Am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM in Mainz wird im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte an einer dezentralen, platzsparenden und energieeffizienten Ammoniak-Cracking-Technologie gearbeitet.

„Ammoniak ist ein großer Potenzialträger für einen nachhaltigen Umbau unseres Energiesystems", erklärt Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IMM. „Die Herausforderung der Energiewende besteht ja nicht nur in der ausreichenden emissionsfreien Energieproduktion. Da Grünstrom in großen Mengen besonders an sehr wind- oder sonnenreichen Standorten wie etwa Chile oder Australien erzeugt werden kann, spielt auch der verlustarme Transport an energieärmere Einsatzorte eine relevante Rolle." Hier kann der Einsatz von Ammoniak umwälzende Vorteile bringen.

Wasserstoff speichern und transportieren mit Ammoniak

Grüner Wasserstoff (H_₂), der als Speichermedium für erneuerbaren Strom dient, lässt sich in Verbindung mit Stickstoff (N_₂) im Verhältnis 3:1 in Ammoniak (NH_₃) umwandeln.

In dieser Form kann er deutlich verlustärmer gespeichert und transportiert werden. Denn Ammoniak verflüssigt sich bei normalem Druck schon ab etwa -33 °C oder bei einem Druck von nur 7,5 bar – ganz im Gegensatz zu Wasserstoff, der für die Verflüssigung in ein Vakuum geleitet und auf -253 °C heruntergekühlt werden muss.

Außerdem hat Ammoniak eine höhere volumetrische Energiedichte als flüssiger Wasserstoff, transportiert also mehr Energie pro Volumeneinheit.

„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", erläutert Kolb. „Und sowohl die Herstellung als auch die Spaltung von Ammoniak sind völlig CO₂-frei."

Zwar ist Ammoniak giftig und brennbar und gilt daher als Gefahrgut, doch der Transport ist etabliert: Weltweit werden jährlich rund 25 Millionen Tonnen Ammoniak, bisher vor allem für die Düngemittelherstellung, sicher per Schiff und Schiene transportiert.

Cracking als Schlüsseltechnologie - auch dezentral

Damit Ammoniak in der chemischen Industrie oder als Energieträger genutzt werden kann, muss es vor Ort wieder in Wasserstoff und Stickstoff gespalten werden. Der sogenannte Cracking-Prozess findet in einem Reaktor bei etwa 600 °C auf einem nickelbasierten, anorganischen Katalysator mit großer Oberfläche statt.

Pilotanlage des Fraunhofer IMM für das Ammoniakcracken mit einer Kapazität von 20 kg/h Ammoniak © Fraunhofer IMM

„Aktuell werden an grünstromreichen Standorten wie Australien oder Chile die ersten großen Elektrolyse-Anlagen errichtet, um Ammoniak zu erzeugen. Auf europäischer Seite entsteht zum Beispiel in Rotterdam zeitgleich eine der ersten großen Cracker-Anlagen", so der Chemieingenieur.

Der zurückgewonnene Wasserstoff soll anschließend über Pipelines verteilt werden. Doch kleinere Unternehmen haben bislang oft keinen Zugang zu diesen Infrastrukturen. Die deutsche Wasserstoff-Versorgung befindet sich im Aufbau: Bis 2032 ist ein rund 9000 Kilometer langes Wasserstoff-Kernnetz geplant - vor allem durch die Umstellung bestehender Erdgasleitungen. Doch auch danach werden viele Regionen nicht angeschlossen sein.

„Diese Versorgungslücke kann unsere dezentrale Cracking-Technologie für Bedarfsmengen zwischen 100 Kilogramm und 10 Tonnen Wasserstoff pro Tag effizient und emissionslos schließen", erklärt Kolb.

Im vom Land Rheinland-Pfalz geförderten Projekt "AMMONPAKTOR" hat das Fraunhofer IMM gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM bereits einen kompakten Ammoniak-Cracker entwickelt.

Dank innovativer Plattenwärmeübertrager-Technologie und integrierter Abgasverbrennung der zur Reinigung eingesetzten Druckwechseladsorption wird ein Wirkungsgrad von 90 Prozent erreicht. Herkömmliche Technologien liegen bei etwa 70 Prozent.

Crack-Prozess: Effizient und kompakt

Die für den Crack-Prozess nötige Wärme wird direkt im Spaltreaktor mit Hilfe der Abgasströme erzeugt. Es ist kein zusätzlicher Brennstoff oder Strom erforderlich. Der Reaktor ist etwa 90 Prozent kleiner als herkömmliche Systeme und damit ideal für mobile oder platzbeschränkte Anwendungen. Durch die Abgasnutzung fällt auch der CO_₂-Fußabdruck geringer aus als bei elektrisch beheizten Reaktoren.

„Neben der systeminternen Abgasnutzung bildet der direkt mit einem Katalysator beschichtete innovative Plattenwärmeübertrager des Fraunhofer IMM den entscheidenden Unterschied", erläutert Kolb. „Statt wie üblich in einem energiereich von außen mit etwa 900 Grad Celsius zu beheizenden Rohrsystem wird die für die Spaltung benötigte Wärme bei unserer Technologie direkt dort erzeugt, wo sie gebraucht wird. Unsere Anlage hat dadurch einen deutlich besseren Wärmeübergang. Das bedeutet eine enorme Energieersparnis."

Ein Prototyp am Standort Mainz produziert derzeit bereits etwa 75 Kilogramm Wasserstoff pro Tag – genug, um beispielsweise eine kleine Wasserstoff-Tankstelle zu betreiben.

„Mit dieser Menge könnte man zum Beispiel schon eine kleine Wasserstoff-Tankstelle versorgen", so Kolb.

Nächster Schritt: Hochskalierung

Das nächste Entwicklungsziel ist die Skalierung auf eine Produktion von bis zu 10 Tonnen Wasserstoff pro Tag. Daran wird unter anderem im Rahmen des fünfjährigen EU-Projekts "GAMMA" sowie im Fraunhofer-Leitprojekt "AmmonVektor" gearbeitet. Letzteres verfolgt das Ziel, die gesamte Wertschöpfungskette für grünen Ammoniak abzubilden, um Wasserstoff dezentral und möglichst kostengünstig verfügbar zu machen. Das Projekt läuft seit Anfang 2024 unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT.

Quelle: Fraunhofer IMM