Рынок твердооксидных топливных элементов в Северной Америке по типу (плоские и трубчатые), по применению (стационарные, транспортные и портативные), по конечному пользователю (коммерческие, центры обработки данных, военные и оборонные и другие), по стране, по прогнозу конкуренции и возможностям, 2018–2028 гг.

Обзор рынка

Рынок твердооксидных топливных элементов в Северной Америке оценивается в 286,35 млн долларов США в 2022 году и, как ожидается, будет прогнозировать устойчивый рост в прогнозируемый период с CAGR 15,92% до 2028 года. Ожидается, что доля рынка твердооксидных топливных элементов будет подкреплена растущими инвестициями в развитие инфраструктуры водородного топлива в развивающихся странах. Отраслевая тенденция будет обусловлена растущим внедрением высокоэффективных устройств и растущей обеспокоенностью по поводу парниковых газов. Кроме того, бизнес-сценарий будет обусловлен масштабируемой выходной мощностью, эффективной рекуперацией тепла и потенциалом для комбинированного производства тепла и электроэнергии в местах, не подключенных к электросети.

Ключевые драйверы рынка

Повышение энергоэффективности и экологические проблемы

Рынок твердооксидных топливных элементов (SOFC) в Северной Америке демонстрирует сильный рост, в первую очередь из-за острой необходимости повышения энергоэффективности и растущих экологических проблем. Поскольку мир борется с последствиями изменения климата и стремится сократить выбросы парниковых газов, технология SOFC стала многообещающим решением для решения этих проблем.

Одним из ключевых драйверов принятия SOFC является их исключительная энергоэффективность. В отличие от традиционных методов выработки электроэнергии на основе сжигания, SOFC работают со значительно более высокой эффективностью, часто превышающей 60%. Такая высокая эффективность достигается за счет электрохимического преобразования водорода или углеводородного топлива непосредственно в электричество, минуя промежуточные этапы и связанные с ними потери тепла. Следовательно, SOFC могут значительно сократить углеродный след различных применений, включая производство электроэнергии, транспортировку и промышленные процессы.

Более того, SOFC предлагают преимущество низких выбросов, особенно при питании от чистого водорода или биогаза. Их работа приводит к минимальному загрязнению воздуха, таким как оксиды азота (NOx) и твердые частицы, что делает их более чистой альтернативой традиционным технологиям сжигания. Это экологическое преимущество соответствует строгим нормам выбросов в Северной Америке и усиливает принятие SOFC в различных отраслях промышленности.

Кроме того, растущее внимание к распределенной генерации энергии и микросетям стимулирует спрос на SOFC. Эти системы обеспечивают надежные и устойчивые решения для генерации электроэнергии как для подключенных к сети, так и для автономных приложений. В регионах, подверженных отключениям электроэнергии или с ограниченным доступом к сети, SOFC предлагают привлекательный вариант для обеспечения бесперебойного энергоснабжения. Эта тенденция особенно заметна в отдаленных населенных пунктах, военных базах и критически важных инфраструктурных объектах.

Подводя итог, можно сказать, что растущее внимание к энергоэффективности и экологической устойчивости служит существенным драйвером для североамериканского рынка SOFC. Благодаря своей превосходной эффективности и низкому уровню выбросов SOFC хорошо подходят для того, чтобы играть важную роль в сокращении выбросов углерода и повышении энергетической устойчивости в регионе.

Рост инвестиций в исследования и разработки

Еще одним убедительным фактором, способствующим росту североамериканского рынка твердооксидных топливных элементов (SOFC), являются растущие инвестиции в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), связанные с технологией SOFC. Поскольку правительства, частные компании и научно-исследовательские институты признают потенциал SOFC в различных областях применения, значительное финансирование выделяется на продвижение современных материалов SOFC, производственных процессов и системной интеграции.

Одним из основных направлений НИОКР является разработка современных материалов для компонентов SOFC, включая электролиты, электроды и межсоединения. Эти материалы играют решающую роль в повышении производительности, долговечности и экономической эффективности SOFC. Исследователи активно изучают новые материалы, такие как электролиты на основе оксида церия и электроды на основе перовскита, для повышения общей эффективности и долговечности систем SOFC.

Кроме того, производственные процессы являются важной областью НИОКР. Оптимизация методов производства и снижение производственных затрат имеют решающее значение для достижения экономической конкурентоспособности технологии SOFC. Исследователи работают над масштабируемыми и экономически эффективными технологиями производства, такими как литье ленты и трафаретная печать, для снижения производственных затрат на компоненты SOFC.

