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Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung

Diplomarbeit 2003 93 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

ABBILDUNGSVERZEICHNIS

VERZEICHNIS VON ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLEN

1 EINLEITUNG
1.1 Brennstoffzellen zur Hausenergieversorgung
1.2 Aufgabenstellung und Gliederung der Arbeit

2 GRUNDLAGEN
2.1 Die Ökobilanz nach ISO-Norm
2.1.1 Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens
2.1.2 Sachbilanz
2.1.3 Wirkungsabschätzung
2.1.4 Auswertung
2.1.5 Einschränkung einer Ökobilanz
2.2 Die Brennstoffzelle
2.2.1 Geschichte und Begriffsklärung der Brennstoffzelle
2.2.2 Aufbau und Funktionsweise
2.2.3 Brennstoffzellen-Typen und ihre Eignung zur Hausenergieversorgung
2.2.4 Stoff- und Energieflüsse
2.2.5 Stromspannungskennlinie
2.2.6 Überblick der Vor- und Nachteile der Brennstoffzellentechnologie
2.3 Brennstoff und Erdgasbereitstellung

3 FESTLEGUNG DES ZIELS UND UNTERSUCHUNGSRAHMENS
3.1 Beschreibung der Referenzanlage
3.2 Zieldefinition
3.3 Untersuchungsrahmen
3.3.1 Funktionelle Einheit
3.3.2 Definition der Systemgrenzen
3.3.3 Festlegung der Bilanzierungsgrenzen
3.3.4 Infrastrukturelle Aufwendungen
3.3.5 untersuchte Umwelteinwirkungen und Wirkungskategorien
3.3.6 weitere Annahmen

4 ERGEBNISSE DER SACHBILANZ UND WIRKUNGSABSCHÄTZUNG
4.1 Materialien
4.1.1 Bestimmung des Material-Inputs
4.1.2 BZ-Subsystem
4.1.3 Stack
4.1.4 Reformer
4.1.5 eingesetzte Materialien
4.2 Herstellung des BZ-Systems
4.2.1 Stack
4.2.2 Umweltwirkungen der BZ-Peripherie
4.2.3 Umweltwirkungen des Reformers
4.3 Nutzungsphase

5 GESAMTBILANZ DES STATIONÄREN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS
5.1 Technologiebilanz
5.2 Produktbilanz

6 ZUSAMMENFASSUNG

7 LITERATURVERZEICHNIS

8 ANHANG

Anhang A: Übersicht der Merkmale unterschiedlicher Brennstoffzellentypen

Anhang B: Referenzanlage, 2 kW PEM

Anhang C: Referenzanlage, Brennstoffzellen-Subsystem

Anhang D: Referenzanlage, Reformer

Anhang E: Material-Input 2003 und

Anhang F: Material-Input „best case“ und „worst case“

Anhang G: Fließschaubild des Brennstoffzellen-Subsystems

Anhang H: : Beiträge der Lebenswegphasen zu den Wirkungskategorien

Anhang I: Einwohnerdurchschnittswerte pro Jahr

Anhang J: ökotoxische Umweltwirkungen normiert auf EDW

Anhang K: Umweltwirkungen „Bereitstellung 1 kWhel“

Anhang L: Umweltwirkungen,Gutschrift mittels Brennwertkessel

Danksagung

An dieser Stelle möchte ich mich bei folgenden Personen sehr bedanken:

Herrn Dipl. Ing. Thomas Aigle, der mir als Betreuer bei Fragen und Problemen stets hilfreich zur Seite stand.

Herrn Prof. Dr.- Ing. Matthias Ahlhaus und Herrn Prof. Dr.- Ing. Wolfgang Schikorr, die die Betreuung seitens der FH Stralsund übernommen haben.

Der gesamten Belegschaft des ZSW für die freundliche Aufnahme, das angenehme Arbeitsklima und die große Hilfsbereitschaft.

Dem Institut für Energie- und Umweltforschung, insbesondere bei Frau Dipl. Phys. Regina Schmidt und Herrn Dr. Martin Pehnt für die Bereitstellung der Daten. Bei Frau Dipl. Ing. Annegret Hahs für kritische Anmerkungen und bei meinen Eltern, die mir ein sorgenfreies Studium ermöglichten.

Erklärung

Hiermit versichere ich wahrheitsgemäß, dass ich die vorliegende Arbeit bis auf die offizielle Betreuung durch das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, Geschäftsbereich 3, ohne fremde Hilfe angefertigt habe. Die benutzte Literatur oder sonstige Quellen sind vollständig angegeben.

