Grüner Wasserstoff hat das Potenzial, einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten. Zum Beispiel kann damit die energieintensive Stahlindustrie klimafreundlicher produzieren. Den Strom von Windkraftanlagen und Photovoltaikparks für die Wasserstoffgewinnung zu nutzen, setzt jedoch nicht nur die dafür notwendigen Anlagen voraus. Zusätzlich ist erforderlich, dass sich die Akteur*innen des Energiesystems intensiv abstimmen und intelligent vernetzen. Fraunhofer-Forscher*innen haben dafür den »Energy Data Space« aufgebaut.

Ein halbes Jahr lang erneuerbaren Strom in ganz Berlin für »umme«. Das ist die Energiemenge, die Deutschland im vergangenen Jahr dank seiner Windkrafträder und Photovoltaikanlagen mehr hätte erzeugen können, aber nicht erzeugt hat. Stattdessen wurden Anlagen einfach abgeschaltet beziehungsweise gedrosselt. Mehr als 6.000 GWh elektrische Energie ging (theoretisch) verloren, weil Netzkapazitäten oder Abnehmer fehlten. Bedarf an dem umweltfreundlich gewonnenen Strom gäbe es (ebenfalls theoretisch) allerdings genug. Für den Betrieb von Elektrolyseuren zum Beispiel, die den »freien« Umweltstrom nutzen, um grünen Wasserstoff zu gewinnen. Bis in zehn Jahren wird die Nachfrage nach Wasserstoff in Deutschland auf rund 80.000 GWh pro Jahr geschätzt. Im Jahr 2050 wird allein die Eisen- und Stahlindustrie jährlich rund 500 Terawattsunden Wasserstoff benötigen, so die Ergebnisse der von Fraunhofer-Instituten im Auftrag des Deutschen Wasserstoffrats erstellten »Metastudie Wasserstoff – Auswertung von Energiesystemstudien«

Solche Mengen an Wasserstoff zumindest zu einem hohen Anteil aus regenerativer Energie zu gewinnen, erfordert den weiteren Ausbau der Wind und Sonnenenergieerzeugung und den Aufbau entsprechender Anlagenkapazitäten für Wasserelektrolyse. Zusätzlich ist erforderlich, dass sich alle beteiligten Akteur*innen intensiv und über die Unternehmensgrenzen hinweg abstimmen können – von Windpark- und Stromnetzbetreibern über verschiedene Dienstleister für Energiemanagement, Ertragsprognosen und Energievermarktung bis hin zu den Power-to-Gas-Unternehmen. Vertragliche Absprachen reichen dafür nicht aus. Denn die volatile Erzeugungsleistung der erneuerbaren Energieanlagen fordert auch den kontinuierlichen Datenaustausch zwischen den beteiligten Unternehmen. Als Ökosystem dafür könnte künftig ein gemeinsamer Datenraum dienen. »An dieser Stelle setzt unser Projekt »EnDaSpace« an«, erklärt Volker Berkhout vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE. »Auf der Basis von Konnektoren und Methoden der International Data Spaces (IDS) entwickelten und erprobten wir gemeinsam mit vier weiteren Fraunhofer-Instituten einen Prototyp für einen Data Space in der Energiewirtschaft. «

Data Space-Konzepte live erproben

Um die Vernetzungstechnik und die Funktionsweise eines unternehmensübergreifenden Energy Data Space im Praxiseinsatz umfassend testen zu können, nutzen die Projektpartner einen eigens aufgebauten Demonstrationsdatenraum. Hier ist jedes der fünf Institute mit den jeweils anderen vernetzt und kann stellvertretend für verschiedenen Akteure in der Energiewirtschaft agieren: Als Energielieferant etwa ist die 8-MW-Windkraftanlage des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme IWES in Bremerhaven angebunden. Als Power-to-Gas-Partner fungiert der Elektrolyseur des Fraunhofer IEE in Bad Hersfeld. Teil der Vernetzung mittels den IDS-Konnektoren sind zudem das Fraunhofer-Institut für Software- und Systemtechnik ISST sowie Fraunhofer IOSB mit den beiden Institutsteilen für industrielle Automation IOSB-INA und für angewandte Systemtechnik IOSB-AST. Letztere drei repräsentieren im Demonstrationsdatenraum die Rolle von Technologielieferanten und Dienstleistungspartnern im Energiesystem. 

Wind-to-Wasserstoff nach Fahrplan

»Der grundlegende Vorteil der Vernetzung über einen IDS-Datenraum liegt vor allem darin, dass die im International Data Spaces Konsortium entwickelten Konnektoren den Unternehmen ermöglichen, Daten mit Partnerunternehmen sicher zu teilen, ohne die Souveränität über ihre Daten zu verlieren«, erklärt Berkhout. In der Software der IDS-Konnektoren kann jeder Partner für seine Daten detailliert festlegen, welche Daten in welcher Form und zu welchen Zwecken für eine Übertragung freigegeben werden sollen. Zudem können die Kooperationspartner sogenannte Vokabulare für ihren Datenraum hinterlegen. In ihnen legen sie gemeinsam fest, wie die Datensätze, die sie teilen wollen aufgebaut und strukturiert sind. »Mit den Vokabularen stellen sie zum Beispiel sicher, dass Leistungsdaten von jedem Partner in derselben Mess- und Zeiteinheit bereitgestellt werden oder dass die Daten verschiedener Sensoren an den Windkraftanlagen eindeutig ihrem jeweiligen Zweck zugeordnet und so ohne händische Aufbereitung für Analysen nutzbar sind«, sagt Berkhout.

