Fraunhofer IMM: Wie kann Ammoniak effizient und dezentral gespalten werden?

Ammoniak spielt bislang vor allem auch in der Düngemittel-Produktion eine Rolle. Doch künftig könnte das Gas als effizienter Wasserstoffträger und klimafreundlicher Ersatz für fossile Brennstoffe auch eine Schlüsselrolle in der Energiewende einnehmen, so das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, da es sich CO2-frei aus Stickstoff und Wasserstoff herstellen lässt. Zudem biete es viele Vorteile für Transport und Lagerung.

„Ammoniak ist ein großer Potenzialträger für einen nachhaltigen Umbau unseres Energiesystems“, erklärt Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie und stellvertretender Institutsleiter des Fraunhofer IMM in Mainz.

Wie gelingt verlustarmer Transport?

Ihm zufolge besteht die Herausforderung der Energiewende nicht nur in der ausreichenden emissionsfreien Energieproduktion, sondern im verlustarmen Transport an energieärmere Einsatzorte - denn Grünstrom kann in großen Mengen besonders an sehr wind- oder sonnenreichen Standorten, beispielsweise in Chile oder Australien erzeugt werden.

Der Einsatz von Ammoniak könnte daher einige Vorteile bringen. Nach Angaben des IMM kann grüner Wasserstoff H2 – als Speichermöglichkeit für grünen Strom – in Verbindung mit Stickstoff N2 im Verhältnis 3:1 in Ammoniak NH3 umgewandelt werden und in dieser Form deutlich verlustärmer gelagert sowie transportiert werden.

Ammoniak bleibe bei atmosphärischem Druck und schon bei einem Druck von nur 7,5 bar oder einer Abkühlung auf nur etwa -33 Grad Celsius flüssig. Reiner Wasserstoff müsse hingegen für eine Verflüssigung unter geringem Druck in ein Vakuum geleitet und auf -253 Grad Celsius heruntergekühlt werden – und dies erfordere einen hohen Energieaufwand.

Zudem habe Ammoniak eine höhere volumetrische Energiedichte als flüssiger Wasserstoff, das heißt, es kann mehr Energie pro Volumeneinheit transportieren.

„Für die Erzeugung des Ammoniaks aus Wasserstoff und Stickstoff benötigt man nur noch etwa fünf Prozent mehr Energie als zur Erzeugung von Wasserstoff aus Grünstrom“, erläutert Kolb und ergänzt: „Und sowohl die Herstellung als auch die Spaltung von Ammoniak sind völlig CO2-frei.“

Er weist darauf hin, dass Ammoniak giftig sowie brennbar und darum als Gefahrengut mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen gilt. Allerdings würden bereits vor allem für die Düngemittelproduktion 25 Millionen Tonnen pro Jahr weltweit sicher per Schiff und Schiene transportiert.

Für die Verwendung in der chemischen Industrie oder als Energieträger muss Ammoniak nach Angaben des IMM am Zielort wieder in seine Bestandteile Stickstoff und Wasserstoff gespalten, als „gecrackt“ werden – mit möglichst wenig Energieverlust.

Das Gas werde für die Spaltung in einem Reaktor bei etwa 600 Grad Celsius auf einen anorganischen nickelbasierten Katalysator mit hoher innerer Oberfläche geleitet.

„Aktuell werden an grünstromreichen Standorten wie Australien oder Chile die ersten großen Elektrolyse-Anlagen errichtet, um Ammoniak zu erzeugen. Auf europäischer Seite entsteht zum Beispiel in Rotterdam zeitgleich eine der ersten großen Cracker-Anlagen“, so Kolb.

Wasserstoff-Kernnetz im Aufbau

Der zurückgewonnene Wasserstoff soll in Pipelines an die Anwendungsorte verteilt werden. Doch interessierte Abnehmer, vor allem kleinere Unternehmen hätten häufig keinen Zugriff auf Wasserstoff-Pipelines. In Deutschland sei die Wasserstoffinfrastruktur derzeit im Aufbau.

Bis 2032 soll ein Wasserstoff-Kernnetz mit einer Leitungslänge von insgesamt rund 9.000 Kilometern entstehen – vor allem durch die Umstellung von Erdgasleitungen. Jedoch blieben laut IMM auch danach große Gebiete nicht an eine Wasserstoff-Versorgung angebunden.