Kostenanalyse für Wasserelektrolyse-Systeme

Grüner Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff durch Wasserelektrolyse hat in den letzten Jahren enorm an Interesse gewonnen, und in der Elektrolysebranche werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um Zellen und Stacks zu vergrößern und die Produktionskapazitäten deutlich zu erhöhen. Parallel dazu ist die aktuelle Diskussion über die Kosten von Elektrolyseanlagen von widersprüchlichen Aussagen mit einer großen Bandbreite an Preisprognosen geprägt, was eine verlässliche Bewertung von Elektrolyseuren erschwert. Um in dieser Diskussion über Investitionskosten der Wasserelektrolyse die notwendige Transparenz zu schaffen, hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Auftrag der NGO Clean Air Task Force (CATF) mit Hauptsitz in Boston/USA ein Bottom-up-Kostenmodell erstellt und eine Kostenstudie durchgeführt. Damit tragen wir zu einem breiteren Verständnis über die Kostenstrukturen von Niedertemperatur-Wasserelektrolysesystemen bei.

Das Studiendesign

Für die Auftragsstudie wurde ein grundlegendes Kostenmodell für die alkalische und PEM-Wasserelektrolyse entwickelt, das es erlaubt, die Abhängigkeiten der Kostenanteile der einzelnen Technologien detailliert zu bewerten und individuelle Kostensenkungspotenziale für diese Elektrolysetechnologien abzuleiten. Für die alkalische als auch für die PEM-Wasserelektrolyse wurden zwei Anlagengrößen von 5 MW und 100 MW betrachtet, um sowohl den Bedarf für dezentrale als auch für zentrale Anwendungen abzudecken. Darüber hinaus wird in den Modellen eine Technologieprognose für beide Technologien berücksichtigt, um die Kostenstrukturen für derzeit verfügbare Komponenten und Materialien (2020) mit den erwarteten Entwicklungen der »nächsten Generation« von alkalischen und PEM-Elektrolysesystemen (2030) zu vergleichen. Die Kostenmodelle basieren auf einem Bottom-up-Ansatz des Fraunhofer ISE, bei dem zunächst typische Layouts der Elektrolyseanlagen entworfen und dann technische Parameter durch eine stationäre Simulation der Energie- und Massenbilanzen in den Systemen bestimmt werden. Ausgehend von diesen Vorgaben werden die Kostenanteile der einzelnen Teilsysteme und Komponenten über Preisangebote von Herstellern und Lieferanten und über spezifische Kostenfunktionen ermittelt. Zusätzliche Kosten wie Engineering etc. werden über eine Zuschlagskalkulation berücksichtigt. Für die verschiedenen Stacks wird ein eigenes Modell verwendet, das ebenfalls auf einer Quantifizierung der verwendeten Komponenten und spezifischen Kostenfunktionen basiert.

Die Ergebnisse

• Die Ergebnisse zeigen in allen betrachteten Fällen, dass der Zellstapel (Stack) die teuerste Komponente in einem Elektrolysesystem ist.
• Alkalische Stacks haben einen Kostenvorteil gegenüber PEM-Stacks, dies wird auch in Zukunft der Fall sein.
• Aufgrund des technologischen Fortschritts und einer Vergrößerung des aktiven Zellfläche können die spezifischen Stackkosten jedoch innerhalb von 10 Jahren für beide Arten von Elektrolyse-Stacks praktisch halbiert werden, und zwar von etwa 200 €/kW_DC auf unter 90 €/kW_DC für AEL-Stacks und von 380 €/kW_DC auf etwa 220 €/KW_DC für PEM-Stacks.
• Dennoch dominieren die Stackkosten nicht allein die Systemkosten. Vielmehr setzen sie sich aus vielen Einzelkomponenten wie Gas- und Wasseraufbereitung, Kühlsystemen und Leistungselektronik zusammen.
• Insbesondere die Kosten der Leistungselektronik (Gleichrichter und Transformator) tragen als zweitteuerste Komponente in der gleichen Größenordnung zu den Systemkosten bei wie die Stacks.
• Die Kostenanalyse zeigt weiter, dass alkalische Systeme auch in Zukunft zu niedrigeren Systemkosten führen werden. Allerdings gleichen sich die Kosten nahezu an, wenn man den Aufwand für die nachgeschaltete Verdichtung mit einbezieht.
• Insgesamt ist im Jahr 2030 mit Systemkosten von ca. 400 bis 500 €/kW zu rechnen, wobei dezentrale kleinere Anlagen deutlich teurer bleiben werden.
• Die Clean Air Task Force (CATF) ist eine gemeinnützige Organisation, die sich aktiv für den Schutz vor den negativen Klimawandelfolgen einsetzt, indem sie die rasche Entwicklung und den Einsatz von CO2-armen Energien und anderen klimaschützenden Technologien weltweit vorantreibt.