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Rechner: Bio, Geo & Wasserstoff

Rechner für grünen Wasserstoff: Elektrolyseur-Ertrag und Gestehungskosten (LCOH)

Dimensioniere einen Elektrolyseur (alkalisch, PEM oder SOEC) und sieh, wie viele Tonnen Wasserstoff er erzeugt, wie viel Wasser und Strom er braucht und was jedes Kilogramm kostet, inklusive Stack-Tausch und Degradation, mit Sensitivitätsdiagramm zum Kapazitätsfaktor.

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Ergebnisse

10 MW mit 4.818 h/Jahr erzeugen 884 t Wasserstoff pro Jahr zu Gestehungskosten von 4,52 €/kg (größter Posten: Strom). Das liegt unter deinem Verkaufspreis von 6 €/kg, die Marge ist also positiv.
Wasserstoffproduktion
884t/Jahr
Mittel 2.422 kg/Tag · 183 kg/h bei Volllast
Gestehungskosten (LCOH)
4,52€/kg
136 €/MWh (Heizwert)
Stromverbrauch
48,2GWh/Jahr
54,5 kWh/kg inkl. Degradation
Wirkungsgrad
61,2%
Heizwert · 72,3 % Brennwert
Wasserverbrauch
13.262m³/Jahr
15 L/kg (stöchiometrisch 8,9)
Sauerstoff als Nebenprodukt
7.020t/Jahr
Stack-Wechsel
1
alle 16,6 Jahre (80.000 h)
Gesamtinvestition
16.000.000 €
1.600 €/kW
Projekt-NPV beim Verkaufspreis
15.247.042 €
6 €/kg, 7 % WACC
Vermiedenes CO₂ gegenüber grauem H₂
8.841t/Jahr
≈10 kg CO₂ pro kg aus Dampfreformierung ohne CO₂-Abscheidung
Entspricht
7.368 Brennstoffzellenautos
oder 5.013 t Ammoniak · 2.959 m³ Dieseläquivalent
LCOH-Aufschlüsselung
LCOH nach Kapazitätsfaktor

Elektrolyse-Technologien (typische Werte 2023–2025)

TechnologieSystem kWh/kgWirkungsgrad (Heizwert)Stack-Lebensdauer (h)Investition (€/kW)Hinweise
Alkalisch (AEL)50–5561–67%60.000–90.0001.400–2.000ausgereift, am günstigsten, träger regelbar
PEM52–5857–64%50.000–80.0001.700–2.500kompakt, schnell regelbar, braucht Iridium/Platin
SOEC37–42 + Wärme75–85%20.000–40.0002.500–4.000+Hochtemperatur, ideal mit Abwärme/Dampf
AEM50–5758–66%<30.000junger Marktohne Platinmetalle, kleine Einheiten
  • LCOH = (Investition × CRF + Barwert der Stack-Wechsel × CRF + Betriebskosten + Strom + Wasser + Wärme) ÷ kg pro Jahr. Steuern, Netzentgelte, Speicherung, Transport und Förderung sind nicht enthalten.
  • Reale Anlagen laufen selten mit konstantem Kapazitätsfaktor. Bei schwankenden Erneuerbaren senken Mindestlast und Lastwechsel die Produktion, ein Pufferspeicher oder ergänzender Netzstrom erhöht die Auslastung.
  • Die Investitionskosten streuen stark und ändern sich schnell; chinesische alkalische Systeme werden weit unter westlichen Kosten angeboten. Prüf die aktuellen Zahlen im IEA Global Hydrogen Review.

So funktioniert dieser Rechner für grünen Wasserstoff

Grüner Wasserstoff entsteht, wenn ein Elektrolyseur Wasser mit Ökostrom spaltet. An der Physik ändert sich nichts: Jedes Kilogramm braucht mindestens 39,4 kWh. Die Kosten dagegen hängen vom Wirkungsgrad und Preis des Elektrolyseurs ab, von seinen Betriebsstunden pro Jahr und vom Strompreis. Der Rechner stellt diese Größen nebeneinander:

  1. Produktion. Elektrolyseleistung × Betriebsstunden (aus der Auslastung deiner Stromversorgung) ÷ spezifischer Energieverbrauch ergibt die Kilogramm pro Jahr. Durch die Degradation der Stacks steigt der Energieverbrauch über deren Lebensdauer an; der Rechner setzt den Mittelwert an.
  2. Ressourcen. Wasserverbrauch, Sauerstoff als Nebenprodukt und bei SOEC der Dampf.
  3. Gestehungskosten (LCOH). Das Kapital wird mit dem Annuitätenfaktor zu deinem WACC auf die Jahre verteilt. Auch der Stack-Tausch wird auf heute abgezinst und annualisiert. Dazu kommen fixe Betriebs- und Wartungskosten, Strom, Verdichtung, Wasser und Wärme; die Summe wird durch die Jahresproduktion geteilt.
  4. Sensitivität. Ein Diagramm zeigt die LCOH über der Auslastung bei drei Strompreisen. Es macht den Zielkonflikt zwischen billigem, schwankendem und teurem, stetigem Strom deutlicher als jede Tabelle.

