Die Hersteller von Elektrolyseuren sind sich einig über das Ziel, die Investitionskosten vor allem durch Skaleneffekte rasch zu senken. Einige umfassen große Einheiten, während andere auf Quantität über Größe setzen. Der erste Ansatz ist für Betreiber großer PV-Anlagen attraktiv, während letzterer für Betreiber kleiner Systeme besser geeignet ist.
21. MÄRZ 2020 CORNELIA LICHNER
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Deutschlands größte Ölraffinerie in Wesseling bei Köln verbraucht jährlich 180.000 Tonnen Wasserstoff. Shell plant die Installation des weltweit größten Protonenaustauschmembransystems für die Wasserstoffproduktion am Standort.
Bild: Muschel Rheinland
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Aus dem pv magazine 03/2020
Jan-Justus Schmidt hat nichts weniger als eine kleine Revolution in der Wasserstoffwirtschaft angekündigt. Ein kleines Gerät von der Größe eines Mikrowellenofens würde es jedem Haushalt ermöglichen, das chemische Element herzustellen. Der Gründer und CEO von Enapter sagt, dass die Geräte bereits Wasserstoff für weniger als 7 / kg produzieren können. Vor dem Jahr 2030 will er diese Zahl auf 1,50 / kg senken.
Es schien lange eine utopische Vision zu sein - kann Schmidt erreichen, was viele vor ihm versucht haben und was nicht? Kann er ein System schaffen, das Wasserstoff für den Eigenverbrauch und zur saisonalen Speicherung erzeugt und so eine vollständige Selbstversorgung mit Energie erreicht? Die angestrebten Kosten sind vielversprechend, vorausgesetzt, es gibt billigen Ökostrom für die Stromversorgung der Elektrolyseure.
Schmidt ist nicht der einzige, der diese Revolution verfolgt. Mehrere kleine und große Unternehmen stehen am Start. Zentral versus verteilt ist nicht nur ein Problem bei der Stromerzeugung. Es gibt auch lebhafte Debatten darüber, welcher Ansatz für die Produktion von grünem Wasserstoff vielversprechender ist.
Einsparpotential
Die Erzeugung von Wasserstoff ist im Prinzip einfach. Die Elektrolyse gibt es seit 1800. Die als alkalische Elektrolyse bekannte Methode wird seit Mitte des 20. Jahrhunderts kommerziell eingesetzt. Es verwendet eine Zelle mit einer Kathode, einer Anode und einem Elektrolyten auf der Basis einer Lösung von Ätzsalzen. Beim Anlegen einer Spannung zersetzt sich Wasser in der alkalischen Lösung. An der Kathode entsteht Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich eine Membran, durch die nur negativ geladene Sauerstoff- und Wasserstoffionen (OH-) hindurchtreten und so die Gase trennen können. Während der Reaktion wird Wärme erzeugt, die, wenn sie genutzt wird, ihre Effizienz erhöht. Der erhaltene Wasserstoff muss dann gereinigt, getrocknet und gegebenenfalls komprimiert werden.
Der Elektrolyt ist flüssig, was bedeutet, dass der alkalische Elektrolyseur mehr periphere Ausrüstung erfordert, wie z. B. Pumpen für den Elektrolyten, Waschen der Lösung und Vorbereitung. Obwohl es derzeit das billigste aller zu kaufenden Elektrolyseverfahren ist, sind die Wartungskosten relativ hoch.
Das viel neuere Elektrolyseverfahren, bei dem eine Protonenaustauschmembran (PEM) verwendet wird, ist anders. Es kehrt das Brennstoffzellenprinzip um und benötigt keinen flüssigen Elektrolyten. Wasser wird durch einen Stapel von zwei Elektroden und eine Polymermembran gepresst. Es lassen nur positiv geladene Wasserstoffprotonen durch. Platin wird üblicherweise als Katalysator in der Zelle verwendet. Die dünnen Zellen, die aus einer Membran und einem Elektrodenpaar bestehen, können in Stapeln angeordnet werden, um eine bessere Leistung zu erzielen. Im Vergleich zur alkalischen Elektrolyse hat die PEM-Elektrolyse den Vorteil, schnell auf die für die Erzeugung erneuerbarer Energie typischen Schwankungen zu reagieren. Diese Technologie wird häufig für verteilte Systeme verwendet, da die Geräte wartungsarm sind und qualitativ hochwertiges Gas liefern.
