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Landesgraduiertenkolleg Wasserstoff und Wasserstoffderivat Ammoniak
In den aktuellen energiewirtschaftlichen Diskussionen spielt Ammoniak neben grünem Wasserstoff eine wichtige Rolle. Ammoniak lässt sich bereits bei geringen Überdrücken verflüssigen, ist damit gut transportierbar und aufgrund des großen Anteils an Wasserstoff ein effizienter Wasserstoffträger. Zudem ist Ammoniak kohlenstofffrei und damit ohne zusätzliche Kohlenstoffquelle an jedem Ort der Welt herstellbar. Auf diese Weise kann Ammoniak aus den Umgebungskomponenten Wasser und Luft auch in von Deutschland entfernten Regionen synthetisiert und per Schiff sicher transportiert werden. Damit wird Ammoniak für Deutschland und insbesondere das Importland Niedersachsen künftig eine große Bedeutung erlangen.
Ammoniak wird anschließend entweder stofflich oder energetisch direkt genutzt oder wieder in die Elemente gespalten, wobei Wasserstoff zurückgewonnen wird. Bei allen Nutzungspfaden und Umwandlungen des Ammoniaks entstehen letztendlich wieder Stickstoff und Wasserstoff, womit die globalen Stoffkreisläufe geschlossen werden. Aufgrund dessen ist es notwendig die gesamte Ammoniak-Wertschöpfungskette technisch, ökonomisch und ökologisch sowie systematisch und sicherheitstechnisch zu betrachten.
Die wichtigsten Forschungsziele im Überblick
Entwicklung neuer gekühlter Reaktorkonzepte für die Ammoniakherstellung, die mit fluktuierenden erneuerbaren Energien betrieben werden können.
Weiterentwicklung der elektrochemischen Synthese aus Stickstoff.
Erforschung der energetischen Direktnutzung von Ammoniak mittels Verbrennung zur Nutzung thermischer Energie und mittels Brennstoffzellen zur Stromerzeugung.
Bestimmung der Kinetik neuartiger Katalysatoren zur Wasserstoffrückgewinnung samt der Betrachtung der Aufbereitung von Gasmischungen.
Bestimmung der ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeit der Erzeugung und Nutzung von Ammoniak sowie die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Nutzungspfade von Ammoniak.
Ziele, Methoden und Innovationsbereiche
Motivation und Forschungsansatz
In den aktuellen energiewirtschaftlichen Diskussionen spielt Ammoniak neben grünem Wasserstoff eine wichtige Rolle. Ammoniak lässt sich bereits bei geringen Überdrücken verflüssigen, ist damit gut transportierbar und aufgrund des großen Anteils an Wasserstoff ein effizienter Wasserstoffträger. Zudem ist Ammoniak kohlenstofffrei und damit ohne zusätzliche Kohlenstoffquelle an jedem Ort der Welt herstellbar. Auf diese Weise kann Ammoniak aus den Umgebungskomponenten Wasser und Luft auch in von Deutschland entfernten Regionen synthetisiert und per Schiff sicher transportiert werden. Damit wird Ammoniak für Deutschland und insbesondere das Importland Niedersachsen zukünftig eine große Bedeutung erlangen.
Ammoniak wird anschließend entweder stofflich oder energetisch direkt genutzt oder wieder in die Elemente gespalten, wobei Wasserstoff zurückgewonnen wird. Bei allen Nutzungspfaden und Umwandlungen des Ammoniaks entstehen letztendlich wieder Stickstoff und Wasser, womit die globalen Stoffkreisläufe geschlossen werden. Aufgrund dessen ist es notwendig die gesamte Ammoniak - Wertschöpfungskette technisch, ökonomisch und ökologisch sowie systematisch und sicherheitstechnisch zu betrachten.
Innovationsbereiche
| Name | Forschungsfragen |
| I. Synthese | Bei der NH3-Synthese sollen Fragestellungen hinsichtlich des dynamischen Betriebs des Haber-Bosch-Verfahrens sowie der in einem sehr frühen Entwicklungsstadium befindlichen elektrochemischen Ammoniaksynthese betrachtet werden. |
| II. Direktnutzung | Die direkte Nutzung von Ammoniak umfasst die Verbrennung von Ammoniak und H2/NH3-Gemischen sowie die elektrochemische Umsetzung zur Gewinnung elektrischer Energie in unterschiedlichen Hoch- und Niedertemperatur-Brennstoffzellensystemen. |
| III. H2-Rückgewinnung | Elektrochemische Zellen können jedoch auch so betrieben werden, dass Wasserstoff zurückgewonnen wird. Zusätzlich wird die chemisch-katalytische Zersetzung von NH3 betrachtet. |
| IV. Querschnittstechnologien | Aus dem Vergleich der chemisch-katalytischen und elektrochemischen Prozesse lassen sich wichtige techno-ökonomische und gesellschaftliche Anforderungen für die jeweiligen technologisch weniger weit entwickelten Routen ableiten. |
Innovationsbereich I - Synthese
Klassische Reaktoren für die Ammoniakherstellung nach Haber-Bosch müssen stationär betrieben werden und eignen sich daher nicht für die Kopplung mit fluktuierenden erneuerbaren Energien. Daher erfordert es neuartige polytrope (gekühlte) Reaktorkonzepte, die deutliche Vorteile für den lastflexiblen und dynamischen Betrieb aufweisen. Eine andere vielversprechende Herstellung ist die noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindliche elektrochemische Synthese aus Stickstoff. Dieser Prozess könnte in elektrochemischen Zellen bei sehr viel milderen Reaktionsbedingungen langfristig eine Alternative darstellen.
Innovationsbereich II - Direktnutzung
Ammoniak als Wasserstoff- und Energieträger ist sehr gut transportierbar und speicherbar. Am Zielort bzw. zur gewünschten Nutzungszeit kann NH3 entweder direkt genutzt oder wieder zu Wasserstoff umgewandelt werden. Betrachtet wird insbesondere die energetische direkte Nutzung durch zwei Umwandlungsarten: (a) mittels Verbrennung, um die thermische Energie zu nutzen und (b) mittels Brennstoffzellen, um direkt Strom zu erzeugen.
Innovationsbereich III - H2-Rückgewinnung
Für die Reformierung muss die Kinetik neuartiger Katalysatoren bestimmt werden, um Reaktoren auszulegen. Da eine vollständige Umsetzung von NH3 oft nicht erreicht werden kann, muss auch die Aufbereitung von Gasmischungen betrachtet werden.
Innovationsbereich IV - Querschnittstechnologien
Aufgrund der weit verbreiteten Verwendung als Grundchemikalie für stickstoffhaltige Verbindungen liegen umfangreiche Erfahrungen zum Transport, zum sicheren Umgang und auch zu Geschäftsmodellen mit Ammoniak vor. Diese schließen bislang aber weder die Produktion von grünem Ammoniak, noch die Nutzung dieses Produkts als Energieträger mit ein.
Beteiligte Institutionen
- Technische Universität Clausthal
- Leibniz Universität Hannover
- Technische Universität Braunschweig
- Carl von Ossietzky Universität Oldenburg
- Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Institut für Technische Thermodynamik
- Institut für Solarenergieforschung GmbH
- Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB)
Sprecher:innen
Prof. Dr.-Ing. Thomas Turek
Technische Universität Clausthal
Prof. Dr. Mehtap Özaslan
Universität Hamburg
Koordination
Prof. Dr.-Ing. Sabrina Zellmer
Technische Universität Braunschweig