Krieger, Gerd-DieterFühren, DanielDanielFührenGraw, MyronMyronGrawKröll, LéonardLéonardKröllIlsemann, JanJanIlsemannRobinius, MartinMartinRobiniusWienert, PatrickPatrickWienertAretz, MartinMartinAretzJanssen, HenningHenningJanssenKersting, MarlinMarlinKerstingMüller, ClemensClemensMüller2023-09-192024-04-172023-09-192022https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/425530Brennstoffzellen können einen entscheidenden Beitrag zur Dekarbonisierung der weltweiten Energiewirtschaft leisten. Neben anderen Bauarten sind die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) aktuell die marktgängigsten Varianten. Trotz der schon langen Entwicklung bis hin zu serienreifen Systemen sind die Kosten am Markt weiterhin hoch. Eine hohe Marktdurchdringung und deutliche Kostensenkungen haben über die letzten Jahre nicht stattgefunden. Im Rahmen der Studie soll die Frage beantwortet werden, welche Ursachen für die hohen Marktpreise von Brennstoffzellensystemen vorliegen. Die Studie analysiert die Wertschöpfungskette von Brennstoffzellensystemen und leitet darauf aufbauend die Kostenstrukturen ab. Hierbei wird ergründet, ob die gestellten Prognosen zu Kostenentwicklungen mit dem Status quo übereinstimmen. Gleichzeitig werden Potenziale zur Kostenreduktion und damit zur Steigerung der Marktfähigkeit der Technologie identifiziert. Um diese Fragestellungen zu beantworten, werden in der vorliegenden Studie sowohl Marktaspekte als auch grundlegende Technologien betrachtet. Im Anschluss an eine allgemeine Marktübersicht werden die Hauptkomponenten der jeweiligen Brennstoffzellensysteme analysiert und hinsichtlich ihrer Kosten, Lebensdauer und Komplexität bewertet. Durch den Vergleich der Bewertung aller Bauteile werden die Komponenten mit dem größten Kostensenkungspotenzial identifiziert. Im Anschluss werden die anvisierten Soll-Kosten der identifizierten Bauteile basierend auf vier Studien ermittelt und mit realen Ist-Kosten kontextualisiert. Die Ist-Kosten werden durch Gespräche mit Industrievertretern ermittelt. Der Fokus liegt hierbei auf den relevantesten Komponenten der Stacks einer PEMFC und einer SOFC sowie den Peripheriekomponenten des PEMFC-Stacks. Abschließend wird analysiert, wie stark die Soll- und die Ist-Kosten voneinander abweichen, worin Gründe für mögliche Diskrepanzen liegen und wie diese zukünftig adressiert werden könnten. Die PEMFC wird vornehmlich in mobilen Anwendungen eingesetzt. Die größten Kostentreiber im PEMFC-Stack basierend auf den untersuchten Studien sind in absteigender Reihenfolge die Membran-Elektroden-Einheit, die Bipolarplatte und die Gasverteilschicht. Kostensenkungen bezüglich des Stacks und der Einzelkomponenten um bis zu 75 % können bei einer Steigerung der Stückzahl von der Einzel- und Kleinstserienfertigung auf über 20.000 Stacks erreicht werden. Eine weitere Steigerung der Stückzahlen bietet zusätzliche Kostensenkungspotenziale. Die mit Abstand teuerste Komponente ist die Membran-Elektroden-Einheit. Ihr Kostenanteil liegt zwischen 40 und 75 % der gesamten Kosten eines Stacks. Es gibt Kostenunterschiede zwischen Systemen für Pkws, Lkws und die stationäre Energieversorgung. Die Hauptkostentreiber der Peripheriesysteme sind der Luftkreislauf und das Kühlsystem. Auch hierbei werden die größten Kostenreduktionen bei einer Steigerung der Stückzahl von der Einzel- und Kleinstserienfertigung auf über 20.000 Systeme prognostiziert. Diese prognostizierten Soll-Kosten entsprechen den Ist-Kosten, allerdings bleiben die tatsächlichen Stückzahlen weit hinter den teilweise optimistisch prognostizierten Stückzahlen zurück. Die SOFC ist vermehrt in stationären oder quasistationären Anwendungen zu finden, z. B. in der dezentralen Energieversorgung. Basierend auf den untersuchten Studien sind die größten Kostentreiber in aufsteigender Reihenfolge der Interkonnektor und die als ASC (anode supported cell) ausgeführte Zelle bestehend aus Anode, Elektrolyt, Barriereschicht und Kathode. Die Vergleichbarkeit weiterer Komponenten ist aufgrund der unterschiedlichen Zelldesigns eingeschränkt. Im Vergleich mit der PEM-Brennstoffzelle kommen Skaleneffekte bereits bei niedrigeren Stückzahlen zum Tragen. So betragen die Kostensenkungen bis zu 50 % bei einer Steigerung der Stückzahl von der Einzel- und Kleinstserienfertigung auf über 10.000 Stacks. Die prognostizierten Soll-Kosten entsprechen nicht den Ist-Kosten. Um diesen Kostenunterschied zu minimieren, sollte die Skalierung der SOFC weiter vorangetrieben und die Netzeinspeiseregulatorik innerhalb der EU vereinheitlicht werden. Aus den Kostenbetrachtungen beider Systeme geht hervor, dass insbesondere im Bereich der PEMFC höhere Stückzahlen in der Produktion erforderlich sind, um die Kosten der Brennstoffzellentechnologie zu senken und damit eine Marktattraktivität zu erreichen. Zusätzlich zu den bisher nicht realisierten Skaleneffekten ergeben sich weitere Einflussfaktoren für ein hohes Kostenniveau aus den hohen Entwicklungs- und Investitionskosten, welche die Zuliefererindustrie teilweise über die wenigen am Markt abgenommen Systeme finanziert. Die aufgezeigten Kostensenkungspotenziale bei hohen Stückzahlen werden von der Industrie im Allgemeinen als realistisch, wenn auch ambitioniert eingestuft. Die Hochskalierung der Produktion auf (Klein-)Serienniveau kann die Kosten für Brennstoffzellensysteme deutlich senken. Die Kostenreduktion ist dabei weniger auf systemseitigen Fortschritt, beispielsweise eine Verringerung der Materialkosten, als auf eine Reduktion der Fertigungskosten zurückzuführen. Ausschlaggebend für die Investition und den Aufbau einer hochratenfähigen Produktion ist eine vorliegende Sicherheit eines möglichen Absatzmarktes.deBrennstoffzellensystemeBrennstoffzellenPEMFCPolymerelektrolytmembran-BrennstoffzelleSOFCFestoxid-BrennstoffzelleWertschöpfungsketteKostenanalysestudy