zukünftiger Stromerzeugungstechniken Lebenszyklusanalyse ... · al. 2001 (Journal of Power...

Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 1

Projekt

Lebenszyklusanalyse ausgewählterzukünftiger Stromerzeugungstechniken

Dr. Peter ViebahnDr. Wolfgang Krewitt

AP 2: Brennstoffzellen


Typen von Brennstoffzellen

PEMFC PAFC MCFC SOFCElektrolyt protonenleitende

MembranPhosphorsäure inporöser Matrix

Karbonatschmelze ineiner Matrix

Keramischer Festkörper

Betriebstemperatur 60 - 80°C 200°C 650°C 800 -1000°CBrennstoff zur Zelle Wasserstoff (H2)

*) Wasserstoff (H2)*) H2, Erdgas, Biogas,

Kohlegas **)H2, Erdgas, Biogas,

Kohlegas **)

el. Systemwirkungsgrad(mit Erdgas)

38 - 42% 38 - 42% 50% - 55%,mit GuD > 65%

50% bis 55%,mit GuD > 65%

Anwendungtypische Leistung

mobil, BHKW2 bis 200 kWel

KWK50 kW - 10 MW

KW, KWK200 kW - 10 MW

KW, KWK2 kW - 10 MW

Entwicklungsstand Prototyp3 kWel, 200 kWel

Kleinserie200 kWel

Demonstration250 kWel, 2 MWel

Demonstration100 kWel

Hersteller Vaillant, Ballard Onsi mtu Sulzer HexisSiemens/Westinghouse

Investitionen k. A. derzeit 2500 €/kW k. A. k. A.

*) Bei Einsatz eines Reformers auch Erdgas oder Biogas **) interne Reformierung möglich KW: Kraftwerk, KWK: Kraft-Wärme-Kopplung


Gesamtkette einer BZ-Ökobilanz

Vorketten,Produktion

Mate-rialien

VorkettenBZ, neu

Betrieb,Instandhaltung

Rohstoffe i.d.Lagerstätte Strom

Brenn-stoff

BZ, alt

Herstellung BZ

Stack Balance ofPlant (BoP)

Zusammenbau

Stilllegung (?)

Recycling Wieder-verwendungDeponie


DatenlageÖkologische/technische Daten

� Materialdaten für 100 kW-SOFC-Anlage Osaka Gas 1997aus: ETSU-report »Environmental Emissions of SOFC and SPFC System Manufacture and Disposal«, veröffentlicht in Karakoussis et al. 2001 (Journal of Power Sources)

� Betriebsdaten für 200 kW-SOFC-Anlage 1997aus: ETSU-report »Further Assessment of the Environmental Characteristics of Fuel Cells and Competing Technologies«

� Wirkungsgrade nach Angaben von Siemens, Siemens-Westinghouse, Literatur

� »Zukunftstransitionen« vom ifeu (Strom 2010, Alu 2010, Stahl ...)� Umberto-Datenbank / Balance-Datenbank� weitere Prozesse aus Gabi, Oekoinventare 1996


Stack: Verteilung der Materialverbräuche

Wasser

Dot. LaCrO3

ZrCl4

YCl3

Ni

NiO

YSZ Ethanol

PolyethylenglycolPolyvinylbutyral

Dot. LaMnO3

Dibutylphthalat

Dot. LaMnO3WasserDot. LaCrO3ZrCl4YCl3NiNiOYSZ PolyvinylbutyralEthanolPolyethylenglycolDibutylphthalat


Stack: Verteilung Energieverbrauch

Interconnector: Plasmaspritzen

Maskieren

Brennen

Elektrolyt (EVD)

Demaskieren

Nickelbeschichtung

Remaskieren

Anode: Stoffherstellung

Anode: Beschichten

Anode: Sintern

Kathode: Kleberherstellung

Kathode: Extrudieren

Kathode: Sintern

Kathode: Stoffherstellung Kathode: StoffherstellungKathode: KleberherstellungKathode: ExtrudierenKathode: SinternInterconnector: PlasmaspritzenMaskierenBrennenElektrolyt (EVD)DemaskierenNickelbeschichtungRemaskierenAnode: StoffherstellungAnode: BeschichtenAnode: Sintern