Ort, Datum Unterschrift

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1: Nutzungsgrade verschiedener Technologien im KWK-Betrieb [20,21,22]

Abbildung 2.1: Bestandteile einer Produkt-Ökobilanz nach [5]

Abbildung 2.2: Schema der ersten Brennstoffzelle nach W.R. Grove

Abbildung 2.3: Vergleich der konventionellen Arbeitsweise zur Brennstoffzelle

Abbildung 2.4: Heutige und zukünftige elektrische Wirkungsgrade von Kraftwerken auf Erdgasbasis [1]

Abbildung 2.5: Aufbau einer PEM- Zelle [10]

Abbildung 2.6: Aufbau eines PEM-Stacks

Abbildung 2.7: Aufbau und Funktion der Elektroden-Membran-Einheit [10]

Abbildung 2.8: Brennstoffzellentypen; Forschungszentrum Jülich

Abbildung 2.9: Stromspannungskennlinie [10]

Abbildung 2.10: Vor- und Nachteile von Brennstoffzellen

Abbildung 2.11: Energieketten zur Versorgung von Brennstoffzellen ; [1]

Abbildung 2.12: Erdgasreformierung mittels Wabenkatalysator bei 700-800 °C [23]

Abbildung 3.1: Referenzanlage, Aufbau und wesentliche Energie- und Stoffströme

Abbildung 3.2: Wirkungskategorien, Charakterisierungsfaktoren und die zugeordnete Parameter [2]

Abbildung 3.3: Jährliche Umweltwirkungen pro Kopf in Deutschland [16]

Abbildung 4.1: Material-Input für die Ökobilanz

Abbildung 4.2: eingesetzte Materialien für die Gasaufbereitung, [24]

Abbildung 4.3: Erzaufbereitung [9]

Abbildung 4.4: Sulfatverfahren [9]

Abbildung 4.5: Chloridverfahren [9]

Abbildung 4.6: Anteile der Infrastrukturen und Nutzung an den Wirkungskategorien, funktionelle Einheit: 1 kWhel und 1,8 kWhth aus einem PEM-System

Abbildung 4.7: Anteil der Stackkomponenten und Strombereitstellung für die Fertigung eines 2 kWel-PEM-Stacks an den Wirkungskategorien

Abbildung 4.8: Aufbau einer Elektroden-Membran-Einheit [10]

Abbildung 4.9: Vergleich der unterschiedlichen Lebensdauern der EME bezüglich der Umweltwirkungen

Abbildung 4.10: Infrastruktur versus Stack des BZ-Subsystem bezüglich der Umweltwirkungen

Abbildung 4.11: Anteile verschiedener Komponenten des Reformers an den Umweltwirkungen.

Abbildung 4.12: Anteile der verwendeten Materialien des Reformers an den Umweltwirkungen

Abbildung 4.13: Umweltwirkungen während der Nutzungsphase versus Umweltwirkungen verursacht durch die Herstellung des Systems

Abbildung 5.1: Anteile der verschiedenen Lebenswegabschnitte an den Wirkungskategorien

Abbildung 5.2: Bilanz der Umweltwirkungen normiert auf 10-[6] Einwohnerdurchschnittswerte, Erdgas-Vorkette auf 10-[5] EDW normiert.

Abbildung 5.3: Darstellung der Umweltwirkungen zur Stromerzeugung mittels Brennstoffzelle, konventioneller BHKW und ungekoppelter Stromerzeugung; funktionelle Einheit: „Bereitstellung 1 kWhel auf Niederspannungsebene“.

Abbildung 5.4: Anteile der verschiedenen Technologien .an den Umweltwirkungen, mit identischer Erdgas-Vorkette

Abbildung 5.5: Treibhauseffekt

Abbildung 5.6: Eutrophierung

Verzeichnis von Abkürzungen und Symbolen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Durch die Bereitstellung nutzbarer Energie wird derzeit der größte Anteil der anthropogenen Umweltbelastungen verursacht. Neben den hohen Umweltbelastungen trägt die Endlichkeit fossiler Energieträger maßgeblich zur immer größer werdenden Bedeutung eines rationellen Umgangs und einer effiziente Nutzung der Energie bei. Zur effizienten Bereitstellung elektrischer und thermischer Energie bietet sich die Brennstoffzellen-technologie aufgrund ihrer hohen Wirkungsgrade an.

Der Brennstoffzellentechnologie wird das Potenzial zugeschrieben, die Energieversorgung zu revolutionieren. Die folgenden technologiespezifischen Vorteile sprechen dafür:

- eine sehr effiziente direkte Umwandlung chemischer in elektrische Energie
- ihr modularer Aufbau
- der ihr dadurch offen stehende breite Anwendungsbereich

Es finden Forschungen im Bereich der portablen, mobilen und stationären Anwendung statt.

Durch die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Brennstoffzelle, wird die heute noch zentral orientierte Energieversorgungstruktur durch eine zukünftig stärker dezentrale Versorgung ergänzt oder verdrängt werden. Die in dieser Arbeit betrachtete Anwendungsmöglichkeit ist die dezentrale elektrische und thermische Hausenergieversorgung.

Aufgrund des derzeitigen Problems der Verfügbarkeit und Speicherung von Wasserstoff wurde zur Einführung der Brennstoffzellentechnologie auch die Speicherung von Wasserstoff, insbesondere in Kohlenwasserstoffen, in Betracht gezogen. Die Bereitstellung des Brennstoffes aus fossilen Energieträgern ist jedoch mit erheblichen Umweltwirkungen verbunden, wobei die Brennstoffzelle selbst lokal nur Wasserdampf an die Umwelt abgibt.

Mit dem wachsenden Verständnis der Bevölkerung für den Umweltschutz stieg auch das Interesse an Verfahren, die Umweltwirkungen, welche beispielsweise durch die Herstellung und den Verbrauch von Produkten entstehen, zu identifizieren und zu quantifizieren, um sie letztlich zu reduzieren. Eine für diesen Zweck entwickelte Methodik ist die Ökobilanz nach [DIN_14040-43], auf deren Grundlage die Bilanzierung in dieser Arbeit durchgeführt wurde.

