Seit der Entstehung der Proton Austausch Membran-Brennstoffzellen (PEMFC) in den 1950er Jahren haben Wissenschaftler weltweit nie aufgehört, PEMFCs intensiv zu erforschen. Dies hat dazu geführt, dass PEMFCs in Bezug auf Leistung, Lebensdauer und Kosten erhebliche Fortschritte gemacht haben und in den Bereichen Verkehr, tragbare Stromquellen und dezentrale Stromerzeugung weit verbreitet sind. Dies hat die Kommerzialisierung von Proton Austausch Membran-Brennstoffzellen schrittweise vorangetrieben.
Laut GLOBE NEWSWIRE (Market.us) vom 9. Januar 2024 erreichte der Wasserstoffproduktionsmarkt im Jahr 2023 einen Wert von 177 Milliarden US-Dollar und wird voraussichtlich stark wachsen, bis 2033 einen Wert von 489,2 Milliarden US-Dollar zu erreichen. Von 2024 bis 2033 wird erwartet, dass dieser Markt die höchste durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 10,7 % erfahren wird. Der Wasserstoffmarkt umfasst hier die Branchen, die sich mit der Produktion, Speicherung und Verteilung von Wasserstoff beschäftigen.
Wasserstoff hat großes Potenzial im Bereich der sauberen Energie, insbesondere wenn er als Rohstoff für Brennstoffzellen und industrielle Prozesse verwendet wird, um Treibhausgasemissionen zu reduzieren. Daher steigt die Nachfrage nach Wasserstoff kontinuierlich an. In Brennstoffzellen weisen Proton Austausch Membran-Brennstoffzellen zahlreiche Eigenschaften auf, die ihre breite Anwendung in Elektrofahrzeugen, Raumfahrzeugen, U-Booten, Kommunikationssystemen, mittelgroßen bis kleinen Kraftwerken, Haushaltsstromquellen und anderen Orten, die eine mobile Stromquelle benötigen, ermöglichen. Im Folgenden wird die praktische Anwendung der Proton Austausch Membran-Brennstoffzellen in den Bereichen Brennstoffzellenfahrzeuge, Brennstoffzellen-Straßenbahnen und Brennstoffzellen-Schiffsantriebe vorgestellt.
1. Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV)
Bereits 1966 entwickelte General Motors das weltweit erste Brennstoffzellen-Straßenfahrzeug namens Chevrolet Electrovan. Dieses Fahrzeug nutzte PEMFC als Energiequelle, hatte eine Ausgangsleistung von 5 kW, eine Reichweite von 193 km und eine Höchstgeschwindigkeit von 113 km/h.
In der Folge investierten die USA, die Europäische Union, Japan, Südkorea und China erheblich in Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellenfahrzeugen. Unternehmen wie General Motors, Ford, Toyota, Honda und Mercedes-Benz entwickelten nacheinander Brennstoffzellenfahrzeuge. Zum Beispiel:
General Motors (GM): Ein Brennstoffzellenfahrzeug auf Basis der Equinox-SUV-Plattform, das 2007 erstmals vorgestellt wurde und hauptsächlich für Demonstrations- und Testprojekte verwendet wird;
Ford: Ein Brennstoffzellenfahrzeug auf Basis des Ford Focus, das Anfang der 2000er Jahre für Test- und Demonstrationsprojekte eingesetzt wurde;
Toyota: Das weltweit erste in Großserie produzierte und auf dem Markt verkaufte Brennstoffzellenfahrzeug, das 2014 eingeführt wurde. Die zweite Generation des Mirai wurde 2021 vorgestellt und bietet höhere Leistung und größere Reichweite;
Honda: Ein 2008 eingeführtes Brennstoffzellenfahrzeug, das erste, das in Leasingform an normale Verbraucher angeboten wurde. 2015 wurde die dritte Generation von Honda vorgestellt, mit Verbesserungen in Reichweite und Technik.
Die großen Automobilhersteller haben im Bereich der Brennstoffzellenfahrzeuge erhebliche Fortschritte erzielt und eine Reihe innovativer Modelle auf den Markt gebracht. Diese Modelle repräsentieren nicht nur die Entwicklung der Brennstoffzellentechnologie, sondern bilden auch die Grundlage für die Markteinführung.
