speicher (für mobile Anwen
7DE6SH]L¿VFKH5RKVWRIIEHGDUIHIU die Wasserelektrolyseure in g/kW
3.3.5 SOFCStationäre Brennstoff
zelle
3.3.5.1 Technologiebeschreibung
Brennstoffzellen gehören zur Kategorie der Ener-giewandler und erzeugen durch kalte Verbren-nung Strom. Bei der Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC) handelt es sich um einen Brennstoffzel-lentyp, der bei erhöhter Temperatur betrieben wird und im Gegensatz zu anderen Brennstoffzellty-pen, z. B. der PEM-Brennstoffzelle, einen festen Elektrolyt besitzt. Die Einsatzfelder der SOFC decken stationäre als auch portable Anwendun-gen ab. WeiterentwicklunAnwendun-gen ermöglichen dabei zunehmend auch den mobilen Gebrauch. In die-sem Kapitel wird sich jedoch auf den stationären Betrieb fokussiert, der in der Vergangenheit auch das Haupteinsatzfeld der SOFC war. Zum Ein-satz kommen stationäre SOFC hauptsächlich bei der dezentralen Stromerzeugung und der Kraft-Wärme-Kopplung. Die meisten Einheiten sind dabei in den USA und Südkorea im Einsatz (Weid
-ner et al. 2019).
In den letzten Jahren kam es zwar weltweit zu stärkeren Konsolidierungen (Weidner et al. 2019), aber das Interesse von OEMs hat zuletzt wieder zugenommen, wie die Aktivitäten von Weichai, Cummins und Bosch zeigen. Die meisten SOFC
werden dabei mit rund 80 MW aktuell in den USA von Bloom Energy gebaut. Hierbei handelt es sich in erster Linie um große stationäre Einheiten.
Ansonsten sind als Hauptproduzenten SOLID-power in Europa und Aisin in Japan zu nennen (e4tech (UK) Ltd 2019b). Im Gegensatz zu kon-ventionellen Wärmemaschinen, die durch den Carnot’schen Wirkungsgrad beschränkt sind, kön-nen SOFC sehr effizient elektrochemisch Strom direkt erzeugen und zusätzlich Wärme in Form von Abwärme bereitstellen. Dadurch lassen sich kombinierte Wirkungsgrade von bis zu 90 % errei-chen, wobei der elektrische Wirkungsgrad typi-scherweise 50 – 60 % beträgt. Vorteilhaft ist auch, dass Brennstoffe unterschiedlichster Art verwen-det werden können, wie Wasserstoff, Kohlen-wasserstoffe oder Kohlenmonoxid. Ein modulares Design erlaubt eine gute Skalierung von kleinen bis größeren Anlagen, ohne große Effizienzver-luste hinnehmen zu müssen. Weitere Vorteile gegenüber traditionellen Energieumwandlungs-systemen sind die Verlässlichkeit, niedrige Emis-sionen und Geräuscharmut.
Eine SOFC besteht aus elektrochemischen Zel-len, die durch elektrische Interkonnektoren mit-einander zu einem Stack verbunden sind. In der Zelle selbst befindet sich ein dichtes ionenleiten-des Elektrolyt, welches zwei poröse Elektroden, die Kathode und die Anode, voneinander trennt.
Zur besseren Veranschaulichung ist das Funk-tionsprinzip in Abb. 3.66 skizziert. Der an der Kathode zugeführte Sauerstoff reagiert mit den von dem externen Stromkreis kommenden Elek-tronen zu Oxidionen (O2-), die zur Anode (Treib-stoffelektrode) durch das ionenleitende Elektrolyt wandern. In der Anode rekombinieren die Oxidio-nen mit Wasserstoff (und/oder Kohlenstoffmon-oxid) im Treibstoff zu Wasser (und/oder Kohlen-stoffdioxid). Dabei werden Elektronen frei, die von der Anode über den externen Stromkreis zur Kathode fließen.
