Das bayerische Netzwerk C.A.R.M.E.N. hat 64 Elektrolysesysteme von 15 Herstellern unter die Lupe genommen. Dabei zeigen sich große Unterschiede u.a. bei Größe, Wirkungsgrad oder Kosten.
Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für die Energiewende. Er ist nicht nur eine Speicherform für Strom, sondern auch ein gefragter Rohstoff in der Industrie. Der Bedarf könnte sich von heute von 1,7 Mrd. kg auf bis zu 3,3 Mrd. kg bis zum Jahr 2030 fast verdoppeln, schätzt die Bundesregierung. Darum fragen sich viele Betreiber von Wind- und Solarparks oder Biogasanlagen, ob sich eine eigene Wasserstoffproduktion lohnt.
Gerade „grüner“ Wasserstoff auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien ist eine klimaschonende Alternative zu dem heute schon massenhaft hergestelltem „grauen“ Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen wie Rohöl, Erdgas oder Kohle. Von den 1,7 Mrd. kg Wasserstoff in Deutschland, die die Industrie aktuell benötigt, werden derzeit nur rund 7% mithilfe der Elektrolyse hergestellt.
Markt wächst rasant
Die Elektrolyse ist das Herzstück der „grünen“ Wasserstoffproduktion. Mithilfe von Strom trennt ein Elektrolyseur Wasser in die Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff. Der Markt für Elektrolyseure wächst rasant. Das Netzwerk C.A.R.M.E.N. e.V. aus dem bayerischen Straubing will mit einer Marktübersicht bei der Kaufentscheidung für einzelne Produkte helfen. „Wir haben aktuell 64 Systeme von 15 Herstellern aufgeführt und arbeiten schon an der zweiten Aktualisierung der Übersicht“, erklärt Energieexperte Clemens Garnhartner von der Abteilung „Energie vor Ort“.
Für die Marktübersicht hat der C.A.R.M.E.N. e.V. bei Herstellern von Elektrolyseuren rund 30 Produktmerkmale abgefragt. Ergebnis der Abfrage: Die meisten Systeme (67%) arbeiten mit einer Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM), 28% sind alkalische Elektrolysen, 3% Anionenaustauschmembran-Elektrolysen (AEM) und 2% Festoxid-/Hochtemperatur-Elektrolysen (SOEC). Die maximale Leistung der Fabrikate liegt zwischen 1 und 18 MW. 48% der Systeme nutzen Wechselstrom.
Der Flächenbedarf unterscheidet sich je nach Technologie: AEM-Elektrolysen sind mit 0,08 m²/kW am kleinsten, gefolgt von SOEC (0,12), PEM (0,16) und AEL (0,21). Allerdings gibt es hierbei große Schwankungsbreiten auch innerhalb der Technologien. So liegt der Maximalwert allein innerhalb der PEM-Elektrolyseure bei 0,55 m²/kW.
Netzdienlichkeit möglich
Die Hersteller haben eine Systemverfügbarkeit von 8300 bis 8700 Stunden im Jahr angegeben, wobei sich hier nur PEM-Hersteller geäußert haben. Der Arbeitszeitbedarf liegt nach Herstellerangaben bei etwa 36 Stunden im Jahr. „Allerdings haben sich 78% der Firmen zu diesem Punkt gar nicht gemeldet, hier gibt es also noch Unsicherheiten“, sagt Jasmin Gleich von C.A.R.M.E.N..
Die Zeitspanne von der Minimallast bis zum Maximum schwankt zwischen 1 und 40 Sekunden. Teilweise können die Elektrolyseure auch Regelenergie anbieten. Das wäre eine interessante Option für Zusatzerlöse in der Direktvermarktung. 23% der Elektrolyseure können Primärregelleistung (PRL) anbieten, 26% Sekundärregelleistung (SRL). PRL muss innerhalb von 30 Sekunden vollständig angeboten werden, SLR innerhalb von fünf Minuten.
Unterschied im Wirkungsgrad
Wie in der Literatur angegeben, benötigen auch die Systeme in der Marktübersicht etwa 0,8 l Wasser je m³ Wasserstoff. Unterschiede gibt es dagegen bei den Wirkungsgraden. Die Systeme benötigen zwischen 3,3 bis 4,7 kWh Strom je Normkubikmeter Wasserstoff (m³ H2).
