Brennstoffzellen-Technologie im Fokus: Aktuelle Trends und Zukunftsaussichten

Die Brennstoffzellentechnologie ist ein entscheidender Faktor für die effektive Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle. Sie ermöglicht die Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie, wobei Wasser der einzige Emissionsstoff ist. Dies macht Brennstoffzellen zu einer sauberen und effizienten Technologie für eine Vielzahl von Anwendungen.

Der Markt für Brennstoffzellen ist jedoch weit gefächert. Welche Arten von Brennstoffzellen gibt es überhaupt? Was für Technologien sind am weitesten ausgereift? Welche haben die besten Zukunftsaussichten? Was für Firmen sind in diesen Bereichen führend? In welchen Bereichen werden die meisten Fortschritte erzielt? Genau diese Fragen möchte ich Ihnen in diesem Artikel beantworten, wenn Sie sich als Aktienanleger für diesen interessanten Wachstumsmarkt interessieren.

Grundprinzipien der Brennstoffzellenfunktion

Brennstoffzellen sind wie kleine Kraftwerke, die Strom aus Wasserstoff und Sauerstoff gewinnen. So funktioniert’s:

• Wasserstoff wird an der Anode zugeführt.
• Sauerstoff wird an der Kathode zugeführt.
• An einer Membran werden die Wasserstoff-Ionen vom Elektronenfluss getrennt.
• Die Elektronen fließen durch einen externen Stromkreis und erzeugen so Strom.
• An der Kathode verbinden sich die Wasserstoff-Ionen, Elektronen und Sauerstoff zu Wasser.

Unterschiedliche Brennstoffzellen-Arten

Es gibt verschiedene Arten von Brennstoffzellen, die alle ihre Vor- und Nachteile besitzen. Die wichtigsten drei Typen sind derzeit:

• Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM): Sie arbeiten bei relativ niedrigen Temperaturen und starten schnell, was sie ideal für mobile Anwendungen wie Fahrzeuge und portable Geräte macht. PEMs benötigen reines Wasserstoffgas.
• Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC): Sie operieren bei hohen Temperaturen (800-1.000°C), was ihnen hohe Wirkungsgrade ermöglicht. SOFCs sind geeignet für stationäre Anwendungen, einschließlich der großmaßstäblichen Stromerzeugung und als Teil von KWK-Systemen (Kraft-Wärme-Kopplung).
• Alkalische Brennstoffzellen (AFC): Historisch die erste Art von Brennstoffzellen, die in der Raumfahrt verwendet wurden. Sie sind effizient, aber empfindlich gegenüber CO2, was ihren Einsatz einschränkt.

Die Forschung hat inzwischen noch eine weitaus größere Vielfalt an verschiedenen Zellensystemen hervorgebracht. Eine ausführliche Darstellung dieser Arten mit ihren spezifischen Unterschieden würde jedoch den Rahmen dieses Artikels sprengen. Deshalb werde ich in einem anderen Artikel gesondert auf dieses Thema eingehen und Ihnen dort die gebräuchlichen Brennstoffzellen-Systeme samt der Hersteller umfassend vorstellen. Fortschritte in der Brennstoffzellen-Technologie

Die wichtigsten Fortschritte der vergangenen Jahre gelangen insbesondere hinsichtlich der Lebensdauer und Leistung von Brennstoffzellen sowie günstigerer Produktionskosten. Innovationen bei den Materialien für Membranen und Katalysatoren haben zu höheren Wirkungsgraden und längerer Haltbarkeit geführt. Zudem ermöglichen Entwicklungen in der Fertigungstechnologie eine kostengünstigere Produktion von Brennstoffzellenkomponenten.

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Brennstoffzellentechnologien ist die Reduktion der Kosten für Platin, einem der Hauptkatalysatoren in PEM-Brennstoffzellen. Durch die Entwicklung neuer Legierungen und den Einsatz von Nanotechnologie konnte der Platingehalt reduziert werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt. Die Fortschritte im Überblick:

Materialien

• Neue Membranen: Entwickler arbeiten an Membranen, die leitfähiger, stabiler und kostengünstiger sind.
• Verbesserte Katalysatoren: Neue Katalysatoren ermöglichen eine effizientere Nutzung des Wasserstoffs und senken die Kosten.

Fallbeispiele

3M hat beachtliche Fortschritte bei der Entwicklung von Membranen für Brennstoffzellen gemacht, die eine höhere Leitfähigkeit und verbesserte chemische Stabilität aufweisen, was zu einer längeren Lebensdauer und besseren Performance führt.

Johnson Matthey ist bekannt für seine Innovationen bei Katalysatoren, insbesondere durch die Entwicklung neuer Legierungen und den Einsatz von Nanotechnologie, was den Platingehalt in den Katalysatoren reduziert und zu Kostenersparnissen führt.