Кроме того, исследования системной интеграции направлены на оптимизацию интеграции SOFC в различные приложения, включая стационарную генерацию электроэнергии, транспорт и портативные устройства. Это включает в себя разработку систем управления, гибридизацию с другими источниками питания и решение проблем совместимости для обеспечения бесшовной интеграции в существующую инфраструктуру.

Государственно-частное партнерство, правительственные гранты и стимулы сыграли решающую роль в поддержке этих научно-исследовательских усилий. Такие инициативы, как Программа твердооксидных топливных элементов Министерства энергетики США, предоставили значительное финансирование и ресурсы для ускорения разработки и внедрения технологии SOFC. Эти инвестиции не только продвинули технологию, но и способствовали созданию благоприятной рыночной среды для принятия SOFC.

В заключение следует отметить, что растущие инвестиции в исследования и разработки служат ключевым драйвером для североамериканского рынка SOFC. Эти усилия прокладывают путь для инноваций, снижения затрат и повышения производительности, тем самым делая SOFC все более конкурентоспособными и привлекательными для широкого спектра применений.

Развивающийся энергетический ландшафт и устойчивость сетей

Рынок твердооксидных топливных элементов (SOFC) в Северной Америке стимулируется развивающимся энергетическим ландшафтом и растущим акцентом на устойчивость сетей. Поскольку регион претерпевает изменения в схемах генерации и распределения энергии, ТОТЭ становятся универсальной и надежной технологией, способной решать проблемы, связанные с непостоянными возобновляемыми источниками энергии, и повышать энергетическую безопасность.

Одним из заметных изменений в энергетическом ландшафте является интеграция возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца. Хотя эти источники предлагают экологические преимущества, они по своей сути непостоянны, что приводит к проблемам в поддержании стабильного электроснабжения. ТОТЭ могут играть жизненно важную роль в смягчении этой непостоянства, обеспечивая высокоэффективную генерацию электроэнергии по требованию. Их можно быстро запускать и останавливать, что делает их хорошо подходящими для отслеживания нагрузки и стабилизации сети.

Кроме того, ТОТЭ могут работать на различных видах топлива, включая природный газ и биогаз. Эта гибкость позволяет им служить в качестве мостовой технологии, дополняющей возобновляемые источники энергии и снижающей зависимость от ископаемого топлива. Их можно использовать для выработки электроэнергии в периоды высокого спроса или при низком уровне генерации возобновляемой энергии, тем самым способствуя более сбалансированной и надежной сети.

Необходимость устойчивости сети становится все более очевидной перед лицом экстремальных погодных явлений и угроз кибербезопасности. SOFC хорошо подходят для обеспечения резервного питания критически важной инфраструктуры, такой как больницы, центры обработки данных и центры реагирования на чрезвычайные ситуации. Их способность работать независимо от сети и быстрое время запуска делают их ценным активом для обеспечения бесперебойного электроснабжения во время чрезвычайных ситуаций.

Более того, достижения в технологии микросетей стимулируют внедрение SOFC в локализованные энергетические системы. Микросети могут работать автономно или совместно с основной сетью, обеспечивая повышенную устойчивость и энергетическую безопасность для сообществ и предприятий. SOFC могут служить основным или резервным источником питания в этих микросетях, способствуя их надежности.

Подводя итог, можно сказать, что меняющийся энергетический ландшафт и растущая потребность в устойчивости сети являются значительными движущими силами для североамериканского рынка SOFC. SOFC предлагают универсальное и надежное решение для решения проблем, связанных с интеграцией возобновляемых источников энергии, и обеспечения непрерывности критически важных услуг в условиях сбоев.

Основные проблемы рынка

Высокие начальные затраты и ограниченная коммерческая жизнеспособность

Одной из основных проблем, с которой сталкивается североамериканский рынок твердооксидных топливных элементов (SOFC), является высокая начальная стоимость систем SOFC и их ограниченная коммерческая жизнеспособность по сравнению с устоявшимися энергетическими технологиями. Хотя SOFC предлагают несколько преимуществ, таких как высокая эффективность и низкий уровень выбросов, первоначальные инвестиции, необходимые для разработки, производства и установки этих систем, остаются значительным препятствием для широкого внедрения.

