Sauberer Wasserstoff für 1,50 $/kg könnte eine erhebliche Dekarbonisierung fördern. Was braucht es, um das Ziel mit erneuerbarer Elektrizität zu erreichen?
Wasserstoff, der für 1,50 $/kg hergestellt wird, könnte die wettbewerbsfähigste Dekarbonisierungsoption für einen erheblichen Teil des weltweiten Energiebedarfs sein. Was ist nötig, um diesen Kostenpunkt für sauberen, aus erneuerbarer Elektrizität hergestellten Wasserstoff zu erreichen? Wahrscheinlich wird es monumentale technologische Verbesserungen erfordern, wenn wir nur überschüssigen Strom aus erneuerbaren Energien verwenden, der sonst gedrosselt werden würde. Und wenn wir große Mengen an erneuerbarem Wasserstoff zu diesen Kosten zur Verfügung haben wollen, brauchen wir eine eigene Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien zu sehr niedrigen Preisen, nicht nur "überschüssigen" Strom. Der Grund dafür ist folgender: Im Grunde ist erneuerbarer Wasserstoff eine Erweiterung der erneuerbaren Elektrizität, wie Solar- und Windenergie, und solange diese nicht sehr billig und reichlich vorhanden sind, wird erneuerbarer Wasserstoff auch nicht billig und reichlich vorhanden sein.
Der Grund dafür liegt darin, wie erneuerbarer Wasserstoff hergestellt wird. Ein Gerät namens Elektrolyseur spaltet mit Hilfe von Strom Wassermoleküle in Wasserstoff- und Sauerstoffmoleküle auf. Um ein Kilogramm Wasserstoff auf diese Weise zu erzeugen, werden etwa 52 Kilowattstunden Strom benötigt, mehr oder weniger. (Die tatsächlichen Schätzungen der Effizienz variieren und hängen unter anderem davon ab, was in der Systemdefinition enthalten ist).
Ausgehend von diesem grundlegenden Wirkungsgrad können wir einige grundlegende Berechnungen anstellen. Wenn Sie einen Elektrolyseur besitzen und Wasserstoff aus erneuerbaren Energien herstellen wollen, kostet Sie der Strom aus erneuerbaren Energien fünf US-Cent pro Kilowattstunde (5 Cent/kWh), und allein die Kosten für den Kauf dieses Stroms führen zu Wasserstoffproduktionskosten von 2,60 $/kg. Die geschätzten durchschnittlichen Stromgestehungskosten (Levelized Cost of Electricity, LCOE) für neue Windparks in den USA im Jahr 2019 liegen bei 3,5 Cent/kWh. Wenn Sie diesen Preis für Strom zahlen würden, würde Ihr Wasserstoff 1,82 $/kg kosten, bevor Sie andere Produktionskosten wie den Kauf und Betrieb eines Elektrolyseurs berücksichtigen.
Wie viel trägt der Elektrolyseur selbst zu den Kosten für erneuerbaren Wasserstoff bei? Die Meinungen dazu gehen weit auseinander. Eine kürzlich in den Niederlanden durchgeführte Studie beziffert die Kosten für ein sehr großes Projekt auf 1400 Euro pro Kilowatt (etwa 1700 $/kW). Die Analysten von Bloomberg New Energy Finance gehen davon aus, dass die Kosten bis 2030 auf 115 $/kW sinken könnten. Das ist natürlich eine enorme Spanne, über die in politischen Kreisen viel spekuliert wird. Als Anhaltspunkt gibt die Internationale Energieagentur an, dass Elektrolyseure heute 900 $/kW kosten und die Kosten bis 2030 auf 700 $/kW sinken könnten.
Schauen wir uns einmal an, was diese Zahlen für die Kosten von erneuerbarem Wasserstoff bedeuten könnten. Wenn Sie einen Elektrolyseur zu dem von der IEA angegebenen Preis von 900 $/kW kaufen und ihn über mehrere Jahrzehnte zu einem handelsüblichen Zinssatz für Fremd- und Eigenkapital finanzieren würden, könnte er Sie jährlich 85 $ an Kapitalrückfluss für jedes gekaufte kW Kapazität kosten. (Dies entspricht einem Kapitalrückflussfaktor von etwas mehr als 9 %, was in etwa dem entspricht, was die IEA in ihren Analysen annimmt). Wenn Sie den Elektrolyseur nur einen Tag im Jahr betreiben würden, würden sich die Kosten für den Elektrolyseur auf etwa 200 $ pro Kilogramm erzeugten Wasserstoff belaufen. Das würde natürlich niemand tun!
