Lebenszyklusanalyse ausgewählter zukünftiger Stromerzeugungstechniken

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1 Projekt Lebenszyklusanalyse ausgewählter zukünftiger Stromerzeugungstechniken Dr. Peter Viebahn Dr. Wolfgang Krewitt AP 2: Brennstoffzellen Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 1

2 Typen von Brennstoffzellen PEM FC PAFC M CFC SOFC Elektrolyt protonenleitende Phosphorsäure in Karbonatschmelze in Keramischer Festkörper Membran poröser Matrix einer Matrix Betriebstemperatur C 200 C 650 C C Brennstoff zur Zelle Wasserstoff (H 2 ) *) Wasserstoff (H 2 ) *) H 2, Erdgas, Biogas, Kohlegas **) el. Systemwirkungsgrad (mit Erdgas) Anwendung typische Leistung Entwicklungsstand 38-42% 38-42% 50% - 55%, mit GuD > 65% mobil, BHKW KWK 2 bis 200 kw el 50 kw - 10 MW KW, KWK 200 kw - 10 MW H 2, Erdgas, Biogas, Kohlegas **) 50% bis 55%, mit GuD > 65% KW, KWK 2 kw - 10 MW Prototyp Kleinserie Demonstration Demonstration 3 kw el, 200 kw el 200 kw el 250 kw el, 2 MW el 100 kw el Hersteller Vaillant, Ballard Onsi mtu Sulzer Hexis Siemens/Westinghouse Investitionen k. A. derzeit 2500 /kw k. A. k. A. * ) Bei Einsatz eines Reformers auch Erdgas oder Biogas KW: Kraftwerk, KWK: Kraft-Wärme-Kopplung **) interne Reformierung möglich Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 2

3 Gesamtkette einer BZ-Ökobilanz Rohstoffe i.d. Lagerstätte Vorketten, Produktion Vorketten Stilllegung (?) Strom Herstellung BZ Stack Balance of Plant (BoP) Zusammenbau BZ, neu Betrieb, Instandhaltung Recycling Deponie Materialien Brennstoff Wiederverw endung BZ, alt Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 3

4 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 4

5 Datenlage Ökologische/technische Daten Materialdaten für 100 kw-sofc-anlage Osaka Gas 1997 aus: ETSU-report»Environmental Emissions of SOFC and SPFC System Manufacture and Disposal«, veröffentlicht in Karakoussis et al (Journal of Power Sources) Betriebsdaten für 200 kw-sofc-anlage 1997 aus: 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 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 5

6 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 6

7 Stack: Verteilung der Materialverbräuche YSZ NiO Polyvinylbutyral Ni YCl3 Ethanol Dibutylphthalat Polyethylenglycol ZrCl4 Dot. LaMnO3 Dot. LaCrO3 Wasser Dot. LaMnO3 Wasser Dot. LaCrO3 ZrCl4 YCl3 Ni NiO YSZ Polyvinylbutyral Ethanol Polyethylenglycol Dibutylphthalat Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 7

8 Stack: Verteilung Energieverbrauch Anode: Sintern Anode: Beschichten Anode: Stoffherstellung Remaskieren Nickelbeschichtung Demaskieren Elektrolyt (EVD) Brennen Maskieren Interconnector: Plasmaspritzen Kathode: Extrudieren Kathode: Sintern Kathode: Kleberherstellung Kathode: Stoffherstellung Kathode: Stoffherstellung Kathode: Kleberherstellung Kathode: Extrudieren Kathode: Sintern Interconnector: Plasmaspritzen Maskieren Brennen Elektrolyt (EVD) Demaskieren Nickelbeschichtung Remaskieren Anode: Stoffherstellung Anode: Beschichten Anode: Sintern Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 8

