Marktanalyse der Brennstoffzellen- Technologie und des ... · tralen Strom- und Wärmeversorgung von Gebäude, Einrichtungen und Systemen. Der Leistungsbereich geht in der Regel von

Betreuung: Daniel Schmid Zürich, April bis Juli 2001

Institut für mechanische Systeme (IMES)Zentrum für Produkte-Entwicklung (ZPE)

Semesterarbeit am Zentrum für Produkt-Entwicklung, IMES ZPE ETH Zürich

Marktanalyse der Brennstoffzellen-Technologie und des modularen

Brennstoffzellen-Aggregates „PowerPac“

Verfasser:

Beat H. Gyger

Vorgelegt am 16. Juli 2001

Politecnico federale di ZurigoSwiss Federal Institute of Technology Zurich

Ecole polytechnique fédérale de Zurich

Zürich

EidgenössischeTechnische Hochschule

Management Summary I

Semesterarbeit

Management Summary Die Brennstoffzelle stellt eine Basisinnovation dar, eine Schlüsseltechnologie für Energiewirtschaft und Mobilität der Zukunft. Aufgrund der sich verknappenden Reserven an fossilen Brennstoffen und die zunehmende Umweltbelastung gewinnen alternative Energie-träger zunehmend an Bedeutung. Die Technologie der Brennstoffzelle wird in diesem Umfeld international mit hohem Aufwand vorangetrieben. Um im liberalisierten Energiemarkt und im Automobilmarkt bestehen zu können, müssen Brennstoffzellen-Systeme im Wesentlichen die Kosten etablierter Energiewandler erreichen, die ebenfalls noch Verbesserungspotential be-sitzen. Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise nach dem Leistungsbereich und der Einsatz-möglichkeit respektive dem Verwendungszweck in drei Hauptgebiete unterteilt: • Mobile Anwendungen: Unter mobile Anwendungen werden vor allem Brennstoffzellen-

systeme verstanden, die als Leistungsaggregate für elektrische Antriebe von Fortbewe-gungs- und Transportmittel jeglicher Art (Boden, Wasser, Luft) dienen. Dies umfasst den öffentlichen und privaten Verkehr, das Transportwesen sowie Spezialfahrzeuge in Industrie, Gewerbe und im Freizeitbereich. Weitere Anwendungsgebiete sind die Bord-energieversorgung sowie mobile Energieerzeuger.

• Stationäre Anwendungen: Dieses Gebiet umfasst Anlagen zur zentralen oder dezen-

tralen Strom- und Wärmeversorgung von Gebäude, Einrichtungen und Systemen. Der Leistungsbereich geht in der Regel von wenigen Kilowatt bis in den Megawattbereich.

• Portable Anwendungen: Die Eigenschaften und Möglichkeiten von Brennstoffzellen

machen den Einsatz in tragbaren elektronischen und elektrischen Geräte möglich. Portable Leistungsaggregate zählen ebenfalls zu dieser Kategorie. Der Aspekt der Trag-barkeit ist hier entscheidend.

Dieser Bericht beschreibt zunächst die Grundlagen der Brennstoffzellen-Technologie sowie deren zahlreichen aktuellen und potentiellen Anwendungen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in allgemeinen Einschätzungen des Marktpotentials, welche von verschiedensten Quellen –Analysten, Energieunternehmen, Automobilherstellern, Brennstoffzellen- sowie Peripherie-Unternehmen – stammen. So geht man von einem wahrscheinlichen Umsatz mit Brenn-stoffzellesysteme im Jahr 2010 von 50 bis 100 Milliarden USD aus, wobei eine jährliche Wachstumsrate von 20 bis 40% erreicht werden kann. Das PowerPac ist ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Identifikation von möglichen Anwendungen und Kundensegmenten ist dabei ein wichtiger Bestandteil. Marktkennzahlen in den verschiedenen Bereichen geben eine Vorstellung über die Möglichkeiten einer erfolg-reichen Markteinführung.

Ausschreibung der Semesterarbeit II

Semesterarbeit

Ausschreibung der Semesterarbeit

SA/DA: Marktanalyse

Administration/Betreuung Daniel Schmid Tel: 01/632 24 28 E-mail: [email protected]

Folgende Arbeitspunkte sind im Einzelnen zu bearbeiten: • Einarbeitung in die Thematik der Brennstoffzelle • Literaturstudium zum Thema Marktanalyse/Marktsegmentierung • Listing und Marktsegmentierung, Clusterung von Segmenten • Absatzanalyse ausgewählter Segmente • Preisbildung • Erstellen der Dokumentation • Präsentation

Projektbeschreibung Das PowerPac wird ein Substitut auf dem Markt der Batterien und der Verbrennungsaggregate sein. Trotz seiner Vorteile wird der Markt preissensitiv reagieren. Im Rahmen dieser SA sollen Segmente des zukünftigen Marktes analysiert werden. Welche Drittgeräte im angestrebten Leistungsbereich können mit dem PowerPac betrieben werden? Welche Segmente sind besonders vorteilhaft ? Clusterung und Priorisierung dieser Marktsegmenten? Welchen Absatz ergibt sich für das PowerPac? Welcher Preis sind die Kunden in diesem Segment bereit zu zahlen? Welche Eigenschaften benötigt das PowerPac, um in entsprechenden Marktsegmenten bestehen zu können?

Umfeld Das Zentrum für Produkt-Entwicklung (ZPE) arbeitet mit dem Paul Scherrer Institut (PSI) an der Entwicklung des modularen 0.5 – 2kW Brennstoffzellen-Aggregates „PowerPac“ für den mobilen Einsatz. Dieser emissionsarme Energiewandler soll langfristig Akkumulatoren und Verbrennungsaggregate ergänzen.

Verzeichnisse III

Semesterarbeitvon Beat Gyger

Inhaltsverzeichnis Management Summary...........................................................................................................I Ausschreibung der Semesterarbeit ........................................................................................II Inhaltsverzeichnis..................................................................................................................III Abbildungsverzeichnis ......................................................................................................... IV Tabellenverzeichnis .............................................................................................................. V Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................ VI 1 Einleitung ........................................................................................................................1 2 Die Technologie ..............................................................................................................2

2.1 Funktionsprinzip der Brennstoffzelle ........................................................................3 2.2 Brennstoffzellentypen...............................................................................................4

2.2.1 Alkaline Fuel Cells (AFC) ..................................................................................5 2.2.2 Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) ...............................................................5 2.2.3 Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)...................................................................5 2.2.4 Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) ............................................5 2.2.5 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)..........................................................................6 2.2.6 Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)...................................................................6

2.3 Bauprinzip eines Brennstoffzellensystems ...............................................................6 2.4 Brennstoffauswahl ...................................................................................................7 2.5 Eigenschaften und Vorteile von Brennstoffzellen .....................................................8

3 Die Einsatzmöglichkeiten ..............................................................................................10 3.1 Mobile Anwendungen.............................................................................................13 3.2 Stationäre Anwendungen.......................................................................................16 3.3 Portable Anwendungen..........................................................................................18

3.3.1 Energieversorgung für portable Geräte ...........................................................18 3.3.2 Portable Energieversorgung ...........................................................................20

4 Das Produkt ..................................................................................................................21 4.1 Anwendungsgebiete für das PowerPac..................................................................22

5 Der Markt ......................................................................................................................25 5.1 Mobiler Bereich ......................................................................................................28 5.2 Stationärer Bereich ................................................................................................29 5.3 Portabler Bereich ...................................................................................................30 5.4 Markt für das PowerPac.........................................................................................32

6 Die Mitbewerber............................................................................................................34 7 Erfolgsfaktoren..............................................................................................................36 Literatur- und Quellenverzeichnis.........................................................................................37 Anhang ................................................................................................................................39

Verzeichnisse IV


Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Marktkennziffern................................................................................................1 Abbildung 2: Technologie- und Produktlebenszyklus .............................................................2 Abbildung 3: Aufbau PEM-Brennstoffzelle..............................................................................3 Abbildung 4: Komponenten einer Brennstoffzelle ...................................................................3 Abbildung 5: AFC Brennstoffzelle im Space Shuttle ...............................................................5 Abbildung 6: PEM-Brennstoffzellenstack................................................................................5 Abbildung 7: Kleine DMFC für den portablen Einsatz.............................................................6 Abbildung 8: Stack und Brennstoffzelle ..................................................................................6 Abbildung 9: Aufbauprinzip eines Stacks ...............................................................................6 Abbildung 10: Basiskomponenten eines Brennstoffzellensystems .........................................7 Abbildung 11: Vorteile von Brenstoffzellen .............................................................................9 Abbildung 12: Anwendungsbereiche und Vorteile von Brennstoffzellen ...............................10 Abbildung 13: Einsatzbereiche und Anwendungsbeispiele von Brennstoffzellen..................11 Abbildung 14: Gegenüberstellung der Merkmale des Aggregates und der Anwendungen....12 Abbildung 15: PEM-Brennstoffzellenbus ..............................................................................14 Abbildung 16: MAN Stadtbus mit Brennstoffzelle und Drucktanks auf dem Dach.................14 Abbildung 17: BMW Wasserstoff-Fahrzeug mit Verbrennungsmotor ....................................14 Abbildung 18: DaimlerChrysler A-Klasse mit Brennstoffzelle und Flüssigwasserstoff...........14 Abbildung 19: Leichtelektromobil Twike ...............................................................................14 Abbildung 20: Studie einer Brennstoffzellen-Lokomotive......................................................14 Abbildung 21: Brennstoffzellen-Schiff von Etaing .................................................................15 Abbildung 22: Golfwagen von Astra Energi ..........................................................................15 Abbildung 23: Gabelstapler mit Brennstoffzelle ....................................................................15 Abbildung 24: Rollstuhl und Hubwagen................................................................................15 Abbildung 25: Scheuersaugmaschine ..................................................................................15 Abbildung 26: Mobiler Stromerzeuger (Lastwagen)..............................................................15 Abbildung 27: Mobiler Stromerzeuger (Anhänger)................................................................15 Abbildung 28: Westinghouse 100 kW SOFC System ...........................................................17 Abbildung 29: 2,5 MW MCFC Kraftwerk...............................................................................17 Abbildung 30: PAFC Brennstoffzelle der Firma ONSI...........................................................17 Abbildung 31: Blockheizkraftwerk in Hamburg .....................................................................17 Abbildung 32: Ballard Brennstoffzellen-BHKW .....................................................................17 Abbildung 33: 3kW Brennstoffzellensystem für die Hausversorgung (Energy Partners) .......17 Abbildung 34: Brennstoffzellen Heizgerät (Vaillant)..............................................................17 Abbildung 35: Entwicklung der Leistungsaufnahme und der Kapazität.................................18 Abbildung 36: DMFC für Notebooks von Samsung ..............................................................19 Abbildung 37: Brennstoffzellen-Ladegerät für Handys..........................................................19 Abbildung 38: DMFC Mobiltelefon mit Methanol Patronen ...................................................19 Abbildung 39: Notebook mit Brennstoffzelle statt Akku ........................................................19 Abbildung 40: Denkbare Einsatzmöglichkeiten.....................................................................19 Abbildung 41: Emissionsvergleich zwischen PEMFC und Generatoren ...............................20 Abbildung 42: Portable Stromerzeuger und mögliche Anwendungen ...................................20 Abbildung 43: Stack der jetzigen Generation........................................................................21 Abbildung 44: Designstudie des PowerPac’s .......................................................................21 Abbildung 45: Positionierung des PowerPac’s .....................................................................22 Abbildung 46: Leistungsbereich für das PowerPac...............................................................22 Abbildung 47: Regionale Unterschiede von Energieverbrauch und Nachfragewachstum.....25 Abbildung 48: Gerätekosten pro Watt...................................................................................26 Abbildung 49: Erwartetes Marktvolumen für Brennstoffzellen...............................................27 Abbildung 50: Marktvolumen aufgetrennt nach den drei Bereichen......................................27 Abbildung 51: Marktpotential von verschiedenen Segmenten ..............................................27

Verzeichnisse V


Abbildung 52: Erwartete Entwicklung des weltweiten Brennstoffzellen-Marktes ...................27 Abbildung 53: Kosten für verschiedene Technologien im stationären Bereich (I) .................29 Abbildung 54: Installationskosten für verschiedene Technologien (II)...................................29 Abbildung 55: Stromgestehungskosten heutiger und zukünftiger PAFC-BHKW ...................30

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Brennstoffzellentypen nach Art des Elektrolyten ....................................................4 Tabelle 2: Auswahl möglicher Brennstoffe und wichtige Eigenschaften..................................8 Tabelle 3: Vor- und Nachteile typischer Fahrzeuge ..............................................................13 Tabelle 4: Energiedichten und Herstellungskosten von Akkumulatoren................................19 Tabelle 5: Provisorische Anforderungsliste des PowerPac’s ................................................21 Tabelle 6: Gegenüberstellung und Bewertung der Konkurrenztechnologien.........................24 Tabelle 7: Identifikation von erfolgsversprechenden Anwendungsbereiche..........................24 Tabelle 8: Markteinschätzungen für die Brennstoffzelle .......................................................26 Tabelle 9: Markteinschätzungen aufgetrennt nach verschiedenen Gesichtspunkten............27 Tabelle 10: Marktpotential im mobilen Bereich .....................................................................28 Tabelle 11: Marktpotential im stationären Bereich................................................................29 Tabelle 12: Markpotential im portablen Bereich....................................................................31 Tabelle 13: Bisherige und erwartete Kostenentwicklung bei PEMFC-Stacks........................31 Tabelle 14: Marktgrössenordnung für das PowerPac ...........................................................32 Tabelle 15: Gegenüberstellung der Marktsegmente für das PowerPac ................................33

Verzeichnisse VI


Abkürzungsverzeichnis ABZ Alkalische Brennstoffzelle AFC Alkaline Fuel Cell (Alkalische Brennstoffzelle= BHKW Blockheizkraftwerk BZ Brennstoffzelle(n) CO Kohlenmonoxid CO2 Kohlendioxid DMFC Direct Methanol Fuel Cell (Direktmethanol-Brennstoffzelle) ETH Eidgenössische Technische Hochschule GuD Gas- und Dampfturbine(n) H2 Wasserstoff HKW Heizkraftwerk IME Institut für mechanische Systeme KSBZ Karbonatschmelze Brennstoffzelle KWK Kraft-Wärme-Kopplung MCFC Molton Carbonate Fuel Cell (Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle) O2 Sauerstoff OKBZ Oxidkeramische Brennstoffzelle PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (Phosphorsäure Brennstoffzelle) PEMBZ Polymerelektrolyt-Membran-Brennstoffzelle PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell (Polymerelektrolyt-Membran-

Brennstoffzelle) PSBZ Phosphorsäure Brennstoffzelle PSI Paul Scherrer Institut SOFC Solid Oxide Fuel Cell (Oxidkeramische Brennstoffzelle) ZPE Zentrum für Produkte-Entwicklung

Einleitung

1


1 Einleitung Die klassische Marktanalyse dient der Identifizierung der wesentlichen Bestimmungsgrössen des Marktes. Je nach Stadium im Produkteentwicklungsprozesses erfolgt sie allgemein oder produktspezifisch. Die Marktanalyse für ein spezifisches Produkt baut dabei wesentlich auf den Ergebnissen der ständigen Marktbeobachtung auf. Ist der Markt in seinen wesentlichen Punkten analysiert, können Marktsegmentierung, Zielmärkte und Kundengruppen identifiziert werden. Marktkennziffern Um den wirtschaftlich relevanten Raum für ein Unternehmen besser abschätzen zu können, teilt man den Markt in vier Teilgrössen ein. Die folgende Grafik zeigt das Verhältnis der Kenn-zahlen zueinander.

