„Die Elektrolysebranche muss sich zu einer Gigawatt-Industrie entwickeln, um die Klimaziele der Bundesregierung zu erreichen.“ Zu diesem Fazit kommt eine aktuelle Studie, die das Bundesverkehrsministerium (BMVI) in Auftrag gegeben hat. Bereits in der zweiten Hälfte der 2020er Jahr müsste die Zubaurate ein Gigawatt Neuinstallation pro Jahr deutlich übersteigen, heißt es in der Analyse. Ab den 2030er Jahren gehen die analysierten Szenarien von mehreren Gigawatt Neuinstallation pro Jahr aus.
Im Ergebnis resultiert – abhängig von den jeweils zugrunde gelegten Randbedingungen – ein Ausbaukorridor von mehr als 100 bis „weit über 200 Gigawatt“ an installierter Elektrolysekapazität im Jahr 2050, heißt es in der Studie, die Experten des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE, des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie und Automatisierung IPA und des Beratungsunternehmen E4tech erstellt haben. Die Autoren entwickeln in ihrer Analyse auch eine Roadmap zur Industrialisierung der Wasserelektrolyse.
Der Bedarf für Power-to-Gas-Lösungen auf Wasserstoffbasis leitet sich dem steigenden Anteil volatiler Wind- und Solarstrommengen ab. Sie können in Form von Wasserstoff saisonal gespeichert, rückverstromt oder zu Kraftstoffen und chemischen Grundstoffen weiterverarbeitet werden. Kritikpunkte an der Technologie sind Effizienzverluste durch die verschiedenen Umwandlungsschritte, die den Wirkungsgrad sinken lassen. Und: Die Technologie ist gegenwärtig noch sehr teuer.
Den künftigen Elektrolysebedarf für die Sektoren Verkehr, Wärme und Strom haben die Wissenschaftler mit dem am Fraunhofer ISE entwickelten Tool REMod-D in einer Energiesystemsimulation für Deutschland ermittelt. Insgesamt wurden sechs Ausbauszenarien betrachtet, um unter anderem die Bandbreite der in einer Industrieumfrage ermittelten Leistungsparameter zu berücksichtigen.
Randbedingung: Klimaschutz ohne großskaligen Import synthetischer Energieträger
Randbedingung in allen betrachteten Szenarien: Das deutsche Klimaziel einer Absenkung der energie-bedingten CO2-Emissionen um 80 Prozent soll ohne einen großskaligen Import von synthetischen Energieträgern erreicht werden. Zugleich wird davon ausgegangen, dass energieintensive Industrien auch weiterhin am Standort Deutschland betrieben werden.
Die Kernaussage der jetzt vorgelegten Studie lautet: Die erforderlichen Technologien für die Wasserstoffelektrolyse sind da und haben bereits einen technologisch ausgereiften Zustand – das gilt sowohl für die alkalische als auch für die PEM-Elektrolyse. Was fehlt, ist Größe: Es mangelt an einer hinreichend großen Nachfrage, um Skaleneffekte zu erzeugen und damit die Kosten entsprechender Power-to-Gas-Anwendungen unter Nutzung der Wasserstoffelektrolyse zu reduzieren. „Die derzeit noch hohen Kosten sind vor allem ein Resultat der geringen Nachfrage, und einer dementsprechend wenig entwickelten Industrielandschaft“, heißt es in der Studie.
Technologien sind da – es braucht aber Skaleneffekte, um Kosten zu senken
„Handlungsbedarf besteht vor allem auf Seiten des Gesetzgebers: der Markthochlauf, der für die weitere Technologieentwicklung und Kostenreduktion der zentrale Hebel ist, muss durch Anpassungen des regulatorischen Rahmens, insbesondere beim Strombezug unterstützt werden, damit Elektrolyseanwendungen wirtschaftlich werden können“, sagt Franz Lehner, Managing Consultant beim Beratungsunternehmen E4tech.
Konkret fordern die Wissenschaftler ein „Marktaktivierungsprogramm Wasserelektrolyse“, um das Skalierungsproblem in den Griff zu bekommen. Das Marktaktivierungsprogramm sollte Herstellern und Anwendern Planungssicherheit für Investitionen bieten. „Es ist festzuhalten, dass bei heutigen Strombezugskosten die weitere Technologieentwicklung und Kostenreduktion nur beschränkten Einfluss auf die Wasserstoffgestehungskosten und damit die Wettbewerbsfähigkeit der Elektrolysetechnologie besitzen“, heißt es in der Studie.
