Immer mehr Länder setzen sich strategische Ziele für Wasserstoffenergie, und einige Investitionen fließen in die Entwicklung grüner Wasserstofftechnologien. Die EU und China sind führend in dieser Entwicklung und streben technologische und infrastrukturelle Wettbewerbsvorteile an. Japan, Südkorea, Frankreich, Deutschland, die Niederlande, Neuseeland und Australien haben seit 2017 Wasserstoffenergiestrategien veröffentlicht und Pilotprojekte entwickelt. 2021 formulierte die EU eine strategische Anforderung für Wasserstoffenergie: Bis 2024 soll die Produktionskapazität von Wasserstoffzellen in Elektrolysezellen durch Wind- und Solarenergie auf 6 GW steigen, bis 2030 sogar auf 40 GW. Zusätzlich sollen weitere 40 GW aus Produktionsanlagen außerhalb der EU auf 40 GW erhöht werden.
Wie bei allen neuen Technologien schreitet auch die Entwicklung von grünem Wasserstoff von der Grundlagenforschung hin zur industriellen Massenproduktion voran. Dies führt zu niedrigeren Stückkosten und höherer Effizienz bei Planung, Bau und Installation. Die Stromgestehungskosten (LCOH) von grünem Wasserstoff setzen sich aus drei Komponenten zusammen: den Kosten der Elektrolysezelle, dem Preis für erneuerbaren Strom und den übrigen Betriebskosten. Im Allgemeinen machen die Kosten der Elektrolysezelle etwa 20–25 % der LCOH von grünem Wasserstoff aus, während die Stromkosten mit 70–75 % den größten Anteil ausmachen. Die Betriebskosten sind vergleichsweise gering und liegen in der Regel unter 5 %.
International sind die Preise für erneuerbare Energien (hauptsächlich Solar- und Windkraft im Kraftwerksmaßstab) in den letzten 30 Jahren deutlich gesunken. Die Stromgestehungskosten (LCOE) liegen mittlerweile nahe an denen von Kohlekraftwerken (30–50 $/MWh), wodurch erneuerbare Energien künftig wettbewerbsfähiger werden. Die Kosten für erneuerbare Energien sinken weiterhin um 10 % pro Jahr und werden bis etwa 2030 voraussichtlich bei rund 20 $/MWh liegen. Die Betriebskosten lassen sich nicht wesentlich senken, die Kosten pro Solarzelle jedoch schon. Für Solarzellen wird eine ähnliche Lernkurve bei den Kosten erwartet wie für Solar- oder Windkraft.
Die Photovoltaik wurde in den 1970er Jahren entwickelt, und die Stromgestehungskosten (LCOE) für Photovoltaik lagen 2010 bei etwa 500 US-Dollar/MWh. Seitdem sind die LCOE deutlich gesunken und liegen aktuell zwischen 30 und 50 US-Dollar/MWh. Da die Elektrolysezellentechnologie dem industriellen Standard für die Produktion von Photovoltaikzellen ähnelt, dürfte sie von 2020 bis 2030 hinsichtlich der Stückkosten eine ähnliche Entwicklung wie Photovoltaikzellen durchlaufen. Gleichzeitig sind die LCOE für Windenergie im letzten Jahrzehnt ebenfalls deutlich gesunken, jedoch in geringerem Maße (etwa 50 Prozent bei Offshore- und 60 Prozent bei Onshore-Anlagen).
Unser Land nutzt erneuerbare Energiequellen (wie Windkraft, Photovoltaik und Wasserkraft) zur Wasserstofferzeugung mittels Wasserelektrolyse. Bei einem Strompreis unter 0,25 Yuan/kWh ist die Wasserstoffproduktion wirtschaftlich (15,3–20,9 Yuan/kg). Die technischen und wirtschaftlichen Kennzahlen der Wasserstofferzeugung mittels alkalischer und PEM-Elektrolyse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Die Kostenberechnungsmethode für die elektrolytische Wasserstoffproduktion ist in den Gleichungen (1) und (2) dargestellt. LCOE = Fixkosten / (Wasserstoffproduktionsmenge x Lebensdauer) + Betriebskosten (1) Betriebskosten = Stromverbrauch für die Wasserstoffproduktion x Strompreis + Wasserpreis + Kosten für die Anlagenwartung (2) Am Beispiel von Projekten zur alkalischen Elektrolyse und PEM-Elektrolyse (1000 Nm³/h) wird angenommen, dass die Gesamtlebensdauer der Projekte 20 Jahre und die Betriebsdauer 9 × 10⁴ h beträgt. Die Fixkosten für die Kompaktelektrolysezelle, die Wasserstoffreinigungsanlage, die Materialkosten, die Baukosten, die Installationskosten und sonstige Posten werden mit 0,3 Yuan/kWh für die Elektrolyse berechnet. Der Kostenvergleich ist in Tabelle 2 dargestellt.
Im Vergleich zu anderen Wasserstoffproduktionsverfahren können die Kosten für grünen Wasserstoff auf etwa 15 Yuan/kg gesenkt werden, wenn der Strompreis für erneuerbare Energien unter 0,25 Yuan/kWh liegt. Dies führt zu einem Kostenvorteil. Im Hinblick auf Klimaneutralität wird der Weg zu einer Kostenreduzierung von grünem Wasserstoff durch sinkende Stromerzeugungskosten aus erneuerbaren Energien, den großflächigen Ausbau von Wasserstoffproduktionsprojekten, den reduzierten Energieverbrauch und die geringeren Investitionskosten von Elektrolysezellen sowie durch CO₂-Steuern und andere politische Maßnahmen zunehmend klarer. Gleichzeitig können die tatsächlichen Produktionskosten aufgrund der Verunreinigung von Wasserstoff aus konventionellen Energiequellen mit Kohlenstoff, Schwefel und Chlor sowie der Kosten für zusätzliche Reinigungs- und CCUS-Verfahren 20 Yuan/kg übersteigen.
Veröffentlichungsdatum: 06.02.2023