Abschlussbericht. Qualifizierung der NaCl-SVK Technologie zur Chlorherstellung für den betrieblichen Einsatz. umfassend die

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1 Abschlussbericht Qualifizierung der NaCl-SVK Technologie zur Chlorherstellung für den betrieblichen Einsatz umfassend die Teilvorhaben 1: Anlagenaufbau und Betrieb, Wirtschaftlichkeitsbewertung und Gesamtprojektleitung - Bayer MaterialScience AG (BMS), 01LS0901A Teilvorhaben 2: Entwicklung und Anwendung neuer Messtechniken für Elektrolyseure im technischen Maßstab - TU Dortmund (TUD), 01LS0901B Teilvorhaben 3: Energie- und Massenbilanz - TU Clausthal (TUC), 01LS0901C Teilvorhaben 4: Ermittlung der klimawirksamen Umweltauswirkungen im Lebenszyklus einer NaCl-SVK-Anlage -RWTH Aachen (RTWTH), 01LS0901D Autoren: Andreas Bulan (BMS) Johannes Jung (RWTH Aachen) Jakob Jörissen (TU Dortmund) Thomas Turek (TU Clausthal) Leverkusen,

2 Seite 2 von 58 Inhaltsangabe 1. Zusammenfassung und Kurzdarstellung 1.1. Einleitung und Aufgabenstellung Zusammenfassung der Ergebnisse Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Planung und Ablauf des Vorhabens Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde, insbe-sondere Vorarbeiten, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden Anschlussfähigkeit / Fortführung des Projektes Zusammenarbeit mit anderen Stellen Demonstrator (BMS) 2.1. Aufbau und Betrieb Performance Wasserstoff-Entwicklung Zusammenfassung Ökobilanz (RWTH Aachen) 3.1. Methodik und Vorgehensweise Ergebnisse Szenario H 2- thermisch-erdgasgutschrift Ergebnisse Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer und H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse Zusammenfassung Energie- und Massenbilanz (TU Clausthal) 4.1. Einleitung Globale Massen- und Energiebilanzen für den Elektrolyseur Berechnung der Temperaturverteilung in der Elektrolysezelle Berechnung der Höhenabhängigkeit der Stromdichte Entwicklung eines dynamischen Modells für die SVK Zusammenfassung Messtechnik (TU Dortmund) 5.1. Messtechnik zur Analyse der Zellspannung Messtechnik zur Erfassung der Stromdichte- und Spannungsverteilung Zusammenfassung Voraussichtlicher Nutzen, insbesondere der Verwertbarkeit der Ergebnisse im Sinne des fortgeschriebenen Verwertungsplanes Während der Durchführung des Vorhabens bekannt gewordenen Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen Patentsituation und Veröffentlichungen

3 Seite 3 von 58 Anhang Anhang 1: Liste der Abkürzungen und Formelzeichen. 56 Anhang 2: Literaturverzeichnis.. 57 Anhang 3: Verwendete Lebenszyklusdaten zur Modellierung von SVK- und STK-Technologie

4 Seite 4 von Zusammenfassung und Kurzdarstellung 1.1. Einleitung und Aufgabenstellung Derzeit wird die Chlor-Herstellung durch das Amalgam-, Diaphragma- und Membranverfahren geprägt, die alle langfristig durch das potentiell deutlich effektivere und umweltschonendere Sauerstoffverzehrkathoden (SVK)-Verfahren ersetzt werden könnten. Erfahrungen aus dem BMBF-Projekt "CO 2 -Reduktion bei der Herstellung chemischer Grundstoffe" (Förderkennzeichen: 01LS LS05013 sowie 01LS05139, KLIMA- ZWEI, nachfolgend als Vorgängerprojekt bezeichnet) belegen das signifikant hohe Energie-Einsparpotenzial der SVK-Technologie. In einem nächsten Schritt sollte die Qualifizierung der SVK-Technologie unter realen technischen Betriebsbedingungen erfolgen. Dazu wurde ein Elektrolyseur mit SVK- Technologie am Bayer MaterialScience (BMS)-Standort Krefeld-Uerdingen aufgebaut und unter technischen Bedingungen betrieben. Da Chlor und Natronlauge als essentielle Basischemikalien am Beginn der Wertschöpfungskette der chemischen Industrie stehen, ist die Zuverlässigkeit der Chlor-Produktion unverzichtbar. Ohne den Nachweis zu erbringen, dass mit der SVK-Technologie die Chlor-Herstellung zuverlässig erfolgt, wird sich diese Technologie nicht durchsetzen. Übliche Standzeiten von Komponenten der Membran-Elektrolyse sind 4 bis 8 Jahre, dies gilt als Benchmark auch für die SVK- Technologie. Der störungsfreie, verlässliche Betrieb der Anlage über einen Zeitraum von ein bis zwei Jahren würde den Weg zur Verbreitung der energiesparenden SVK- Technologie bereiten. Ohne entsprechende Qualifizierungsphase wird das neue Verfahren trotz möglicher hoher Klimarelevanz am Markt nicht akzeptiert werden. Zur Qualifizierung der SVK-Technologie gehört ihr ökonomisches und ökologisches Potenzial auf Basis möglichst relevanter Daten und Kennzahlen zu bewerten. Im Rahmen dreier Teilprojekte universitärer Partner sollten daher ein mathematisches Modell für die Stoff- und Energiebilanzen eines technischen Elektrolyseapparates erstellt und anhand von Messergebnissen aus dem Elektrolyseur validiert sowie aus den modellgestützten Simulationsrechnungen Hinweise für die Optimierung des Apparates abgeleitet werden (TU Clausthal), einfache, technisch praktikable und kostengünstige Messtechniken zur Analyse des Betriebsverhaltens der NaCl-SVK-Technologie, insbesondere auch zur Aufklärung von Störungen, erarbeitet werden (TU Dortmund), klimawirksame Umweltauswirkungen im Lebenszyklus einer NaCl-SVK-Anlage ermittelt werden, die auch Herstellung, Installation, Wartung und Entsorgung der Anlage und deren Komponenten einschließen (RWTH Aachen). Der Demonstrator wurde von BMS in Zusammenarbeit mit ThyssenKrupp Uhde aufgebaut. BMS betreibt diesen und koordinierte das Verbundprojekt. Mit der SVK-Technologie kann Deutschland seine schon heute führende Rolle im Bereich der Umwelt- und Klimaschutztechnologien weiter ausbauen. Langfristiges Ziel ist die Technologie global anzubieten und damit deutsches Know-how weltweit zu exportieren. 1.2 Zusammenfassung der Ergebnisse - Betriebserfahrungen und Wirtschaftlichkeit (BMS) Die Erprobung der Technologie unter technischen Betriebsbedingungen hat gezeigt, dass eine 27%ige Energieersparnis im Vergleich zur modernsten verfügbaren Standardmembrantechnik erreicht wird. So betrug der Verbrauch an elektrischer - 4 -