Um den aktuellen Stand in diesem Bereich besser zu verstehen, werfen wir einen Blick auf die neuesten Daten. Ende 2023 gab es weltweit über 82.000 Brennstoffzellenfahrzeuge, ein Anstieg von 21,4 % gegenüber dem Vorjahr. Südkorea führt weiterhin mit einem Bestand von 34.000 Brennstoffzellenfahrzeugen, gefolgt von China mit über 18.000 Fahrzeugen, womit es die USA auf den zweiten Platz weltweit überholt hat. Allein im Jahr 2023 kamen in China fast 6.000 Fahrzeuge hinzu, was weltweit den ersten Platz bedeutet. Japan und Deutschland haben jeweils einen Gesamtbestand von über 8.500 bzw. 2.900 Brennstoffzellenfahrzeugen. Als wichtige Infrastruktur wird der Bau von Wasserstofftankstellen in den wichtigsten Ländern und Regionen der Welt kontinuierlich vorangetrieben. Ende 2023 gab es weltweit 930 Wasserstofftankstellen, ein Anstieg von 12,2 % gegenüber dem Vorjahr. In Europa und Nordamerika gibt es jeweils 188 bzw. 65 Wasserstofftankstellen, während in Südostasien insgesamt 650 Stationen betrieben werden. (Diese Daten stammen von offiziellen Stellen der einzelnen Länder. Sollten sie fehlerhaft sein, lassen Sie es uns bitte wissen, damit wir sie korrigieren können.)
Aus diesen Daten geht hervor, dass die Zahl der Brennstoffzellenfahrzeuge und Wasserstofftankstellen weltweit kontinuierlich wächst, was die Bedeutung und Investitionen in diesem Bereich widerspiegelt. Obwohl die Nachfrage nach Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeugen derzeit begrenzt ist, wird sich dieser Markt mit steigender Produktion und der fortschreitenden Erweiterung des Wasserstofftankstellennetzes in Zukunft erheblich entwickeln.
2. Wasserstoff-Brennstoffzellen-Straßenbahnen
Neben Brennstoffzellenfahrzeugen hat die Anwendung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie im Schienenverkehr ebenfalls bedeutende Fortschritte gemacht. Im Jahr 2017 brachte das französische Unternehmen Alstom einen Wasserstoff-Brennstoffzellenzug auf den Markt, der Geschwindigkeiten von bis zu 140 km/h erreichte und eine Reichweite von 600 bis 800 km hatte. Zwischen Mitte Juni und Ende September 2023 beförderte Alstom in einem Demonstrationsprojekt mehr als 10.000 Passagiere und absolvierte über 130 Fahrten mit einer Gesamtdistanz von 10.660 Kilometern. Dieses Projekt nutzte einen grünen wasserstoffbetriebenen Zug, der während der Testphase etwa 8.400 Liter Diesel einsparte und 22 Tonnen CO2-Emissionen vermied.
Kürzlich, im Juli 2024, rollte das von CRRC Zhuzhou in China eigenständig entwickelte Wasserstoff-Brennstoffzellen-Straßenbahnsystem (Intelligent Rail Express System, IRT) in Yibin, Sichuan, vom Band und soll voraussichtlich im August in Betrieb genommen werden. Diese Straßenbahn ist weltweit die erste ihrer Art, die sowohl die Vorteile des Schienen- als auch des Straßenverkehrs vereint und eine neue umweltfreundliche Schienenverkehrsausrüstung darstellt. Das IRT-System nutzt eine eigens entwickelte autonome Leit- und Schienenverfolgungstechnologie, die geringe Infrastrukturinvestitionen, kurze Bauzeiten, flexible Disposition, niedrige CO2-Emissionen und intelligente Bequemlichkeit bietet. In Bezug auf die Betriebseffizienz verwendet es ein 35-MPa-Wasserstoffspeichersystem und ein Hochleistungs-Brennstoffzellensystem, das eine hohe Energieumwandlungseffizienz und schnelle Betankungszeiten bietet und die Betriebseffizienz der Fahrzeuge erheblich steigert. In Bezug auf die Reichweite bietet das Wasserstoff-Brennstoffzellen-IRT eine längere Reichweite. Eine einzige Wasserstoffbetankung ermöglicht eine Fahrt von über 200 Kilometern, was den Anforderungen des städtischen öffentlichen Verkehrs für Langstreckenbetrieb gerecht wird. Es bietet eine innovative Lösung für städtische Verkehrssysteme mit mittlerer bis niedriger Kapazität, die sowohl Kapazitäts- als auch Kostenvorteile bietet.
Darüber hinaus haben Länder wie die USA, Japan, Spanien und Frankreich die Anwendung der Wasserstoff-Brennstoffzellentechnologie in Straßenbahnen zunehmend weiterentwickelt. Im Jahr 2022 erreichte der globale Marktwert für Wasserstoff-Brennstoffzellenzüge 1,45098 Milliarden US-Dollar. Experten gehen davon aus, dass dieser Markt bis 2030 einen Wert von über 3,4 Milliarden US-Dollar erreichen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 11,5 %.
