Brennstoffzellen: Wie entwickeln sich Technologien, Markt und Produktion in Zukunft weiter?
m Projekt »H2GO« führt das Fraunhofer ISI eine Innovationsanalyse zu
Brennstoffzellen durch, deren Ergebnisse jetzt auf einer neuen Webseite
veröffentlicht wurden. Sie umfasst Erkenntnisse zur Entwicklung und
Diffusion neuer Technologien genauso wie Einschätzungen zur Entstehung
neuer Märkte und zum Aufbau von Produktionskapazitäten. Gemeinsam mit
komplementären Untersuchungen zur Elektrolyse entsteht so eine Basis für
einen umfassendes Roadmapping für Wasserstofftechnologien.
Wasserstoff gilt als wichtiger zukünftiger Energieträger und spielt im
Rahmen der weiteren Ausgestaltung der Energiewende und aus
energiestrategischer Sicht eine zentrale Rolle. Brennstoffzellen sind
dabei eine Schlüsseltechnologie für den flexiblen Einsatz des
Energieträgers etwa im Verkehrssektor. Im Projekt »H2GO – Nationaler
Aktionsplan Brennstoffzellen-Produktion« arbeiten 19 Fraunhofer-Institute
gemeinsam an der Entwicklung von technischen Lösungen für einen zügigen
Markthochlauf der Brennstoffzellen-Produktion, um damit eine nachhaltige
Antriebsoption zur signifikanten CO2-Reduzierung im Schwerlastverkehr in
Deutschland zu etablieren.
Das Fraunhofer ISI führte in »H2GO« ein Monitoring von Innovationsdaten zu
Brennstoffzellen-Technologien durch, das Forschungsnetzwerke, Patentdaten,
Markterwartungen und Produktionsaufbau berücksichtigt. Es differenziert
drei Technologie-Bereiche, die sich unter anderem nach Arbeitstemperatur
und elektrochemischem Zellaufbau unterscheiden: Erstens die
Polymerelektrolytmembran bzw. PEM-Brennstoffzellen, die sich besonders für
Anwendungen im Verkehr eignen und heute schon in Schienenfahrzeugen oder
U-Booten verbaut werden. Künftig könnten sie im Schwerlastverkehr
Anwendung finden. Zweitens Hochtemperatur-Brennstoffzelle
aufgrund ihrer höheren Arbeitstemperatur eher für Kraft-Wärme-Kopplung
eignen. Schließlich erfasst das Monitoring noch alternative
Brennstoffzellentypen, die sich deutlich von den anderen beiden
unterscheiden und derzeit eine untergeordnete Rolle spielen.
Wie könnte sich der globale Markt für Brennstoffzellen in Zukunft
entwickeln?
Eine der zentralen Fragen des Monitorings war, welche Bedeutung der
globale Brennstoffzellen-Markt in Zukunft erlangen könnte. Die im Projekt
durchgeführte Meta-Analyse zeigt eine enorme Spannbreite der
Markterwartungen auf: Prognosen beziffern jährliche Wachstumsraten
zwischen 10 und 41 Prozent, wobei die große Mehrheit der betrachteten
Studien von einem mittleren Wachstum zwischen 15 und 30 Prozent ausgeht.
Für das Jahr 2030 werden zudem jährliche Umsatzzahlen zwischen knapp 2 und
87 Mrd. US-Dollar prognostiziert. Die enorme Spannweite spiegelt die große
Unsicherheit wider, die ohnehin mit der Entstehung neuer Märkte verbunden
ist. Die hohe Dynamik der Energiewende verstärkt den Effekt, da in vielen
Anwendungen verschiedene technische Alternativen zur Ablösung fossiler
Energieträger konkurrieren.