Die Bauform des SOFC-Stacks unterscheidet man typischerweise in eine planare und tubulare Bauweise. Bei der planaren Bauweise handelt es sich um ein flächiges Zelldesign, welches auch bei den anderen Brennstoffzelltypen wiederzufin-den ist. Bei der tubularen Bauweise wird die Zelle röhrenförmig aufgebaut, vergleiche Abb. 3.67.
Vorteilhaft ist hierbei insbesondere die einfachere Abdichtungsmöglichkeit im Vergleich zur plana-ren Bauweise. Tendenziell längere Stromwege
Brenngas Luft
Abb. 3.66: Aufbau und Funktion einer Festoxid-Brennstoffzelle
(Quelle: Sakurambo, Sunspeanzler, Wikimedia, CC BY-SA 3.0)
und niedrigere Stromdichten gelten als Nachteile der tubularen Bauform. Zu jeder Variante gibt es verschiedene Ausprägungen, wobei sich die Her-steller meist auf einzelne Varianten fokussieren.
Eine Unterscheidung der Varianten ist zudem auch durch die anoden- bzw. elektrolytgestützte Bauweise möglich. In der Vergangenheit domi-nierte die elektrolytgestützte Variante den Markt, da diese eine einfachere Versorgung mit Brenn-gas erlaubte, trotz höherer ohmscher Verluste durch den dickeren Elektrolyten. Durch die auf-genommenen Forschungsaktivitäten bei der Fest-körperoxid-Elektrolyse (SOEL) wird jedoch auch wieder verstärkt an anodengestützen Varianten gearbeitet.
Die erforderliche Betriebstemperatur hängt von den verwendeten Materialien ab und liegt zwi-schen 500 – 1.000 °C. Bestrebungen, Kosten zu senken und die SOFC flexibler einsetzen zu kön-nen, haben in den letzten Jahren dafür gesorgt, dass immer niedrigere Betriebstemperaturen möglich wurden. So wurden die Arbeitstempera-turen im Vergleich verschiedener Varianten von 900 – 1.100 °C auf 500 – 750 °C gesenkt. Damit die elektrochemischen Reaktionen auch bei nied-rigeren Temperaturen effizient ablaufen, mussten für die Sicherstellung der ionischen Leitfähigkeit meist Materialdicken reduziert oder Materialen substituiert werden. Für Neuentwicklungen mit dem Ziel, bestimmte Betriebstemperaturen oder
Bauformen bzw. Einsatzzwecke der SOFC zu erreichen, ist es daher häufig sinnvoll, bereits vorab Materialen anhand ihrer elektrischen und ionischen Leitfähigkeit auszuwählen. Verschie-dene Vor- und Nachteile einzelner Materialien bzw. Materialienkombinationen haben dazu bei-getragen, dass viele verschiedene Materialien beim Bau der SOFC zum Einsatz kommen kön-nen und jeder Hersteller bestimmte Materialien präferiert.
3.3.5.2 Foresight Industrielle Nutzung
Die historische Entwicklung des SOFC-Marktes wurde in e4tech (UK) Ltd (2016) und e4tech (UK) Ltd (2019b) zusammengetragen und ist in Abb.
3.68 dargestellt. In den anfänglichen Jahren bis 2017 stiegen die SOFC Produktionen kontinuierlich an, wobei die Wachstumsraten bereits abnahmen.
In den letzten drei Jahren kam es dann zu einer Stagnation, bei der sich die SOFC-Produktion auf einem Niveau von rund 85 MW pro Jahr bewegte.
Generell wird jedoch von einem weiter wachsen-den Markt mit mittelfristigen Wachstumsraten zwi-schen 10 – 25 % ausgegangen. Für die Analysen in dieser Studie wird sich an der prozentualen Markt-entwicklung für stationäre Anwendungen der drei Szenarien von e4tech (UK) Ltd (2019a) kombi-niert mit den SSP-Wasserstoffannahmen orientiert, s. Kapitel 1.2. Dabei wird zudem angenommen, dass langfristig nur Wasserstoff als Brennstoff eingesetzt wird. Für den aktuellen Bestand wer-den die jährlichen SOFC-Produktionen ab 2010 berücksichtigt.
