Degradation-Aware Techno-Economic Assessment of a PEM Electrolysis System for Renewable Hydrogen Production

Mit der Transformation des Energiesystems zu einem höheren Anteil erneuerbarer Energiequellen (RES) arbeiten Elektrolyseure zunehmend unter variablen Lasten, wobei sie Teillastbetrieb, häufige Abschaltungen und Standby-Phasen ausgesetzt sind, welche die Degradation der Stacks beschleunigen, ihre Lebensdauer verkürzen und zusätzliche Unsicherheiten bei der Abschätzung der Wasserstoffproduktionskosten mit sich bringen. Um das zu berücksichtigen, wurde ein Degradationsmodell für Protonenaustausch-Membran (PEM) Elektrolyseure entwickelt, das sich auf die durch Abschaltungen und Standby verursachte Degradation fokussiert und weiters auf die techno-ökonomische Analyse von zwei Wasserstoffproduktionsszenarien in Österreich angewendet wurde: ein von der Verfügbarkeit erneuerbarer Energiequellen (RES) abhängiges Szenario (inputgesteuert), und eines, das einem bestimmten Wasserstoffbedarf folgt (nachfragegesteuert). Die Ergebnisse des inputgesteuerten Szenarios zeigen, dass die Profile der erneuerbaren Energieerzeugung einen starken Einfluss auf die Levelised Cost of Hydrogen (LCOH) haben, wobei windbetriebene Systeme die höchsten Volllaststunden und damit die niedrigsten Kosten erzielen. Im Gegensatz dazu führt der Betrieb mit PV-Energie zu einer begrenzten Auslastung und nicht wettbewerbsfähigen LCOH. Im nachfrageorientierten Szenario führen häufige Abschaltungen zu einer deutlichen Verkürzung der Stacklebensdauer und zu höheren Wasserstoffkosten, was die Wichtigkeit der Minimierung von Abschaltungen durch verbesserte Betriebsstrategien unterstreicht. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die Berücksichtigung von Degradation in techno-ökonomischen Analysen für eine realistischere Bewertung der Performance und Kosten von Elektrolyseuren wesentlich ist. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit von Betriebsstrategien, die Degradation minimieren, und bilden eine Grundlage für zukünftige Ansätze, welche darauf abzielen, ein optimales Gleichgewicht zwischen Effizienz, Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit grüner Wasserstoffsysteme zu bestimmen.