Hochtemperaturelektrolyse für die Erzeugung von grünem Ammoniak

Ammoniak gilt als Schlüsselchemikalie in einem zukünftigen, nachhaltigen Energie- und Roh­stoffsystem. Er ist der bedeutendste Grundstoff für Düngemittel und damit essenziell für die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung. Im Energiesektor wird Ammoniak als ein zukünftiger, kohlenstofffreier Energieträger mit hoher Energiedichte betrachtet. Die Ausgangs­stoffe für die Synthese dieser wichtigen Chemikalie sind Stickstoff (N₂) und Wasserstoff (H₂). Im EU-Projekt ARENHA sowie im BMBF-Projekt GreatSOC werden am Fraunhofer IKTS die Wege zur effizientesten Wandlung von erneu­erbaren Energien in Ammoniak erforscht.

Hochtemperaturelektrolyse

Die Bereitstellung von grünem (nachhaltig erzeugtem) Wasserstoff kann großtechnisch nur über Elektrolyse erfolgen. Hervorzuheben ist hier die bei 700–850 °C betriebene Hochtemperaturelektrolyse (SOE), da sie Wasserstoff durch verschiedene Möglichkeiten zur Wärmeintegration besonders energieeffizient erzeugen kann (Energiebedarf: 3,2–3,5 kWh/Nm³ H₂). Für diese Technologie werden am Fraunhofer IKTS Zellen, Stacks sowie Stack-Module weiterentwickelt und erprobt. Für die Ammoniaksyn­these wird ein Eduktgasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff im Verhältnis 1:3 benötigt. Die in der Graphik präsentierten Ergebnisse zeigen, dass Stickstoffbeimengung in der Elektrolyse keinen Einfluss auf die benötigte Leistung für die Bereitstellung von Wasser­stoff hat. Dies bildet eine wichtige Grundlage für innovative Konzepte zur Synthesegasbereit­stellung für die Ammoniaksynthese über die Hochtemperaturelektrolyse.

Nachhaltige Konzepte zur Herstellung von Ammoniak fokussieren zumeist auf die Erzeugung des Synthesegases (N₂, H₂) für den nachgelagerten Haber-Bosch-Reaktor, in dem die eigentliche Umsetzung zu Ammoniak statt­findet. Beim Einsatz von Niedertemperaturelektrolyseuren wird für die Gewinnung von Stickstoff aus Luft eine Luftzerlegung als zusätzlicher Prozessschritt benötigt. Die Hochtemperatur­elektrolyse hingegen erlaubt die direkte Bereit­stellung des Synthesegases. So kann ein Teil des erzeugten Wasserstoffs mit Luft umgesetzt werden, um Stickstoff zuzuführen. Entstehen­des Wasser kann im Elektrolyseur wieder in Wasserstoff umgesetzt werden.

Als zusätzlicher Vorteil kommt hinzu, dass die Hochtemperaturelektrolyse die Abwärme exo­thermer Prozessschritte, wie der Ammoniaksynthese, zur Steigerung des energetischen Wirkungsgrads nutzen kann. Dies ermöglicht einen bis zu 10 % geringeren Energiebedarf für die Ammoniakerzeugung im Vergleich zu Niedertemperaturelektrolyse-basierten Verfahrenskonzepten.

Unikale Kernkompetenzen des Fraunhofer IKTS, wie die Simulation einzelner Prozessschritte/Reaktoren und deren Kopplung mit experi­mentell gewonnenen Betriebsdaten, erlauben eine optimierte Prozessauslegung bis hin zur Demonstration.

ARENHA wurde gefördert von der Europäischen Union im Forschungs- und Innovationspro­gramm Horizon 2020 (FKZ: 862482). GreatSOC erhielt Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (FKZ: 01DR22005A).