5 Seite 5 von 58 Energie kurz nach der Inbetriebnahme kwh / t Chlor. Neue, modernste Membrananlagen schaffen unter vergleichbaren Bedingungen kwh/ t Chlor [7]. Durch weitere Optimierung der SVK-Technologie, insbesondere durch Integration von Komponenten aus der seit 20 Jahren weiterentwickelten Standard- Membrantechnologie sollte eine Energieersparnis mehr als 30% möglich werden. Die SVK-Technologie hat sich im Berichtszeitraum von 15 Monaten unter harten Betriebsbedingungen sehr gut bewährt. Nach Durchführung von einigen geringfügigen technischen Veränderungen kann diese Technologie in der Praxis eingesetzt werden. Eine allgemeine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Technologie ist aus vorliegenden Erfahrungen wenig sinnvoll, da die Wirtschaftlichkeit der SVK-Technologie abhängig ist von den Bedingungen am jeweiligen Standort wie Strompreis, Sauerstoffpreis, Vergütungsbasis für den Wasserstoff usw. Bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit werden vermutlich demnächst noch weitere Argumente zu berücksichtigen sein: die Verfügbarkeit der Energie und die Kosten für CO 2 -Emissionen. Insbesondere in China ist Energie knapp, und ressourcenschonende Technologien werden dort bevorzugt. Isolierte Chemiestandorte können ebenfalls interessant werden, da hier meist nur ein Kraftwerk betrieben wird und die Energiemenge damit begrenzt ist. Mit SVK- Technologie könnte dann um die 30% mehr Chlor hergestellt werden, ohne ein neues Kraftwerk zu bauen - Massenbilanz (TUC) Eine der Grundsatzfragen für technische Elektrolyseure nach dem Percolatorprinzip ist die Temperaturverteilung im Natronlaugespalt. Die Ionenaustauschermembran kann bei zu großen Temperaturdifferenzen geschädigt werden. Messtechnisch ist die Temperatur im Natronlaugespalt in Abhängigkeit von der Bauhöhe nicht zu erfassen. Daher sollte durch Simulationsrechnungen der Temperaturverlauf abgebildet werden. Auf der Basis eines vorhandenen, stationären Modells (entwickelt von der TU Clausthal im Vorgängerprojekt) wurde ein dynamisches Modell entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells können dynamische Belastungen der Elektrode, die sich im Betrieb des Elektrolyseurs ergeben, berechnet werden. Mit dem Modell konnte der Temperatur- und Konzentrationsverlauf der Natronlauge im Elektrodenspalt von oben nach unten dargestellt werden. Die Simulation liefert ferner ein Bild des Temperaturverlaufes bei höheren Stromdichten. Weiterhin wurde sichtbar, wie sich der Wassergehalt im Sauerstoff über die Bauhöhe des Elektrolyseures ändert und mit Änderung des Wassergehaltes im Sauerstoff und der Abnahme des Sauerstoffgehaltes der Sauerstoff-Partialdruck sich mit der Bauhöhe ändert. Hieraus konnte die Veränderung des Potenzials der Elektrode berechnet werden, wodurch eine Inhomogenität der Stromdichtverteilung (nachfolgend als Verwerfung bezeichnet) entsteht. Leider gelang es im Projekt nicht, die Stromdichteverteilung in einem technischen Element zu messen, da hierfür der Kostenaufwand zu hoch war. Die Simulation bestätigt die Annahme, dass die Überspannung der Elektrode sehr stark durch die Diffusion des Sauerstoffs in die mit flüssigem Elektrolyt gefüllten Bereiche innerhalb der Elektrode bestimmt wird und nur ein sehr kleiner Teil des Katalysators der Elektrode genutzt wird. Während der Diffusionseinfluss im stationären und dynamischen Betrieb in guter Näherung mit dem Modell beschrieben werden kann, weichen die stationär und dynamisch bestimmten kinetischen Parameter der Sauerstoffreduktion signifikant voneinander ab. - Messtechnik (TUD) Ein weiteres Ziel war es, eine Möglichkeit zur Analyse der Zellspannung und ihrer Spannungsanteile im technischen Maßstab zu finden, ohne den laufenden Elektrolysebetrieb dabei zu stören. Vorteil dieses Monitorings wäre frühzeitig Schäden - 5 -

6 Seite 6 von 58 zu detektieren. Ergebnis ist, dass auf Basis der Gleichrichter-Restwelligkeit eine Strom- Spannungskurve ermittelt werden kann, mit der Membranschäden oder Schäden an den Elektroden ermittelt werden können. Die Aufnahme der Strom-Spannungskurve kann während des Betriebes erfolgen und bei entsprechender Implementierung direkt auf dem Leitsystem visualisiert werden. Hierdurch stehen kontinuierliche Informationen zur Performance zur Verfügung, die sonst nur bei In-/Außerbetriebnahmen erhalten werden können. Das Verfahren kann grundsätzlich auf alle Elektrolyseprozesse angewandt werden. Das Verfahren wird zum Patent angemeldet. Eine weitere Messmethode zur Ermittlung der Stromdichteverteilung an einem technischen Element wurde theoretisch modelliert und im Labormaßstab erfolgreich getestet. Die Umsetzung in einem technischen Element scheiterte an den hohen Kosten der Implementierung von Meßdrähten. - Ökobilanz (RWTH) Die SVK-Technologie hat im gesamten Lebenszyklus einer Anlage geringere, klimawirksame Auswirkungen als die Standard-Technologie. Dieser Vorteil besteht grundsätzlich an Standorten mit fossiler Stromerzeugung und entsprechend hohen klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung. Allerdings können die möglichen Einsparungen fallweise deutlich geringer sein, als der um ca. 30% verringerte Energiebedarf der SVK-Technologie vermuten lässt: Der Hauptgrund für die im Vergleich zum Energiebedarf geringeren Einsparungen liegt in der Berücksichtigung des Kuppelproduktes Wasserstoff sowie in der Berücksichtigung weiterer Prozessschritte im Lebenszyklus, z.b. Rohstoffbereitstellung Kochsalz (NaCl), Energieerzeugung Dampf. Im Szenario der thermischen Wasserstoffnutzung und Gutschrift auf Erdgasbasis können in Deutschland CO 2 -äquivalente Emissionen um 12%, im Szenario der chemischen Wasserstoffnutzung, der im Falle der SVK-Nutzung dann alternativ aus einem Reformer bezogen würde, um 8% reduziert werden. Das Szenario der Wasserstoffersatzbeschaffung durch Wasserelektrolyse zeigt, dass eine Kombination der SVK-Technologie mit aktuell verfügbaren Wasser-Elektrolysen höhere klimawirksame Umweltauswirkungen als die Standard-Technologie zur Herstellung von Chlor, Natronlauge und Wasserstoff hat. Die Herstellung der Anlagen selbst hat in den meisten untersuchten Umweltwirkungskategorien keinen signifikanten Einfluss. Eine Ausnahme hiervon ist das Ozonabbaupotential. In dieser Kategorie hat die Herstellung der Anlage aufgrund der Emissionen während der Bereitstellung von PTFE (Bestandteil der SVK) einen deutlichen Einfluss. 1.3 Voraussetzungen, unter denen das Vorhaben durchgeführt wurde Weltweit benötigen ca. 2/3 aller chemischen Produkte Chlor als Energieträger im Herstellprozess. Der Chlorbedarf ist in den letzten Jahrzehnten stark angestiegen. Die Weltkapazität der NaCl-Elektrolysen beträgt gegenwärtig (2012) 75 Mio. t Chlor/a, in Deutschland 5,15 Mio. t/a [8]. Dabei hat der weltweite Bedarf in den letzten 20 Jahren um ca. 60% zugenommen und wird voraussichtlich weiter steigen

