Jürg Roth, Tom Kober, Julia Witte

1. Herstellung von Wasserstoff, Kosten,
Wirkungsgrade
Wassserstoff als Grundlage von Power to X
Energie und Umweltforum 16. Oktober 2019 Winterthur
Jörg Roth, Tom Kober, Julia Witte

2. 16.10. 2019
Die Zukunft ?
Jules Vernes, 1875 (1874?)
• Et qu’est-ce qu’on brûlera à la place du
charbon?
• L’eau, répondit Cyrus Smith.
L’eau, s’écria Pencroff, l’eau pour chauffer
les bateaux à vapeur et les locomotives,
l’eau pour chauffer l’eau !
2

3. 16.10. 2019 3
Wasserstoff
Darstellung im Labor: Kippscher Apperat
Von Carl Remigius Fresenius - Elementary instruction in chemical
analysis, Page 33, Gemeinfrei,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2317107
Salzsäure
Zink

4. 16.10. 2019 4
Warum ist Wasserstoff so interessant
+
CO2
+
+

5. 16.10. 2019 5
Kohlenstoffhaltige Pfade
Von Roland Mattern - Roland1952, CC BY 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9081399
Von User:Sven - https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Haber-Bosch.svg,
CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=49882473
CH4 + H2O ⇌ CO + 3H2 ∆H= +206,2 kJ/mol
CO+H2O ⇌ CO2+H2 ∆H= -41kJ/mol
2CH4 + O2 ⇌ 2CO + 4H2 ∆H= −71kJ/mol
Ni Kat, ~800°C
Ökonomie (CH4):
1 Nm3 CH4  4 Nm3 H2 x η; η= 0.75** ; CAPEX =0.01 $/Nm3**
min max
OPEX CH4*
0.05 0.10 CHF/KWh
0.53 1.06 CHF/Nm3
Total H2
0.19 0.37 CHF/Nm3
2.13 4.12 CHF/Kg
54.16 104.67 CHF/MWh
*Typ X Industrielle Grösstabnehmer, durchschnittlicher Jahresverbrauch von ca. 250'000'000 kWh, Kesselleistung
31'000 kW (Benutzungsstunden: ca. 8'000), abschaltbar,
http://gaspreise.preisueberwacher.ch/web/index.asp?z=5&codekategorie=Typ%20X
**Airliquide, Technology Handbook, P.30, SMR-X 100000Nm3/h

6. 16.10. 2019
Thermo-Solar
Thermolyse
H2O→H2+½O2 ζ>>2500 °C
6

7. 16.10. 2019
Hochtemperatur Prozesse (~500C)
Thermo-Nuklear
Stand 2018:
Vorbereitungen zum Bau einer Wasserstoffproduktionsanlage für
Japans Gen-IV GTHTR300C KKW basierend auf dem Iod-Schwefel Prozess
«Design of HTTR-GT/H2 test plant”, Xing L. Yan et al., Nuclear Engineering and Design 329 (2018) 223–233
Prozess benötigt ausschliesslich Wärme, keine unmittelbare Beteiligung von nuklearen Reaktionen
Nuclear Hydrogen Production Handbook
- Dampfreformierung etc.
- Cu – Cl: 2.5-3.8 €/kg H2*
- I- S: 2.3-3.7 €/kg H2 *
Labor System 30l/tag (<2010)
Skalierung auf 200l/h ab 2010
Keine kommerzielle Technologie
*R.S. El-Emam, H.Özcan / Journal of Cleaner
Production 220 (2019) 593e609
7

8. 16.10. 2019
Die Anlage
Elektrolyse
Wasser-
abscheider
H2O
(KOH)
Gas-
Reinigung
Wasser-
abscheider
H2O
(KOH)
Gas-
Reinigung
H2OH2O
O2
H2
Wasser-
aufbreitung
8

9. 16.10. 2019
Der Kern
Flussfeld
Feinporöse Schicht
OER Katalysator
Separator
HER Katalysator
Feinporöse Schicht
Flussfeld
PEM ALK HTEL
OER Kat. IrOx Ni LaSrMn*
HER Kat. Pt Ni leg. (Fe, Co) Cermet
Separator/Elektrolyt Polymer, prot. Leitend Polymer,(Asbest), KOH Keramik
Feinporöse Schicht Titan gesintert Edelstahl / Titan ---
Betriebstemperatur 50-150°C 50-200°C >500°C
Betriebsdruck 30 bar (200 bar) 30 bar (200 bar) <30 bar
Reaktion 2H2O→O2+4H++4e−
4H++4e−→2H2
2H2O+2e−→H2+2OH−
2OH−→1/2O2+H2O
H2O+2e- →H2 + O2-
O2-→1/2O2 + 2e-
9
* https://www.now-gmbh.de/de/aktuelles/presse/aktuelle-studie-zeigt-wege-zur-industrialisierung-der-wasserelektrolyse
Elektrolyse

