Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung und Bewertung der Logistikketten für den Wasserstofftransport für die Stahlindustrie unter besonderer Berücksichtigung transportbedingter Energieverluste

Das Thema „H2-Logistik“ ist Bestandteil des Leitantrages „Offshore Windenergiesysteme für die Wasserstoffversorgung". Wasserstoff (H2) gilt als einer der aussichtsreichsten Energieträger, um die Energiewende zu einer CO2-neutralen Industrie zu vollziehen. Im Fokus der Forschung und Entwicklung stand in den letzten Jahren die Produktion, die Speicherung und die Verwendung des H2 als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge. Geringe Aufmerksamkeit wurde bisher der Versorgung industrieller Großverbraucher mit Wasserstoff gewidmet, die jedoch rund 20% der deutschen Treibhausgasemissionen in 2018 ausmachen. Das Projekt H2-Logistik untersucht unterschiedliche H2-Logistikketten von der Produktion bis zu industriellen Großverbrauchern unter techni-schen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Dazu werden die verschiedenen Produktionsstandorte, Speichertechnologien, Transportmöglichkeiten und Produktions- und Verbrauchsmengen dynamisch und diskret simuliert. Aufgrund der Ladungs- und Energieverluste bei Speicherung, Transport und Umschlag wird die Simulation die wirtschaftlichen Auswirkungen der Verluste ebenso berücksichtigen. Dazu wird eine Datenbank, die auf einer separaten Verlustberechnung basiert, mit der Simulation verknüpft. Im Bereich der H2-Erzeugung liegt der Fokus auf der Offshore- und Onshore-Elektrolyse, für deren technische und wirtschaftliche Modellierung Forschungsergebnisse eines parallelen Projekts herangezogen werden. Ergebnis dieses Simulationsprojekts werden geeignete Logistikkettendesigns sein, die sich im Gegensatz zu vorangegan-genen Studien für die Versorgung von industriellen Großanlagen wie einem Stahlwerk eignet. Das Simulationsmodell wird über ein Web-Tool für interessierte Nutzer zugänglich gemacht. Dies kommt insbesondere KMU zugute, die zukünftig an der Energiewende auf Basis von Wasserstoff teilhaben möchten. Das Web-Tool hilft ihnen, um vor dem Aufbau der H2-Logistikketten die logistische und wirtschaftliche Machbarkeit zu untersuchen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben H2-Logistik wurden alle potenziellen Verlustarten von Wasserstoff im physikalischen Aggregatzustand (gasförmig oder flüssig) im Rahmen von Logistikketten ermittelt, d.h. sowohl Energie- als auch direkte Ladungsverluste des Tansportguts recherchiert. Im Falle unzureichender Real- und Grundlagendatensätze wurden idealisierte Verlustmodelle aufgebaut, deren Modellierungstiefe (Analytik oder Numerik) sich an den zur Verfügung stehenden Randbedingungen sowie dem zu erwartenden Nutzen orientierten. Die Ergebnisse wurden in ein Tool zur Simulation von H2-Logistikketten unter Berücksichtigung von Energie- und Ladungsverlusten überführt.

Für die Erstellung des Simulationsmodells wurden die Prozesskette für den Transport, die Speicherung und den Umschlag von Wasserstoff erarbeitet und die einzelnen Prozessketten-Elemente näher untersucht. Dazu wurden Behältertechnologien und -kapazitäten für Lkw, Güterzüge und Binnenschiffe, Fahrzeiten, Routen, Vorschriften aus den Gefahrgutverordnungen und weitere Aspekte recherchiert und in dem Modell implementiert. Das Simulationsmodell kann genutzt werden, um Logistikkonzepte für die Wasserstoffversorgung unter Berücksichtigung der Energie- und Ladungsverluste zu planen und zu optimieren.

Zusätzlich zu dem Modell wurde der Bedarf für ein Tool zur Dimensionierung von Pipelines identifiziert. Daher wurde ein Tool erarbeitet, dass unter Eingabe des jährlichen Verbrauchs, Baukosten, physikalischen und weiteren Faktoren einen Pipeline-Rohrdurchmesser empfiehlt. Das Tool kann ebenso genutzt werden, um die Kapazitätsvorgaben mit einem vorgegeben Rohrdurchmesser zu überprüfen.