Stack: Verteilung CO2-Emissionen

Kathode: KleberherstellungKathode: ExtrudierenKathode: Sintern


Maskieren

Brennen

Elektrolyt (EVD)

Demaskieren

Nickelbeschichtung

Remaskieren

Anode: Stoffherstellung

Anode: Beschichten

Anode: Sintern

Kathode: StoffherstellungKathode: StoffherstellungKathode: KleberherstellungKathode: ExtrudierenKathode: SinternInterconnector: PlasmaspritzenMaskierenBrennenElektrolyt (EVD)DemaskierenNickelbeschichtungRemaskierenAnode: StoffherstellungAnode: BeschichtenAnode: Sintern


BoP: Verteilung der Materialverbräuche

Isolierung Druckkessel

Luft-/Brennstoff-Verteilung

Luftverteilerschacht

Reformer-Platten

Desulphuriser

Luftvorwärmer

Wärmetauscher

Wechselrichter

Anderes

Druckkessel

DruckkesselIsolierung DruckkesselLuft-/Brennstoff-VerteilungLuftverteilerschachtReformer-PlattenDesulphuriserLuftvorwärmerWärmetauscherWechselrichterAnderes


BoP: Verteilung Energieverbrauch


Luft- und Brennstoff-Verteilsystem


Reformer-Platten

Desulphuriser

Luftvorwärmer

Wärmetauscher

Wechselrichter

Anderes

Druckkessel

DruckkesselIsolierung DruckkesselLuft- und Brennstoff-VerteilsystemLuftverteilerschachtReformer-PlattenDesulphuriserLuftvorwärmerWärmetauscherWechselrichterAnderes


BoP: Verteilung CO2-Emissionen




Reformer-Platten

Desulphuriser

Luftvorwärmer

Wärmetauscher

Wechselrichter

Anderes

Druckkessel

DruckkesselIsolierung DruckkesselLuft- und Brennstoff-VerteilsystemLuftverteilerschachtReformer-PlattenDesulphuriserLuftvorwärmerWärmetauscherWechselrichterAnderes


Stack & BoP: Verteilung CO2-Emissionen

Kathode: Stoffherstellung

Elektrolyt (EVD)


Restliche Stackprozesse

Druckkessel



Wärmetauscher

Luftvorwärmer

Restliche BoP-Materialien


Stack & BoP: Anteile CO2-Emissionen

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Kathode

: Stof

fherst

ellun

gElek

trolyt

(EVD)

Interc

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ctor: P

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Wärmetau

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erRestl

iche B

oP-M

ateria

lien

CO2 Material CO2 Herstellungsprozess


250 kW CHP SOFCLebenswegbilanz 40.000 h (ohne Erdgas)

98%

79%

38%

21%

39%

0%

13%

30%

37%

10%

19%

8%

31%

28%

50%

76%

0%

0%

1%

14%

1%

5%

1% 1%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

CO2

Methan

NMVOC

NOx

CO

SOx

Betrieb Stack BoP Seeschiff


250 kW CHP SOFCLebenswegbilanz 40.000 h (mit Erdgas)

10%

94%

72%

89%

84%

30%

88%

5%

11%

2%

6%

0%

1%

1%

8%

4%

2%

13%

1%

1%

9%

3%

8%

54%

0%

0%

0%

2%

0%

3%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

CO2

Methan

NMVOC

NOx

CO

SOx

Erdgas_Förderung Betrieb Stack BoP Seeschiff


250 kW CHP SOFCErste Folgerungen aus der Ökobilanz

�größere Beiträge zum Inventar durch BoP als durch Stack�BoP-Materialien konventionelle Technik, jedoch

Unsicherheiten bei der Auslegung eines zukünftigen Serienprodukts

�Stack-Materialien zum Teil exotisch wie LaMnO3 (im Gesamteinfluss eher marginal)

�hoher Bauxitanteil (aus BoP)�großer Einfluss der Erdgas-Vorkette�Transportprozesse „lokal“ keinen Einfluss; Transport

Pittsburgh-Hamburg schon (5% SOx und 14% NOx von SOFC)