Marktkapazität

Marktpotential

Marktvolumen

Marktanteil

Grad der Marktsättigung

Abbildung 1: Marktkennziffern

• Marktkapazität: Bezeichnet das denkbare theoretische Aufnahmevermögen eines Mark-

tes für ein Produkt oder eine Dienstleistung ohne Berücksichtigung der Kaufkraft, d.h. zum „Nulltarif“, in einem abgegrenzten Markt und in einer bestimmten Zeitperiode.

• Marktpotential: Bezeichnet die denkbare Aufnahmefähigkeit eines Marktes, unter optima-

len Absatzanstrengungen für bestimmte Produkte in einem abgegrenzten Markt und einer bestimmten Zeitperiode, unter Berücksichtigung der Kaufkraft. Das Marktpotential ist identisch mit der effektiven Nachfrage des Marktes.

• Marktvolumen (Marktnachfrage): Entspricht dem Angebot einer Branche und ist somit

die effektiv realisierte Absatzmenge eines Produktes oder einer Leistung in einem abge-grenzten Markt während einer bestimmten Zeitperiode.

• Marktanteil: Entspricht der tatsächlich abgesetzten Menge eines Produktes in einem ab-

gegrenzten Markt während einer bestimmten Zeitperiode. Der Marktanteil wird in Prozent des Marktvolumens ausgedrückt. Die Summe aller Marktanteile entspricht 100%.

• Marktsegmentierung: Unter Marktsegmentierung versteht man die Aufteilung des Ge-

samtmarktes in homogene Käufergruppen bzw. –segmente. Sie dient dazu, Unterschiede zwischen den Käufern darzulegen und daraus Schlussfolgerungen im Hinblick auf eine differenzierte Marktbearbeitung zu ziehen.

Die Technologie

2


2 Die Technologie Die Brennstoffzelle stellt eine Basisinnovation dar, eine Schlüsseltechnologie für Energiewirt-schaft und Mobilität der Zukunft. Obwohl das Prinzip seit nun mehr als 160 Jahren bekannt ist, wird die Technologie erst seit den fünfziger Jahren in wenigen sehr spezialisierten An-wendungen eingesetzt. Dies hat sich grundlegend geändert. Die Brennstoffzelle findet mehr und mehr Einzug in den unterschiedlichsten Anwendungen und Märkten. Die Brennstoffzelle steht unweit einer weltweiten Kommerzialisierung. Das Technologiestadium der Brennstoffzelle zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: • mittlere Unsicherheit über die technische Leistungsfähigkeit • hohe Investitionen in die Technologieentwicklung • grosse Breite der potentiellen Einsatzgebiete • zunehmend anwendungsorientierte Entwicklungsanforderungen • steigende Auswirkung auf Kosten/Leistungsvehältnis der Produkte • hohe Zahl von Patentanmeldungen mit zunehmend produktbezogenem Charakter • wissenschaftlich geprägte Zugangsbarrieren Die Brennstoffzelle weist daraus ableitend typische Merkmale einer Schrittmachertechnologie im Übergang zu einer Schlüsseltechnologie auf (vgl. Abbildung 2).

Darstellung: M. Meier, ETHZ Zürich

Abbildung 2: Technologie- und Produktlebenszyklus

Viele Produkte stehen kurz vor der Markteinführung. Die Umsätze mit bestehenden Produk-ten sind noch tief, wachsen allerdings zunehmend stärker. Die Kunden sind Enthusiasten oder Pragmatiker, welche den Nutzen erkennen und gezielt auf diese Technologie setzen.

Die Technologie

3


2.1 Funktionsprinzip der Brennstoffzelle Brennstoffzellen sind elektrochemische Systeme, die die chemische Energie von Oxidations-prozessen direkt in elektrische Energie umsetzen. Der ideale Energieträger ist Wasserstoff. Das Funktionsprinzip ist ähnlich dem von Primärbatterien, mit dem Unterschied, dass die Energie nicht in den Elektroden gespeichert, sondern in einem externen Tank gelagert ist, und die Reaktanden und Reaktionsprodukte kontinuierlich zu- und abgeführt werden. Der prinzipielle Aufbau ist in Abbildung 3 am Beispiel der Polymer Elektrolyt Membran-Brennstoffzelle (PEM) dargestellt, welche auch beim „PowerPac“ zur Anwendung kommt.

Quelle: Los Alamos National Laboratory

Abbildung 3: Aufbau PEM-Brennstoffzelle

An der Anode wird Wasserstoff und an der Kathode Luft bzw. Sauerstoff zugeführt. Diese beiden mit Katalysatoren beschichteten Elektroden sind durch eine gasdichte Membran, dem Elektrolyten, voneinander getrennt, der bei der PEM-Brennstoffzelle aus einem Polymer be-steht. An der Anode dissoziiren die Wasserstoffmoleküle zu Protonen und Elektronen. Die Elektronen werden über einen äusseren Verbraucher geleitet und können dort elektrische Arbeit verrichten. Die Wasserstoff-Protonen werden durch die ionendurchlässige Membran zur Kathode transportiert. Dort reagieren sie mit dem vorhandenen Sauerstoff und den vom Verbraucher kommenden Elektronen zu Wasser. Der Teil des Wasserstoffenergieinhalts, der nicht in elektrische Energie umgewandelt werden kann, wird als Wärme frei. Zur Steigerung der Gesamtspannung sowie der Leistung werden Einzelzellen zu Stacks zusammengefügt.

Die eigentliche Brennstoffzelle besteht aus insgesamt fünf Komponenten: Dichtungen, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten, Katalysator und Membran (vgl. Abbildung 4).

Abbildung 4: Komponenten einer Brennstoffzelle

2.2 Quelle: SGL Carbon

Die Technologie

4


Brennstoffzellentypen Neben dem in einer PEM-Brennstoffzelle verwendeten Polymer können eine Reihe weiterer Materialien verwendet werden. Die Grundfunktion der Trennschicht zwischen der Anode und der Kathode sind in allen Systemen dieselben: gasdichte Trennung von Brenngas und Sauerstoff einerseits sowie Durchlässigkeit für die an der jeweiligen Reaktion beteiligten Ionen andererseits. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht der gängigen Klassifikation von Brennstoffzellen nach Art des Elektrolyten.

Kohlenwasserstoffe

Wasserstoff (H2)

Wasserstoff (H2)

Luft

Sauerstoff (O2)

Kohlenwasserstoffe

Wasserstoff (H2)

Luft

Sauerstoff (O2)

Luft

Sauerstoff (O2)Wasserstoff (H2)

Methanol

Wasserstoff (H2) Sauerstoff (O2)Kailauge

60-90°

AFC (Alkaline Fuel Cell)

ABZ (Alkalische Brennstoffzelle)

60-80°PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)

PEMBZ (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle)

Polymer80-110°

DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)

DMBZ (Direktmethnaol Brennstoffzelle

Phosphor-säure

160-220°

PAFC (Phsosphor Acid Fuel Cell)

PSBZ (Phosphorsäure Brennstoffzelle)

Karbonat-schmelze600-650°

MCFC (Molten Carbonat Fuel Cell)

KSBZ (Karbonatschmelze Brennstoffzelle)

Keramik800-1000°

SOFC (Solid Oxyde Fuel Cell)

OKBZ (Oxidkeramische Brennstoffzelle)

Kathode(Oxidant)

ElektrolytAnode(Energieträger)

Brennstoffzellentyp

Sauerstoff (O2)

Luft

Tabelle 1: Brennstoffzellentypen nach Art des Elektrolyten

Neben der Einteilung von Brennstoffzellen nach Art des Elektrolyten kann eine Klassifikation auch nach folgenden Gesichtspunkten vorgenommen werden: • nach der Arbeitstemperatur in Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturzellen • nach der Art der Reaktanden • nach den Elektroden • nach Grösse des Systems und dessen Leistungsabgabe Hochtemperatur-Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass ihre Wärme sehr gut für industrielle Prozesse und die weitere Nutzung in z.B. Gas- und Dampfturbinen (GuD) geeignet ist. Nach-teilig sind in erster Linie die Anforderungen an die notwendigen Hochtemperaturwerkstoffe. Im Vergleich zu Hochtemperatur-Brennstoffzellen eignen sich Niedertemperatur-Brennstoff-zellen sehr gut für mobile Anwendungen, aber auch für den Bereich der Strom- und Wärme-versorgung im Wohn- und Gewerbebereich. Aussichtsreichster Kandidat ist hier die PEM-Brennstoffzelle.

Die Technologie

5


2.2.1 Alkaline Fuel Cells (AFC) Die AFC arbeitet bei Temperaturen von unter 100 °C und gehört daher zu den Niedrigtemperatur-brennstoffzellen. Sie wurde in den 60er Jahren aufgrund ihrer recht hohen Wirkungsgrade von der NASA Raumfahrtmissionen verwendet. Da die Zelle lediglich mit reinstem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden kann, ist ihre Nutzung sehr kostenintensiv. Eine Kommerzialisierung scheint vorerst nicht realistisch zu sein.

Abbildung 5: AFC Brennstoffzelle im Space Shuttle

2.2.2 Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC) Die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle gilt als Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit einer Arbeitstemperatur von rd. 650 °C. Die MCFC ist grundsätzlich in der Lage u.a. Erdgas, Kohlegas und Biogas direkt zu verbrennen. Der Wirkungsgrad ist zwar aufgrund der hohen Arbeitstemperatur sehr gut, die hochkorrosive Karbonatschmelze greift jedoch das Material an, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle negativ beeinflusst wird. Sollte es gelingen, die Lebensdauer der MCFC deutlich zu verlängern, erscheint eine stationäre Anwendung durchaus realistisch.

2.2.3 Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC) Die Mitteltemperaturzelle benötigt für die Stromerzeugung eine Temperatur von ca. 200 °C und kann neben Wasserstoff aus reformiertem Erdgas auch mit Naphta "betankt" werden. Der Wirkungsgrad kann als mittelmässig bezeichnet werden. Die PAFC ist der am weitesten entwickelte Zellentyp, der bereits als stationäre Anlage seit 1993 in kommerziellem Betrieb ist. Von der Kostenseite sowie der Lebensdauer besteht jedoch noch Verbesserungsbedarf.

2.2.4 Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) Die PEM-Brennstoffzelle erbringt ihre Leistung bei einer Temperatur von unter 100 °C. Sie weist bei geringem Gewicht eine hohe Leis-tungsdichte auf und benötigt statt reinem Sauerstoff nur Luftsauer-stoff als Reaktionsgas. Empfindlich reagieren PEM-Brennstoffzellen auf Kohlenmonoxid (CO). Dieses Gas kann den Anodenkatalysator blockieren, was zu einem Leistungsabfall führt. Ansonsten verfügt die Zelle über einen hohen Wirkungsgrad, der jedoch unterhalb der AFC liegt. Derzeit steht die PEM Brennstoffzelle im Vordergrund der ge-samten Brennstoffzellenentwicklung. Ein Grund hierfür ist das grosse Potential für die Massenfertigung dieses Zelltypes.

Abbildung 6: PEM-Brennstoffzellenstack

Die Technologie

6


2.2.5 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) Bei dieser Brennstoffzelle ist das Feststoffelektrolyt (Solide Oxide) gepaart mit anderen Zusatzstoffen in der Lage, bei Temperaturen von rund 1000 °C Sauerstoffionen zu transpor-tieren. Zum Gebrauch geeignete Brennstoffe sind neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid, Methan und Erdgas. Die SOFC wird nicht nur in Platten- sondern auch in Röhrenform herge-stellt. Kathode, Elektrolyt und Anode sind auf der Innenseite eines keramikrohres aufge-bracht. Das Brenngas wird durch das Rohr geleitet, der Luftsauerstoff an der Aussenseite. Aufgrund der hohen Hitzeentwicklung eignen sich Solid Oxide Fuel Cells vor allem zur statio-nären Stromerzeugung ab Leistungen von 100kW.

2.2.6 Direct Methanol Fuel Cells (DMFC) Die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle ist die einzige Zelle, die nicht Wasserstoff sondern Methanol einsetzt. Auf Reformer kann ver-zichtet werden, da die Zelle selbst Methanol in Wasserstoff-protonen, freie Elektronen und CO2 umwandelt. Durch den fehlen-den Reformer ist sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugen am besten geeignet, da sie dem Ziel der möglichst einfachen Energiequelle am nächsten kommt. Als Elektrolyt wird eine protonenleitende Polymer-Elektrolyt-Membran eingesetzt.

Abbildung 7: Kleine DMFC für den portablen Einsatz

2.3 Bauprinzip eines Brennstoffzellensystems Um höhere Spannungen zu erzielen, werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet. Wegen dieser Stapelanordnung spricht man dabei von einem „Stack“. In diesem sind die einzelnen Brennstoffzellen über bipolare Platten elektrisch verbunden. Gasleitschichten über der Ober-fläche der bipolaren Platten sichern die Versorgung mit Brennstoff und führen das ent-stehende Reaktionsprodukt Wasser nach aussen ab.

Quelle: Zentrum für Produkte-Entwicklung, ETH Zürich

Abbildung 8: Stack und Brennstoffzelle

Quelle: Zentrum für Pordukte-Entwicklung, ETH Zürich

Abbildung 9: Aufbauprinzip eines Stacks

Die Technologie

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Abbildung 10 zeigt die schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems. Wird als Ausgangsenergieträger nicht direkt Wasserstoff eingesetzt muss ein Reformer vorgeschaltet werden, der die Energieträger (Benzin, Diesel, Methanol, Erdgas usw.) in ein wasserstoff-reiches Synthesegas umwandelt. Nach weiterer Gasnachbehandlung und Reinigung wird der Wasserstoff der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zugeführt. Der Strom muss dann gege-benenfalls der elektrischen Last angepasst werden. Die Abwärme kann entweder im Prozess selber genutzt oder als Nutzwärme ausgekoppelt werden.

