Markt für mikrobielle Brennstoffzellen Größe und Ausblick, 2024-2032

Marktübersicht

Die globale Marktgröße für mikrobielle Brennstoffzellen wurde im Jahr 2023 auf 285,17 Millionen US-Dollar geschätzt. Schätzungen zufolge wird sie bis 2032 395,46 Millionen US-Dollar erreichen und im Prognosezeitraum (2024–2032) mit einer jährlichen Wachstumsrate von 3,7 % wachsen. Der weltweite Markt für mikrobielle Brennstoffzellen wird vor allem durch die wachsende Nachfrage der Abwasserindustrie nach diesen Zellen angetrieben. Da es in den letzten Jahren aufgrund der zunehmenden Industrialisierung zu einem massiven Abwasseraufkommen kam, ist die Nachfrage nach MFCs gestiegen. Darüber hinaus hat ein Paradigmenwechsel statt konventioneller Energiequellen hin zu erneuerbaren Energiequellen stattgefunden, der den Weltmarkt voraussichtlich weiter vorantreiben wird.

Ein bioelektrochemisches Gerät namens Microbial Fuel Cell (MFC) wandelt die Stoffwechselenergie von Mikroben in nutzbare elektrische Energie um. Diese Zellen wandeln die chemische Energie, die in organischem Material wie Abwasser oder anderen organischen Substraten enthalten ist, hauptsächlich über Stoffwechselprozesse von Mikroorganismen in elektrische Energie um. Eine mikrobielle Brennstoffzelle besteht aus vier Grundelementen, nämlich einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyten und Mikroorganismen.

Der von der mikrobiellen Brennstoffzelle erzeugte elektrische Strom kann entnommen und zur Stromversorgung elektronischer Geräte oder zur Ergänzung eines externen Stromnetzes genutzt werden. MFCs bieten im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen verschiedene Vorteile, darunter Erschwinglichkeit, Umweltfreundlichkeit, Nutzung erneuerbarer Energien und das Potenzial zur Abwasserreinigung. MFCs wurden für verschiedene Zwecke umfassend untersucht, beispielsweise zur Abwasserbehandlung, zur Stromerzeugung aus organischen Abfällen und zur Energieversorgung von Fernsensoren oder Geräten mit geringem Stromverbrauch unter bestimmten Umgebungsbedingungen.

Höhepunkte

• Nordamerika ist der größte Anteilseigner auf dem Weltmarkt.

Marktdynamik

Globale Markttreiber für mikrobielle Brennstoffzellen

Steigende Nachfrage aus der Abwasseraufbereitungsindustrie

Der wachsende Bedarf an tragbarer Wasser- und Abwasseraufbereitung in verschiedenen Branchen treibt den globalen Markt voran. Mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) sind ein praktikabler und wirtschaftlicher Ansatz zur Abwasserbehandlung, da sie Strom erzeugen und gleichzeitig Schadstoffe effektiv aus dem Abwasser entfernen können. MFCs können möglicherweise sowohl die Schlammbildung als auch die Freisetzung von Treibhausgasen verringern, die typischerweise mit herkömmlichen Methoden der Abwasserbehandlung verbunden sind. Laut einem in ReliefWeb veröffentlichten Forschungsbericht beläuft sich die weltweite jährliche Erzeugung kommunalen Abwassers auf 380 Milliarden Kubikmeter. Die Abwassererzeugung wird bis 2030 voraussichtlich um 24 % und bis 2050 um 51 % steigen.

Darüber hinaus werden, wie in einem von UpKeep veröffentlichten Artikel festgestellt, etwa 80 Prozent des weltweiten Abwassers ohne Behandlung oder Wiederverwendung wieder in das Ökosystem eingeleitet. Daher sind unglaubliche 1,8 Milliarden Menschen für ihren Trinkwasserbedarf auf eine verschmutzte Wasserquelle angewiesen, was den Bedarf an Abwasserbehandlung erhöht. Daher wird erwartet, dass der steigende Bedarf an Abwasserbehandlung die Nachfrage nach mikrobiellen Brennstoffzellen im Prognosezeitraum steigern wird.

Zunehmende Einführung erneuerbarer Energiequellen

Das zunehmende Bewusstsein und der Einsatz nachhaltiger Energiequellen sind weitere Faktoren, die den weltweiten Markt vorantreiben. MFCs bieten eine umweltfreundliche und nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen, indem sie effizient Strom aus erneuerbaren und reichlich vorhandenen organischen Materialien erzeugen. MFCs haben das Potenzial, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und die Umweltfolgen des Klimawandels und der Umweltverschmutzung zu mildern.