Während bei den meisten Elektrolyseuren der Wirkungsgrad zwischen 60 und 70% liegt, gab ein Hersteller eines SOEC-Systems einen Wirkungsgrad von 90% an. „Hierbei ist aber zu beachten, dass SOEC mit hohen Temperaturen von 500 bis 1000°C arbeiten. Die Wärmeenergie müsste also noch hinzugerechnet werden. Interessant sind diese Systeme bei Industrieanwendungen, bei denen viel Abwärme anfällt“, sagt Gleich. Potenzielle Käufer sollten auch beachten, ob bei den Systemen nötige Wasser- und Gasaufbereitungssysteme bereits enthalten sind.
Lebensdauer und Kosten
Die Lebensdauer pro Einheit (sogenannter Stack) geben die Hersteller mit 30000 bis 90000 Vollbenutzungsstunden an. Bezogen auf die Jahresstunden wären das 3,5 bis 10 Jahre. „Aber ein Elektrolyseur läuft nicht das ganze Jahr am Stück. Wir gehen daher von einer realistischen Lebensdauer von 8,5 bis über 20 Jahre aus“, erklärt der Experte.
Bei den Kosten zeigt die Marktübersicht große Unterschiede je nach Größe des Elektrolyseurs. Während kleinere Anlagen mit einer Leistung von 6 kW auf 10000 €/kW kommen, kosten größere Elektrolyseure ab etwa 1 MW nur rund 1500 €/kW.
Bei den Betriebskosten für Instandhaltung oder bedarfsgebundenen Kosten gibt es ebenfalls je nach Größe Unterschiede zwischen 4,6 und 1 ct pro erzeugter kWh H2.
Entsprechend schwanken auch die Erzeugungskosten für den Wasserstoff. Einflussgrößen sind hier der Strombezugspreis und die Anschaffungskosten. So kann eine Elektrolyse mit Anschaffungskosten von 2000 €/kW und 5 ct Stromkosten Wasserstoff für etwa 6 €/kg herstellen.
Kostet der Strom dagegen 15 ct/kWh, steigen die Herstellungskosten auf 12 €/kg. Aktuell wird Wasserstoff für 9,50 €/kg an der Tankstelle als Kraftstoff verkauft, die Nettokosten liegen geschätzt bei 6 €/kg. „An diesen Kosten könnte man sich aktuell orientieren, wenn es um die Wirtschaftlichkeit von Elektrolyseuren geht“, sagt Gleich. D
Die wichtigsten Einflussgrößen auf die Wirtschaftlichkeit sind:
Wirkungsgrad
Strombezugspreis
Investitionskosten
Volllaststundenzahl
„Die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion ist derzeit kaum gegeben. Abhilfe versprechen aber Fördermittel bzw. Erleichterungen bei der EEG-Umlage sowie bei der Stromsteuer beim verwendeten Strom“, sagt Garnhartner.
Markt und Forschung
30 GW Elektrolyse bis 2030 möglich
Die Bundesregierung will bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 10 GW in Deutschland erreichen. Nach Umfrage des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verbandes (DWV) könnte diese Menge allerdings schon viel früher erreicht werden. Bis 2030 ist eine maximale jährliche Lieferkapazität von fast 30 GW möglich.
Nach Angaben der beteiligten Unternehmen lässt sich schon Im Jahr 2025 eine maximale Lieferkapazität von 16,25 GW pro Jahr erreichen, bis 2030 sind es 27,8 GW. Die maximale Wasserstoffproduktion könnte 2030 bei 72,3 TWh liegen, hat der DWV errechnet. Weitere Informationen finden Sie unter www.dwv-info.de
Serienproduktion geplant
Weltweit agieren derzeit etwa zehn Unternehmen am Markt, die kommerzielle Elektrolysesysteme im Megawatt-Maßstab entwickeln und anbieten. Mit dem Projekt „EcoLyzer BW“ planen das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) und das Unternehmen Ecoclean, ein wettbewerbsfähiges Elektrolysesystem in Serie zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Technologische Grundlage dafür ist eine vom ZSW in den vergangenen zehn Jahren entwickelte Systemtechnik für die Alkalische Wasser-Elektrolyse in der 1-Megawatt-Leistungsklasse. Es handelt sich um eine Alkalische Druckelektrolyse. Im Vollausbau liefert der Elektrolyseur, der mit zwei Elektrolyseblöcken von je 0,5 Megawatt Leistung ausgestattet werden kann, bei einer Effizienz von ca. 70% etwa 20 kg Wasserstoff pro Stunde (auf einem Druckniveau von 16 bar). Geplant ist, dass Ecoclean rund 80 Anlagen pro Jahr am Standort Dettingen fertigt, die dann für den internationalen Markt zur Verfügung gestellt werden. Mit der Produktion erster Anlagen soll ab 2023 begonnen werden.