7 Seite 7 von 58 Der Energiebedarf zur Herstellung von Chlor ist hoch. Die Herstellung von Chlor/ Natronlauge erfolgt durch Elektrolyse, die ausgesprochen energieintensiv ist. Bei der Elektrolyse von Natriumchlorid mit modernen Membran-Elektrolyseuren werden je Tonne Chlor ca kwh 1 elektrische Energie verbraucht, dabei entstehen die Koppelprodukte Natronlauge und Wasserstoff. Der Energiebedarf bei den derzeit ebenfalls noch betriebenen Elektrolysen nach dem älteren Diaphragma- und Amalgamverfahren (Mercury) ist noch deutlich höher, wie aus Abbildung 1 ersichtlich. In Deutschland beträgt der Anteil des Membranverfahrens derzeit (2012) ca. 55%, Amalgamverfahren 17%, Diaphragmaverfahren 22% und 6% andere Verfahren. Der Gesamtenergieverbrauch zur Herstellung von Chlor in Deutschland beträgt danach hochgerechnet ca. 13,5 Mio. MWh 2 Der Energieverbrauch zur Chlor-Herstellung in Deutschland beträgt fast 3% der gesamten Stromproduktion von Deutschland. Für Deutschland beträgt die CO 2 -Emission bei der Stromerzeugung gerechnet im Kraftwerksmix ca. 0,572 t CO 2 /MWh 3. Bei der Chlor-Herstellung in Deutschland werden demnach ca. 7,7 Mio. t CO 2 emittiert (ohne Leitungs-/ Umspannverluste). Abbildung 1: Energieverbrauch verschiedener Technologien [9] * Energieverbauch aus BMS NaCl-SVK Demoelektrolyseur Aufgrund einer Selbstverpflichtung der chemischen Industrie in Europa steht bis 2020 die Stilllegung des alten Amalgam-Verfahrens an. Falls keine neueren, umweltfreundlicheren 1 bei gleichzeitiger Herstellung von 50%iger Natronlauge. Membrananlagen liefern im Vergleich zu Amalgamanlagen nur eine 32%ige Natronlauge, der Energiebedarf für die Aufkonzentrierung wird je Tonne Chlor berücksichtigt 2 Im Mittel beträgt der Stromverbrauch deutscher Chlor-Hersteller ca kwh/t Chlor, bezogen auf den Energieverbrauch der Elektrolyse, dabei ist der Energiebedarf zur Aufkonzentrierung der Lauge jedoch nicht berücksichtigt. 3 Quelle: Umweltbundesamt, FG I 2.5., Stand: März 2010, Kraftwerkmix - 7 -

8 Seite 8 von 58 Verfahren zur Verfügung stehen, werden diese Anlagen dann voraussichtlich auf das Membranverfahren umgerüstet. Bereits mit Testbetrieb des in diesem Projekt zu bauenden Elektrolyseurs können im Erfolgsfall bei einer Kapazität von Tonnen Chlor CO 2 -Emissionen von ca t CO 2 /a vermieden werden (berechnet nach dem Deutschen Strommix, nur Energieersparnis). Von diesem Ergebnis wird auch eine Breiten- und Signalwirkung erwartet (Klimaargumentation in der Öffentlichkeit). Es wird erwartet, dass damit auch der globale Einsatz der neuen Technologie gefördert wird, was zu weiteren signifikanten CO 2 -Einsparungen weltweit führen würde. Durch Erstellung einer erweiterten Ökobilanz der SVK-Technologie und der standortspezifischen Einsetzbarkeit wird die Erreichung dieses ökologischen Ziels entscheidend unterstützt. Das Projekt fügt sich mit seinen Zielen und Aussichten damit in die Klimaschutzstrategien ein, die im BMBF-Rahmenprogramm Forschung für die Nachhaltigkeit verfolgt werden. Insbesondere dem Ziel klimarelevante Emissionen in der Wirtschaft zu verringern, kann mit diesem Pilotprojekt unter Beteiligung von Unternehmen in energieintensiven Industriezweigen nahe gekommen werden. Neue technologische Ansätze werden einer begleitenden Innovations- und Technikanalyse unterworfen, um die klimaschonende NaCl-SVK-Technologie hinsichtlich Effizienz, Kosten und Auswirkung mit den herkömmlichen Verfahren vergleichen zu können Planung und Ablauf des Vorhabens Ziel des Vorhabens ist die Erprobung eines Elektrolyseurs und dessen Peripherie im industriellen Maßstab bezüglich Aufbau und Betrieb. Damit soll das energiesparende Verfahren zur Herstellung von Chlor und Natronlauge mit Sauerstoffverzehrkathoden (SVK) unter Realbedingungen über zwei Jahre hinweg qualifiziert werden. Das Projekt gliederte sich in eine eineinhalbjährige Planungs-, Um- und Aufbauphase, in der der SVK- Elektrolyseur in eine laufende Chlorproduktionsanlage integriert wurde und eine eineinhalbjährige Prüf- und Qualifizierungsphase, während derer verschiedene typische Betriebszustände wie An- und Abfahren erlebt, Grenzbedingungen wie Minimal- oder Maximallast (näherungsweise) erkundet und das Verhalten während stationären Langzeitbetriebs erfasst wurden. Während des Betriebes (verschiedener Betriebszustände wie z.b. An- und Abfahren der Anlage) sollten offene Fragen durch begleitende akademische Forschungsarbeiten beantwortet werden. So entstehen klimawirksame Umweltauswirkungen im Lebenszyklus einer NaCl-SVK- Anlage hauptsächlich durch Energieeinsatz in den verschiedenen Zyklusphasen. Die Prozessschritte Herstellung, Installation, Wartung und Entsorgung einer NaCl-SVK-Anlage wurden daher hinsichtlich ihres Energieeinsatzes sowie weiterer prozessbedingter klimawirksamer Umweltauswirkungen analysiert. Da die Prozessschritte keine Standardprozesse sind, können die Daten nicht direkt aus Datenbanken entnommen werden. Die genannten Prozessschritte müssen entweder auf Prozessschritte mit bekannten klimawirksamen Umweltauswirkungen zurückgeführt werden oder die Zielparameter müssen durch Messungen, Bilanzierungen und Abschätzungen ermittelt werden