300 kW Hybrid SOFCLebenswegbilanz 40.000 h (mit Erdgas)

10%

94%

72%

89%

84%

30%

88%

5%

11%

2%

6%

0%

1%

1%

8%

4%

2%

13%

1%

0%

8%

3%

7%

50%

0%

0%

0%

2%

0%

3%

0,05%

0,03%

0,60%

0,23%

0,64%

3,70%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

CO2

Methan

NMVOC

NOx

CO

SOx

Erdgas_Förderung Betrieb Stack BoP Seeschiff Gasturbine


AusblickWeitere Vorgehensweise aufgrund der ungenügenden Datenbasis� Vorlage der Ergebnisse (inkl. des detaillierten Materialinventars)

an die Hersteller zur Prüfung/Diskussion� Identifizierung der möglichen wesentlichen Weiterentwicklungen

(u.a. mit Hilfe der eigenen BZ-Experten)� »Prospective LCA« =

Kopplung von LCA und TF (»Technology Foresight«)• Expertenbefragung zur Wahrscheinlichkeit der

Entwicklungen im Zeithorizont 2020 - 2030• Entwicklung von zukünftigen Szenarien der BZ-Entwicklung• Modellierung dieser Szenarien mit Umberto• Expertendiskussion der Ergebnisse


Datenlage PAFC

� Material- und Betriebsdaten, Wirkungsgrade für200 kW-PAFC-Anlage von ONSIaus: Setterwall 1997 »LCA Bränsleceller - PAFC ONSI PC25C200 kWel«, Vattenfall-Report

� Transporte mit berücksichtigt� einige Materialien ohne Vorkette (Katalysator, Aktivkohle,

Nitrogen, Glycol u.a.)� Umberto-Datenbank / Balance-Datenbank

� weitere Quelle: Materialdaten zu PAFC ONSI PC25A(Studienarbeit an der TU Clausthal 2002)

Ökologische/technische Daten


Stack: Verteilung der Materialverbräuche

PAFC_Stack: Anteile der Verbrauchsmaterialien

Aktivkohle/Graphit

Platin

Stahl

Aktivkohle/GraphitPlatinStahl


Stack: Verteilung Energieverbrauch

Fertigung BZ-Rahmen

Fertigung Katalysator

Fertigung Stack und Elektroden

Fertigung BZ-RahmenFertigung KatalysatorFertigung Stack und Elektroden


Stack: Verteilung CO2-Emissionen

Fertigung BZ-Rahmen



Fertigung BZ-RahmenFertigung KatalysatorFertigung Stack und Elektroden


BoP: Verteilung der MaterialverbräuchePAFC_BoP: Anteile der Verbrauchsmaterialien

Stahl

Aktivkohle/Graphit

Kupfer

Rockwool

Katalysator

Aluminium

PVC

Andere

PEPP

Platin

StahlAktivkohle/GraphitKupferRockwoolKatalysatorAluminiumPVCAnderePEPPPlatin


BoP: Verteilung Energieverbrauch

Prereformer/Reformer

Stackisolierung

Kühlsystem

Herstellung BZ-Rahmen

Wärmetauscher

WechselrichterAnderes

Herstellung Kabel,Röhren,Transformator

Prereformer/ReformerStackisolierungKühlsystemHerstellung Kabel,Röhren,TransformatorHerstellung BZ-RahmenWärmetauscherWechselrichterAnderes


BoP: Verteilung CO2-Emissionen

Kühlsystem


Wärmetauscher

WechselrichterAnderes


Stackisolierung


Prereformer/ReformerStackisolierungKühlsystemHerstellung Kabel,Röhren,TransformatorHerstellung BZ-RahmenWärmetauscherWechselrichterAnderes


Stack & BoP: Verteilung CO2-Emissionen

PAFC: CO2-Emissionen bei der Herstellung von Stack und BoP


Fertigung BZ-Rahmen



Wärmetauscher


Restliche BoP-Materialien


Fertigung KatalysatorFertigung BZ-RahmenFertigung Stack und ElektrodenPrereformer/ReformerHerstellung BZ-RahmenWärmetauscherHerstellung Kabel,Röhren,TransformatorRestliche BoP-Materialien

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