Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure: Brückenschlag zwischen Kosten und Leistung bei grünem Wasserstoff

(WK-intern) – Cambridge, Großbritannien – Grüner Wasserstoff wird mittels Elektrolyseverfahren – konkret durch Wasserelektrolyse unter Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen – hergestellt.

Dem Bericht „Green Hydrogen 2027-2037“ von IDTechEx zufolge werden zwar derzeit alkalische Wasserelektrolyseure (AEL) und Protonenaustauschmembran-Elektrolyseure (PEMEL) vom Markt dominiert, doch entwickeln sich Anionenaustauschmembran-Elektrolyseure (AEMEL) zu einer vielversprechenden Technologie, die darauf abzielt, die Vorteile beider etablierter Verfahren zu vereinen.

Allerdings befinden sich AEMEL noch in einem frühen Stadium der Kommerzialisierung; insbesondere die langfristige Systemlebensdauer muss weiter verbessert werden, bevor die Technologie im großen Maßstab eingesetzt werden kann.

AEMEL: Kombination der Vorteile von AEL und PEMEL

Der Hauptvorteil von AEMEL liegt in seinem Potenzial, die Lücke bei Kosten und Leistung zwischen alkalischen Elektrolyseuren und PEM-Elektrolyseuren zu schließen.

Ähnlich wie AEL nutzt AEMEL relativ reichlich vorhandene und kostengünstige Materialien, einschließlich Katalysatoren aus Nicht-Edelmetallen. Viele der in AEMEL-Systemen verwendeten Komponenten – wie Elektroden und Gasdiffusionsschichten – stammen zudem aus der bestehenden AEL- und PEMEL-Technologie, wodurch von etablierten Lieferketten profitiert werden kann.

Gleichzeitig teilt AEMEL wesentliche Konstruktionsmerkmale mit PEMEL. Der Einsatz einer Festpolymermembran in einer sogenannten „Zero-Gap“-Architektur (ohne Spalt zwischen den Komponenten) ermöglicht ein schnelleres dynamisches Ansprechverhalten; das System kann seine Leistung also rascher hoch- und herunterfahren als herkömmliche alkalische Elektrolyseure. Diese Eigenschaft ist besonders wertvoll bei der Einbindung erneuerbarer Energiequellen, da deren Stromangebot stark schwanken kann.

Darüber hinaus trägt die membranbasierte Architektur dazu bei, den Gasübertritt (Cross-over) zu verringern – ein wesentlicher Schwachpunkt herkömmlicher alkalischer Systeme. Ein geringerer Gasübertritt ermöglicht einen effektiveren Betrieb bei Teillast, was die Flexibilität in Zeiten eines geringen Angebots an erneuerbarer Energie erhöht.

Die begrenzte Lebensdauer des Systems ist die größte Herausforderung für die Kommerzialisierung

Trotz der potenziellen Vorteile bleibt die begrenzte Lebensdauer des Systems das Haupthindernis für die Markteinführung von AEMEL. Die Haltbarkeit der Anionenaustauschmembran (AEM) ist ein kritischer Punkt, da sie auch bei längerem Betrieb unter alkalischen Bedingungen eine hohe Ionenleitfähigkeit beibehalten muss. Eine dauerhafte Einwirkung alkalischer Umgebungen kann jedoch den chemischen Abbau beschleunigen und die Leistungsfähigkeit der Membran schrittweise verringern. Zudem können Wasseraufnahme und das Quellen der Membran die mechanische Stabilität beeinträchtigen, was potenziell zu Problemen wie der Ablösung der Katalysatorschicht (Delaminierung) und einer sinkenden Ionenleitfähigkeit führen kann. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, verfolgen AEM-Entwickler verschiedene Strategien und setzen auf Materialinnovationen. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung vernetzter Polymergerüste, die das Quellen unterdrücken und die mechanische Stabilität verbessern sollen.

Der Bericht von IDTechEx mit dem Titel „Green Hydrogen Production & Electrolyzer Market 2027-2037: Technologies, Players, Forecasts“ vergleicht wichtige Elektrolyseur-Technologien – darunter AEL, PEMEL, AEMEL und SOEC – und beleuchtet deren jeweilige Vorteile, Einschränkungen, Stack-Designs sowie Trends bei Materialinnovationen.