9 Seite 9 von 58 Weiterhin sollten einfache, technisch praktikable und kostengünstige Messtechniken zur Analyse des Betriebsverhaltens der NaCl-SVK-Technologie erarbeitet werden, insbesondere auch zur Aufklärung von Störungen. Diese Messmethoden dürfen den laufenden Betrieb nicht wesentlich beeinträchtigen und müssen jede Beschädigung der Zellen ausschließen. Der Schwerpunkt der Methoden liegt auf der Zellspannungs-Analyse, genauer: den darin enthaltenen einzelnen Anteilen der Elektrodenpotenziale und Spannungsabfälle von Zellkomponenten in Abhängigkeit von den Betriebsparametern. Mit Hilfe der im Vorgängerprojekt bewährten Luggin-Kapillaren und durch Nutzung von Teilen der Zellstruktur als Shunt-Widerstände sollten Aussagen über die Stromdichte-Verteilung in der Zelle und über Streuströme im Bereich der Zelle ermöglicht werden. Die Methode der galvanostatischen Abschaltmessung, die im Vorgängerprojekt wichtige Erkenntnisse gebracht hat, sollte für die Anwendung im technischen Maßstab weiter erforscht und genutzt werden, um die benötigten Informationen auch durch Abschaltung nur eines zusätzlich aufgeprägten Teilstroms zu erhalten. Mit den neuen Messtechniken sollte der Betrieb der NaCl-SVK-Technologie dann systematisch begleitet und analysiert werden. Die im laufenden Betriebe erhaltenen Messergebnisse sollten außerdem bei der Erstellung eines mathematischen Modells für die Stoff- und Energiebilanzen eines technischen Elektrolyseurs eingesetzt werden, dessen Grundlagen bereits im Vorgängerprojekt erarbeitet wurden (Modellierung der SVK-Zelle). Auf Basis dieses Modells sollten Hinweise zur Optimierung des Elektrolyseapparates erhalten werden. 1.5 Wissenschaftlicher und technischer Stand, an den angeknüpft wurde, insbesondere Vorarbeiten, die für die Durchführung des Vorhabens benutzt wurden. Die Arbeiten bauen auf den Ergebnissen des BMBF-Projekt "CO 2 -Reduktion bei der Herstellung chemischer Grundstoffe" (Förderkennzeichen: 01LS LS05013 sowie 01LS05139, KLIMAZWEI) auf. 1.6 Anschlussfähigkeit / Fortführung des Projektes Der Demonstrator mit einer Kapazität von t Chlor pro Jahr (ein Elektrolyseur mit 144 Elementen, er kann auf bis zu 160 Elemente aufgerüstet werden) wurde am Standort von BMS in Krefeld Uerdingen aufgebaut. Eingesetzt wurde das im Vorgängerprojekt entwickelten Zelldesign von ThyssenKrupp Uhde (Percolator) und die von BMS entwickelte SVK. Die Inbetriebnahme und der Betrieb erfolgten mit dem Know-how von BMS, hierbei wurde BMS von ThyssenKrupp Uhde unterstützt. Seit der erfolgreichen Inbetriebnahme am lief der Elektrolyseur problemlos im Betriebsverbund bis über den Berichtszeitraum hinaus. Ab Mitte 2013 sollte die kommerzielle Umsetzung gemeinsam mit ThyssenKrupp Uhde erfolgen. Bisher wurde es einigen Firmen gestattet, den Elektrolyseur in Krefeld Uerdingen zu besichtigen. Da BMS die SVK in technischer Größe herstellen kann, wurden auch andere Anwendungen, bei der eine SVK eingesetzt werden kann, betrachtet: - 9 -

10 Seite 10 von 58 Alkalische Brennstoffzelle Der Test der BMS-SVK in der alkalischen Brennstoffzelle zeigte hervorragende Performance. Die Versuche wurden im Auftrag von BMS bei der Fa. GASKATEL durchgeführt. Derzeit gibt es jedoch für die alkalische Brennstoffzelle keinen Markt. Wiederaufladbare Zink-Luft Batterie Erfolgreiche Tests der BMS-Sauerstoffverzehrkathoden in der wieder aufladbaren Zink- Luft-Batterie wurden von BMS und der TU Clausthal durchgeführt. Nach erfolgreichen Tests der BMS-SVK in der wieder aufladbarem Zink-Luft Batterie wurde zur Entwicklung der Batterie ein Projekt initiiert. Das Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) fördert das Projekt im Rahmen Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet von Energiespeichertechnologien (Förderinitiative Energiespeicher vom )) seit dem Projekttitel: Wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien zur Energiespeicherung, Akronym: ZnPLUS. Erste Versuche zur Herstellung von Elektroden für die alkalische Wasserelektrolyse basierend auf dem BMS Herstellverfahren für die SVK wurden erfolgreich mit anderen Katalysatoren durchgeführt. Die Weiterentwicklung erfolgt derzeit bei BMS. 1.7 Zusammenarbeit mit anderen Stellen BMS arbeitet derzeit an einer Kostenreduktion der Elektrode. Ein vielversprechender Ansatz hierbei sind kohlenstoff-basierte Elektroden, die mit dem BMS-Herstellverfahren hergestellt werden. Diese Arbeiten erfolgen unter anderem in dem vom BMBF geförderten Projekt CarboElCh. In Kooperation mit ThyssenKrupp Uhde wird an der weiteren Optimierung der SVK- Technologie gearbeitet Weiterhin werden gemeinschaftlich mit ThyssenKrupp Uhde Marketingkonzepte erarbeitet. Ein japanischer Membran-Hersteller entwickelt derzeit eine spezielle Membran für die NaCl-SVK Elektrolyse, mit der die Performance weiter verbessert werden soll. 2. Demonstrator (BMS) Im Folgenden wurden nicht alle gewonnenen Erkenntnisse aufgrund von Geheimhaltung genannt. 2.1 Aufbau und Betrieb Als Standort für den Demonstrator (Elektrolyseur) wurde Krefeld-Uerdingen gewählt. Am Standort Uerdingen wurde mit dem SVK-Elektrolyseur eine Teilkapazität der Amalgam- Anlage ersetzt. Der Elektrolyseur hat eine Kapazität von t Chlor/a bei einer Stromdichte von 4 ka/m² und verfügt über 144 Elemente. Es wurde entschieden, dass der Elektrolyseur mit Anoden der Gen.3 von ThyssenKrupp Uhde ausgerüstet wird und verschiedene Membrantypen zum Einsatz kommen. Der Elektrolyseur wurde vollständig in die Infrastruktur der Chlor-Anlage am Standort Uerdingen eingebunden, d.h. er wird zusammen mit einer Membrananlage und zeitweise mit einer Amalgamanlage betrieben

11 Seite 11 von 58 und ist vollständig eingebunden in die NaCl- und Natronlauge-Zu- und Abfuhr und die Chlor-Weiterverarbeitung. Lediglich die Natronlauge aus dem SVK-Elektrolyseur wird, bevor sie mit der Natronlauge der anderen Anlagen vereinigt wird, von enthaltenem Sauerstoff durch eine Stripp-Kolonne befreit. Alle notwendigen Sicherheitstestate wurden durchgeführt und die behördlichen Genehmigungen eingeholt. Aufgrund noch zu lösender strömungstechnischer Probleme wurde der Inbetriebnahmetermin um 10 Monate verschoben. BMS stellte erstmals eine derartig große Anzahl an SVKs her. Hierbei wurde ein Qualitätssicherungssystem entwickelt und angewandt, um die Rohstoffe und die Fertigung sowie das Endprodukt, die Elektrode, zu überwachen. Es wurden verschiedene Rohstofflieferanten beauftragt. Alle hergestellten SVKs wurden in Halb- bzw. Laborzellentest bezüglich ihrer Performance geprüft und entsprachen der Qualitätsanforderung. Die Fertigung der SVK wurde im Mai 2011 abgeschlossen. Die Fertigungskontrolle der Elemente für den Elektrolyseur wurde von BMS durchgeführt (auch durch Unterauftrag an Bayer Technology Services). Die SVKs wurden in die von ThyssenKrupp Uhde gelieferten Elemente von März bis Mai 2011 eingebaut Nach Montage der Membran und der Anode wurde eine Dichtigkeitsprüfung für jedes Element durchgeführt. Hiernach wurden die Elemente in das Rack gehangen und die endgültige Montage mit Verpressung erfolgte. 2.2 Performance Die Inbetriebnahme des Elektrolyseurs erfolgte erfolgreich am Die mittlere Zellspannung betrug 2,03 V bei einer Stromdichte von 4,02 ka/m² und entsprach der Erwartung (Elektrolyttemperaturen von 88 C, 31,5%ige Natronlauge und 220 g/l Natriumchlorid-Gehalt). Nach einem Jahr stieg die Spannung auf 2,06V an. Dieser Anstieg um ca. 30mV gegenüber dem Start ist für Membrananlagen ein üblicher Wert innerhalb eines Jahres und nicht spezifisch für die SVK-Technologie. Ursache für den Spannungsanstieg ist im Wesentlichen die Alterung der Membran aufgrund von Einlagerung geringster Mengen Verunreinigungen aus dem Elektrolyten. Dies erfordert normalerweise einen Membranwechsel nach 4 bis 5 Jahren. Auffällig unter den 144 Elementen waren 11 Elemente, bei denen zur SVK-Herstellung eine bestimmte Katalysator-Charge eingesetzt wurde. Diese Elemente wiesen eine ungewöhnlich hohe Zellspannung auf, die mit mV über den anderen Spannungen lag. Auffällig war diese Charge in den durchgeführten Vortests nicht. Da die hohe Spannung der Elemente immer wieder zur automatischen Lastabsenkung des Elektrolyseurs führte, wurde beschlossen, die betroffenen Elemente mit neuen SVKs auszurüsten. In einem 4-tägigen Stillstand Ende Nov wurde für den Tausch der SVKs erstmals die Verpressung der Elemente im Rack gelöst, die betroffenen Elemente wurden gezogen, geöffnet, neue SVKs montiert und der Elektrolyseur wieder in Betrieb genommen. Dieser Prozess verlief völlig unproblematisch. Nach der Inbetriebnahme konnten alle Elemente

