PEM-Elektrolyse: Auf dem Weg zu deutlichen Verbesserungen für eine höhere Leistung und längere Lebensdauer

Zur Erreichung von Klimaneutralität ist die Erzeugung von grünem Wasserstoff für verschiedene Sektoren, wie die Chemie- und Stahlindustrie und die Mobilität unabdingbar. Die Protonen-Austausch-Membran (PEM)-Elektrolyse bietet die Möglichkeit zur effizienten Erzeugung von Wasserstoff mittels erneuerbarer Energien. In PEMPIRE soll hierfür ein kostengünstiger und langzeitrobuster PEM-Elektrolyse-Stack entwickelt werden, der neuartige Materialien, wie Membran-Elektroden-Einheiten mit geringer Edelmetallbeladung, vorweist.

Ausgangslage

Um Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, wie sie im »European Green Deal« definiert ist, fördert die EU die Einführung von sauberen Wasserstofftechnologien in schwer zu elektrifizierenden Sektoren. Die EU-Wasserstoffstrategie, der »REPowerEU-Plan« und der »Net-Zero-Industry-Act« positionieren erneuerbaren Wasserstoff als strategische Säule für Dekarbonisierung und Energie-Resilienz. Die PEM-Elektrolyse ist in diesem Kontext entscheidend aufgrund ihres kompakten Designs, der einfachen Erzeugung von Wasserstoff unter Druck und ihrer schnellen Reaktionsfähigkeit auf volatile erneuerbare Energien. Im Projekt »PEMPIRE« soll hierfür ein kostengünstiger PEM-Stack mit geringer Katalysatorbeladung, hoher Leistungsdichte und hoher Langzeitstabilität entwickelt und demonstriert werden. Ganzheitlich begleitet werden die Entwicklungen durch gezielte techno-ökonomische und Lebenszyklusanalysen, um die technologischen Fortschritte im Hinblick auf Kosten und Umweltauswirkungen zu bewerten.

Ziel

Ziel des Projektes ist es eine neue Generation skalierbarer und kosteneffizienter PEM-Elektrolyseure auf Technologiereifegrad 6 zu entwickeln und zu demonstrieren. Hierfür soll ein Stack mit 20 kW Leistung entwickelt und über 2000 Stunden charakterisiert werden. Durch die gemeinschaftliche Entwicklung von recycelbaren Katalysatoren und neuartigen Membran-Elektroden-Einheiten mit geringer Katalysatorbeladung, kombiniert mit optimierten Stack- und Balance of Plant (BoP)-Systemen und simulativen Analysen soll dieses Ziel erreicht werden.

Lösungsansatz

»PEMPIRE« kombiniert experimentelle mit simulativen Untersuchungen der im Projekt entwickelten Komponenten. Auf experimenteller Seite sollen Leistungs- und Langzeitcharakterisierungen der entwickelten Generationen von Membran-Elektroden-Einheiten auf Zellen- und Stacklevel durchgeführt werden. Die simulativen Untersuchungen fokussieren die Entwicklung von Degradationsmodellen und beschleunigten Alterungstests. Zudem werden techno-ökonomische Analysen – mittels »H2ProSim« – und Lebenszyklusanalysen durchgeführt, die die technologischen Entwicklungen hinsichtlich des Kosten- und Umwelt-Impacts bewerten. Darüber hinaus werden relevante Recyclingprozesse analysiert. Damit streben wir die Entwicklung eines systematischen Verständnisses von Haltbarkeit, Kostentreibern und Umweltauswirkungen an.

Das Projekt »PEMPIRE«  wird von der Clean Hydrogen Partnership gefördert.

Das Projekt ist mitfinanziert von der Europäischen Union.