Brennstoff-zelle

WasserstoffL

uft

Wa

sse

r

Ab

wä

rme

GleichstromReformer

(Gasaufbereitung)Elektr. LastEnergieträger

Thermische LastAbwärmenutzung

Spannungs-anpassung

Quelle: Forschungsverbund Sonnenenergie

Abbildung 10: Basiskomponenten eines Brennstoffzellensystems

Je nach verwendetem Brennstoffzellentyp gibt es unterschiedliche Anforderungen an das Brenngas und dessen Reinheit, so dass auch entsprechend unterschiedliche Anforderungen an die vorgeschaltete Gasprozesstechnik gestellt werden müssen. Im wesentlichen gilt die Aussage, dass die Reinheitsanforderungen mit sinkender Betriebstemperatur der Brennstoff-zelle ansteigen.

2.4 Brennstoffauswahl Einsatz von reinem Wasserstoff als Brenngas für Brennstoffzellen und reinem Sauerstoff als Oxidant ist zur Zeit weder ökonomisch noch technisch einfach zu realisieren, da praktisch kein derartiges Verteilungssystem existiert. Daher werden Brennstoffzellen zum einen mit Luft als Oxidationsmittel, zum anderen mit kohlestämmigen Brennstoffen betrieben, die ent-weder direkt oder nach einer entsprechenden chemischen Umwandlung, z.B. über eine Reformierung oder eine partielle Oxidation, in der Brennstoffzelle umgesetzt werden. Die Wahl des Brennstoffes hängt vom Brennstoffzellentyp und dem Anwendungsgebiet ab. So werden für stationäre Anwendungen vor allem Erdgas, Heizöl und Flüssiggas als Energie-träger betrachtet. Bei mobilen Anwendungen ist zu beachten, dass die zum Fahrbetrieb erforderliche Energie an Bord mitgeführt werden muss und die Infrastruktur für dessen Verteilung von strategischer Bedeutung ist. Wasserstoff kann flüssig, in Druckspeichern, in Metallhydriden oder langfristig vielleicht auch in Kohlenstoffnanofasern gespeichert werden. Aus heutiger Sicht erscheint Wasserstoff wegen verschiedener grundsätzlicher Probleme bei der Speicherung allerdings eher für den Flottenbetrieb z.B. von Bussen geeignet. Eine Auswahl denkbarer Brennstoffe ist in Tabelle 2 mit einigen wichtigen Eigenschaften aufgelistet.

Die Technologie

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Brennstoff Summen-

formel Unterer

Heizwert kJ/kg

Spez. Gewicht

g/l

Spez. Energie

kJ/l

Siedepunkt bzw. –bereich

°C

Zündgrenze bzw. -temperatur

Wasserstoff Methanol Ethanol Propan Erdgas Benzin Heizöl

H2

CH3OH C2H5OH

C3H8 CH4

C8H18 C10H22

120000 20000 26970 46300 44000 44200 42600

0,09 792 789 2,01 0,81 720 830

11 15900 21300

83 36

31800 35360

-252 64,5 78,3 -42 -162

30-215 170-390

4-74 vol.-% 3-36 vol.-% 4.14 vol.-%

2,1-9,5 vol.-% 5-13,5 vol.-%

220 °C 240 °C

Tabelle 2: Auswahl möglicher Brennstoffe und wichtige Eigenschaften

2.5 Eigenschaften und Vorteile von Brennstoffzellen Zu den positiven Eigenschaften von Brennstoffzellensystemen im Vergleich zu konkurrieren-den Umwandlungssystemen gehören: • hoher Wirkungsgrad (auch im Teillastbereich und bei kleinen Leistungen) • modularer Aufbau (leicht anpassbar an Leistungs-, Spannungs-, und

Stromanforderungen) • hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit • Emissionsfreiheit (abgesehen von Emissionen bei der Wasserstoffherstellung durch

Reformierung von Kohlenwasserstoffen) • Fehlen bewegter Teile (erhöhte Lebensdauer) • geräuscharmer Betrieb • keine Vibrationen • Netzunabhängigkeit • Flexible Einsatzmöglichkeiten • Potential der Substitution grosser Marktsegmente Wirkungsgrade Der elektrische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der im Energieträger chemisch gebun-denen Energie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Der erreichbare Wirkungs-grad von Brensstoffzellensystemen liegt über dem konventioneller Anlagen wie Motoren oder Turbinen. Ausserdem erreichen Brennstoffzellen den guten Wirkungsgrad über einen weiten Lastbereich, was sich insbesondere bei Anwendungen mit stark wechselndem Leistungsbedarf auswirkt. Schon heute werden Wirkungsgrade konventioneller Anlagen erreicht oder auch überschritten. Die theoretische Grenze ist aber für Brennstoffzellen-systeme bei weitem noch nicht erreicht, sodass noch ein hohes Entwicklungspotential vorhanden ist. Neben elektrischer Energie wird bei der Umwandlung in der Brennstoffzelle auch Wärme frei. Diese kann – abhängig von der Brennstoffzelle – genutzt werden. Aus der Nutzung der elek-trischen zusammen mit der thermischen Energie ergibt sich ein hoher Gesamnutzungsgrad bezogen auf den eingesetzten Brennstoff von bis zu 90%. Der hohe Wirkungsgrad ist unabhängig von der Systemgröße der Anlage.

Die Technologie

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Schadstoffemissionen Die einzigen Reaktionsprodukte sind Wasser und Kohlendioxid (bei Verwendung von fossilen Energieträgern). Für den Fall, dass der Wasserstoff aus regenerativen Energiequellen her-gestellt wird, ist die Bereitstellung elektrischer Energie in einer Brennstoffzelle emissionsfrei. Da die Basis der heutigen Energieversorgung fossile Energieträger sind, muss die Bereit-stellung des Wasserstoffs aus diesen kohlenstoffhaltigen Quellen im Hinblick auf die Emissionen berücksichtigt werden. Die Brennstoffzelle kann aber als lokal emissionsfrei be-zeichnet werden. Die erwarteten Vorteile für den Einsatz der Brennstoffzellen-Technologie in stationären und mobilen Systemen können folgendermassen zusammengefasst werden: • Strategische Vorteile: Aufgrund der Flexibilität des eingesetzten Brennstoffes - sowohl

fossile Primärenergieträger als auch erneuerbare Sekundärenergieträger können ver-wendet werden - vermindert sich die Abhängigkeit an importierten Rohölprodukten.

• Umweltfaktoren: Die Reduktion von Kohlendioxid CO2, Schwefeloxiden (SOx) und Stick-

oxiden; die Reduktion von Lärmquellen sowohl bei stationären als auch bei mobilen Systemen; die Minimierung von Gesundheitsrisiken durch elektromagnetischen Strahlung von Hochspannungsleitungen und der gefahrloser Betrieb von Brennstoffzellenanlagen. Eventuelle Beschädigungen durch Unfälle beschränken sich auf die Anlage selbst.

• Wirtschaftliche / Soziale Faktoren: Durch den Einsatz von dezentralen Leistungsein-

heiten werden auch niedrigere Investitionskosten pro Projekt erzielt. Dies bringt Vorteile bei der Finanzplanung im Vergleich zu den traditionellen zentralen Kraftwerken.

Leistung

1 W

100 W

10 kW

100 kW

10 M W

Natel's

Aggregate

Laptops

Roller

Power-Tools

Autos

Busse

WKK

VorteilEnergiedichte

VorteilW irkungsgrad

1 kW

Quelle: Zentrum für Produkte-Entwicklung

Abbildung 11: Vorteile von Brennstoffzellen

Die Einsatzmöglichkeiten

10


3 Die Einsatzmöglichkeiten Die Anwendungsgebiete leiten sich aus den Eigenschaften der Brennstoffzellen und den Vorteilen gegenüber konventionellen Verbrennungsprozessen und konkurrenzierende Um-wandlungssystemen ab. Geht man von der Grundfunktion der Brennstoffzelle aus - elek-trische Energie (und Wärme) bereitstellen - so kommen alle Anwendungsgebiete in Frage, die diese Funktion beinhalten. Brennstoffzellensysteme werden üblicherweise nach dem Leistungsbereich und der Einsatzmöglichkeit respektive dem Verwendungszweck in drei Hauptgebiete unterteilt, wobei diverse Mischbereiche existieren, die Eigenschaften und As-pekte von verschiedenen Gebieten kombinieren: • Mobile Anwendungen: Unter mobile Anwendungen werden vor allem Brennstoffzellen-

systeme verstanden, die als Leistungsaggregate für elektrische Antriebe von Fortbewe-gungs- und Transportmittel jeglicher Art (Boden, Wasser, Luft) dienen. Dies umfasst den öffentlichen und privaten Verkehr, das Transportwesen sowie Spezialfahrzeuge in Industrie, Gewerbe und im Freizeitbereich. Weitere Anwendungsgebiete sind die Bord-energieversorgung sowie mobile Energieerzeuger.

• Stationäre Anwendungen: Dieses Gebiet umfasst Anlagen zur zentralen oder dezen-

tralen Strom- und Wärmeversorgung von Gebäude, Einrichtungen und Systemen. Der Leistungsbereich geht in der Regel von wenigen Kilowatt bis in den Megawattbereich.

• Portable Anwendungen: Die Eigenschaften und Möglichkeiten von Brennstoffzellen

machen den Einsatz in tragbaren elektronischen und elektrischen Geräte möglich. Portable Leistungsaggregate zählen ebenfalls zu dieser Kategorie. Der Aspekt der Trag-barkeit ist hier entscheidend.

Anwendungen

mobile Anwendungen

portable Anwendungen

stationäre

Erwarteter Vorteil oder Zusatznutzen

Substiution von

10 W 100W 1kW 10kW 100kW 1MWLeistung (elektr.)

elektronische Geräte (Handheld, Natels, Videokameras, Laptops, usw.)

Elektrische Werkzeuge und Geräte (Heim- und Haushaltsgeräte)

Spezialfahrzeuge und Strassenfahrzeuge

Busse

dezentrale Stromversorgung, Systemverorgung, Haushalt-Heizung, Notstrom-Systeme

dezentrale Energieversorgung, Grossgebäude, Notstromsysteme

zentrale Energieversorgung, Blockheiz- und Grosskraftwerke

Boote

portable Stromaggregate

Batterien und Akkumulatoren

Netzversorgung, Generatoren, Akkumulatoren, Heizungsanlagen

Bleiakkumulatoren, Verbrennungsmotor

mobile Stromaggregate

Wärme-Kraft-Maschinen, Generatoren, Wärmepumpen

Wärme-Kraft-Maschinen, Generatoren

Hohe Energiedichte, schnelle Beladung, geringes Gewicht, keine Selbst-entladung, lange Betriebsdauer

Geringe Geräuschemissionen, hoher Gesamwirkungsgrad, geringer Schadstoffausstoss, CO2-neutral (Biogas)

Guter Wirkungsgrad, geringer Schadstoffausstoss, CO2-neutral, positives Image.

Abbildung 12: Anwendungsbereiche und Vorteile von Brennstoffzellen


11


Während heute übliche Elektrizitätserzeugungsprozesse den Umweg der Wärmekraft-maschine mit angeschlossenem Generator gehen, kann die Brennstoffzelle chemisch ge-speicherte Energie direkt in Strom umwandeln. Die den Gesamtwirkungsgrad begrenzenden Effekte sind elektrochemischer Natur und weniger einschneidend als beim Carnot-Prozess. Dadurch ist der Stromanteil der Energiewandlung bei Brennstoffzellen deutlich grösser, wo-durch sie sich besonders zur Kraft-Wärmekopplung aber auch für die reine Stromproduktion z.B. im Kraftfahrzeug eignet. Darüber hinaus leben Brennstoffzellen aus oberflächenorien-tierten im Gegensatz zu den volumenorientierten Prozessen in Wärmekraftmaschinen. Die Folge ist, dass ihr Wirkungsgrad nicht von der Baugrösse abhängt. Als wohl wichtigste Kon-sequenz für den Brennstoffzelleneinsatz ergibt sich daher die Abkehr von der Notwendigkeit, Grossanlagen zu bauen. Damit ist die Brennstoffzelle der geeignete Energiewandler für kleine und kleinste Anlagen von portablen Elektrogeräten über die Hausenergie- bis zur Industrieenergieversorgung (vgl. Abbildung 13).

Mobile AnwendungenStationäre Anwendungen

(Energieversorgung, mit oder ohneWärmekopplung)

Portable Anwendungen(tragbare Systeme)

Zentral(netz-

speisend)

Dezentral(netzunabhängig)

Tragbare Aggregate

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Geräte (integriert)

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Bau

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ung

- Laptop- Handy- Videokamera- Digitalkamera- PDA- Beamer?- ...

- Bohrmaschine- Schraubenzieher- Handkreissäge- Reinigungsgeräte- Taschenlampe- Akkuladegerät?- ...

netzunabhängig

(mit A

kku)

- Computer- Drucker- Beamer- Fernseher- Videorekorder- Stereoanlage- ...

- Bohrmaschine- Motorhacken- Staubsauger- Akkuladegerät- Rasenmäher- Heizstrahler / AC- ...

netzabhängig(m

it Kabel)

Elektronische Geräte

elektrische Geräte

Flugzeuge, Zeppelin, ...Luftfahrt

Lokomotiven (netzunabhängig), Trams (keine Oberleitung!) Untertagebahn, ...

Schiene

Schiff, Boot, Yacht, Pedalo, U-Boot, Wasser-Taxi, ...

Schiffahrt

Gabelstapler, Lastschlepper, Raupentransporter, Gepäckkarren, Transportroboter, Rollstuhl, Golfwagen, Rasenmäher mit Antrieb, Reinigungsfahrzeuge, Schneefräse, Hubwagen, ...

Spezial-fahrzeuge

Pkw, Buss, Lastwagen, Scooter, Elektrofahrräder, Rikschas

Strassen-verkehr

Bordversorgung und/oder Antriebsversorgung

-Platzversorgung- Geräteversorgung- Systemversorgung-Bordversorgung

- Anhänger- integriert in Fahrzeug- Baustellen- Anlässe

portable Aggregatemobile Aggregate

-Mobilfunkmast-Licht- und Signalanlage-Grossrechner-Operationssaal

System-versorgung

- Arbeitsplatz / Garten- Camping / Expedition / Freizeit

Platz-versorgung

- netzunabhängiger Strom- Heizung (Wärmenutzung)- Haushalt, Gebäude, Gewerbe,

Siedlungen, Fabriken

Haus- und Gebäude-versorgung

Abbildung 13: Einsatzbereiche und Anwendungsbeispiele von Brennstoffzellen

Die Aufteilung in mobil, stationär und portabel beinhaltet zwei Seiten: diejenige des Leistungsaggregates und diejenige der Applikation, wofür die Brennstoffzelle verwendet wird. Es macht deshalb Sinn, die verschiedenen Merkmale des Aggregates und der Verwendung einander gegenüberzustellen (vgl. Abbildung 14). Dies macht eine Einteilung von speziellen Anwendungen sowie die Identifikation von weiteren Segmenten und Anwendungsformen möglich. So kann ein Brennstoffzellensystem als Leistungsaggregat für die Bordversorgung eines Fahrzeuges dienen (Ersatz der Autobatterie). Das stationäre Aggregat versorgt ein ebenfalls stationäres System in einer mobilen Anwendung. Zieht man die Möglichkeit in Be-tracht, dass das Aggregat selbst auch auswechselbar und portabel ausgelegt werden kann, kommt noch der Aspekt der Tragbarkeit ins Spiel.