12 Seite 12 von 58 auf ungefähr gleichem Spannungsniveau von ca. 2,03 V betrieben werden. Die wesentlichen Ergebnisse aus der Inspektion der getauschten 11 Elemente und weiterer 10 Elemente im Berichtszeitraum waren: Alle Elemente zeigten keine Beschädigungen der verwendeten Komponenten. 2.3 Wasserstoff-Entwicklung Seit der Inbetriebnahme wurde trotz der niedrigen Zellspannung eine minimale Wasserstoffentwicklung beobachtet. Ein Sauerstoffrecycling war nicht möglich und ein hoher Sauerstoff-Verlust war die Folge. Als Ursache der Wasserstoffentwicklung wurden Streuströme identifiziert. Ein Konzept zur Vermeidung der Streuströme wurde gemeinsam mit ThyssenKrupp Uhde entwickelt und erfolgreich an 20 Elementen erprobt. 2.4 Zusammenfassung Die Erprobung der Technologie unter technischen Betriebsbedingungen zeigte, dass eine ca. 27%ige Energieersparnis erreicht wurde. So betrug der spezifische Energieverbrauch bei Inbetriebnahme kwh / t Chlor. Neue, modernste Membrananlagen liegen bei kwh/ t Chlor. Durch weitere Optimierung der SVK-Technologie, insbesondere durch Integration von Komponenten aus der weiterentwickelten Standard-Membrantechnologie sollte eine Energieersparnis mehr als 30% möglich werden. Die SVK-Technologie hat sich im Berichtszeitraum von 15 Monaten unter den technischen Einsatzbedingungen der Chlor-Alkali-Elektrolyse bewährt. Eine allgemeine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Technologie ist aus vorliegenden Erfahrungen wenig sinnvoll, da die Wirtschaftlichkeit der SVK-Technologie abhängig ist von den Bedingungen am jeweiligen Standort wie Strompreis, Sauerstoffpreis, Vergütungsbasis für den Wasserstoff usw. Bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit werden vermutlich demnächst noch weitere Argumente zu berücksichtigen sein: die Verfügbarkeit der Energie und die Kosten für CO 2 -Emissionen. Insbesondere in China ist Energie knapp, und ressourcenschonende Technologien werden dort bevorzugt. Isolierte Chemiestandorte können ebenfalls interessant werden, da hier meist nur ein Kraftwerk betrieben wird und die Energiemenge damit begrenzt ist. Mit SVK-Technologie könnte dann um die 30% mehr Chlor hergestellt werden, ohne ein neues Kraftwerk zu bauen. Auch unter den jetzigen Bedingungen wird sich im Weltmarkt ein wirtschaftliches Fenster zur Nutzung ergeben, entsprechende Nachfragen verdeutlichen dies bereits. 3. Ökobilanz (RWTH Aachen) 3.1 Methodik und Vorgehensweise Zur Ermittlung der klimawirksamen Umweltauswirkungen wurde eine Ökobilanz in Anlehnung an die Norm ISO 14040/44 durchgeführt. Der Untersuchungsrahmen ist die Ermittlung der Umweltauswirkungen im Lebenszyklus der SVK-Technologie im Vergleich

13 Seite 13 von 58 mit den entsprechenden Auswirkungen im Lebenszyklus einer Anlage mit Standardmembran-Technologie (nachfolgend STK-Technologie genannt). Für den Vergleich der beiden Technologien wird ein quantifizierter Nutzen als Vergleichseinheit benötigt. Diese Vergleichseinheit wird im Rahmen einer Ökobilanz funktionelle Einheit (fe) genannt. Die funktionelle Einheit wird durch die Angabe eines Referenzflusses quantifiziert. Der gemeinsame Nutzen von SVK- und STK-Technologie ist die Herstellung von gasförmigem Chlor und Natronlauge. Das Kuppelprodukt Wasserstoff wird nur durch die STK-Technologie hergestellt, es ist daher kein gemeinsamer Nutzen. Da der Wasserstoff aber ein nutzbares Nebenprodukt darstellt, muss er in dem Vergleich berücksichtigt werden. Im Folgenden werden drei Szenarien mit zwei unterschiedlichen funktionellen Einheiten definiert werden, die das Nebenprodukt Wasserstoff auf unterschiedliche Art berücksichtigen. Eine systematische Vorgehensweise zur Ermittlung möglicher Szenarien wurde im Rahmen des Vorhabens veröffentlicht [1]. Im ersten technisch relevanten Szenario wird angenommen, dass Wasserstoff aus einer Anlage mit STK-Technologie als Brennstoff thermisch verwertet wird. In der Regel wird Wasserstoff dazu mit einem fossilen Brennstoff (z.b. Erdgas) gemischt und zur Energieerzeugung verbrannt. Wird an einem solchen Standort die SVK-Technologie eingesetzt, kann der dann nicht mehr produzierte Wasserstoff für die Verbrennung durch zusätzlichen fossilen Brennstoff ersetzt werden. Es ist daher nicht notwendig, ersatzweise Wasserstoff zur thermischen Verwertung zu erzeugen. Vielmehr erhält die STK- Technologie eine Gutschrift für die vermiedene Verbrennung von zusätzlichem fossilen Brennstoff. Die funktionelle Einheit für dieses Szenario umfasst daher die Produktion der gemeinsamen Produkte von SVK- und STK-Technologie: gasförmiges Chlor und in Wasser gelöstes NaOH (Natronlauge). Der Referenzfluss dieser funktionellen Einheit ist die Herstellung von 1t gasförmigem Chlor und 1,128t in Natriumhydroxid (NaOH). Die Massenverhältnisse folgen dabei aus der Stöchiometrie. Der Massenanteil NaOH der wässrigen Lösung soll w NaOH = 0,5 betragen, da dies der marktüblichen Konzentration von Natronlauge entspricht. Darüber hinaus sollen Chlor und Natronlauge im thermodynamischen Zustand (Druck, Temperatur, Reinheit) einer typischen Anlage mit STK-Technologie bereitgestellt werden. Dieses Szenario wird im folgenden H 2 -thermisch- ErdgasGutschrift genannt. Im zweiten und dritten Szenario wird angenommen, dass Wasserstoff aus einer Anlage mit STK-Technologie in nachfolgenden chemischen Prozessen (z.b. Herstellung von Isocyanaten) stofflich weiterverwertet wird. In diesen Szenarien kann der Wasserstoff nicht durch ein anderes Produkt ersetzt werden. Daher umfasst die funktionelle Einheit dieser Szenarien zusätzlich zur Produktion von Chlor und Natronlauge auch die Erzeugung von Wasserstoff. Der Referenzfluss der funktionellen Einheit für das zweite und dritte Szenario ist daher die Herstellung von 1t gasförmigem Chlor, 1,128t NaOH und 0,028t gasförmigem Wasserstoff. Da die SVK-Technologie keinen Wasserstoff produziert, muss für einen Vergleich mit der STK-Technologie ein alternativer Prozess zur Erzeugung von Wasserstoff berücksichtigt werden. Das zweite und das dritte Szenario unterscheiden sich in dem betrachteten Prozess zur alternativen Wasserstofferzeugung: Im zweiten Szenario wird angenommen, dass die SVK-Technologie mit einem Dampf-Reformer kombiniert wird. Dieses Szenario wird im folgenden H 2 -stofflich-dampfreformer genannt und ist ebenfalls mit heutigen Technologien denkbar, weil Dampf-Reformer bereits zur H 2 - Erzeugung im industriellen Maßstab eingesetzt werden. Im dritten Szenario wird der Wasserstoff in einer H 2 O-Elektrolyse produziert. Dieses Szenario heißt dementsprechend H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse. Obwohl H 2 O-Elektrolysen derzeit wenig an industriellen Standorten zur H 2 -Produktion eingesetzt werden, könnten sie zukünftig an Bedeutung