Die Internationale Energieagentur (IEA) berichtet, dass die weltweite Kapazität für erneuerbare Energien voraussichtlich einen deutlichen Anstieg erfahren wird, mit einem beispiellosen Anstieg von 107 Gigawatt (GW) und bis 2023 insgesamt über 440 GW erreichen wird. Darüber hinaus wird die Kapazität für erneuerbare Energien bis 2025 35 % der weltweiten Stromproduktion ausmachen. Es wird erwartet, dass die zunehmende Verbreitung erneuerbarer Energien in den kommenden Jahren profitable Aussichten für den MFC-Markt schaffen wird.

Globale Marktbeschränkung für mikrobielle Brennstoffzellen

Hohe Anfangsinvestitionen und Betriebskosten von MFCs

Das Haupthindernis für die Expansion des globalen Marktes sind die hohen Anfangsausgaben und laufenden Betriebskosten, die mit MFCs verbunden sind. Hohe Leistung und Effizienz in MFCs erfordern den Einsatz kostspieliger Materialien und Komponenten, einschließlich Elektroden, Membranen, Katalysatoren und Reaktoren. Mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) haben Schwierigkeiten, ihre Größe zu vergrößern und sie in bereits bestehende Stromnetze und -systeme zu integrieren. Darüber hinaus weisen mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs) eine verminderte Leistungsdichte und Stabilität auf, was ihren praktischen Nutzen und ihre kommerzielle Durchführbarkeit einschränkt.

Globale Marktchancen für mikrobielle Brennstoffzellen

Steigende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten

Die kontinuierlichen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen, die sich auf die Steigerung der Effizienz der MFC-Technologie und die Suche nach neuen Anwendungen konzentrieren, haben eine entscheidende Rolle bei der Marktexpansion gespielt. Beispielsweise entdeckten Forscher im Oktober 2023, dass die Verwendung von Fahrzeugabgasruß als Elektrodenmaterial in mikrobiellen Brennstoffzellen ein kostengünstiger Ersatz für kohlenstoffbasierte Materialien wie Graphen ist. Dieser Ansatz verbessert nicht nur die Fähigkeiten von MFC, sondern geht auch auf die Umweltprobleme von Fahrzeugabgasen ein, indem er in eine nützliche Ressource für die nachhaltige Energieerzeugung und Abwasserbehandlung umgewandelt wird.

Darüber hinaus gelang Forschern der EPFL im September 2023 die erfolgreiche genetische Veränderung von E. coli-Bakterien zur Stromerzeugung. Durch die Manipulation von Bakterien zur Verbesserung des extrazellulären Elektronentransfers (EET) ist der gentechnisch veränderte E. coli in der Lage, während des Metabolisierungsprozesses verschiedener organischer Substrate Elektrizität zu erzeugen. Diese Entdeckung kann die Abfallwirtschaft und Energieerzeugung verändern, da die genetisch veränderten Bakterien in vielen Umgebungen, einschließlich Abwasser aus einer Brauerei, hervorragende Leistungen zeigten. Die modifizierten E. coli können auch in mikrobiellen Brennstoffzellen, Elektrosynthese- und Biosensoranwendungen eingesetzt werden. Daher wird erwartet, dass diese Eigenschaften Chancen für das Marktwachstum schaffen.

Regionalanalyse

Nordamerika dominiert den Weltmarkt

Basierend auf der Region ist der globale Markt für mikrobielle Brennstoffzellen in Nordamerika, Europa, den asiatisch-pazifischen Raum, Lateinamerika sowie den Nahen Osten und Afrika unterteilt.

Nordamerika ist der weltweit größte Marktanteilseigner für mikrobielle Brennstoffzellen und wird im Prognosezeitraum voraussichtlich deutlich wachsen.   Diese Dominanz ist auf die umfassende Nutzung erneuerbarer Energien, fortschrittliche Forschungs- und Entwicklungsbemühungen sowie günstige Regierungsrichtlinien und -initiativen zurückzuführen. Im Jahr 2020 machten erneuerbare Quellen etwa 5 Prozent der gesamten Energie aus, die in verschiedenen Sektoren in den Vereinigten Staaten genutzt wurde, wie das Center for Climate Change and Energy berichtete. Die Vereinigten Staaten werden in den nächsten drei Jahrzehnten voraussichtlich einen durchschnittlichen jährlichen Anstieg des Verbrauchs erneuerbarer Energien um 2,4 Prozent verzeichnen. Diese Wachstumsrate ist größer als die gesamte jährliche Wachstumsrate des Energieverbrauchs von 0,5 Prozent, vorausgesetzt, dass sich die aktuellen Praktiken nicht wesentlich ändern.