Weitere Infos: www.ecoclean-group.net, www.zsw-bw.de
Neues Testzentrum
Für den weiteren Ausbau von Elektrolyseuren müssen Test- und Prüfkapazitäten sowie Beratungsangebote für die Industrie auf Hersteller- und Anwenderseite geschaffen werden. Mit „ElyLab“ wird das erste technologieübergreifende Test- und Innovationszentrum für die Wasser-Elektrolyse in Deutschland errichtet. Initiatoren sind neben dem ZSW das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die damit ihre Kompetenzen im Bereich der Elektrolyse bündeln.
Bisher fehlen in der Elektrolyse-Technologie allgemein akzeptierte beschleunigte Alterungsverfahren und es existiert wenig Erfahrung in der neutralen Bewertung von Elektrolyseuren. ElyLab soll einen entscheidenden Impuls für alle Technologien zur Wasserstoffgewinnung setzen und die Industrie mit neutralen Bewertungen von der Materialanalyse bis hin zur Systemerprobung im Megawatt-Maßstab unterstützen. Weitere Infos: www.dlr.de
Die C.A.R.M.E.N.-Marktübersicht von finden Sie unter www.carmen-ev.de/service/marktueberblick/marktuebersicht-elektrolyseure/
Ihr Kontakt zur Redaktion:hinrich.neumann@topagrar.com
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Das bayerische Netzwerk C.A.R.M.E.N. hat 64 Elektrolysesysteme von 15 Herstellern unter die Lupe genommen. Dabei zeigen sich große Unterschiede u.a. bei Größe, Wirkungsgrad oder Kosten.
Wasserstoff gilt als Schlüsselelement für die Energiewende. Er ist nicht nur eine Speicherform für Strom, sondern auch ein gefragter Rohstoff in der Industrie. Der Bedarf könnte sich von heute von 1,7 Mrd. kg auf bis zu 3,3 Mrd. kg bis zum Jahr 2030 fast verdoppeln, schätzt die Bundesregierung. Darum fragen sich viele Betreiber von Wind- und Solarparks oder Biogasanlagen, ob sich eine eigene Wasserstoffproduktion lohnt.
Gerade „grüner“ Wasserstoff auf Basis von Strom aus erneuerbaren Energien ist eine klimaschonende Alternative zu dem heute schon massenhaft hergestelltem „grauen“ Wasserstoff aus fossilen Rohstoffen wie Rohöl, Erdgas oder Kohle. Von den 1,7 Mrd. kg Wasserstoff in Deutschland, die die Industrie aktuell benötigt, werden derzeit nur rund 7% mithilfe der Elektrolyse hergestellt.
Markt wächst rasant
Die Elektrolyse ist das Herzstück der „grünen“ Wasserstoffproduktion. Mithilfe von Strom trennt ein Elektrolyseur Wasser in die Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff. Der Markt für Elektrolyseure wächst rasant. Das Netzwerk C.A.R.M.E.N. e.V. aus dem bayerischen Straubing will mit einer Marktübersicht bei der Kaufentscheidung für einzelne Produkte helfen. „Wir haben aktuell 64 Systeme von 15 Herstellern aufgeführt und arbeiten schon an der zweiten Aktualisierung der Übersicht“, erklärt Energieexperte Clemens Garnhartner von der Abteilung „Energie vor Ort“.