12


portable portable AnwendAnwend..

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Abbildung 14: Gegenüberstellung der Merkmale des Aggregates und der Anwendungen


13


3.1 Mobile Anwendungen Unter dem Begriff „mobile Anwendungen“ lassen sich drei Kategorien unterscheiden: • mobile Stromerzeuger • Bordenergieversorgung von Fahrzeugen (als Batterieersatz) • Leistungsaggregate für Fahrzeuge (in Kombination mit Elektromotor) Aufgrund des wachsenden Umweltbewusstseins und der sich verknappenden Rohstof-fressourcen der Erde gewinnen alternative Antriebstechniken zunehmend an Bedeutung. Brennstoffzellen für mobile Anwendungen werden zur Zeit hauptsächlich für den Antrieb von Strassenfahrzeugen (Pkw und Busse) diskutiert und entwickelt. Daneben sind auch die An-wendung als Antriebssystem bei elektrischen Bahnen oder bei Schiffen im Gespräch, wobei dies im Vergleich zu dem Massenmarkt der Strassenfahrzeuge Nischenanwendungen dar-stellen. Ein anderes Segment stellen Leistungsaggregate für Spezialfahrzeuge wie Gabel-stapler, fahrbare Rasenmäher und Golfwagen dar. Die Brennstoffzellen ersetzen dabei die sehr schweren Akkumulatoren für den Elektroantrieb solcher Anwendungen. Der Einsatz von Brennstoffzellen ermöglicht eine weitaus bessere Auslastung solcher Fahrzeuge, da die Aufladezeit wegfällt. In der Tabelle 3 sind Vor- und Nachteile typischer Fahrzeugsantriebe zusammengefasst. Fahrzeugantrieb Vorteile Nachteile Verbrennungsmotor Benzin /Diesel

+ hohe Reichweite + hohe Leistung möglich + Erfahrung, Infrastruktur

- Weiterentwicklungspotential

Verbrennungsmotor Erdgas + geringe Schadstoffemission

- grössere Tanks - mangelnde Infrastruktur

Hybridantrieb (Verbrennungs-motor und Elektroantrieb)

+ lokal emissionsfrei + gute Reichweite

- komplexes Systemkonzept - höheres Gewicht

Elektrofahrzeug Batteriebetrieb

+ lokal emissionsfrei

- geringe Reichweite - hohes Gewicht - muss nachgeladen werden

Elektrofahrzeuge Brennstoffzelle

+ hoher Wirkungsgrad + keine Stickoxide + stark reduzierte (oder gar

keine) CO2-Emissionen

- Entwicklung von Technologien und Infrastruktur notwendig

Tabelle 3: Vor- und Nachteile typischer Fahrzeuge

Die Brennstoffzelle (unter Nutzung sowohl konventioneller als auch regenerativer Brenn-stoffe) hat das Potential, den Strassenverkehr zu revolutionieren. Obwohl die meisten Auto-mobilhersteller grosse Anstrengungen in diesem Bereich unternehmen, ist die Serienpro-duktion von Brennstoffzellenfahrzeugen mittelfristig nicht zu erwarten. Eine allfällige Massen-produktion von BZ-Fahrzeugen dürfte die Kosten für Brennstoffzellen markant fallen lassen und Anwendungen in allen Bereich Auftrieb verleihen. Es existieren viele Nischenmärkte für Spezialanwendungen, die weniger kostensensitiv sind. Die folgenden Punkte geben eine Vorstellung über die Anwendungsmöglichkeiten im mobilen Bereich: • Antriebssysteme für Schiffe, Yachten und Boote, Arbeitsboote, Hausboote,

Rettungsboote, Wasser-Taxis und Wasserbusse insbesondere für Wasserfahrzeuge auf Gewässern, wo keine Verbrennungsmotoren zugelassen sind


14


• Antriebssysteme für Lastwagen, Shuttle-Busse, Transportroboter, Gepäckkarren und Untertagebahnen im Bergbau

• Antriebssysteme für Gabelstapler, Scooter und Lastschlepper • Antriebssysteme für Transportkarren, für Personen- und Transportfahrzeuge in

Tourismusgebieten, die für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren gesperrt sind • Antriebe für Vorfeldfahrzeuge auf Flughäfen • Rollstühle, Rasenmäher, Elektrofahrräder • zivile Boote, Schiffe und maritime Sonderanwendungen • wasserstoffbetriebene Stadtbusse • Gartenbau, Forst- und Landwirtschaft • Tief-, Berg-, Hochbau Wasserstoffbetriebene Stadtbusse, basierend auf der Polymerelektrolytmembran-Brennstoff-zelle, befinden sich bereits kurz vor der Markteinführung, wobei erste Busse bereits erfolg-reich im Betrieb sind.

Abbildung 15: PEM-Brennstoffzellenbus

Abbildung 16: MAN Stadtbus mit Brennstoffzelle und Drucktanks auf dem Dach

Abbildung 17: BMW Wasserstoff-Fahrzeug mit Verbrennungsmotor

Abbildung 18: DaimlerChrysler A-Klasse mit Brennstoffzelle und Flüssigwasserstoff

Abbildung 19: Leichtelektromobil Twike

Abbildung 20: Studie einer Brennstoffzellen-Lokomotive


15


Abbildung 21: Brennstoffzellen-Schiff von Etaing

Abbildung 22: Golfwagen von Astra Energi

Abbildung 23: Gabelstapler mit Brennstoffzelle

Abbildung 24: Rollstuhl und Hubwagen

Abbildung 25: Scheuersaugmaschine

Abbildung 26: Mobiler Stromerzeuger (Lastwagen)

Abbildung 27: Mobiler Stromerzeuger (Anhänger)


16


3.2 Stationäre Anwendungen Durch die zunehmende Liberalisierung der Energiemärkte ergeben sich veränderte Rahmen-bedingungen für Techniken und Brennstoffe. Ein wesentlicher Trend ist die Dezentralisierung der Stromerzeugung. Brennstoffzellen können sowohl zur zentralen als auch zur dezentralen Bereitstellung von Elektrizität und Wärme in Industrie, in Kraftwerken, in Wohn- und Ge-werbesiedlungen und in einzelnen Haushalten eingesetzt werden. Je nach Anwendungsfall ist eine strom- oder wärmegeführte Betriebsweise möglich. Eigenschaften wie hoher Wirkungsgrad und niedere Emissionen machen Brennstoffzellensysteme besonders attraktiv für den Kraftwerksbetrieb. Der Einsatz in der Nähe von Verbraucherzentren wird bereits von verschiedenen Versorgungsunternehmungen ernsthaft verfolgt. Zwei Trends sind heute zu beobachten: Auf der einen Seite werden PEM-Systeme entwicklet (250kW) in der Hoffnung, die drastische Kostenreduktionen, die für die mobile Anwendungen notwendig sind, auch für die stationäre Anwendung zu nutzen und somit sehr wirtschaftliche Anlagen zu betreiben. Auf der anderen Seite erscheinen Hochtemperaturbrennstoffzellen (MCFC, SOFC) sehr interessant, da sie Abwärme auf einem hohen Temperaturniveau bereit-stellen, die z.B. zur Fern- oder Prozesswärmenutzung verwendet werden kann. Insbe-sondere bei der SOFC verspricht die Kopplung mit Gasturbinen elektrische Wirkungsgrade von über 70%. Als Brennstoffe für Brennstoffzellen-Systeme in der Gebäudeenergieversorgung sind neben Wasserstoff vor allem Erdgas, aber auch Heizöl, Benzin und Methanol in der Erprobung. Allerdings ist eine zentrale Bereitstellung von Wasserstoff in grösserem Umfang erst mittel- bis langfristig realisierbar (Infrastrukturaufbau). Einige der möglichen Einsatzgebiete:

• zentrale Stromerzeugung für die öffentliche und industrielle Stromversorgung • dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung in Nahenergieversorgunssystemen • dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung in Hausenergiesystemen • dezentrale Inselsysteme für abgelegene Standorte bei nicht existierender

Netzversorgung • dezentrale Prozessenergie- und Stromerzeugung für gewerbliche Nutzung • dezentrale Strom- und Wärmeerzeugung aus Biomasse (Ausnutzen lokaler

Ressourcen wie Gasproduktion in Abfalldeponien und in der Landwirtschaft) • Not- und Hilfsstromaggregate für Gebäude und technische Einrichtungen (Spitäler,

EDV-Anlagen, Flughäfen, Leitsysteme, usw.) • Spannungsversorgung für Systeme an Stelle von Akkumulatoren (z.B.

Stromversorgung einer Signal- oder Warnausrüstung) • Ergänzung zur Solar- und Windtechnik an Stelle von Akkumulatoren zur

gleichmässigen Stromversorgung unabhängig von der aktuellen Sonneneinstrahlung und Windstärke (Einsatz von einem Elektrolyseur)

• Stromerzeugung ohne Wärmenutzung • Netzferne Spitzenlastversorgung • Ausfallsichere Stromversorgung (z.B. Krankenhäuser, Rechenzentren im

liberalisierten Strommarkt)


17


Abbildung 28: Westinghouse 100kW SOFC System

Abbildung 29: 2,5MW MCFC Kraftwerk

Abbildung 30: PAFC Brennstoffzelle der Firma ONSI

Abbildung 31: Blockheizkraftwerk in Hamburg

Abbildung 32: Ballard Brennstoffzellen-BHKW

Abbildung 33: 3kW Brennstoffzellensystem für die Hausversorgung (Energy Partners)

Abbildung 34: Brennstoffzellen Heizgerät (Vaillant)


18


3.3 Portable Anwendungen Anwendungsfelder für portable Brennstoffzellen sind prinzipiell ale Bereiche, in denen eine netzunabhängige Energieversorgung benötigt wird. Besonders bevorzugt sind Anwen-dungen bei denen es entweder auf hohe Energiedichten ankommt oder hohe Anforderungen an Lärm- und Emissionsverhalten gestellt werden. Im ersten Bereich sind Batterie-ersatzsysteme angesiedelt, z.B. für Laptops und technische Anlagen ohne Stromanschluss. Im zweiten Bereich sind portable Stromerzeugungsanlagen zu nennen. Für beide Bereiche sind bereits leistungsfähige Prototypen entwickelt worden.

3.3.1 Energieversorgung für portable Geräte Immer leistungsfähigere Handys und Laptops geben dem Nutzer die Möglichkeit, seinen Arbeitsplatz an jeden beliebigen Ort mitzunehmen. Durch die erweiterte Nutzung des Internet kommen völlig neue tragbare Informationsgeräte auf den Markt. Für deren Nutzer ist dabei die netzunabhängige Arbeitszeit eines der wichtigsten Kaufkriterien. Für alle Anwendungen im portablen Bereich sind hohe Leistungsdichten und hohe Energiespeicherkapazität, geringes Gewicht und Volumen sowie eine anpassungsfähige Geometrie des Systems die wichtigsten Auslegungsgrößen. Betrachtet man die Entwicklung der Leistungsaufnahme von Laptops im Vergleich zu Verbesserungen der Kapazität von Akkumulatoren (vgl. Abbildung 35) so hinkt die Leistung von Akkumulatoren hintennach.

Abbildung 35: Entwicklung der Leistungsaufnahme und der Kapazität

Minibrennstoffzellen weisen bereits heute eine um etwa Faktor 3 höhere spezifische Energie im Vergleich zu dem Lithuim-Ionen-Akkumulator auf. Bedeutender ist aber das Potential, wel-ches die Brennstoffzelle in Zukunft ausschöpfen kann (vgl. Tabelle 4). Diese Zahlen sind allerdings mit Vorsicht zu geniessen, da bis zum Erreichen dieser Werte viel Forschungs- und Entwicklungsarbeit geleistet werden muss und der Fortschritt der Akkumulatoren ebenfalls nicht still steht. So kündigte1 ein Kleinunternehmen in Deutschland eine Hochleistungsbatterie an, die um Faktor zwei besser sein soll als der Lithium-Ionen-Akkumulator und damit heutige Werte der Brennstoffzelle erreicht.

1 Tages-Anzeiger vom 31.5.2001, Seite 42


19


Akku Energie- dichte (Wh/kg)

Energie- dichte (Wh/l)

Herstellungs- kosten (DM/Wh)

Bleiakkumulator (Starterbatterie, Notstromaggregat)

35 70 -

Nickel-Cadmium-Akku Niedrigpreissegmente

35 80 1,50

Nickel-Metallhydrid-Akku (höherwertige Geräte)

50 160 2,50

Lithium-Ionen-Akku (Hochpreissegment)

120 260 7,50

Quelle: TA-Projekt „Brennstoffzellen-Technologie“

Quelle: Fuel Cell Industry Report

Tabelle 4: Energiedichten und Herstellungskosten von Akkumulatoren

Im stark expandierenden Markt von Kleingeräten haben Brennstoffzellen gute Chancen, erhebliche Marktanteile zu gewinnen. PEM-Brennstoffzellen in Verbindung mit geeigneter Wasserstoffspeicher (z.B. Metallhydride) bilden einfache Systeme, die bei Umgebungs-temperatur geringe Leistungen im Bereich weniger Watt für lange Betriebszeiten umweltschonend (Entsorgung von Batterien) bereitstellen können. Gegenüber Akkus bieten sie den Vorteil, dass Leistung und Energieinhalt des Systems durch die Dimensionierung der Zelle bzw. des Speichers unabhängig voneinander festgelegt werden können. Die aufgrund ihres hohen spezifischen Gewichts für die mobile Anwendung in Fahrzeugen weniger geeigneten Metallhydridspeicher stellen für die portablen Anwendungen einen sicheren und bequemen Wassterstoffspeicher dar.

Abbildung 36: DMFC für Notebooks von Samsung

Abbildung 37: Brennstoffzellen-Ladegerät für Handys

Abbildung 38: DMFC Mobiltelefon mit Methanol Patronen

Abbildung 39: Notebook mit Brennstoffzelle statt Akku

Abbildung 40: Denkbare Einsatzmöglichkeiten


20


3.3.2 Portable Energieversorgung Die Brennstoffzelle ersetzt in diesem Bereich tragbare Benzin- und Dieselgeneratoren und ermöglicht die Stromversorgung an Orten, wo keine elektrische Energie verfügbar oder einfach zugänglich ist. Mögliche Einsatzbereiche sind nachfolgend aufgelistet: • Freizeitbereich (Camping, Wochenendhäuschen, Hausboot, Expedition) • Stromversorgung für Gartengeräte • Stromerzeuger für Werkzeuge • Stromaggregate für Warnblinkanlagen und Beleuchtungen • Forst- und Landwirtschaft • Demonstrationsgeräte für Schulen, Berufsschulen, Hochschulen,

Versorgungsunternehmen Die volumenbezogene Energiedichte von BZ-Stromerzeugern im kW-Bereich ist konkurrenz-fähig zu marktgängigen Benzin-Generatoren. Die Hauptvorteile liegen hier jedoch im hohen Wirkungsgrad sowie dem günstigen Lärm- und Emissionsverhalten der Brennstoffzellen-systeme (vgl. Abbildung 41).