9 Stack: Verteilung CO2-Emissionen Elektrolyt (EVD) Brennen Maskieren Interconnector: Plasmaspritzen Kathode: Kathode: Kleberherstellung Kathode: Extrudieren Sintern Anode: Sintern Anode: Beschichten Anode: Stoffherstellung Remaskieren Nickelbeschichtung Demaskieren Kathode: Stoffherstellung Kathode: Stoffherstellung Kathode: Kleberherstellung Kathode: Extrudieren Kathode: Sintern Interconnector: Plasmaspritzen Maskieren Brennen Elektrolyt (EVD) Demaskieren Nickelbeschichtung Remaskieren Anode: Stoffherstellung Anode: Beschichten Anode: Sintern Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 9

10 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 10

11 BoP: Verteilung der Materialverbräuche Wechselrichter Wärmetauscher Luftvorwärmer Desulphuriser Reformer-Platten Luftverteilerschacht Anderes Druckkessel Luft-/Brennstoff-Verteilung Isolierung Druckkessel Druckkessel Isolierung Druckkessel Luft-/Brennstoff-Verteilung Luftverteilerschacht Reformer-Platten Desulphuriser Luftvorwärmer Wärmetauscher Wechselrichter Anderes Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 11

12 BoP: Verteilung Energieverbrauch Anderes Druckkessel Wechselrichter Wärmetauscher Luftvorwärmer Desulphuriser Reformer-Platten Luftverteilerschacht Luft- und Brennstoff- Verteilsystem Isolierung Druckkessel Druckkessel Isolierung Druckkessel Luft- und Brennstoff-Verteilsystem Luftverteilerschacht Reformer-Platten Desulphuriser Luftvorwärmer Wärmetauscher Wechselrichter Anderes Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 12

13 BoP: Verteilung CO2-Emissionen Wechselrichter Wärmetauscher Luftvorwärmer Desulphuriser Reformer-Platten Luftverteilerschacht Anderes Druckkessel Luft- und Brennstoff- Verteilsystem Isolierung Druckkessel Druckkessel Isolierung Druckkessel Luft- und Brennstoff-Verteilsystem Luftverteilerschacht Reformer-Platten Desulphuriser Luftvorwärmer Wärmetauscher Wechselrichter Anderes Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 13

14 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 14

15 Stack & BoP: Verteilung CO2-Emissionen Restliche BoP-Materialien Luftverteilerschacht Luftvorwärmer Wärmetauscher Luft- und Brennstoff- Verteilsystem Kathode: Stoffherstellung Druckkessel Restliche Stackprozesse Elektrolyt (EVD) Interconnector: Plasmaspritzen Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 15

16 Stack & BoP: Anteile CO2-Emissionen 100% 80% 60% 40% 20% 0% Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 16 Kathode: Stoffherstellung Elektrolyt (EVD) Interconnector: Plasmaspritzen Restliche Stackprozesse Druckkessel Luftverteilerschacht Luft- und Brennstoff-Verteilsystem Wärmetauscher Luftvorwärmer Restliche BoP-Materialien CO2 Material CO2 Herstellungsprozess

17 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 17

18 250 kw CHP SOFC Lebenswegbilanz h (ohne Erdgas) Betrieb Stack BoP Seeschiff SOx 0% 19% 76% 5% CO 39% 10% 50% 1% NOx 21% 37% 28% 14% NMVOC 38% 30% 31% 1% Methan 79% 13% 8% 0% CO2 98% 1% 1% 0% Dr. Peter 0% Viebahn, Institut 10% für Technische 20% Thermodynamik 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 18

19 250 kw CHP SOFC Lebenswegbilanz h (mit Erdgas) Erdgas_Förderung Betrieb Stack BoP Seeschiff SOx 30% 0% 13% 54% 3% CO 84% 6% 2% 8% 0% NOx 89% 2% 4% 3% 2% NMVOC 72% 11% 8% 9% 0% Methan 94% 5% 1% 0% CO2 10% 88% 1% 1% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 19

20 250 kw CHP SOFC Erste 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 LaMnO 3 (im Gesamteinfluss eher marginal) hoher Bauxitanteil (aus BoP) großer Einfluss der Erdgas-Vorkette Transportprozesse lokal keinen Einfluss; Transport Pittsburgh-Hamburg schon (5% SO x und 14% NO x von SOFC) Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 20

