Degradation-aware techno-economic assessment of a PEM electrolysis system for renewable hydrogen production

Abstract

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.

With the transformation of the energy system towards a greater share of renewable energy sources (RES), electrolysers increasingly operate under variable loads, experiencing partial loading, frequent shutdowns and standby periods that accelerate stack degradation, reduce lifetime and introduce additional uncertainty in estimating hydrogen production costs. To address this, a degradation model for Proton Exchange Membrane (PEM) electrolysers, focusing on shutdown and standby related degradation, is developed and applied to the techno-economic assessment of two hydrogen production scenarios in Austria: one driven by RES availability (input-driven) and one following a specific hydrogen demand (demand-driven). The results of the input-driven scenario show that renewable generation profiles strongly influence the Levelised Cost of Hydrogen (LCOH), with wind powered systems achieving the highest full load hours and consequently the lowest costs. In contrast, PV powered operation leads to limited utilisation and uncompetitive LCOH. In the demand-driven scenario, frequent shutdowns significantly reduce stack lifetime and increase hydrogen costs, highlighting the importance of minimising shutdowns through improved operating strategies. Overall, this work demonstrates that accounting for degradation in techno-economic assessments is essential for a more realistic evaluation of electrolyser performance and cost. The findings underline the need for operating strategies that mitigate degradation and provide a basis for future approaches aiming to balance efficiency, lifetime and economic viability in green hydrogen systems.