3. Brennstoffzellenantrieb für Schiffe
Angesichts des zunehmenden Umweltbewusstseins und der Ziele für CO2-Spitzen und CO2-Neutralität beschleunigt die Schiffbauindustrie die Erforschung alternativer Kraftstoffe für den Schiffseinsatz. Laut einer kürzlich vom American Bureau of Shipping (ABS) veröffentlichten Reihe von Weißbüchern zur Nachhaltigkeit hat sich Flüssigerdgas (LNG) als relativ ausgereifter kohlenstoffarmer Brennstoff im Schiffsbereich etabliert. Auch saubere Energien wie Methanol, Wasserstoff und Ammoniak treten zunehmend als „Schiffskraftstoffe“ in Erscheinung, und der Einsatz von Schiffen, die diese als Hauptantrieb nutzen, wird allmählich zu einem wichtigen Weg zur Erreichung der Null-Emissions-Ziele.
In Ländern und Regionen wie Europa, den USA, Japan und Südkorea begann die Forschung und Entwicklung von Brennstoffzellen für Schiffe frühzeitig, und diese Länder und Regionen befinden sich derzeit in einer führenden Position bei der Anwendung und Förderung von Brennstoffzellenantrieben für Schiffe. Es gibt bereits zahlreiche Demonstrationsprojekte und Anwendungen von Brennstoffzellenantrieben für Schiffe.
2008 nahm das deutsche Zemships-Projekt das erste Brennstoffzellen-Passagierschiff Alsterwasser mit einer 48 kW Proton Austausch Membran-Brennstoffzelle in Betrieb, das auf der Alster verkehrt. Es war das weltweit erste Brennstoffzellen-Passagierschiff im kommerziellen Einsatz;
Das von Norwegen finanzierte Demonstrationsprojekt „FellowSHIP“ führte 2009 das Offshore-Versorgungsschiff „Viking Lady“ mit einem 320 kW Brennstoffzellensystem ein. Dieses Schiff wurde in Zusammenarbeit mehrerer europäischer Klassifikationsgesellschaften und Unternehmen entwickelt und war das weltweit erste betriebliche Schiff, das Strom an Bord durch Brennstoffzellentechnologie erzeugte;
2017 wurde das in Frankreich entwickelte Schiff „Energy Observer“ offiziell zu Wasser gelassen und begann seine Weltreise. Die Brennstoffzellen dieses Schiffs verwenden Wasserstoff, der durch eine Kombination von Solar- und Windenergie-Elektrolyseanlagen produziert und in Speichertanks gespeichert wird. Das Wasserstoff-Brennstoffzellensystem startet bei Bewölkung, nachts und zu Beginn langer Reisen, um das Schiff mit Energie zu versorgen. Es ist das weltweit erste Schiff, das in der Lage ist, eigenen Wasserstoff zu erzeugen;
Das kanadische Unternehmen Ballard kündigte 2018 die Entwicklung eines Megawatt (MW)-Proton Austausch Membran-Brennstoffzellensystems für Schiffsanwendungen an, wobei der Schwerpunkt auf Kreuzfahrtschiffen liegt. Ziel ist es, Strom zu liefern, wenn die Kreuzfahrtschiffe im Hafen liegen, oder als Hauptantriebskraft auf See zu dienen.
2024 haben Advent Technologies und Siemens Energy eine gemeinsame Entwicklungsvereinbarung (JDA) unterzeichnet, um Advents Ion Pair Membrane Electrode Assembly (MEA)-Technologie mit einem 50 kW Hochtemperatur-Proton Austausch Membran-Brennstoffzellenmodul (HT-PEM) in Siemens Energys Hybrid- und Elektroschiffselektrifizierungs- und Automatisierungslösungen zu integrieren. Das Ziel ist die Entwicklung einer integrierten 500-kW-Lösung für maritime Anwendungen, die von Motoryachten und Superyachten bis hin zu Fähren und Containerschiffen reicht.
Zusammenfassen
Das oben Gesagte behandelt die kommerzielle Anwendung von Proton Austausch Membran-Brennstoffzellen und beschreibt im Detail ihre Entwicklungsanwendungen in den drei Hauptbereichen Brennstoffzellenfahrzeuge, Brennstoffzellen-Straßenbahnen und Brennstoffzellen-Schiffsantriebe. Eines Tages, mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Proton Austausch Membran-Brennstoffzellentechnologie, wird es möglich sein, eine großflächige Kommerzialisierung zu erreichen und das Ziel der CO2-Neutralität zu verwirklichen.
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