21 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 21

22 300 kw Hybrid SOFC Lebenswegbilanz h (mit Erdgas) Erdgas_Förderung Betrieb Stack BoP Seeschiff Gasturbine SOx 30% 0% 13% 50% 3% 3,70% CO 84% 6% 2% 7% 0% 0,64% NOx 89% 2% 4% 3% 2% 0,23% NMVOC 72% 11% 8% 8% 0% 0,60% Methan 94% 5% 1% 0,03% 0% CO2 10% 88% 1% 1% 0,05% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 22

23 Weitere Vorgehensweise aufgrund der ungenügenden Datenbasis Ausblick 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 Entwicklung von zukünftigen Szenarien der BZ-Entwicklung Modellierung dieser Szenarien mit Umberto Expertendiskussion der Ergebnisse Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 23

24 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 24

25 Datenlage PAFC Material- und Betriebsdaten, Wirkungsgrade für 200 kw-pafc-anlage von ONSI aus: Setterwall 1997»LCA Bränsleceller - PAFC ONSI PC25C 200 kw el «, Vattenfall-Report Transporte mit berücksichtigt einige Materialien ohne Vorkette (Katalysator, Aktivkohle, Nitrogen, Glycol u.a.) Umberto-Datenbank / Balance-Datenbank Ökologische/technische Daten weitere Quelle: Materialdaten zu PAFC ONSI PC25A (Studienarbeit an der TU Clausthal 2002) Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 25

26 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 26

27 Stack: Verteilung der Materialverbräuche PAFC_Stack: Anteile der Verbrauchsmaterialien Stahl Aktivkohle/Graphit Aktivkohle/Graphit Platin Stahl Platin Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 27

28 Stack: Verteilung Energieverbrauch Fertigung Stack und Elektroden Fertigung BZ-Rahmen Fertigung BZ-Rahmen Fertigung Katalysator Fertigung Stack und Elektroden Fertigung Katalysator Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 28

29 Stack: Verteilung CO2-Emissionen Fertigung Stack und Elektroden Fertigung BZ-Rahmen Fertigung BZ-Rahmen Fertigung Katalysator Fertigung Stack und Elektroden Fertigung Katalysator Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 29

30 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 30

31 BoP: Verteilung der Materialverbräuche PAFC_BoP: Anteile der Verbrauchsmaterialien PVC Andere PE PP Platin Aluminium Katalysator Rockwool Kupfer Aktivkohle/Graphit Stahl Stahl Aktivkohle/Graphit Kupfer Rockwool Katalysator Aluminium PVC Andere PE PP Platin Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 31

32 BoP: Verteilung Energieverbrauch Wärmetauscher Wechselrichter Anderes Prereformer/Reformer Herstellung BZ-Rahmen Stackisolierung Kühlsystem Herstellung Kabel,Röhren,Transformator Prereformer/Reformer Stackisolierung Kühlsystem Herstellung Kabel,Röhren,Transformator Herstellung BZ-Rahmen Wärmetauscher Wechselrichter Anderes Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 32

33 BoP: Verteilung CO2-Emissionen Wechselrichter Wärmetauscher Anderes Prereformer/Reformer Herstellung BZ-Rahmen Herstellung Kabel,Röhren,Transformator Kühlsystem Stackisolierung Prereformer/Reformer Stackisolierung Kühlsystem Herstellung Kabel,Röhren,Transformator Herstellung BZ-Rahmen Wärmetauscher Wechselrichter Anderes Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 33

34 Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 34

35 Stack & BoP: Verteilung CO2-Emissionen PAFC: CO2-Emissionen bei der Herstellung von Stack und BoP Restliche BoP-Materialien Herstellung Kabel,Röhren,Transformator Wärmetauscher Fertigung Katalysator Fertigung BZ-Rahmen Fertigung Stack und Elektroden Herstellung BZ-Rahmen Prereformer/Reformer Fertigung Katalysator Fertigung BZ-Rahmen Fertigung Stack und Elektroden Prereformer/Reformer Herstellung BZ-Rahmen Wärmetauscher Herstellung Kabel,Röhren,Transformator Restliche BoP-Materialien Dr. Peter Viebahn, Institut für Technische Thermodynamik 35