Ammoniak aus grünem Wasserstoff ist ein Energieträger mit hohem wirtschaftlichem Potenzial, der als chemischer Grundstoff, als Schiffstreibstoff oder für die stationäre Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Zukünftig wird er in großem Umfang aus Regionen mit hohen Solar- und Windressourcen importiert werden. Im Projekt „PICASO“ (Process Intensification & Advanced Catalysis for Ammonia Sustainable Optimized process) arbeiten das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, die Universität Ulm und das Fukushima Renewable Energy Research Institute (FREA-AIST) an einem neuartigen Power-to-Ammonia- (PtA) Prozess für die nachhaltige Ammoniaksynthese. Das Verfahren könnte die CO2-Emissionen im Vergleich zum konventionellen Prozess um 95 Prozent senken. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt startete am 1. August 2022.

Ammoniak als Wasserstoff-Vektor hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende zu leisten: „Ammoniak kann auch in sonnen- und windreichen, aber abgelegenen Regionen aus grünem Wasserstoff und Stickstoff hergestellt werden – zum Beispiel in der nordafrikanischen Wüste. Für den Transport nach Europa, in der Regel per Schiff, wird der Energieträger verflüssigt. Wir entwickeln dafür eine integrierte Reaktortechnologie mit dynamischen Betriebsstrategien, die den Betrieb mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen erlaubt“, erläutert Prof. Dr. Christopher Hebling, Bereichsleiter Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE.

Im Gegensatz zum konventionellen Haber-Bosch-Verfahren erlaubt der PtA-Prozess dank der hohen Reinheit des elektrolysebasierten „grünen“ Wasserstoffs den Einsatz von aktiveren Synthesekatalysatoren. Diese können bei niedrigerer Temperatur arbeiten, was die thermodynamisch mögliche Ammoniakausbeute steigert und somit den Betrieb bei niedrigeren Drücken und ohne Rückführung unverbrauchter Edukte ermöglicht. Für das Projekt hat der japanische Partner FREA-AIST einen neuartigen Ruthenium-Katalysator entwickelt, der die Synthese bei deutlich milderen Prozessbedingungen mit Temperaturen unter 400 °C sowie Drücken unter 80 bar ermöglicht. Dieser kann bereits im halbindustriellen Maßstab (TRL > 7) hergestellt werden. Um die Ausbeute noch weiter zu steigern, untersuchen das Fraunhofer ISE und die Universität Ulm die integrierte Abtrennung von Ammoniak: Die Reaktion und die Abtrennung von Ammoniak laufen in-situ in einem integrierten Reaktor ab. So kann der Betriebsdruck minimiert und die Rückführung von nicht umgesetztem Einsatzgas vermieden werden. „Da die Kompressoren und Wärmetauscher mit einem Anteil von 90 Prozent an den Investitionskosten die größten Kostentreiber bei der konventionellen Ammoniak-Synthese sind, bieten diese Verbesserungen ein enormes Potenzial für die Wirtschaftlichkeit flexibler Ammoniak-Produktionsanlagen, die auch in entlegenen Regionen einsetzbar sind“, so Dr.-Ing. Ouda Salem, Gruppenleiter Power to Liquids am Fraunhofer ISE. Somit ist keine aufwändige Infrastruktur mehr notwendig und die Ammoniakproduktion kann in wesentlich kleineren Maßstäben erfolgen. Damit bietet sich die Möglichkeit, das neuartige PtA-Verfahren für die Nutzung regenerativer Energiequellen auch in abgelegenen Regionen maßzuschneidern. Prof. Dr.-Ing. Robert Güttel, Leiter des Instituts für Chemieingenieurwesen an der Universität Ulm, ergänzt: „Außerdem können wir Wasserstoff und Stickstoff wesentlich besser ausnutzen, wenn keine Rückführung erforderlich ist, so dass wir die stoffliche und energetische Effizienz des gesamten PtA-Prozesses deutlich steigern können.“

Im Projekt soll bereits die Übertragung des neuen PtA-Konzepts vom Labor- in den Technikumsmaßstab realisiert werden. Während an der Universität Ulm der Labormaßstab im Fokus steht, werden am Fraunhofer ISE umfangreiche experimentelle Studien im Technikum durchgeführt. Robert Güttel: „Verknüpft werden die experimentellen Erkenntnisse in beiden Skalen durch detaillierte mathematische Modellierung und Simulation. Damit können wir sogar bereits belastbare Vorhersagen zum Pilotmaßstab treffen und die Implementierung des integrierten Reaktorkonzepts beschleunigen.“ Neben der technischen Demonstration wollen die Partner auch nachweisen, dass der neuartige, flexible PtA-Prozess wirtschaftlich mit dem konventionellen Verfahren wettbewerbsfähig ist.

Disruptives Verfahren mit hohem Einsparpotenzial

„Im Erfolgsfall wird der PICASO-Ansatz eine disruptive Technologie sein, die einen konventionellen fossilen Prozess ersetzt und damit den CO2-Ausstoss um bis zu 95 Prozent reduziert“, so Ouda Salem. Eine simulative Analyse des PICASO-Prozesses hat zudem ein Energieeinsparungspotenzial von 50 Prozent gegenüber dem konventionellen Haber-Bosch-Prozess ergeben. Ein konkretes Ziel für ein Folgeprojekt ist die Hochskalierung des integrierten Reaktors auf Demonstrationsniveau und dessen Erprobung in einer Pilotanlage am Standort der assoziierter Partner FREA-AIST in Fukushima. Darüber hinaus entwickeln die Forschenden spezifische dynamische Untersuchungen und Betriebsstrategien, um Schnittstellenanforderungen zwischen den Elektrolyseuren und der Syntheseanlage zu identifizieren. Mit dem erfolgreichen Abschluss dieser Projektphasen liegen die grundlegenden Engineering-Daten für eine industrielle Referenzanlage vor. Die PICASO-Partner werden diese Phasen mit FuE-Dienstleistungen und eigenen Patenten zu Katalysator- und Reaktorentwicklungen begleiten, um die komplette Technologie an die chemische und verfahrenstechnische Industrie zu lizenzieren.

Text: Fraunhofer Institut ISE/Universität Ulm