Für die Marktübersicht hat der C.A.R.M.E.N. e.V. bei Herstellern von Elektrolyseuren rund 30 Produktmerkmale abgefragt. Ergebnis der Abfrage: Die meisten Systeme (67%) arbeiten mit einer Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM), 28% sind alkalische Elektrolysen, 3% Anionenaustauschmembran-Elektrolysen (AEM) und 2% Festoxid-/Hochtemperatur-Elektrolysen (SOEC). Die maximale Leistung der Fabrikate liegt zwischen 1 und 18 MW. 48% der Systeme nutzen Wechselstrom.
Der Flächenbedarf unterscheidet sich je nach Technologie: AEM-Elektrolysen sind mit 0,08 m²/kW am kleinsten, gefolgt von SOEC (0,12), PEM (0,16) und AEL (0,21). Allerdings gibt es hierbei große Schwankungsbreiten auch innerhalb der Technologien. So liegt der Maximalwert allein innerhalb der PEM-Elektrolyseure bei 0,55 m²/kW.
Netzdienlichkeit möglich
Die Hersteller haben eine Systemverfügbarkeit von 8300 bis 8700 Stunden im Jahr angegeben, wobei sich hier nur PEM-Hersteller geäußert haben. Der Arbeitszeitbedarf liegt nach Herstellerangaben bei etwa 36 Stunden im Jahr. „Allerdings haben sich 78% der Firmen zu diesem Punkt gar nicht gemeldet, hier gibt es also noch Unsicherheiten“, sagt Jasmin Gleich von C.A.R.M.E.N..
Die Zeitspanne von der Minimallast bis zum Maximum schwankt zwischen 1 und 40 Sekunden. Teilweise können die Elektrolyseure auch Regelenergie anbieten. Das wäre eine interessante Option für Zusatzerlöse in der Direktvermarktung. 23% der Elektrolyseure können Primärregelleistung (PRL) anbieten, 26% Sekundärregelleistung (SRL). PRL muss innerhalb von 30 Sekunden vollständig angeboten werden, SLR innerhalb von fünf Minuten.
Unterschied im Wirkungsgrad
Wie in der Literatur angegeben, benötigen auch die Systeme in der Marktübersicht etwa 0,8 l Wasser je m³ Wasserstoff. Unterschiede gibt es dagegen bei den Wirkungsgraden. Die Systeme benötigen zwischen 3,3 bis 4,7 kWh Strom je Normkubikmeter Wasserstoff (m³ H2).
Während bei den meisten Elektrolyseuren der Wirkungsgrad zwischen 60 und 70% liegt, gab ein Hersteller eines SOEC-Systems einen Wirkungsgrad von 90% an. „Hierbei ist aber zu beachten, dass SOEC mit hohen Temperaturen von 500 bis 1000°C arbeiten. Die Wärmeenergie müsste also noch hinzugerechnet werden. Interessant sind diese Systeme bei Industrieanwendungen, bei denen viel Abwärme anfällt“, sagt Gleich. Potenzielle Käufer sollten auch beachten, ob bei den Systemen nötige Wasser- und Gasaufbereitungssysteme bereits enthalten sind.
Lebensdauer und Kosten
Die Lebensdauer pro Einheit (sogenannter Stack) geben die Hersteller mit 30000 bis 90000 Vollbenutzungsstunden an. Bezogen auf die Jahresstunden wären das 3,5 bis 10 Jahre. „Aber ein Elektrolyseur läuft nicht das ganze Jahr am Stück. Wir gehen daher von einer realistischen Lebensdauer von 8,5 bis über 20 Jahre aus“, erklärt der Experte.
Bei den Kosten zeigt die Marktübersicht große Unterschiede je nach Größe des Elektrolyseurs. Während kleinere Anlagen mit einer Leistung von 6 kW auf 10000 €/kW kommen, kosten größere Elektrolyseure ab etwa 1 MW nur rund 1500 €/kW.
Bei den Betriebskosten für Instandhaltung oder bedarfsgebundenen Kosten gibt es ebenfalls je nach Größe Unterschiede zwischen 4,6 und 1 ct pro erzeugter kWh H2.
Entsprechend schwanken auch die Erzeugungskosten für den Wasserstoff. Einflussgrößen sind hier der Strombezugspreis und die Anschaffungskosten. So kann eine Elektrolyse mit Anschaffungskosten von 2000 €/kW und 5 ct Stromkosten Wasserstoff für etwa 6 €/kg herstellen.