10. 16.10. 2019
Charakteristik der Elektrolyse
HTEL
PEM
ALK
0.6
1.1
1.6
2.1
2.6
3.1
0 1000 2000 3000
Spannung[V]
Strom [mA/cm2]
HT Hydrotechnik
HySTAT
HOGEN RE40 7KW
3m Reseach
Toshiba
Vandenborre-Stuart
Energy’s IMET1000
Siemens
Toshiba
HT Hydrotechnik
10
Elektrolyse

11. 16.10. 2019
Was ist der Preis für ein Kg H2?
Kosten und Preise
*https://h2.live/, Annahme (1.30 €/l) ** https://cafcp.org/stations#stations_refilling
9.50 € in Deutschland [Kosten entsprechen 7.3 l Diesel*]
$12.85 - $16.78 in Kalifornien,
Prozess: mehrheitlich dezentrale Dampfreformierung**
91 € Bündel on-line Shop (Bild: Pan Gas)
Was sind die Produktionskosten für ein Kg H2?
Heute  Geschäftsgeheimnis
Zukunft  Erfindungen sind nicht prognostizierbar
11

12. 16.10. 2019 12
Das Geschäftsgeheimnis
Lösungsansätze
• Ergebnisse öffentlich geförderter Projekte
• Experten Interviews (Industrie)
• «Reverse Engineering»
 Unsicherheitsfaktor
 „Einzelstücke“

13. 16.10. 2019 13
Öffentlich geförderte Projekte
Energie Park Mainz, PEM Elektrolyseur
Entwicklung einer dezentralen Anlage zur Wasserstoff
Erzeugung/Speicherung
 Ort: Mainz (Deutschland)
 Partner: Stadtwerke Mainz, Linde, Siemens, Hochschule
RheinMain
 Stromversorgung: 8 MW Windfarm
 6.3 MW (peak) Elektrolyseur (3 Stacks, à 2.1 MW)
 1000 kg H2 Speicher (33 MWh)
 200 Tonnen H2 jährliches Produktionsziel
 Einspeisung ins Ergdgasnetz
 LKW Abfüllung
 Budget: total 17 m€
 Finanzierung: ~50% (BMWi)
 Zeitraum: 4 Jahre (10/2012 – 12/2016)
Month Electricity [MWh] Hydrogen [tons] H2 (HHV) [MWh] Utilization factor(HS) Operating hours
Sept. 2015
432.5
(416.7)*
6.52 256.9
59.4%
(61.6%)*
146 h
Heat and Electricity Storage, 4th Symposium Birgit Scheppat University of Applied Science
RheinMain 24. und 25. Oktober 2016, Luzern Schweiz

14. 16.10. 2019 14
Öffentlich geförderte Projekte
Energie Park Mainz 2015
Entwicklung einer dezentralen Anlage zur Wasserstoff
Erzeugung/Speicherung
 Ort: Mainz (Deutschland)
 Partner Stadtwerke Mainz, Linde, Siemens, Hochschule
RheinMain
 Stromversorgung über eine 8 MW Windfarm
 6.3 MW (peak) Elektrolyseur (3 Stacks, à 2.1 MW)
 1000 kg H2 Speicher (33 MWh)
 200 Tonnen H2 jährliches Produktionsziel
 Einspeisung ins Ergdgasnetz
 LKW Abfüllung
 Budget: total 17 m€
 Finanzierung: ~50% (BMWi)
 Zeitraum: 4 Jahre (10/2012 – 12/2016)
Month Electricity [MWh] Hydrogen [tons] H2 (HHV) [MWh] Utilization factor(HS) Operating hours
Sept. 2015
432.5
(416.7)*
6.52 256.9
59.4%
(61.6%)*
146 h
*without Standby-losses (<50kW of the total plant)
Heat and Electricity Storage, 4th Symposium Birgit Scheppat University of Applied Science RheinMain 24. und 25. Oktober 2016, Luzern Schweiz
4500 h/a
Kostenabschätzung
Annahmen
Lebensdauer 80 000h (Siemens)
Strompreis: 10ct/kWh
@200 bar, für Trailer
Berechnung
Abschreibung:
17M€/17.8= 995 k€/a~1M€/a
Jährl. Strombedarf:
432.5 MWh/146h*4500h=13.3 GWh
Stromkosten:
100€/MWh*13.3 103 MWh= 1.33 M€/a
Kosten für 1 Kg H2 :
2.33 106 € /0.2 106 Kg= 11.65 €

