Power-to-Ammonia

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Das Power-to-Ammonia-Verfahren hat zum Ziel, Energie aus erneuerbaren Energiequellen transportier- und speicherfähig zu machen, indem die Energie chemisch in Form von Ammoniak gespeichert wird. Dabei kann die Energie wieder freigesetzt werden, indem Ammoniak direkt als Kohlenstoff-freier Kraftstoff verwendet wird oder als Wasserstofflieferant dient.

Ammoniak (NH3) ist ein klimaneutraler Energieträger, wenn bei der Gewinnung des zur Herstellung benötigten Wasserstoff nicht auf konventionelles Erdgas zurückgegriffen wird, sondern dieser z. B. durch Elektrolyse mittels Ökostrom produziert wird und auch im weiteren Verfahren nur Energie aus erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Erneuerbare Energien werden, z. Bsp. mit Photovoltaik- oder Windkraft-Anlagen, bereits heute an vielen Orten der Welt genutzt. Umgewandelt in den Energieträger Ammoniak lässt sich diese Energie über Pipelines oder Schiffe zu den großen Verbrauchszentren transportieren. Dort kann er nach Bedarf verbraucht werden und ist nicht abhängig von dem schwankenden Potential der Erneuerbaren Energien.

Wird Ammoniak hingegen konventionell aus Erdgas ohne Nutzung von erneuerbaren Energien hergestellt, fallen pro Tonne erzeugtem Ammoniak etwa 1,5 Tonnen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid an.[1]

Die Herstellung von Ammoniak ist weit verbreitet; um 2015 wurden hierfür etwa 2 % des weltweiten gewerblichen Energiebedarfs aufgewendet.[1]

Speicherung und Transport[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ammoniak wird bei −33 °C flüssig. Daher lässt er sich, zum Beispiel auf Schiffen, drucklos in großen Kryotanks in flüssiger Form transportieren. Für kleinere Mengen bieten sich Drucktanks an (ähnlich Propan/Butan), da bei 20 °C ein moderater Verdampfungsdruck von ca. 9 bar herrscht.

Die Energiedichte von Ammoniak beträgt flüssig 3,2 kWh/l beziehungsweise gravimetrisch 5,2 kWh/kg[2] (zum Vergleich: Benzin hat eine Energiedichte von 9,7 kWh/l oder 12,7 kWh/kg).

Ammoniak lässt sich auch gebunden als Feststoff speichern. In Frage kommen zum Beispiel folgende Salze: Ammoniumcarbamat, Ammoniumcarbonat und Ammoniumhydrogencarbonat. Diese zersetzen sich bereits unter 60 °C und geben den gebundenen Ammoniak wieder frei.

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im konventionellen Verfahren wird zunächst Wasserstoff aus Erdgas gewonnen. Zusammen mit Stickstoff aus der Luft wird dann im Haber-Bosch-Verfahren in einem Hochdruckreaktor über einem Katalysator Ammoniak hergestellt.

Wasserstoff kann auch klimaneutral über Elektrolyse mittels erneuerbaren Energien hergestellt werden. Parallel dazu kann Stickstoff aus der Luft abgetrennt werden. Stickstoff und Wasserstoff können dann unter Druck (80-400 bar) und höheren Temperaturen (400-500 °C) über einem Eisenkatalysator im Haber-Bosch-Reaktor zu Ammoniak konvertiert werden. Dieses wird aus dem Produktgasstrom des Kreislaufreaktors auskondensiert. Bei dieser grünen Ammoniaksynthese entfallen etwa 92 % des Energieaufwands auf die Elektrolyse. Im Vergleich zur Wasserstoffherstellung mittels Elektrolyse muss berücksichtigt werden, dass hierbei i. d. R. eine nachfolgende Kompression oder Verflüssigung notwendig ist und der Energiebedarf der Ammoniakherstellung deshalb nicht unbedingt höher ist, da Ammoniak bereits bei niedrigeren Temperaturen und Drücken (z. B. 20 °C, 8,58 bar) flüssig vorliegt.[3]

Im Solid-State-Ammonia-Synthesis-Verfahren (SSAS-Verfahren) wird Ammoniak elektrolytisch direkt aus Wasser, Stickstoff (aus Luft) und Strom hergestellt. Diese Methode ist noch in der Erforschung.[4] Mit dieser Methode sollen nur noch 8,3 Kilowattstunden Energie – in Form von elektrischem Strom – pro Kilogramm Ammoniak benötigt werden.

Nutzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Düngemittelindustrie benötigt bisher große Mengen Ammoniak.

