Herzstück einer Power-to-Gas (PtG)-Anlage ist der Elektrolyseur. Diese haben laut Herstellerangaben eine Haltbarkeit von über zehn Jahren.

Relativ jung, aber als flexibel und kostengünstig gilt das Prinzip der PEM-Elektrolyse. Der Name PEM ist abgeleitet von der protonenleiten-den Membran, der sogenannten Proton-Exchange-Membrane. Sie ist durchlässig für Protonen, aber nicht für Gase wie Wasserstoff oder Sauerstoff. Damit übernimmt sie in einem elektrolytischen Prozess u.a. die Funktion des Separators, der die Vermischung der Produktgase verhindert. Auf ihrer Vorder- und Rückseite sind Elektroden aus Edelmetall angebracht, die mit dem Plus- und Minuspol der Spannungsquelle verbunden sind. Hier findet die Wasserspaltung statt.

Bei Elektrolysen ab ca. 50 MW Leistung lohnt es sich, auch den Sauerstoff aufzufangen und zu nutzen. Heutige PEM-Elektrolysen am Markt sind jedoch deutlich kleiner, wie folgende Beispiele zeigen: Die Serie ME 100/350 des Lübecker Herstellers H-Tec hat 225 kW Nennleistung und produziert pro Stunde bis zu 47 m3 Wasserstoff, der Silyzer 300 von Siemens hat 17,5 MW und schafft stündlich 340 kg.

Um 1 kg Wasserstoff zu erzeugen, sind rund 50 bis 60 kWh Strom nötig. Pro kW kostet eine PEM-Elektrolyse zwischen 1000 und 2500 €. Branchenkenner gehen aber davon aus, dass sich Material- und Herstellungskosten mit einsetzender Massenproduktion verringern, ähnlich wie bei Photovoltaikanlagen oder den Batteriespeichern.

Je größer eine Anlage, desto günstiger wird der Wasserstoff: Laut Siemens lässt sich künftig mit einer 50 MW-Elektrolyse und einem Strompreis von etwa 3 ct/kWh Wasserstoff für ca. 2 €/kg herstellen. Ab ca. 4000 Betriebsstunden hängen die Wasserstofferzeugungskosten fast nur noch vom Strompreis ab.