Fraunhofer ISE: Großanlagen für alkalische Elektrolyse könnten 2030 für 444 Euro pro Kilowatt gebaut werden

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Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben im Auftrag der Clean Air Task Force (CATF) – eine US-amerikanische gemeinnützige Denkfabrik für Klimaschutz und Energie – ein grundlegendes Kostenmodell für die alkalische (AEL) und die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM) entwickelt.

„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“, so das Fraunhofer ISE. „Ausgehend von diesen Vorgaben werden die Kostenanteile der einzelnen Teilsysteme und Komponenten über Preisangebote von Herstellern und Lieferanten und über spezifische Kostenfunktionen ermittelt.“

In der jetzt veröffentlichten Studie „Cost Forecast for Low-Temperature Electrolysis“ haben die Wissenschaftler eine umfassende Analyse der Kostenstrukturen von AEL- und PEM-Elektrolyseuren unter Berücksichtigung der für das Jahr 2020 angegebenen Technologiekosten und der für 2030 prognostizierten Kosten vorgenommen.

Dabei haben sie jeweils zwei Elektrolyseursysteme mit Kapazitäten von 5 und 100 Megawatt betrachtet. „Die PEM-Zelle, der Stack und die Systemkomponenten sind für einen Betriebsdruck von 30 bar ausgelegt“, heißt es in dem Papier. „Das Design der AEL-Zelle und des Stacks orientiert sich an bewährten und fortschrittlichen Chloralkali-Elektrolyse-Designs, einschließlich des Betriebs bei Atmosphärendruck. Das macht zusätzliche mechanische Kompressoren auf der Systemseite notwendig, um eine Vergleichbarkeit zwischen beiden Technologien zu gewährleisten.“

Spezifische Stack-Kosten sinken stark

Für die AEL-Technologie wurde die Anzahl der Stacks mit zwei im Jahr 2020 und einem in 2030 für die 5-Megawatt-Anlage und mit 40 im Jahr 2020 und 20 in 2030 für die 100-Megawatt-Anlage angenommen. Für den PEM-Elektrolyseur wurde die Anzahl der Stacks für die 5-Megawatt-Anlage mit fünf in 2020 und einem in 2030 angegeben, für die 100-Megawatt-Anlage mit 100 in 2020 und 20 in 2030. „Aufgrund des technologischen Fortschritts und einer Vergrößerung des aktiven Bereichs können die spezifischen Stack-Kosten innerhalb von zehn Jahren für beide Arten von Elektrolyse-Stacks praktisch halbiert werden, von etwa 200 Euro pro Kilowatt (DC) auf unter 90 pro Kilowatt (DC) für AEL-Stacks und von 380 pro Kilowatt (DC) auf etwa pro Kilowatt (DC) für PEM-Stacks“, erklärt die Forschungsgruppe.

Die Nennstromdichte für beide AEL-Systeme wird voraussichtlich von 0,6 Ampere pro Quadratmeter im Jahr 2020 auf 1 Ampere pro Quadratmeter im Jahr 2030 steigen. Für beide PEM-Elektrolyseure wird dieser Wert voraussichtlich von 2 auf 3 Ampere pro Quadratmeter steigen.

AEL-Systeme verlangen zusätzlichen mechanischen Verdichter

In ihrer Analyse stellen die Forscher fest, dass die Kosten der alkalischen Elektrolyse im Vergleich zur PEM-Technologie aufgrund der geringeren Kosten für die Stacks niedriger sind. „Je nach Systemgröße wird dieser Kostenvorteil der AEL-Systeme jedoch durch die Notwendigkeit eines zusätzlichen mechanischen Verdichters fast wieder aufgehoben“, so die Wissenschaftler. Allerdings bietet die Verdichtereinheit ein starkes Kostensenkungspotenzial, wenn man auf größere Kapazitäten aufsteigt. „Dadurch halbiert sich bei einer Systemgröße von 5 bis 100 Megawatt der Anteil an den Gesamtkosten.“

Nach Berechnungen der Fraunhofer-Forscher werden die Kosten für den alkalischen 100-Megawatt-Elektrolyseur von 663 Euro pro Kilowatt in 2020 auf 444 Euro im Jahr 2030 sinken, die Kosten für das 5-Megawatt-System von 949 auf 726 Euro. Bei der PEM-Technologie dürften die Kosten für die 100-Megawatt-Anlage von 720 auf 500 Euro und die für das 5-Megawatt-System von 980 auf 730 Euro sinken.

Nach Angaben von Fraunhofer ISE-Forscher Marius Holst gleichen sich die Kosten beider Technologien aber nahezu an, wenn man den Aufwand für die nachgeschaltete Verdichtung mit einbezieht. „Insgesamt ist im Jahr 2030 mit Systemkosten von circa 400 bis 500 Euro pro Kilowatt zu rechnen, wobei dezentrale kleinere Anlagen deutlich teurer bleiben werden“, erklärt er.

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