Die Bedeutung von Elektrolyseuren für die Energiewendeforschung nimmt in der heutigen Zeit immer weiter zu. Doch können Elektrolyseprodukte in der Praxis mit fossilen Brennstoffen konkurrieren? Mit dieser Frage beschäftigt sich eine aktuelle Kurzanalyse von Energy Brainpool im Auftrag von Greenpeace Energy eG.

Was kostet Elektrolysewasserstoff aus einer heutigen Anlage?

Die Produktionskosten von Elektrolysegas belaufen sich bei ökologisch sinnvollem, netzdienlichem Anlagenbetrieb aktuell auf etwa 18 ct/kWh. Erläuterungen hierzu finden Sie in der vollständigen Studie. Im Vergleich:  Die Herstellung von Wasserstoff fossilen Ursprungs kostet gemäß FFE etwa 4 ct/kWh. Damit kann Elektrolysewasserstoff aktuell nicht zu wettbewerbsfähigen Preisen angeboten werden. Dies ist zurückführbar auf die bislang sehr hohen Fixkosten. Zukünftig werden sich die Investitions- und Betriebskosten verringern und damit die Fixkosten senken. Die Fixkosten über die Lebensdauer des Elektrolyseurs variieren stark abhängig von der Anzahl an Vollbenutzungsstunden. Beispielsweise ergibt eine Anzahl von 3.000 Vollbenutzungsstunden Fixkosten in Höhe von knapp 13 ct/kWh. Kommen noch EEG-Umlage und Netzentgelte hinzu, so entstehen Vollkosten von bis zu 38 ct/kWh, wie Abbildung 1 zeigt.

Produktionskosten für Elektrolysegas (PtG: Power-to-Gas) bei einer heutigen Anlage und ökologisch sinnvollem, netzdienlichem Betrieb (3.000 Vollbenutzungsstunden) je nach Einordnung von PtG als Sektorkopplungstechnologie oder als Endverbraucher

Abbildung 1: Produktionskosten für Elektrolysegas (PtG: Power-to-Gas) bei einer heutigen Anlage und ökologisch sinnvollem, netzdienlichem Betrieb (3.000 Vollbenutzungsstunden) je nach Einordnung von PtG als Sektorkopplungstechnologie oder als Endverbraucher, Quelle: Energy Brainpool

Eine Möglichkeit, Elektrolysewasserstoff zu verwenden, ist es, bis zu zehn Prozent Wasserstoff in das Erdgasnetz einzuspeisen. Dies ist, im Vergleich zu aktuellen Erdgaspreisen von 1,7 ct/kWh (Schlusspreis NCG für eine Gaslieferung 2019 am 7. März 2018), bislang nicht wirtschaftlich. Darüber hinaus kann Elektrolysewasserstoff fossilen Wasserstoff in der Industrie ersetzen.

Wie entwickeln sich die Kosten von Elektrolysegas und fossilem Erdgas bis 2040?

Durch stetige Anwendung und industrielle Weiterentwicklung von Elektrolyseuren besteht nicht nur großes Potenzial, dass die Kosten weiter fallen. Ein weiterer Nebeneffekt: die technische Lebensdauer und der Wirkungsgrad können gesteigert werden. In der Kurzanalyse vergleicht Energy Brainpool drei Szenarien für die Entwicklung der Vollkosten. Folgenden Fall erachten die Marktexperten als am sinnvollsten: Elektrolyseure laufen in einem Stromsystem mit hohen Anteilen erneuerbarer Energie nur in den immer häufiger auftretenden Phasen, in denen Anlagen einen Überschüss an erneuerbarem Strom erzeugen. Dieses Gas kann dann bei Auftreten einer Dunkelflaute verwendet werden. Der Überschussstrombezug ist zu sehr niedrigen Strompreisen möglich. In der Kurzanalyse werden durchschnittlich 3 EUR/MWh angenommen. Ein solch günstiger Strombezug ist auch Voraussetzung für die damit einhergehende Wettbewerbsfähigkeit. Das aktuelle Umlagen- und Abgabensystem für Stromverbraucher ermöglicht diesen günstigen Überschussstrombezug noch nicht. Dazu muss das System angepasst werden.