Проблема стоимости в первую очередь возникает из-за сложных материалов и производственных процессов, используемых при производстве компонентов SOFC, включая керамический электролит и электроды. Эти материалы должны выдерживать высокие температуры и суровые условия эксплуатации, что часто требует специализированных методов изготовления и материалов, что, в свою очередь, увеличивает производственные затраты. Кроме того, низкие объемы производства систем SOFC по сравнению с традиционными энергетическими технологиями препятствуют полной реализации экономии масштаба.

Более того, SOFC обычно требуют обширного баланса компонентов установки, включая блоки обработки топлива, теплообменники и системы управления, что еще больше увеличивает их общую стоимость. Следовательно, капитальные затраты, необходимые для развертывания систем SOFC для выработки электроэнергии или других применений, могут быть непомерно высокими для многих потенциальных клиентов, что ограничивает их коммерческую жизнеспособность.

Решение этой проблемы требует согласованных усилий по снижению стоимости технологии SOFC за счет исследований и инноваций. Достижения в области материаловедения, производственных технологий и системной интеграции могут помочь снизить производственные затраты и повысить конкурентоспособность SOFC на энергетическом рынке. Кроме того, государственные стимулы и субсидии могут сыграть решающую роль в компенсации первоначального инвестиционного бремени и стимулировании внедрения технологии SOFC.

Проблемы долговечности и надежности

Одна из существенных проблем, стоящих перед североамериканским рынком SOFC, касается долговечности и надежности систем SOFC на протяжении всего срока их эксплуатации. Учитывая их высокие рабочие температуры, часто превышающие 800 градусов по Цельсию, SOFC подвержены деградации материала и термическому напряжению, что в конечном итоге влияет на их долгосрочную производительность и надежность.

Основная проблема долговечности SOFC связана с деградацией компонентов ячейки, в частности электродов и электролита. Со временем повторяющиеся термоциклы и воздействие реактивных газов могут привести к деградации материала, что приведет к снижению производительности и эффективности ячейки. Кроме того, образование трещин или дефектов в керамических компонентах может нарушить структурную целостность стека SOFC, что приведет к преждевременному выходу из строя.

Чтобы решить эти проблемы, текущие исследовательские усилия старательно сосредоточены на разработке более надежных материалов и конструкций, способных выдерживать сложные условия эксплуатации SOFC. Это включает в себя разработку усовершенствованных электродных материалов с улучшенной стабильностью и устойчивостью к деградации. Кроме того, лучшее понимание и осуществление контроля над тепловым управлением в системах SOFC может помочь смягчить термическую нагрузку и повысить общую долговечность.

Надежность также становится критически важной проблемой, особенно в приложениях, где бесперебойное электропитание имеет важное значение, таких как резервные системы питания и микросети. Обеспечение надежности SOFC требует надежной конструкции системы, включающей механизмы резервирования и отказоустойчивости. Кроме того, непрерывный мониторинг и обслуживание необходимы для выявления и устранения любых проблем, которые могут поставить под угрозу производительность системы.

Инфраструктура водорода и поставки топлива

Рынок SOFC в Северной Америке сталкивается с тремя основными проблемами. Во-первых, необходимо обеспечить доступность и инфраструктуру для поставок водорода, который является обычным топливом для SOFC. Хотя водород является отличным выбором для SOFC из-за его универсальности и свойств чистого сгорания, создание надежной цепочки поставок водорода и инфраструктуры остается существенным препятствием.

Более того, производство, хранение и распределение водорода требуют значительных инвестиций и развития инфраструктуры. В настоящее время большинство методов производства водорода включают реформинг природного газа, что приводит к выбросам углекислого газа, если не используются технологии улавливания и утилизации углерода. Для соответствия экологическим целям крайне важно перейти на более чистые методы производства водорода, такие как электролиз с использованием возобновляемой энергии.

Кроме того, распределение и хранение водорода в масштабах, необходимых для широкого внедрения SOFC, создают логистические проблемы. Для решения этой проблемы необходимо разработать инфраструктуру заправки водородом для транспортных приложений и создать цепочки поставок водорода для стационарной генерации электроэнергии. Эти усилия требуют значительных инвестиций в инфраструктуру и нормативную поддержку.

Решение этих проблем влечет за собой совершенствование технологий производства водорода и координацию усилий по расширению водородной инфраструктуры. Решающее значение имеют государственные стимулы и политика, способствующие производству водорода из возобновляемых источников и поддерживающие развитие водородных заправочных станций и распределительных сетей.