Diese Annahmen wurden zu einer Entwicklung für den Bestand und die jährliche Produktion zusam-mengeführt, vergleiche Abb. 3.69. Dabei ist zu erwarten, dass der Bestand beim SSP5 in 2040 nur noch sehr langsam anwächst und ungefähr bei 10 GW liegen wird. Für SSP2-26 und SSP1-19 wird eine weiter zunehmende jährliche Produk-tion angenommen, wobei die des SSP2-26 halb so groß ist wie die des SSP1-19. Die Bestände wer-den mit 33 GW für das SSP2-26 und 52 GW für das SSP1-19 in 2040 angesetzt.
Der Brennstoffzellenmarkt hängt sehr von den politischen Rahmenbedingungen, der Forschungs-förderung und den wirtschaftlichen Einsatzmög-Abb. 3.67: Aufbau und Funktion einer
tubularen Festoxid-Brennstoffzelle (Quelle: Jmsanta, Degree,
Wikimedia, CC BY-SA 3.0)
lichkeiten ab. Unsicherheiten ergeben sich aber auch dadurch, wie sich andere Brennstoffzelltypen und Alternativtechnologien entwickeln. Dies führt unweigerlich dazu, dass es durch das Marktumfeld zu Anpassungen in der Bauweise und der
Material-auswahl bei der SOFC kommen kann. Zusätzlich kann die Gewinnung von Marktanteilen eines Her-stellers dazu führen, dass bestimmte alternative Materialen stärker nachgefragt werden als ange-nommen.
90 80 70 60 50 40
SOFC-Produktion in MW pro Jahr
30 20 10
0 2011
* Hochrechnung durch E4Tech
2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019*
SSP5 - Bestand SSP2-26 - Bestand SSP1-19 - Bestand
SSP5 - Jährliche Produktion SSP2-26 - Jährliche Produktion SSP1-19 - Jährliche Produktion 0
10 20 30 40 50 60
2020 2025 2030 2035 2040
Bestand und jährliche Produktion in GW
Abb. 3.68: Produktion von SOFC-Anlagen (Quellen: e4teCh (UK) Ltd 2016, e4teCh (UK) Ltd 2019b)
Abb. 3.69: Produktion und Aufbau des Bestandes an installierter SOFC-Leistung für die Szenarien SSP5, SSP2-26 und SSP1-19 (Quelle: Eigene Darstellung)
3.3.5.3 Rohstoffinhalt
Die Auswahl des Elektrolytmaterials legt häufig die konkrete Bauform und die weiteren verwen-deten Materialien fest. Grundsätzlich kann dabei auf eine Vielzahl an Materialien zurückgegriffen werden. Vier häufig verwendete Materialien sind yttriumdotiertes Zirkoniumiumdioxid (YSZ), scan-diumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), gadolini-umdotiertes Ceroxid (GDC) und Cer-Gadolinium-Oxid (CGO). YSZ kommt dabei seit langem zum Einsatz und ist auch aktuell noch das am häufigs-ten verwendete Elektrolytmaterial. Bei niedrige-ren Temperatuniedrige-ren unter 700 °C besitzt es jedoch eine niedrige ionische Leitfähigkeit. ScSZ besitzt eine bessere Leitfähigkeit und auch eine höhere Stabilität, ist dafür aber weniger verfügbar und teurer. GDC und CGO besitzen auch bei niedri-gen Temperaturen unter 600 °C eine ausreichend hohe Leitfähigkeit, sind dafür aber wiederum nicht so chemisch und mechanisch stabil (dA silVA &
souzA 2017; hussAin & yAngPing 2020; zhAng et al. 2020).