Leistung

• Höhere Leistungsdichten: Brennstoffzellen werden immer leistungsfähiger und kompakter.
• Gesteigerte Lebensdauer: Die Lebensdauer von Brennstoffzellen verlängert sich durch neue Materialien und Verfahren deutlich.

Fallbeispiele

Ballard Power Systems hat kontinuierliche Verbesserungen bei der Leistungsdichte und Lebensdauer ihrer Brennstoffzellen erzielt, wodurch ihre Anwendungen in verschiedenen Sektoren wie Transport und stationäre Energieerzeugung erweitert wurden.

Produktion

• Automatisierung der Produktion: Die Herstellung von Brennstoffzellen wird automatisiert, um die Kosten zu senken.
• Massenfertigung: Die Entwicklung von skalierbaren Produktionsprozessen ermöglicht die Massenfertigung von Brennstoffzellen.

Fallbeispiele

Nel ASA hat in die Automatisierung seiner Produktionslinien für Elektrolyseure und Brennstoffzellen investiert, was zu effizienteren Herstellungsprozessen und geringeren Kosten führt.

Plug Power entwickelt skalierbare Produktionsprozesse, um die Massenfertigung seiner Brennstoffzellensysteme zu ermöglichen, was eine kostengünstigere Produktion und breitere Markteinführung unterstützt.

Weitere Fortschritte

• Wasserstoffinfrastruktur: Der Aufbau einer flächendeckenden Wasserstoffinfrastruktur ist ein wichtiger Faktor für die Markteinführung von Brennstoffzellentechnologien.
• Recycling: Die Entwicklung von Recyclingverfahren für Brennstoffzellen ist wichtig für die Nachhaltigkeit der Technologie.

Fallbeispiele

Air Liquide hat in den Aufbau einer Wasserstoffinfrastruktur investiert, darunter Tankstellen für Brennstoffzellenfahrzeuge und Großproduktionsanlagen für Wasserstoff, was eine wesentliche Voraussetzung für die Markteinführung von Brennstoffzellentechnologien darstellt.

Bosch arbeitet an der Entwicklung von Recyclingverfahren für Brennstoffzellenkomponenten, um die Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz der Technologie zu verbessern.

Preisentwicklung von Brennstoffzellen

PEM (Proton Exchange Membrane) Brennstoffzellen

Die Kosten für PEM-Brennstoffzellen sind in den letzten Jahren signifikant gefallen. In den frühen 2000er Jahren lagen die Prognosen noch bei über 1.000 USD/kW. Aktuelle Schätzungen gehen von Kosten unter 100 USD/kW für die Produktion in großem Maßstab aus, was als eine wichtige Schwelle für die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber herkömmlichen Antriebstechnologien gilt.

SOFC (Solid Oxide Fuel Cells)

Dieser für stationäre Anwendungen verwendete Brennstoffzellentyp hat ebenfalls Kostensenkungen erlebt, allerdings sind die Kosten aufgrund der höheren Betriebstemperaturen und komplexeren Materialanforderungen tendenziell höher als bei PEM-Brennstoffzellen. Die Kosten liegen hier langfristig eher im Bereich von 800-1.000 USD/kW.

Weitere Faktoren

Neben den reinen Produktionskosten spielen auch die Kosten für den notwendigen Wasserstoff sowie die Infrastruktur für dessen Verteilung und Betankung eine wichtige Rolle. Die Wirtschaftlichkeit von Brennstoffzellensystemen wird daher nicht allein durch die Senkung der Herstellungskosten erreicht, sondern auch durch Fortschritte in der gesamten Wasserstoffwirtschaft, einschließlich kostengünstigerer Methoden zur Wasserstoffproduktion, Speicherung und Distribution. Ich habe mich in einem anderen Artikel bereits mit den Perspektiven für den Wasserstoffmarkt beschäftigt.

Anwendungsbereiche von Brennstoffzellen

Brennstoffzellen finden in einer wachsenden Zahl von Anwendungen Einsatz, die von der Mobilität bis zur stationären Energieversorgung reichen:

Mobilität

Brennstoffzellenfahrzeuge (engl. Fuel Cell Vehicle = FCVs) stellen eine saubere Alternative zu herkömmlichen Verbrennungsmotoren dar. Hersteller haben bereits erste Pkw-Modelle auf den Markt gebracht. Auch im öffentlichen Verkehr, bei Bussen und Zügen, setzen Flottenbetreiber bereits auf Brennstoffzellen als emissionsfreie Antriebsquelle.

• Vorteile: Hohe Reichweite, kurze Betankungszeiten, keine Emissionen.
• Herausforderungen: Hohe Anschaffungskosten, begrenzte Infrastruktur.

