L IFE CYCLE SCREENING OF THE CONSTRUCTION PHASE

The primary energy consumption related to the production of the SOFC is used as an  indicator of the environmental impacts and resource consumptions in the production  phase. A tubular design of the SOFC, which was the design initially developed, is now aban‐

doned in favour of a planar alternative with a more compact scalable design and lower  production cost. The first generation planar cells are electrolyte‐supported. The second  generation cells, which are primarily in focus at the moment, are anode‐supported. Third  generation, metal‐supported cells are currently being developed and tested [1]. These will  potentially lower the material costs, as the use of rare earth is minimised in favour of more  stainless steel. Such a development is also associated with a reduction of operation tem‐

perature, increasing the lifetime and the efficiency of the SOFC by lowering internal resis‐

tance; hence, this development is required for the SOFC to be competitive. 

In Fig. 42, the distribution of primary energy consumption for the production of materials  and manufacturing of a first generation cell and system is illustrated. In the perspective of  the development towards third generation cells, the first generation cell represents a worst  case scenario. The data set used in Fig. 42 is based on a planar 1 kW SOFC from Karakoussis  (2001) [70] and can be considered as the first estimate of the potential primary energy con‐

sumption related to the construction of SOFCs. For this type of fuel cell, the main part of 

chromium alloy used in the interconnector and the production of steel used for heat ex‐

changers, air and fuel supply, etc., are the two most important factors at the production  stage of the life cycle of this fuel cell. 

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Primary energy consumption

Anode/elec./cathode & 

other materials Intercoonect material

Cell manufacturing

Fig. 42, Distribution of primary energy consumption for materials and manufacture of cell and system forming a fuel cell. 

The data is based on a first generation 1 kW planer SOFC. 

When the cells develop towards third generation cells, the relative contribution from the  anode/electrolyte/cathode will diminish, as these parts will become thinner and will be  supported by the interconnector. The interconnector may also become thinner as the cells  develop; thus, the system surrounding the cells will become more and more important. The  energy consumption related to the manufacture of the anode, cathode and electrolyte has  been assessed using the energy consumption for aluminium production per mass in the cell  analysed here. Due to commercial confidentiality, no exact data have been acquired on the  production of these ceramic materials in the cell itself. Doubling the energy use for manu‐

facturing the anode, cathode and electrolyte will only increase the total energy require‐

ment for materials and manufacturing by 1.6 per cent. This is due to the fact that the inter‐

connector is made from chromium alloy and the fact that the steel for the system by far has  the largest energy consumption in the cells themselves [70].  

The production of the anode, cathode and electrolyte is not likely to generate higher en‐

ergy consumption in the future. It is only expected to contribute marginally to the total  energy consumption in the production of the fuel cells. In addition to the cells, the sur‐

rounding system also generates energy consumption. The system counts for approximately  40 per cent of the energy consumption of the cell and, also here, the material production  has a significant contribution. 

The processes used in Karakoussis (2001) [70] are not optimised for mass production. As an  example, the anode and cathodes are not co‐sintered, thus increasing the energy demand  in the data used here. Furthermore, no recycling of the materials in the system has been  assumed, which can prove important in terms of lowering the energy consumption for the  production of materials for the fuel cell. Re‐cycling may also prove important in terms of  reducing the use of rare earth for the ceramics of the SOFCs. 

The power density of the fuel cell, i.e. the capacity of the individual cell per cm², is 0.2  W/cm², and the cell has an operating temperature of 900°C.. The power density is expected  to exceed to 0.5 W/cm² [55], which means that the energy consumption for producing a 1  kW fuel cell would decrease by 40 per cent. Electrolyte‐supported cells have reached a  power density of 0.48 W/cm², and experimental second generation cells have performed  0.8 W/cm² [55]. Third generation interconnector metal‐supported cells are still at the ex‐

perimental stage. However, these are expected to increase the power densities even more. 

The running temperature is lowered to 550‐650°C, compared to 900‐1.000°C in the first  generation cells. This will lower the internal resistance. The power density will increase  from the first generation cell analysed here and, subsequently, the overall energy con‐

sumption related to the production of 1 kW SOFC will decrease. 

In Fig. 43, the energy consumption per kW of capacity related to the production of SOFCs  and traditional power‐producing units is illustrated. Two SOFCs are shown; one with a  power density of 0.2 W/cm² and another SOFC using the same data, but scaled for an im‐

proved power density of 0.5 W/cm². These figures are compared to the primary energy  consumption related to the production of a large coal‐fired power plant and three sizes of  gas turbine power plants, all of which represent current technologies. For these power  plants, existing data from theEcoInvent database has been used. The EcoInvent database is  one of the most comprehensive and up‐to‐date life cycle inventory databases available. The  2.500 processes, products, and services in the database are applicable to a European con‐

text [14]. This database contains data gathered in 2004 for processes, products, and ser‐

vices in the year 2000 and was constructed from several Swiss databases covering data for  both Switzerland and Europe.  

0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000

1 kW SOFC (0,2  W/cm2)

1 kW SOFC (0,5  W/cm2)

460 MW Coal PP 100 MW GT PP  1 MW GT PP  50 kW GT PP  Primary energy consumption (MJ pr. kWe)

In terms of primary energy consumption, the production of SOFC is already at this point  more efficient than the production of large coal‐fired power plants, as a power density  higher than 0.5 W/cm² has been achieved. The lifespan, however, is still a problem which  requires further development. Coal‐fired power plants generate a large energy consump‐

tion per kW, because of the use of large amounts of steel for the production of the plants. 

The production of gas turbines is still less energy consuming than the production of SOFCs. 

The SOFC would have to reach a power density of 1 W/cm² and reuse at least one third of  the interconnector and system material in order to be comparable to gas turbines at the  production stage.