachfragedaten aus einer Region in Zentralanatolien in der Türkei betrieben und prüfte die Leistung stündlich über ein ganzes Jahr, wobei perfekte Zuverlässigkeit sichergestellt wurde, sodass die Nachfrage stets gedeckt ist.

Welcher Mix in der Praxis am besten funktioniert

Die Studie verglich drei Systemkonfigurationen: eine Kombination aus Solar, Wind und Brennstoffzellen; eine nur mit Solar und Brennstoffzellen; und eine nur mit Wind und Brennstoffzellen. Der gemischte Solar–Wind–Brennstoffzellen‑Aufbau erwies sich als am ausgewogensten. Er erreichte niedrige Stromkosten nahe der günstigsten Option und gleichzeitig die geringsten gesundheitlichen Auswirkungen durch Emissionen. Rein wind- oder solargestützte Entwürfe waren entweder günstiger aber schmutziger oder sauberer aber teurer und stärker auf das Netz angewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Arbeitsteilung zwischen Sonne und Wind und die Nutzung von Wasserstoff als Puffer den Anteil erneuerbarer Energie erhöht, die Autarkie verbessert und die Abhängigkeit von einem fossilstarken Netzstrom reduziert.

Was das für die zukünftige Energieplanung bedeutet

Für Nicht‑Fachleute lautet die Kernbotschaft: Keine einzelne Technologie reicht alleine aus. Eine sorgfältig bemessene Kombination aus Solar, Wind und Wasserstoffspeicherung kann zuverlässige Energie zu wettbewerbsfähigen Kosten liefern und gleichzeitig Gesundheitsrisiken durch Luftverschmutzung verringern. Die neue Optimierungsmethode hilft Planenden, die Kompromisse zwischen Kosten und Gesundheit zu sehen und Auslegungen zu wählen, die einen vernünftigen Mittelweg finden. Solche Analysen können Versorgungsunternehmen und politischen Entscheidungsträgern als Leitfaden dienen, wenn sie sauberere Energiesysteme planen, die nicht nur die Rechnungen im Rahmen halten, sondern auch die öffentliche Gesundheit schützen.

Zitation: Ermiş, S., Taşdemir, O. & Al-Hajj, R. Multi-objective techno-economic and environmental optimization of hydrogen-based hybrid renewable energy system using osprey optimization algorithm. Sci Rep 16, 15618 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45185-x

Schlüsselwörter: hybride erneuerbare Energie, Wasserstoffspeicherung, Solar‑ und Windenergie, Energieoptimierung, gesundheitliche Folgen von Emissionen