14 Seite 14 von 58 gewinnen [2]. Die Referenzflüsse der funktionellen Einheiten sind für alle Szenarien in Tabelle 1 zusammengefasst. Szenario funktionelle Einheit / Referenzflüsse H 2 -thermisch-erdgasgutschrift 1,000t Cl 2 (gasförmig, T STK, p STK, w Cl2, STK ) + 1,128t NaOH (in H 2 O gelöst, T STK, p STK, w NaOH =0,5) H 2 -stofflich-dampfreformer 1,000t Cl 2 (gasförmig, T STK, p STK, w Cl2, STK ) + 1,128t NaOH (in H 2 O gelöst, T STK, p STK, w NaOH =0,5) + 0,028t H 2 (gasförmig, T, p, Reinheit) H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse 1,000t Cl 2 (gasförmig, T STK, p STK, w Cl2, STK ) + 1,128t NaOH (in H 2 O gelöst, T STK, p STK, w NaOH =0,5) + 0,028t H 2 (gasförmig, T, p, Reinheit) Tabelle 1: Szenarien, funktionelle Einheit und dazugehörige Referenzflüsse für den Vergleich von STKund SVK-Technologie Die Systemgrenze für die SVK-Technologie ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Betriebsphase der SVK-Anlage umfasst die Bereitstellung der Rohstoffe Natriumchlorid (NaCl) und Wasser (H 2 O) sowie die Stromerzeugung für den Betrieb der Elektrolyse. Die SVK-Technologie erzeugt eine Natronlauge einem Massenanteil von w NaOH =0,32. Die Systemgrenze umfasst daher zusätzlich einen Prozess zur Eindampfung der Natronlauge auf einen Massenanteil von w NaOH =0,5. Diese Eindampfung benötigt Prozessdampf. Im Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift und H 2 -stofflich-dampfreformer wird der benötigte Sauerstoff aus einer Luftzerlegungsanlage bereitgestellt (strichpunktierte Linien). Im Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer wird der Wasserstoff in einem Dampf-Reformer erzeugt (strichpunktierte Linien). Im Szenario H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse wird sowohl der Wasserstoff als auch der Sauerstoff für die SVK-Technologie in einer H 2 O-Elektrolyse hergestellt (punktierte Linien). Für die SVKs wurde ein Recyclingprozess modelliert, der Teile der verbrauchten SVK wieder der Herstellung neuer SVKs zuführt. Weiterhin werden die Herstellung und Entsorgung der übrigen Komponenten einer Anlage mit SVK- Technologie analysiert

15 Seite 15 von 58 Abbildung 2: Systemgrenzen für die Chlorherstellung mit einer Sauerstoffverzehrkathode (SVK), Systemerweiterung für Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer: Dampfreformer und Sauerstoffbereitstellung (strichpunktierte Linien), Systemerweiterung für Szenario H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse: H 2 O-Elektrolyse (punktierte Linien) Die Systemgrenzen für die STK-Technologie sind in Abbildung 3 gezeigt. Im Unterschied zur SVK-Technologie produziert die Anlage mit STK-Technologie Wasserstoff. Für das Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift umfassen die Systemgrenzen eine Gutschrift für die vermiedene Verbrennung von Erdgas (gestrichelte Linie). Der Rohstoffbedarf der beiden Elektrolysetechnologien wird aus den stöchiometrischen Reaktionsgleichungen ermittelt. Für die SVK-Technologie gilt 2 NaCl + H 2 O + 0,5 O 2 Cl NaOH Für die die STK-Technologie gilt 2 NaCl + 2 H 2 O Cl NaOH + H

16 Seite 16 von 58 Herstellung Betrieb Entsorgung Energieerzeugung Strom Rohstoffbereitstellung H2O Rohstoffbereitstellung NaCl Strom H 2O NaCl Herstellung Elektrolyseur STK-Elektrolyseur STK Elektrolyse STK-Elektrolyseur Entsorgung Elektrolyseur Cl 2 (NaOH) aq H 2 Energieerzeugung Dampf Dampf Eindampfung NaOH (NaOH) aq Rohstoffbereitstellung Erdgas Erdgas Verbrennung Erdgas Abbildung 3: Systemgrenzen für die Chlorherstellung mit einer Standardkathode (STK), Gutschrift für Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift: Erdgasverbrennung (gestrichelte Linien) Der Strombedarf der Elektrolyse wird mit Hilfe des Faraday schen Gesetzes bestimmt. Für den spez. Strombedarf pro Masseneinheit Chlor gilt w U ell a f = Z el. Die Faraday sche Konstante f ist konstant, die Stromausbeute a wird für beide Technologien gleich angenommen. Im Gegensatz dazu unterscheiden sich SVK- und STK-Technologie in der notwendigen Zellspannung U Zell. Eine Anlage mit STK- Technologie arbeitet typischerweise bei einer Zellspannung von U STK =3,0V. Die SVK- Technologie hingegen kommt mit einer Zellspannung von U SVK =2,0V aus. Die gewählten Parameter zur Berechnung des Strombedarfs sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die benötigten Strom- und Rohstoffmengen von SVK- und STK-Technologie sind in Tabelle 3 dargestellt

17 Seite 17 von 58 Parameter Name Einheit Wert U SVK Zellspannung SVK-Technologie V 2,0 U STK Zellspannung STK-Technologie V 3,0 a Stromausbeute - 0,97 f Faraday Konstante für Cl 2 (V kg Cl2 ) / kwh 1,3226 Tabelle 2: Parameter zur Berechnung des Strombedarfs der Elektrolysen Input Output Fluss Einheit SVK STK SVK STK Energie kwh H 2 O t 0,254 0, NaCl t 1,648 1, O 2 t 0, Cl 2 t (NaOH) aq t - - 1,128 1,128 H 2 t ,028 Tabelle 3: Strom- und Rohstoffbedarf der SVK- und STK-Technologie Neben den beiden Elektrolyse-Technologien wurden die Eindampfung der Natronlauge und die H 2 O-Elektrolyse für das Szenario H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse modelliert. Für die Eindampfung wurde ein Dampfbedarf nach Sattler [3] berechnet. Der Energiebedarf einer H 2 O-Elektrolyse wurde nach Ursua [2] modelliert. Die verwendeten Werte für den Dampfbedarf der Eindampfung und den Energiebedarf der H 2 O-Elektrolyse sind in Tabelle 4 dargestellt. Die übrigen Prozesse der Betriebsphase wurden mit Hilfe von Lebenszyklusdaten aus Datenbanken modelliert (Anhang 3). Der Rohstoffbedarf zur Herstellung beider Elektrolyse-Anlagen wurde im Rahmen dieses Vorhabens detailliert analysiert. Abbildung 4 zeigt die berücksichtigten Prozesse zur Herstellung der Anlagen. Für die Sauerstoffverzehrkathode wurde zudem ein Recyclingverfahren in den Herstellungsprozess integriert. Die Lebensphase Entsorgung enthält Lebenszyklusdaten zur Entsorgung aller Komponenten aus Stahl, Kupfer und Polypropylen (PP)