Abbildung 41: Emissionsvergleich zwischen PEMFC und Generatoren

- Rasenmäher - Wiesenmäher - Motorsense - Motorhacken - Raupentransporter - Stromerzeuger - Handkreissäge - Wasserpumpen - Schneefräsen - Hubwagen - Stapler - Rasentraktoren - Kettensägen - Heckenscheren - Motorhacken - Laubsauger - usw.

Abbildung 42: Portable Stromerzeuger und mögliche Anwendungen

Das Produkt

21


4 Das Produkt Das Zentrum für Produkt-Entwicklung (ZPE) der ETH Zürich arbeitet mit dem Paul Scherrer Institut (PSI) an der Entwicklung eines nicht-netzgebundenen, modularen 0,5 bis 2kW Brenn-stoffzellen-Aggregates für den portablen Einsatz. Der Leistungsbereich soll durch eine modular konzipierte Produktfamilie abgedeckt werden, wobei der höhere Bereich für professionelle und der tiefere Bereich für private Anwendungen vorgesehen ist. Der emis-sionsarme Energiewandler mit Namen „PowerPac“ soll mittelfristig Akkumulatoren und Verbrennungsaggregate ergänzen. Im Vergleich zu den konventionellen Technologien baut das zu entwickelnde Produkt auf folgende Vorteile auf: • lokal emissionsfrei • schnelles Auftanken (< min) • tiefer Geräuschepegel • hoher Wirkungsgrad • kompatible mit erneuerbarer Energie (ökologisch) • kompakt und mit hoher spezifischer Leistung • modular (Modularität der BZ-Technologie ermöglicht Produkt-Reihe)

Abbildung 43: Stack der jetzigen Generation

Abbildung 44: Designstudie des PowerPac’s

Das PowerPac wird als markttaugliches Produkt, bestehend aus einem Wandlermodul mit Brennstoffzelle, Regel- und Bedienelementen und einem Wasserstoff-Tankmodul, ausgelegt. Die Prioritäten liegen in der Auslegung des Brennstoffzellenstapels und der Nebenaggregate bezüglich Kostenoptimierung und Massenfertigung. Die Technologie basiert auf der Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), die eine Betriebstemperatur von ca. 70°C erreicht. Wasserstoff und Luft sind die Betriebsgase, woraus in einem elektrochemischen Prozess unter Abgabe von Wasser und Wärme Strom produziert wird. Festanforderung Wunschanforderung • PEM-Brennstoffzellen-Technologie • Wasserstoff als Energieträger • Luft als Oxidant • Druckflasche als Tank (200bar oder höher) • Leistungsbereich von 0,5 bis 2kW • Modularer Aufbau (Produktefamilie) • Portables System (tragbar) • mind. Gleichstrom mit konstanter Spannung als Ausgang • Schnittstellen für Benutzer: Wasserstoffanschluss,

Kabelanschluss und Bedienelemente • Stromversorgungsteil ist vom Anwendungsgerät auswechselbar

• für eine grosse Anzahl Drittgeräte einsetzbar

• geringes Packvolumen: > 0,1kW/Liter (ohne Tank)

• geringes Gewicht: > 0,1kW/kg (ohne Tank)

• Wechselstrom mit konstanter Spannung als Ausgang (optional)

• Supercap (optional)

Tabelle 5: Provisorische Anforderungsliste des PowerPac’s

Das Produkt

22


4.1 Anwendungsgebiete für das PowerPac Das PowerPac soll in erster Linie als portabler Stromerzeuger ausgelegt werden, wobei die Anwendung als stationäres System oder in mobilen Anwendungen ebenfalls verfolgt wird. Dabei ist eine Anforderung, dass das Stromversorgungsteil vom Anwendungsgerät getrennt werden kann. Die meisten Geräte und Systeme besitzen ein eigenes Leistungsaggregat, welches fest eingebaut ist, obwohl es nur sporadisch gebraucht wird. Durch die Ab-nehmbarkeit des PowerPacs sollen dabei mehrere Geräte mit Strom versorgt werden können. Das PowerPac ist so positioniert, dass alle Anwendungsbereiche von portabel, stationär bis hin zu mobilen Anwendungen möglich sind. Der Fokus liegt dabei auf die drei Mischbereiche, die verschiedenen Aspekten genügen (vgl. Abbildung 45).

Mobile Anwendungen

Leisungsaggregate für Antriebe

Stationäre Anwendungen

Energieversorgung für Häuser und Systeme

Portable Anwendungen

Portable Leistungsaggregate oder Leistungsaggregate in

portablen Geräten

Bordstromversorgung

Leistungsaggregate für die Bordstromversorgung von Fahrzeugen und Schiffen

Portable Antriebsaggregate

Auswechselbare, portable Leistungsaggregate für

Antriebe

Portable Systemversorgung

Portable Leistungsaggregate für stationäre Einrichtungen

(Generatoren)

A

B C

1 3

2

Abbildung 45: Positionierung des PowerPac’s

Durch den modularen Aufbau soll eine grösstmögliche Anzahl von Geräten und Systeme an-geschlossen werden können, die sich im anvisierten Leistungsbereich von 0,5 bis 2kW bewe-gen. Die Abbildung 46 zeigt einige Geräte, die in diesem Bereich liegen.

[kW]

1

2

Zahnhygiene

Saftzentrifuge/Zitruspresse

Fernseher

Tiefkühltruhe

Kühlschrank

Hi-Fi (ohne Boxenleistung!)

Dörraparat

Lampen

Schwingschleifer

Heckenschere

Schraubtechnik

Luftbefeuchter

Bandschleifer

Küchenmasch./M

ixer

Flächen-und Falzhobel

Rasentrimm

er

Stichsäge

Toaster

Fräser

Kaffeemaschine

Saugbläser

Bohrmaschine

Sprühextraktionsgerät

Espressomaschine

Heissluftföhn

Säge

Häcksler

Elektrorasenmäher

Handkreissäge

Friteuse

Einscheibenmaschine

Tischgrill/Raquelette

Föhn

Velo

Popkornmaschine

Quelle: Zentrum für Produkte-Entwicklung

Abbildung 46: Leistungsbereich für das PowerPac

Das Produkt

23


Das PowerPac konkurrenziert bestehende, etablierte Technologien wie den Benzin- oder Dieselgenerator sowie Akkumulatoren. Das Stromnetz ist dabei ebenfalls als Konkurrenz-technologie zu betrachten, da dieses den Einsatz eines portablen Stromerzeuger in den aller-meisten Fällen erübrigt. Die Tabelle 6 stellt diese Technologien dem PowerPac gegenüber und vergleicht anhand diverser Kriterien: • Geräuschemissionen: Die Brennstofftechnologie ist im Vergleich zum herkömmlichen

Generator vor allem im Teillastbereich wesentlich leiser (vgl. Abbildung 41). • Abgase: Aufgrund der lokalen Emissionsfreiheit von wasserstoffbetriebenen

Brennstoffzellen stellen die Abgasemissionen einen entscheidenden Vorteil gegenüber Verbrennungsmotoren dar.

• Entsorgung: Dieser Kriterium bewertet die Entsorgung am Ende des Produktlebenszyklus. Batterien und Akkumulatoren stellen die bedeutenste Produktegruppe für die Schwermetallbelastung2 im Hausmüll dar. Allein im Jahr 1999 fielen weltweit rund 500 Mio. Stück Alt-Akkus an.

• Anschaffungskosten: Die Kosten für ein Brennstoffzellensystem bewegen sich heute auf ca. 5000 Fr. pro kW, was verglichen mit den Konkurrenztechnologien um ein Vielfaches höher ist.

• Preis pro kW: Gegenüberstellung der Kosten zur Erzeugung von 1kW elektrischer Energie.

• Tankzeit: Zeit, die vergeht, bis der Stromerzeuger wieder betriebsbereit bzw. bis der Akku wieder aufgeladen ist. Die BZ hat hier einen grossen Vorteil gegenüber von Akkumulatoren, den es auszunutzen gilt.

• Distribution des Energieträgers: Die Distribution von Wasserstoff ist noch nicht gelöst und ist als entscheidender Nachteil zu bewerten.

• Betriebsdauer / Reichweite: Wie lange kann elektrische Energie der Anwendung zur Verfügung gestellt werden bis wieder aufgetankt oder nachgeladen werden muss? Wasserstoff schneidet aufgrund der hohen Energiedichte und des hohen Wirkungsgrades im Vergleich zu Benzin und Diesel besser ab.

• Einsetzbarkeit für verschiedene Anwendungen: Bewertung der Anschlussmöglichkeit von verschiedener Geräte und Systeme respektive die Einfachheit der Anpassung. Das PowerPac kann aufgrund seiner Modularität und Auswechselbarkeit vielseitig eingesetzt werden.

• Mobilität: Der momentane Entwicklungsstand der Brennstoffzellentechnologie erlaubt Stromerzeuger zu entwickeln, die etwa vergleichbar in Volumen und Masse sind wie herkömmliche Generatoren und Akkus. Das Potential ist aber bei weitem nicht ausgeschöpft.

• Lebensdauer: Die Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen wird allgemein als hoch eingeschätzt, was aber zunächst in Tests bestätigt werden muss. Akkumulatoren haben eine beschränkte Anzahl von Ladezyklen (bem Lithium-Ionen-Akku rund 1000).

• Reifegrad (Anfälligkeit): Bewertung der Anfälligkeit der Technologie, die zu einem Betriebsunterbruch führt. Die Stromverfügbarkeit des öffentlichen Netzes kann in einigen Gebieten und Ländern unbefriedigend sein und einen grossen Nachteil darstellen (Kalifornien, Indien, usw.).

• Versorgungsabhängigkeit: Bewertung der allgemeinen Abhängigkeit von Dritten beim Bezug von elektrischer Energie oder des Energieträgers. Wasserstoff kann aus regenerativen Energieträgern erzeugt werden und vermindert dadurch die Versorgungsabhängigkeit. Ausserdem eignen sich Brennstoffzellen zur dezentralen, netzunabhängigen Energieversorgung.

Für den Erfolg des PowerPacs ist es entscheidend, auf den eigenen Stärken aufzubauen und die Schwächen der Konkurrenzprodukte auszunutzen sowie die bestehenden eigenen Schwächen zu vermindern.

2 TA-Projekt “Brennstoffzellen-Technologie”, Seite 140

Das Produkt

24


PowerPac Generator

(Benzin/Diesel) Akku Stromnetz

Geräuschemissionen ++ --- Abgase +++ -- Entsorgung + --- Anschaffungskosten --- ++ + Preis pro kW - ++ +++ +++ Tankzeit ++ + --- +++

Nachteile ausmerzen oder umgehen Nachteile der Konkurrenztechnologie ausnutzen, auf eigene Stärken aufbauen

Distribution des E-Trägers --- + ++ ++ Betriebsdauer / Reichweite ++ + --- +++ Einsetzbarkeit (versch. Anw.) +++ + ++ + Mobilität ++ ++ ++ - Lebensdauer ? ++ -- +++ Reifegrad (Anfälligkeit) ? ++ + +++ Versorgungsabhängigkeit + - --

+++ ++ + - -- --- ?

Entscheidender Vorteil Grosser Vorteil Vorteil Nachteil Grosser Nachteil Entscheidender Nachteil fragwürdig

Tabelle 6: Gegenüberstellung und Bewertung der Konkurrenztechnologien

Aus der Gegenüberstellung und Bewertung lassen sich nun Schlussfolgerungen ziehen und Gebiete identifizieren, wo der Einsatz des PowerPacs am ehesten erfolgsversprechend ist (vgl. Tabelle 7). Dies sind in erster Linie Nischenmärkte, die auf den positiven Eigenschaften der Brennstoffzellentechnologie und der multifunktionalen Auslegung des Produktes auf-bauen. Generator (Benzin/Diesel) Akkumulator Stromnetz

Geräuschemissionen reduzieren höhere Anschaffungskosten durch längere Betriebszeiten (kurze Betankzeit) amortisieren

Verwendung von netzabhängigen Geräten überall ermöglichen

Abgasemissionen reduzieren Lebensdauer erhöhen (keine Begrenzung durch Anzahl Ladezyklen)

Reichweite von netzabhängigen Geräten erhöhen

PowerPac

regenerativer Energieträger vermindert Abhängigkeit

Umweltaspekt hervorheben (Image)

Notstromversorgung bei Netzausfall

emissionssensitive Bereiche: geschlossenen Räume, Wohngebiete, Gärten, Park-anlagen, Fussgängerzonen, Schulhäuser, Krankenhäuser

auslastungssensitive Bereiche: Schichtbetrieb in Fabriken und Gewerbe

behinderungssensitive Bereiche: Orte mit viel Verkehr (Unfallgefahr, Behinderung), Ermöglichung grösstmöglicher Bewegungsfreiheit

Anwendungs-bereiche abhängigkeitssensitive

Bereiche: Militär, Zivilschutz, Polizei, Alarmanlagenbau

aufmerksamkeitssensitive Bereiche: Bahnhöfe, Flughäfen, öffentliche Gebäude, usw.

dezentrale Bereiche: Wald, Gebirge, Felder, Gärten, Camping, Expedition, Waldhütte

Tabelle 7: Identifikation von erfolgsversprechenden Anwendungsbereiche

Der Markt

25


5 Der Markt Der Energiemarkt ist ein Multi-Milliardenmarkt. Allein der US-Elektrizitätsmarkt ist mit 218 Mrd. $ Umsatz pro Jahr bedeutend grösser als die gesamte Telekommunkationsbranche. Die Ausgaben für Elektrizität machen nur rund 38% am gesamten Energiemarkt aus. Andere Energien wie Treibstoffe für Fahrzeuge, Brennstoffe für das Beheizen von Gebäuden, Batterien für Mobiltelefone und Laptops etc., stehen für weitere 1400 Mrd. $ weltweit. In diesen reinen Energiekosten ist das zusätzliche Marktvolumen für Technologien, Produkte und Services zur Energieumwandlung und –nutzung noch nicht enthalten. Insbesondere in Bezug auf die effiziente Nutzung der Energie besteht jedoch ein enormes Potenzial. So betragen die Verluste in der Energiekette – von den Primärenergieträgern über Umwandlung und Transport bis hin zum Endverbrauch – rund 70%. Energie im Wert von rund 1 Billion $ geht so weltweit Jahr für Jahr verloren [SAM 2001].