Um die Vorteile und Probleme der Brennstoffzellentechnologie unter ökologischen Gesichtspunkten zu betrachten, werden mithilfe der Ökobilanz die Umweltwirkungen der einzelnen Lebenswegphasen und Komponenten zur internen Schwachstellenanalyse transparent dargestellt. Die Bewertung der Umweltwirkungen des gesamten Systems erfolgt im Vergleich zu anderen Energiewandlungsystemen im Bereich der Hausenergieversorgung.

1.1 Brennstoffzellen zur Hausenergieversorgung

Im Bereich der stationären Anwendung zur Hausenergieversorgung steht die Brennstoffzelle an der Schwelle zur Markteintrittsphase. Ohne Zweifel sind noch weitere Forschungsarbeiten notwendig, um verlässliche und konkurrenzfähige Anlagen in Kundenhand geben zu können. Jedoch geben sich die Hersteller nach Erfahrungen von Pilotanlagen in Feldtests, zuversichtlich, dass innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre mit einer Serienproduktion auf geringem Stückzahlenniveau begonnen werden kann. Nach dem Stand der Technik werden vor allem Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen (PEM) und Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) als geeignet angesehen. Es gibt noch keine universelle Lösung, welches System für die spezifischen Leistungsanforderungen der Hausenergieversorgung besser geeignet ist.

Als Übergangslösung hin zu einer rein regenerativen Wasserstoffwirtschaft, bietet sich aufgrund der gut ausgebauten Infrastruktur Erdgas als Energieträger an. Dies bringt jedoch das Problem der Systemerweiterung um die Komponenten zur Gasaufbereitung (Reformer) mit sich. Der Reformer wandelt mit Hilfe von Wärme und Wasser das Erdgas in ein wasserstoffreiches Reformatgas um. Im Fall der SOFC ist die Reformierung aufgrund der geringeren Anforderungen an die Brennstoffreinheit nicht so aufwendig wie bei der PEM, wegen ihrer hohen Betriebstemperatur jedoch ist sie wesentlich träger im Lastwechselverhalten.

Bei der dezentralen Energieversorgung von Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Siedlungen mit Strom, Raumwärme und Warmwasser bietet sich die Kraft-Wärme- Kopplung (im Nachfolgenden: KWK) wegen ihrer deutlichen Vorteile an. Durch die KWK werden, da die Wärme nicht als Abwärme abgeführt wird sondern als Nutzwärme zur Verfügung steht, entsprechend höhere Wirkungsgrade als bei ungekoppelter Nutzung erreicht. In der (Abbildung 1.1) ist ein qualitativer Vergleich der verschiedenen BHKWs zu sehen. Mit der KWK bietet sich eine wirtschaftlich und ökologisch sinnvolle Möglichkeit zur effizienten Nutzung vor allem fossiler, aber auch regenerativer Primärenergieträger. Unabhängig von der Energiewandlungstechnologie führt die dezentrale Energieversorgung, durch Entfallen von Übertragungsverlusten zu einer Einsparung an Primärenergieträgern. Besonders für die Dezentralisierung eignet sich die Brennstoffzelle, da sie aufgrund ihrer modularen Bauweise im Gegensatz zu einem Motor-BHKW in weit kleineren Leistungseinheiten hergestellt werden kann. Der Einsatz von Brennstoffzellen hat weitere technologiespezifischen Vorteile wie geringe Emissionen, gutes Teillastverhalten und hohe Stromkennzahl.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Nutzungsgrade verschiedener Technologien im KWK-Betrieb [20,21,22]

Im Rahmen dieser Arbeit wird eine 2 kW PEM-Anlage untersucht, die mittels Dampfreformer über einen Erdgasanschluss mit Brenngas versorgt wird (näheres siehe Kapitel. 3.1).

Das Hauptproblem bei der Markteinführung des Brennstoffzellen-BHKW sind die derzeit noch zu hohen spezifischen Kosten pro kWhel. Spezielle Probleme der PEM sind die Unverträglichkeit der Katalysatoren gegenüber CO, was eine aufwendige Gasfeinreinigung notwendig macht und die derzeit noch zu geringe Lebenserwartung der Membranen, die weit unter dem Ziel von 40.000 h liegt, um als kommerzielle Anwendung neben den konventionellen Systemen bestehen zu können.

Dennoch gibt es schon einige Vertreter, die Prototypen oder Demonstrationsanlagen im Labor oder in Feldtests betreiben:

Viessmann, PEM-Anlage, Leistung: 2 kWel und 5 kWth;

Vaillant in Zusammenarbeit mit Plug Power, PEM-Anlage, Leistung: 4,6 kWel und 7 kWth; Sulzer Hexis, SOFC-Anlage, Leistung 1 kWel und 2,5 kWth.

1.2 Aufgabenstellung und Gliederung der Arbeit

Aufgabenstellung

Im Rahmen des Projektes „Stationäre Brennstoffzellen; Umweltauswirkungen, Rahmenbedingungen und Marktpotenziale“, gefördert vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit bearbeitet das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoffforschung (ZSW) aufgrund seiner Erfahrungen und Forschungsarbeiten die Themen zur PEM-Brennstoffzelle. Ein Arbeitspaket des Projektes beinhaltet die Ermittlung des kumulierten Energiebedarfs und die Erstellung von Ökobilanzen verschiedener Technologien. Aufgabe des ZSW ist die Erstellung der Ökobilanz eines Brennstoffzellen-System. Die Bilanz wird am konkreten Beispiel, anhand der im Rahmen des Weiterbildungszentrum Brennstoffzelle Ulm e.V. gebauten Brennstoffzellen-Hausenergieversorgungsanlage, erstellt. Daraus abgeleitet ergab sich das Diplomarbeitsthema „Ökobilanzierung eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung“. Notwendige Rahmenbedingungen, verwendete Methodik sowie Datenbasis wurden im Projektrahmen diskutiert und abgestimmt. Die Arbeit umfasst die Bilanzierung der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellen-Systems: das Brennstoffzellen-Subsystem, die Gasaufbereitung mittels Reformer und die thermische und elektrische Nutzenergieauskopplung hinsichtlich ökologischer Gesichtpunkte. Die Daten der Sachbilanz wurden durch das Institut für Energie- und Umweltforschung in ein, mit der Ökobilanzsoftware Umberto erstelltes, Stoffstrommodell des BZ-Systems implementiert. Mithilfe des Modells wurden die einzelnen In- und Outputdaten bestimmten Wirkungskategorien zugeordnet und zu Wirkungsäquivalenten zusammengefasst.

Gliederung

Zunächst wird in Kapitel 2 ein Überblick der notwendigen Grundlagen zum Verständnis der Brennstoffzellentechnologie und der Methodik der Ökobilanz gegeben. In Kapitel 3 werden das in einer Ökobilanz notwendige Ziel und der Untersuchungsrahmen festgelegt, sowie die bilanzierte Anlage näher beschrieben. Anschließend werden in Kapitel 4 die Ergebnisse der Sachbilanz dargestellt und Auswertungen der Einzelbilanzen zur Herstellung der Materialien und der Komponenten gemacht. Die Bilanzierung der gesamten Anlage erfolgt in Kapitel 5. Im ersten Teil wird anhand einer Technologiebilanz der Einfluss der einzelnen Lebenswegphasen an den gesamten Umweltwirkungen verdeutlicht. Der zweite Teil konzentriert sich auf einen Vergleich der technologiespezifischen Umweltwirkungen mit anderen Anlagen mittels der Produktbilanz. Abschließend werden in Kapitel 6 die Ergebnisse zusammengefasst und diskutiert.

2 Grundlagen

2.1 Die Ökobilanz nach ISO-Norm

Ökobilanzen rückten durch zunehmende Orientierung der Bevölkerung an ökologischen Werten verstärkt in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Die Glaubwürdigkeit und Aussagekraft einer Ökobilanz ist nur dann gegeben, wenn sie nach einem einheitlichen Verfahren erstellt wird. Mit der [DIN_14040 1997] wurde die erste ökologische Bewertungsmethodik mit internationalem Standard veröffentlicht.

Ökobilanzen können zu verschiedenen, im Untersuchungsrahmen festgelegten Zwecken verwendet werden. Mögliche Zwecke und Ziele sind die Verwendung zur Entscheidungsfindung, zu Informationszwecken, zur Optimierung bestehender Produkte oder zur Einführung neuer Produktsysteme. Die Ökobilanz ist eine von mehreren Umweltmanagementmethoden, die zur Förderung des Umweltschutzes die Möglichkeit bieten, von einem „nachsorgenden“ zu einem präventiven Umweltschutz bei der Produktentwicklung zu gelangen. Der produktbezogenen Ökobilanz kommt hierbei die wichtigste Rolle zu.

produktbezogeneökobilanz

Durch produktbezogene Ökobilanzen werden die mit Produkten (Produkte, Prozesse und Dienstleistungen) verbundenen Umwelteinwirkungen möglichst umfassend ermittelt, indem

- Energiebedarf und Materialverbräuche sowie Stoffströme in die Umwelt identifiziert und zahlenmäßig erfasst werden,
- die dadurch verursachten Wirkungen untersucht werden,
- eine Bewertung der Umweltbeeinflussung stattfindet und Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie negative Auswirkungen reduziert werden können.

Dabei wird der gesamte Lebensweg eines Produktes („von der Wiege bis zur Bahre“) in die Betrachtung mit eingeschlossen, von der Gewinnung und Aufbereitung der Rohstoffe über die Herstellung, Logistik, Gebrauchszyklen, Instandhaltung, Recycling bis hin zu seiner Beseitigung. [11]

Bestandteile einerökobilanz nach [DIN_14040 1997]

Folgende Inhalte müssen nach [DIN 14040 1997] bei der Erstellung von Ökobilanzen enthalten sein (Abbildung2.1)

- Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens
- Sachbilanz
- Wirkungsabschätzung
- Auswertung

Die „direkten Anwendungen“ gehören nicht zum Anwendungsbereich der Internationalen Norm.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Bestandteile einer Produkt-Ökobilanz nach [DIN_14040 1997]

2.1.1 Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens

In der Zieldefinition werden Angaben zum beabsichtigten Anwendungszweck gemacht und Gründe für die Durchführung genannt, sowie die angesprochenen Zielgruppen aufgeführt.

Zur Festlegung des Untersuchungsrahmens werden folgende Punkte bestimmt und eindeutig beschrieben:

- das zu bilanzierenden Systems
- die Funktion und die funktionelle Einheit[1]
- die Definition der Systemgrenzen
- die Anforderung an die Datenqualität
- die Festlegung des Bilanzraums durch geographische und zeitliche Grenzen
- das Verfahren zur Berücksichtigung der Kuppelprodukte
- die Auswahl der untersuchten Wirkungskategorien (Umweltwirkungen) Um eine schlüssige Studie erstellen zu können, sollte der Untersuchungsrahmen ausreichend und detailliert genug beschrieben werden,

2.1.2 Sachbilanz

In der Sachbilanz werden durch Datensammlung und Berechnungsverfahren sämtliche relevanten In- und Outputflüsse innerhalb der Systemgrenzen identifiziert und in Form von physikalischen Größen quantifiziert. Die In- und Outputflüsse umfassen die relevanten Material- und Energieflüsse. Dabei kann es sich um Energie- und Rohstoffinputs, Produkte sowie Emissionen in Luft, Wasser und Boden handeln. Zuerst wird der Lebensweg des Produktes ermittelt, um alle Phasen von der Rohstofferschließung über die Herstellung, den Gebrauch bis zur Entsorgung erfassen zu können.

Durch die Modellierung von Produktsystemen werden die wichtigsten Elemente, Zwischenproduktflüsse (Flüsse innerhalb des Systems) und Produktflüsse über die Systemgrenzen dargestellt. Die Zwischenproduktflüsse werden auf die Bereitstellung der funktionellen Einheit bezogen um die einzelnen Module miteinander in Verbindung setzten zu können und so die Berechnung des gesamten Systems zu ermöglichen.

Der zeitliche Bezug zur Bestimmung der Ergebnisse der Sachbilanz sollte vor allem bei der Bilanzierung zukünftiger Systeme mitbeachtet werden.

Die Sachbilanz bildet das Kernstück der Ökobilanz und dient als Grundlage für die Wirkungsabschätzung.

2.1.3 Wirkungsabschätzung

Mit Hilfe der Wirkungsabschätzung „wird die Beurteilung der Bedeutung potentieller Umweltwirkungen mit Hilfe der Ergebnisse der Sachbilanz angestrebt“. [DIN_14040 1997].

Im ersten Schritt werden die Sachbilanzdaten (Stoff- und Energieströme der Sachbilanz) einer oder mehreren im Untersuchungsrahmen ausgewählten Wirkungskategorien zugeordnet (Klassifizierung). Die Wirkungskategorien stehen für unterschiedliche Formen der Umweltbelastungen.

Im zweiten Schritt können innerhalb dieser Wirkungskategorien die Sachbilanzergebnisse mithilfe von Charakterisierungsfaktoren zu einem vergleichbaren Indikatorergebnis umgerechnet werden. Das Indikatorergebnis steht für die quantitative Darstellung der Umweltwirkungen.

Als weiterer, jedoch nur optionaler Schritt kann nach [DIN_14042 2000] eine Normierung der Ergebnisse vorgenommen werden. In dieser Arbeit wird beispielsweise die Umweltwirkung pro funktionelle Einheit auf die tägliche Pro-Kopf-Wirkung (Einwohnerdurchschnittswert) bezogen. Als zusätzliche optionale Schritte werden die Ordnung bzw. Rangbildung der Wirkungskategorien und die Gewichtung der Indikatorergebnisse mit ausgewählten Gewichtungsfaktoren von der Norm vorgeschlagen.

2.1.4 Auswertung

Die Auswertung dient der Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse aus der Sachbilanz und Wirkungsabschätzung entsprechend des Bilanzierungsziels und Untersuchungsrahmens. Anspruch an die Auswertung ist eine transparente, verständliche und vollständige Darstellung der Ergebnisse der Ökobilanz. Dazu werden signifikante Parameter aus den Ergebnissen der Sachbilanz und Wirkungsabschätzung identifiziert, und mit Bezug auf einzelne Lebensabschnitte, Module oder mögliche Annahmen dargestellt. Des Weiteren soll eine Beurteilung der Vollständigkeit und Konsistenz der Daten erfolgen. Abschließend können Schlussfolgerungen und Empfehlungen abgeleitet werden.

2.1.5 Einschränkung einer Ökobilanz

Die Ökobilanz hat wie alle anderen Methoden ebenfalls ihre methodischen Schwachpunkte und Einschränkungen. Im Folgenden werden einige dieser Einschränkungen aufgeführt. Die Vorgehensweise und Annahmen, welche in einer Ökobilanz beispielsweise bezüglich des Untersuchungsrahmens, Datenquellen, etc. getroffen werden, können mitunter sehr subjektiv sein. Somit hat die Auswertung stets aufgrund des Ergebnisziels des Erstellers und der Datenbereitstellung einen subjektiven Charakter.

Weiter muss beachtet werden, dass durch die Modellierung von Produktsystemen die Gefahr besteht, nicht die ganze Bandbreite möglicher Umweltwirkungen und Anwendungen abzudecken.

Speziell bei prognostischen Bilanzen stellt sich das Problem der beschränkten Datenverfügbarkeit bzw. Datenzugänglichkeit und der Einschränkung der Datenqualität aufgrund von Datenlücken, sowie kumulierten Werten und Abschätzungen. Dies kann unter Umständen die Prognosetauglichkeit der Ökobilanz entscheidend beeinflussen. In [3] wurden einige Ansätze zur Bilanzierung zukünftiger Produktsysteme genannt und weiterentwickelt.

Eine Ökobilanz eignet sich grundsätzlich zur Informationsaufbereitung von Umweltwirkungen, Wechselwirkungen, etc. Sie sollte jedoch nicht als einzige Grundlage zur Entscheidungsfindung verwendet werden, sondern stets als Teil einer umfassenderen Betrachtung der Produkte gesehen werden.

2.2 Die Brennstoffzelle

2.2.1 Geschichte und Begriffsklärung der Brennstoffzelle

Geschichte

Um 1839 experimentierte Sir William Grove (1811-1896), ein walisischer Richter und Wissenschaftler, mit der Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff. Dabei stellte er fest, dass sich dieser Prozess auch umkehren ließ. Seine erste Brennstoffzelle bestand aus zwei Platinelektroden, die in verdünnte Schwefelsäure getaucht wurden. Die eine Elektrode wurde mit Sauerstoff umspült, die andere mit Wasserstoff. In einem Laborversuch schaltete Grove vier solcher Zellen in Reihe und konnte damit einen Elektrolyseur betreiben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Schema der ersten Brennstoffzelle nach W.R. Grove (1842)

Als technische Anwendung konnte sich die Brennstoffzelle jedoch aufgrund von Materialproblemen, mangelndem Verständnis aller elektrochemischen Reaktionen und finanziellen Gründen nicht durchsetzten. Ebenfalls negativ auf die Bedeutung der Brennstoffzelle für die Industrie wirkten sich die Entdeckung des Dynamoprinzips (Werner von Siemens; 1866) und die Erfindung des Verbrennungsmotors aus. Erst in den 60er Jahren wurde sie für die Anwendungen in der Raumfahrt eingesetzt (Apollo-Programm). Um 1970 wurde dann damit begonnen, Brennstoffzellen auch für die Anwendung auf der Erde zu entwickeln. Erst die intensive Forschungsarbeit der letzten 10 Jahre ermöglichte es, dass die Brennstoffzelle heute an der Schwelle zur Markteinführung als Massenprodukt steht. Derzeit bestehen drei Hauptbereiche der Forschung und Entwicklung: mobile Anwendung, stationäre Anwendung, sowie Anwendung für portable Geräte.

Begriffsklärung

Brennstoffzellen gehören neben Batterien und Akkumulatoren zu den elektrochemischen Energiewandlungssystemen. In ihnen wird durch eine räumlich getrennte Redox-Reaktion chemische Energie in elektrische und thermische Energie umgewandelt. Ein entscheidender Vorteil der Brennstoffzelle gegenüber der konventionellen Stromerzeugung ist, die direkte Energieumwandlung (sog. „kalte Verbrennung“). Bei konventionellen Kraftwerken hingegen erfolgt die Umwandlung zur elektrischen Energie über die Stufen der thermischen und mechanischen Energie. (Abbildung 2.3) zeigt die unterschiedlichen Arbeitsweisen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Vergleich der konventionellen Arbeitsweise zur Brennstoffzelle

Aufgrund der direkten Umwandlung hat die Brennstoffzelle den Vorteil, dass ihr Wirkungsgrad nicht, wie der der thermischen Verbrennung, dem Carnot-Prozess unterliegt und durch das Temperatur-Druckverhältnis begrenzt ist. Dadurch lassen sich mit einer Brennstoffzelle theoretisch höhere Wirkungsgrade erreichen als dies mit Verbrennungskraftmaschinen prinzipiell möglich ist.

Der ideale Wirkungsgrad für Verbrennungskraftmaschinen errechnet sich nach Carnot wie folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Toben: Obere Prozesstemperatur; Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums

Tunten: Untere Prozesstemperatur; Austrittstemperatur des Arbeitsmediums

Der thermodynamische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist durch das Verhältnis der freien Reaktionsenthalpie und der Reaktionsenthalpie begrenzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Nach Gibbs errechnet sich die freie Reaktionsenthalpie folgendermaßen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die maximal nutzbare Energie in der Bennstoffzelle (freiwerdende reversible Reaktionsarbeit) wird durch ¨G beschrieben. ¨H steht für die gesamte im Brennstoff enthaltene Energie. Das Produkt von T¨S steht für die Energie, welche durch die Umwandlung der chemischen Energie in reversible thermische Energie entsteht. Unter Standardbedinungen beträgt ¨G0 = -237,141 kJ/mol und ¨H0 = -285,83 kJ/mol für die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Daraus ergibt sich ein theoretisch maximal erreichbarer thermodynamischer Wirkungsgrad von:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der ideale Wirkungsgrad wird jedoch aus technischen Gründen, wie interne Widerstände, Polarisationsverlusten an den Elektroden und unvollständige Brennstoffausnutzung nicht erreicht. In (Abbildung 2.4) wird eine Übersicht der erreichbaren Wirkungsgrade verschiedener Energiewandlungssysteme dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Heutige und zukünftige elektrische Wirkungsgrade von Kraftwerken auf Erdgasbasis, [2]

