Markt für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) – Globale Branchengröße, Anteil, Trends, Chancen und Prognose, segmentiert nach Endverbrauch (Automobil, Industrie, Gewerbe, Wohnen), nach Anwendung (stationär, tragbar, Transport), nach Region, Wettbewerb 2018-2028

Globaler Markt für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM)

Wichtige Markttreiber

Der Markt für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) ist ein Segment der sauberen Energiebranche, das sich auf die Entwicklung, Herstellung und Bereitstellung von PEM-Brennstoffzellensystemen konzentriert. PEM-Brennstoffzellen sind für ihre hohe Energieeffizienz, geringen Emissionen und Eignung für verschiedene Anwendungen bekannt, darunter Transport, stationäre Stromerzeugung und tragbare Geräte. Der Markt wird von mehreren wichtigen Treibern beeinflusst, die sein Wachstum und seine Entwicklung beeinflussen. Hier sind die Haupttreiber des PEM-BrennstoffzellenmarktesDer globale Vorstoß für saubere und nachhaltige Energiequellen zur Eindämmung des Klimawandels und zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen ist ein wichtiger Treiber des PEM-Brennstoffzellenmarktes. PEM-Brennstoffzellen erzeugen Strom durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, wobei als Nebenprodukt nur Wasserdampf freigesetzt wird, was sie zu einer sauberen Energiequelle macht. Der Transportsektor bietet PEM-Brennstoffzellen eine große Chance, insbesondere in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEVs). Regierungen und Automobilhersteller investieren in FCEV-Technologie als Alternative zu Verbrennungsmotoren, angetrieben von der Notwendigkeit, den Kohlenstoffausstoß zu reduzieren und die Luftqualität zu verbessern. Die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft, in der Wasserstoff produziert, gespeichert und als Energieträger verwendet wird, ist ein starker Treiber für PEM-Brennstoffzellen. Wasserstoff kann aus verschiedenen Quellen, einschließlich erneuerbarer Energie, produziert und in Brennstoffzellen zur effizienten Stromerzeugung verwendet werden. PEM-Brennstoffzellen können eine Rolle in Energiespeicheranwendungen spielen, wie z. B. Energiespeicherung auf Netzebene und Notstromversorgungssysteme. Der Bedarf an zuverlässigen und effizienten Energiespeicherlösungen zum Ausgleich intermittierender erneuerbarer Energiequellen treibt den Markt an.

Dezentrale Energieerzeugung

PEM-Brennstoffzellen können zur verteilten oder dezentralen Energieerzeugung verwendet werden. Sie eignen sich gut für Kraft-Wärme-Kopplungsanwendungen (KWK) und liefern sowohl Strom als auch Wärme für Wohn- und Geschäftsgebäude. Unterstützende staatliche Maßnahmen, Anreize und Subventionen zur Förderung sauberer Energietechnologien, einschließlich Brennstoffzellen, fördern Investitionen und die Einführung von PEM-Brennstoffzellensystemen.

Forschung und Entwicklung

Laufende Forschungs- und Entwicklungsbemühungen zur Verbesserung der Leistung, Haltbarkeit und Kosteneffizienz der PEM-Brennstoffzellentechnologie treiben die Fortschritte auf dem Markt voran. Innovationen bei Materialien und Herstellungsprozessen tragen zum Marktwachstum bei. Die Zusammenarbeit zwischen Ländern und internationalen Organisationen bei der Forschung und Entwicklung von Wasserstoff und Brennstoffzellen fördert Innovationen und erweitert die Marktchancen. Mit zunehmender Weiterentwicklung der PEM-Brennstoffzellentechnologie findet sie Anwendungen jenseits traditioneller Verwendungszwecke. Dazu gehören Notstromversorgung für Telekommunikationsinfrastruktur, netzunabhängige Stromerzeugung und kleine tragbare Brennstoffzellen für Unterhaltungselektronik. Das zunehmende Bewusstsein für saubere Energielösungen und Umweltbedenken bei Verbrauchern und Unternehmen hat zu einem wachsenden Interesse an PEM-Brennstoffzellen als nachhaltige und effiziente Energiequelle geführt. Der Ausbau der Wasserstofftankinfrastruktur für FCEVs ist ein entscheidender Treiber für die Einführung von PEM-Brennstoffzellenfahrzeugen. Investitionen in die Infrastruktur sind unerlässlich, um das Wachstum des Marktes zu unterstützen. Aufsehenerregende Demonstrationsprojekte und Pilotprogramme, die die Fähigkeiten und Vorteile der PEM-Brennstoffzellentechnologie demonstrieren, tragen dazu bei, Vertrauen aufzubauen und die Marktakzeptanz zu fördern.

Wichtige Marktherausforderungen

Hohe Herstellungskosten

Eine der größten Herausforderungen für PEM-Brennstoffzellen sind ihre relativ hohen Herstellungskosten, die hauptsächlich auf die Verwendung teurer Katalysatormaterialien wie Platin in den Elektroden zurückzuführen sind. Die Reduzierung dieser Kosten ist unerlässlich, um PEM-Brennstoffzellen gegenüber anderen Energiequellen wettbewerbsfähiger zu machen. PEM-Brennstoffzellen müssen über längere Zeiträume effizient arbeiten, um wirtschaftlich zu sein. Die Gewährleistung der langfristigen Haltbarkeit und Langlebigkeit von Brennstoffzellenkomponenten, insbesondere der protonenleitenden Membran und der Katalysatoren, ist eine erhebliche Herausforderung. Die in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Katalysatoren reagieren empfindlich auf Faktoren wie Verunreinigungen, Brennstoffverunreinigungen und Hochspannungszyklen. Der Abbau des Katalysators kann die Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich beeinträchtigen. Wasserstoff ist der Hauptbrennstoff für PEM-Brennstoffzellen, und seine Lagerung, sein Transport und seine Verteilung bleiben erhebliche Herausforderungen. Die Entwicklung einer effizienten, sicheren und kostengünstigen Wasserstoffinfrastruktur ist für das Wachstum des Marktes von entscheidender Bedeutung. Das Fehlen einer umfassenden Wasserstofftankinfrastruktur ist eine Herausforderung, insbesondere für die flächendeckende Einführung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Der Ausbau von Wasserstofftankstellen erfordert erhebliche Investitionen und Koordination. Der Großteil der Wasserstoffproduktion basiert auf fossilen Brennstoffen, was dem Ziel sauberer Energie widerspricht. Die Entwicklung skalierbarer und nachhaltiger Wasserstoffproduktionsmethoden, wie z. B. Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen, ist eine Herausforderung. PEM-Brennstoffzellen erfordern ein ordnungsgemäßes Wassermanagement, um eine Dehydrierung oder Überflutung der protonenleitenden Membran zu verhindern. Der Ausgleich des Wassergehalts innerhalb der Brennstoffzelle ist für eine optimale Leistung von entscheidender Bedeutung.

Kaltstart und Einfrieren

Der Betrieb von PEM-Brennstoffzellen bei kaltem Wetter kann aufgrund der Möglichkeit des Gefrierens von Wasser innerhalb der Zelle eine Herausforderung darstellen. Die Entwicklung effektiver Heiz- und Isolierlösungen ist für Anwendungen bei kaltem Wetter unerlässlich. Der Übergang von Prototypen im Labormaßstab zur großtechnischen Produktion ist oft eine Herausforderung. Die Gewährleistung einer gleichbleibenden Leistung und Zuverlässigkeit im großen Maßstab ist eine erhebliche Hürde für Hersteller von PEM-Brennstoffzellen. Wasserstoff ist entflammbar und wirft Sicherheitsbedenken auf, insbesondere bei Transportanwendungen. Die Gewährleistung der sicheren Handhabung, Lagerung und Verwendung von Wasserstoff ist für die Akzeptanz in der Öffentlichkeit von entscheidender Bedeutung. PEM-Brennstoffzellen stehen im Wettbewerb mit anderen sauberen Energietechnologien wie Lithium-Ionen-Batterien und Festoxidbrennstoffzellen, die andere Vorteile bieten und für bestimmte Anwendungen möglicherweise besser geeignet sind. Inkonsistente regulatorische Rahmenbedingungen und Richtlinien in Bezug auf Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologien können das Marktwachstum behindern. Klare und unterstützende Vorschriften sind erforderlich, um die Einführung zu fördern. Das Bewusstsein zu schärfen und das öffentliche Vertrauen in die Brennstoffzellentechnologie zu stärken, ist eine Herausforderung. Die öffentliche Wahrnehmung und das Verständnis von Brennstoffzellen, insbesondere im Vergleich zu etablierten Technologien wie Verbrennungsmotoren, können die Einführungsraten beeinflussen.

Trotz dieser Herausforderungen werden viele dieser Probleme durch laufende Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen, staatliche Unterstützung und Kooperationen zwischen Industrie und Wissenschaft angegangen. Mit dem technologischen Fortschritt und der zunehmenden Bedeutung sauberer Energieziele werden PEM-Brennstoffzellen voraussichtlich eine bedeutende Rolle bei der Entwicklung nachhaltiger und effizienter Energielösungen spielen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist entscheidend, damit der PEM-Brennstoffzellenmarkt sein volles Potenzial entfalten und zu einer saubereren und nachhaltigeren Energiezukunft beitragen kann.