Abbildung 47: Regionale Unterschiede von Energieverbrauch und Nachfragewachstum

Der Markt für Brennstoffzellen ist nicht homogen. Aufgrund der vielen Anwendungsgebiete gibt es Raum für viele Unternehmen. Es gibt ausserdem sehr viele unterschiedliche Preis-segmente für die Anwendungen und viele Nischenbereiche. Die Wahrscheinlichkeit für den kommerziellen Erfolg der Brennstoffzelle wird insgesamt generell als hoch eingeschätzt. Derzeit umfasst der weltweite Markt für Brennstoffzellen ein Volumen von rund 400 Mio. USD. Während der Vorteil der neuen Technologie hinsichtlich ihres Umweltnutzens (Emissionen) unumstritten ist, bestehen teilweise erhebliche Bedenken hinsichtlicht diverser Eintrittsbarrieren: • Herstellkosten • Kundenakzeptanz • Switching Costs • Distributionsinfrastruktur Tabelle 8 beinhaltet eine Sammlung von allgemeinen Markteinschätzungen für die Brenn-stoffzelle gesamthaft und aufgetrennt nach den verschiedenen Brennstoffzellentypen. Ten-denziell werden momentan die Zahlen eher nach unten korrigiert, da der Zeitpunkt des Markteintrittes und der Beginn von Serienproduktion für die Massenmarkte früher erwartet wurde. Die immensen Summen, die bereits in die Brennstoffzellentechnologie investiert wurden und immer noch investiert werden, erhöhen jedoch den Druck einer baldigen Kommerzialisierung.

Der Markt

26


Markt für Brennstoffzellen: - 355 Millionen USD im Jahr 1998 - Jährliche Wachstumsrate von 29,5% - 1,3 Milliarden USD im Jahr 2003 - 2,4 Milliarden USD im Jahr 2005 Markt für PAFC (am stärksten wachsend): - Durchschnittliche, jährliche Wachstumsrate von 43.6% zwischen 1998 bis

2003. - 250 Millionen USD im Jahr 2003 - 41 Millionen USD im Jahr 1998 Markt für PEMFC (grösster Markt) - 80 Millionen im Jahr 1998 - 450 Millionen im Jahr 2003 - Durchschnittliche, jährliche Wachstumsrate von 41,3% (1998 bis 2003)

Business Communications Company Fuel Cell Industry Review (September 1999)

Markt für MCFC: - 350 Millionen USD im Jahr 2003 - Durchschnittliche, jährliche Wachstumsrate von 28.5% (1998 bis 2003)

Business Research Group Freedonia

Brennstoffzellenmarkt in den USA von rd. 2,4 Mrd. USD (2004) und 7 Mrd. USD (2009)

Bloomberg Bloomberg rechnet mit einem Marktpotential für mobile und portable Anwendungen von 1000 Mrd. USD.

Freedonia Group, Inc.

- Amerikanischer Markt für Brennstoffzellen 2004: 2,4 Milliarden USD - Amerikanischer Markt für Brennstoffzellen 2009: 7 Milliarden USD

UBS Warburg An Introduction to Fuel Cells (November 2000)

Wahrscheinlicher Umsatz mit Brennstoffzellensysteme im Jahr 2010: 50 bis 100 Milliarden USD

Tabelle 8: Markteinschätzungen für die Brennstoffzelle

Auf der nachfolgenden Seite sind einige Diagramme über das erwartete Marktvolumen dargestellt. Marktangaben sind zum jetzigen Zeitpunkt eher spekulativ und genaue Angaben über die Herkunft der Daten fehlen oft. Eine Liste von aktuellen Marktanalysen für die Brennstoffzelle befindet sich im Anhang. Umfangreiche und gut fundierte Berichte werden von diversen Unternehmen zu relativ hohen Preisen angeboten. Öffentlich zugängliche Zahlen über den Markt von Brennstoffzellen werden in der Regel ohne die gemachten Annahmen publiziert und sind deshalb mit Vorsicht zu geniessen. Es wird erwartet, dass die erfolgreiche Markteinführung zuerst im stationären Bereich gelingen wird. Die erreichbaren Marktanteile für Brennstoffzellensysteme sind aber stark von den energie- und umweltpolitischen Rahmenbedingungen abhängig. Insbesondere gilt es, die Kosten senkenden Potentiale einer Fertigung grosser Stückzahlen auszu-schöpfen. Der Fahrzeugmarkt dürfte diese Skaleneffekte beschleunigen. Aufgrund der hohen Gerätekosten pro Watt Leistung dürften die gesetzten Kostenziele am ehesten bei den por-tablen Anwendungen erreicht werden (vgl. Abbildung 48). Die Hausver-sorgung erscheint ebenfalls vorteilhaft, wohingegen Anwendungen grosser Stückzahl mit Verbrennungsmotor äus-serst kostensensitiv sind.

Abbildung 48: Gerätekosten pro Watt Quelle: Manhattan Scientifics

Der Markt

27


Quelle: WGZ-Bank basierend auf Daten verschiedener Unternehmen

Quelle: Johnson Mattey

Abbildung 49: Erwartetes Marktvolumen für Brennstoffzellen

Abbildung 50: Marktvolumen aufgetrennt nach den drei Bereichen

Quelle: Manhattan Scientifics

Quelle: WGZ-Bank basierend auf Zahlen der Business Communication

Company, SGL Carbon

Abbildung 51: Marktpotential von verschiedenen Segmenten

Abbildung 52: Erwartete Entwicklung des weltweiten Brennstoffzellen-Marktes

Jahr Gebiet BZ-Typ Anwen-dungen

2000

(MW) ($M)

2005

(MW) ($M)

2010

(MW) ($M)

2015

(MW) ($M)

2020

(MW) ($M) N

ord

-A

mer

ika

(%)

Eu

rop

a (%

)

Asi

en

(%)

An

der

e R

egio

nen

(%

)

Nie

der

-te

mp

. (%

)

Ho

ch-

Tem

p (

%)

>30MW MW $M

… …

50 50

175 200

525 550

1300 1300

35 24 30 11 10 90

1-30MW MW $M

225 350

1110 1400

3450 3900

6700 7100

10200 9800

48 31 15 7 16 84

10kW-1MW

MW $M

150 275

275 500

525 800

950 1200

1550 1800

37 25 31 8 46 54

<10kW MW $M

10 50

50 150

175 450

450 1000

800 1700

33 26 38 3 69 31

Stationär MW $M

375 675

1450 2100

4350 5300

8650 9900

13800 14600

45 29 19 7 22 27

78 73

Bahn / Schiff

MW $M

… …

5 10

25 50

75 100

200 200

35 21 40 3 92 8

Comm Vhcls

MW $M

<5 …

50 30

475 250

3450 1300

14500 3800

54 17 24 4 83 17

PKWs MW $M

… …

25 20

625 300

7500 2800

41500 10200

46 18 35 1 85 15

Andere MW $M

… …

<5 …

15 10

175 75

875 350

42 23 32 3 91 9

Mobil MW $M

<5 5

75 50

1150 625

11200 4300

57000 14500

48 18 32 2 86 84

14 16

Total MW $M

375 675

1550 2100

5500 5900

19900 14000

71000 29000

47 21 28 3 68 48

32 52

Quelle: EscoVale Consultancy Services Report No. 5010

Tabelle 9: Markteinschätzungen aufgetrennt nach verschiedenen Gesichtspunkten

Der Markt

28


5.1 Mobiler Bereich Der mobile Bereich ist gekennzeichnet durch die aus heutiger Sicht erforderliche massive Kostensenkung und die Frage nach der Markteinführung. Für eine Marktakzeptanz müssen einige technische und ökonomische Barrieren überwunden und nutzer- sowie kapitalseitige Vorteile deutlicher als bislang sichtbar werden. Gegenwärtig liegen keine verlässliche Anga-ben über zu erwartende Kosten und Preise von Fahrzeugen mit Brennstoffzellen-Antrieben vor. Eine grobe Abschätzung zeigt, dass der Mehrpreis für Anschaffung und Betrieb um 40 bis 50 DM in der Mittelklasse (absolut zwischen 1500 und 2500 DM) bei erwarteten Benzin-preisen um 2,25 DM/l liegen dürfte. Nach Angaben von Fahrzeugherstellern soll der Preis für ein Brennstoffzellenfahrzeug „dem eines vergleichbaren Modells mit Dieselmotors und Auto-matik entsprechen“ [TAB 2001]. Das Kostenziel für ein Brennstoffzellensystem für Fahrzeug-Antriebe ist das ehrgeizigste unter allen Brennstoffzellen-Anwendungen und wird in verschieden Quellen mit weniger als 100 DM/kW angegeben [TAB 2001] / [Winkler 2000]. Diverse Markteinschätzungen sind in Tabelle 10 zusammengefasst und geben einen guten Überblick.

- Erwartete Anteil der PEM-Brennstoffzelle an der Gesamtheit mobil genutzter Zellen im Jahr 2010: 80%

- Anteil an PEM-Brennstoffzellen in allen Anwendungsbereichen wird auf 40% geschätzt.

Penetrationsrate von 4,6 bis 7,6% der Fahrzeuge in Betrieb (USA)

Allied Business Intelligence

4% Marktanteil mit 608000 Fahrzeuge im Jahr 2010. Die Marktdurchdringung dürfte auf 1,2 Millionen Fahrzeugen mit Brennstoffzellensysteme steigen, was 7,6% vom US amerikanischen Fahrzeugmarkt bedeutet

IFC 2 Millionen BZ-Fahrzeugen auf den Strassen im Jahr 2010 Freedonia Group, Inc. World Electric Vehicles

- Jährliche Wachstumsrate der Umsätze mit Elektromobilen: 60% - 1 Million Elektromobile im Jahr 2007 - 4 Millionen Elektromobile auf den Strassen im Jahr 2007 - 24,2 Milliarden Industrie bis im Jahr 2007 - Serienproduktion von Brennstoffzellen-Fahrzeugen nicht vor 2007 Mobile Anwendungen (2010): 15 bis 30 Milliarden USD UBS Warburg

An Introduction to Fuel Cells (11/2000)

Tabelle 10: Marktpotential im mobilen Bereich

Der Markt

29


5.2 Stationärer Bereich Tabelle 11 beinhaltet Abschätzungen zum Marktpotential von Brennstoffzellen im stationären Bereich. Zur Zeit bewegt sich das Umsatzvolumen auf gegen 700 Millionen USD weltweit.

UBS Warburg Stationäre Anwendungen weltweit (2010): 25 bis 50 Milliarden USD Bear Stearns Markt für stationäre, dezentrale Anwendungen (alle Technologien): gegen 200

Mrd. USD pro Jahr. Investmenthaus Lehman Brothers

Umsatzvolumen von 3,3 Mrd. USD (2005) im US-Markt für stationäre Anwendungen

Tabelle 11: Marktpotential im stationären Bereich

Eine Analyse der ökonomischen Aspekte von Brennstoffzellen-Systemen in der Hausener-gieversorgung zeigt u.a., dass sie von der Schwelle zur Wirtschaftlichkeit noch entfernt sind, dass diese aber im Vergleich zur mobilen Anwendung leichter erreichbar sein dürfte. Dies liegt u.a. daran, dass die spezifischen Investitionen im stationären Bereich bei konventio-nellen Anlagen im Vergleich zum mobilen deutlich höher sind. Die Investitionen für ein Brenn-stoffzellen-BHKW im Leistungsbereich von 1 bis 10kW liegen damit etwa bei 2000 bis 4000 DM/kW für das Brennstoffzellensystem. Für grössere z.B. siedlungszentral aufgestellte An-lagen sollten aufgrund von Skalierungseffekten tendenziell etwa 1500 bis 2000 DM/kW er-reichbar sein [TAB 2001]. Für den Einsatz in der industriellen Kraft-Wärme-Kopplung liegen die zulässigen Investi-tionen eines Hybrid-Systems (Hochtemperatur-Brennstoffzelle kombiniert mit Gasturbine) etwa 15 bis 20% über denen eines vergleichbaren Gasturbinen-Systems, in der zentralen Stromerzeugung um bis zu 30% gegenüber einem GuD-System. Die nachfolgende Darstellungen zeigen die Installationskosten für stationäre Brennstoff-zellensysteme im Vergleich zu Konkurrenztechnologien (zwei verschiedene Quellen).

Abbildung 53: Kosten für verschiedene Technologien im stationären Bereich (I)

Abbildung 54: Installationskosten für verschiedene Technologien (II)

Ein Hersteller aus den USA schätzt [Bünger 2000], dass in den USA ein Markt von etwa 4% aller Haushalte für den Einsatz kleiner PEM-Brennstoffzellensysteme ausschliesslich zur Stromproduktion besteht (geprägt durch niedrige Erdgas- aber hohe Strompreise).

Der Markt

30


Eine Studie3 von RKS Research & Consulting ergab, dass amerikanische Betriebe in allen Sektoren mehr und mehr daran interessiert sind, ihre Stromversorgung dezentral vor Ort sicherzustellen. Etwa zwei Drittel der befragten Unternehmen besitzen oder leasen bereits Notstromanlagen oder Backupsysteme. Etwa 39 bis 52% sind daran interessiert, in Anlagen zur dezentralen Stromversorgung zu investieren um ihren Bedarf an elektrischen Strom zu decken. Geht man von Kostenreduktionen in der Herstellung der Komponenten und im Systembau infolge Skaleneffekten sowie aus , so dürften die Stromgestehungskosten von PEM-Brenn-stoffzellensysteme im stationären Bereich in etwa das Kostenniveau von konventionellen Motoren-BHKW um das Jahr 2010 erreichen (vgl. Abbildung 55).

Abbildung 55: Stromgestehungskosten heutiger und zukünftiger PAFC-BHKW

5.3 Portabler Bereich Mini-Brennstoffzellen für den tragbaren Einsatz haben ein nicht zu vernachlässigendes Marktvolumen. Der Markt für tragbare elektronische Kleingeräte ist im Vergleich zur statio-nären Energieversorgung und der im Fahrzeug allerdings anders strukturiert. Kleingeräte weisen oft relativ kurze Lebenszyklen auf (z.B. 2 bis 3 Jahre für tragbare Computer), so dass eine Markteinführung neuer Energieversorgungssysteme relativ schnell möglich ist. Bei ent-sprechender Kundenpräferenz, z.B. für eine längere Laufzeit des Kleingerätes, dürfte auch die Bereitschaft zunehmen, eine vergleichsweise teurere, jedoch qualitativ hochwertige Ener-gieversorgung mit hoher Kapazität zu erwerben. Der weltweite Markt4 für tragbare Kleinsysteme mit integrierter Energieversorgung wird als wachsend eingeschätzt (1996: 1580 Mio.; 2001: 4140 Mio.; 2006: 6525 Mio.). Dabei spielen auch neu entwickelte Geräte wie Organizer, Handheld-PC für tragbaren Datentransfer und Zugang zum Internet eine wesentliche Rolle. Herkömmliche Akkus können bei normalen Wechselrhythmus problemlos durch Brennstoff-zellen-Systemen ersetzt werden. Dem Vorteil einer schnellen Marktpräsenz steht der Nach-teil gegenüber, dass bei der Vielzahl bestehender Systemvarianten keine optimale (räum-liche) Unterbringung in das Kleingerät erfolgen kann.

3 Distributed Generation Business Customer Survey (10/1999) 4 TA-Projekt „Brennstoffzellen-Technologie, Seite 140

Der Markt

31


Das Kostenniveau von Lithium-Ionen-Akkumulatoren erscheint mittelfristig erreichbar zu sein. Eine grobe Analyse möglicher Produktionskosten ergab [TAB 2001], dass für die PEM-Brennstoffzelle (Membran/Elektroden-Einheit, Hydridmaterial, Speicherbehälter, Zellrahmen, Mikrokomponenten) mit einer Leistung von 30W in etwa 50 DM erwartet werden können. Die Tabelle 12 enthält einige Angaben bezüglich portable Anwendungen von Brennstoff-zellen sowie dem Markt für Batterien.

Business Communications Company Battery and EV Industry Review (Mai 1999)

1998 wurden im Batterie und Batterie-verwandten Märkten in den USA 7,3 Mrd. USD umgesetzt. Im Jahr 2003 wird mit 10,8 Milliarden gerechnet, was einer jährlichen Wachstumsrate von 8% entspricht. Für die Brennstoffzelle in diesem Segment wird von einer Wachstumsrate von jährlich 29,9% ausgegangen. Das Jahr 1998 wird mit 355 Millionen USD angegeben, für das Jahr 2003 wird mit 1313 Millionen USD gerechnet.

UBS Warburg An Introduction to Fuel Cells (11/2000)

Portable Anwendungen (2010): 10 bis 20 Milliarden USD

SAM Research Sustainable Energy Investments (3/2001)

- Marktvolumen von Batterien in USD heute: 15 Mrd. - Jährliche Wachstumsrate: 8 bis 12%

EE Times Ethanol cells take aim at portables’ power (13/7/2001)

- Markteinführung von Minibrennstoffzellen Anfang 2003 - Substitution von Laptop- und Handybatterien im Jahr 2004/2005 - Zukünftige Herstellkosten für Minibrennstoffzelle um 9 USD - Geplanter Verkaufspreis für Gerätehersteller: 15 USD

Tabelle 12: Markpotential im portablen Bereich

Portable Stromerzeuger Der Einsatz von portablen BZ-Stromerzeuger wird wesentlich durch Kostengesichtspunkten mitbestimmt werden. Die derzeitigen sowie die Zielkosten sind in Tabelle 13 wiedergegeben. Hervorzuheben ist die Notwendigkeit erheblicher Kostensenkungen in dem erforderlichen Umfang. Es bestehen aber gute Aussichten, da im mobilen Bereich Kostenziele von 100 DM/kW für BZ-Antriebssysteme bestehen. Deswegen sollte die Entwicklung von portablen Brennstoffzellen bereits jetzt forciert und zunächst in bereits heute kosteneffektiven Be-reichen durchgeführt werden [FVS 2000]. ca.-Preis

1. Generation (DM)

ca.-Preis (heute) (DM)

Zielpreis (DM)

EME-Einheit 250 150 < 10 Membrankosten, Elektrodenherstellung davon Membran 24 20 < 2 Massenproduktion, neue Materialien Bipolarplatten 250 20 < 5 Wegfall spanabhebender Bearbeitung Preis pro kW (400 mA/cm2, 0,6V)

25000 10000 750 Quelle: Forschungsverbund Sonnenenergie

Tabelle 13: Bisherige und erwartete Kostenentwicklung bei PEMFC-Stacks

Ausgehend von einem kompletten Brennstoffzellen-Systems, das neben der eigentlichen Zelle aus einem Reformer, einem Energieumwandler sowie Controllern, Pumpen, Kompres-soren, Ventilatoren u.a. besteht, macht der Stack rd. 30-40% der Kosten aus. Die eigentliche Brennstoffzelle besteht aus fünf Komponenten. Hierzu gehören Dichtungen, Gasdiffusions-schichten und Bipolarplatten. Diese drei Komponenten stellen rd. 40-45% der Gesamtkosten einer Brennstoffzelle dar. Etwa 25% entfallen auf Katalysator und 30% auf die Membran.

Der Markt

32


5.4 Markt für das PowerPac Das PowerPac ist nicht in den entsprechenden Massenmärkten der mobilen, stationären und portablen Bereichen positioniert, sondern deckt typische Nischenbereiche ab. Die Marktkapazität kann aber dennoch als relativ hoch eingeschätzt werden, da prinzipiell jedermann als potentieller Kunde in Frage kommt. Allerdings ist es, aufgrund der hohen Kosten im Vergleich zu den konventionellen Technologien und Produkten und der fehlenden Infrastruktur, sehr unwahrscheinlich, dass mittelfristig hohe Stückzahlen abgesetzt werden können. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Grössenordnung von verschiedenen Marktsegmenten: Quelle Aussage

Marktvolumen pro Jahr für Kleinstromerzeuger bis 10kW in der Schweiz: 7’000 Einheiten (davon 1000 bis 2000 im Leistungsbereich des PowerPacs) Marktvolumen pro Jahr für Rasenmäher in der Schweiz: rund 40’000 Einheiten

MENAG Group

Jährlicher Bedarf an Geräte mit Kleinverbrennungsmotor: rund 200’000 Stück (Schätzung)

DiverseyLever Weltmarkt für batteriebetriebene Reinigungsgeräte: 25'000 Stück (DiverseyLever: 7300 Einheiten pro Jahr)

Cree AG Leichtbaufahrzeuge: 5000 Gruppe Rüstung (Schweizer Armee)

- Schweizer Armee: 20'000 Stromerzeuger (rund 10'000 im Leistungsbereich von 0,5 bis 2kW)

- Zivilschutz: rund 5'000 Stromerzeuger Aussenbordmotoren mit Fremdzündung, für Wasserfahrzeuge: - Import: 2347 - Export: 434 Hub- und Kreiselkolbenmotoren, mit Fremdz. im Stückgewicht =< 100kg: - Import: 24997 - Export: 164 Kolbenverbrennungsmotoren mit Selbstzündung (Diesel- od. Halbdieselmotoren) im Stückgewicht =< 100kg: - Import: 1034 - Export: 39 Elektrokraftkarren, mit Hebevorrichtung ausgerüstet: - Import: 3298 - Export: 592 Stromerzeugungsaggregate, angetrieben durch Kolbenverbrennungsmotor mit Selbstzündung: - Import: 849 - Export: 471

Schweizerische Aussenhandelsstatistik [Zoll 1998] Achtung: Gibt nur Ein- und Ausfuhr von Produkten an; die Produktion für die Schweiz ist nicht angegeben!

Stromerzeugungsaggregate mit anderem Antrieb als durch Kolbenverbrennungsmotoren oder Windkraft: - Import: 516 - Export: 1268

Tabelle 14: Marktgrössenordnung für das PowerPac

Die anvisierte Stückzahl für das PowerPac von 10'000 Einheiten lässt sich nicht aus-schliesslich in einzelnen Segmenten realisieren. Besonders im Segment für portable Strom-erzeuger, welches durch Benzin- und Dieselgeneratoren abgedeckt ist, ist in der Schweiz ein eher geringes Marktvolumen vorhanden. Das Segment der Leichtbaufahrzeuge weist eben-falls nicht das erforderliche Volumen auf. Hier könnte aber bei aufkommender Infrastruktur ein grösseres Wachstum erzielt werden. Es stellt sich mittelfristig die Frage nach der

Der Markt

33


Erschliessung von zusätzlichen geographische Märkten. Aufgrund der Infrastrukturfrage und der Sicherstellung von Wartung und Service bestehen aber eher grössere Eintrittbarrieren. In Tabelle 15 sind verschiedene potentielle Kunden und die entsprechenden Anwendungs-bereiche aufgelistet. Attraktiv erscheinen momentan eher Anwendungen im professionellen Bereich, da die höheren Anschaffungskosten durch eine intensive Nutzung gerechtfertig werden können. Potentielle

Kunden Anwendungsbereich Anforderung

Preis Anforderung Distribution Markt-

potential Markt-attraktivität

Normalver-braucher

Freizeitbereich (Camping, Garten, Wochenendhäuschen, usw.)

hoch (max. 900 CHF pro kW)

hoch Holprinzip (in Baumärkten, Hobbycenter, Tankstellen)

hoch mittel

Landschafts-gärtner

Stromversorgung für Geräte im Garten wie Rasenmäher

mittel (max. 1750 CHF pro kW)

Mittel Holprinzip / Lieferprinzip

mittel (750 Betriebe in CH)

mittel

Handwerker Stromversorgung im Fahrzeug und am Arbeitsplatz

mittel (max. 1750 CHF pro kW


mittel mittel

Reinigungs-institute

Stromversorgung für mobile Geräte in Gebäuden (innen und aussen)



mittel mittel

Ausrüstungs-vermieter

Freizeit, Anlässe, Gewerbe


Lieferprinzip (Wasserstoff wird mit Gerät geliefert

niedrig hoch

Stro

mer

zeug

er

Militär / Zivilschutz

Systemversorgung, Notstrom

gering zentrale Anlieferung, Verteilung durch armeeeigenes Distributionsnetz

Hoch (ca. 15‘000 Stück)

hoch

Elektrofahrräder hoch hoch (min. über Tankstellen, Fachgeschäfte)

hoch mittel Normalver-braucher

Twike mittel hoch (Tankstellen) mittel hoch Reinigungsfahrzeuge mittel (ca. 1750

CHF pro kW mittel (bestehendes Distributionsnetzwerk benutzbar

gering (25000 weltweit)

hoch

Spez

ialfa

hrze

uge

Gewerbe

Rasenmäher (fahrbar) mittel (ca. 1750 CHF pro kW

mittel (Fachgeschäfte, Hauslieferung

gering mittel

Tabelle 15: Gegenüberstellung der Marktsegmente für das PowerPac

Die Mitbewerber

34


6 Die Mitbewerber Gegenwärtig existieren rund 750 Unternehmen, die auf dem Gebiet der Brennstoffzelle tätig sind. Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht über Unternehmen, die an der Entwicklung von Brennstoffzellenanwendungen arbeiten respektive bereits erste Prototypen und Produkte herausgebracht haben.

Pro

du

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Sta

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end

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gen

Po

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nw

end

un

gen

Acumentrics Corp., USA http://www.acumentrics.com/

SOFC - - x x Backup-Systeme geplant im Bereich von 1,25 bis 100kW (Ende 2001)

Anuvu, Corp., USA http://www.anuvu.com/

PEM - x x x Konstruktion und Design von Brennstoffzellensystemen in allen Bereichen. Entwicklung von nichtmetallischen Carbon-X PEM Brennstoffzellsystemen

Astris Energi Inc., Kanada http://www.astrisfuelcell.com/

AFC / PEMFC

x x - x Unterhalb 10kW, höhere Leistungen geplant. Einzelne Platten und Stacks werden zum Kauf angeboten.

Avista Labs (Avista Corp.), USA http://www.avistalabs.com/

PEM - x - x Mehrheitsbeteiligung an H2Fuel Erste Produkte für 2001 geplant (Generatoren für Industrie und im Heimbereich, Backup-Systeme).

Ballard Power Systems, Kanada http://www.ballard.com/

PEM / DMFC

x x x x Marktleader, Prototypen und Produkte in allen Leistungssegmenten. Kapitalisierung: US$8,874m

BCS Technology, Inc., USA http://www2.txcyber.com/~bcstech/

PEM x - - - Entwicklung und Verkauf von Stacks (300 bis 500W und 10 bis 150W)

Ceramic Fuel Cells, Ltd., Australien http://www.cfcl.com.au/

SOFC - x - x Erster Prototyp im Bereich 40kW geplant für 2003.

Dais-Analytic, USA http://www.dais.net/

PEM x - - - Entwicklung von Verkauf von Stacks von 1W bis 2kW sowie Membranen

DE NORA s.p.a., Italien http://www.denora.it/

PEM x - - - Entwicklung und Verkauf von Stacks (3kW und 50kW realisiert)

DHC Technology, Inc., USA http://www.dcht.com/

PEM - - - - Entwicklung von Brennstoffzellen im Bereich von 12W-3KW. Marktkapitalisierung: US$125m

Electric Auto Corporation, FL, USA http://www.electricauto.com/

AFC - x - - Elektromobile

ElectroChem, Inc., MA, USA http://www.fuelcell.com/

PEM / PAFC

x - - - Entwicklung und Verkauf von Brennstoffzellen, B.-Komponenten und Test-Systeme.

Energy Partners, L.C., USA http://www.energypartners.org/

PEM - - x - 3kW Hausversorgungssystem in Entwicklung

Energy Ventures Inc., Canada http://energyvi.com/

DMFC - - - - Entwicklung und Beratung spezialisiert auf DMFC.

Etaing GmbH, Deutschland http://www.etaing.com/

AFC - x - x PowerCub

Fuel Cell Power Systems AG, Deutschland http://www.fuel-power.com

- - - - x Entwicklung, Produktion und Vertrieb der Röhrenbrennstoffzelle.

FuelCell Energy, Inc., USA http://www.fuelcellenergy.com/

MCFC x - x - Generatoren für den stationären Bereich. Marktkapitaisierung: US$1,1 250kW-3MW

Global Thermoelectric Inc., Canada http://www.globalte.com/

SOFC - ? x ? Entwicklung von Generatoren im Bereich von 1 bis 25kW. Marktkapitalisierung: C$751m

H Power, New Jersey, USA http://www.hpower.com/

PEM x x x x Verschiedenste Produkte von 50W bis 25kW Marktkapitalisierung: US$935

Hydrogen Systems, Belgien http://www.hydrogensystems.com/

x - x - 100 bis 200kW

Die Mitbewerber

35


Hydrogenics Corp, Canada http://www.hydrogenics.com/

PEM / REGEN

x - x x Stromgeneratoren im Bereich von1 bis 5kW

Hydrovolt Energy Systems, USA http://www.hydrovolt.com/

SOFC - x x - Entwicklung eines 3.5 bis 5kW Generator (2002)

IdaTech, Oregon, USA http://www.idatech.com/

PEM - - x - Entwicklung eines 3kW Generators für die Hausversorgung (2003).

International Fuel Cells, USA http://www.internationalfuelcells.com/

PEM / PAFC / AFC / PHOS

x x - x Kommerzielle Anwendungen im stationären und mobilen Bereich (5kW bis 1MW)

Manhattan Scientifics Inc., USA http://www.mhtx.com/

PEM / DMFC

x x - x Leistungsaggregat für Fahrrad. Mikro Brennstoffzellen als Substitution von Batterien und Akkus. Marktkapitalisierung: US$288

Materials and Electrochemical Research Corporation, USA http://www.mercorp.com/mercorp/

PEM x - - - Entwicklung und Verkauf von Brennstoffzellen und Stacks.