Fallbeispiele

Toyota ist bekannt für sein Brennstoffzellenfahrzeug „Mirai“, das eine der ersten kommerziellen Umsetzungen in der Automobilindustrie darstellt. Der Mirai bietet eine hohe Reichweite und kann schnell betankt werden.

Hyundai hat mit dem Nexo ein weiteres Brennstoffzellenfahrzeug auf den Markt gebracht, das ebenfalls eine hohe Reichweite und schnelle Betankungszeiten bietet.

Im öffentlichen Nahverkehr setzt Alstom mit dem Coradia iLint auf den weltweit ersten Personenzug, der vollständig mit Brennstoffzellen betrieben wird, und bietet eine emissionsfreie Alternative zu herkömmlichen Dieselzügen.

Daimler Truck testet in 2024 seine erste Kundenflotte von Brennstoffzellen-Lkws im alltäglichen Einsatz. Zu den Kunden der ersten Stunde zählen renommierte Unternehmen wie Amazon, Holcim und Air Products.

Stationäre Anwendungen

Brennstoffzellen nutzt man auch zunehmend für die dezentrale Energieversorgung mit Wärme und Strom von Gebäuden und als Backup-Stromquellen. Sie bieten eine zuverlässige und saubere Energiequelle, die sich besonders für kritische Infrastrukturen wie Krankenhäuser und Datenzentren eignet.

• Vorteile: Emissionsfreie Energiequelle, hohe Effizienz, Möglichkeit der Nutzung von Überschussstrom aus erneuerbaren Energien.
• Herausforderungen: Hohe Anschaffungskosten, noch relativ neue Technologie.

Fallbeispiele

Bloom Energy bietet mit seinen Bloom Energy Servers Festoxid-Brennstoffzellen-Systeme an, die in Gebäuden für die dezentrale Energieversorgung eingesetzt werden können, um sauberen Strom zu erzeugen.

Panasonic entwickelt und vertreibt Brennstoffzellensysteme für den Heimgebrauch, die sowohl Wärme als auch Strom liefern, und unterstützt so die dezentrale Energieversorgung.

Spezielle Anwendungen

Darüber hinaus finden Brennstoffzellen Einsatz in anderen Anwendungsbereichen:

• Luftfahrt: Drohnen und Flugzeuge mit Brennstoffzellenantrieb für emissionsfreie Luftfahrt.
• Schifffahrt: Schiffe und Boote mit Brennstoffzellenantrieb für emissionsfreie Schifffahrt.
• Industrie: Stromversorgung von Industrieanlagen und Netzersatzsystemen.
• Portable Anwendungen: Stromversorgung von Laptops, Smartphones und anderen mobilen Geräten.
• Militär: Brennstoffzellen werden auch in militärischen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der Stromversorgung von Feldlagern.
• Raumfahrt: Brennstoffzellen werden in der Raumfahrt zur Stromversorgung von Satelliten und Raumstationen eingesetzt.

Fallbeispiele

Luftfahrt: ZeroAvia arbeitet an der Entwicklung von Flugzeugen, die durch Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie angetrieben werden, um einen emissionsfreien Flugbetrieb zu ermöglichen.

Schifffahrt: AIDAnova ist das erste Kreuzfahrtschiff, das teilweise durch eine Brennstoffzelle mit Energie versorgt wird, was den CO2-Fußabdruck der Schifffahrt reduziert.

Industrie: Siemens Energy und Air Liquide haben Partnerschaften gebildet, um Wasserstofflösungen für industrielle Anwendungen und die Energieversorgung zu entwickeln.

Portable Anwendungen: Intelligent Energy bietet Brennstoffzellenlösungen für den Autobereich, aber auch sehr leichte Systeme etwa für Drohnen an.

Militär: Protonex (seit 2015 Teil von Ballard Power Systems) entwickelt Brennstoffzellensysteme für militärische Anwendungen, einschließlich tragbarer und mobiler Stromversorgungslösungen.

Raumfahrt: Die NASA setzt seit Jahrzehnten Brennstoffzellen zur Stromversorgung von Raumfahrzeugen und -stationen ein, ein prominentes Beispiel ist das Space Shuttle-Programm.

Brennstoffzellen-Technologie: Ein Überblick über die wichtigsten Unternehmen

Für Anleger, die ihr Augenmerk auf den Wasserstoffsektor richten, spielen die technologischen Fortschritte in der Brennstoffzellentechnologie und deren Anwendungsbereiche eine entscheidende Rolle. Unternehmen, die in diesem Bereich führend sind, bieten vielversprechende Wachstumsaussichten, da die weltweite Nachfrage nach sauberen Energiequellen kontinuierlich steigt. Zu den prominentesten Unternehmen gehören derzeit: