Mercato delle celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM) – Dimensioni, quota, tendenze, opportunità e previsioni del settore globale segmentate per uso finale (automotive, industriale, commerciale, residenziale), per applicazione (stazionario, portatile, trasporto), per regione, concorrenza 2018-2028

Mercato globale delle celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM)

Principali driver di mercato

Il mercato delle celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM) è un segmento del settore dell'energia pulita che si concentra sullo sviluppo, la produzione e l'implementazione di sistemi di celle a combustibile PEM. Le celle a combustibile PEM sono note per la loro elevata efficienza energetica, le basse emissioni e l'idoneità per varie applicazioni, tra cui trasporti, generazione di energia stazionaria e dispositivi portatili. Il mercato è influenzato da diversi fattori chiave che ne influenzano la crescita e lo sviluppo. Ecco i principali fattori trainanti del mercato delle celle a combustibile PEMLa spinta globale verso fonti di energia pulite e sostenibili per mitigare i cambiamenti climatici e ridurre le emissioni di gas serra è un fattore trainante importante del mercato delle celle a combustibile PEM. Le celle a combustibile PEM producono elettricità tramite una reazione chimica tra idrogeno e ossigeno, emettendo solo vapore acqueo come sottoprodotto, il che le rende una fonte di energia pulita. Il settore dei trasporti rappresenta un'importante opportunità per le celle a combustibile PEM, in particolare nei veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV). Governi e case automobilistiche stanno investendo nella tecnologia FCEV come alternativa ai motori a combustione interna, spinti dalla necessità di ridurre le emissioni di carbonio e migliorare la qualità dell'aria. Lo sviluppo di un'economia dell'idrogeno, in cui l'idrogeno viene prodotto, immagazzinato e utilizzato come vettore energetico, è un forte motore per le celle a combustibile PEM. L'idrogeno può essere prodotto da varie fonti, tra cui l'energia rinnovabile, e utilizzato nelle celle a combustibile per generare elettricità in modo efficiente. Le celle a combustibile PEM possono svolgere un ruolo nelle applicazioni di accumulo di energia, come l'accumulo di energia a livello di rete e i sistemi di alimentazione di backup. La necessità di soluzioni di accumulo di energia affidabili ed efficienti per bilanciare le fonti di energia rinnovabili intermittenti guida il mercato.

Generazione di energia decentralizzata

Le celle a combustibile PEM possono essere utilizzate per la generazione di energia distribuita o decentralizzata. Sono adatti per applicazioni di cogenerazione (CHP), fornendo sia elettricità che calore per edifici residenziali e commerciali. Politiche governative di supporto, incentivi e sussidi volti a promuovere tecnologie di energia pulita, tra cui le celle a combustibile, incoraggiano gli investimenti e l'adozione di sistemi di celle a combustibile PEM.

Ricerca e sviluppo

Gli sforzi di ricerca e sviluppo continui per migliorare le prestazioni, la durata e la redditività della tecnologia delle celle a combustibile PEM stanno guidando i progressi nel mercato. Le innovazioni nei materiali e nei processi di produzione contribuiscono alla crescita del mercato. La collaborazione tra paesi e organizzazioni internazionali sulla ricerca e sviluppo di idrogeno e celle a combustibile promuove l'innovazione e amplia le opportunità di mercato. Con la maturazione della tecnologia delle celle a combustibile PEM, trova applicazioni che vanno oltre gli usi tradizionali. Ciò include l'alimentazione di riserva per infrastrutture di telecomunicazioni, la generazione di energia fuori rete e celle a combustibile portatili su piccola scala per l'elettronica di consumo. La crescente consapevolezza delle soluzioni di energia pulita e delle preoccupazioni ambientali tra consumatori e aziende ha portato a un crescente interesse per le celle a combustibile PEM come fonte di energia sostenibile ed efficiente. L'espansione dell'infrastruttura di rifornimento di idrogeno per FCEV è un fattore determinante per l'adozione di veicoli a celle a combustibile PEM. Gli investimenti nelle infrastrutture sono essenziali per supportare la crescita del mercato. Progetti dimostrativi di alto profilo e programmi pilota che mostrano le capacità e i vantaggi della tecnologia delle celle a combustibile PEM aiutano a creare fiducia e a promuovere l'accettazione del mercato.

Principali sfide del mercato

Costi di produzione elevati

Una delle principali sfide per le celle a combustibile PEM sono i loro costi di produzione relativamente elevati, attribuiti principalmente all'uso di costosi materiali catalizzatori, come il platino, negli elettrodi. Ridurre questi costi è essenziale per rendere le celle a combustibile PEM più competitive rispetto ad altre fonti di energia. Le celle a combustibile PEM devono funzionare in modo efficiente per periodi prolungati per essere economicamente sostenibili. Garantire la durevolezza e la longevità a lungo termine dei componenti delle celle a combustibile, in particolare la membrana conduttrice di protoni e i catalizzatori, è una sfida significativa. I catalizzatori utilizzati nelle celle a combustibile PEM sono sensibili a fattori come contaminanti, impurità del combustibile e cicli ad alta tensione. La degradazione del catalizzatore può avere un impatto significativo sulle prestazioni e sulla durata della cella a combustibile. L'idrogeno è il combustibile principale per le celle a combustibile PEM e il suo stoccaggio, trasporto e distribuzione rimangono sfide significative. Sviluppare un'infrastruttura per l'idrogeno efficiente, sicura e conveniente è essenziale per la crescita del mercato. La mancanza di un'infrastruttura completa per il rifornimento di idrogeno è una sfida, in particolare per l'adozione diffusa di veicoli a celle a combustibile. L'espansione delle stazioni di rifornimento di idrogeno richiede investimenti e coordinamento significativi. La maggior parte della produzione di idrogeno si basa su combustibili fossili, il che contraddice l'obiettivo di energia pulita. Sviluppare metodi di produzione di idrogeno scalabili e sostenibili, come l'elettrolisi utilizzando fonti di energia rinnovabili, è una sfida. Le celle a combustibile PEM richiedono una corretta gestione dell'acqua per prevenire la disidratazione o l'allagamento della membrana conduttrice di protoni. Il bilanciamento del contenuto di acqua all'interno della cella a combustibile è fondamentale per prestazioni ottimali.

Avvio a freddo e congelamento

Il funzionamento delle celle a combustibile PEM in condizioni climatiche fredde può essere difficile a causa del potenziale congelamento dell'acqua all'interno della cella. Sviluppare soluzioni efficaci di riscaldamento e isolamento è essenziale per le applicazioni in climi freddi. La transizione dai prototipi su scala di laboratorio alla produzione commerciale su larga scala è spesso difficile. Garantire prestazioni e affidabilità costanti su larga scala è un ostacolo significativo per i produttori di celle a combustibile PEM. L'idrogeno è infiammabile e pone problemi di sicurezza, in particolare nelle applicazioni di trasporto. Garantire la manipolazione, lo stoccaggio e l'uso sicuri dell'idrogeno è fondamentale per l'accettazione da parte del pubblico. Le celle a combustibile PEM affrontano la concorrenza di altre tecnologie di energia pulita, come le batterie agli ioni di litio e le celle a combustibile a ossidi solidi, che offrono vantaggi diversi e possono essere più adatte per determinate applicazioni. Quadri normativi e politiche incoerenti in merito alle tecnologie dell'idrogeno e delle celle a combustibile possono ostacolare la crescita del mercato. Sono necessarie normative chiare e di supporto per incentivare l'adozione. Sensibilizzare e promuovere la fiducia del pubblico nella tecnologia delle celle a combustibile è una sfida. La percezione e la comprensione pubblica delle celle a combustibile, soprattutto in confronto a tecnologie consolidate come i motori a combustione interna, possono avere un impatto sui tassi di adozione.

Nonostante queste sfide, gli sforzi di ricerca e sviluppo in corso, il supporto governativo e le collaborazioni tra industria e mondo accademico stanno affrontando molti di questi problemi. Con l'avanzare della tecnologia e con l'aumento dell'importanza degli obiettivi di energia pulita, si prevede che le celle a combustibile PEM svolgeranno un ruolo significativo nel raggiungimento di soluzioni energetiche sostenibili ed efficienti. Superare queste sfide sarà essenziale affinché il mercato delle celle a combustibile PEM raggiunga il suo pieno potenziale e contribuisca a un futuro energetico più pulito e sostenibile.

