Die 3 Preistreiber von grünem Wasserstoff

Grüner Wasserstoff  wird als ein wesentlicher Baustein für eine nachhaltige und klimaneutrale Energieversorgung angesehen. Weder bei der Herstellung noch bei der Nutzung wird Kohlendioxid freigesetzt, der Wasserstoff kann gespeichert und transportiert werden und er eignet sich für die Sektorenkopplung, also die Kopplung von Strom-, Wärme- und Verkehrssektor. Doch kommen diese Vorteile aktuell zu einem hohen Preis: Statista weist für 2019 Wasserstoff-Produktionskosten von 16,50 €/kg aus.

 

Einflussfaktoren für Wasserstoff-Produktionskosten

Die wesentliche Frage für einen wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz von grünem Wasserstoff muss vor diesem Hintergrund lauten: Wie weit lassen sich die Kosten minimieren? Um diese Frage zumindest ein Stück weit besserverstehen zu können hilft ein Blick auf die Zusammensetzung der Wasserstoff-Produktionskosten. Diese werden im Wesentlichen von vier Faktoren bestimmt:

• den Investitionskosten,
• den fixen Betriebskosten,
• den variablen Betriebskosten und
• der Auslastung.

Die Investitionskosten umfassen die Kosten für den Elektrolyseur, die Leistungselektronik, die Hilfssysteme und andere Bauelemente. Sie hängen von der Art der genutzten Elektrolyse und der Größe der Anlage ab. Da die industrielle Fertigung von Elektrolyseuren ein vergleichbar junger Industriezweig ist und entsprechende Anlagen heute noch nicht in großen Stückzahlen geplant werden, geht z.B. das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme davon aus, dass sich die Investitionskosten bis 2030 in etwas halbieren.

Die fixen Betriebskosten werden im Wesentlichen durch die Wartungs- und Personalkosten bestimmt. Damit sind in für diesen Baustein der Wasserstoff-Produktionskosten keine signifikanten Sprünge zu erwarten; eine Entwicklung parallel zur allgemeinen Lohn- Kostenentwicklung scheint hier das wahrscheinlichste Szenario zu sein.

Die variablen Betriebskosten werden von den Stromkosten dominiert, die Kosten für Wasser und anderen in kleinem Mengen benötigte Verbrauchsmaterialien fallen im Vergleich dazu nicht ins Gewicht. Je nach Größe der Anlage und Energiequelle kann der erneuerbare Strom dabei zu Gestehungskosten zwischen 0,03 und 0,17 €/kWh produziert werden.

Der letzte Faktor für die Wasserstoff-Produktionskosten ist die Auslastung der Elektrolyse. Während die variablen Betriebskosten direkt proportional zur Menge des erzeugten Wasserstoffs ist, fallen die fixen Betriebskosten und – über die Abschreibung – die Investitionskosten pauschal pro Jahr an. Die Auslastung, und damit die Menge an hergestelltem Wasserstoff, bestimmt folglich, wie hoch der Anteil dieser beiden Kostenbausteine an den Wasserstoff-Produktionskosten tatsächlich ist. Da ein Betreiber seine Anlage nach Möglichkeit voll auslasten möchte, hängt die Auslastung in erster Linie von der Verfügbarkeit des erneuerbaren Stroms ab.

Zusammenhänge der Wasserstoff-Produktionskosten

Die Wasserstoff-Produktionskosten lassen sich vereinfacht aus den vier Einflussfaktoren und der Dauer der Abschreibung, in der Regel 10 Jahre, nach dieser Formel berechnen:

 

K = V + (F + I / t) / (A * N)

 

K = Wasserstoff-Produktionskosten [€/kg]

V = variable Kosten [€/kg]

F = fixe Kosten [€/a]

I = Investitionsvolumen [€]

t = Dauer der Abschreibung [a]

A = Auslastung [%]

N = nominale Produktion [kg/a]

 

Wie zuvor dargestellt, lassen sich in der Gleichung in erster Linie zwei Faktoren beeinflussen: der Strompreis und damit die variablen Kosten sowie die Auslastung. Die Wasserstoff-Produktionskosten werden dann geringer, wenn die Stromkosten sinken und die Auslastung steigt. Doch leider können diese beiden Einflussfaktoren nicht unabhängig voneinander variiert werden.

