Grüner Ammoniak – Energieträger der Zukunft (mehr)

Im Schatten des Hypes um grünen Wasserstoff entsteht mit Ammoniak (NH3) eine weitere vielversprechende Perspektive, um mithilfe von Strom aus Windenergie und Photovoltaik einen speicherbaren Energieträger zu erzeugen. Die deutsche Industrie verfügt über mehr als 100 Jahre Erfahrung in der Produktion, Speicherung und im Transport dieses Gases.

NH3 ist ein effi­zi­enter Wasser­stoff­spei­cher. Der Wasser­stoff­ge­halt ist mit 108 g H2/l mit Methanol (CH3OH) vergleichbar. Der Vorteil Ammo­niaks gegen­über kohlen­stoff­ba­sierten Ener­gie­trä­gern ist, dass zur Produk­tion kein CO2 benö­tigt wird, welches in der Atmo­sphäre nur in geringer Konzen­tra­tion vorkommt. Gegen­über reinem Wasser­stoff hat NH3 den Vorteil, dass die volu­men­be­zo­gene Ener­gie­dichte deut­lich höher ist. H2 hat zwar von allen Brenn­stoffen mit 33,3 kWh/kg die höchste massen­spe­zi­fi­sche Ener­gie­dichte, der Brenn­wert von Ammo­niak ist jedoch mit 5,3kWh/kg deut­lich geringer). In der prak­ti­schen Anwen­dung kommt es aber v.a. auf die volu­men­spe­zi­fi­sche Ener­gie­dichte an – und da ist die von Wasser­stoff unter atmo­sphä­ri­schem Druck mit 0,003 kWh/l äußerst gering. Die Ener­gie­dichte flüs­sigen Wasser­stoffs liegt immerhin bei 1,4 kWh/l – hierfür werden aber etwa 700 bar Druck benö­tigt. Die volu­metri­sche Ener­gie­dichte flüs­sigen Ammo­niaks beträgt dagegen 3,2 kWh/l. Dafür werden ledig­lich 8 bar Druck benö­tigt. Die Kompres­sion zur Verflüs­si­gung erfor­dert deshalb viel weniger Ener­gie­auf­wand als bei Wasser­stoff. Da die Ener­gie­dichte von Ammo­niak im Vergleich zu kohlen­stoff­ba­sierten Flüs­sig­kraft­stoffen aber immer noch relativ gering ist (Diesel: 9,9 kWh/l), eignet es sich v.a. als Treib­stoff in der Schiff­fahrt, Schienen oder Luft­fahrt­fahr­zeuge und zur Nutzung in statio­nären Energieversorgungssystemen.

Am häufigsten kommt zur Ammo­niak­syn­these das Haber-Bosch-Verfahren zum Einsatz. Doch das ist sehr ener­gie­auf­wändig. Die beiden Stick­stoff­atome aus der Luft müssen unter hohem Druck und hohen Tempe­ra­turen aufge­bro­chen werden. Der Ener­gie­auf­wand wird größ­ten­teils noch aus fossilen Ener­gie­trä­gern gedeckt, was den Prozess klima­schäd­lich macht. Der Wasser­stoff wird über Dampf­re­for­mie­rung aus Erdgas gewonnen, wobei eben­falls Treib­haus­gase frei­ge­setzt werden. N2 und H2 werden anschlie­ßend in einem Hoch­druck­re­aktor über einem Kata­ly­sator zu NH3 synthe­ti­siert. Eine Alter­na­tive wäre, den Wasser­stoff aus Elek­tro­lyse zu gewinnen. Wenn die benö­tigte Energie aus Erneu­er­baren Ener­gien stammt, wäre dieser Prozess klima­neu­tral. Doch der Wirkungs­grad ist relativ gering. Im Gegen­satz dazu wendet CAMPFIRE ein neues effi­zi­en­teres Verfahren an, bei dem NH3 direkt erzeugt wird. „Direkt“ heißt, man spart sich den ersten Schritt der Wasser­stoff­pro­duk­tion. Ammo­niak wird, ohne Zwischen­schritte direkt aus Wasser und Stick­stoff aus der Luft erzeugt. Wasser­stoff wird über das Fest­körper-Elek­tro­ly­se­ver­fahren aus Wasser­dampf und reagiert mit Stick­stoff an der Kathode zu Ammo­niak (dieses Verfahren wird Solid State Ammonia Synthesis bezeichnet (SSAS) . Die entschei­dende Inno­va­tion der CAMP­FIRE-Ener­gie­tech­no­lo­gien liegt in den ultra­dünnen elek­tro­ke­ra­mi­schen Membranen (< 1 µm) aus dem Mineral Perow­skit. Die Membran kann Sauer­stof­fionen, Protonen und Elek­tronen leiten und trennt den Wasser­stoff ab. Sauer­stoff-Sepa­ra­ti­ons­mem­branen spalten den Stick­stoff aus der Umge­bungs­luft ab. Über die Haber-Bosch-Synthese entsteht aus dem Stick­stoff und dem Wasser­stoff NH3. Somit kann grüner Ammo­niak beson­ders effi­zient und in großen Mengen aus Wind- oder Solar­strom herge­stellt werden.

Um das Ammo­niak schließ­lich als Treib­stoff zu nutzen, wird es über einen soge­nannten Cracker wieder in Wassers­stoff und Stick­stoff gespalten. Eine Brenn­stoff­zelle nutzt den Wasser­stoff zur Umwand­lung in Antriebsenergie.