Life Cycle Assessment and Costing of an Anode-Supported SOFC with SCFA10 coating: A Modular and High-Resolution Approach

Zukünftige Energiesysteme müssen nicht nur danach beurteilt werden, wie effizient sie Brennstoff in Energie umwandeln, sondern nach den vollen Kosten ihrer Existenz – vom Moment an, in dem Rohstoffe aus der Erde gegraben werden, bis zum Moment, in dem das Gerät gebaut ist. Festoxid-Brennstoffzellen sind ein führender Kandidat für diese Zukunft. Dies sind Geräte, die Elektrizität durch eine chemische Reaktion zwischen Brennstoff und Luft erzeugen, wobei sie bei sehr hohen Temperaturen arbeiten und ein festes keramisches Material als Brücke für die Bewegung von Ionen nutzen. Im Gegensatz zu Batterien, die Energie speichern, erzeugen sie diese kontinuierlich, solange Brennstoff zugeführt wird, und sie können mit Wasserstoff oder Erdgas mit hoher Effizienz betrieben werden. Der Bau dieser Zellen ist jedoch ein aufwendiger Prozess. Die benötigten Materialien sind oft selten, und die Herstellung beinhaltet intensive Hitze und Energie, was einen erheblichen ökologischen Fußabdruck erzeugen kann, noch bevor das Gerät überhaupt eingeschaltet wird. Wissenschaftler suchen ständig nach Wegen, diese Zellen zu verbessern, oft indem sie dünne Schichten neuer Materialien hinzufügen, um sie leistungsfähiger zu machen, aber eine kritische Frage bleibt: Macht das Hinzufügen dieser neuen Schichten den Herstellungsprozess zu schmutzig oder zu teuer, um es wert zu sein?

Ein Forscherteam in Italien setzte sich zum Ziel, diese Frage für ein spezielles neues Material namens SCFA10 zu beantworten. Dieses Material ist eine Art keramisches Pulver, das zu einer ultradünnen Beschichtung von nur etwa zwei Mikrometern dick gemacht werden kann, welche auf die Anode, also die Brennstoffseite, einer Festoxid-Brennstoffzelle aufgetragen wird. Das Ziel dieser Beschichtung ist es, die Wechselwirkung der Zelle mit dem Brennstoff zu verbessern, was das gesamte System potenziell langfristig effizienter oder langlebiger macht. Um zu bestimmen, ob diese Innovation eine gute Idee ist, betrachteten die Forscher nicht nur die Chemie; sie führten eine vollständige Abrechnung der ökologischen und ökonomischen Kosten durch, die mit der Herstellung einer einzelnen Zelle mit dieser neuen Beschichtung im Vergleich zu einer Standardzelle ohne sie verbunden sind. Sie nutzten eine Methode namens Lebenszyklusanalyse, die jedes Gramm Material und jede Kilowattstunde Energie verfolgt, die von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Endmontage der Zelle verbraucht wird. Sie kombinierten dies mit einer Lebenszykluskostenanalyse, um zu sehen, wie viel Geld es kosten würde, die Zelle zu produzieren, einschließlich der Kosten für Elektrizität, Arbeitskraft und Maschinen.

Die Forscher bauten ihre Studie auf einem detaillierten, schrittweisen Modell des Herstellungsprozesses auf. Sie begannen damit, das SCFA10-Pulver selbst im Labor herzustellen, wobei sie eine Methode anwandten, bei der chemische Lösungen gemischt und erhitzt werden, bis sie reagieren und ein festes Pulver bilden. Sie modellierten dann, wie dieses Pulver in eine Paste verwandelt, auf die Zelle aufgetragen und bei hohen Temperaturen gebacken werden würde. Indem sie die Brennstoffzelle in ihre einzelnen Schichten zerlegten – die Anode, den Elektrolyten, die Kathode und die neue Beschichtung – konnten sie genau sehen, woher die Umweltbelastung stammte. Sie fanden heraus, dass die Herstellung von Festoxid-Brennstoffzellen von der Produktion der Hauptkeramikteile und der intensiven Hitze dominiert wird, die zum Backen erforderlich ist. Diese traditionellen Schritte sind die Hauptverursacher der Umweltkosten. Als sie die neue SCFA10-Schicht zu ihrem Modell hinzufügten, waren die Ergebnisse überraschend unauffällig. Das Hinzufügen der Beschichtung erhöhte die Umweltbelastung in allen von ihnen gemessenen Kategorien, einschließlich der Menge der emittierten Treibhausgase, um weniger als ein Prozent. Tatsächlich trug die Beschichtung selbst weniger als 0,3 Prozent zur gesamten Umweltbelastung bei der Herstellung der Zelle bei. Die zusätzliche Energie, die für die Synthese des neuen Pulvers und das Auftragen der dünnen Schicht benötigt wurde, war im Vergleich zu der Energie, die für den Rest der Zelle nötig war, so gering, dass sie auf der Skala kaum ins Gewicht fiel.

Das wirtschaftliche Bild war ebenso beständig. Die Forscher berechneten die Kosten für die Produktion einer dieser Zellen, einschließlich des Preises für die Rohstoffe, der Elektrizität für den Betrieb der Öfen und Maschinen sowie der Löhne für die Arbeiter. Sie schätzten, dass die Produktion einer einzelnen Zelle etwa 66 Euro kosten würde, unabhängig davon, ob sie die neue Beschichtung besitzt oder nicht. Die Kosten für das neue Material und die zusätzlichen Schritte zu dessen Auftrag waren im Gesamtpreis vernachlässigbar. Als sie den potenziellen Umsatz aus dem Verkauf der Zellen einrechneten, fanden sie heraus, dass ein Unternehmen, das diese Einheiten herstellt, nach etwa sechs oder sieben Jahren die Gewinnschwelle erreichen und mit dem Gewinnmachen beginnen könnte. Dieser Zeitplan änderte sich nicht signifikant, egal ob sie die Standardzelle oder die mit der SCFA10-Beschichtung herstellten. Die Studie schloss explizit die Vorstellung aus, dass das neue Material die Zelle zu teuer in der Produktion oder zu „schmutzig“ für den Einsatz in der Fertigung machen würde. Die Daten zeigten, dass die Innovation während der Bauphase sowohl ökologisch als auch ökonomisch neutral ist.

Dies bedeutet nicht, dass die neue Beschichtung nutzlos ist; es bedeutet lediglich, dass ihr Wert an anderer Stelle liegt. Die Forscher merkten an, dass die Vorteile der SCFA10-Schicht voraussichtlich erst später auftreten werden, wenn die Zelle tatsächlich in Betrieb ist. Die Beschichtung ist darauf ausgelegt, die Wechselwirkung des Brennstoffs mit der Zelle zu verbessern, was zu einer besseren Leistung, einer längeren Lebensdauer oder der Fähigkeit führen kann, einfachere Brenstoffsysteme zu nutzen. Da die Herstellungskosten und die Umweltauswirkungen zwischen den beiden Versionen sehr ähnlich sind, hängt die Entscheidung für das neue Material nicht von den Kosten der Herstellung ab, sondern davon, wie viel besser es arbeitet, sobald es installiert ist. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Fertigungsphase zwar nicht der Ort ist, an dem diese Innovation glänzt, sie sie aber auch nicht behindert. Der Weg für diese Technologie ist klar: Die neue Beschichtung kann ohne Strafe hinzugefügt werden, und die eigentliche Prüfung wird darin bestehen, zu sehen, ob sie die versprochenen Verbesserungen im Einsatz liefert und so einen neutralen Fertigungsschritt in einen signifikanten systemweiten Vorteil verwandelt.