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. [...]
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.
Inhaltsverzeichnis
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
Zielsetzung und Themen der Arbeit
Die Arbeit erstellt eine Ökobilanz eines PEM-Brennstoffzellensystems zur dezentralen Hausenergieversorgung, um durch eine Schwachstellenanalyse der einzelnen Lebenswegphasen ökologische Optimierungspotenziale zu identifizieren und die Technologie mit anderen Systemen zu vergleichen.
- Ökobilanzierung einer 2 kW PEM-Brennstoffzelle nach ISO-Norm
- Analyse der Material- und Energieflüsse über den gesamten Lebensweg
- Untersuchung der Umweltwirkungen von Systemkomponenten (Stack, Reformer)
- Vergleich mit konkurrierenden Energiewandlungssystemen
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Brennstoffzellentechnologie für die Hausenergieversorgung und Definition der Aufgabenstellung der Ökobilanz.
2 GRUNDLAGEN: Erläuterung der ISO-Normen für Ökobilanzen, der Funktionsweise von Brennstoffzellen sowie der Prozesse zur Brennstoff- und Erdgasbereitstellung.
3 FESTLEGUNG DES ZIELS UND UNTERSUCHUNGSRAHMENS: Beschreibung des Referenzsystems, der methodischen Abgrenzungen und der gewählten Wirkungskategorien für die Analyse.
4 ERGEBNISSE DER SACHBILANZ UND WIRKUNGSABSCHÄTZUNG: Detaillierte Darstellung des Materialeinsatzes, der Herstellungsaufwendungen und der Umweltwirkungen einzelner Komponenten.
5 GESAMTBILANZ DES STATIONÄREN BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS: Umfassende Technologie- und Produktbilanz unter Einbeziehung aller Lebenswegphasen sowie Vergleich mit konkurrierenden Systemen.
6 ZUSAMMENFASSUNG: Abschlussdiskussion der Ergebnisse und Bewertung der Umweltvorteile gegenüber dem Strommix sowie Identifikation von Optimierungspotenzialen.
Schlüsselwörter
Ökobilanz, Brennstoffzelle, PEM, Hausenergieversorgung, KWK, Umweltwirkung, Nachhaltigkeit, Erdgasreformer, Sachbilanz, Lebensweganalyse, Wirkungsabschätzung, Nachhaltige Energie, Wasserstoff, Ressourcenverbrauch, CO2-Emissionen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der ökologischen Bewertung (Ökobilanz) eines stationären PEM-Brennstoffzellensystems, das Erdgas zur Versorgung von Häusern mit Strom und Wärme nutzt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Materialanalyse der Systemkomponenten, der ökologischen Bewertung der Erdgas-Vorkette und dem Vergleich der Brennstoffzellentechnologie mit konventionellen KWK-Systemen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist eine transparente ökologische Schwachstellenanalyse über den gesamten Lebensweg des Systems, um Verbesserungspotenziale für eine zukünftige Serienfertigung aufzuzeigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird die Methode der produktbezogenen Ökobilanz gemäß ISO-Norm 14040ff. angewandt, wobei In- und Outputflüsse mit der Software "Umberto" modelliert wurden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert detailliert die verschiedenen Bauteile wie den Stack, den Reformer und den Wechselrichter hinsichtlich ihres Materialeinsatzes und der daraus resultierenden Umweltwirkungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Typische Schlüsselbegriffe sind Ökobilanz, PEM-Brennstoffzelle, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Erdgasreformierung und lebenswegorientierte Umweltanalyse.
Wie stark beeinflusst die Erdgasbereitstellung die Ökobilanz des Systems?
Die Erdgas-Vorkette dominiert bei den meisten Wirkungskategorien wie dem Ressourcenverbrauch und der Versauerung, da die lokalen Emissionen während der Nutzungsphase des Brennstoffzellensystems sehr gering sind.
Welche Rolle spielt die Lebensdauer der Membran (EME)?
Eine kurze Lebensdauer der Membran führt zu einem höheren Platinverbrauch, was besonders die Versauerungs- und Eutrophierungspotenziale negativ beeinflusst, weshalb die Erhöhung der Lebensdauer ein zentrales Entwicklungsziel ist.
- Quote paper
- Julian Scheub (Author), 2003, Ökobilanz eines Brennstoffzellensystems zur Hausenergieversorgung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/15443