Wasserstoffgestehungskosten fernab der Wirtschaftlichkeit
Derzeit belaufen sich die Wasserstoffgestehungskosten auf rund 10 €/kg H2 bei Stromkosten von 15,4 ct/kWh. Diese Gestehungskosten sind der Studie zufolge heute für Betreiber von Wasserelektrolyseanlagen bei 2.000 bis 3.000 Volllaststunden realistisch, sie liegen aber weit über wettbewerbsfähigen Produktionskosten in wichtigen Zielmärkte. So müssten die Produktionskosten für einen Einsatz als Kraftstoff in Brennstoffzellenfahrzeugen schon unter 4 €/kg H2 liegen, für die Industrie als Großverbraucher wird es erst ab Wasserstoffgestehungskosten von 2 € und weniger interessant.
Vor diesem Hintergrund halten die Autoren ein Maßnahmenpaket für erforderlich. Eine Vergütung von 300 € pro Tonne eingespartes CO2 bei der Gasnetzeinspeisung etwa würde allein nicht ausreichen, um Wettbewerbsfähigkeit zu erreichen. „Der zentrale Hebel liegt dagegen in der Befreiung des Strombezugs von Abgaben, Umlagen und Steuern“, heißt es in der Analyse. Daneben könnten Capex-Zuschüsse einen Anreiz für Investitionen in neue Projekte setzen. „Deren Effekt über die Lebenszeit einer Anlage ist allerdings geringer als eine Erhöhung der Volllaststundenzahl“, merken die Autoren an. Letzteres könnte beispielsweise durch Flexibilitätsoptionen beim Grünstrombezug ermöglicht werden.
Bei niedrigen Volllaststunden schlagen die Kapitalkosten voll zu Buche
Betrachtet man die reinen Produktionskosten, so sind diese über den Fixkostenanteil und die variablen Kostenbestandteile beeinflussbar. Mit Blick auf die Fixkosten stehen die Volllaststunden im Blickpunkt. Sofern Elektrolyseanlagen entsprechend dem Ertragsprofil von Wind- und Photovoltaikanlagen – oder längerfristig der negativen Residuallast – betrieben werden, ergeben sich der Studie zufolge typischerweise Volllaststunden im Bereich von 1.000 bis 3.000 h/a. Bei entsprechend niedrigen Volllaststunden ist der Anteil der Kapitalkosten an den Gestehungskosen besonders hoch. „Wird die Elektrolyseanlage hingegen das ganze Jahr nahezu durchbetrieben, ist der Anteil sehr klein und kann bei heutigen Strombezugspreisen vernachlässigt werden, da letztere den Großteil der Kosten ausmachen“, heißt es weiter.
Eine Capex-Förderung von bspw. 50 Prozent könne bei Anwendungsfällen mit 2.000 bis 3.000 Volllaststunden die Wasserstoffgestehungskosten um ca. 0,8 bis 1,2 €/kg senken, rechnen die Autoren beispielhaft vor. Bei Dauerbetrieb der Elektrolyse verteilten sich die Anschaffungskosten dagegen auf eine größere Wasserstoffmenge. So reduzieren sich die Kosten um 1,9 €/kg, wenn die Betriebszeit von 2.000 auf 8.000 Volllaststunden erhöht wird.
Erheblicher Einfluss von Abgaben, Umlagen, Steuern und Netzentgelten auf Strombezugskosten
Blickt man auf die variablen Kostenbestandteile, zeigt sich der erhebliche Einfluss der Abgaben, Umlagen, Steuern und Netzentgelten bei den Strombezugskosten. Nach Einschätzung der Autoren wäre eine Befreiung sachgerecht. „Bei Erzeugung von Wasserstoff mittels Elektrolyse aus Windkraft und Photovoltaik stellt der eingesetzte Strom ein Zwischenprodukt und nicht das Endprodukt dar. Eine Belastung mit Abgaben, Umlagen und Steuern wäre daher sinnvoller auf das Endprodukt anzuwenden (Kraftstoffe, Brennstoffe, Industriegrundstoffe)“, heißt es in der Studie.
Die Studie „Industrialisierung der Wasserelektrolyse in Deutschland: Chancen und Herausforderungen für nachhaltigen Wasserstoff für Verkehr, Strom und Wärme“ wurde durch die Nationale Organisation Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie (NOW GmbH) koordiniert und durch den Projektträger Jülich betreut.
https://www.contextcrew.de/dossier-power-to-gas-fuer-die-energiewende/