Wichtige Markttrends

Regierungsinitiativen und zunehmende private Investitionen werden den Markt voraussichtlich antreiben

Der PEM-Brennstoffzellenmarkt hat in den letzten zwei Jahren ein deutliches Wachstum erlebt, hauptsächlich aufgrund der Einführung staatlicher Initiativen in wichtigen Märkten und zunehmender Investitionsunterstützung durch den privaten Sektor. Das Programm für alternative und erneuerbare Kraftstoffe und Fahrzeugtechnologie der kalifornischen Energiekommission, eine Regierungsinitiative aus dem Jahr 2013, hat die langfristige Befugnis zur Kofinanzierung der ersten 100 Wasserstofftankstellen im Einzelhandel geschaffen. Dies hat den privaten Sektor ermutigt, in den Brennstoffzellenmarkt zu investieren. Die Californian Fuel Cell Partnership strebt bis 2030 ein Netz von 1.000 Wasserstofftankstellen und einen Bestand an Brennstoffzellenfahrzeugen von bis zu 1.000.000 Fahrzeugen an. Das Ziel spiegelt die Beiträge und den Konsens von mehr als 40 Partnern wider, darunter Brennstoffzellentechnologieunternehmen, Automobilhersteller, Energieunternehmen, Regierungsbehörden und Nichtregierungsorganisationen sowie Universitäten. Im Februar 2022 zeigte ein Projekt, dass Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFCs) aufgrund ihrer effektiven Wärmeableitung eine attraktive Lösung zur Elektrifizierung schwerer Nutzfahrzeuge und anderer Mobilitätsanwendungen im großen Maßstab darstellen. Darüber hinaus waren mehrere Institutionen an diesem Projekt beteiligt, darunter LANL (Katie Lim), Sandia National Labs (Cy Fujimoto), Korea Institute of Science and Technology (Jiyoon Jung), University of New Mexico (Ivana Gonzales), University of Connecticut (Jasna Jankovic) und Toyota Research Institute of North America (Zhendong Hu und Hongfei Jia). Unter den Brennstoffzellen ist der PEM-Typ der beliebteste. Es wird erwartet, dass es eine entscheidende Rolle bei Europas Ziel für den Einsatz von Brennstoffzellen spielt und den Markt für PEM-Brennstoffzellen vorantreibt.

Im Februar 2022 entwickelten Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory eine neue Polymerbrennstoffzelle, die bei höheren Temperaturen arbeitet. Das langjährige Problem der Überhitzung, eines der größten technischen Hindernisse für den Einsatz von Brennstoffzellen für mittlere und schwere Lasten in Fahrzeugen wie Lastwagen und Bussen, wurde durch eine neue Hochtemperatur-Polymerbrennstoffzelle gelöst, die bei 80-160 Grad Celsius arbeitet und eine höhere Nennleistungsdichte als modernste Brennstoffzellen aufweist. Darüber hinaus steigt die Nachfrage nach brennstoffzellenbasierten Fahrzeugen weltweit. Nordkorea und die Vereinigten Staaten sind die führenden Länder der Welt, was den Bestand an brennstoffzellenbasierten Fahrzeugen angeht. Im Jahr 2021 besaßen Nordkorea und die Vereinigten Staaten 38 % bzw. 24 % des weltweiten Bestands an brennstoffzellenbasierten Fahrzeugen. Daher werden solche Regierungsinitiativen und -investitionen den Markt im Prognosezeitraum wahrscheinlich ankurbeln. Aufgrund der oben genannten Faktoren wird erwartet, dass staatliche Initiativen und wachsende private Investitionen in die PEMFC-Technologie den Markt im Prognosezeitraum antreiben werden.

Segmentale Einblicke

Einblicke in die Endnutzung

Regionale Einblicke

Die Region Asien-Pazifik hat sich als Marktführer auf dem globalen Markt für Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM) mit einem erheblichen Umsatzanteil im Jahr 2022 etabliert

Jüngste Entwicklungen

• China plant, jährlich 100.000 bis 200.000 Tonnen erneuerbaren Wasserstoff herzustellen und bis 2025 über eine Flotte von 50.000 wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen zu verfügen. China ist derzeit der weltweit größte Markt für Brennstoffzellen-Lkw und -Busse und der drittgrößter für Brennstoffzellen-Elektrofahrzeuge (FCEVs).
• Indische Wissenschaftler haben mithilfe eines effizienten Verfahrens im eigenen Land Platin-basierte Elektrokatalysatoren für Brennstoffzellen entwickelt. Dieser Elektrokatalysator zeigte vergleichbare Eigenschaften wie der im Handel erhältliche Elektrokatalysator und könnte die Lebensdauer der Leistung des Brennstoffzellenstapels verlängern.
• August 2022Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) begann im Rahmen einer kooperativen Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung mit Toyota Motor North America (Toyota) zusammenzuarbeiten, um auf dem Flatirons Campus des NREL ein 1-Megawatt (MW)-Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem mit Protonenaustauschmembran (PEM) zu bauen, zu installieren und zu bewerten.

Wichtige Marktteilnehmer

• Ballard Power System
• Plug Power
• Bloom Energie
• Brennstoffzellen-Energie
• Hydrogenics (jetzt Teil von Cummins Inc.)
• Nuvera-Brennstoffzellen
• Doosan Fuel Cell America
• Nel Hydrogen
• Advent Technologies
• SFC-Energie