In den folgenden Beispielrechnungen für die Wasserstoff-Produktionskosten gehe ich exemplarisch von einer Elektrolyse mit 10 MW Nennleistung und 65% Wirkungsgrad aus, was bei Vollauslastung (100%) einer jährlichen Produktion von etwa 1500 t Wasserstoff entspricht. Als Investitionsvolumen werden 10 M€ bei einer Abschreibungsdauer von 10 Jahre angesetzt und als jährliche Fixkosten werden 150 k€ angenommen. Bei den variablen Kosten wird nur der Strom für die Elektrolyse einbezogen, alle anderen Beiträge werden ignoriert.

Berücksichtigt man, dass die Potenziale für große Wasserkraftanlagen in Deutschland de facto ausgeschöpft sind und das Optimal-Szenario mit einem 10 MW Wasserkraftwerk daher nicht realistisch und folglich ausgegraut ist, erkennt man sehr gut, dass die variablen Kosten und die fixen Kostenbestanteile sich genau gegenläufig verhalten.

Wasserstoff-Produktionskosten optimieren

Vor dem Hintergrund dieser Beispielberechnungen stellt sich die Frage, wie sich die Wasserstoff-Produktionskosten reduzieren lassen um grünen Wasserstoff nicht nur ökologisch, sondern auch wirtschaftlich zu einem interessanten Energieträger zu machen.

Ein wichtiger Faktor ist sicherlich die zu erwartende Degression der absoluten Investitionskosten. Selbst wenn ein Teil dieser Kostenreduktion durch Inflation aufgefressen wird, bleibt der relative Effekt bestehen, da die Inflation auch andere Energieoptionen verteuert.

Während für Elektrolyseure noch deutliche Kostenreduktionen zu erwarten sind, sind die Kostenpotentiale im Bereich der Wind- und Solarenergie weitestgehend aufgebraucht. Damit sind im Bereich der variablen Kosten nur noch geringfügige Einsparpotentiale zu erwarten. Das gilt insbesondere, da die Standorte mit guten Bedingungen für die Stromerzeugung aus Wind und Sonne in Deutschland in näherer Zukunft komplett genutzt werden dürften und damit mehr B- und C-Lagen mit geringerer Ausbeute in die Nutzung gehen werden.

Der letzte Optimierungsfaktor ist somit die Auslastung der Elektrolyseure. Da die Verfügbarkeit von Wind und Sonne nicht beeinflusst werden kann, bieten sich hier zwei Optionen an: die Nutzung von Stromspeichern oder die Kombination mehrerer Stromquellen.

Die Nutzung von Batterien oder vergleichbaren Stromspeichern ist aktuell mit sehr hohen Kosten verbunden. Zwar lässt sich die Auslastung der Elektrolyse auf diesem Weg deutlich steigern, die dazu notwendigen Stromspeicher benötigen jedoch signifikante Zusatzinvestitionen, so dass die Wasserstoff-Produktionskosten unter dem Strich noch weiter steigen.

Erfolgsversprechender ist die Kopplung mehrerer Energiequellen. Bei der Nutzung von Wind-, Solar- und ggf. Wasserkraft in Kombination lässt sich eine deutliche Steigerung der Auslastung bei akzeptablen mittleren Stromkosten erreichen. Allerdings setzt dieses Szenario eine nominelle Überversorgung mit Strom voraus. Folglich muss an sonnigen, Windstarken Tagen ein signifikanter Anteil des Stroms anderweitig vermarktet werden, was ggf. einen Einfluss auf die effektiven Stromkosten hat.

Diese Modellüberlegungen zeigen die Komplexität in der Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff. Kontaktieren Sie uns, wenn Sie tiefer in diese Thematik einsteigen wollen, oder folgen Sie uns auf LinkedIn für regelmäßige Updates rund um das Thema Wasserstoff.