Wasserstoff ist in aller Munde. Dies liegt daran, dass grüner Wasserstoff aus erneuerbarer Produktion der Schlüssel zur Dekarbonisierung darstellt.

Um sein grosses Potenzial auszuschöpfen muss grüner Wasserstoff diverse Meilensteine der Kostenreduzierung erreichen, um die Argumente für eine fortgesetzte Nutzung fossiler Brennstoffe umfassend zu untergraben. Es ist für Investoren, politische Entscheidungsträger, Industrie und Verbraucher von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie sich die Kosten für grünen Wasserstoff berechnen. Die aktuellen Marktansätze für die Berechnung der Produktionskosten von grünem Wasserstoff reichen nicht aus - zu einseitig und zu selbstgefällig sind die Argumente von Interessenvertreter der "Bewahrungs- und Verwahrungs-Lobbyisten".

 

Die Kosten für grünen Wasserstoff ist die Summe des Energievolumens, die zugeführten Stromkosten, die Anschaffungskosten des Eletrolyseur-Systems und dessen Betriebskosten inkl. Wartung. Angesichts dieser einfachen Rechnung sollte eine Preisfindungsmethode für EL-Produktionsfirma und Versorgungsunternehmen ein klares Gefühl vermitteln, wie viel es kostet ein kg oder m³/h Wasserstoff zu produzieren. Die gebräuchlichste Methode besteht darin, sich auf die Vorabinvestitionskosten zu konzentrieren welche zumeist in € / kW ausgedrückt wird - was problematisch ist. Diese ignoriert die Systemeffizienz, die Lebensdauer, sowie Aufwendungen für Reinheit und Service- / Wartungskosten. 

 

Die Autoren schlagen nachstehend einen neue Berechnungsmethode für grünen Wasserstoff. Eine  ganzheitlichere und transparente Bewertung der Produktionskosten. Dies ermöglicht einen effektiveren Vergleich zwischen den H2-Systemlieferanten. Zu diesem Zweck konzentrieren wir uns zunächst auf das Kernprodukt eines H2-Systems: Elektrolyseur. Aus Sicht und Stand der Technik werden alle Kosten in Bezug auf das Endprodukt für ein Kilogramm grünen Wasserstoff aufgezeigt. Die Autoren gehen davon aus, dass nachstehender Ansatz eine effektivere und robustere Methode darstellt um die tatsächlichen Auswirkungen von CAPEX und OPEX die Kosten für Produktion von grünem Wasserstoff zu erfassen.

Klarheit schaffen

Heutzutage beginnen alle Methoden für umweltfreundliche Wasserstoffkosten mit einer erheblichen Anzahl integrierter Annahmen. Die gebräuchlichste Methode zur Bewertung der Kosten für grünen Wasserstoff ist beispielsweise die Annahme, dass die Produktion durch einen "bestimmten" Projektfinanzierungsansatz finanziert wird. Dies setzt sofort voraus, dass die Kosten für Wasserstoff eine Funktion eines 20-jährigen Projektzeitraums, einer Mindestskala (normalerweise Kraftwerkgrösse 2 MW sind die kleinsten verwendeten) und gemischten Kapitalkosten aus Auslandsschulden und internem Unternehmenskapital sind. Ferner werden feste Strompreise EVU und ein fester Abnahmepreis [kWh] angenommen.  Wenn ausschliesslich auf diesem Ansatz ausgegangen wird, so werden andere Vorgaben und Bedürfnisse von aufgeklärten Kunden bei der Anschaffung von H2-Systemen ausgeschlossen.

  • Investition: Kapitalkosten für den Elektrolyseur (einschliesslich Anlagebilanz).
  • Opex: Betriebskosten für den Betrieb des Elektrolyseurs. In erster Linie handelt es sich dabei um Strom (z.B. eigener PV-Strom, welcher bei Netzeinspeisung vom örtlichen EVU nicht mehr marktkonform abgegolten wird), effektiv anfallende Kosten für die Wartung des Systems und des aufbereitetem Wasser.
  • Lebensdauer: Um die Gesamtkosten von Wasserstoff zu ermitteln, muss die Lebensdauer berücksichtigt werden. "Lebensdauer" bezieht sich auf die Sicht der optimalen Systemleistung (Stand der Technik) und nicht auf die Aussage, dass das System nicht mehr funktionieren kann.
  • Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad des Elektrolyseurs wird dadurch bestimmt, wie viel Strom zur Erzeugung einer bestimmten Menge Wasserstoff benötigt wird. Je höher der Wirkungsgrad, desto niedriger der Stromverbrauch (Betriebskosten).

