Grüner Wasserstoff, der mittels Wasser-Elektrolyse gewonnen wird, spielt eine Schlüsselrolle bei der Transformation von schwer zu dekarbonisierenden Sektoren und Industrien hin zu saubereren Energiequellen. Investoren und Entwickler von Technologien für Power-to-X (PtX oder P2X) und grünem Wasserstoff nahmen bisher an, dass die Kosten für die Produktion und Bereitstellung des Wasserstoffes allein durch den Ausbau der Elektrolysekapazität und die gleichzeitig steigende Nachfrage sinken würden.
Warum also treten diese optimistischen Prognosen für die Reduktion der Investitionen (CAPEX) aktuell noch nicht ein?
In dem Whitepaper Achieving affordable green hydrogen production plants (Wie Wasserstoffelektrolyseanlagen finanziell attraktiv werden) schaffen wir ein Verständnis dafür, wie zukünftige Kostensenkungen bei Technologien im Bereich der erneuerbaren Energien erreicht werden können.
In diesem Whitepaper erfahren Sie:
  1. Wo die Maßnahmen zur Reduzierung der Investitionen (CAPEX) in grünen Wasserstoff-Elektrolyseanlagen dem von uns entwickelten Framework zufolge ansetzen sollten
  2. Wie eine Kostensenkung durch das Überwinden technologischer Herausforderungen auf Stack-, System- und Anlagenebene erreicht werden kann
  3. Wie die prognostizierten Kostensenkungen umsetzbar sind, damit die Industrie die Produktionsziele von grünem Wasserstoff bis 2030-2050 erreichen kann
  4. Welche Faktoren den Hochlauf von grünen Wasserstoffproduktion weiter beschleunigen könnten
Komplexe Anlagenkonstruktion und individuelle Gegebenheiten als Kostentreiber
Die Produzenten stellen fest, dass die Investitionskosten für die Wasserstoffproduktion derzeit die Prognosen überschreiten, was den Hochlauf bremst. Zum Teil werden diese Mehrkosten durch nicht oder nur gering beeinflussbare makroökonomische Faktoren wie Inflation, Zinsniveau und Unsicherheiten in der Lieferkette verursacht. Doch es gibt jedoch auch andere, durch den Investor beeinflussbare Faktoren. Ein entscheidender Punkt ist der Unterschied zwischen dem theoretisch angenommenen (Einheits-)Design und der Auslegung des realen Produktionssystem für grünen Wasserstoff mit lokalen Besonderheiten, die zu operativen Einschränkungen führen können.
Viele Hersteller gingen ursprünglich davon aus, dass die spezifischen Investitionen in Elektrolyse-Anlagen proportional zum Ausbau der Produktionskapazitäten und installierter Elektrolyse-Leistung sinken würden - ähnlich wie es in der Vergangenheit auf dem Photovoltaik- oder Batteriemarkt zu beobachten war. Elektrolyse-Stacks weisen ähnliche Skalierungs-Eigenschaften wie PV-Module und Batteriesysteme auf, so dass die Hersteller in Bezug auf die Technologien für grünen Wasserstoff eine analoge Entwicklung erwarteten: nämlich einen anhaltenden, deutlichen Rückgang der spezifischen Investitionen.
Die tatsächlich geplanten Anlagen für die Produktion von grünem Wasserstoff sind jedoch komplexer und individualisierter als diejenigen, die für bisherige Prognosen zur Reduzierung der spezifischen Investitionen herangezogen wurden (z.B. IEA Global Hydrogen Review 2023, Hydrogen Council: “Path to hydrogen competitiveness A cost perspective” January 2020, weitere s. Whitepaper). Wichtigster Faktor: Der große Teil der Investitionen für die Produktion von grünem Wasserstoff fällt außerhalb des eigentlichen Stacks an. Ausgereifte Technologien wie z.B. Transformatoren, Kompressoren, Speicher und Gasbehandlung unterliegen nicht den gleichen Kostenreduktionen wie Technologien, die sich im Scale-Up befinden. Auch der Aufwand der Systemintegration der Anlage variiert je nach Anlage und Standort erheblich. Projektindividualisierungen wie z.B. Besonderheiten bei der Stromversorgung, besondere behördliche Anforderungen an die Wasserversorgung und/oder -entsorgung, Anforderungen an das Druckniveau und Speichermenge sowie die Art des Wasserstofftransports (MEGC-Trailer vs. Pipeline) erhöhen sowohl die Projektkomplexität als auch die Investitionen in Planung und Anlagenbau.
Kostensenkungen durch Überwinden technologischer Herausforderungen
Zur Kostensenkung auf der Stack- und Systemebene werden derzeit unterschiedliche Ansätze verfolgt. Unsere Experten beleuchten in diesem Whitepaper die wichtigsten Elektrolyse-Stack-Technologien alkalische Elektrolyse (AEL), Proton Exchange Membrane-Elektrolyse (PEM) und Solid Oxide Electrolyzer Cell-Elektrolyse (SOEC) - und zeigen die Fortschritte bei den Schlüsselelementen zur Kostenreduktion auf der Stack-Ebene auf:
  • Verringerung des Stack-Volumens: Weniger Materialbedarf für das gleiche Produktionsvolumen z.B. durch stärkere Nutzung von Katalysatoren
  • Ersatz von teuren, kritischen Materialien wie z.B. Iridium und Titan
  • Verbesserung der Stackeffizienz: Geringerer spezifischer Energiebedarf der Wasserstoffproduktion z.B. durch Verbesserung der Reaktionskinetik
  • Nachhaltiges Design für längere Lebensdauer: Verringerung von Degradation und Anreicherung reaktionshemmender Stoffe
Alleine durch Kostensenkungen auf Stack-Ebene lassen sich die Investitionen für Produktionsanlagen jedoch nicht auf das Niveau senken, das in den bisherigen Untersuchungen prognostiziert wurde. Um die ambitionierten Ziele für die Produktion und den Absatz in den jeweiligen Branchen und die Ziele der nationalen Wasserstoffstrategie zu erreichen, müssen Kostensenkungspotenziale außerhalb des Stacks auf System- und Anlagenebene einbezogen werden. Wir geben Empfehlungen, wie im Bereich der Anlagenplanung Kosten gesenkt werden können. Dazu gehören u.a. Skalierung, Modularisierung und die Entwicklung von Standardprodukten zur Wasserstoffproduktion mittels Wasser-Elektrolyse.