18 Seite 18 von 58 Prozess Fluss Einheit Input Output Eindampfung Dampf t 1,125 - NaOH aq (w NaOH =0,32) t 1 - NaOH aq (w NaOH =0,5) t - 1 Brüden t - 2,25 H 2 O-Elektrolyse 4 H 2 O t 8,94 - Energie kwh H 2 t - 1 O 2 t - 7,94 Tabelle 4: Energie- und Rohstoffbedarf der Eindampfung und der H 2 O-Elektrolyse Abbildung 4: Berücksichtigte Rohstoffe und Energien zur Herstellung der SVK- und STK-Anlage Für die übrigen Materialien, GFK, PTFE, Titan, Nickel, Gold und Silber konnten in den zur Verfügung stehenden Lebenszyklusdatenbanken keine Daten zu Entsorgungsprozessen ermittelt werden. Es wird angenommen, dass beide Anlagen eine Lebensdauer von 24 Jahren haben und aus 160 Zellen bestehen. Die Kathoden und die Membran haben kürzere Lebensdauern 4 Grundlage des Strombedarfs ist ein spezifischer Strombedarf von 4,3kWh/Nm 3 H 2 nach [2]

19 Seite 19 von 58 von 4 Jahren, die Anode eine Lebensdauer von 8 Jahren. Diese Elemente werden dementsprechend 3- bzw. 4-mal innerhalb der Lebensdauer hergestellt. Die gesamten Umweltauswirkungen wurden jeweils durch die produzierten Mengen an Chlor und Natronlauge (Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift) bzw. Chlor, Natronlauge, und Wasserstoff (Szenarien H 2 -stofflich-dampfreformer und H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse) geteilt, um die Ergebnisse auf die jeweiligen Referenzflüsse zu beziehen. Es wurden insgesamt 7 Umweltwirkungskategorien mit Hilfe der ReCiPe-Methode ausgewertet [4]. Tabelle 5 zeigt die ausgewertete Wirkungskategorie mit dem zugehörigen Referenzstoff sowie die Bezeichnung der verwendeten ReCiPe-Methode. Wirkungskategorie Referenzstoff Abkürzung ReCiPe-Methode (deutsch) (englisch) Treibhauspotential CO 2 GWP Klimawandel Ozonabbaupotential CFC-11 ODP Ozonabbau Humantoxizitätspotential 1,4-Dichlorbenzol HTP Humantoxizität Photochemisches Ozonbildungspotential NMVOC POCP Photochemische Oxidation Versauerungspotential SO 2 AP Terrestrisches Versauerung Eutrophierungspotential P EP Überdüngung Frischwasser Fossiler Ressourcenbedarf Erdöl - Verbrauch fossiler Ressourcen Tabelle 5: Ausgewertete Umweltwirkungskategorien, zugehörige Effekte und ReCiPe-Methode 3.2 Ergebnisse Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift Für das Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift sind die klimawirksamen Umweltauswirkungen in Form des Global Warming Potential (GWP) in Abbildung 5 gezeigt. Die Gutschrift für die vermiedene Verbrennung von Erdgas ist als negativer Balken für die STK-Technologie dargestellt. Die tatsächlichen Emissionen der STK- Technologie sind auf den Wert der Gutschrift in den negativen Bereich verschoben. So können die absoluten Werte der Balken für die STK- und SVK-Technologie direkt verglichen werden. Für die SVK-Technologie ergeben sich in diesem Szenario 1,8 t CO 2 -Äquivalente Emissionen pro funktionelle Einheit, während die STK-Technologie nach Abzug der Gutschrift 2,04 t CO 2 -Äquivalente Emissionen verursacht. Trotz Abzug der Gutschrift bei der STK-Technologie hat die SVK-Technologie insgesamt geringere klimawirksame Umweltauswirkungen

20 Seite 20 von 58 Abbildung 5: Klimawirksame Umweltauswirkungen (GWP) im Lebenszyklus von SVK- und STK- Technologie für das Szenario H 2 -thermisch-erdgasgutschrift Trotz Abzug der Gutschrift bei der STK-Technologie hat die SVK-Technologie insgesamt geringere klimawirksame Umweltauswirkungen. Die Stromerzeugung für die Elektrolyse hat mit 59% (SVK) bzw. 70% (STK) den größten Anteil an den gesamten Ergebnissen, weiterhin tragen die Rohstoffbereitstellung für Dampf zur Eindampfung von NaOH und die Rohstoffbereitstellung von NaCl signifikant zu den gesamten Emissionen bei. Sowohl die Bereitstellung von Sauerstoff für die SVK- Elektrolyse (2 %) als auch die Herstellung der Elektrolyseanlagen (0,1% für SVK- Technologie und STK-Technologie) haben nur einen sehr geringen Einfluss auf die gesamten Emissionen. Die in Abbildung 5 gezeigten Ergebnisse verwenden Daten für die durchschnittliche Stromerzeugung in Deutschland sowie für den deutschen Erdgasmix für die Gutschrift. Beide Parameter können standort-spezifisch stark von den durchschnittlichen Daten abweichen. Abbildung 6 zeigt daher die gesamten klimawirksamen Umweltauswirkungen zur Erzeugung der funktionellen Einheit in Abhängigkeit der klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung und der Erdgasverbrennung. Dargestellt ist jeweils der Wert für die Technologie mit den geringeren klimawirksamen Umweltauswirkungen. Die schwarze Linie kennzeichnet die Parameterkombination, bei der SVK- und STK-Technologie gleiche klimawirksame Umweltauswirkungen haben. Die STK-Technologie ist demnach vorteilhaft bei geringen klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung und gleichzeitig hohen Emissionen der Erdgasverbrennung, also einer hohen Gutschrift (im Diagramm links oben). Im Gegenteil dazu ist die SVK-Technologie bei höheren Emissionen der Stromerzeugung und einer niedrigen Gutschrift vorteilhaft

