PROMET-H2, Cost-effective PROton Exchange MEmbrane WaTer Electrolyser for Efficient and Sustainable Power-to-H2 Technology

The PROMET-H2 project aims to develop new technologies that will improve the processes of energy transmission to hydrogen, as well as its cost and storage. It is based on hydrogen as a solution for the storage of electricity produced with renewable energies, as these depend on highly variable climatic conditions. To encourage the use of these kind of energy sources, it is necessary to develop safe and competitive alternatives to electrochemical storage. Hydrogen, because of its high density, is a promising solution.

The need for de-carbonization of our society is a pressing issue raising the attention at social and political levels. The production of high value chemicals and fuels such as methanol requires hydrogen derived at the moment from hydrocarbons and resulting in large emissions of CO2. Green Hydrogen produced by water electrolysis coupled to renewable sources could be the ultimate solution to this problem. Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is the most suitable technology for this process due to its compactness and flexibility. However, the dependence on precious metal catalysts and expensive components manufactured in titanium poses a serious threat for the scale up and market penetration of this technology. PROMET-H2 project aims to develop a pressurized PEMWE with the lowest capital cost ever achieved (500-750 €/kW) without compromising performance and durability. The stack, based on hydraulic compression technology, will contain improved membranes and electrodes with reduced or even free of precious metal contents and with coated stainless steel bipolar plates (BPP) and porous transport layers (PTL). The materials and components that will make this possible have already been demonstrated in laboratory and in PROMET-H2 these innovations will be implemented in a 25 kW PEMWE system. Such electrolyser will be coupled with a methanol production pilot plant from CO2. Materials recycling strategies will be developed and a deep LCA and cost evaluation will be realised to ensure that the new PEMWE can be scaled-up to meet the demands of large methanol industrial plants. A well-balanced consortium of 12 industry and academic partners will address these challenges in three years with the aim of achieving renewable methanol production. At the end of the project, they will establish R&D and business cooperation in a value chain that goes from the nanomaterial synthesis to the green production of one of the most promising fuels and feed-stock chemicals.

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Entwicklung  aktiver Iridium-basierter Elektrokatalysatoren mittels lasergestützter Nanopartikelsynthese und Oberflächenmodifizierung von Keramikträgern für den effizienten Einsatz in PEM-Elektrolysezellen

In LIKELY sollen neue Werkstoffe für die besonders aussichtsreiche Technologie der PEM-Wasserelektrolyse entwickelt und untersucht werden. Im Vordergrund der Projektarbeit sollen hierbei hochreine Iridium-Katalysatoren stehen, die auf chlorfrei hergestellten sowie oberflächenmodifizierten Siliziumpartikeln appliziert und zu nanostrukturierten Elektroden verarbeitet werden. Durch den neuartigen Ansatz zur Herstellung von Edelmetall-Nanopartikel durch die Laserablationsmethode wird es möglich, die Dekoration der Siliziumträgerpartikel aus einem Iridiumkolloid heraus mittels Elektrophorese zu erzielen. Es wird erwartet, dass hierdurch eine hierarchische Elektrodenarchitektur erzielt sowie ein wesentlich höherer Ausnutzungsgrad des eingesetzten Edelmetalls erreicht werden kann, was in einer signifikanten Reduzierung der Kosten für diese Technologie der Wasserelektrolyse resultieren wird.

Darüber hinaus wird in diesem Projekt angestrebt, die Werkstoffentwicklung hinsichtlich Kostenvorteile, Wirkungsgradverbesserungen und Langzeitstabilität im Labormaßstab zu validieren. Hierfür werden die entwickelten Elektroden zu technischen Zellen verarbeitet und in einem optimierten Wasserelektrolyse-Labortestsystem für in-situ Untersuchungen eingesetzt. Insbesondere in einem standardisierten Langzeittest sollen die Performance und Stabilität ermittelt werden, um Vertrauen in die entwickelte Technologie zu schaffen und eine dem Projekt nachfolgende Vermarktung von Werkstoff‚ "made in NRW" zu begünstigen.

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NEWELY is a EU Horizon2020 project that deals with the development and testing of components for the next generation of Anion Exchange Membrane Water Electrolysers (AEMWE).

Green hydrogen is one of the most promising solutions for the decarbonisation of society. Alkaline water electrolysis (AWE) is already a mature technology but its large footprint makes it inadequate for producing the energy vector at GW scale. Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) on the other hand is compact but its dependence on iridium and other expensive materials poses a serious threat for up-scaling. Anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE) combines the benefits of both technologies. However, its key performance indicators (KPI) do not reach commercial requirements and are lacking competitiveness. NEWELY project aims to redefine AEMWE, surpassing the current state of AWE and bringing it one step closer to PEMWE in terms of efficiency but at lower cost. The three main technical challenges of AEMWE: membrane, electrodes and stack are addressed by 3 small-medium-enterprises (SME) with their successful markets related to each of these topics. They are supported by a group of 7 renowned R&D centres with high expertise in polymer chemistry and low temperature electrolysis. The SMEs and one of the largest hydrogen companies in the world will oversee that the new developments have a clear commercial perspective, placing Europe at the lead of AEMWE technology in three years. In this period , the NEWELY consortium will develop a prototypic 5-cell stack with elevated hydrogen output pressure. It will contain highly conductive and stable anionic membranes as well as efficient and durable

low-cost electrodes. It will reach twice the performance of the state of the art of AEMWE operating with pure water feedstock only. The targeted performance of the NEWELY prototype will be validated in a 2,000 hours endurance test. The new AEMWE stack will lead to a major cost reduction of water electrolysis having a significant impact in the cost of green hydrogen.

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Entwicklung einer Demonstrationsanlage zur Langzeituntersuchung einer modularen 15 Nm³h - PEM-Hochdruck-Elektrolyse auf Basis der hydraulischen Verpressung.

Um die Leistungsfähigkeit von innovativen Elektrolyseuren hinsichtlich des Einsatzes im industrierelevanten Umfeld untersuchen zu können, ist das Ziel im Rahmen von HDRA15 einen Hochdruck-Elektrolyseurteststand zu entwickeln, der in dieser Form heute noch nicht kommerziell verfügbar ist und den neuartigen Technologieansatz des antragstellenden Konsortiums demonstriert. Der Demonstrator-Teststand soll Teil des neu entstehenden Wasserstoff-Technologiezentrums der Firma iGas energy in Stolberg werden. Wasserstoff, der im Testbetrieb produziert wird, wird anschließend gespeichert, um diesen für nachfolgende Anwendungen nutzbar zu machen. Die H2-Produktion erfolgt hierbei CO2-frei, da die Energie regenerativen Quellen bezogen werden wird.

Als Innovationsland ist es für NRW von großer Bedeutung, neue Technologien in den Markt einzuführen, um die gesteckten nationalen Klimaziele zu erreichen und gleichzeitig eine kommerziell erfolgreiche Industriegüterproduktion zu gewährleisten. Das Vorhaben Hydra15 soll hierbei einen Beitrag zur zukünftigen Wettbewerbsfähigkeit NRWs im Bereich der Wasserstofftechnologie leisten, und durch die so erreichte Treibhausgasminderung die Vorreiterrolle des Landes in diesem Bereich bekräftigen.

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OBITRONIK GmbH

Gelsenkirchen