15. 16.10. 2019 15
Öffentlich geförderte Projekte
H2 Energy 2 MW Elektrolyse
Entwicklung einer dezentralen Anlage zur Wasserstoff
Erzeugung/Speicherung
 Ort: Gösgen (Schweiz)
 Partner: Coop, H2 Energy, Hunday, Hydrospider
 Stromversorgung über ein 51.3 MW Wasserkraftwerk
 2 MW PEM Elektrolyseur
 LKW Betankung
 Budget (Elektrolyseur):
<4 m$ (Pressemeldung) @30 bar
Kompression, Wasseraufbereitung und Transformatoren verm.
nicht enthalten
SPECIFICATIONS
Capacity per Unit
Production Capacity Dynamic Range
Average Power Consumption at Stack1
Purity – with optional high purity dryer
O2-Content in H2
H2O-Content in H2
Outlet Pressure
4,000 Nm3/h
10-100%
4.53 kWh/Nm3
99.9998%
< 1 ppm v
< 2 ppm v
30 barg

16. 16.10. 2019 16
Öffentlich geförderte Projekte
H2 Energy 2 MW PEM Elektrolyse 2019
Entwicklung einer dezentralen Anlage zur Wasserstoff
Erzeugung/Speicherung
 Ort: Gösgen (Schweiz)
 Partner: Coop, H2 Energy, Hunday, Hydrospider
 Stromversorgung: 51.3 MW Wasserkraftwerk
 2 MW PEM Elektrolyseur
 LKW Betankung
 Budget (Elektrolyseur):
<4 m$ (Pressemeldung) @30 bar
Kompression, Wasseraufbereitung und Transformatoren
 verm. nicht enthalten
SPECIFICATIONS
Capacity per Unit
Production Capacity Dynamic Range
Average Power Consumption at Stack1
Purity – with optional high purity dryer
O2-Content in H2
H2O-Content in H2
Outlet Pressure
413 Nm3/h
10-100%
4.53 kWh/Nm3
99.9998%
< 1 ppm v
< 2 ppm v
30 barg
Kostenabschätzung
Annahmen
Abschreibung: 9 Jahre:0.45M€/a
Strompreis: 10ct/kWh
€=$=Fr.
Berechnung
Jährl. Strombedarf:
2MW*8760h=17,52GWh
Wasserstoffeffizienz (Datenblatt):
89 g/Nm3/4.53 kWh/Nm3= 19.6 kg/MWh
Stromkosten:
100€/MWh*17.52 MWh=1.7 M€
Kosten für 1 Kg H2 @30 bar:
ca 2.2 M€/348000 kg= 6.17 €/kg

17. 16.10. 2019
Öffentlich geförderte Projekte
Fazit
Technische Informationen gut zu beschaffen
Vollkostenanalyse fehlerbehaftet weil
• Datenlage quantitativ und qualitativ sehr heterogen.
• Systemgrenzen nicht einheitlich.
• Kaptialkosten, Stromkosten und Overhead individuell variabel und in der Regel nicht bekannt.
Kosten für 1 Kg H2 aus PEM
(Mainz @ 200 bar) ~12 € (300 €/MWh)
„Roh“ Wasserstoff
(Gösgen@30 bar) ~6 €/kg (160 €/MWh)
17

18. 16.10. 2019 18
Experten Interviews
Studie IndWEDe 2017
Tabelle A 1: Liste der Interviewpartner zur
Bewertung der Kritikalität einzelner Komponenten
Firma Art Land
Thyssen KruppAEL, CAEL Deutschland
Greenerity PEMEL Deutschland
Sunfire HTEL Deutschland
iGasEnergy PEMEL Deutschland
h-tec Systems PEMEL Deutschland
McPhy AEL Deutschland
Hydrogen Pro AEL Norwegen
NEL Hydrogen AEL Norwegen
Siemens PEMEL Deutschland
Hydrogenics PEMEL / AEL Belgien
Proton OnSite PEMEL USA
ITM Power PEMEL Großbritannien
CAPEX / Lebensdauer + Stromkoste x Effizienz
€/kg
min max
PEM 6.44 € 8.80 €
ALK 5.35 € 6.74 €
HT 5.98 € 18.72 €
5.35 € - 18.72 €
(140€/Wh – 480 €/MWh)
https://www.now-gmbh.de/de/aktuelles/presse/aktuelle-studie-zeigt-wege-zur-industrialisierung-der-wasserelektrolyse