Fehlende Industriestandards schaffen sowohl Herausforderungen als auch Chancen

Aufgrund des noch relativ frühen Entwicklungsstadiums von AEMEL mangelt es der Technologie derzeit an standardisierten Designs und Lieferketten. Auf Komponentenebene unterscheiden sich die kommerziell erhältlichen AEMs (Anionenaustauschermembranen) erheblich hinsichtlich ihrer Polymerrückgratstrukturen und kationischen Kopfgruppen. Diese Materialunterschiede führen zu einer großen Bandbreite an Membraneigenschaften, wobei jede Membrantechnologie ein anderes Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit, chemischer Stabilität und mechanischer Haltbarkeit aufweist. Gespräche von IDTechEx mit AEMEL-Entwicklern haben gezeigt, dass die Unternehmen derzeit umfangreiche interne Tests durchführen, um die Leistung der Membranen in ihren Systemen zu bewerten, da bislang kein allgemein anerkannter Industriestandard (Benchmark) etabliert ist.

Zu den führenden Anbietern von AEM-Materialien gehören Fumatech, Ionomr Innovations und Versogen. IDTechEx hat zudem festgestellt, dass zunehmend chinesische Anbieter wie BriHyNergy ihre Marktpräsenz ausbauen.

Verschärfter Wettbewerb durch Markteintritt von Elektrolyseur-Herstellern in den AEMEL-Bereich

Enapter ist derzeit der führende kommerzielle Akteur im AEMEL-Sektor. Das Unternehmen hat standardisierte, modulare AEM-Elektrolyseursysteme entwickelt und seine weltweite Präsenz durch mehr als 50 internationale Partnerschaften mit lokalen Systemintegratoren sowie durch Joint Ventures ausgebaut.

Es ist jedoch mit einer Verschärfung des Wettbewerbs zu rechnen, da immer mehr Elektrolyseur-Anbieter – insbesondere solche mit Expertise im Bereich PEMEL – in den AEMEL-Markt eintreten. Unternehmen wie Schaeffler und die Sumitomo Corporation präsentieren bereits AEMEL-Systeme auf aktuellen Branchenkonferenzen. Dieser Trend ist besonders in China sichtbar, wo IDTechEx eine wachsende Zahl von Unternehmen beobachtet hat, die AEMEL-Lösungen vorantreiben. Im Gegensatz dazu konzentrieren sich europäische und japanische Elektrolyseur-Hersteller weiterhin stärker auf die etablierten AEL- und PEMEL-Technologien; dies spiegelt einen eher konservativen Ansatz bei der Kommerzialisierung wider, bei dem vor dem Markteintritt häufig umfangreiche Validierungen erforderlich sind.

Marktausblick für AEMEL

Aktuelle AEMEL-Projekte sind noch relativ klein dimensioniert und liegen typischerweise unter 10 MW. IDTechEx geht jedoch davon aus, dass kontinuierliche Verbesserungen der Membranbeständigkeit und der Stack-Lebensdauer es der AEMEL-Technologie im Zuge ihrer Reifung ermöglichen werden, sowohl in den Markt für herkömmliche alkalische Elektrolyseure als auch in den für PEM-Elektrolyseure vorzudringen. Mit Blick auf die Zukunft positioniert sich AEMEL damit als eine der am schnellsten wachsenden Elektrolyseur-Technologien im expandierenden Sektor für grünen Wasserstoff.

Der Bericht von IDTechEx mit dem Titel „Green Hydrogen Production & Electrolyzer Market 2027-2037: Technologies, Players, Forecasts“ bietet eine umfassende Analyse der wichtigsten Elektrolyseur-Technologien, einschließlich AEL,

Anion Exchange Membrane Electrolyzers: Bridging Cost and Performance in Green Hydrogen

Cambridge, UK – Anion Exchange Membrane Electrolyzers: Bridging Cost and Performance in Green Hydrogen

Green hydrogen is produced based on electrolyzer technologies via water electrolysis powered by renewable electricity. According to IDTechEx’s Green Hydrogen 2027-2037 report, while alkaline water electrolyzers (AEL) and proton exchange membrane electrolyzers (PEMEL) currently dominate the market, anion exchange membrane electrolyzers (AEMEL) are emerging as a promising technology that aims to combine the advantages of both established approaches. However, AEMEL remains at an early commercialization stage, with long-term system lifetime still requiring further improvement before the technology can achieve large-scale deployment.

AEMEL: Combining the advantages of AEL and PEMEL

The primary advantage of AEMEL is its potential to bridge the cost gap and performance between alkaline and PEM electrolyzers.