2.2.2 Aufbau und Funktionsweise

Die Brennstoffzelle wandelt durch die elektrochemische Reaktion unter kontinuierlicher Zufuhr zweier Gase deren chemische Energie in elektrische und thermische Energie um. Es handelt sich dabei um ein Brenngas (meistens Wasserstoff) und ein Oxidationsmittel (Sauerstoff), für die die Bruttogleichung (2.5) gilt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Folgenden werden Aufbau und Funktionsweise einer Brennstoffzelle am Beispiel der PEM erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Aufbau einer PEM- Zelle [10]

Aufbau

Eine PEM besteht im Wesentlichen aus folgenden Komponenten: Elektroden-Membran-Einheit (EME)[2], Gasdiffusionslagen (GDL), Bipolarplatten, Stromabnehmer und Endplatten (vgl. Abbildung 2.6). Die Anordnung EME, GDL und Bipolarplatten bilden eine Zelle (eine Wiederholeinheit). Um die Spannung der Brennstoffzelle zu erhöhen, werden mehrere Zellen in Reihe zu einem sog. Stack (englisch für Stapel) zusammengeschaltet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Aufbau eines PEM-Stacks

Die EME besteht im Einzelnen aus einer protonenleitenden Membran, auf die die Gasdiffusionselektroden samt Katalysator aufgetragen sind. Die wesentlichen Eigenschaften der Komponenten der Membran sind untenstehend tabellarisch aufgelistet. Membran:

- gute Protonenleitfähigkeit
- niedrige/keine Leitfähigkeit für Elektronen
- hohe Gasdichtigkeit
- gute Wassertransportfähigkeit
- mechanische und chemische Stabilität im Dauereinsatz
- kosteneffiziente Herstellung

Gasdiffusionselektrode:

- gute elektrische Leitfähigkeit
- hohe Porösität, um eine möglichst große Oberfläche zu erreichen
- hohe Gasdurchlässigkeit

Katalysator:

- hohe katalytische Aktivität, um die Masse des eingesetzten Katalysatormaterials möglichst gering zu halten. Dadurch können Kosten vermieden und die mit dem Katalysatormaterial verbundenen Umweltwirkungen reduziert werden.

Die Funktion der EME besteht also darin, die Redox-Reaktionen räumlich voneinander zu trennen, um eine unkontrollierte Direktreaktion zu vermeiden.

Die Gasdiffusionslage wird eingesetzt, um die zugeführten Gase gleichmäßig über die gesamte aktive Membranfläche der Membran zu verteilen. Außerdem dient sie als elektrische Verbindung zwischen Elektrode und Bipolarplatte. Auf Grund dieser Funktionen muss sie folgende Eigenschaften aufweisen:

- gute Gasdurchlässigkeit durch hohe Porösität
- geringer elektrischer Widerstand durch grafitische und metallische Materialien
- sie muss hydrophob sein, um einen guten Wasseraustrag gewährleisten zu können
- chemisch und mechanisch stabil

Probleme bei der Optimierung der Gasdiffusionslage sind gegenläufigen Eigenschaften:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daher muss die GDL individuell auf die Strömungsverhältnisse und die Geometrie des Flow-Fields angepasst werden.

Aufgaben der Bipolarplatten sind die elektrische Verbindung der einzelnen Zellen, die Gaszufuhr und Kühlung des Stacks. Durch die Bipolarplatten werden die einzelnen Zellen räumliche voneinander getrennt. Die Anforderungen im Einzelnen sind:

- gute elektrische Leitfähigkeit
- Gasdichtigkeit
- chemische Stabilität gegenüber Brennstoff und Wasserstoff
- mechanische Stabilität
- geringe Material- und Fertigungskosten

Es gibt zwei verschiedene Design Konzepte, um den strömungstechnischen Anforderungen gerecht zu werden. Zum einen das Netz-Flow-Field und zum anderen das strukturierte Flow-Field, wobei es mehrere Varianten des strukturierten Flow-Fields gibt. Diese unterscheiden sich hauptsächlich darin, ob die Gaskanäle parallel oder mäanderförmig angeordnet sind.

Die Gasdichtigkeit der einzelnen Zelle wird in dem untersuchten Stack durch die Verwendung von Dichtungsringen im Krafthauptschluss zwischen Bipolarplatte und Membran erreicht.

Funktionsweise

Auf der Anodenseite wird der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, welcher an der Dreiphasengrenze zwischen Elektrode, Elektrolyt und Katalysator in Wasserstoffprotonen und Elektronen aufgespaltet wird. Die positiven Wasserstoffionen (H+-Ionen) diffundieren durch die protonenleitende Membran, wodurch sich an der Kathodenseite ein Überschuss an positiver Ladung bildet. Werden die beiden Elektroden nun über einen Stromkreis miteinander verbunden, fließen aufgrund des Ladungsgefälles die Elektronen über diesen Stromkreis von der Anode zur Kathode. Es fließt ein elektrischer Strom. Auf der Kathodenseite verbinden sich die Elektronen wieder mit den Wasserstoffionen und dem zugeführten Sauerstoff zu Wasser. Die Funktion der PEM-Brennstoffzelle ist in (Abbildung 2.7) nochmals grafisch dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Aufbau und Funktion der Elektroden-Membran-Einheit

Allgemein formuliert findet an der Anode die Oxidation (Elektronenabgabe) des Wasserstoffs und an der Kathode die Reduktion (Elektronenaufnahme) des Sauerstoffs statt (Abbildung 2.5). Diese Reaktionen laufen nur mithilfe der verwendeten Katalysatoren ab. Durch die Katalysatoren wird molekularer Wasserstoff bzw. Sauerstoff in atomaren Zustand umgewandelt, d.h. ein Zustand in dem beide Elemente Elektronen abgeben bzw. aufnehmen können.

