Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung

Fachhochschule Stralsund 
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung

Diplomarbeit

Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung

eingereicht von

Julian Scheub

Ulm 2003

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

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

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 kWhel“ ... 92
Anhang L: Umweltwirkungen,Gutschrift mittels Brennwertkessel ... 93

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 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
• 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.

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