Wie oft eine Kapitalinvestition wie ein Elektrolyseur tatsächlich läuft, wird im Kapazitätsfaktor erfasst, der in der Regel als Prozentsatz des 24/7/365-Betriebs ausgedrückt wird. Neuere große Windenergieprojekte in den USA haben einen jährlichen Kapazitätsfaktor von etwa 40 %. Kernkraftwerke haben oft einen jährlichen Kapazitätsfaktor von über 90 %. Bei PV-Solarprojekten in Kalifornien liegt er eher bei 25 %.
Das ist viel besser als ein Tag pro Jahr, und wenn man erneuerbaren Strom aus einer dieser Quellen bezieht, produziert man viel mehr als nur den Wert eines Tages an erneuerbarem Wasserstoff. Bei einem jährlichen Kapazitätsfaktor von 40 % für Windkraft belaufen sich die Investitionskosten für den Elektrolyseur von 900 $/kW auf etwa 1,25 $/kg Wasserstoff bzw. 1,45 $/kg, wenn man ein wenig Betriebs- und Wartungskosten einbezieht.
Die Gesamtkosten für die Herstellung von Wasserstoff setzen sich aus den jährlichen Kosten für die Finanzierung und Wartung des Elektrolyseurs und dem Kauf des erneuerbaren Stroms für dessen Betrieb zusammen. Wenn Sie einen Elektrolyseur zu dem von der IEA angegebenen heutigen Preis von 900 $/kW kaufen, etwas mehr als 9 % Kapitalrückfluss pro Jahr plus einige Betriebskosten zahlen und ihn von einem typischen US-Windpark versorgen, der Strom mit einem Kapazitätsfaktor von 40 % erzeugt, und für diesen Strom durchschnittlich 3,5 Cent/kWh zahlen, dann würde Ihr Wasserstoff 3,27 $/kg kosten (1,82 $/kg + 1,45 $/kg). Eine auf das Klima ausgerichtete Politik muss die Produktion auf diesem Kostenniveau kurzfristig unterstützen, aber wir müssen diese Kosten senken.
In der nachstehenden Abbildung sind die Auswirkungen möglicher Verbesserungen des Elektrolyseurs auf die Wasserstoffproduktionskosten als Funktion des Preises für sauberen Strom und des Kapazitätsfaktors dargestellt. Die durchgezogene Linie gilt für den heutigen IEA-Elektrolyseur und die Kombination aus dem Preis für erneuerbaren Strom und dem Kapazitätsfaktor für erneuerbaren Strom, die 1,50 $/kg Wasserstoff ergibt. Oberhalb und links der durchgezogenen Linie kostet die Herstellung von Wasserstoff mit dem heutigen IEA-Elektrolyseur mehr als 1,50 $/kg. Unterhalb und rechts von dieser Linie kostet die Herstellung von Wasserstoff aus diesem Elektrolyseur weniger als 1,50 $/kg.
Um Wasserstoff aus erneuerbaren Energieträgern für 1,50 $/kg zu produzieren, muss entweder kostenloser Strom aus erneuerbaren Energieträgern zur Verfügung stehen, um den Elektrolyseur mit einem Kapazitätsfaktor von fast 40 % zu betreiben, oder der Strom darf nicht mehr als 1,8 Cent/kWh kosten, wenn er mit einem Kapazitätsfaktor von 100 % zur Verfügung steht, und noch weniger, wenn er mit einem Kapazitätsfaktor von weniger als 100 % verfügbar ist. Diese Kombination aus hohem Kapazitätsfaktor und kostenlosem oder sehr günstigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen ist einfach nicht verfügbar.
Glücklicherweise ist das noch nicht das Ende der Geschichte. Die gestrichelte Linie in der Abbildung zeigt, was passiert, wenn die Kosten für den Elektrolyseur auf die von der IEA für 2030 angegebenen 700 $/kW fallen. (Die Linie spiegelt auch eine bescheidene Verbesserung des Wirkungsgrads der Elektrolyseure bis zu diesem Zeitpunkt wider). Mit dieser Änderung können Sie es sich leisten, etwas mehr als 2,2 Cent/kWh für Strom aus erneuerbaren Energien zu zahlen, wenn Sie ihn zu diesem Preis 24/7/365 kaufen. Umgekehrt brauchen Sie nur Strom aus erneuerbaren Energien mit einem Kapazitätsfaktor von etwas weniger als 30 %, wenn er kostenlos ist.
Das ist immer noch keine Kombination aus Kapazitätsfaktor und Preis, wie sie für Strom aus erneuerbaren Energien allgemein verfügbar ist. Aber die Richtung dessen, was mit besseren Elektrolyseuren möglich ist, ist klar. Und obwohl es in der Abbildung nicht dargestellt ist, können wir berechnen, was passieren würde, wenn ein Elektrolyseur für die sehr niedrigen Kosten von 115 $/kW verfügbar wäre. Bei diesem Preis müsste kostenloser Strom aus erneuerbaren Energiequellen nur mit einem jährlichen Kapazitätsfaktor von etwa 5 % verfügbar sein, um 1,50 $/kg Wasserstoff zu erzeugen. Kostenloser Strom aus erneuerbaren Energiequellen mit einem Kapazitätsfaktor von 5 % ist vergleichbar mit der Einschränkung oder dem Überschuss an erneuerbarer Energie in einigen Gebieten mit einem sehr hohen Anteil an erneuerbarer Energie. Dies deutet darauf hin, dass, wenn die Kosten für Elektrolyseure drastisch gesenkt werden können, in Verbindung mit überschüssigem Strom zu extrem niedrigen Kosten, Wasserstoff aus erneuerbaren Energien für 1,50 $/kg möglich sein könnte.
Das Problem bei der Verwendung von nahezu kostenlosem überschüssigem Strom aus erneuerbaren Energiequellen für die Wasserstofferzeugung in großem Maßstab (abgesehen von der Notwendigkeit eines sehr kostengünstigen Elektrolyseurs) besteht darin, dass die Mengen an Wasserstoff, die wir aus diesen Überschüssen erzeugen können, wahrscheinlich recht begrenzt sein werden. Grundsätzlich ist die Einschränkung der Stromerzeugung wahrscheinlich keine skalierbare Quelle für billige Energie. Die überschüssige Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien stellt entweder einen Kostenfaktor für das übrige Stromsystem dar oder es entwickeln sich Märkte für die Nutzung der überschüssigen Stromerzeugung, wobei der Wettbewerb um diese Ressource den Preis erhöht. So oder so, ohne einen ausufernden und kostspieligen Überbau der erneuerbaren Energien dürften die Mengen an Wasserstoff, die wir aus abgeschalteter erneuerbarer Erzeugung produzieren können, bestenfalls bescheiden ausfallen.
Am sehr optimistischen Ende des Kostenspektrums für Elektrolyseure könnte jedoch Strom aus erneuerbaren Energien mit Preisen von bis zu 2,4 Cent/kWh zu einem Preis von 1,50 $/kg Wasserstoff führen, wenn dieser Strom mit einem jährlichen Kapazitätsfaktor von etwa 30 % verfügbar ist. Einige Solar-PV-Projekte im Südwesten der USA scheinen sich diesem LCOE und Kapazitätsfaktor zu nähern. Auch bei der Windenergie sind drastische Verbesserungen zu verzeichnen, auch wenn sie sich vielleicht abflachen. In den 5 Jahren nach 2009 sind die LCOE für US-Wind um 47 % gesunken. In den darauffolgenden 5 Jahren bis 2019 sanken die LCOE um weitere 27 %.
Um solch extrem niedrige Kosten für Elektrolyseure zu erreichen, sind wahrscheinlich enorme Entwicklungs- und Einsatzanstrengungen erforderlich. Die von einigen Analysten angenommenen Kosten von 115 $/kW beruhen auf einer Extrapolation der Lernkurve von einer bereits niedrigen Basis, die nicht die US-Installationen widerspiegelt und keine Kosten für Ausrüstung wie Leistungselektronik enthält, die allein für ähnliche Projekte erheblich sein können. Wir sollten uns darauf einstellen, dass wir 250 $/kW oder 500 $/kW oder mehr zahlen müssen, um Elektrolyseure in den nächsten Jahrzehnten auf breiter Front einzusetzen. Das kann das Thema eines anderen Beitrags hier sein. Wenn wir uns jedoch in Richtung solcher kostengünstigen Elektrolyseure bewegen können, können wir damit beginnen, erschwinglichen erneuerbaren Wasserstoff mit erneuerbarem Strom zu realistischen Preisen in großem Maßstab zu produzieren, und das wird sehr gut für den Klimaschutz sein.
