Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM forscht derzeit an einer neuen Technologie: Ammoniak-Cracking. Das aus der Düngemittel-Produktion bekannte farblose Gas lässt sich CO2-frei aus Stickstoff und Wasserstoff herstellen und könnte als effizienter Wasserstoffträger und klimafreundlicher Ersatz für fossile Brennstoffe künftig eine Schlüsselrolle einnehmen. Es bietet viele Vorteile für Transport und Lagerung.
"Die Herausforderung der Energiewende besteht ja nicht nur in der ausreichenden emissionsfreien Energieproduktion", erklärt Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IMM in Mainz.
Schließlich könne Grünstrom in großen Mengen an besonders wind- oder sonnenreichen Standorten wie etwa Chile oder Australien erzeugt werden.
Eine relevante Rolle spielt seiner Meinung nach auch der verlustarme Transport an energieärmere Einsatzort. An dieser Stelle kommt der Einsatz von Ammoniak ins Spiel.
Ammoniak eignet sich für Transport von Wasserstoff
Grüner Wasserstoff H2 – als Speichermöglichkeit für grünen Strom – kann in Verbindung mit Stickstoff N2 im Verhältnis 3:1 in Ammoniak NH3 umgewandelt und in dieser Form deutlich verlustärmer gelagert und transportiert werden.
Für diese Zwecke hat Ammoniak dem Wasserstoff einiges voraus: Das Gas bleibt bei atmosphärischem Druck und schon bei einem Druck von nur 7,5 bar oder einer Abkühlung auf nur etwa -33 °C flüssig. Reiner Wasserstoff dagegen muss für eine Verflüssigung unter geringem Druck in ein Vakuum geleitet und auf -253 °C heruntergekühlt werden, was einen hohen Energieaufwand erfordert.
Zusätzlich hat Ammoniak eine höhere volumetrische Energiedichte als flüssiger Wasserstoff, kann also mehr Energie pro Volumeneinheit transportieren.
"Für die Erzeugung des Ammoniaks aus Wasserstoff und Stickstoff benötigt man nur noch etwa fünf Prozent mehr Energie als zur Erzeugung von Wasserstoff aus Grünstrom Und sowohl die Herstellung als auch die Spaltung von Ammoniak sind völlig CO2-frei"
sagt Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IMM in Mainz
Zwar ist Ammoniak giftig und brennbar und daher als Gefahrengut mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen einzuordnen. Doch schon jetzt werden vor allem für die Düngemittelproduktion jährlich ca. 25 Millionen Tonnen weltweit sicher per Schiff und Schiene transportiert.
Ammoniak-Cracking: Erste Anlagen entstehen, Zugriff zu Pipelines fehlt
Um in der chemischen Industrie oder als Energieträger Verwendung zu finden, muss das Ammoniak am Zielort wieder in seine Bestandteile Stickstoff und Wasserstoff "gecrackt", also gespalten, werden – und das mit möglichst wenig Energieverlust. Für die Spaltung wird das Gas in einem Reaktor bei etwa 600 °C auf einen anorganischen nickelbasierten Katalysator mit hoher innerer Oberfläche geleitet.
Aktuell werden in Australien oder Chile die ersten großen Elektrolyse-Anlagen errichtet, um Ammoniak zu erzeugen, sagt der Chemieingeneur. "Auf europäischer Seite entsteht zum Beispiel in Rotterdam zeitgleich eine der ersten großen Cracker-Anlagen."
Der zurückgewonnene Wasserstoff soll in Pipelines an die Anwendungsorte verteilt werden. Das Problem: Tatsächlich haben interessierte Abnehmer gerade im Segment kleinerer Unternehmen oft keinen Zugriff auf Wasserstoff-Pipelines.
Die deutsche Wasserstoffinfrastruktur ist aktuell im Aufbau. Bis 2032 soll ein Wasserstoff-Kernnetz mit einer Leitungslänge von insgesamt rund 9000 Kilometern entstehen. Vor allem durch die Umstellung von Erdgasleitungen. Auch danach blieben jedoch große Gebiete nicht an eine Wasserstoff-Versorgung angebunden.
Ermöglicht Cracking eine lokale Versorgung?
"Diese Versorgungslücke kann unsere dezentrale Cracking-Technologie für Bedarfsmengen zwischen 100 Kilogramm und 10 Tonnen Wasserstoff pro Tag effizient und emissionslos schließen", sagt Kolb.
Im Rahmen des Projekts AmmonVektor habe das IMM gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM einen kompakten Ammoniak-Cracker entwickelt.
Das leistet der entwickelte AMMONPAKTOR-Reaktor
Dieser erreiche durch eine Plattenwärmeübertrager-Technologie und eine integrierte Abgasverbrennung der zur Reinigung eingesetzten Druckwechseladsorption beim Rückverwandlungsprozess einen Wirkungsgrad von 90 Prozent. Zum Vergleich: Herkömmliche Technologien erreichten bis zu 70 Prozent.
Die benötigte Energie zum Beheizen des Reaktors wird laut Kolb direkt im Spaltreaktor mit Hilfe der Abgasströme erzeugt. Das Cracken benötige also keinen zusätzlichen Treibstoff oder Elektrizität.
Zudem ist der AMMONPAKTOR-Reaktor um etwa 90 Prozent kleiner als konventionelle Reaktoren. Das ermögliche mobile und platzbeschränkte Anwendungen.
Durch die Abgas-Nutzung hat die Technologie auch einen geringeren Kohlendioxid-Fußabdruck als elektrisch beheizte Reaktorkonzepte. Das liegt an dem beschichteten Plattenwärmeübertrager, erläutert der Wissenschaftler. "Statt wie üblich in einem energiereich von außen mit etwa 900 °C zu beheizenden Rohrsystem wird die für die Spaltung benötigte Wärme bei unserer Technologie direkt dort erzeugt, wo sie gebraucht wird." Die Anlage habe dadurch einen deutlich besseren Wärmeübergang. Das spare Energie.
Ein fertiger Prototyp am Fraunhofer IMM-Standort in Mainz ermöglicht bereits eine Wasserstoff-Produktion von etwa 75 Kilo Wasserstoff pro Tag, das entspricht in etwa der Tagesleistung einer 50 kW-Brennstoffzelle. "Mit dieser Menge könnte man zum Beispiel schon eine kleine Wasserstoff-Tankstelle versorgen", sagt Kolb.
Ammoniak-Cracking: Die nächsten Ziele
Das nächste Entwicklungsziel ist nun die Skalierung auf eine Tagesproduktion von bis zu 10 Tonnen. Das geschieht u.a. im Rahmen des fünfjährigen EU-Projekts GAMMA sowie im Fraunhofer-Projekts AmmonVektor.
Das Ziel der Forscher: Sie wollen Wasserstoff mit nachhaltig gewonnenem Ammoniak dezentral und möglichst günstig verfügbar machen. Das dreijährige Projekt unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT läuft seit Anfang 2024.