SOPHIAA

Wie viel kostet grüner Wasserstoff heute und in der Zukunft?
Wie verändert sich das, wenn die regulatorischen Rahmenbedingungen angepasst werden?
Und wie sieht der optimale Betrieb sowie die optimale Strombeschaffung für Elektrolyseure aus?

Wasserstoffgestehungskosten sind eine geeignete Metrik für die Wirtschaftlichkeit von Wasserstoffprojekten. Diese berechnet das EWI mit seinem institutseigenen Optimierungsmodell SOPHIAA (Stochastic Optimization for Producing Hydrogen and Investment in Associated Assets), das die Produktion von grünem Wasserstoff betriebswirtschaftlich bewertet. SOPHIAA kann außerdem optimale PPA-Portfolien für unterschiedliche regulatorische Vorgaben (bspw. zu RFNBO Kriterien und Netzentgelten) berechnen und die Interaktion mit dem Day-ahead-Strommarkt betrachten.

Abbildung 1: Wasserstoffgestehungskosten und optimale PPA-Portfolien bei unterschiedlichen Varianten der RFNBO-Kriterien

SOPHIAA für Beratung und Forschung

Das Modell kann strategische Investitionsentscheidungen unter Unsicherheit absichern und regulatorische Risiken bewerten. Es können auch Standorte außerhalb Deutschlands analysiert und mögliche Assets individuell dem Modell hinzugefügt werden.

SOPHIAA im Einsatz:

Wirtschaftlichkeitsanalyse: Elektrolyse-Projekte bewerten und Gestehungskosten (LCOH) optimieren
Asset-Dimensionierung: optimale Kapazitäten für Speicher (Batterie/H2) bestimmen
PPA-Strategien: robuste Beschaffungsportfolien gestalten unter Berücksichtigung regionaler Diversifizierung durch hochaufgelöste Wetterzeitreihen
Optimale Standortwahl: durch hochaufgelöste Wetter- und Preiszeitreihen datenbasiert unterstützen
Regulatorische Effekte: wie regulatorische Anforderungen die Gestehungskosten für Wasserstoff beeinflussen

SOPHIAA im Detail

SOPHIAA ist ein stochastisches lineares Optimierungsmodell, das die Gestehungskosten der Wasserstoffproduktion (levelized cost of hydrogen, LCOH) minimiert, indem es die Dimensionierung und den Betrieb der zentralen Systemkomponenten optimiert — darunter Elektrolyseure, Speicher (Batterien und Wasserstoff) sowie Portfolios von Power Purchase Agreements (PPAs). Das Modell betrachtet dabei regional hochaufgelöste PPAs aus PV- und Windenergie (Onshore und Offshore), sowie Kapazitäten von Batterie- und Wasserstoffspeichern (oberirdisch, Kavernen- und Porenspeicher).

Ein besonderer Fokus liegt auf der Integration komplexer regulatorischer Rahmenbedingungen. SOPHIAA bildet die aktuellen RFNBO-Kriterien der EU (Renewable Fuel of Non-Biological Origin) ab. Das Modell analysiert, wie die unterschiedlichen Anforderungen (insb. Zusätzlichkeit, zeitliche und geographische Korrelation) die optimale Portfoliostruktur und die Projektrentabilität beeinflussen. Die Interaktion mit dem Day-ahead-Strommarkt (Vertrieb von überschüssiger Energie und Bezug zur Wasserstoffproduktion) wird ebenso optimiert.

Schematische Darstellung des Modells

Die Optimierung des Betriebs aller Komponenten erfolgt im Modell stündlich über ein gesamtes Kalenderjahr. In SOPHIAA wird die Stochastik über historische Wetterzeitreihen abgebildet, sodass das System robust gegenüber wetterbedingten Unsicherheiten optimal ausgelegt wird. Das Modell nutzt Zeitreihen für PV- und Windenergie an 38 deutschen
Standorten aus 45 historischen Wetterjahren. Somit kann die Verfügbarkeit von PPA-Strom aus PV- und Windenergie an 38 deutschen Standorten stochastisch simuliert werden. Für jedes historische Wetterjahr bildet SOPHIAA eine synthetische, stündliche Strompreiszeitreihe für die Gebotszone Deutschland auf Basis der stündlichen Residuallast und weiteren Parametern. Alternativ besteht die Möglichkeit, historische Preiszeitreihen zu nutzen.