Warum die Katalysatorkosten der entscheidende Engpass bei der Produktion von grünem Wasserstoff sind

Die Kosten für die Erzeugung von grünem Wasserstoff liegen derzeit noch bei etwa 3,80 bis 11,90 USD pro Kilogramm, was deutlich über den Preisen für fossile Alternativen wie die Dampfreformierung von Methan liegt, die zwischen 1,50 und 6,40 USD pro kg schwanken. Diese Preislücke erschwert die Hochskalierung der Produktion. Die Investitionskosten für Elektrolyseure bleiben eine große Belastung, insbesondere bei Protonenaustauschmembran-(PEM-)Systemen, die typischerweise zwischen 800 und 1.500 USD pro kW kosten. Ein genauerer Blick auf diese Kosten offenbart etwas Interessantes: Der größte Teil des Geldes fließt in Katalysatoren. Edelmetalle der Platingruppe wie Iridium und Platin machen nahezu die Hälfte der Kosten von PEM-Stacks aus. Allein für die PEM-Anoden benötigt man etwa 1 bis 2 Milligramm Iridium pro Quadratzentimeter, ein Metall, das so selten und teuer ist, dass die Preise oft über 7.400 USD pro kg liegen. Das Problem verschärft sich, da die weltweiten Vorräte mit dem erwarteten Nachfragerise nicht Schritt halten können. Diese Abhängigkeit von knappen Materialien birgt Risiken sowohl für die Kostenkontrolle als auch für stabile Lieferketten. Um das branchenweite Ziel von 150 USD pro kW für Elektrolyseure zu erreichen und gleichzeitig 1 USD pro kg Wasserstoff anzustreben, sind erhebliche Senkungen der Katalysatorkosten und des Verbrauchs erforderlich. Alkalische Austauschmembran-(AEM-)Elektrolyseure könnten genau die einfache Lösung bieten, die notwendig ist, um diese Ziele im großen Maßstab zu verwirklichen.

AEM-Elektrolyseur-Architektur: Ermöglicht extrem geringe Beladung mit nicht-PMG-Katalysatoren

Hydroxidleitende Membran ermöglicht stabilen Betrieb mit Nickel- und Eisenoxiden

Anionenaustauschmembranen (AEMs) leiten Hydroxidionen (OH⁻) und schaffen dadurch ein alkalines Milieu, das sich deutlich von den sauren Bedingungen in PEM-Systemen unterscheidet. Die alkalische Umgebung trägt dazu bei, erdbeständige, nicht-PGM-Katalysatoren wie Nickel- und Eisenoxide auf der Anodenseite zu stabilisieren. Dadurch erzielen wir eine gute Aktivität für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), ohne dass diese Materialien allzu schnell abbauen. Jahrelang war Stabilität ein großes Problem, das die Entwicklung von nicht-PGM-Katalysatoren behinderte, doch in letzter Zeit hat sich hier viel verändert. Neuere Entwicklungen in der Membranche­mie sowie verbesserte Elektrodenkonzepte ermöglichen mittlerweile einen stabilen Betrieb bei industriellen Stromdichten von über 0,5 A pro Quadratzentimeter über Tausende von Betriebsstunden hinweg. Der besondere Wert moderner AEM-Membranen liegt darin, dass sie verhindern, dass Katalysatorpartikel während des Betriebs auflösen. Sie gewährleisten weiterhin die geforderte ionische Leitfähigkeit, auch bei wechselnden Lasten, wodurch teure Edelmetalle zur Korrosionsbekämpfung entfallen können. Letztendlich führt dies zu einer deutlich längeren Lebensdauer der gesamten Anlagentechnik.

Vergleich: Iridium-Beladung in AEM vs. PEM

Die Unterschiede bei der Katalysatorbeladung unterstreichen den strukturellen Vorteil von AEM. PEM-Elektrolyseure sind ausschließlich auf Iridiumoxid (IrO₂)-Anoden angewiesen, um den korrosiven sauren Bedingungen standzuhalten. Im Gegensatz dazu arbeiten AEM-Systeme entweder mit:

• Nicht-PGM-Katalysatoren (z. B. NiFe-Oxyhydroxide), die kein Iridium erfordern, oder
• Spuren von PGM-Beschichtungen , typischerweise <0,1 mg/cm², die nur zur marginalen Leistungssteigerung verwendet werden.

Dies stellt eine erhebliche Reduzierung des Iridiumverbrauchs dar. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Auswirkungen zusammen:

Eine geringere Beladung senkt die Stack-CAPEX direkt um etwa 30 % und schützt Projekte vor der Volatilität der PGM-Preise, was für die langfristige Projektfinanzierung und Bankfähigkeit entscheidend ist.

Material-, Design- und Skalenvorteile, die die AEM-Katalysator-CAPEX senken

Katalysatoren aus leicht verfügbaren Rohstoffen reduzieren die Abhängigkeit von Rohstoffen und das Risiko von Preisschwankungen

Alkalische Austauschmembran (AEM) Elektrolyseure legieren Iridium, ein seltenes Metall, das weltweit jährlich nur etwa 7 bis 10 Tonnen produziert wird, durch Nickel und Eisen ersetzt. Diese Alternativen sind ungefähr 10.000-mal reichlicher verfügbar und tatsächlich auf stabilen, hochvolumigen Weltmärkten handelbar. Bei herkömmlichen Protonenaustauschmembran (PEM)-Systemen entfallen etwa 40 bis 60 Prozent der Stack-Kapitalausgaben auf Edelmetalle der Platingruppe, während AEM-Technologie diese Mittel in günstigere und leichter zugängliche Materialien lenkt. Forschungsergebnisse, veröffentlicht in begutachteten Fachzeitschriften, zeigen, dass nicht-PGM-AEM-Anoden über 95 % der Sauerstoffentwicklungsreaktionsaktivität von PEM erreichen können, selbst bei industriellen Stromdichten, wodurch sich die Kosten für Katalysatormaterialien um bis zu 90 % verringern lassen. Die Betrachtung der Marktdynamik macht diesen Wandel noch überzeugender: Iridiumpreise stiegen von 2020 bis 2023 um nahezu 800 % an, als die Versorgungslage sich verschärfte, während die Preise für Nickel und Eisenoxid an die allgemeinen Bedingungen der Industriemärkte gekoppelt blieben und keine derartigen extremen Schwankungen aufwiesen.