„Zusammengefasst sind es zwei Faktoren, die nach unseren Erkenntnissen zukünftig zu Kostensenkungen führen werden: Massenproduktion und Vereinfachung. Das heißt Senkung der Kosten für Technologie und Anwendung durch Massenproduktion und Vereinfachung, damit die aus einem Projekt gewonnenen Erkenntnisse leicht auf das nächste Projekt übertragen werden können.“

Ethan Doyle
SR. Manager Ramboll Management Consulting

Überlegungen für eine schnelle und erfolgreiche Implementierung von grünen Wasserstoff-Lösungen

Ein zentraler und entscheidender Faktor für die wirtschaftlich vorteilhafte Produktion von grünem Wasserstoff ist der einfache und ausreichende Zugang zu kostengünstigen erneuerbaren Energien inklusive der physischen Anbindung an das Versorgungsnetz. Eine frühzeitige Einbindung des Netzbetreibers kann aus unserer Erfahrung zu Kostenreduktion beim elektrischen Anschluss der Anlage führen. Für die Erstellung eines geeigneten Business-Cases für die Wasserstoff-Produktion ist es notwendig, neben einer Optimierung der Investitionen (CAPEX) auch die Betriebskosten (OPEX) und mögliche Einnahmen abseits des reinen Wasserstoff-Verkaufs zu berücksichtigen. So können z.B. durch die (externe) Nutzung der Abwärme aus der Elektrolyse und der Verdichtung des Wasserstoffes, Dienstleistungen zur Netzstabilität, die Auswahl von Herstellern und Speicherkonzept (Betriebs- und Wartungskosten) sowie den intelligenten Stromhandel die Kosten im Betrieb und somit die Wirtschaftlichkeit der Anlage maßgeblich beeinflusst werden. Eine genaue Untersuchung der Standortparameter, des Anlagenkonzepts sowie der beabsichtigten Wasserstoffdistribution in der Vorplanung zahlen sich im weiteren Projektverlauf aus.
Planungskosten können z.B. durch Modularisierung reduziert werden: weg von der maßgeschneiderten Lösung hin zu reproduzierbaren Lösungen für den Massenmarkt. Dies ist durch ein gutes technisches Verständnis des Planers für die Details und Feinheiten der Wasserstoffproduktion in enger Zusammenarbeit mit den Herstellern von Elektrolyseuren und der benötigten Peripherie zu erreichen.
Um zu ermitteln, welche Faktoren die Investitionen bei Produktionsanlagen für grünen Wasserstoff verringern können, ist es wichtig, die aktuelle Marktlage und realistische Daten zu berücksichtigen - sei es in Bezug auf politische Rahmenbedingungen, Partnerschaften oder Entwicklungsstrategien.

„Mit jedem umgesetzten Projekt lernen wir dazu, auch was Kostenprojektionen betrifft. Zwar muss jedes Projekt individuell betrachtet werden, doch sind wir zuversichtlich, in Zukunft die gewonnenen Erkenntnisse skalieren und auf andere Projekte übertragen zu können. Das wird die Kosten für grünen Wasserstoff nach und nach senken.“

Pierre Michel Lehmann
Head of Energy Transition, Ramboll Deutschland

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  • Pierre Lehmann

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