Medis Technologies, ISRAEL http://www.medisel.com/

DLM x - - x Brennstoffzellen für den kleinen Leistungsbereich (Substitut von Batterien und Akkus) Marktkapitalisierung: US$342m

Metallic Power, CA, USA http://www.metallicpower.com/technology.htm

Zinc/Air - x x - Leistungsbereich grösser 1kW

Mitsubishi (Motors / Electric), Japan http://www.mitsubishi-motors.co.jp http://www.mitsubishielectric.com/

PEM / PAFC

- x ? -

Nuvera Fuel Cells, USA http://www.nuvera.com/

PEM x - x - 1kW und 5kW Hausversorgung

Plug Power, LLC, New York, USA http://www.plugpower.com/

PEM x - x - Hausversorgungssystem mit 7kW kurz vor Einführung

Procyon Power Systems, Inc., USA http://www.procyonpower.com/

PEM / AFC

? x x - -

Proton Energy Systems, USA http://www.protonenergy.com/

PEM / Regenerative

x - x - Electrolyzers and Regenerative Fuel Cell Systems

Proton Motor GmbH, GERMANY http://www.proton-motor.de/

PEM x x x - 1-6kW Brennstoffzellenaggregate

Siemens Westinghouse, Deutschland http://www.pg.siemens.com/

SOFC x - x - Stationäre Anwendungen im oberen Leistungsbereich.

Sulzer Hexis Ltd, Schweiz http://www.hexis.ch

SOFC - - x - Brennstoffzellensysteme für die dezentrale Energieversorgung.

Third Orbit Power Systems, USA http://www.thirdorbitpower.com/

PEM / SOFC

- x ? - Produkteentwicklung und „contract research“

Toshiba International Fuel Cell Corp., Japan http://www.toshiba.co.jp/product/fc/fce/index.htm

PEM / PEFC

x x x - 0.5 bis 250kW Systeme

XCELLSiS, Deutschland http://www.xcellsis.com/

PEM x fuel cell engines for vehicles - partnership between DaimlerChrysler, Ballard, and Ford

ZeTek Power Plc, London, England http://www.zetekpower.com/

AFC x - - - Brennstoffzellen-Stacks für verschiedenste Anwendungen (410W bis 2,8kW)

Warsitz Enterprises, CA, USA http://www.warsitz.com/

PEM x x x ? Scooter und Fahrrad mit Brennstoffzelllen sowie portable Generatoren.

Hersteller und Vertreiber von Stromerzeugern und Notstromanlagen in der Schweiz sind im Anhang angegeben.

Erfolgsfaktoren

36


7 Erfolgsfaktoren Brennstoffzelle allgemein Die Umweltbelastungen durch Energienutzung sowie der steigende Weltenergiebedarf machen eine effiziente und schadstoffarme Nutzung von Energie notwendig. Vor diesem Hintergrund hat die Brennstoffzellentechnologie die Chance, einen Beitrag zur Energie-versorgung der Zukunft zu leisten. Ein wirtschaftlicher Einsatz wird möglich sein, wenn es ge-lingt, mit der Steigerung der Leistungsdichte auch kostengünstige Herstellungsverfahren für die Zellkomponenten, Brennstoffe und Elektrodenmaterialien zu entwickeln. Die Entwicklung von Brennstoffzellen-Systemen lässt Innovationssprünge erwarten – sowohl für die Brenn-stoffzellen selbst im Bereich der Materialtechnik und der Herstellungsverfahren als auch für die unterschiedlichen Peripherie-Einheiten. Entscheidend für die weitere Diffusion der Brenn-stoffzellen-Technologie werden die energie-, umwelt- und verkehrswirtschaftlichen Rahmen-bedingungen sein. Treibende Kraft ist dabei eine Neuausrichtung des Verkehrssystems sowie der Energiewirtschaft. PowerPac Es dürfte in absehbarer Zukunft äusserst schwierig sein, die Herstellungskosten auf ein ökonomisch konkurrenzfähiges Niveau zu bringen. Es ist deshalb notwendig, gezielt diejenigen Kunden und Kundensegmente zu identifizieren (vgl. Kapitel 5.4), die von den Eigenschaften des PowerPacs überdurchschnittlich profitieren. Folgende Erfolgsfaktoren können für das PowerPac formuliert werden: • Multifunktionalität anbieten:

- Reinigungsfahrzeug mit abnehmbarem Aggregat für Verwendung als Stromerzeuger

- Rasenmäher mit abnehmbarem Aggregat für Verwendung als Stromerzeuger - Boot mit abnehmbarem Aggregat für Verwendung im Freizeitbereich - E-Velo / Twike mit abnehmbarem Aggregat für Verwendung im Garten - Anschluss über „normales Stromkabel“, Aufsteckvorrichtung

• Distributionssynergien nutzen:

- Wasserstoffdistribution zusammen mit Reinigungsmittel bei einem Reinigungsfahrzeug

- Distribution über Tankstellen (Absatzmenge noch zu gering) - Eigenproduktion von Wasserstoff über Solar- und Windenergie - nachfüllbare Druckflaschen verwenden - Vermietung von Aggregaten über spezialisierte Betriebe (gewünschte Menge

Wasserstoff wird mitgeliefert) • Betriebsdauer erhöhen:

- Auslastung und Reichweite von teuren Spezialfahrzeugen und Geräten erhöhen (kurze Nachtankzeit, kein Aufladen notwendig)

- Anschlussmöglichkeit von zahlreichen Geräten • Kombination mit anderen Brennstoffzellensystem:

- stationäre Hausenergieerzeugung - mobile Anwendungen

Literatur- und Quellenverzeichnis

37


Literatur- und Quellenverzeichnis Fachliteratur [Büchi 1999] Büchi, F. (1999). Portable Fuel Cells. European Fuel Cell Forum [Koppel 1999] Koppel, T. (1999). Powering the Future – The Ballard Fuel Cell and the

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Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft [Kotler 1992] Kotler, P., Bliemel, F. (1992). Marketing-Management – Analyse,

Planung, Umsetzung und Steuerung. Stuttgart: Poeschel Verlag [Ledjeff 2001] Ledjeff-Hey, K., Mahlendorf, F. (2001). Brennstoffzellen – Entwicklung,

Technologie, Anwendung. Heidelberg, C.F. Müller Verlag [Seiler 1997] Seiler, A. (1997). Marketing – Erfolgreiche Umsetzung in die Praxis.

Zürich: Orell Füssli [Tschirky 1998] Tschirky, H., Koruna, S. (1998). Technologie-Management: Idee und

Praxis. Zürich: Industrielle Organisationen Berichte und Studien [Bünger 2000] Bünger, U. (7/2000). Einsatzbedingungen und Marktchancen von

Brennstoffzellen als Klein-BHKW. Friedrichshafen [CGR 1999] U.S. Coast Guard Research and Development Center (1999). Marine

Fuel Cell Market Analysis [Dunand 2001] Dunand, F. (2001). Die Entwicklung des Umfeldes der Brennstoffzelle [EC 2000] EnergyCenter (2000). Fuel Cells for Distributed Generation – A

Technology and Marketing Summary [EcoVale] EcoVale Consultancy Services. Fuel Cell Report [Fischer 1997] Fischer, M., Nitsch, J., Schnurnberger, W. (1997). Technischer stand und

wirtschaftliches Potential der Brennstoffzellen-Technologie im internationalen Vergleich

[FVS 2000] Forschungsverbund Sonnenenergie (2000). Zukunftstechnologie Brennstoffzelle. Berlin

[Georgia 1998] Georgia Tech Technology Policy & Assessment Center (1998). Innovation Forecast of Fuel Cells

[Green 2000] Department of Energy / Los Alamos National Laboratory (2000). Fuel Cells – Green Power.

[Kelly 2000] Kelly, K., Eudy, L. (2000). Field Operations Program – Overview of Advanced Technology Transportation. National Renewable Energy Laboratory

[Pehnt 2000] Pehnt, M., Nitsch, J. (2000). Einsatzfelder und Marktchancen von Brennstoffzellen in der industriellen und öffentlichen Kraft-Wärme-Kopplung. Stuttgart, Deutsches Zentrum für Lift- und Raumfahrt

[SAM 2001] SAM Sustainable Asset Management (3/2001). Klimawandel im Energiesektor – eine neue Welle von nachhaltigen Investitionschancen entsteht.

[Simader 1999] Simader, G., Heissenberger, T. (1999). Brennstoffzellen-Systeme – Energietechnik der Zukunft?

[TAB 2001] Ausschuss für Bildung, Forschung und Technologieabschätzung (1/2001). TA-Projekt „Brennstoffzellen-Technologie“

[UBS 2000] Doran, P., Dean, J. (2000). An Introduction to Fuel Cell. UBS Warburg, Global Equity Research

Literatur- und Quellenverzeichnis

38


[WGZ 2001] WGZ-Bank (2/2001). SGL Carbon Group, MDAX Special, Outperformer [Winkler 2000] Winkler, W. (2000). Brennstoffzelleninnovation und konkurrierende

Technologien. IRR Konferenz (Brennstoffzellen in der Energiewirtschaft) [Wurster 1997] Wurster, R. (1997). Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellensysteme für

dezentralen stationären und für mobilen Einsatz [Wurster 1999] Wurster, R. (1999). PEM Fuel Cells in Stationary and Mobile Applications

– Pathways to Commercialization. L-B-Systemtechnik GmbH [Zoll 1998] Eidgenössische. Oberzolldirektion (1998). Schweizerische

Aussenhandelsstatistik – Jahresstatistik. Bern, Eidg. Oberzolldirektion, Sektion Statistik

Verbände und Organisationen • Deutscher Wasserstoff Verband: http://www.dwv-info.de/ • Bewag Innovationspark Brennstoffzelle: http://www.innovation-brennstoffzelle.de/ • Breakthrough Technologies Institute: http://www.fuelcells.org • European Fuel Cell Group: http://www.fuelcell-eur.nl/ • European Fuel Cell Forum: http://www.efcf.com/home_fr.htm • The Hydrogen & Feul Cell Investor: www.h2fc.com

Anhang

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Anhang Marktanalysen Herausgeber Name des Berichtes Datum

Power Generation Opportunities in a Restructured Environment

4/1999

Gas Companies Beginning to See Gold in Fuel Cells 2000 U.S. and Global Stationary Fuel Cell Markets – The Next Decade Defined

3Q/1999

Distributed Generation: The Evolving Markets for Energy Production Technologies

1/1999

Automotive Fuel Cell Markets: The Future is Here 5/2000

Allied Business Intelligence http://www.alliedworld.com/

Portable Fuel Cell Markets 2000 Arthur D. Little, Inc. Fuel Cell Technology / Market Issues 6/1999

Fuel Cells 1998: On the Verge 8/1998 Fuel Cell Industry Review 9/1999

Business Communications Company, Inc. http://www.buscom.com/

Battery and EV Industry Review 5/1999

World Methanol Cost Study 8/1999 Chemical Market Associates, Inc. 1999 World Methanol Analysis 8/1999 Energy Center of Wisconsin

Fuel Cells for Distributed Generation – A Technology and Marketing Summary

3/2000

World Electric Vehicles 2/1999 Freedonia Group, Inc. http://www.freedoniagroup.com/ Electric Vehicles 10/1998 Georgia Tech Technology Policy & Assessment Center

Innovation Forecast of Fuel Cells http://tpac.gcatt.gatech.edu/toa/fuelcell/

4/1998

Global Outlook for Fuel Cells in Automotive Applications 1999 to 2009

10/1999 Kline & Company

Opportunities in Advanced Fuel Cell Technologies: Stationary Power Generation, 1998-2008

6/1998

Residential Customer Survey of Distributed Generation 9/1999 RKS Research & Cons. http://www.rksresearch.com/ Distributed Generation Business Customer Survey 10/1999 John Wiley & Sons http://www.wiley.com/

Fuel Cells: New Materials and Concepts Open Major Markets http://www.wiley.com/legacy/technical_insights/reporttocs/fuelcells.html

10/1998

UBS Warburg, Global Equity Research

An Introduction to Fuel Cells 11/2000

Anhang

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Hersteller und Vertrieb von Notstromaggregate in der Schweiz Hersteller Kobel, Hans 3416 Affoltern im

Emmental -

Senn AG 4665 Oftringen http://www.sennag.ch/ Truck AG 4015 Basel http://www.thuba.ch/ Vögeli AG, Gebr. 3800 Interlaken - ZW Hydraulic AG

4444 Rümlingen http://www.zwh.ch/

Graber + Kopp AG 4912 Aarwangen Eichmann Tableaux AG

6044 Udligenswil -

Dudli + Dudli GmbH 8003 Zürich - Disag 7320 Sargans - DIMAG Energie AG 4435 Niederdorf http://www.menag-group.com/ Clark Masts Teksam AG

8105 Regensdorf http://www.denvertech.co.za/

Bimex Technik AG 3608 Thun http://www.bimex.ch/ ALMAT AG 8317 Tagelswangen http://www.almat.ch/i AKSA Würenlos AG 5436 Würenlos http://www.aksa.ch/ ABB (Schweiz) AG 5401 Baden http://www.abb.ch/ ABB CMC Systeme AG 5600 Lenzburg - Vertrieb HJM 3270 Aarberg - Hofer S.A. 1604 Puidoux - Honda (Suisse) S.A. 1214 Vernier-Genève http://www.hondapowerproducts.ch/ INV (Schweiz) AG 2562 Port - Kaiser + Kraft AG 6330 Cham http://www.kaiserkraft.ch/ Lienhard Elektrotechnik AG

8964 Rudolfstetten -

Meier AG, Gebrüder 8105 Regensdorf http://www.gebrueder-meier.ch/ Ofatec SA 1095 Lutry http://www.ofatec.ch/ Panelectra AG 8910 Affoltern am Albis http://www.panel.ch/ Prey AG 8048 Zürich - Siemens Schweiz AG 8047 Zürich http://www.siemens.ch/ Würgler Technik AG 8910 Affoltern am Albis http://www.menag-group.com/ Heusser & Bachmann 8003 Zürich http://www.hbz.ch/ Ferrier + Güdel AG 6002 Luzern http://www.fgluzern.ch/ EMALUX SA 1700 Fribourg http://www.emalux.ch/ ELECTRO-INDUSTRIEL SA

1920 Martigny -

Eichenberger Elektro AG

8340 Hinwil -

DEAG Dillier Energie AG

6061 Sarnen http://www.deag.ch/

Bavicom AG 3076 Worb http://www.bavicom.ch/ Balzaretti & Frey AG 6403 Küssnacht am Rigi - Artho AG 8606 Nänikon - Angst + Pfister AG 8052 Zürich http://www.angst-pfister.com AGESSA SA 1030 Bussigny http://www.agessa.ch/ Aebi AG, Robert 8105 Regensdorf http://www.robert-aebi.com/

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Marktanalyse der Brennstoffzellen- Technologie und des ... · tralen Strom- und Wärmeversorgung von Gebäude, Einrichtungen und Systemen. Der Leistungsbereich geht in der Regel von