Ammoniak aus Wasserstoff Auf die Dauer hilft nur Power (to X): Rettet Ammoniak die Wasserstoff-Wende?

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Alle wollen Wasserstoff – aber das Gas macht sich rar. Die aufwändige und energiehungrige Verdichtung und tiefkalte Verflüssigung gilt als eine der größten Hürden auf dem Weg zur Wasserstoffwende. Als heißer Kandidat für eine H2-Alternative gilt Ammoniak – denn der Stoff riecht zwar etwas, könnte aber tatsächlich der gesuchte Wunderstoff der Energiewende werden.

Wasserstoff könnte soviel – doch da grüner Strom aus Windkraft oder Photovoltaik selten da anfällt, wo große Industriestandorte stehen oder Wasserstoff in Haushalten und Tankstellen gebraucht wird, müsste das Gas transportiert werden. Doch das ist nicht einfach: Das Molekül ist extrem klein, leicht flüchtig und diffundiert durch oder in Werkstoffe und sorgt für Versprödungen. Zugleich ist zwar der Heizwert mit 33,3 kWh pro Kilo beachtlich, die auf das Volumen bezogene Energiedichte jedoch nicht. Drei Wattstunden pro Liter, mehr ist aus Wasserstoff bei Atmosphärendruck nicht drin.

Dossier Wasserstoff 5

Aufbruch ins Wasserstoff-Zeitalter

Will man deshalb H2 unter hohem Druck verflüssigen, muss dafür eine Energiemenge aufgewendet werden, die bis zu 30 Prozent des theoretisch nutzbaren Heizwertes entspricht. Will man Wasserstoff als Druckgas speichern, entspricht dieser Mehraufwand immer noch rund zehn Prozent der im Gas erhaltenen Energie. Diese nicht wegzuleugnenden Fakten gehören zu den häufigsten Argumenten der Wasserstoffgegner. Wasserstoff bleibe eine Energieverschwendung, so die Lesart Energiewende-Champagner-Trinker, und sei bestenfalls in ganz besonderen Fällen in Erwägung zu ziehen – und auch da nur, wenn es wirklich gar nicht anders ginge.

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Kein Wunder, dass Forscherinnen und Forscher eifrig nach einem Intermediär suchen, einem Wunderstoff, der es möglich machen könnte, H2 chemisch zu binden und so die aufwändige Verdichtung und Verflüssigung umgeht. Gefragt wäre ein Molekül, in dem H-Atome gebunden sind, dass einfach und möglichst ohne Kohlenstoff hergestellt werden könnte und das keine allzu großen Ansprüche an das Handling stellt. Die Lösung könnte eine der ältesten und bekanntesten Massenchemikalien sein.

Ammoniak gilt als heißer Kandidat für den Energiespeicher der Zukunft. Das Gas riecht zwar unangenehm, wird aber seit über hundert Jahren im hunderte Millionen Tonnen Maßstab hergestellt, ist einfach zu handeln und zu lagern und kommt ohne C-Quellen aus. Allerdings entstammt der für die Ammoniaksynthese genutzte Wasserstoff in aller Regel der Dampfereformierung aus Erdgas - ein Verfahren, dass kaum grün ist.

Power-to-X: Alles Wasserstoff – oder was?

Besser wäre da die Nutzung von "grünem" Elektrolysewasserstoff zur Produktion synthetischer Kraftstoffe, wie Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie sowie stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer IMM, erklärt: „Eine Alternative zu den fossilen Energieträgern sind Power-to-X-Kraftstoffe, die aus elektrolysebasiertem Wasserstoff synthetisiert werden. Der wichtigste Power-to-X-Kraftstoff ist derzeit der Wasserstoff selbst. Doch bevor Wasserstoff als Energieträger flächendeckend eingesetzt werden kann, sind noch erhebliche Hürden bei Transport und Speicherung zu überwinden. Dazu gehören entweder ein hoher Platzbedarf für die Lagerung oder anderweitig energetisch ungünstige Bedingungen.“

Doch es gibt eine Alternative, wie Dr. Kolb betont: „Ammoniak (NH3) kann zu einer Alternative werden, die es ermöglicht, den benötigten Wasserstoff leicht zu speichern und zu transportieren.“ Das stechend riechende Gas, dass derzeit in gewaltigen Mengen zur Produktion von Düngemitteln verwendet wird, soll nach Kolb Karriere als hochwertiger Energieträger machen: „Da Ammoniak bereits bei einer moderaten Temperatur von -33 °C verflüssigt werden kann, ist sein volumetrischer Wasserstoffgehalt deutlich höher als der von komprimiertem Wasserstoff bei 700 bar. Im Vergleich zu Wasserstoff erleichtert verflüssigtes Ammoniak den Transport großer Mengen zum Ort der Nachfrage. Da Wasserstoff aus Ammoniak keine Kohlenoxide oder Methan enthält, ist er außerdem frei von Treibhausgasen“, erläutert der Forscher.