Eine neuere Variante ist die von Enapter verwendete Anionenaustauschmembran (AEM) -Elektrolyse. Wie bei der alkalischen Elektrolyse können bei dieser Methode negativ geladene Ionen (OH-) durch die Membran gelangen. AEM vermeidet die Verwendung der teuren Edelmetalle, die als Katalysatoren bei der PEM-Elektrolyse benötigt werden. Das Verfahren ist auch in kleineren Maßstäben effektiv und eignet sich daher für dezentrale Anwendungen.
Die Hochtemperaturelektrolyse verwendet ein etwas anderes Konzept. Keramikmembranen, die Ionen bei sehr hohen Temperaturen leiten, trennen überhitzten Dampf bei 600 bis 800 Grad Celsius in Sauerstoff und Wasserstoff. Da der größte Teil der für diesen Prozess benötigten Energie bereits durch Wärme bereitgestellt wird, ist der elektrische Energiebedarf geringer. Wenn industrielle Abwärme verwendet wird, die wenig oder gar nichts kostet, kann diese Methode sehr effizient sein. Gemessen am elektrischen Eingang ist sein Wirkungsgrad höher als bei anderen Methoden.
Preisstrategie
Letztendlich ist Effizienz jedoch nur indirekt wichtig; Am wichtigsten sind die Kosten. Die Gesamtkosten umfassen die Kosten für den Elektrolyseur, einschließlich Wartung und Austausch abgenutzter Membranen, den Preis für den für den Prozess verwendeten Strom und alle nachfolgenden Kosten für das Trocknen, Reinigen und Komprimieren des Gases sowie den Transport.
In einer Studie von Fraunhofer ISE und IPA aus dem Jahr 2018 wurden die Investitionskosten für einen PEM-Elektrolyseur, der in einer Stunde einen Standardkubikmeter Wasserstoff produziert, auf rund 7.000 Euro geschätzt. In der Zwischenzeit sind die Preise jedoch auf 4.500 bis 5.500 Euro gefallen, sagt Tom Smolinka, Leiter der Abteilung für chemische Energiespeicherung am Fraunhofer ISE und einer der Autoren der Studie. Die alkalischen Elektrolyseure, die zum Zeitpunkt der Studie 3.000 und 5.500 Euro kosteten, sollen in China inzwischen erheblich günstiger sein. Zum Zeitpunkt der Durchführung der Studie gab es im Wesentlichen keine marktreifen Anwendungen für die Hochtemperaturelektrolyse.
Smolinka schätzt, dass die Produktion einer Membranelektrodeneinheit - das Herzstück einer PEM-Elektrolysezelle - 60-70% der Gesamtkosten ausmacht, während die reinen Materialkosten - einschließlich der teuren Edelmetalle - nur 30-40% ausmachen. Darüber hinaus sei die in großen Elektrolyseuren verwendete Leistungselektronik derzeit noch kein Massenprodukt, sondern ein kundenspezifisches Einzelstück. Dementsprechend dürften die Preise bei steigenden Verkaufsmengen dramatisch fallen. Bis jetzt wurden die meisten Elektrolyseure in Arbeitsprozessen hergestellt, die wenig Automatisierung oder sogar vollständig von Hand erfordern, sagt Smolinka. "Eine hochautomatisierte Produktion, insbesondere für Zellkomponenten, wie sie bereits für PEM-Brennstoffzellen existiert, wäre technisch kein Problem." Er fügt jedoch hinzu,
Investitionskosten
Eine Reihe von Marktteilnehmern arbeitet daran, die Investitionskosten zu senken. Ein Beispiel hierfür ist das Joint Venture zwischen ITM Power und Linde, das in diesem Jahr eine halbautomatische Fabrik in Sheffield, Großbritannien, eröffnen will, um 1 GW Elektrolysekapazität pro Jahr zu produzieren, hauptsächlich für Multi-Megawatt-Projekte wie das eine in Köln. Andere bekannte Unternehmen haben ebenfalls Großprojekte angekündigt und erweitern die Produktion. NEL beispielsweise bereitet sich derzeit auf ein 20-MW-Projekt in Dänemark vor, und Hydrogenics bereitet den Start eines Projekts in Smiliar-Größe in Kanada vor. Neben der Projektgröße verbessert sich auch die Stapelleistung. Derzeit sind Stapel im Allgemeinen mit einer elektrischen Eingangsleistung von 400 kW erhältlich. Bald wollen einige der Spieler diese Kapazität auf 1 MW erhöhen. Durch Skalieren der Größe sollten die Kosten gesenkt werden.
