Innovationen in der „grünen“ Ammoniakproduktion
Ammoniak gilt als der kostengünstigste „grüne Brennstoff“, und der Schifffahrtssektor sieht in ihm eine mögliche Lösung zur Dekarbonisierung seiner Flotte. Grünes Ammoniak kann in mit erneuerbarer Energie betriebenen Haber-Bosch-Anlagen erzeugt werden. Beim Haber-Bosch-Verfahren wird atmosphärischer Stickstoff durch Reaktion von Wasserstoff mit Eisenmetall in Ammoniak umgewandelt. Das Haber-Bosch-Verfahren ist zwar energieeffizient, aber nur in sehr großen Maßstäben auch kosteneffizient. Für den kleineren Maßstab ist das Verfahren nicht geeignet.
Dezentralisierte Ammoniakproduktion in kleinerem Maßstab
„Im Zuge dieses Projekts wollten wir von großen, zentralisierten Ammoniakanlagen mit hohem Energieverbrauch und starken CO2-Emissionen zu kleineren, dezentralen Ammoniakherstellungsanlagen übergehen“, erklärt Emil Drazevic von der Universität Aarhus in Dänemark, Koordinator des Projekts ORACLE. „Um sich wirklich erneuerbar nennen zu können, muss der verwendete Strom auch aus erneuerbaren Quellen wie Windkraftanlagen und Solarzellen gewonnen werden.“ Die Idee besteht darin, dass ein dezentralisiertes Modell der Produktion von Ammoniak den im kleinen Maßstab Verbrauchenden dabei helfen könnte, Ammoniak als erneuerbaren Brennstoff zu nutzen, etwa zum Betreiben von Ausrüstungen und zum Heizen, ohne dabei CO2 zu erzeugen.
Plasmabasierte, elektrokatalytische und katalytische Ansätze
Um die Realisierbarkeit der Herstellung von „grünem“ Ammoniak zu demonstrieren, vereinte das Projekt ORACLE acht Partner, darunter zwei Forschungszentren aus Japan. „Dieses Projekt war auch deshalb ungewöhnlich komplex, weil wir nicht nur eine, sondern drei verschiedene Technologien erproben wollten“, sagt Drazevic. „Diese beinhalteten einen plasmabasierten Ansatz, einen elektrokatalytischen Ansatz und einen rein katalytischen Ansatz.“ Es wurden kleine Reaktorprototypen zur Synthese von Ammoniak unter Einsatz der drei benannten Ansätze gebaut. Daraus konnte eine Reihe wichtiger Erkenntnisse gewonnen werden. Der katalytische Ansatz beispielsweise (das Haber-Bosch-Verfahren), bei dem Wärme ähnlich wie bei einem Induktionsherd erzeugt wird, erwies sich als höchst effizient. Sowohl der plasmabasierte als auch der elektrokatalytische Reaktor übertrafen ebenfalls die Produktionserwartungen, allerdings bei geringerer Energieeffizienz und höherem Energieverbrauch. „Eine wichtige gewonnene Erkenntnis lautet, dass nicht nur die Plasmaquelle, sondern auch die Reaktorgeometrie des plasmabasierten Ansatzes angepasst werden muss, um den Energieverbrauch zu senken“, fügt Drazevic hinzu. „Außerdem haben wir gelernt, dass der Energieverbrauch im elektrokatalytischen Ansatz mit dem Vorhandensein von Lithium zusammenhängt, was geändert werden könnte.“
Realisierbare Strategie zur Ökologisierung der Ammoniakproduktion
Das Team des Projekts ORACLE konnte demonstrieren, dass die erneuerbare Erzeugung von Ammoniak realisierbar ist, und hat dazu beigetragen, mögliche nächste Schritte zur Verfeinerung der Technologie zu ermitteln. „Wir haben all unsere Ziele in Bezug auf die Reaktionseffizienz übertroffen“, berichtet Drazevic. „Wir müssen nun weitere Fortschritte bei der Senkung des Energieverbrauchs erzielen.“ Dies dürfte ein Schlüsselbereich der weiterführenden Forschung sein. Ein weiterer wichtiger Erfolg war der Nachweis, dass ein dezentraler Ansatz eine praktikable Strategie zur Ökologisierung der Ammoniakherstellung darstellen kann. „Zentralisierte Ammoniakanlagen erfordern im Vorfeld einen immensen Kapitalaufwand“, sagt Drazevic. „Die Aufteilung in einige kleinere Anlagen kann dazu beitragen, die Kostenlast zu verteilen und die Energiewende zu beschleunigen.“ Wenn Ammoniak zu einem Brennstoff der Zukunft werden soll, muss der Sektor Wege zur Dekarbonisierung finden. Die Ammoniakproduktion verbraucht jährlich etwa 1,8 % der weltweiten Energieproduktion und erzeugt dabei ungefähr 500 Millionen Tonnen CO2. Im Rahmen des Projekts ORACLE wurde gezeigt, dass technologische Lösungen zur Bewältigung dieser Herausforderungen auf dem Vormarsch sind und dass dezentralisierte Ansätze eine kosteneffiziente Lösung darstellen könnten. Es wurden Synergien zwischen den drei Konzepten ermittelt, deren Verwertung in naher Zukunft zu erwarten ist.
Schlüsselbegriffe
ORACLE, Ammoniak, Brennstoff, erneuerbar, Kohlenstoff, Windkraftanlagen, Photovoltaik
