Kostenanalyse und Kostensenkungspotentiale für elektrochemische Energieumwandlungssysteme mit Brennstoffzellen

Diplomarbeit aus dem Jahr 2002 im Fachbereich Ingenieurwissenschaften - Energietechnik, Note: 1,0, Fachhochschule Trier - Hochschule für Wirtschaft, Technik und Gestaltung (Umwelttechnik), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Die Energieerzeugung mit Brennstoffzellen wird seit einigen Jahren intensiv erforscht für mobile, stationäre und portable Anwendungen. Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass durch den elektrochemischen Konvertierungsvorgang bei hohem elektrischen Wirkungsgrad CO2-Emissionen und limitierte Emissionen und damit Rohstoffe bei der Strom- und Wärmeerzeugung eingespart werden. Die Brennstoffzellentechnologie ist außerdem wegweisend für den zukünftigen verstärkten Einsatz regenerativer Energien und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft.
Die vorliegende Arbeit untersucht neben dem Systemaufbau die derzeitigen Investitions- und Stromgestehungskosten für die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) und die Membranbrennstoffzelle (PEMFC) im stationären Bereich. Beide Systeme werden als kleinere (200-250 kW) Blockheizkraftwerke eingesetzt, wobei die PAFC der Fa. ONSI mit weltweit über 200 verkauften Anlagen derzeit eine führende Rolle einnimmt. Eine detaillierte Kostenanalyse ergibt Stromgestehungskosten von 34 bzw. 83 Pf/kWh für PAFC und PEMFC, womit diese gegenwärtig nicht konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Systemen sind. Der Grund hierfür ist hauptsächlich in den hohen Investitionskosten von 10.000 DM/kWel bzw. 30.000 DM/kWel zu suchen.
In einem zweiten Schritt wurden aus den Ergebnissen der Kostenanalyse Kostensenkungspotentiale abgeleitet. Nach Lernkurvenmodellen der Preis- und Produktionskostentheorie reduzieren sich Anlagenkosten bei jeder Verdopplung der Produktion um einen konstanten Betrag. Gründe hierfür liegen in der technischen Weiterentwicklung (z.B. kostengünstigere Materialien bzw. verringerter Materialbedarf) und der Einführung der Serienfertigung. Da PAFC-Systeme technisch weitgehend ausgereift sind, ist das größte Potential hier in der Erhöhung des Produktionsvolumens zu sehen. ONSI strebt bis zum Jahr 2003 eine Produktion von 200 Anlagen pro Jahr an und könnte somit bei einer kumulierten Produktion von ungefähr 135.000 kW Kosten von $300.000 (bzw. ca. 600.000 DM) pro Anlage oder $1500/kW (bzw. ca. 3.000 DM/kW) erzielen. Hierzu müßte der Lernerfolg jedoch 33 % betragen. Trotz der bisherigen Produktionserfahrung liegt er jedoch bei nur 17%. Es bleibt ferner festzustellen, dass der Anlagenpreis der PAFC in den letzten Jahren kaum gefallen ist, d.h. die Kostenersparnisse nicht an die Kunden weitergegeben wurden. Womöglich wird dieser Typ daher mittelfristig von der PEMFC verdrängt, falls Synergien durch den geplanten massiven Einsatz der Membranbrennstoffzelle im Automobilbereich realisiert werden können.
Die PEMFC ist technisch noch nicht ausgereift, d.h. die Kosten können auch durch technische Fortschritte gesenkt werden. Solche Fortschritte sind vor allem im Bereich der Bipolarplatten, Membranen und Elektroden zu erwarten, die drei Viertel der reinen Materialkosten des Stacks ausmachen. Noch wichtiger ist die Verringerung der Herstellkosten (zur Zeit drei Viertel der gesamten Stackkosten) durch einfacher zu verarbeitende Materialien und neue Herstelltechniken für die Massenproduktion.
Neben den Investitionskosten beeinflussen Betriebskosten wie Brennstoffkosten, Wartung und Instandhaltung die Stromgestehungskosten. Aufgrund des höheren Wirkungsgrades versprechen Brennstoffzellensysteme niedrigere Brennstoffkosten als herkömmliche BHKWs. Die derzeit hohen Kosten für Wartung und Instandhaltung sollten mit zunehmender Optimierung der peripheren Systeme unter denen herkömmlicher Systeme liegen, da die Brennstoffzelle selbst keine beweglichen Teile besitzt.
Mit Hilfe staatlicher Fördermittel kann das Potential zur technischen Weiterentwicklung von Brennstoffzellensystemen genutzt...

Klappentext

Inhaltsangabe:Zusammenfassung: Die Energieerzeugung mit Brennstoffzellen wird seit einigen Jahren intensiv erforscht für mobile, stationäre und portable Anwendungen. Brennstoffzellen haben den Vorteil, dass durch den elektrochemischen Konvertierungsvorgang bei hohem elektrischen Wirkungsgrad CO2-Emissionen und limitierte Emissionen und damit Rohstoffe bei der Strom- und Wärmeerzeugung eingespart werden. Die Brennstoffzellentechnologie ist außerdem wegweisend für den zukünftigen verstärkten Einsatz regenerativer Energien und die Entwicklung einer Wasserstoffwirtschaft. Die vorliegende Arbeit untersucht neben dem Systemaufbau die derzeitigen Investitions- und Stromgestehungskosten für die phosphorsaure Brennstoffzelle (PAFC) und die Membranbrennstoffzelle (PEMFC) im stationären Bereich. Beide Systeme werden als kleinere (200-250 kW) Blockheizkraftwerke eingesetzt, wobei die PAFC der Fa. ONSI mit weltweit über 200 verkauften Anlagen derzeit eine führende Rolle einnimmt. Eine detaillierte Kostenanalyse ergibt Stromgestehungskosten von 34 bzw. 83 Pf/kWh für PAFC und PEMFC, womit diese gegenwärtig nicht konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Systemen sind. Der Grund hierfür ist hauptsächlich in den hohen Investitionskosten von 10.000 DM/kWel bzw. 30.000 DM/kWel zu suchen. In einem zweiten Schritt wurden aus den Ergebnissen der Kostenanalyse Kostensenkungspotentiale abgeleitet. Nach Lernkurvenmodellen der Preis- und Produktionskostentheorie reduzieren sich Anlagenkosten bei jeder Verdopplung der Produktion um einen konstanten Betrag. Gründe hierfür liegen in der technischen Weiterentwicklung (z.B. kostengünstigere Materialien bzw. verringerter Materialbedarf) und der Einführung der Serienfertigung. Da PAFC-Systeme technisch weitgehend ausgereift sind, ist das größte Potential hier in der Erhöhung des Produktionsvolumens zu sehen. ONSI strebt bis zum Jahr 2003 eine Produktion von 200 Anlagen pro Jahr an und könnte somit bei einer kumulierten Produktion von ungefähr 135.000 kW Kosten von $300.000 (bzw. ca. 600.000 DM) pro Anlage oder $1500/kW (bzw. ca. 3.000 DM/kW) erzielen. Hierzu müßte der Lernerfolg jedoch 33 % betragen. Trotz der bisherigen Produktionserfahrung liegt er jedoch bei ?nur? 17%. Es bleibt ferner festzustellen, dass der Anlagenpreis der PAFC in den letzten Jahren kaum gefallen ist, d.h. die Kostenersparnisse nicht an die Kunden weitergegeben wurden. Womöglich wird dieser Typ daher mittelfristig von der PEMFC verdrängt, falls Synergien