Die Formeln

H₂ (kg/Jahr) = P (MW) × 8,760 × CF × 1,000 / SEC (kWh/kg) Wirkungsgrad (Hu) = 33.33 / SEC Wirkungsgrad (Hs) = 39.41 / SEC Wasser = H₂ × l/kg (8.94 stöchiometrisch) O₂ ≈ 7.94 × H₂ CRF = r(1+r)ⁿ / ((1+r)ⁿ − 1) LCOH = (Capex × CRF + PV(Stack-Tausch) × CRF + O&M + E × Preis + Wasser + Wärme) / H₂

Rechenbeispiel: 10 MW alkalisch mit Wind-Solar-PPA

Die Standardwerte beschreiben einen alkalischen 10-MW-Elektrolyseur (52 kWh/kg im Neuzustand), der aus einem hybriden Solar- und Windpark mit 55 % Auslastung zu 45 €/MWh versorgt wird:

  • Er kommt auf rund 4.820 Volllaststunden und verbraucht 48 GWh Strom.
  • Bei 0,12 % Degradation pro 1.000 h liegt der mittlere Verbrauch über eine Stack-Lebensdauer bei rund 54,5 kWh/kg (61 % Wirkungsgrad bezogen auf den Heizwert). Das ergibt rund 880 Tonnen Wasserstoff im Jahr, 2,4 t pro Tag.
  • Er braucht etwa 13.000 m³ Wasser und gibt 7.000 t Sauerstoff ab.
  • Bei 1.600 €/kW betragen die Investitionskosten 16 Mio. €, mit einem Stack-Tausch nach etwa 16–17 Jahren.
  • LCOH ≈ 4,5 €/kg: Strom 2,45 €, Kapital 1,55 €, Betrieb und Wartung 0,36 €, Stack-Tausch 0,12 € und Wasser 0,03 € pro kg.

Verkauft zu 6 €/kg, erreicht das Projekt einen positiven Kapitalwert von rund 15 Mio. €. Mit der Voreinstellung 1 MW PEM mit Solar springen die LCOH über 10 €/kg: geringe Größe, höhere Investitionskosten und 22 % Auslastung treiben sie nach oben. Die Voreinstellung Ziel 2030 (700 €/kW, 25 €/MWh) zeigt den Weg zu rund 2 €/kg, den die Politik anstrebt.

So liest du die Ergebnisse

  • Wasserstoffproduktion: Tonnen pro Jahr, Tagesdurchschnitt und Stundenleistung bei Volllast.
  • LCOH: Vergleiche sie mit grauem Wasserstoff (rund 1–3 pro kg), mit Zuschlagspreisen aus Förderausschreibungen oder mit dem Wert des Brennstoffs, den du ersetzt. Der Wert pro MWh (Heizwert) lässt sich direkt mit Erdgas vergleichen.
  • Aufteilung der LCOH: Dominiert der Strom, setz bei Wirkungsgrad und Strompreis an. Dominiert das Kapital, erhöhe die Auslastung.
  • Sensitivitätsdiagramm: Jede Kurve fällt bei geringer Auslastung steil ab und flacht oberhalb von 50–60 % ab. Der beste Punkt wägt billigeren schwankenden Strom gegen ungenutztes Kapital ab.

Typische Werte

Technik Energieverbrauch System Wirkungsgrad (Hu) Stack-Lebensdauer Investitionskosten installiert (2023–24)
Alkalisch (AEL) 50–55 kWh/kg 61–67 % 60.000–90.000 h 1.400–2.000 pro kW
PEM 52–58 kWh/kg 57–64 % 50.000–80.000 h 1.700–2.500 pro kW
SOEC 37–42 kWh/kg + Wärme ~75–85 % inkl. Wärme 20.000–40.000 h 2.500–4.000+ pro kW
AEM 50–57 kWh/kg 58–66 % < 30.000 h junger Markt

Nützliche Umrechnungen: 1 kg H₂ = 33,3 kWh (Heizwert) = 39,4 kWh (Brennwert) ≈ 11,1 Nm³; ein Brennstoffzellenauto braucht etwa 0,8–1 kg pro 100 km; aus einer Tonne Wasserstoff entstehen rund 5,7 t Ammoniak.

So senkst du die LCOH

  • Auslastung erhöhen. Wind und Sonne zu kombinieren oder etwas Netzstrom zuzukaufen senkt die LCOH oft, selbst bei höherem mittlerem Strompreis.
  • Die erneuerbaren Anlagen größer auslegen als den Elektrolyseur, damit er mehr Stunden unter Volllast läuft.
  • Nebenprodukte verkaufen. Sauerstoff oder zurückgewonnene Niedertemperaturwärme drücken die Kosten um einige Prozent.
  • Stack-Lebensdauer und Degradation im Blick behalten. Ein langlebigerer Stack erspart dir unter Umständen einen teuren Tausch zur Halbzeit.
  • Verdichtung und Speicherung einrechnen. Lieferung mit 350–700 bar oder flüssig kostet zusätzlich 2–12 kWh/kg (trag das im Feld Verdichtung ein), dazu kommen die Speicherkosten.
  • Die Stromversorgung selbst kannst du mit dem Windpark-Rechner oder dem Solarrechner modellieren.