Enapter verfolgt einen anderen Ansatz. Das italienisch-deutsche Unternehmen ist fest entschlossen, ein kleines standardisiertes Produkt zu entwickeln, das in immer größeren Mengen hergestellt und bei Bedarf nebeneinander installiert werden kann. Gründer und CEO Schmidt zieht Parallelen zur Computerwelt, um die Plausibilität des Konzepts zu veranschaulichen. Verteilte PCs haben Mainframe-Computer weitgehend ersetzt, da sie aufgrund ihres hohen Produktionsvolumens billiger herzustellen waren als eine kleine Anzahl von Mainframe-Computern. In ähnlicher Weise wird erwartet, dass das Enapter-Produkt die Kosten im Vergleich zu den großen Zentralelektrolyseuren senkt, die nicht industriell hergestellt werden.
Diese Diskussion darüber, ob das Ziel durch Skalieren auf größere Einheiten in kleineren Mengen oder durch Skalieren auf größere Mengen kleinerer Einheiten schneller erreicht wird, ist in vielen Branchen üblich. Skeptiker sagen, dass der letztere Ansatz für Elektrolyseure aus physikalischen Gründen nicht so vielversprechend ist. Im Gegensatz zu Computern würde sich die Leistung von Elektrolyseuren nicht um ein Vielfaches erhöhen, da sie verkleinert würden. Andererseits könnte mit der AEM-Elektrolyse die mögliche Eliminierung von Edelmetallen die dezentrale Erzeugung für den Massenmarkt lebensfähig machen.
Bei einem aktuellen Preis von 9.000 Euro liefert das Gerät einen halben Kubikmeter Wasserstoff pro Stunde oder ein Kilogramm Wasserstoff alle 24 Stunden. Mit einer angestrebten Lebensdauer von 30.000 Stunden erreicht das Gerät derzeit einen Preis von 6,70 / kg, was 0,17 / kWh (Heizwert) entspricht. In diesen Zahlen ist jedoch nicht der Preis für die 54 kWh Strom enthalten, die zur Erzeugung von 1 kg Wasserstoff mit AEM-Elektrolyse erforderlich sind. Wenn wir beispielsweise davon ausgehen, dass der Eingangsstrom 0,05 / kWh kostet, erhöht dies die Produktionskosten um weitere 2,75 / kg oder 0,07 / kWh Wasserstoff.
Sobald die automatisierte Produktion am Standort Pisa in vier Jahren planmäßig startet, wird der Elektrolyseur so günstig sein, dass das Ziel von 1,50 Euro pro Kilogramm abzüglich Stromkosten erreicht wird, sagt Schmidt. An diesem Punkt hoffen die Entwickler, dass es sich nicht nur lohnt, das Gerät für die verteilte Generierung zu verwenden, sondern auch größere Aggregate wie im Computerbeispiel zusammenzusetzen. Durch die Installation von 416 Einheiten würde eine Leistung von 1 MW erreicht.
Quelle der Unsicherheit
Die Lebensdauer der Geräte ist in allen Kostenvoranschlägen enthalten, die wie bei jeder neuen Technologie nicht einfach nachzuweisen sind. Zum Beispiel ist es unmöglich zu überprüfen, ob ein AEM-Elektrolyseur wirklich 30.000 Stunden und ein PEM-Elektrolyseur zwischen 60.000 und 80.000 Stunden hält, wie die Hersteller behaupten. Schmidt von Enapter und Tom Smolinkas Forschern sind sich jedoch einig, dass AEM- und PEM-Zellen im Laufe der Zeit kaum altern. Auch ob der Elektrolyseur unter Volllast oder nur mit halber Leistung läuft, spielt keine Rolle.
Letztendlich ist die Membran selbst nicht der einzige Faktor, der die Lebensdauer bestimmt. Der größte Einfluss auf die Lebensdauer ist die Wasserqualität, sagt Smolinka. In den feinen Poren der Membran sammeln sich Verunreinigungen an, die sie blockieren oder bei Salzen Brücken bilden.
Ein weiterer Faktor, der Elektrolysezellen verklebt, ist die Temperatur. Übermäßige Belastungen führen zu höheren Temperaturen im gesamten System, und ungleichmäßig beschichtete Elektroden können heiße Stellen erzeugen.
Areva H2Gen wird diese Herausforderung in den nächsten drei Jahren angehen. In einem Forschungsprojekt im Industriepark Höchst setzt das Unternehmen einen 1 MW PEM-Elektrolyseur ein. Neben der Wasserstoffproduktion wird es künftig auch Primärsteuerleistung liefern, was bedeutet, dass es manchmal mit der doppelten Kapazität betrieben wird, zu anderen Zeiten nur mit einem Bruchteil seiner 250 kW-Kapazität. Wenn sich das Konzept als praktikabel erweist, eröffnet es nicht nur den Betreibern von Elektrolyseanlagen zusätzliche Einnahmen, sondern könnte auch zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen.