21 Seite 21 von 58 Abbildung 6: Klimawirksame Umweltauswirkungen (GWP) im Lebenszyklus von SVK- und STK- Technologie für das Szenario H 2 -Thermisch-ErdgasGutschrift in Abhängigkeit der klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung und der Erdgasverbrennung Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse für 6 weitere Umweltauswirkungen: Ozonabbaupotential, Humantoxizitäts-potential, Photochemisches Ozonbildungspotential, Versauerungspotential, Eutrophierungspotential und fossiler Ressourcenbedarf. Das Ozonabbaupotential ist die einzige Kategorie, in der die SVK-Technologie höhere Auswirkungen als die STK-Technologie hat. Der Grund hierfür ist der im Vergleich zu den übrigen Wirkungskategorien hohe Einfluss der Gutschrift für die vermiedene Verbrennung von Erdgas. Die verwendeten Lebenszyklusdaten für die Verbrennung von Erdgas beinhalten Annahmen über Gasleckagen während des Transports von importiertem Gas nach Deutschland. Das hohe Ozonabbaupotential der Verbrennung von Erdgas lassen sich auf diese Leckagen im Transport von importiertem Erdgas zurückführen. Die Annahmen über diese Leckagen gelten allerdings als unsicher, da es keine exakten Daten hierzu gibt. Das Ozonabbaupotential ist gleichermaßen die einzige Wirkungskategorie, in der die Herstellung der Elektrolyseanlagen einen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis hat. Die CFC-11-Äquivalenten Emissionen dieser Lebensphase sind hauptsächlich auf die Bereitstellung von PTFE zurückzuführen. Da die SVK-Technologie PTFE für die SVK benötigt, hat die SVK-Technologie insgesamt höhere CFC-11-Äquivalente Emissionen

22 Seite 22 von 58 In den Wirkungskategorien Humantoxizitätspotential und Eutrophierungspotential hat die Gutschrift für die vermiedene Verbrennung von Erdgas keinen Einfluss. In beiden Kategorien dominiert der Einfluss der Stromerzeugung das Ergebnis. Dementsprechend groß sind die relativen Einsparungen der SVK-Technologie gegenüber der STK- Technologie (Humantoxizitätspotential 30%, Eutrophierungspotential 33%). In den Kategorien Photochemisches Oxidationspotential und Versauerungspotential haben die Bereitstellung des Rohstoffs NaCl sowie die Energieerzeugung Dampf zur Eindampfung von NaOH einen relativ hohen Anteil am Gesamtergebnis. Die Werte sind allerdings für SVK- und STK-Technologie gleich groß, so dass die SVK-Technologie insgesamt in beiden Kategorien vorteilhaft bleibt

23 Seite 23 von 58 Abbildung 7: Ergebnisse der Szenarien H 2 -thermisch-erdgasgutschrift in den Kategorien a) Ozonabbaupotential b) Humantoxizitätspotential c) Photochemische Ozonbildungspotential d) Versauerungspotential e) Eutrophierungspotential f) fossiler Ressourcenverbrauch

24 Seite 24 von Ergebnisse Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer und H 2 -stofflich-h 2 O- Elektrolyse Die klimawirksamen Umweltauswirkungen in Form des Global Warming Potentials (GWP) sind für die Szenarien H 2 -stofflich-dampfreformer und H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse in Abbildung 8 dargestellt. Die Chlorherstellung mit STK-Technologie ist in beiden Szenarien gleich, daher ist der obere Balken für die STK-Technologie für beide Szenarien gültig. Abbildung 8: Klimawirksame Umweltauswirkungen (GWP) im Lebenszyklus von SVK- und STK- Technologie für die Szenarien H 2 -stofflich-dampfreformer und H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse Für die STK-Technologie ergeben sich über den gesamten Lebenszyklus Emissionen von 2,3 t CO 2 -Äquivalente pro funktionelle Einheit. Dies entspricht dem Wert aus Abbildung 5 ohne Abzug der Gutschrift. Im Vergleich dazu hat die SVK-Technologie im Szenario H 2 - Stofflich-DampfReformer mit 2,1 t CO 2 -Äquivalente pro funktionelle Einheit 8% geringere klimawirksame Emissionen. Im Gegensatz dazu sind die klimawirksamen Emissionen der SVK-Technologie im Szenario H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse mit 2,7 t CO 2 -Äquivalente pro funktionelle Einheit um 17% höher als bei der STK-Technologie. Die Stromerzeugung für die Chlor-Alkali-Elektrolysen hat sowohl für die STK- als auch für die SVK-Technologie in beiden Szenarien den größten Anteil an den Umweltauswirkungen. Entscheidend für den Vergleich zwischen SVK- und STK- Technologie ist darüber hinaus die Wasserstofferzeugung, die mit der SVK-Technologie kombiniert wird. Der Vergleich der beiden Szenarien zeigt, dass eine Wasserstofferzeugung aus fossilem Brennstoff mit einem Dampf-Reformer vorteilhaft ist, obwohl noch zusätzlich Sauerstoff in einer Luftzerlegungsanlage bereitgestellt werden muss. Die Kombination der SVK-Technologie mit derzeit verfügbaren H 2 O-Elektrolysen ist hinsichtlich der Klimawirkung nicht vorteilhaft. Weitere nennenswerte Anteile an den klimawirksamen Emissionen haben die Prozesse Energieerzeugung Dampf und Rohstoffbereitstellung NaCl, diese sind aber für beide STK- und SVK-Technologie in beiden Szenarien gleich. Dagegen haben Herstellung und

25 Seite 25 von 58 Recycling der Anlagen sowie die Rohstoffbereitstellung H 2 O keinen signifikanten Einfluss auf klimawirksamen Umweltauswirkungen. Die Stromerzeugung kann in Abhängigkeit des Standortes sehr stark variieren. Abbildung 9 zeigt die Verläufe der klimawirksamen Emissionen der SVK- und STK-Technologie für beide Szenarien in Abhängigkeit der klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung. t CO 2 -Äquiv. / (1t Cl 2 + 1,13t NaOH + 0,028t H 2 ) 4,5 4 Frankreich Deutschland China 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 Abbildung 9: STK SVK SVK g CO 2 -Äquiv./kWh el H2 - stofflich - H2 - stofflich - H2O-Elektrolyse DampfReformer Klimawirksame Umweltwirkungen (GWP) der SVK- und STK-Technologie in Abhängigkeit der klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung für die Szenarien H 2 -stofflich- DampfReformer und H 2 -Stofflich-H 2 O-Elektrolyse Beispielhaft sind die Werte für den Strommix in Deutschland, Frankreich und China eingezeichnet. Die linearen Verläufe zeigen, dass die Vorteile der SVK-Technologie im Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer grundsätzlich bei hohen klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung steigen (z.b. Strommix China). Da die Wasserstofferzeugung durch den Dampf-Reformer nicht von der Stromerzeugung abhängt, büßt die SVK-Technologie ihren Vorteil bei geringeren klimawirksamen Emissionen der Stromerzeugung ein. Bei einem Wert von 443g CO 2 -Äquivalente / kwh el haben SVK- und STK-Technologie gleiche klimawirksame Emissionen. Bleiben die Emissionen der Stromerzeugung sogar unterhalb von diesem Wert (z.b. Strommix Frankreich), so ist die STK-Technologie im Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer vorteilhaft. Da im Szenario H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse auch die Wasserstofferzeugung von der Stromerzeugung abhängt, bleibt hier der Vorteil der STK-Technologie über den gesamten Verlauf der Emissionen der Stromerzeugung unverändert. Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse für 6 weitere Umweltwirkungskategorien: Ozonabbaupotential, Humantoxizität, Photochemisches Ozonbildungspotential, Versauerungspotential, Eutrophierungspotential und fossiler Ressourcenbedarf. Mit Ausnahme des fossilen Ressourcenbedards bestätigt sich der Trend der Klimawirkung: Im Szenario H 2 -stofflich-dampfreformer hat die SVK-Technologie geringere Umweltauswirkungen als die STK-Technologie, im Szenario H 2 -stofflich-h 2 O-Elektrolyse sind die Auswirkungen der SVK-Technologie höher. Dagegen hat die SVK-Technologie in