Das Monitoring nahm zudem relevante Patentanmeldungen unter die Lupe, um
globale Aktivitäten nach Ländern, Akteuren und Technologien
aufzuschlüsseln. Im Zeitraum von 1985 bis 2020 sind weltweit über 30.000
Erfindungen mit Bezug zu Brennstoffzellen marktübergreifend angemeldet
worden. Rund ein Drittel davon stammt aus Japan, Deutschland rangiert mit
4.642 Patentanmeldung hinter den USA (7.339) international auf dem dritten
Platz, gefolgt von Südkorea (1.658), Frankreich (1.280), Kanada (996),
Großbritannien (980) und China (777). Unter industriellen Akteuren stechen
drei japanische Unternehmen heraus, die im Patent-Ranking die drei ersten
Plätze belegen: Toyota, Matsushita und Nissan. Deutschland ist mit der
Robert Bosch GmbH, der Siemens AG und der Daimer AG dreimal unter den Top
10 vertreten, was seine starke Position auf dem globalen Brennstoffzellen-
Markt untermauert. Eine Differenzierung der Patente nach Technologien
zeigt eine besondere Dynamik bei PEM-Brennstoffzellen auf. Die jüngsten
verfügbaren Zahlen aus dem Jahr 2020 weisen 305 einschlägige PEM-
Patentanmeldungen aus, gefolgt von Hochtemperatur-Technologien (185),
während für alternative Brennstoffzellen in 2020 nur 65 Patentanmeldungen
erfasst wurden.
Fördermittel als wichtige Innovationstreiber
Gerade in frühen Innovationsphasen ist die staatliche Förderung ein
wichtiger Treiber zur Entwicklung neuer Technologien. In Deutschland
konnte durch eine systematische Förderung ein umfassendes
Forschungsnetzwerk zu Brennstoffzellen unter starker Beteiligung der
Industrie etabliert werden. So beteiligten sich bis heute mehr als 500
Unternehmen – darunter 270 KMU – an einschlägigen Fördervorhaben, die sie
zumeist eng mit Verbundpartnern aus Wissenschaft und Wirtschaft vernetzen.
In Summe zeigt sich, dass sich seit 2017 eine stetige Zunahme der
Förderung durch den Bund speziell für die PEM-Technologie (ca. 130 Mio.
Euro in 2023) beobachten lässt, während auch Investitionen in
Hochtemperatur-Brennstoffzelle
Zeitverlauf konsistent vorangetrieben werden. Auch ist eine deutliche
Zunahme an Förderung ohne direkte Zuordnung zu einer bestimmten
Brennstoffzell-Technologie seit 2009 festzustellen. Es handelt sich dabei
zumeist um Markthochlauf- und Marktanreizprogramme wie z.B.
Verkehrsprojekte mit Brennstoffzell-Fahrzeugen oder den Aufbau einer
Tankstelleninfrastruktur. Hier engagieren sich vor allem das BMDV (ca. 233
Mio. Euro in 2023), aber auch das BMWK (mit ca. 64 Mio. Euro in 2023) und
das BMBF (mit ca. 27 Mio. Euro in 2023) als Fördergeber.
Dr. Henning Döscher, der am Fraunhofer ISI die Forschungsarbeiten zu
»H2GO« koordiniert, verweist auch auf den weltweit beginnenden Aufbau von
Produktionskapazitäten: »In der laufende Dekade erreichen wir nach
heutiger Datenlage global eine Kapazität von etwa 300 Millionen
hergestellten PEM-Brennstoffzellen pro Jahr, die primär für
Mobilitätslösungen verwendet werden dürften.« Laut Döscher könnten damit
dann etwa 250.000 Lkw pro Jahr ausgestattet werden. Die
Investitionsankündigungen zum Produktionsaufbau in der laufenden Dekade
belaufen sich auf mindestens 14,7 Milliarden US-Dollar. Die verfügbaren
Daten seien derzeit aber noch lückenhaft, eine Mehrheit der Ankündigungen
stamme von chinesischen Firmen. Aber auch in Frankreich, Korea und
Deutschland zeichneten sich industrielle Investitionen ab. Der Forscher
vom Fraunhofer ISI sieht Deutschland als wichtigen Innovationsstandort für
Brennstoffzell-Technologien und große Chancen für die heimische Industrie:
»Das erfordert jedoch kluge und konsequente Investitionen, sowohl von
Seiten der Industrie in die Skalierung der Produktion, als auch von Seiten
des Staates in Forschung, Entwicklung und den durchdachten Aufbau einer
initialen Infrastruktur – andernfalls besteht mittelfristig die Gefahr,
international den Anschluss zu verlieren.«