Nach Kostenberechnungen von Projektmanager Lucas Busemeyer kann das Kostenziel von Enapter bereits heute mit der zentralen Einheit von Areva H2Gen erreicht werden. Bei kontinuierlicher Nutzung der Anlage - 8.000 Betriebsstunden pro Jahr über einen Zeitraum von 20 Jahren - ist ein Wasserstoffpreis von 3,60 / kg bei einem Strompreis von 0,05 / kWh erreichbar. Diese Schätzung geht davon aus, dass der PEM-Stapel nach 10 Jahren einmal ersetzt wird.
Deutliche Reduzierungen
Da die Stromkosten ein entscheidender Faktor für die gesamten Erzeugungskosten sind, können die Technologie und ihre Nutzung nicht voneinander getrennt werden. Jeder, der Ökostrom aus dem Netz kauft, sei es über PPAs oder als zertifizierter Ökostrom, muss Anschlussgebühren, Abgaben und Zuschläge auf den Strompreis berücksichtigen, unabhängig von den gesetzlichen Bestimmungen. Der Elektrolyseur kann jedoch direkt an ein bestehendes Gas- oder Wasserstoffnetz angeschlossen werden, wie dies bei Shell und Areva H2Gen in Höchst der Fall ist.
Betreiber, die mit kleineren Solarsystemen Wasserstoff erzeugen, können die Wärme möglicherweise nutzen und damit die Wirtschaftlichkeit steigern und den Kraftstoff auch direkt zum Heizen oder Betanken von Fahrzeugen verwenden, ohne ihn transportieren zu müssen. Diese Produzenten sparen auch einen Teil der Abgaben und Zuschläge auf den Strompreis und verringern die Belastung des Netzes.
Grundsätzlich müssen Anleger, die nur Solarenergie für den Betrieb des Elektrolyseurs nutzen möchten, eine längere Amortisationszeit akzeptieren, da die Energie nur für eine geringe Anzahl von Volllaststunden zur Verfügung steht.
Mit Hochtemperaturgeräten mit den höchsten elektrischen Wirkungsgraden von 80% bis 90% kann der Stromverbrauch für die Elektrolyse erheblich gesenkt werden. Einer der Pioniere für diese Technologie ist Sunfire aus Dresden. Anstelle von 55 kWh wie bei der PEM-Elektrolyse werden nur 41,4 kWh Strom benötigt, um 1 Kilogramm Wasserstoff zu erzeugen. Dazu muss jedoch die Elektrolysezelle erwärmt werden. Es ist daher eine gute Idee, sie dort zu installieren, wo industrielle Abwärme erzeugt wird, beispielsweise in Stahlwerken. Wenn die Stahlproduktion CO 2 sein soll-freie Sektorkopplung ist perfekt, da der erzeugte Wasserstoff sofort verbraucht werden kann. Mit der von Sunfire verwendeten Sauerstoffmembran kann nicht nur Wasser zur Erzeugung von Wasserstoff gespalten werden, sondern jedes sauerstoffhaltige Molekül wie Kohlenwasserstoffe oder sogar Kohlendioxid kann abgetrennt werden, sagt Nils Aldag, COO von Sunfire. Das entstehende Gas kann leicht zu synthetischem Rohöl verarbeitet werden, das viel einfacher zu transportieren ist als sperriger Wasserstoff.
Die Frage der zentralisierten oder verteilten Elektrolyse wird am Ende wahrscheinlich nicht entweder / oder, sondern beides / und sein. Die Aufgabe ist enorm. Allein die Raffinerie Shell Rheinland in Köln, die nach Angaben des Unternehmens die größte Raffinerie in Deutschland ist, benötigt 180.000 Tonnen Wasserstoff pro Jahr. Es wird immer noch hauptsächlich durch Dampfreformierung aus Erdgas erzeugt, das viel klimaschädliches CO2 erzeugt. Seit Mitte 2019 baut das Unternehmen im Werk Wesseling eine 10-MW-Elektrolyseanlage. Laut Shell wird dort die weltweit größte Anlage mit Protonenaustauschmembrantechnologie installiert. Und doch wären rund 140 solcher Anlagen notwendig, damit nur dieses eine Unternehmen auf grünen Wasserstoff umsteigen kann.
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