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

Energiesystemen van de toekomst moeten niet alleen worden beoordeeld op hoe efficiënt ze brandstof omzetten in vermogen, maar op de volledige kosten van hun bestaan, van het moment dat grondstoffen uit de aarde worden gegraven tot het moment dat het apparaat is gebouwd. Solid oxide brandstofcellen zijn een belangrijke kandidaat voor deze toekomst. Dit zijn apparaten die elektriciteit opwekken door middel van een chemische reactie tussen brandstof en lucht, waarbij ze op zeer hoge temperaturen werken met behulp van een vast keramisch materiaal als brug voor ionen om te bewegen. In tegen tegenstelling tot batterijen die energie opslaan, creëren ze continu energie zolang er brandstof wordt toegevoerd, en ze kunnen met hoge efficiëntie draaien op waterstof of aardgas. Het bouwen ervan is echter een zwaar proces. De benodigde materialen zijn vaak zeldzaam en het productieproces vereist intense hitte en energie, wat een aanzienlijke ecologische voetafdruk kan creëren voordat het apparaat überhaupt aan staat. Wetenschappers zoeken voortdurend naar manieren om deze cellen te verbeteren, vaak door dunne lagen van nieuwe materialen toe te voegen om ze beter te laten werken, maar een kritische vraag blijft: maakt het toevoegen van deze nieuwe lagen het productieproces te vervuilend of te duur om het de moeite waard te maken?

Een team van onderzoekers in Italië zette zich in om deze vraag te beantwoorden voor een specifiek nieuw materiaal genaamd SCFA10. Dit materiaal is een type keramisch poeder dat kan worden verwerkt tot een ultradunne coating, slechts ongeveer twee micrometer dik, die wordt aangebracht op de anode, oftewel de brandstofzijde, van een solid oxide brandstofcel. Het doel van deze coating is om de interactie van de cel met de brandstof te verbeteren, wat potentieel het hele systeem efficiënter of duurzamer maakt op de lange termijn. Om te bepalen of deze innovatie een goed idee is, keken de onderzoekers niet alleen naar de chemie; ze voerden een volledige boekhouding uit van de milieukosten en economische kosten betrokken bij het maken van een enkele cel met deze nieuwe coating, vergeleken met een standaard cel zonder deze. Ze gebruikten een methode genaamd levenscyclusanalyse, die elke gram materiaal en elke kilowattuur energie die wordt gebruikt volgt, van de winning van de grondstoffen tot de uiteindelijke assemblage van de cel. Ze koppelden dit aan een levenscycluskostenanalyse om te zien hoeveel geld het zou kosten om de cel te produceren, inclusief de prijs van elektriciteit, arbeid en machines.

De onderzoekers bouwden hun studie op een gedetailleerd, stapsgewijs model van het productieproces. Ze begonnen door het SCFA10-poeder zelf in een laboratorium te maken, met een methode waarbij chemische oplossingen worden gemengd en verhit totdat ze reageren en een vast poeder vormen. Vervolgens modelleerden ze hoe dit poeder in een pasta zou worden verwerkt, op de cel zou worden uitgesmeerd en op hoge temperaturen zou worden gebakken. Door de brandstofcel op te splitsen in haar afzonderlijke lagen — de anode, de elektrolyt, de kathode en de nieuwe coating — konden ze precies zien waar de milieu-impact vandaan kwam. Ze ontdekten dat de productie van solid oxide brandstofcellen wordt gedomineerd door de productie van de belangrijkste keramische onderdelen en de intense hitte die nodig is om ze te bakken. Deze traditionele stappen zijn de zware dragers van de milieukosten. Toen ze de nieuwe SCFA10-laag aan hun model toevoegden, waren de resultaten verrassend rustig. De toevoeging van de coating verhoogde de milieu-impact met minder dan één procent over alle door hen gemeten categorieën, inclusclusief de hoeveelheid vrijgekomen broeikasgassen. Sterker nog, de coating zelf droeg minder dan 0,3 procent bij aan de totale milieubelasting van het maken van de cel. De extra energie die nodig was om het nieuwe poeder te synthetiseren en de dunne laag aan te brengen, was zo klein vergeleken met de energie die nodig is om de rest van de cel te maken, dat het nauwelijks opviel op de schaal.

Het economische beeld was even stabiel. De onderzoekers berekenden de kosten voor de productie van één van deze cellen, inclusief de prijs van de grondstoffen, de elektriciteit om de ovens en machines te laten draaien, en de lonen voor de werknemers. Ze schatten dat de productie van een enkele cel ongeveer 66 euro zou kosten, ongeacht of deze de nieuwe coating heeft of niet. De kosten van het nieuwe materiaal en de extra stappen om het aan te brengen waren verwaarloosbaar in het grotere geheel van de totale prijs. Wanneer ze de potentiële omzet uit de verkoop van de cellen meenamen, stelden ze vast dat een bedrijf dat deze eenheden produceert, na ongeveer zes of zeven jaar break-even zou draaien en winst zou gaan maken. Deze tijdlijn veranderde niet significant of ze nu de standaard cel of de cel met de SCFA10-coating maakten. De studie sloot expliciet de mogelijkheid uit dat het nieuwe materiaal de cel te duur zou maken om te produceren of te vervuilend om het gebruik ervan tijdens de fabricagefase te rechtvaardigen. De gegevens toonden aan dat de innovatie tijdens de bouwfase milieutechnisch en economisch neutraal is.

Dit betekent niet dat de nieuwe coating nutteloos is; het betekent simpelweg dat de waarde ergens anders ligt. De onderzoekers merkten op dat de voordelen van de SCFA10-laag naar verwachting zullen verschijnen op een later moment, wanneer de cel daadwerkelijk in gebruik is. De coating is ontworpen om de interactie van de brandstof met de cel te verbeteren, wat kan leiden tot betere prestaties, een langere levensduur of het vermogen om eenvoudigere brandstofsystemen te gebruiken. Omdat de productiekosten en de milieu-impact zo vergelijkbaar zijn tussen de twee versies, hangt de beslissing om het nieuwe materiaal te gebruiken niet af van de kosten van de productie, maar van hoe goed het werkt zodra het is geïnstalleerd. De studie concludeert dat hoewel de fabricagefase niet de plek is waar deze innovatie uitblinkt, het de innovatie ook niet belemmert. De weg voorwaarts voor deze technologie is duidelijk: de nieuwe coating kan zonder sanctie worden toegevoegd, en de echte test zal zijn of het de beloofde verbeteringen in het veld levert, waardoor een neutrale fabricagestap wordt omgezet in een aanzienlijk systeembreed voordeel.