„Damit kann ein breites Verständnis für die Kostenstrukturen von Niedertemperatur-Wasserelektrolysesystemen aufgebaut werden“, heißt es beim Fraunhofer ISE. Die Analyse zeigt, dass die sich die Systemkosten von alkalischen und PEM-Systemen trotz niedriger spezifischer Kosten der Stacks bei alkalischen Elektrolyseanlagen nicht allzu sehr voneinander unterscheiden. Und: Die Kosten der Systeme könnten sich binnen zehn Jahren halbieren.
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 erschwere, heißt es beim Fraunhofer ISE.
In der Auftragsstudie wurde vor diesem Hintergrund 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.
Kosten für PEM- und alkalische Systeme für Anlagengrößen 5 MW und 100 MW analysiert
In der jetzt veröffentlichten Studie werden sowohl für die alkalische als auch für die PEM-Wasserelektrolyse 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 heute 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 Instituts, 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. „Der Mehrwert solcher Kostenmodelle hängt in erster Linie von der Qualität der Preis- und Kosteninformationen der Hersteller und Zulieferer ab. Am Fraunhofer ISE können wir aufgrund unserer langjährigen Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern aus der Industrie hier auf eine umfangreiche Datenbasis zurückgreifen. Das ist der entscheidende Vorteil unserer Kostenmodelle“, sagt Marius Holst, einer der Autoren der Studie.
Halbierung der spezifischen Kosten für Stacks innerhalb von zehn Jahren
Wie von den Wissenschaftlern erwartet, zeigen die Ergebnisse in allen betrachteten Fällen, dass der Zellstapel (Stack) die teuerste Komponente in einem Elektrolysesystem ist. Alkalische Stacks haben einen Kostenvorteil gegenüber PEM-Stacks, und dies wird auch in Zukunft der Fall sein. Aufgrund des technologischen Fortschritts und einer Vergrößerung des aktiven Zellfläche könnten die spezifischen Stackkosten jedoch innerhalb von zehn 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.
Die Stackkosten sind aber nicht allein verantwortlich für die Systemkosten. Vielmehr setzen diese sich aus vielen Einzelkomponenten wie Gas- und Wasseraufbereitung, Kühlsystemen und Leistungselektronik zusammen. Insbesondere die Kosten der Leistungselektronik (Gleichrichter und Transformator) seien nicht zu unterschätzen und trügen als zweitteuerste Komponente in der gleichen Größenordnung zu den Systemkosten bei wie die Stacks, betonen die Fraunhofer-Experten. „Dies ist ein wichtiges Ergebnis, insbesondere für weitere Kostensenkungsstrategien bei Elektrolysesystemen, und muss bei zukünftigen Entwicklungen stärker berücksichtigt werden“, betont Holst.
Systemkosten der verschiedenen Technologien gleichen sich in Zukunft an
Die Kostenanalyse zeigt, 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.
„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“, sagt Mike Fowler, der die Studie seitens der CATF betreut hat. „Wir hoffen, dass diese Studie ihren Beitrag zu einer objektiven Diskussion über zukünftige Kosten leisten kann.“
