Ammoniak hat als Energieträger erhebliche Vorteile gegenüber Wasserstoff. Ammoniak ist leichter zu transportieren und zu lagern. Forscher der Northwestern University gaben Ende November 2020 bekannt, dass sie eine neue Technik entwickelt haben, mit deren Hilfe Ammoniak sich in einem Schritt in hochreinen Wasserstoff aufspalten lässt. Dieser Wasserstoff kann dann entweder komprimiert und gespeichert werden oder einer Brennstoffzelle zugeführt werden.
Ammoniak ist in der chemischen Industrie ein häufig vorkommender Rohstoff und es existieren ausgedehnte Infrastrukturen bis hin zu Pipelines und Lagertanks. Daher wäre es gut denkbar, Wasserstofftankstellen nicht mit tiefkühlem oder hochkomprimiertem Wasserstoff sondern mit Ammoniak zu beliefern. Der bei niedrigem Überdruck verflüssigtes Ammoniak ist mit erheblich geringerem Aufwand transportabel. Dieses Ammoniak könnte dann mit dem neu entwickelten elektrochemischen Verfahren vor Ort in hochreinen Wasserstoff umgewandelt und dann getankt werden.
Auch Offgrid-Anwendungen oder Mikrogrid-Anwendungen ließen sich mit einer solchen Kombination optimal betreiben. Das Ammoniak würde ähnlich Diesel in einem Tank gespeichert werden. Nach Aufspaltung des Ammoniaks in einer speziellen elektrochemischen Zelle der Northwestern University würde dann eine Brennstoffzelle zur Stromversorgung von zum Beispiel Funkmasten oder abgelegenen Ansiedlungen eingesetzt. Eine zusätzliche Pufferbatterie reduziert die Größe der eingesetzten Brennstoffzelle. Die Batterie kann für kurze Zeit Spitzenstrom liefern, während die Brennstoffzelle kontinuierlich nachlädt.
Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren erfolgt die Auftrennung in Stickstoff und Wasserstoff bereits bei 250°C anstelle der bisher üblichen 500-600 Grad. Das spart erheblich Energie, die für die Stromerzeugung zur Verfügung steht. Die neue Methode verwendet einen Katalysator, an dem sich das Ammoniak aufspaltet. Der entstehende Wasserstoff wird sofort in Protonen umgewandelt und kann dann eine protonenleitende Membran passieren. Der Vorgang erzeugt auf sparsame Weise hochreinen Wasserstoff. Die Anwendungen dieses Verfahrens sind vielfältig. Die Forscher unter Sossina Haile sehen Anwendungen in nahezu allen Verkehrsbereichen von LKW bis hin zu Flugzeugen.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgen auch die Forscher vom Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT, Duisburg) in Zusammenarbeit mit der Universität Duisburg (UDE). Auch Ihr System verwendet als Energiequelle Ammoniak, das in einem ersten Schritt in einem Ammoniak-Cracker aufgespalten wird und dann zur Versorgung einer Brennstoffzelle genutzt wird. Das Forschungsprojekt läuft noch bis 2022.
Power-to-Ammonia
Diese CO2-neutrale Stromproduktion gelingt allerdings erst wirklich, wenn das Ammoniak auch ausschließlich durch Einsatz regenerativer Energie hergestellt wurde. Daran arbeiten andere Forschergruppen, denn das zurzeit noch hauptsächlich eingesetzte Haber-Bosch-Verfahren ist nicht ausreichend effizient für die Speicherung von überschüssiger Energie in Ammoniak. Jedoch ist die alternative „Solid state Ammonia synthesis (SSAS)“ bislang noch nicht über dem Labormaßstab hinausgekommen. Bei diesem Verfahren wird elektrochemisch aus Wasser und Stickstoff direkt Ammoniak hergestellt.
Es ist also noch ein längerer Weg bis zur massenhaften Verwendung von Ammoniak für und in Brennstoffzellen. Allerdings sind die Weichen bereits gestellt und die Anzahl an Forschergruppen zu diesen Themen steigt ständig an.
11/2020 Copyright Gerald Friederici
Das EU-Projekt ShipFC ist eines von mehreren Projekten, bei denen es darum geht, Schiffsdiesel durch Brennstoffzellen-Systeme oder Antrieb mit Ammoniak zu ersetzen.
Harnstoff (Ad Blue), CH4N2O, Urea
Verwendung für u.a. Stickstoffdünger
Herstellung aus Ammoniak und Kohlendioxyd unter Hochdruck und Wärme