 

Die Gesamtkosten für grünen Wasserstoff sind daher die Summe aus CAPEX + OPEX, wobei die Lebensdauer und Effizienz des Elektrolyseurs in diesem Aufsatz berücksichtigt werden.

 

Während in einer typischen Lebenszeitanalyse der Zeitwert des Geldes berücksichtigt werden muss, wurde er in diesem Artikel ausgeschlossen, um den Prozess zu vereinfachen. Die unterschiedlichen Anwendungsfälle verführen weitere latente Annahmen zu definieren. Diese müssen projektspezifisch abgehandelt werden.

Die Autoren entwickeln aktuell eine Studie, welche die Wasserstoffpreise auf Projektebene für verschiedene Anwendungsfälle untersucht und dabei den Zeitwert des Geldes berücksichtigt.

 

Investition (CAPEX)

Schauen wir uns die Kosten für EL (Elektrolyseur) an um die Investition zu bestimmen. Hersteller stellen unterschiedliche Elektrolyseure mit unterschiedlichen Leistungen, Grössen, Wasserstoffproduktionsraten, Wirkungsgrade und Lebensdauer her. Dies macht es schwierig die Stückkosten zu vergleichen. Um die Investitionen vergleichbar zu machen, drückt die Industrie die Preise normalerweise auf zwei Arten aus:

  • Kosten pro kW elektrischer Anschlussleistung
  • Kosten für eine nominale Produktionsrate in m³ / h. 

Das Angebot einer effizienten Maschine soll auf folgende Punkte untersucht werden:

  • Wasserstoffproduktionsrate über die Lebensdauer des Geräts und den Strom, der zur Erzeugung einer bestimmten Wasserstoffmenge (z.B. kg) benötigt wird . 
  • Lebensdauer des Elektrolyseurs ist ein starker Hebel bei der Bestimmung der Kosten für Wasserstoff. 

Finanzanalysten betrachten Projekte für grünen Wasserstoff häufig durch die Brille "Projektfinanzierung"  und feste Projekt-Lebensdauer (z.B. 20 ; 25 Jahre). Ohne fachtechnische Kenntnisse kann die Möglichkeit bestehen, dass einzelne Baugruppen  den festgelegten Zeitraum gar nicht überleben. 

 

Wartungskosten (OPEX)

Wir haben bereits festgestellt, dass beim Wirtschaftlichkeitsvergleich von H2-Systemen die Investitionen allein nicht ausreichen. Die EL-Effizienz, der Speichertyp und FC-Technologie wird bedeutender sein, da diese den OPEX bestimmen und somit den H2-Preis massgeblich beinflussen.

 

In der Regel ist der Strompreis der grösste Aufwandposten bei der Analyse eines grünen Wasserstoffprojektes über die gesamte Lebensdauer. Folglich werden die Kosten für grünen Wasserstoff stark von der Effizienz des Elektrolyseurs und der Speicherart bestimmt. Einfach ausgedrückt, ein effizienter Elektrolyseur verbraucht weniger Strom, um ein Kilogramm Wasserstoff zu produzieren, ein Hydridspeicher kann pro m3 Raum mehr H2 speichern . Ein Effizienzvorteil von + 10-15% über die Lebensdauer eines Systems kann daher massive Auswirkungen auf die Gesamtkosten des erzeugten Wasserstoffs haben. Dies wird immer wichtiger, wenn die Hersteller skalieren und die Investitionen sinken. 

Für die meisten Elektrolyseure ist die Wasserqualität ein wichtiger Faktor für die Betriebskosten. Die Wasserpreise variieren für Elektrolyseure, die vollständig entionisiertes Wasser benötigen. Die Wartungskosten sind Teil der Betriebskosten die erforderlich sind den Elektrolyseur in störungsfreiem Zustand zu halten. Die Wartungskosten sind erheblich und unterscheiden sich nach Technologie (AEM-, PEM- und alkalischen Brennstoffzellenzellen (FC).  Die zu berücksichtigenden Baugruppen sind jedoch die Grundlage für ein qualitatives Service Level Agreements (SLA) oder erweiterten Garantien. Möglicherweise versteckte Kosten, die einige Systemanbieter als praktisch aufgeschobene Investitionskosten für den Austausch von Verschleissteilen beschrieben haben. 