Подводя итог, можно сказать, что североамериканский рынок SOFC сталкивается со значительными проблемами, связанными с высокими начальными затратами, проблемами долговечности и надежности, а также доступностью инфраструктуры и поставок водорода. Преодоление этих проблем потребует совместных усилий заинтересованных сторон отрасли, государственной поддержки и постоянных исследований и инноваций, чтобы сделать технологию SOFC более доступной и конкурентоспособной в энергетическом ландшафте региона.

Основные тенденции рынка

Растущее внедрение твердооксидных топливных элементов в центрах обработки данных

Значительной тенденцией на североамериканском рынке твердооксидных топливных элементов (SOFC) является растущее внедрение технологии SOFC в центрах обработки данных. Центры обработки данных являются критически важной инфраструктурой, требующей постоянного и надежного электропитания для бесперебойной работы. SOFC становятся оптимальным решением для удовлетворения этого спроса благодаря своей высокой эффективности, низкому уровню выбросов и способности обеспечивать как электроэнергию, так и тепло.

Центры обработки данных требуют значительного количества электроэнергии для питания серверов и систем охлаждения, а также выработки значительного количества тепла. SOFC эффективно используют это отходящее тепло, повышая общую энергоэффективность за счет комбинированного производства тепла и электроэнергии (CHP). Эта возможность совместной генерации не только снижает затраты на электроэнергию, но и соответствует целям устойчивого развития операторов центров обработки данных.

Системы SOFC работают круглосуточно и без выходных, выступая в качестве надежного резервного источника питания во время отключений сети, что жизненно важно для поддержания бесперебойной работы центров обработки данных. В регионах, подверженных экстремальным погодным явлениям или ненадежной сетевой инфраструктуре, SOFC предлагают убедительное решение для повышения устойчивости центров обработки данных.

Несколько технологических компаний и операторов центров обработки данных в Северной Америке уже внедрили или изучают возможность интеграции SOFC в свои объекты. Ожидается, что эта тенденция сохранится, поскольку центры обработки данных стремятся повысить энергоэффективность, сократить выбросы углекислого газа и повысить эксплуатационную надежность.

Рост развертываний микросетей

Еще одной важной тенденцией на рынке SOFC в Северной Америке является растущее внедрение развертываний микросетей, включающих технологию SOFC. Микросети представляют собой локализованные энергетические системы, которые могут работать независимо или в координации с основной сетью, обеспечивая повышенную энергетическую безопасность, устойчивость сети и возможность интеграции возобновляемых источников энергии.

SOFC хорошо подходят для приложений микросетей благодаря своей надежной генерации электроэнергии по требованию и высокой эффективности. В микросетях SOFC могут служить основным источником питания или действовать как резервная система, обеспечивая бесперебойную подачу электроэнергии во время сбоев или отключений сети. Их возможности быстрого запуска и отслеживания нагрузки делают их ценными активами в конфигурациях микросетей.

Эти развертывания микросетей особенно актуальны в отдаленных или автономных местах, таких как военные базы, островные сообщества и промышленные объекты. SOFC могут предложить стабильный и чистый источник энергии, снижая зависимость от дизельных генераторов и повышая энергетическую устойчивость.

Ожидается, что правительственные стимулы, гранты и инициативы, способствующие развитию микросетей и модернизации сетей, будут способствовать интеграции SOFC в микросетевые проекты по всей Северной Америке. Поскольку спрос на локализованные, устойчивые энергетические решения продолжает расти, ожидается, что эта тенденция будет набирать обороты.

Сегментарные данные

Типовые данные

Сегмент Planar стал доминирующим игроком в 2022 году. Он охватывает как подключенные к сети, так и автономные системы, которые снабжают здания и объекты электроэнергией и теплом. В транспортном секторе ТОТЭ в этом сегменте находят применение в транспортных средствах на топливных элементах (FCV), судах и вспомогательных силовых установках (APU) для грузовиков и поездов. Хотя FCV, работающие на ТОТЭ, все еще находятся на стадии разработки, они обещают стать более чистым транспортом.

ТОТЭ в этом сегменте используют водород в качестве основного источника топлива, полученного путем риформинга природного газа, электролиза или других методов производства водорода. Кроме того, ТОТЭ могут использовать природный газ или биогаз в качестве источников топлива. Эти системы могут обеспечить более чистую энергию при использовании технологий улавливания и утилизации углерода (CCU).