Similar to AEL, AEMEL utilizes relatively abundant and low-cost materials, including non-precious metal catalysts. Many components used in AEMEL such as electrodes and gas diffusion layers are also derived from existing AEL and PEMEL, potentially benefiting from established supply chains.

At the same time, AEMEL shares key design features with PEMEL. The use of a solid polymer membrane with a zero-gap architecture enables faster dynamic response, allowing the system to ramp up and down more rapidly compared with conventional alkaline electrolyzers. This characteristic is particularly valuable when integrating with renewable energy sources, where electricity supply can fluctuate significantly.

Moreover, the membrane-based architecture helps reduce gas crossover, a key limitation of traditional alkaline systems. Lower gas crossover enables AEMEL systems to operate more effectively at minimal load, improving flexibility during periods of low renewable energy supply.

Limited system lifetime is the largest commercialization challenge

Despite its potential advantages, limited system lifetime remains the primary barrier to AEMEL commercialization. The durability of the anion exchange membrane (AEM) is a major concern, as it needs to maintain high ionic conductivity while operating under alkaline conditions for extended periods. However, prolonged exposure to alkaline environments may accelerate chemical degradation, gradually reducing membrane performance. In addition, water uptake and membrane swelling may compromise mechanical stability, potentially leading to issues such as catalyst layer delamination and declining ionic conductivity. To address these challenges, AEM developers are pursuing different strategies and material innovations. An example is the development of crosslinked polymer backbones designed to suppress swelling and improve mechanical stability.

IDTechEx’s report, „Green Hydrogen Production & Electrolyzer Market 2027-2037: Technologies, Players, Forecasts“, benchmarks key electrolyzer technologies, including AEL, PEMEL, AEMEL, and SOEC, covering their respective advantages, limitations, stack design and material innovation trends.

Lack of industry standards creates both challenges and opportunities

Due to the relatively early development stage of AEMEL, the technology currently lacks standardized designs and supply chains. At the component level, commercially available AEMs vary significantly in polymer backbone structures and cationic headgroups. These material differences result in huge variation in membrane properties, with each membrane technology involving different balances between conductivity, chemical stability, and mechanical durability. As a result, IDTechEx’s interviews with AEMEL developers indicated that companies are currently conducting extensive in-house testing to evaluate membrane performance within their systems, as no widely accepted industry benchmark has been established yet.

Leading companies supplying AEM materials include Fumatech, Ionomr Innovations, and Versogen. IDTechEx also observed that increasing Chinese suppliers such as BriHyNergy are expanding their market presence.

Increasing competition as electrolyzer manufacturers expand into AEMEL

Enapter is currently the leading commercial player of AEMEL. The company has developed standardized modular AEM electrolyzer systems and expanded its global presence through more than 50 international partnerships with local system integrators and joint ventures.

However, competition is expected to intensify as more electrolyzer players, particularly those with PEMEL expertise, enter the AEMEL market. Companies including Schaeffler and Sumitomo Corporation are already showcasing AEMEL systems at recent industry conferences. This trend is particularly visible in China, where IDTechEx has observed a growing number of companies advancing AEMEL solutions. In contrast, European and Japanese electrolyzer manufacturers have generally maintained a stronger focus on established AEL and PEMEL technologies, reflecting a more conservative commercialization approach where extensive validation is often required before market entry.

AEMEL market outlook

Current AEMEL projects remain relatively small in scale, typically below 10 MW. However, IDTechEx believes that ongoing improvements in membrane durability and stack lifetime will enable AEMEL technology to penetrate both traditional alkaline and PEM electrolyzer markets as it matures. Looking ahead, this positions AEMEL as one of the highest-growth electrolyzer technologies within the expanding green hydrogen sector.

IDTechEx’s report, „Green Hydrogen Production & Electrolyzer Market 2027-2037: Technologies, Players, Forecasts„, provides a comprehensive analysis of major electrolyzer technologies, including AEL, PEMEL, AEMEL, and SOEC. The report evaluates key technology performance characteristics, stack design and materials, and supply chain developments.

For more information on this report, including downloadable sample pages, please visit www.IDTechEx.com/Electrolyzer, or for the full portfolio of related research available from IDTechEx, see www.IDTechEx.com/Research/Energy.

About IDTechEx 

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PR: IDTechEx

PB: Overview of anion exchange membrane electrolysis (AEMEL) technology, highlighting the cell operating mechanism, advantages, challenges, and leading industry players. Source: IDTechEx.