Kostenvorteil für Alkalische Elektrolyse

Ein verlässliches Verständnis der Kostenstrukturen von Wasserelektrolyse-Systemen ist den Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) und der "Clean Air Task Force" (CATF) wichtig, um sinnvolle Maßnahmen für die Weiterentwicklung der Technologie zu treffen. Im Auftrag der CATF haben die Fraunhofer Forscher eine Kostenstudie durchgeführt. CATF ist eine gemeinnützige Organisation, die sich eigener Aussage nach für den Schutz vor den negativen Klimawandelfolgen einsetzt, indem sie den Einsatz von CO2-armen Energien und anderen klimaschützenden Technologien vorantreibt. 

Das entwickelte Kostenmodell soll es erlauben, individuelle Kostensenkungspotenziale für die verschiedenen Elektrolysetechnologien abzuleiten. In der nun veröffentlichten Studie werden sowohl für die alkalische als auch für die PEM (Proton Exchange Membrane)-Wasserelektrolyse zwei Anlagengrößen von 5 MW und 100 MW betrachtet. So soll es möglich sein, 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.

​Rückgriff auf umfangreiche Datenbasis

Die Fraunhofer Forscher wählten für ihr Modell einen Bottom-up-Ansatz: Zunächst entwarfen sie typische Layouts der Elektrolyseure und bestimmten technische Parameter durch eine stationäre Simulation der Energie- und Massenbilanzen in den Systemen. Auf dieser Basis ermittelten sie die Kostenanteile der einzelnen Teilsysteme und Komponenten der Elektrolysesysteme über Preisangebote von Herstellern und Lieferanten.

Für die verschiedenen Stacks verwendeten sie ein eigenes Modell, 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", erklärt Marius Holst, einer der Autoren der Studie. Er betont: "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."

Vergleich alkalische Stacks versus PEM-Stacks

Wie erwartet, zeigen die Untersuchungsergebnisse, dass der Zellstapel (Stack) die teuerste Komponente in einem Elektrolysesystem ist. Laut der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben alkalische Stacks einen Kostenvorteil gegenüber PEM-Stacks. Die Forschenden gehen davon aus, dass sich aufgrund des technologischen Fortschritts und einer Vergrößerung des aktiven Zellfläche die spezifischen Stackkosten jedoch innerhalb von zehn Jahren für beide Arten von Elektrolyse-Stacks praktisch halbieren.
 
Dennoch dominieren die Stackkosten laut der Studie nicht allein die Systemkosten. Vielmehr setzen sie sich aus vielen Einzelkomponenten wie Gas- und Wasseraufbereitung, Kühlsystemen und Leistungselektronik zusammen (siehe Grafik). Insbesondere die Kosten der Leistungselektronik seien nicht zu unterschätzen und tragen als zweitteuerste Komponente in der gleichen Größenordnung zu den Systemkosten bei wie die Stacks.

Die Kostenanalyse zeigt weiter, dass alkalische Systeme auch künftig zu niedrigeren Systemkosten führen werden. Allerdings gleichen sich die Kosten nahezu an, bezieht man den Aufwand für die nachgeschaltete Verdichtung mit ein. Insgesamt rechnen die Forschenden im Jahr 2030 mit Systemkosten von etwa 400 bis 500 Euro/kW, 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", erklärt Mike Fowler. Er hat seitens der CATF die Studie maßgeblich betreut. "Wir hoffen, dass diese Studie ihren Beitrag zu einer objektiven Diskussion über zukünftige Kosten leisten kann."

Die Studie "Cost forecast for low temperature electrolysis - technology driven bottom-up prognosis for PEM and alkaline water electrolysis system" steht auf der Internetseite des Fraunhofer ISE zum Download bereit.