Kostet der Strom dagegen 15 ct/kWh, steigen die Herstellungskosten auf 12 €/kg. Aktuell wird Wasserstoff für 9,50 €/kg an der Tankstelle als Kraftstoff verkauft, die Nettokosten liegen geschätzt bei 6 €/kg. „An diesen Kosten könnte man sich aktuell orientieren, wenn es um die Wirtschaftlichkeit von Elektrolyseuren geht“, sagt Gleich. D
Die wichtigsten Einflussgrößen auf die Wirtschaftlichkeit sind:
Wirkungsgrad
Strombezugspreis
Investitionskosten
Volllaststundenzahl
„Die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion ist derzeit kaum gegeben. Abhilfe versprechen aber Fördermittel bzw. Erleichterungen bei der EEG-Umlage sowie bei der Stromsteuer beim verwendeten Strom“, sagt Garnhartner.
Markt und Forschung
30 GW Elektrolyse bis 2030 möglich
Die Bundesregierung will bis 2030 eine Elektrolysekapazität von 10 GW in Deutschland erreichen. Nach Umfrage des Deutschen Wasserstoff- und Brennstoffzellen-Verbandes (DWV) könnte diese Menge allerdings schon viel früher erreicht werden. Bis 2030 ist eine maximale jährliche Lieferkapazität von fast 30 GW möglich.
Nach Angaben der beteiligten Unternehmen lässt sich schon Im Jahr 2025 eine maximale Lieferkapazität von 16,25 GW pro Jahr erreichen, bis 2030 sind es 27,8 GW. Die maximale Wasserstoffproduktion könnte 2030 bei 72,3 TWh liegen, hat der DWV errechnet. Weitere Informationen finden Sie unter www.dwv-info.de
Serienproduktion geplant
Weltweit agieren derzeit etwa zehn Unternehmen am Markt, die kommerzielle Elektrolysesysteme im Megawatt-Maßstab entwickeln und anbieten. Mit dem Projekt „EcoLyzer BW“ planen das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) und das Unternehmen Ecoclean, ein wettbewerbsfähiges Elektrolysesystem in Serie zu entwickeln und auf den Markt zu bringen. Technologische Grundlage dafür ist eine vom ZSW in den vergangenen zehn Jahren entwickelte Systemtechnik für die Alkalische Wasser-Elektrolyse in der 1-Megawatt-Leistungsklasse. Es handelt sich um eine Alkalische Druckelektrolyse. Im Vollausbau liefert der Elektrolyseur, der mit zwei Elektrolyseblöcken von je 0,5 Megawatt Leistung ausgestattet werden kann, bei einer Effizienz von ca. 70% etwa 20 kg Wasserstoff pro Stunde (auf einem Druckniveau von 16 bar). Geplant ist, dass Ecoclean rund 80 Anlagen pro Jahr am Standort Dettingen fertigt, die dann für den internationalen Markt zur Verfügung gestellt werden. Mit der Produktion erster Anlagen soll ab 2023 begonnen werden.
Weitere Infos: www.ecoclean-group.net, www.zsw-bw.de
Neues Testzentrum
Für den weiteren Ausbau von Elektrolyseuren müssen Test- und Prüfkapazitäten sowie Beratungsangebote für die Industrie auf Hersteller- und Anwenderseite geschaffen werden. Mit „ElyLab“ wird das erste technologieübergreifende Test- und Innovationszentrum für die Wasser-Elektrolyse in Deutschland errichtet. Initiatoren sind neben dem ZSW das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die damit ihre Kompetenzen im Bereich der Elektrolyse bündeln.
Bisher fehlen in der Elektrolyse-Technologie allgemein akzeptierte beschleunigte Alterungsverfahren und es existiert wenig Erfahrung in der neutralen Bewertung von Elektrolyseuren. ElyLab soll einen entscheidenden Impuls für alle Technologien zur Wasserstoffgewinnung setzen und die Industrie mit neutralen Bewertungen von der Materialanalyse bis hin zur Systemerprobung im Megawatt-Maßstab unterstützen. Weitere Infos: www.dlr.de
Die C.A.R.M.E.N.-Marktübersicht von finden Sie unter www.carmen-ev.de/service/marktueberblick/marktuebersicht-elektrolyseure/
Ihr Kontakt zur Redaktion:hinrich.neumann@topagrar.com