In birnbAuM et al. (2019) wird eine Übersicht gegeben, welche Materialien hauptsächlich bei verschiedenen Zelltypen zum Einsatz kommen.
Für das Elektrolyt wird als Hauptmaterial YSZ mit Dotierungsanteilen von 3 – 10 mol% einge-setzt. Als Alternative wird Scandium-Cer-stabili-siertes Zirkoniumdioxid (ScCeSZ) benannt. Für die poröse Anode sind Nickel-YSZ-Materialien sehr verbreitet, wobei auch Nickel-Ceroxid und Ni-ScCeSZ verwendet wird. Eine etwas größere Auswahl gibt es bei der Kathode mit Strontium-Kobalt-Ferrit (LSCF) und Lanthan-Strontium-Manganit (LSM) mit YSZ bzw. als Alternative Lanthan-Strontium-Kobaltit (LSC) und Lanthan-Strontium-Ferrit (LSF). Für die Inter-konnektoren wird auf rostfreie Stähle und Eisen-Chrom-Yttrium-Legierung (CFY) bzw. FeCrAlY zurückgegriffen. Höhere Betriebstemperaturen machen dabei meist die aufwändigeren Legie-rungen erforderlich, um Korrosion zu verhindern und eine ausreichende thermische Stabilität zu gewährleisten.
Die Bauweise und der Zelltyp haben einen direk-ten Einfluss auf den Materialbedarf. So ist die anodengestütze Schicht meist zwischen 200 – 300 μm und die elektrolytgestütze Schicht um die 150 μm dick. Die nichttragende Elektrolytschicht kann ansonsten mit 5 – 15 μm deutlich dünner ausfallen
und von geringeren ohmschen Verlusten profitie-ren. Kathode und Anode bewegen sich zwischen 20 – 50 μm.
Je nach Auslegung der Zellen können auch bei niedrigen Temperaturen Stromdichten von 2 W/cm2 erreicht werden, typischerweise liegen diese jedoch bei rund 0,5 W/cm2 (KendAll & Ken
-dAll 2016). Für die in Tab. 3.59 angenommenen spezifischen Materialbedarfe wurden die Mittel-werte aus den Untersuchungen in strAzzA et al. (2015), gAndiglio et al. (2019), sMith et al.
(2019), bicer & KhAlid (2020) gebildet. Um der technologischen Entwicklung gerecht zu werden, wurden zudem bei den Materialen für die elektro-chemische Zelle hohe Extremwerte nicht berück-sichtigt. Es wird dabei von den typischerweise eingesetzten und zuvor genannten Materialein-sätzen ausgegangen.
Berücksichtigt man Aussagen zur Nutzung des abgebauten Scandiums, so wird dieses zur Zeit zum größten Teil für SOFC und insbesondere beim größten Hersteller Bloom Energy einge-setzt (grAndField 2018), bei dem ein ungefährer Bedarf von 92 g/kW besteht. Um diesen Bedarf nicht unberücksichtigt zu lassen, wird unter tech-nologischer Weiterentwicklung und damit Mate-rialeinsparung auch ein spezifischer Bedarf für Scandium ausgewiesen, welches in der Gesamt-betrachtung in erster Linie den Bedarf von Yttrium im Elektrolyten substituieren würde.
Tab. 3.59: Spezifische Rohstoffbedarfe für die SOFC in g/kW (Quellen: StRazza et
3.3.5.4 Foresight Rohstoffbedarf
Für das stationäre SOFC-System ergeben sich auf Basis der spezifischen Rohstoffbedarfe pro g/
kW und den Szenarien zu den Produktionszahlen die Rohstoffbedarfe wie sie in Tab. 3.60 dargestellt sind. Mit Ausnahme von Scandium ist keiner der Rohstoffe kritisch. Die bestehenden Produktionen reichen nominell auch für die Bedarfe in 2040 aus. Für Scandium ist jedoch eine deutliche Aus-weitung der Produktion bzw. Materialeinsparun-gen nötig, wenn die Verwendung sich nicht groß ändert. Dies spiegelt auch wider, dass bereits jetzt der größte Anteil des abgebauten Scandiums bei der SOFC-Herstellung zum Einsatz kommt.