Im Jahr 2020 machten erneuerbare Energiequellen 19,8 Prozent der Stromproduktion aus, hauptsächlich angetrieben durch Wasser- und Windkraft . Bis zum Jahr 2030 soll dieser Anteil auf 35 Prozent steigen. Wind- und Solarenergiequellen dürften den größten Teil des Wachstums ausmachen. Der Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ohne Wasserkraft stieg zwischen 2005 und 2020 dramatisch von weniger als 1 % auf über 12,5 %. Dieses Wachstum erfolgte trotz relativ stabiler Stromnachfrage.

Darüber hinaus wurden die Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen verstärkt, um die Fähigkeiten von MFCs vollständig zu untersuchen. Beispielsweise gelang es einem Team der Northwestern University in Illinois im Januar 2024, eine neuartige Brennstoffzelle zu entwickeln, die in der Lage ist, im Boden lebende Mikroorganismen Energie zu gewinnen. Der Brennstoff hat etwa die Größe eines Buches und kann unterirdische Sensoren antreiben, die in der grünen Infrastruktur und in der Präzisionslandwirtschaft zum Einsatz kommen. Es kann ein nachhaltiger und erneuerbarer Ersatz für Batterien sein, die gefährliche und brennbare Stoffe enthalten, die während des Gebrauchs in den Boden gelangen können. Darüber hinaus stammen die bei der Batterieproduktion verwendeten Materialien aus von Konflikten betroffenen Lieferketten und tragen zur Anhäufung von Elektroschrott bei. Daher werden die oben genannten Faktoren die Marktexpansion im gesamten geplanten Zeitraum beschleunigen.

Aufgrund der schnellen Entwicklung von Industrien, städtischen Gebieten, dem Bevölkerungswachstum und dem gestiegenen Energiebedarf in Schwellenländern wie China, Indien, Japan und Südkorea wird der asiatisch-pazifische Raum voraussichtlich die höchste Wachstumsrate auf dem Markt verzeichnen. Diese Länder verfügen aufgrund ihres großen Angebots an organischen Substraten, darunter Abwasser, Lebensmittelabfälle und landwirtschaftliche Rückstände, über ein erhebliches Potenzial für mikrobielle Brennstoffzellen (MFCs). Darüber hinaus sind sie mit Wasserknappheit, Umweltverschmutzung und Energiesicherheitsproblemen konfrontiert. Darüber hinaus haben diese Länder erhebliche Investitionen in die Erforschung und Weiterentwicklung von MFCs getätigt und Kooperationen und Partnerschaften mit den führenden Teilnehmern der Branche geschlossen.

Beispielsweise haben Forscher der Ritsumeikan-Universität in Japan im November 2023 einen autarken Biosensor mithilfe einer schwimmenden mikrobiellen Brennstoffzelle (FMFC) entwickelt. Dieser Biosensor dient zur kontinuierlichen Überwachung des Vorhandenseins organischer Schadstoffe in Seen und Flüssen. Dies erreichten sie, indem sie Erde mit elektrogenen Bakterien zur Anode des FMFC hinzufügten, der Elektrode, an der Oxidation stattfindet und Elektronen freigesetzt werden. Die anodischen Bakterien zersetzten dann die organischen Stoffe im Wasser und wandelten die gespeicherte chemische Energie in Elektrizität um. Die elektrische Leistung wurde anschließend genutzt, um den Gehalt an organischen Abfällen im verschmutzten Wasser zu quantifizieren. Diese Aspekte tragen zum Wachstum des regionalen Marktes bei.

Segmentanalyse

Der globale Markt für mikrobielle Brennstoffzellen ist in Typ, Anwendung und Endbenutzer unterteilt.

Je nach Typ ist der globale Markt in Mediator-, mediatorfreie, mikrobielle Elektrolyse-, phototrophe Biofilm- und bodenbasierte Produkte unterteilt.  

Der direkte Elektronentransport zwischen mikrobiellen Zellen und Elektroden kann durch Variablen wie mikrobielle Außenmembranbarrieren oder unzureichende elektrische Leitfähigkeit behindert werden. Um diesen Einschränkungen zu begegnen, werden Mediatoren in das mikrobielle Brennstoffzellensystem eingebaut. Ein Mediator ist eine Chemikalie, die den Durchgang von Elektronen zwischen mikrobiellen Zellen und der Elektrode unterstützt, indem sie Elektronen vom mikrobiellen Katalysator zur Elektrode transportiert. Dadurch wird die Gesamteffektivität des Elektronentransferprozesses optimiert und die elektrische Ausbeute der mikrobiellen Brennstoffzelle erhöht. Mikrobielle Brennstoffzellen nutzen eine Reihe von Mediatoren, beispielsweise chemische Substanzen wie Chinone oder Redoxfarbstoffe. Diese Mediatoren fungieren als Elektronenträger und erleichtern den Elektronenfluss von den Bakterien zur Elektrode, wodurch die Gesamteffizienz der mikrobiellen Brennstoffzelle verbessert wird.

Basierend auf der Anwendung ist der globale Markt in Stromerzeugung, Abwasserbehandlung, Wasserstoffproduktion, Entsalzung, Fernsensoren, Fernstromquellen, Biosensoren und andere Anwendungen unterteilt.

Der Hauptzweck mikrobieller Brennstoffzellen ist die Stromerzeugung. Sie wurden jedoch auch für die Wasserstoffproduktion mithilfe einer Technik untersucht, die als mikrobielle Elektrolysezelle (MEC) oder mikrobielle Elektrolyse zur Wasserstoffproduktion (MEHP) bekannt ist. MFCs zur Stromerzeugung können auch angepasst oder genutzt werden, um die Wasserstoffproduktion zu erleichtern. MECs, kurz für Microbial Electrolysis Cells, sind spezialisierte MFCs, die speziell für die Produktion von Wasserstoff entwickelt wurden.

In einer typischen mikrobiellen elektrochemischen Zelle (MEC) nutzen Mikroorganismen organische Materialien als Substrat und erzeugen Elektronen und Protonen. Anschließend durchlaufen diese Elektronen einen externen Kreislauf zur Kathode, wo sie mit Protonen reagieren und einer Reduktion unterliegen, um Wasserstoffgas zu erzeugen. Hierbei handelt es sich um eine Art der mikrobiellen Elektrolyse, bei der Mikroorganismen den Elektrolyseprozess erleichtern.

Basierend auf den Endverbrauchern ist der globale Markt in Landwirtschaft, Lebensmittel und Getränke, Gesundheitswesen, Regierung und Kommune, Wohnen und Gewerbe, Industrie, Transport, Militär und andere unterteilt.

Mikrobielle Brennstoffzellen können in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie (F&B) für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden. MFCs können einen gleichmäßigen, wenn auch minimalen Stromfluss bereitstellen. Mit diesem Strom können energieeffiziente Technologien im Lebensmittel- und Getränkebereich betrieben werden, etwa Sensoren oder Überwachungssysteme zur Qualitätssicherung. Die Einführung von MFCs steht im Einklang mit nachhaltigen Praktiken und bietet eine Energieerzeugung, die auf organischen Abfällen basiert.

Darüber hinaus kann die Nutzung von Abfallströmen zur Energieerzeugung dazu beitragen, die Umweltauswirkungen der Lebensmittel- und Getränkeindustrie zu verringern. MFCs können in Biosensorsysteme integriert werden, um die mikrobielle Aktivität oder bestimmte Parameter der Lebensmittel- und Getränkeproduktion zu überwachen. Durch die Echtzeitüberwachung kann die Produktqualität erhalten und die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften gewährleistet werden.

jüngsten Entwicklungen

• Oktober 2023 – Ein Forscherteam aus China hat ein effizientes Hybridbatteriesystem entwickelt, das die elektrochemische Produktion von Ameisensäure als Energieträger mit einer mikrobiellen Brennstoffzelle kombiniert.
• Dezember 2023 – Forscher am IIT Jodhpur haben eine innovative Technologie entwickelt, die algengestützte Brennstoffzellen nutzt, um Kohlendioxid zu absorbieren, Abwasser zu reinigen und Strom zu erzeugen.