Den Anstoß für das Tool gab eine Vorlesungsfrage über die Unterstützung von Planungsbüros und Industrieunternehmen bei der Anlagenauslegung. Daraufhin entwickelten Studierende und Mitarbeiter des CIRE unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Peter Stenzel den Elektrolyse-Rechner. Die erste Version erschien im April 2023. Marvin Benedict Brands verantwortet die Webentwicklung beider Releases. Das Tool richtet sich an Anwender in der ersten Planungsphase und ermöglicht eine Grobauslegung. Es ersetzt aber keine detaillierte Ingenieurplanung.

Der Elektrolyse-Rechner basiert auf einem zeitreihenbasierten Modell. Grundlage sind stündliche Erzeugungsprofile für Photovoltaik (PV), Onshore-Wind, Offshore-Wind und Wasserkraft. Die Nutzer skalieren diese normierten Zeitreihen über die eingestellte Generatorleistung. Aus der Kombination mehrerer Quellen entsteht ein Summen-Erzeugungsprofil, das den EE-Strommix für den Elektrolyseur definiert.

Die Standorte entsprechen einem mittleren deutschen Erzeugungsstandort. Offshore-Wind ist am Standort Norderney mit 4.058 Volllaststunden hinterlegt, Onshore-Wind in Oldenburg mit 2.789 Stunden, PV in Köln mit 987 (Südausrichtung, 30°) beziehungsweise 940 Volllaststunden (Ost-West, 10°). Wasserkraft basiert auf dem Rheinkraftwerk Iffezheim mit 7.170 Volllaststunden. Neu im Release 2026 ist Agri-PV in Ost-West-Aufstellung (90°, 80 % bifazialer Wirkungsgrad) mit 1.010 Volllaststunden.

Ausschnitt aus dem Elektrolyse-Rechner (© TH Köln)

Batteriespeicher als neue Systemkomponente

Das Release 2026 integriert erstmals einen Batteriespeicher. Der Speicher arbeitet mit einem Round-trip-Wirkungsgrad von 90 Prozent, einer Entladetiefe von 90 Prozent und einer Lade- sowie Entladerate von 1 C. Die Investitionskosten für den Batteriespeicher sind im Bereich von 5 bis 1.500 Euro pro Kilowattstunde einstellbar. Der Wertebereich bildet die aktuellen Marktentwicklungen ab.

Dispatch-Logik regelt Stromeinsatz und Betriebsgrenzen

Der Systembetrieb folgt einer regelbasierten Dispatch-Strategie. Erneuerbare Erzeugung versorgt den PEM-Elektrolyseur bis zur Nennleistung. Überschüsse fließen in den Batteriespeicher, innerhalb dessen Leistungs- und SOC-Grenzen. Verbleibende Überschüsse gelten als Curtailment. Der Elektrolyseur läuft nur, wenn die minimal erforderliche Leistung durch Erzeugung und gegebenenfalls Batterieentladung erreichbar ist.

Zwei Betriebsgrenzen bestimmen den Rahmen: Die Teillastbegrenzung schaltet den Elektrolyseur ab, sobald die EE-Erzeugung unter 10 Prozent der Nennleistung fällt. Die Maximallastbegrenzung begrenzt den Betrieb auf 100 Prozent der Nennleistung. Strom, der aufgrund dieser Grenzen nicht im Elektrolyseur genutzt wird, steht für andere Verwendungen, etwa Netzeinspeisung, zur Verfügung.

Der Elektrolyseur arbeitet mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 62,5 Prozent und einem thermischen Wirkungsgrad von 20 Prozent. Der Wasserbedarf beträgt 17 kg Wasser pro Kilogramm Wasserstoff. Das gravimetrische Verhältnis von Wasserstoff zu Sauerstoff liegt bei 1:8.

Drei Kostenblöcke bestimmen den Wasserstoffpreis

Die Wasserstoffgestehungskosten (LCOH) gibt das Tool sowohl gravimetrisch (Euro pro Kilogramm H₂) als auch energetisch (Cent pro Kilowattstunde, brennwertbezogen) aus. Die Berechnung umfasst drei Kostenblöcke.

Die annuitätischen Kapitalkosten beruhen auf den einstellbaren spezifischen Investitionskosten des PEM-Elektrolyseurs (200 bis 10.000 Euro pro Kilowatt) und einem Annuitätenfaktor von 0,0672. Wartungskosten werden mit 20 Euro pro Kilowatt angesetzt. Die Betriebskosten setzen sich aus Strom- und Wasserkosten zusammen. Der Wasserbezugspreis liegt bei 1,66 Euro pro Kubikmeter. Für den Strom lassen sich LCOE-Werte je Quelle einzeln einstellen: PV zwischen 3,12 und 19,72 Cent pro Kilowattstunde, Onshore-Wind zwischen 3,94 und 8,29 Cent, Offshore-Wind zwischen 7,23 und 12,13 Cent, Wasserkraft bei rund 8,50 Cent.

Zwei Systemszenarien verändern die Kostenstruktur grundlegend. Bei der Direktkopplung fließt der gesamte erzeugte Strom als Kostengröße ein und der nicht genutzte Strom wirkt sich als Verlust aus. Bei der Netzkopplung zählt nur der tatsächlich im Elektrolyseur genutzte Strom. Stromüberschüsse werden ins Netz abgegeben; eine Vergütung findet in der Kalkulation keine Berücksichtigung. Optional lassen sich Erlöse aus der Abwärmenutzung berücksichtigen, angesetzt mit 25 Euro pro Megawattstunde thermisch.

Anwendungsfälle in Verkehr, Industrie und Gebäude

Der Rechner stellt die berechneten Wasserstoff- und Abwärmemengen in drei Sektoren dar, nicht kumulativ. Im Verkehr rechnet das Tool mit einer durchschnittlichen Pkw-Laufleistung von 13.700 Kilometern pro Jahr bei einem Verbrauch von 1,0 Kilogramm Wasserstoff pro 100 Kilometer. Für Brennstoffzellen-Busse gelten 45.000 Kilometer Jahreslaufleistung und 7,5 Kilogramm H₂ pro 100 Kilometer.

Im Industriesektor bildet der spezifische Wasserstoffbedarf eines Hochofenprozesses via Direktreduktion die Grundlage: 57,1 Kilogramm H₂ pro Tonne Rohstahl.

Für den Gebäudesektor legt das Modell ein gemitteltes deutsches Wohngebäude zugrunde: 140 Quadratmeter Fläche, ein spezifischer Wärmebedarf von 155 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr, gewichtet nach der Verteilung der Energieeffizienzklassen im deutschen Gebäudebestand. Als Heizsystem dient ein Wasserstoff-Brennwertkessel mit einem Wirkungsgrad von rund 105 Prozent (Hi-bezogen). Die Abwärme der Elektrolyse lässt sich zusätzlich zur Wasserstoffnutzung in allen Sektoren einsetzen.

(Quelle: TH Köln/2026)