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Institut für Technische Thermodynamik 1
Projekt
Lebenszyklusanalyse ausgewählterzukünftiger Stromerzeugungstechniken
Dr. Peter Viebahn
AP 2: Brennstoffzellen
Institut für Technische Thermodynamik 2
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
Institut für Technische Thermodynamik 3
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
Institut für Technische Thermodynamik 4
Modellierte Brennstoffzellen
�250 kW CHP SOFC (tubular)�300 kW HYBRID SOFC (tubular)�200 kW ONSI PC25C
Institut für Technische Thermodynamik 5
Institut für Technische Thermodynamik 6
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
� Umberto-Datenbank / Balance-Datenbank� weitere Prozesse aus Gabi, Oekoinventare 1996
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Institut für Technische Thermodynamik 8
Stack: Verteilung CO2-Emissionen
Kathode: KleberherstellungKathode: ExtrudierenKathode: Sintern
Interconnector: Plasmaspritzen
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
Institut für Technische Thermodynamik 9
Institut für Technische Thermodynamik 10
BoP: Verteilung CO2-Emissionen
Isolierung Druckkessel
Luft- und Brennstoff-Verteilsystem
Luftverteilerschacht
Reformer-Platten
Desulphuriser
Luftvorwärmer
Wärmetauscher
Wechselrichter
Anderes
Druckkessel
DruckkesselIsolierung DruckkesselLuft- und Brennstoff-VerteilsystemLuftverteilerschachtReformer-PlattenDesulphuriserLuftvorwärmerWärmetauscherWechselrichterAnderes
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Institut für Technische Thermodynamik 12
Stack & BoP: Verteilung CO2-Emissionen
Kathode: Stoffherstellung
Elektrolyt (EVD)
Interconnector: Plasmaspritzen
Restliche Stackprozesse
Druckkessel
Luftverteilerschacht
Luft- und Brennstoff-Verteilsystem
Wärmetauscher
Luftvorwärmer
Restliche BoP-Materialien
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Stack & BoP: Anteile CO2-Emissionen
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Kathode
: Stof
fherst
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trolyt
(EVD)
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lien
CO2 Material CO2 Herstellungsprozess
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Institut für Technische Thermodynamik 15
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
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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
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Institut für Technische Thermodynamik 18
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
Institut für Technische Thermodynamik 19
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
Institut für Technische Thermodynamik 20
Institut für Technische Thermodynamik 21
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
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Institut für Technische Thermodynamik 23
Stack: Verteilung CO2-Emissionen
Fertigung BZ-Rahmen
Fertigung Katalysator
Fertigung Stack und Elektroden
Fertigung BZ-RahmenFertigung KatalysatorFertigung Stack und Elektroden
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BoP: Verteilung CO2-Emissionen
Kühlsystem
Herstellung BZ-Rahmen
Wärmetauscher
WechselrichterAnderes
Herstellung Kabel,Röhren,Transformator
Stackisolierung
Prereformer/Reformer
Prereformer/ReformerStackisolierungKühlsystemHerstellung Kabel,Röhren,TransformatorHerstellung BZ-RahmenWärmetauscherWechselrichterAnderes
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Institut für Technische Thermodynamik 27
Stack & BoP: Verteilung CO2-Emissionen
PAFC: CO2-Emissionen bei der Herstellung von Stack und BoP
Fertigung Katalysator
Fertigung BZ-Rahmen
Fertigung Stack und Elektroden
Herstellung BZ-Rahmen
Wärmetauscher
Herstellung Kabel,Röhren,Transformator
Restliche BoP-Materialien
Prereformer/Reformer
Fertigung KatalysatorFertigung BZ-RahmenFertigung Stack und ElektrodenPrereformer/ReformerHerstellung BZ-RahmenWärmetauscherHerstellung Kabel,Röhren,TransformatorRestliche BoP-Materialien
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