19. 16.10. 2019 19
Das Geschäftsgeheimnis
Experteninterviews / Öffentliche Projekte
32 k€/[Nm3/h]
7.26 - 9.7 k€/[Nm3/h]
80 000 h
5 €/kg - 19 €/kg
(140€/MWh – 480 €/MWh)
6 €/kg;12 €/kg
(160 €/MWh; 300 €/MWh)
Fazit:
Experteninterviews im Detail nicht unbedingt deckungsgleich mit Daten aus der Praxis,
oder den Datenblättern; aber Kostenband stimmt überein
Energiepark Mainz
H2 Energy

20. 16.10. 2019
Das Geschäftsgeheimnis
Sensititvität Betriebsstunden
3500h- 4300h sind die Betriebsstunden für die Produktionskosten nicht
mehr von grosser Bedeutung
Power-to-X: Perspektiven in der Schweiz: Ein Weissbuch Juli 2019
20

21. 16.10. 2019 21
Das Geschäftsgeheimnis
Sensititvität Stromkosten
bei 4300h sind die Stromkosten von grösster Bedeutung für die
Produktionskosten
Power-to-X: Perspektiven in der Schweiz: Ein Weissbuch Juli 2019

22. 16.10. 2019 22
Das Geschäftsgeheimnis
Experteninterviews / Öffentliche Projekte / «Reverse Engineering»
5 €/kg - 19 €/kg
(140€/MWh – 480 €/MWh)
6 €/kg;12 €/kg
(160 €/MWh; 300 €/MWh)
Fazit:
Experteninterviews im Detail nicht unbedingt deckungsgleich mit Daten aus der Praxis,
oder den Datenblättern; aber Kostenband stimmt überein
Experteninterviews
HTEL
Projekte
M. Ruth et al.
Manufacturing Competitiveness Analysis for PEM and Alkaline Water Electrolysis Systems
CEMAC – Clean Energy Manufacturing Analysis Center 2019Power-to-X: Perspektiven in der Schweiz: Ein Weissbuch Juli 2019
Membran/Elektrode
Projekte
Bipolarplatte

23. 16.10. 2019 23
Kostenausblick
«Reverse Engineering»
Fazit:
Heute: 5 €/kg - 19 €/kg Elektrolyse / dezentrale Dampfreformierung
2030: 1.5 €/kg – 6.5 €/kg
The Future of Hydrogen, IEA 2019, https://webstore.iea.org/the-future-of-hydrogen
WACC = durchschnittliche
Kappitalkosten,Annahmen
Europa 2030, Strompreis
USD 40/MWh, 4000 h/a
sensitivitätCAPEX, OPEX
+/- 30% ,WACC 3% CO2
Preis (40 $/t) 8%

24. 16.10. 2019
CO2 intensivität der Wasserstofferzeugung
24
Klimabilanz
Wasserstoff ist klimafreundlich,
wenn der Strom klimafreundlich erzeugt wird
Power-to-X: Perspektiven in der Schweiz: Ein Weissbuch Juli 2019, Ergänzungsbericht

25. 16.10. 2019
Die Zukunft !
Jules Vernes, 1875 (1874?)
• Et qu’est-ce qu’on brûlera à la place du
charbon?
• L’eau, répondit Cyrus Smith.
L’eau, s’écria Pencroff, l’eau pour chauffer
les bateaux à vapeur et les locomotives,
l’eau pour chauffer l’eau !
25

26. 16.10. 2019 26
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Jörg Roth
Joerg.roth@psi.ch
www.sccer-hae.ch
T. Kober1, C. Bauer 1 (eds.), C. Bach 2, M. Beuse 3,
G. Georges4, M. Held 4,S. Heselhaus 8, P. Korba 5,
L. Küng4, A. Malhotra3, S. Moebus 6, D. Parra 7
J. Roth1, M. Rüdisüli2,T . Schildhauer1
T. J. Schmidt1, T. S. Schmidt3, M. Schreiber8
F. R. Segundo Sevilla5, B. Steffen3, S. L. Teske2
1 Paul Scherrer Institut (PSI)
2 Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa)
3 Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich,
Departement Geistes-, Sozial- und Staatswissenschaften,
Gruppe für Energiepolitik
4 Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich,
Departement Maschinenbau und Verfah- renstechnik,
Institut für Energietechnik,
Labor für Aerothermochemie und Verbrennungssysteme
5 Zürcher Hochschule für Angewandte Wissen-schaften (ZHAW)
, School of Engineering
6 Hochschule für Technik Rapperswil (HSR), Institut für Energietechnik
7 Universität Genf, Institut für Umweltwissenschaften
8 Universität Luzern, Rechtswissenschaftliche Fakultät