Grünes Ammoniak

Besser als Wasserstoff: Schlägt NH3 den Wunderstoff der Defossilierung?

Also aus grünem Gas Ammoniak machen – das ist zwar einfach zu handhaben, bei der Energieerzeugung jedoch störrisch, da NH3 an der Luft praktisch nicht brennt. Ein Ausweg bleibt dennoch: „Ammoniak kann in einem Spaltreaktor an geeigneten Katalysatoren in Stickstoff und Wasserstoff gespalten werden. Ein Gemisch aus Ammoniak, Wasserstoff und Stickstoff ist brennbar und kann als brennbares Gas, das sogenannte ‚Spaltgas‘, als Energieträger verwendet werden“, erklärt Kolb.

Mit grünem Ammoniak zum Ziegelstein der Zukunft

Im Rahmen eines Projekts entwickeln Forschende des Fraunhofer IMM daher mit Projektpartnern eine Brennertechnologie für dieses Gasgemisch, das zum Brennen von Mauerziegelsteinen verwendet werden soll. Auf diese Weise kann mit Ammoniak aus elektrolytisch erzeugtem Wasserstoff die gesamte Prozesskette der Ziegelherstellung kohlendioxidfrei gestaltet werden, heißt es aus der Projektgruppe.

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Ammoniak kann aber noch mehr: So ist prinzipiell auch eine Nutzung in Mobilität oder dezentraler Energieversorgung denkbar. Ammoniak könnte dezentral, etwa an Tankstellen, in Wasserstoff umgewandelt werden, was den aufwändigen Transport von komprimiertem und verflüssigtem Gas einsparen würde. Ein entsprechender Crackreaktor steht daher ebenfalls auf dem "Wunschzettel" der Forscherinnen und Forscher. Dieser müsste mittels geeigneter Katalysatoren und Mikro-Reaktionstechnologie Wasserstoff aus Ammoniak durch Spaltung und anschließende Reinigung herstellen, der dann in PEM-Brennstoffzellen eingespeist werden würde.

20 Prozent mehr Wirkungsgrad bei der Ammoniak-Wasserstoff-Reaktion

Entsprechende Versuche hat das Fraunhofer IMM bereits angeschoben: "Durch die integrierte PSA-Abgasverbrennung erreichen wir beim Rückverwandlungsprozess einen Wirkungsgrad von 90 Prozent im Vergleich zu 70 Prozent bei herkömmlichen Technologien. Außerdem ist unser Ammonpaktor-Reaktor viel kompakter gebaut als konventionelle Reaktoren, sodass er eine Größenreduzierung um 90 Prozent erzielt. Das ist wichtig vor allem für mobile und platzbeschränkte Anwendungen. Und schließlich hat unsere Technologie einen geringeren Kohlendioxid-Fußabdruck im Vergleich zu elektrisch beheizten Reaktorkonzepten, weil wir die Abgase aus dem Spaltungsprozess zur Energiegewinnung nutzen", erläutert Kolb.

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Der aus EU-Mitteln geförderte Reaktor weist im internationalen Vergleich die höchste Effizienz auf: Bereits im Reaktor der ersten Generation wurde mit dem Ammoniak-Cracker des Fraunhofer IMM die zweithöchste jemals veröffentlichte spezifische Wasserstoffproduktionsrate erreicht. An der zweiten Reaktor-Generation für 70 Kilo gereinigten Wasserstoff pro Tag (aus 25 kg in der Stunde) wird bereits gearbeitet.

Wie wird aus Ammoniak Wasserstoff? Den Ammonpaktor-Cracker finden Sie auf der Hannover Messe 2023 (17. bis 21. April) auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 16, Stand A12

In Zukunft könnten die Entwickler mit Ammoniak auch in See stechen: Wenn die Seefahrt fossilfrei werden soll, braucht es Alternativen – und teilweise gespaltenes Ammoniak könnte, ähnlich wie beim Spaltgasreaktor, in (Schiffs-)motoren verbrannt werden, so die Entwickler. Im Projekt ShipFC entwickelt das Fraunhofer IMM gemeinsam mit 13 europäischen Verbundpartnern darüber hinaus die weltweit erste Brennstoffzelle auf Basis von Ammoniak für Schiffe.

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