Principali tendenze di mercato

Si prevede che le iniziative governative e i crescenti investimenti privati guideranno il mercato

Il mercato delle celle a combustibile PEM ha assistito a una crescita significativa negli ultimi due anni, principalmente a causa dell'introduzione di iniziative governative nei mercati chiave e del crescente supporto agli investimenti da parte del settore privato. Il programma Alternative and Renewable Fuel and Vehicle Technology Program della Californian Energy Commission, un'iniziativa governativa del 2013, ha istituito un'autorità a lungo termine per cofinanziare le prime 100 stazioni di idrogeno al dettaglio. Ciò ha incoraggiato il settore privato a investire nel mercato delle celle a combustibile. La Californian Fuel Cell Partnership punta a una rete di 1.000 stazioni di idrogeno e a una popolazione di veicoli a celle a combustibile fino a 1.000.000 di veicoli entro il 2030. L'obiettivo riflette il contributo e il consenso di oltre 40 partner, tra cui aziende di tecnologia delle celle a combustibile, case automobilistiche, aziende energetiche, agenzie governative e organizzazioni non governative e università. A febbraio 2022, un progetto ha dimostrato che le celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica ad alta temperatura (HT-PEMFC) offrono una soluzione interessante per elettrificare veicoli pesanti e altre applicazioni di mobilità su larga scala grazie all'efficace rigetto del calore. Inoltre, numerose istituzioni, tra cui 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) e Toyota Research Institute of North America (Zhendong Hu e Hongfei Jia) sono state coinvolte in questo p Tra le celle a combustibile, il tipo PEM è quello più popolare. Si prevede che svolgerà un ruolo cruciale nell'obiettivo europeo di distribuzione delle celle a combustibile e guiderà il mercato delle celle a combustibile PEM.

A febbraio 2022, gli scienziati del Los Alamos National Laboratory hanno sviluppato una nuova cella a combustibile polimerica che funziona a temperature più elevate. Il problema di lunga data del surriscaldamento, uno dei maggiori ostacoli tecnici all'utilizzo di celle a combustibile di media e grande portata nei veicoli, come camion e autobus, è stato risolto da una nuova cella a combustibile polimerica ad alta temperatura che funziona a 80-160 gradi Celsius e ha una densità di potenza nominale superiore rispetto alle celle a combustibile all'avanguardia. Inoltre, c'è un aumento della domanda di veicoli basati su celle a combustibile in tutto il mondo. La Corea del Nord e gli Stati Uniti sono i paesi leader al mondo in termini di stock di veicoli basati su celle a combustibile. Nel 2021, la Corea del Nord e gli Stati Uniti avevano rispettivamente il 38% e il 24% dello stock mondiale di veicoli basati su celle a combustibile. Quindi, è probabile che tali iniziative e investimenti governativi spingano il mercato durante il periodo di previsione. Pertanto, a causa dei fattori sopra menzionati, si prevede che le iniziative governative e i crescenti investimenti privati nella tecnologia PEMFC guideranno il mercato durante il periodo di previsione.

Approfondimenti segmentali

Approfondimenti sull'uso finale

Approfondimenti regionali

La regione Asia-Pacifico si è affermata come leader nel mercato globale delle celle a combustibile a membrana elettrolitica polimerica (PEM) con una quota di fatturato significativa nel 2022

Sviluppi recenti

• La Cina ha in programma di produrre da 100.000 a 200.000 tonnellate di idrogeno rinnovabile all'anno e di avere una flotta di 50.000 veicoli alimentati a idrogeno entro il 2025. La Cina è attualmente il mercato più grande del mondo per camion e autobus a celle a combustibile e il terzo più grande per veicoli elettrici a celle a combustibile (FCEV).
• Gli scienziati indiani hanno sviluppato internamente elettrocatalizzatori a base di platino per celle a combustibile attraverso una procedura efficiente. Questo elettrocatalizzatore ha mostrato proprietà comparabili all'elettrocatalizzatore disponibile in commercio e potrebbe migliorare la durata delle prestazioni della pila di celle a combustibile.
• Agosto 2022il National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha iniziato a collaborare con Toyota Motor North America (Toyota) attraverso un accordo di ricerca e sviluppo cooperativo per costruire, installare e valutare un sistema di generazione di energia a celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM) da 1 megawatt (MW) presso il Flatirons Campus del NREL.

Principali attori del mercato

• Ballard Power System
• Plug Power
• Bloom Energia
• FuelCell Energy
• Hydrogenics (ora parte di Cummins Inc.)
• Nuvera Fuel Cells
• Doosan Fuel Cell America
• Nel Hydrogen
• Advent Technologies
• SFC Energy