Grenzen

Das Modell geht von einer gleichmäßigen Auslastung und einem konstanten Strompreis aus. Reale erneuerbare Erzeugung schwankt, und Mindestlast, Lastrampen, Wasserstoffspeicher und Abnahmegrenzen senken die tatsächliche Auslastung. Steuern, Netzentgelte, Grundstück, Finanzierungsstruktur, Transport und Förderungen sind nicht enthalten. Die Investitionskosten ändern sich schnell und unterscheiden sich stark zwischen Anbietern und Regionen. Prüf deshalb aktuelle Quellen wie den IEA Global Hydrogen Review, bevor du dich auf eine einzelne Zahl verlässt.

Methode & Annahmen

Wasserstoff (kg/Jahr) = MW × 8.760 × Kapazitätsfaktor × 1.000 ÷ spezifischer Energiebedarf (kWh/kg). Der spezifische Bedarf steigt mit der Stack-Degradation (%/1.000 h) und fällt bei jedem Tausch zurück; angesetzt wird der Mittelwert über eine Stack-Lebensdauer. Wirkungsgrad (Heizwert) = 33,33 ÷ kWh/kg. Wasser = kg × L/kg; Sauerstoff ≈ 7,94 kg pro kg H₂. LCOH = annualisierte Investition (Annuitätenfaktor beim WACC) + annualisierter Barwert der Stack-Wechsel + fixe Betriebskosten + Strom + Verdichtung + Wasser (+ Dampf bei SOEC), geteilt durch die jährliche Menge in kg.

Häufige Fragen

Wie viel Strom braucht man für 1 kg Wasserstoff?
Heutige Elektrolyseur-Systeme verbrauchen etwa 50–55 kWh pro kg (alkalisch), 52–58 kWh/kg (PEM) oder rund 40 kWh/kg Strom plus Wärme (Festoxid). Das theoretische Minimum, vorgegeben durch den Brennwert von Wasserstoff, liegt bei 39,4 kWh/kg.
Wie viel Wasser braucht man für die Wasserstoffherstellung?
Chemisch sind 8,9 Liter Wasser pro kg Wasserstoff nötig. Reale Anlagen verbrauchen mit den Verlusten bei der Aufbereitung etwa 10–15 l/kg, mit Verdunstungskühlung 20–30 l/kg oder mehr. Selbst dann kostet das Wasser meist nur ein paar Cent pro kg.
Was kostet grüner Wasserstoff?
Die meisten aktuellen Projekte erzeugen grünen Wasserstoff für etwa 4–8 pro kg (EUR oder USD). Grauer Wasserstoff aus Erdgas kostet ohne CO₂-Preis rund 1–3 pro kg. Die beiden größten Hebel sind der Strompreis und die Zahl der Betriebsstunden des Elektrolyseurs (seine Auslastung).
Wie viel Wasserstoff produziert ein 1-MW-Elektrolyseur?
Bei Volllast etwa 18–20 kg pro Stunde, im Dauerbetrieb also rund 440–480 kg pro Tag. Bei 50 % Auslastung sind das etwa 80–85 Tonnen im Jahr.
Was bedeutet LCOH?
LCOH sind die Wasserstoffgestehungskosten: die gesamten Kosten der Anlage über ihre Lebensdauer (Kapital, Stack-Tausch, Betrieb, Strom, Wasser), geteilt durch den erzeugten Wasserstoff in Kilogramm. Sozusagen das Wasserstoff-Gegenstück zu den Stromgestehungskosten (LCOE).
Was ist besser, PEM- oder alkalische Elektrolyse?
Alkalische Elektrolyseure sind günstiger, technisch ausgereift, langlebig und bei gleichmäßiger Last etwas effizienter. PEM-Geräte sind kompakter, folgen schwankendem Ökostrom schneller und liefern Wasserstoff mit höherem Druck, brauchen aber Platingruppenmetalle. Wo günstige Hochtemperaturwärme zur Verfügung steht, ist SOEC die effizienteste der drei Techniken.
Warum ist die Auslastung so wichtig?
Weil der Elektrolyseur teuer ist. Läuft er nur, wenn die Sonne scheint (20–25 % des Jahres), verteilen sich seine Kapitalkosten auf wenige Kilogramm. Die LCOH können dann doppelt so hoch liegen wie bei einer Anlage, die mit Wind und Sonne kombiniert 50–60 % der Zeit läuft.

Quellen & Literatur

  1. IEA: Global Hydrogen Review 2024
  2. IRENA (2020). Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5 °C Climate Goal
  3. Clean Hydrogen Partnership: Strategic Research and Innovation Agenda (KPIs für Elektrolyseure)
  4. US DOE Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office: Hydrogen production via electrolysis

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