Im Testdatenraum liefert die Windenergieanlage entsprechend aufbereitete Betriebsdaten über die IDS-Konnektoren direkt an die Energiemanagement-Software EMS-EDM PROPHET® des Fraunhofer IOSB-AST. Als zusätzlichen Input erhält das Analysesystem laufend die aktuellen Meldungen zu Wind- und Wettervorhersagen und der Preisentwicklung auf den Strommärkten. Die Software berechnet daraus einen »Fahrplan« für die Wasserstofferzeugung. Er stellt sicher, dass die Power-to-Gas-Anlage gezielt dann zum Einsatz kommt, wenn ausreichend Windstrom zur Verfügung steht. Außerdem berechnet die Software, ob sich in einem bestimmten Zeitraum der Einsatz der Power-to-Gas-Anlage wirtschaftlich lohnt oder alternativ eine Stromeinspeisung ins Netz vorteilhafter ist. Der Fahrplan berücksichtig dabei auch spezielle Eigenschaften der jeweiligen Anlagen wie die Zeitdauer die zum Hochfahren des Elektrolyseurs erforderlich ist. Über den vernetzen Datenraum stellt das Energiemanagementsystem den Fahrplan für den Betreiber des Elektrolyseurs zur Verfügung und ermöglicht so den optimierten Einsatz der Power-to-Gas-Anlage. 

Erfahrungen sammeln für die Weiterentwicklung der Data Spaces

Auf dem Weg der Daten vom Energiemanagementsystem bis in die Anlagensteuerung des Elektrolyseurs wird der Fahrplan erst in eine Datenbank geschrieben. Von dort holt sich das Power-to-Gas-System dann die Informationen zur Regelung der Erzeugungsprozesse. Für das Einrichten durchgängiger Datenflüsse zwischen den IT-Systemen der Vernetzungspartner teils bis in die Anlagensteuerungen hinein müssen zahlreiche praktische Fragen zu Netzwerken, Firewalls und weiteren Funktionalitäten zu klären und entsprechende Lösungen zu implementieren. »Für unseren Elektrolyseur etwa war es erforderlich, beim Hersteller zusätzliche Funktionen und Lizenzen für den Datenaustausch mit der Steuerungskomponente freizuschalten«, erklärt Berkhout. Hürden dieser Art seien jedoch einfach zu überwinden. In den kommenden Jahren erwartet er daher, dass die Integration der IDS-Konnektoren in bestehende IT-Landschaften noch erheblich einfacher werde.

Mehrwert schaffen durch Zusammenarbeit im Datenraum

Den Fahrplan für die Wasserstoffgewinnung zu optimieren, ist nur ein Beispiel für die Möglichkeiten, die ein gemeinsamer Datenraum den beteiligten Akteur*innen bietet. Im Rahmen ihres Projekts entwickelten und erprobten die Forschungspartner noch zwei weitere Anwendungen: Im ersten Fall nutzen die Wissenschaftler*innen die Betriebsdaten der Windkraftanlage, um Unsicherheiten bei der Prognose der Gesamterträge im Vergleich zu den Erwartungen in der Planung zu reduzieren. Die zweite Anwendung ist ein System zur Anomalieerkennung. Das Forscherteam analysiert dabei kontinuierlich die Leistungs- und Sensordaten der Windenergieanlage. So lassen sich etwa Abweichungen in Sensorwerten frühzeitig erkennen. Künftig könnten solch ein System Anlagenbetreiber, Wartungsdienstleister und Anlagenhersteller gemeinsam nutzen. Jeder der Akteure kann dabei mit seinen Daten zur Erkennungsleistung des Systems beitragen und gleichzeitig wertvolle Informationen zum Zustand der Gesamtanlage sowie auch einzelner Komponenten über die gesamte Lebensdauer hinweg gewinnen. Eine Optimierung des Betriebs der Anlage wäre dann ebenso möglich, wie vorausschauende Wartung und gezielte Weiterentwicklung von Materialien und Technikkomponenten (mehr dazu im von Fraunhofer IEE erstellten »Whitepaper – Prädiktive Instandhaltung für Windenergieanlagen in einem Energy Data Space«). Der Aufbau eines Energy Data Space bietet den Akteur*innen noch weit mehr Möglichkeiten, als im Projekt EnDaSpace exemplarisch umgesetzt wurden. Welche Bandbreite für neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle ein gemeinsamer Datenraum für den Leitmarkt Wasserstoff eröffnet, untersuchten Fraunhofer-Forscher*innen in einem zweiten Teilprojekt: »Platon«. Ihre Ergebnisse haben sie im »Whitepaper: PLATON: Digitale Plattformen für den Leitmarkt Wasserstoff« veröffentlicht. Als Gesamtprojekt hat »EnDaSpace Platon« also sowohl die technologische Umsetzung eines IDS-Datenraumes in der Energiewirtschaft erprobt, als auch die organisatorischen und inhaltlichen Möglichkeiten damit Mehrwert zu schaffen.

(stw)

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