Im Gegensatz zu sinkenden Produktionskosten für Elektrolysegas ist für fossiles Erdgas damit zu rechnen, dass die Kosten steigen. Das gilt insbesondere für Preisszenarien, in denen die Klimaziele der Energiewirtschaft erreicht und somit CO2-Emissionen deutlich teurer werden. Für die Berechnung wird der sogenannte „Graugas“-Preis, das heißt der effektive Preis für Erdgas, herangezogen: Beispielsweise verdoppeln sich im Szenario „Sustainable Development“ der Internationalen Energieagentur von 2017 die Kosten von „Graugas“ bis 2040 auf 4,19 ct/kWh.  Dies hängt mit erhöhten Erdgas- und CO2-Preisen für das Jahr 2040 (2,1 ct/kWh bzw. 107 EUR/tCO2) zusammen.

Wird Elektrolysegas günstiger als fossiles Erdgas?

Zwar hat fossiles Erdgas bei Förder- und Transportkosten prozessbedingt Vorteile gegenüber Elektrolysegas. Jedoch ist die Kostensteigerung im Zuge der Defossilisierung der Energiewirtschaft nicht zu vernachlässigen. Abbildung 2 zeigt, wie die Preiserwartung für „Graugas“ und damit die Produktionskosten von aus „Graugas“ produziertem Wasserstoff steigen. Elektrolysegas hingegen erfährt eine Kostendegression auf bis zu 2,1 ct/kWh, abhängig von dem Erneuerbaren-Energien-Anteil. Diese sinkenden Kosten sorgen für einen wirtschaftlicheren Betrieb des Elektrolyseurs bei geringeren Vollbenutzungsstunden. Sinkende Fixkosten und fallende Kosten für erneuerbaren Strombezug  ermöglichen diese Entwicklung. Überschussstrom in Stromsystemen mit einem hohen Anteil von 80 bis 100  Prozent erneuerbarer Energien (Fall A in Abbildung 2) sorgt dafür, dass Elektrolyseure Strom verbrauchen, der sonst nicht vermarktet werden könnte (vgl. Zeitreihenanalysen von Energy Brainpool). Das verkleinert die Strombezugspreise. Weitere denkbare Szenarien sind: eine ergänzende Zahlung von fixen Strompreiskomponenten für flexibel verbrauchten Überschussstrom (Fall B in Abbildung 2) oder der Fall von Offgrid-Elektrolysegasfarmen (angelehnt an eine aktuelle Untersuchung im Auftrag von Agora Energiewende). Dies entspricht Fall C in Abbildung 2. Beide sind weniger effizient bzw. systemdienlich als Fall A des Überschussstrom-Elektrolyseurs. Sie vermindern die Wettbewerbsfähigkeit für Elektrolysegas mitunter deutlich.

Künftige Entwicklung der Produktionskosten von Elektrolysegas für drei Betriebsszenarien und Kosten für die Nutzung von fossilem Erdgas inklusive CO2-Zertifikate ("Graugas") gemäß World Energy Outlook 2017 „Sustainable Development“

Abbildung 2: Künftige Entwicklung der Produktionskosten von Elektrolysegas für drei Betriebsszenarien und Kosten für die Nutzung von fossilem Erdgas inklusive CO2-Zertifikate (“Graugas”) gemäß World Energy Outlook 2017 „Sustainable Development“, Quelle: Energy Brainpool

Die Auswertungen zeigten, dass die Produktion von Elektrolysegas ab Mitte der 2030er Jahre preiswerter sein kann als der Bezug von fossilem Erdgas (Erdgas + CO2-Zertifkate). Voraussetzungen dafür sind eine Kostendegression für Elektrolyseure: durch kontinuierliche Investitionen in die Technologie, geringe Strombezugskosten inklusive Nebenkosten für den sonst abgeregelten Überschussstrom sowie ein Erreichen der Klimaschutzziele und des angestrebten Anteils erneuerbarer Energien.

Die Kurzstudie finden Sie unter: https://www.energybrainpool.com/fileadmin/download/Studien/Kurzanalyse_2018-03-19_GPE_Kurzanalyse_Kostenentwicklung-von-Elektrolysegas-erneuerbaren-Ursprungs.pdf

Co-Autorin: Anna Weiß (Junior Expert bei Energy Brainpool)