Da bei der elektrochemischen Umwandlung in der Brennstoffzelle zusätzlich zum Strom auch Wärme erzeugt wird, eignen sich Brennstoffzellen vorzugsweise zur Kraft-Wärme-Kopplung.

2.2.3 Brennstoffzellen-Typen und ihre Eignung zur Hausenergieversorgung

Brennstoffzellen werden nach Art des verwendeten Elektrolyten und der Betriebstemperatur (Abbildung 8; Anhang A1) unterschieden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Brennstoffzellentypen; Forschungszentrum Jülich

Durch die verschiedenen Elektrolyten teilt sich die Summenreaktion (2.5) in die folgenden typenspezifische Teilreaktionen an den Elektroden auf.

alkalische Brennstoffzelle (AFC)

Teilreaktionen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die AFC wird hauptsächlich in der Raumfahrt und vom Militär genutzt. Nachteilig sind die hohen Reinheitsanforderungen an die Reaktionsgase, da die Zelle sowohl gegen CO2 und CO unverträglich ist. Daher kann die Brennstoffzelle nur mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden. Der hierfür notwendige Aufwand für die Brenngasaufbereitung ist aus finanziellen Gründen für die Bereitstellung einer konkurrenzfähigen Anlage zu beachten. Vorteile der AFC sind eine sofortige Betriebsbereitschaft und die Möglichkeit auf Lastwechsel schnell reagieren zu können.

Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEM)

Teilreaktionen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei der PEM wird als Elektrolyt eine protonenleitende Membran auf Basis eines perfluorierten, sulfonierten Polymers eingesetzt. Vor allem durch die intensive Forschungsarbeit im Bereich der mobilen Anwendung wird diesem Brennstoffzellentyp zurzeit die größte Aufmerksamkeit gewidmet.

Die Zelle ist gegenüber Kohlendioxid (CO2) unempfindlich und kann daher anodenseitig sowohl mit Wasserstoff als auch mit Reformat betrieben werden. Kathodenseitig kann der Brennstoffzelle wahlweise Sauerstoff oder Luft zugeführt werden. Allerdings verschlechtert sich die Performance (U-I-Kennlinie) mit zunehmender Unreinheit der Reaktionsgase. Wird die Zelle mit Reformat betrieben, muss dieses von dem bei der Reformierung entstehenden Kohlenmonoxid (CO) bis auf einen CO-Gehalt von max. 50 ppm gereinigt werden. Das CO wird in der Brennstoffzelle vom Katalysator absorbiert und deaktiviert diesen. Zurzeit werden Katalysatoren aus Platin und Platin-Ruthenium Legierungen verwendet. Ein Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung CO unempfindlicher Katalysatoren um den Aufwand der Gasreinigung möglichst gering halten zu können.

Entscheidende Vorteile der PEM sind ihre geringe Komplexität, niedrige Betriebstemperaturen und ihr gutes dynamisches Lastverhalten. Dadurch kann sie auf kurzfristige Bedarfsschwankungen schnell reagieren und ist somit für den Bereich der mobilen als auch der stationären Anwendung geeignet.

Eine Sonderstellung bei den Brennstoffzellentypen nimmt die Direkt-Methanol Brennstoffzelle (DMFC) ein. In der DMFC wird Methanol direkt umgesetzt. Es sind allerdings noch weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Material- und Komponentenentwicklung, insbesondere die Erforschung der Katalysatoren zur Methanol-Oxidation, notwendig. Die DMFC könnte für Anwendungen im mobilen Bereich sehr interessant werden, da auf eine aufwendige Gasaufbereitung verzichtet werden kann. Vorraussetzung für den Einsatz ist jedoch der Aufbau einer Methanol-Infrastruktur. Teilreaktionen:

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phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC)

Teilreaktionen:

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Die PAFC gehört in den Bereich der Mitteltemperaturzellen (160-220 °C), sie ist die heute am weitesten verbreitete Brennstoffzelle, da ihr Entwicklungsstand für den Einsatz bei der dezentralen Energieversorgung vergleichsweise hoch ist und fast Serienreife erreicht hat. Als Elektrolyt wird konzentrierte Phosphorsäure verwendet. Wie die PEM reagiert auch sie aufgrund der verwendeten Katalysatoren, empfindlich gegenüber CO.

[...]


[1] Eine funktionelle Einheit ist ein Maß für den Nutzen eines Produktsystems. Auf die funktionelle Einheit werden die In- und Outputflüsse der Sachbilanz bezogen. [DIN_14040 1997]

[2] auch MEA genannt (MEA=Membrane Electrode Assembly)

Details

Seiten
93
Jahr
2003
ISBN (eBook)
9783638205481
ISBN (Buch)
9783640898862
Dateigröße
7 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v15443
Institution / Hochschule
Fachhochschule Stralsund – ZSW Ulm (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung)
Note
1,3
Schlagworte
Brennstoffzellensystems Hausenergieversorgung Brennstoffzelle PEM Kraft-Wärme-Kopplung KWK BHKW

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Titel: Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung