Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung
©2003
Diplomarbeit
93 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe: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 Brennstoffzellentechnologie 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 sowie 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 Energieversorgungsstruktur 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 […]
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 Brennstoffzellentechnologie 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 sowie 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 Energieversorgungsstruktur 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 […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 7089
Scheub, Julian: Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung
Hamburg: Diplomica GmbH, 2003
Zugl.: Fachhochschule Stralsund, Fachhochschule, Diplomarbeit, 2003
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Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
4
Inhaltsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS... 7
VERZEICHNIS VON ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLEN ... 9
1 EINLEITUNG... 10
1.1 Brennstoffzellen zur Hausenergieversorgung ... 11
1.2 Aufgabenstellung und Gliederung der Arbeit... 13
2 GRUNDLAGEN ... 15
2.1 Die Ökobilanz nach ISO-Norm ... 15
2.1.1 Festlegung des Ziels und Untersuchungsrahmens ... 16
2.1.2 Sachbilanz ... 17
2.1.3 Wirkungsabschätzung ... 18
2.1.4 Auswertung... 18
2.1.5 Einschränkung einer Ökobilanz ... 19
2.2 Die Brennstoffzelle... 19
2.2.1 Geschichte und Begriffsklärung der Brennstoffzelle... 19
2.2.2 Aufbau und Funktionsweise... 23
2.2.3 Brennstoffzellen-Typen und ihre Eignung zur Hausenergieversorgung ... 27
2.2.4 Stoff- und Energieflüsse... 31
2.2.5 Stromspannungskennlinie ... 36
2.2.6 Überblick der Vor- und Nachteile der Brennstoffzellentechnologie ... 37
2.3 Brennstoff und Erdgasbereitstellung... 38
Inhaltsverzeichnis
5
3 FESTLEGUNG DES ZIELS UND UNTERSUCHUNGSRAHMENS... 42
3.1 Beschreibung der Referenzanlage... 42
3.2 Zieldefinition ... 44
3.3 Untersuchungsrahmen ... 45
3.3.1 Funktionelle Einheit... 45
3.3.2 Definition der Systemgrenzen ... 45
3.3.3 Festlegung der Bilanzierungsgrenzen ... 45
3.3.4 Infrastrukturelle Aufwendungen... 45
3.3.5 untersuchte Umwelteinwirkungen und Wirkungskategorien... 46
3.3.6 weitere Annahmen ... 48
4 ERGEBNISSE DER SACHBILANZ UND WIRKUNGSABSCHÄTZUNG ... 51
4.1 Materialien ... 51
4.1.1 Bestimmung des Material-Inputs ... 51
4.1.2 BZ-Subsystem... 52
4.1.3 Stack ... 52
4.1.4 Reformer ... 53
4.1.5 eingesetzte Materialien ... 53
4.2 Herstellung des BZ-Systems ... 57
4.2.1 Stack ... 59
4.2.2 Umweltwirkungen der BZ-Peripherie ... 66
4.2.3 Umweltwirkungen des Reformers ... 67
4.3 Nutzungsphase ... 68
5 GESAMTBILANZ DES STATIONÄREN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS... 72
5.1 Technologiebilanz ... 72
5.2 Produktbilanz... 76
6 ZUSAMMENFASSUNG... 80
7 LITERATURVERZEICHNIS ... 82
Inhaltsverzeichnis
6
8 ANHANG ... 84
Anhang A: Übersicht der Merkmale unterschiedlicher Brennstoffzellentypen ... 84
Anhang B: Referenzanlage, 2 kW PEM ... 85
Anhang C: Referenzanlage, Brennstoffzellen-Subsystem ... 85
Anhang D: Referenzanlage, Reformer ... 86
Anhang E: Material-Input 2003 und 2010... 87
Anhang F: Material-Input ,,best case" und ,,worst case" 2010... 88
Anhang G: Fließschaubild des Brennstoffzellen-Subsystems... 89
Anhang H: : Beiträge der Lebenswegphasen zu den Wirkungskategorien ... 90
Anhang I: Einwohnerdurchschnittswerte pro Jahr ... 90
Anhang J: ökotoxische Umweltwirkungen normiert auf EDW ... 91
Anhang K: Umweltwirkungen ,,Bereitstellung 1 kWh
el
"... 92
Anhang L: Umweltwirkungen,Gutschrift mittels Brennwertkessel. ... 94
Abbildungsverzeichnis
7
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
kWh
el
und 1,8 kWh
th
aus einem PEM-System
Abbildung 4.7:
Anteil der Stackkomponenten und Strombereitstellung für die
Fertigung
eines
2
kW
el
-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
Abbildungsverzeichnis
8
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 kWh
el
auf
Niederspannungsebene".
Abbildung 5.4:
Anteile der verschiedenen Technologien .an den Umweltwirkungen,
mit
identischer
Erdgas-Vorkette
Abbildung 5.5:
Treibhauseffekt
Abbildung 5.6:
Eutrophierung
Abkürzungen und Symbole
9
Verzeichnis von Abkürzungen und Symbolen
AFC
Alkaline Fuel Cell (alkalische Brennstoffzelle)
BHKW
Blockheizkraftwerk, Heizkraftwerke im Bereich 1-10 kW für die
Bedarfsdeckung eines räumlich begrenzten Versorgungsgebietes
BHKW-Plan
Simulationssoftware für BHKWs
BZ
Brennstoffzelle
BZ-System
Brennstoffzellen-System
EnEv
Erneuerbare
Energieverordnung
Flow-Field
Struktur für die Gasströme auf der Bipolarplatte
GDL
Gasdiffusionslage
Gew.-% Gewichtsprozent
Inversionswetterlage austauscharme Wetterlage
kW
el
Kilowatt
elektrisch
KWK
Kraft-Wärme-Kopplung
kW
th
Kilowatt
thermisch
MCFC
Molten Carbonate Fuel Cell (Schmelzkarbonat Brennstoffzelle)
N
Stickstoff
NT-BZ
Niedertemperatur
Brennstoffzelle
PAFC
Phosphoric Acid Fuel Cell (Phosphorsaure Brennstoffzelle)
PEFC (PEM)
Polymer Electrolyte Fuel Cell (Polymer Elektrolyt Membran
Brennstoffzelle)
ppm
parts per million
Produktbilanz
Bilanz mit Allokation bzw. Gutschrift der Wärme
Redox-Reaktion Reduktion-Oxidation-Reaktion
S
Schwefel
SOFC
Solid Oxide Fuel Cell (Festoxid Brennstoffzelle)
Stromkennzahl
Verhältnis von elektrisch zu thermisch bereitgestellter Energie
bei
Kraft-Wärme-Kopplung
Technologiebilanz
Bilanz ohne Allokation bzw. Gutschrift der Wärme
UBA
Umweltbundesamt
URF
Unit
Risk
Faktoren
ZSW
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-
Württemberg
Kapitel 1. Einleitung
10
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
Kapitel 1. Einleitung
11
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
Kapitel 1. Einleitung
12
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 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 kWh
el
. 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.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
PEM, 4,6kW
SOFC, 1kW
Stirling, 2 kW
Motor-BHKW,
4,7 kW
Brennwertkessel
N
ut
zungs
gra
d i
n %
thermischer Nutzungsgrad
elektrischer Nutzungsgrad
Kapitel 1. Einleitung
13
Dennoch gibt es schon einige Vertreter, die Prototypen oder Demonstrationsanlagen im
Labor oder in Feldtests betreiben:
Viessmann, PEM-Anlage, Leistung: 2 kW
el
und 5 kW
th
;
Vaillant in Zusammenarbeit mit Plug Power, PEM-Anlage, Leistung: 4,6 kW
el
und 7 kW
th
;
Sulzer Hexis, SOFC-Anlage, Leistung 1 kW
el
und 2,5 kW
th
.
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.
Kapitel 1. Einleitung
14
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.
Kapitel 2. Grundlagen
15
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.
produktbezogene Ökobilanz
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]
Kapitel 2. Grundlagen
16
Bestandteile einer Ökobilanz 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 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.
Festlegung des
Ziels- und
Untersuchungs-
rahmens
Rahmen einer Produkt-Ökobilanz
Sachbilanz
Wirkungs-
abschätzung
Auswertung
Direkte Anwendungen
· Entwicklung und Ver-
besserung von Produkten
· strategische Planung
· politische Entscheidungs-
prozesse
· Marketing
· sonstige
Festlegung des
Ziels- und
Untersuchungs-
rahmens
Rahmen einer Produkt-Ökobilanz
Sachbilanz
Wirkungs-
abschätzung
Auswertung
Direkte Anwendungen
· Entwicklung und Ver-
besserung von Produkten
· strategische Planung
· politische Entscheidungs-
prozesse
· Marketing
· sonstige
Direkte Anwendungen
· Entwicklung und Ver-
besserung von Produkten
· strategische Planung
· politische Entscheidungs-
prozesse
· Marketing
· sonstige
Kapitel 2. Grundlagen
17
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.
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]
Kapitel 2. Grundlagen
18
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.
Kapitel 2. Grundlagen
19
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.
Kapitel 2. Grundlagen
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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.
Kapitel 2. Grundlagen
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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:
(2.1)
T
oben
: Obere Prozesstemperatur; Eintrittstemperatur des Arbeitsmediums
T
unten
: Untere Prozesstemperatur; Austrittstemperatur des Arbeitsmediums
Der thermodynamische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle ist durch das Verhältnis der
freien Reaktionsenthalpie und der Reaktionsenthalpie begrenzt.
(2.2)
Nach Gibbs errechnet sich die freie Reaktionsenthalpie folgendermaßen:
(2.3)
Kapitel 2. Grundlagen
22
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 TS steht für die Energie, welche durch die
Umwandlung der chemischen Energie in reversible thermische Energie entsteht. Unter
Standardbedinungen beträgt G
0
= -237,141 kJ/mol und H
0
= -285,83 kJ/mol für die
Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser. Daraus ergibt sich ein theoretisch
maximal erreichbarer thermodynamischer Wirkungsgrad von:
(2.4)
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 2.4: Heutige und zukünftige elektrische Wirkungsgrade von Kraftwerken auf Erdgasbasis, [2]
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2003
- ISBN (eBook)
- 9783832470890
- ISBN (Paperback)
- 9783838670898
- DOI
- 10.3239/9783832470890
- Dateigröße
- 1.6 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Fachhochschule Stralsund – Wirtschaftsingenieurwesen
- Erscheinungsdatum
- 2003 (August)
- Note
- 1,3
- Schlagworte
- lifecycle analysis pem-brennstoffzelle erdgas-reformer energie wasserstoff