In Anwendungsfällen, in denen Elektrolyseure mit hoher Auslastung betrieben werden müssen, können die Ausfallzeiten der Einheiten zu einer weiteren wichtigen Kostenkomponente werden. Dies kann dazu führen, dass modulare, skalierbare System-Konfigurationen bevorzugt werden.

Lösungsansatz Kostenanalyse

Unter Berücksichtigung von Investitionen + Betrieb + Lebensdauer + Effizienz kommt Enapter als bekannter Hersteller von EL-System zu einem transparentem Ansatz zur Bewertung des EL-Preises. Um ein reales Beispiel zu liefern, zeigt die nachstehende Tabelle die aktuellen Verkaufspreise für Enapter EL 2.1 und den erwarteten Preis bei industriellen Serienfertigung für das EL-Modell T (ab 2023/24 verfügbar):

CAPEX für EL von Enapter
CAPEX für EL von Enapter

Wie EL CAPEX empfehlen wir auch die Betriebs- und Wartungskosten in €/kg H2 auszuweisen. EL OPEX umfasst die Wasser- und Stromkosten sowie die Wartungskosten in €/kg, die während der Lebensdauer des Elektrolyseurs.

OPEX für EL von Enapter-Modellen bleiben in etwa gleich
OPEX für EL von Enapter-Modellen bleiben in etwa gleich

Mit dieser Methode wird nebst Lebensdauer des Elektrolyseurs in den Wert für EL CAPEX auch der Wirkungsgrad  EL OPEX berücksichtigt. Vorliegende Rechnunsmethode ermöglicht einen transparenten Einblick für den Vergleich von H2-Baugruppen.

Mit industriealisierter Fertigung sinken die CAPEX, die OPEX bleiben auch mit T-Model in etwa gleich
Mit industriealisierter Fertigung sinken die CAPEX, die OPEX bleiben auch mit T-Model in etwa gleich

OPEX und grüne Energiekosten

Da die Investitionskosten für Elektrolyseure deutlich sinken, werden die Gesamtkosten für Wasserstoff weitgehend von den Kosten für Ökostrom bestimmt. Während sich die Energiewelt verändert und unsere Stromversorgung aus erneuerbaren Energien zunimmt, werden H2-Systeme dazu beitragen, die Nachfrage und vorübergehende Überkapazitäten zu regulieren (Regelenergie des Netzbetreibers). Dadurch wird Netzstabilität und -flexibilität verbessert oder in extremis gar gewährleistet. Wir erleben bereits heute bestimmte EVU-Einschränkung für private Stromproduzenten (PV-Anlagen werden gedrosselt oder gar abgeschaltet). Die Energiepreise sind aktuell auf einem historischen Tiefstand oder gar negativ. 

Wenn bei den verantwortlichen Stellen  die Energiewende ganzheitlich und ernst genommen wird, so wird H2 als Energieträger eine preiswerte und ökologische Zukunft haben.

Totalkosten grüner Wasserstoff nach Bewertung Stromtarif oder eigenem PV-Strom
Totalkosten grüner Wasserstoff nach Bewertung Stromtarif oder eigenem PV-Strom

Follow Up - die Diskussion ist eröffnet

Dieser Beitrag lädt zur Diskussion ein um letztendlich zu einer einheitlichen Methode für den Vergleich der Preise für grünen Wasserstoff zu gelangen. Wir entwickeln aktuell eine weitere Studie, um den Wasserstoffpreise auf Projektebene für verschiedene Anwendungsfälle zu untersuchen. 

Für einen vollständigen Vergleich müssen auch Druck und Reinheit des erzeugten Wasserstoffs berücksichtigt werden. Die Elektrolyseure von Enapter erzeugen Wasserstoffgas bei 35 bar mit einer Reinheit von ~ 99,9%. Wir haben diese Annahme im vorliegenden Aufsatz angewendet.

 

Liste der in diesem Aufsatz angenommenen Systemwerte

Originalausgabe von H2view

 

Brittnau, Mai 2020-psc