Сегмент исследований и разработок фокусируется на ранних стадиях исследований, разработке материалов и усилиях по созданию прототипов, направленных на продвижение технологии ТОТЭ. Эти проекты включают в себя реальные испытания систем SOFC для проверки их производительности и надежности.

США конкретно рассматривают динамику рынка, государственную поддержку и усилия по коммерциализации в Соединенных Штатах, ключевом игроке на североамериканском рынке SOFC.

Жилой сегмент охватывает системы SOFC, используемые в домах для комбинированного производства тепла и электроэнергии, обеспечивая электроэнергией и отоплением. Категория «Малые масштабы» охватывает меньшие системы SOFC, подходящие для жилых и небольших коммерческих приложений.

Аналитика применения

Прогнозируется, что транспортный сегмент будет испытывать быстрый рост в течение прогнозируемого периода. Автобусы на топливных элементах, включая автобусы на SOFC, развертываются в некоторых городах Северной Америки в рамках инициатив по снижению городского загрязнения. SOFC изучаются для интеграции в морские суда, предлагая потенциальную замену традиционным двигателям и средство для сокращения выбросов, тем самым представляя более экологичную альтернативу. Такие компании, как Ballard Power Systems, Bloom Energy и Solid Power, активно занимаются разработкой технологии SOFC для транспортных приложений. SOFC демонстрируют топливную гибкость, используя различные источники, включая водород и природный газ, тем самым предлагая универсальность в поиске топлива. Государственные стимулы и финансирование научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов, относящихся к SOFC в транспорте, играют решающую роль в их внедрении.

С развитием технологий, снижением затрат и ужесточением экологических норм североамериканский рынок SOFC в транспорте, как ожидается, будет демонстрировать существенный рост. Первоначальное внедрение может наблюдаться на нишевых рынках, таких как автобусы и специальные транспортные средства, а затем распространиться на более широкие области применения, такие как легковые автомобили и грузовики.

Загрузить бесплатный образец отчета

Сведения о странах

Соединенные Штаты стали доминирующим игроком в 2022 году. Соединенные Штаты активно занимаются исследованиями и разработками SOFC в течение нескольких десятилетий. Это участие способствовало созданию надежной экосистемы научно-исследовательских институтов, университетов, национальных лабораторий и частных компаний, занимающихся областью ТОТЭ.

Правительство США сыграло ключевую роль в продвижении технологии ТОТЭ, при этом такие агентства, как Министерство энергетики США (DOE), создали специальные программы и инициативы для разработки и коммерциализации ТОТЭ. Финансирование, предоставленное DOE, поддержало широкий спектр исследовательских проектов, охватывающих от разработки материалов до системной интеграции, тем самым ускоряя уровни готовности инноваций и технологий.

Соединенные Штаты могут похвастаться сильным ландшафтом исследований и разработок в области ТОТЭ, при этом ведущие институты и национальные лаборатории, такие как Национальная лаборатория возобновляемой энергии (NREL) и Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли, активно участвуют в передовых исследованиях. Их вклад охватывает передовые материалы, производственные технологии и решения для системной интеграции.

Многочисленные компании, базирующиеся в США, активно занимаются коммерциализацией технологии ТОТЭ, уделяя особое внимание различным приложениям, включая стационарную генерацию электроэнергии, микросети, резервные системы питания и портативные устройства. Их согласованные усилия по масштабированию производства, снижению затрат и повышению производительности системы имеют решающее значение для роста рынка.

Кроме того, Соединенные Штаты вкладывают стратегические инвестиции в развитие водородной инфраструктуры, что представляет многообещающие возможности для SOFC. Водород, произведенный с помощью возобновляемых или низкоуглеродных методов, может служить чистым топливом для SOFC. Ожидается, что продолжающиеся усилия страны по расширению сетей производства и распределения водорода будут способствовать внедрению работающих на водороде ТОТЭ.

Последние события

• В 2022 году Bloom Energy успешно приобрела Angstron Materials, известного производителя компонентов ТОТЭ. Это стратегическое приобретение предоставило Bloom Energy эксклюзивный доступ к запатентованной технологии ТОТЭ Angstron, что позволило ей эффективно снизить стоимость своих систем ТОТЭ.

Ключевые игроки рынка

• Bloom Energy Corporation
• FuelCell Energy, Inc.
• Ceramic Fuel Cells Limited
• Solid Power, Inc.
• ClearEdge Power
• Redox Power Systems
• Advent Technologies, Inc.
• Nuvera Fuel Cells
• Rolls-Royce Fuel Cell Systems
• Versa Power Systems