Der Unterschied im Bedarf zwischen den drei ver-schiedenen SSPs ist mit einem Faktor von rund 9 zwischen dem SSP5 und dem SSP1-19 rela-tiv groß. Dies spielt insbesondere bei Scandium oder alternativ eingesetzten knappen Rohstoffen eine große Rolle, welche die Marktentwicklung von SSP2-26 (2040: dreifacher Bedarf gegen-über der Produktion 2018) und SSP1-19 (2040:
fünffacher Bedarf) erheblich beeinflussen könnte.
Es wäre dann anzunehmen, dass auf alternative Materialen zurückgegriffen werden muss, sofern die Anwendung es technisch und ökonomisch
erlaubt. Materialien die mit niedrigen Betriebs-temperaturen in Verbindung gebracht werden und kritischer sein können, sind z. B. Gadolinium und Cer.
3.3.5.5 Recycling, Ressourcen
effizienz und Substitution
Die aktuellen Materialverluste werden insbeson-dere für die strategischen Metalle aufgrund der vorherrschenden Entsorgungspraxis als hoch angenommen, auch wenn diese sich prinzipiell aufbereiten ließen (öKoPol gMbh 2016). Das Herstellungsverfahren, die Zellgeometrie und die Größe beeinflussen die Materialverluste zusätz-lich. In der Vergangenheit gab es Annahmen zum Materialverlust von bis zu 50 % (lilley et al.
1989), der nach neueren Arbeiten aber auch nur 10 – 30 % betragen kann (lee 2015; MehMeti et al.
2016).
Eine hohe Recyclingsquote mit bis 99 % ist bei der Nickelanode möglich. Für Lanthan-Strontium-Manganit bei der Kathode und Lanthan-Chromit beim Interkonnektor, der die Aufgabe hat, die Zellen elektrisch zu verbinden und den Gastrans-port zu den Elektroden sicherzustellen, sind keine
Tab. 3.60: Globale Produktion (BGR 2021) und ermittelter Rohstoffbedarf für stationäre SOFC-Systeme in t
Rohstoff Produktion 2018 Bedarf 2018
Bedarfsvorschau 2040 NachhaltigkeitSSP1 SSP2
Mittelweg SSP5 Fossiler Pfad
Nickel 2.327.500 (B)
2.189.313 (R) 84 10.350 5.800 1.100
Yttrium 7.600 (R) 2 842 470 90
Zirkonium 1.256.3621 (B) 23 2.798 1.570 300
Lanthan 35.800 (R) 2 270 150 29
Mangan 20.300.000 (B) 3 360 200 38
Chrom 27.000.000 (B) 213 26.400 14.800 2.800
Aluminium 63.756.000 (R) 49 6.100 3.420 650
Kobalt 151.060 (B)
126.019 (R) 1 63 35 7
Scandium 9,1 (B) 5 48 27 5
B: Bergwerksförderung (t Inh.) R: Raffinadeproduktion (t Inh.)
1 Produktion Zirkoniumminerale
Recyclingprozesse verfügbar. Entsprechend kön-nen tendenziell höhere Recyclingquoten bei einer planaren im Vergleich zu einer tubularen SOFC erreicht werden. Die schwierige Aufbereitung keramischer Materialien, der hohe Energiebedarf und der geringe Wert führt dazu, dass sie nur einer Zweitverwertung als Auffüllmaterial in der Bauindustrie oder Zement- und Klinkerherstellung zugeführt werden (enVironMent PArK sPA et al.
2018). Unter der Annahme eines größeren Mark-tes an Altanlagen und einem steigendem Wert ist aber anzunehmen, dass entsprechende Ver-fahren auch verstärkt zum Recycling eingesetzt werden.