Vereinfachtes Zelldesign senkt die Herstellungskomplexität und die Kosten für die Integration des Katalysators

Die Fähigkeit der AEM-Technologie, in alkalischen Umgebungen zu arbeiten, ermöglicht es, das Gesamtdesign dieser Zellen erheblich zu vereinfachen. PEM-Stapel benötigen diverse teure Bauteile, darunter Titan-Bipolarplatten, spezielle säurebeständige Dichtungen und Bauteile mit Edelmetallbeschichtungen, um Korrosion standzuhalten. AEM-Systeme hingegen funktionieren problemlos mit üblichen Edelstahlteilen und alltäglichen Polymerdichtungen. Bei der Aufbringung der Katalysatorschichten stehen Herstellern skalierbare und kostengünstige Optionen zur Verfügung. Verfahren wie Sprühbeschichtung oder Roll-to-Roll-Abscheidung eignen sich gut dafür, sodass Unternehmen nicht in teure Vakuumsputteranlagen oder komplexe thermische Verfahren investieren müssen, wie sie für die extrem dünnen Iridiumschichten in der PEM-Technologie erforderlich sind. All diese Designverbesserungen reduzieren die Kosten in drei Hauptbereichen:

• Säurebeständige Stapelmaterialien (Einsparung von ~220 $/kW),
• Infrastruktur zur Vorbehandlung von ultrareinem Wasser,
• Logistik für die Gewinnung und das Recycling edler Metalle.

Branchenanalysen bestätigen, dass diese Änderungen die Kosten für die Katalysatorintegration um 35–50 % senken, die Markteinführung in großen Stückzahlen beschleunigen und die Ausbeutekonstanz verbessern.

Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit von grünem Wasserstoff: Niedrigere LCOH durch AEM-Katalysatoreffizienz

Die AEM-Elektrolyseurtechnologie senkt die durchgängigen Kosten der Wasserstoffproduktion erheblich, da sie einen der größten Kostenfaktoren in Elektrolyseursystemen adressiert: die Katalysatormaterialien. Anstelle teurem Iridium verwenden diese Systeme Verbindungen auf Nickel- und Eisenbasis, die etwa 80 bis 90 Prozent günstiger sind. Zudem benötigen sie nahezu keine Katalysatorbeladung. Dieser Ansatz reduziert Materialkosten, ohne die Leistung einzuschränken, die bei 1 Ampere pro Quadratzentimeter immer noch beeindruckend zwischen 70 und 75 Prozent Effizienz liegt. Da Katalysatorkosten üblicherweise 25 bis 40 Prozent der Gesamtkosten eines Elektrolyseurs ausmachen, führt allein dieser Wechsel zu erheblichen Einsparungen bei den Investitionskosten. Die Vorteile vervielfachen sich, wenn man weitere Faktoren betrachtet. Eine vereinfachte Hardware-Auslegung, einfachere Fertigungsprozesse und zuverlässiger Betrieb selbst bei schwankenden Inputs aus erneuerbaren Energien tragen allesamt zu einer besseren Wirtschaftlichkeit bei. Im großen Maßstab könnten AEM-Systeme potenziell Wasserstoffpreise unter 2 US-Dollar pro Kilogramm erreichen und damit jene magische Schwelle erreichen, die notwendig ist, um in Branchen effektiv wettbewerbsfähig zu sein, in denen Dekarbonisierung besonders herausfordernd ist, wie beispielsweise in der grünen Stahlproduktion und im Schwerlastverkehr. Wenn Hersteller ihre Produktionsmengen erhöhen, setzen sich Effekte der Lernkurve und Skaleneffizienz ein, wodurch AEM als Schlüsselspieler bei der Realisierung von grünem Wasserstoff gefestigt wird, der sowohl bezahlbar als auch praktikabel für globale Märkte ist.

FAQ

Warum ist die Katalysator-Kosten entscheidend bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff?

Die Katalysator-Kosten sind ein wesentlicher Faktor, da die verwendeten Materialien wie Iridium und Platin teuer sind und die Kapitalausgaben für Elektrolyseure wie PEM-Systeme erheblich erhöhen.

Wie senken AEM-Elektrolyseure diese Kosten?

AEM-Elektrolyseure nutzen materialschonende, in der Erdkruste reichlich vorhandene Stoffe wie Nickel und Eisen, die deutlich günstiger sind, wodurch sich die Materialkosten für Katalysatoren erheblich reduzieren.

Wie hoch ist die Effizienz von AEM-Systemen im Vergleich zu PEM-Systemen?

Im Allgemeinen erreichen AEM-Systeme eine Effizienz zwischen 70 und 75 Prozent und profitieren zudem von niedrigeren Kosten und verbesserter Stabilität im Vergleich zu PEM-Systemen.

Kann grüner Wasserstoff zu wettbewerbsfähigen Kosten produziert werden?

Ja, durch Fortschritte in der AEM-Technologie könnten die Kosten für grünen Wasserstoff auf unter 2 Dollar pro Kilogramm gesenkt werden, wodurch er gegenüber fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig wird.