Nachhaltige Wasserstofferzeugung aus Ammoniak

Ammoniak spielt eine entscheidende Rolle im Transport von Wasserstoff, einem wichtigen Energieträger der geplanten Energiewende. Durch chemische Prozesse kann Wasserstoff in Ammoniak umgewandelt werden, um den Transport zu vereinfachen. Anschließend wird er im sogenannten „Ammonia Cracking“-Prozess wieder freigesetzt und der weiterführenden Nutzung bereitgestellt. Diese Methode bietet mehrere Vorteile, darunter die einfache Handhabung und die hohe Energiedichte von Ammoniak im Vergleich zu Wasserstoffgas. Gerade beim Transport per Schiff kann so das vorhandene Ladevolumen effizienter genutzt werden.

Forschungsprojekt für mehr Energieeffizienz beim Cracking

Die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak und der „reverse“ chemische Prozess benötigen Energie. Um diese so gering wie möglich zu halten, arbeiten fünf Projektpartner unter der Leitung von Heraeus Precious Metals zusammen, um neue, effiziente Ansätze für das Ammonia Cracking zu entwickeln. Das Konsortium zielt darauf ab, praktische Demonstrationen der entwickelten Technologien unter realen Bedingungen im Technikumsmaßstab zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel ist die Erarbeitung von Konzepten zur Skalierung dieser Technologien, um sie für industrielle Anwendungen zugänglich zu machen. Dr.-Ing. Konrad Krois, Projektleiter bei Heraeus Precious Metals, betont die Bedeutung des Projekts: „Mit ‚AmmoCatCoat‘ wollen wir eine effizientere und nachhaltigere Methode für das Ammonia Cracking bereitstellen. Die Energiewende braucht Lösungen, die materialsparsam und im Betrieb wettbewerbsfähig sind.“

Druckluft rettet überproduzierten Strom

Das Projekt, das ein Gesamtvolumen von rund 2 Mio. € umfasst, wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Diese Förderung erfolgt im Rahmen der Material-Hub-Initiative und des Förderschwerpunkts „Ressourcensouveränität durch Materialinnovationen Modul 1 – Materialien für Prozesseffizienz“. Die Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB), das Zentrum für Transmissionselektronenmikroskopie (CAU), die Pyreg GmbH und Purem by Eberspächer. Diese Kooperation vereint eine Vielzahl von Fachkompetenzen, darunter Katalyse, Biomasseumwandlung, Materialcharakterisierung und Oberflächenbehandlung.

Technologische Ansätze im Detail

Für das Ammonia Cracking sind Edelmetallkatalysatoren auf Ruthenium-Basis besonders geeignet. Diese Katalysatoren ermöglichen eine effiziente Spaltung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff. Um den Prozess jedoch effizient und kostengünstig zu gestalten, müssen verschiedene Anforderungen erfüllt sein. Dazu gehören der Betrieb bei niedrigen Temperaturen, hohe Langzeitstabilität der Materialien und der Einsatz von Ressourcen, die idealerweise aus erneuerbaren Quellen stammen.

Im Projekt wird eine katalytisch hochaktive Ruthenium-Schicht auf ein elektrisch beheizbares Katalysatorträgersystem aufgebracht. Dieses System, bekannt als Elias-System (Electrically heated catalyst carrier), sorgt für eine direkte und gleichmäßige Wärmeverteilung. Die aktive Schicht besteht aus Nanopartikeln, die fein verteilt auf einem speziellen maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterial aufgebracht sind. Diese Konstruktion ermöglicht es, die notwendige Wärme genau dorthin zu bringen, wo sie für die Reaktion benötigt wird, wodurch die Effizienz des Prozesses gesteigert wird.

Forschungsergebnisse und Materialinnovationen

Aktuelle Studien zeigen, dass der Einsatz von Kohlenstoff als Trägermaterial die katalytische Aktivität von Ruthenium erheblich steigern kann. Die Interaktion zwischen dem Kohlenstoffträger und den Ruthenium-Nanopartikeln verbessert die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Katalysators. Dadurch kann Ruthenium länger genutzt werden, bevor das Edelmetall am Ende seiner Lebensdauer recycelt werden muss, was zusätzliche Energieeinsparungen ermöglicht.

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Ein Hauptziel des Projekts besteht darin, den maximalen Ammoniakumsatz bereits bei Temperaturen unter 500 °C zu erreichen. Das würde nach Einschätzung der Forschungsgruppe erhebliche Energieeinsparungen im Betrieb zur Folge haben und wäre somit ein wichtiger Schritt zur Effizienzsteigerung und Nachhaltigkeit der Wasserstoffproduktion aus Ammoniak. Die Entwicklung konzentriert sich außerdem auf eine kompakte Bauweise sowie die Langlebigkeit und Stabilität des Katalysators. Das Trägermaterial selbst besteht aus einem innovativen Biomasse-Kohlenstoff, was es nicht nur nachhaltiger, sondern auch effizienter und stabiler macht als alternative Trägermaterialien.

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Das Projekt AmmoCatCoat legt darüber hinaus den Fokus auf die Entwicklung von Katalysatoren, die nicht nur leistungsfähig, sondern auch ökologisch nachhaltig sind. Die Forschenden arbeiten daran, Materialien zu entwickeln, die aus erneuerbaren Ressourcen stammen und die Umwelt weniger belasten. Dies umfasst die Erforschung von Biomasse-basierten Kohlenstoffen als Katalysatorträger, die sowohl nachhaltig produziert als auch leicht recycelt werden können.

Bedeutung für die Wasserstoffwirtschaft

Die Ergebnisse des Projekts könnten Auswirkungen auf die Wasserstoffwirtschaft haben. Denn durch die die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Methoden zur Erzeugung von Wasserstoff aus Ammoniak könnte die Verfügbarkeit von Wasserstoff als sauberem Energieträger erheblich verbessert werden. Die Fähigkeit, Wasserstoff in Form von Ammoniak sicher und effizient zu transportieren, hat darüber hinaus Auswirkungen auf die Logistik und Infrastruktur der Wasserstoffwirtschaft. Ammoniak hat den Vorteil, bei Umgebungsbedingungen flüssig zu sein, was den Transport und die Lagerung erheblich vereinfacht. Im Vergleich zu gasförmigem Wasserstoff, der unter hohem Druck oder bei extrem niedrigen Temperaturen gelagert werden muss, bietet Ammoniak eine kostengünstigere und sicherere Alternative.

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