Fraunhofer ISE erstellt detaillierte Kostenanalyse für Elektrolyse-Systeme

© Fraunhofer ISEFreiburg - Wasserstoff spielt eine entscheidende Rolle für die Umsetzung der Energiewende. Beim Hochlauf der Wasserstoffwirtschaft bildet der Ausbau der Produktionskapazitäten für Wasserstoff einen Schwerpunkt. Eine neue Studie liefert einen Überblick über die aktuelle und künftige Kostensituation bei Elektrolyse-Systemen.

Im Zuge der dynamischen Entwicklung des Wasserstoffsektors läuft die Entwicklung technisch ausgereifter und wirtschaftlich für den großtechnischen Einsatz wettbewerbsfähiger Elektrolyse-Technologie auf Hochtouren. Um in der Diskussion um die Investitionskosten der Wasserelektrolyse Transparenz zu schaffen, hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) eine Kostenstudie durchgeführt.

Bandbreite zu Kostenangaben erschwert Bewertung von Elektrolyse-Anlagen
Die aktuelle Diskussion über die Kosten von Elektrolyse-Anlagen weist eine große Bandbreite an Preisprognosen auf und erschwert dadurch eine verlässliche Bewertung von Elektrolyseuren. Das Fraunhofer ISE hat im Auftrag des US-NGO Clean Air Task Force (CATF), das sich für die die rasche Entwicklung und den Einsatz von CO₂-armen Energien und anderen klimaschützenden Technologien weltweit einsetzt, eine Kostenanalyse durchgeführt.

Dazu 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 Elektrolyse-Technologien abzuleiten.

In der nun veröffentlichten Studie werden für die alkalische und die PEM-Wasserelektrolyse zwei Anlagengrößen von 5 MW und 100 MW betrachtet, um den Bedarf für dezentrale und zentrale Anwendungen abzudecken. Darüber hinaus wird in den Modellen eine Prognose für beide Technologien berücksichtigt, die einen Vergleich der Kostenstrukturen für heute verfügbare Komponenten und Materialien (2020) mit den erwarteten Entwicklungen der „nächsten Generation“ von alkalischen und PEM-Elektrolyse-Systemen (2030) ermöglicht.

Die Kostenmodelle basieren auf einem Bottom-up-Ansatz, bei dem zunächst typische Layouts der Elektrolyse-Anlagen 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.

Kostenvorteil für alkalische Stacks, aber fast gleiche Systemkosten in der Zukunft
Nach Angaben von Fraunhofer ISE zeigen die Ergebnisse in allen betrachteten Fällen, dass der Zellstapel (Stack) die teuerste Komponente in einem Elektrolyse-System ist. Alkalische Stacks haben dabei aktuell und auch künftig einen Kostenvorteil gegenüber PEM-Stacks. Aufgrund des technologischen Fortschritts und einer Vergrößerung der aktiven Zellfläche können die spezifischen Stackkosten jedoch innerhalb von 10 Jahren für beide Arten von Elektrolyse-Stacks praktisch halbiert werden, bei AEL-Stacks von etwa 200 Euro / kW DC auf unter 90 Euro / kW DC und bei PEM-Stacks von 380 Euro / kW DC auf etwa 220 Euro / KW DC.

Als zweitteuerste Komponente innerhalb des Gesamtsystems erweist sich in der Analyse die Leistungselektronik (Gleichrichter und Transformator), die in der gleichen Größenordnung zu den Systemkosten beiträgt 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 der Aufwand für die nachgeschaltete Verdichtung mit einbezogen wird. Insgesamt ist 2030 mit Systemkosten von ca. 400 bis 500 Euro / kW zu rechnen, wobei dezentrale kleinere Anlagen deutlich teurer bleiben werden.

„Diese Ergebnisse geben uns wichtige Erkenntnisse für unsere eigenen Systemanalysen und zeigen uns, dass es durch Innovation und Erfahrung auch in Zukunft noch deutliche Kostensenkungen in der Elektrolyse geben wird. Wir hoffen, dass diese Studie ihren Beitrag zu einer objektiven Diskussion über zukünftige Kosten leisten kann“, so Mike Fowler, der die Studie seitens der CATF maßgeblich betreut hat.