Klimafreundlicher Strom aus Ammoniak

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Bei der Stromerzeugung mit Wasserstoff entstehen keine klimaschädlichen
Emissionen. Doch Speicherung und Transport des Gases sind technisch
anspruchsvoll. Fraunhofer-Forschende nutzen deshalb das leichter
handhabbare Wasserstoffderivat Ammoniak als Ausgangsstoff. Im
Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stack wird Ammoniak zerlegt und der
entstehende Wasserstoff in Strom verwandelt. Die Abwärme kann
beispielsweise als Heizenergie genutzt werden.

Auf dem Energieträger Wasserstoff und seinen Derivaten ruhen große
Hoffnungen. In der nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung
nehmen sie bei der Energiewende eine zentrale Rolle ein. Insbesondere
Ammoniak (NH3) hat dabei ein hohes Potenzial, denn Wasserstoff lässt sich
in Form von Ammoniak besser speichern und transportieren.

Ein Forschenden-Team mit Prof. Laura Nousch vom Fraunhofer-Institut für
Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden hat auf Basis eines
Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)
einen Demonstrator entwickelt, der Ammoniak direkt und mit einem hohen
Wirkungsgrad verstromen kann. Strom und Wärme entstehen in einer einzigen
kompakten Anlage – ohne CO2-Emissionen oder andere schädliche
Nebenprodukte.

Aus Ammoniak wird Wasserstoff, wird Strom

Fraunhofer-Forscherin Laura Nousch erklärt die Vorteile: »Ammoniak ist in
der chemischen Industrie seit Jahrzehnten im Einsatz, zum Beispiel für die
Herstellung von Düngemitteln, der Umgang mit dem Stoff daher etabliert und
bekannt, dennoch muss der Stoff mit Vorsicht behandelt werden. Als
Wasserstoffträger bietet Ammoniak eine hohe Energiedichte und ist zugleich
relativ einfach zu speichern und zu transportieren. Für die
klimafreundliche Herstellung von Strom und Heizenergie ist Ammoniak ein
ideales Ausgangsmaterial.«

Im Prozess wird Ammoniak zunächst in die Brenngasaufbereitung, den
sogenannten Cracker, eingeleitet und auf Temperaturen von 300 Grad Celsius
und höher erhitzt. Es zerfällt in Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2).
Letzterer kann am Ende des Prozesses zusammen mit Wasserdampf als
unschädliche Abluft entlassen werden. Anschließend wird der Wasserstoff in
die Hochtemperatur-Brennstoffzelle geleitet. In keramischen Elektrolyten
wird er über die Anode geführt, während die Kathode von Luft umflossen
wird. Bei der Aufspaltung des Wasserstoffs entstehen Elektronen, die von
der Anode zur Kathode wandern. So beginnt Strom zu fließen. Neben
Wasserdampf produziert die elektrochemische Reaktion auch Wärmeenergie.
Außerdem entsteht durch die Nachverbrennung Abwärme. »Diese wird zum einen
verwendet, um die hohe Temperatur im Cracker zu halten, und zum anderen
als Abwärme entkoppelt. Dann kann sie beispielsweise für eine
Gebäudeheizung eingesetzt werden«, erklärt Nousch.

Hoher Wirkungsgrad bei 60 Prozent

Bei der Konzeption der Anlage kam den Forschenden aus dem Fraunhofer IKTS
die jahrzehntelange Expertise bei keramischen Brennstoffzellen-Stacks
zugute. Damit konnte das Team einen Brennstoffzellen-Demonstrator bauen,
der das Zerlegen von Ammoniak in Wasserstoff und dessen anschließende
Verstromung praktisch in einem Gerät erledigt. Der Wirkungsgrad liegt
dabei ebenso wie bei Erdgas-basierten Verfahren bei 60 Prozent, nur dass
Ammoniak-SOFC-Systeme vergleichsweise einfach und robust aufgebaut sind.

Das System ist ideal für kleinere Industrieunternehmen, die Strom ohne
CO2-Emissionen erzeugen wollen und nicht am zukünftigen
Wasserstoffkernnetz anliegen. Oder für Kommunen und Stadtwerke, die ihre
Kunden mit grüner Wärme versorgen wollen. Auch große Schiffe lassen sich
auf diese Weise mit umweltfreundlichen Antrieben auf Ammoniak-
Wasserstoffbasis ausstatten.

Maßgeschneiderte Brennstoffzellen-Systeme

Je höher die Temperatur im Cracker, desto vollständiger wird Ammoniak in
Wasserstoff zerlegt. Umgekehrt gilt, dass bei niedrigeren Temperaturen,
also bei etwas über 400 Grad Celsius ein beträchtlicher Teil des Ammoniaks
zurückbleibt. »Unsere Tests haben jedoch gezeigt, dass die
Ammoniakmoleküle auch vollständig in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zu
Wasserstoff zerfallen. Damit kann sogar eine Steigerung der Gesamtleistung
der Anlage erreicht werden«, sagt Fraunhofer-Forscherin Laura Nousch. Das
eröffnet mehrere Optionen im Rahmen des thermischen Managements der
Anlage. »Durch die gezielte Auslegung und ein intelligentes thermisches
Management sowie anderen Modifikationen, etwa an Leistung und Größe der
Brennstoffzellen-Stacks, sind wir in der Lage, gerade auch für kleine und
mittlere Unternehmen maßgeschneiderte Lösungen zur klimafreundlichen
Strom- und Wärmeerzeugung zu entwickeln«, erklärt Nousch.