Zukünftig wird man Ammoniak in modifizierten konventionellen Kraftwerken und Motoren benutzen: Gas- und Dampfturbinen, modifizierte Verbrennungsmotoren[5]. Ammoniak kann in speziellen Brennstoffzellen, den Ammoniak-Brennstoffzellen, direkt rückverstromt werden. Außerdem kann aus Ammoniak wieder Wasserstoff gewonnen werden. Hierzu kann ein Ammoniak-Cracker verwendet werden. Dieser ist ein chemischer Reaktor, der Ammoniak unter Wärmezufuhr und über einem Katalysator in ein aus Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak bestehendes Gasgemisch zerlegt (bei vollständigem Umsatz 75 vol.-% Wasserstoff und 25 vol.-% Stickstoff). Das mit einem solchen Ammoniak-Cracker erzeugte Brenngasgemisch kann in Brennstoffzellen verstromt werden. Die unterschiedlichen Brennstoffzellentypen offerieren unterschiedlich gute Eignungen auf ammoniakhaltiges Brenngas. Während PEMFC eine vorgeschaltete Gasreinigung benötigen, reagieren alkalische Brennstoffzellen unempfindlich auf Ammoniak. Ammoniak-Cracker können Wirkungsgrade von oberhalb 90 % erreichen. Brennstoffzellengesamtsysteme können Wirkungsgrade zwischen 51,5 und 57 % erzielen, wenn die Beheizung durch Verbrennung von Anodenrestgas stattfindet.[3]

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Leicht transportfähig per Schiff und Pipeline.
  • Entflammbarkeit geringer als Heizöl, geringe Explosionsgefahr.
  • Da Ammoniak sehr häufig z. B. als Dünge- oder umweltfreundliches Kältemittel eingesetzt wird, sind die Herstellung und der Umgang eingeübt.
  • Der Vorteil gegenüber Wasserstoff ist die bessere Speicher- und Transportierbarkeit aufgrund der höheren Energiedichte.
  • Der Vorteil gegenüber Methan ist, dass Ammoniak kein Treibhausgas ist, während Methan häufig in die Umwelt entweicht und dort ca. 20- bis 25-mal schädlicher ist als CO2.
  • Ein weiterer Vorteil gegenüber Methan ist, dass Stickstoff aus der Luft einfach und kostengünstig abgetrennt werden kann. Bei der Methansynthese würde hingegen eine Kohlendioxidquelle benötigt werden. Eine Abtrennung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft zur klimaneutralen Herstellung anderer, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe im Power-to-Liquid-Verfahren ist wegen der geringen Konzentration von Kohlendioxid in der Luft wesentlich aufwändiger als bei Stickstoff.

Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gefahrstoff, giftiges und ätzendes Gas. Vergiftungen sind aber eher selten, weil Menschen wegen des stechenden Geruches bereits bei geringen Konzentrationen aus der Gefahrenzone flüchten.
  • Geringere Energiedichte als Benzin.
  • Bei Normaldruck gasförmig.
  • Bei der Nutzung als Kraftstoff soll es zu einem gewissen Ammoniakschlupf kommen, also geringe Mengen ungenutzt im Abgas verkommen, die allerdings mithilfe eines Ammoniakschlupfkatalysators zu unschädlichen Produkten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) oxidiert werden können.[6]
  • Bei der Umwandlung in nutzbare Energie durch Verbrennung entstehen schädliche Stickoxide.[7] Diese können mit einem SCR-Katalysator und einer kleinen Menge Ammoniak zu den unschädlichen Produkten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) oxidiert werden.

Ähnliche Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weitere Verfahren zur Gewinnung alternativer Kraftstoffe beschreiben die Artikel

Geplante Anlagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Februar 2021 kündige Copenhagen Infrastructure Partners seine Pläne zum Bau von Europas größter Produktionsanlage für CO2-freien grünem Ammoniak an. Das Projekt mit einer Elektrolyse-Kapazität von einem Gigawatt soll an der Westküste Dänemarks in der Stadt Esbjerg angesiedelt werden. Hier soll der Strom aus Offshore-Windturbinen in grünen Ammoniak umgewandelt werden, der dann in der Schifffahrt als CO2-freier grüner Treibstoff und von der Landwirtschaft als CO2-freier Dünger verwendet werden soll.[8][9][10]

Ebenfalls 2025 stellte Total Eren einen Plan für eine Anlage auf der Isla Grande de Tierra del Fuego (Chile) vor, bei dem ein Windpark mit einer Leistung von 10 GW die Energie für ein gemeinsames Wasserstoff/Ammoniak-Werk liefern soll. Dieses Werk mit bis zu 8 GW Elektrolyse-Kapazität soll pro Jahr ca. 800.000 Tonnen Wasserstoff produzieren, aus denen dann 4,4 Mio. Tonnen Ammoniak hergestellt werden können. Angestrebt wird ein Baubeginn im Jahr 2025 mit Inbetriebnahme im Jahr 2027, die prognostizierte Kohlenstoffdioxideinsparung liegt bei ca. 5. Mio. Tonnen pro Jahr.[11]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Ioannis Garagounis, Vasileios Kyriakou, Aglaia Skodra, Eirini Vasileiou, Michael Stoukides: Electrochemical synthesis of ammonia in solid electrolyte cells. In: Fuel Cells. Band 2, 2014, S. 1, doi:10.3389/fenrg.2014.00001.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Peter H. Pfromm: Towards sustainable agriculture: Fossil-free ammonia. In: Journal of Renewable and Sustainable Energy. Band 9, 2017, S. 034702, doi:10.1063/1.4985090.
  2. Florian Nigbur: Wasserstofferzeugung aus Ammoniak - NH3toH2. In: Aktuell. Zentrum für BrennstoffzellenTechnik, Januar 2020, abgerufen am 19. Februar 2022.
  3. a b Florian Ernst Nigbur: Ammoniak-Cracker zur Brenngasversorgung von Brennstoffzellen - Experimentelle und simulative Untersuchungen. 1. Auflage. Cuvillier-Verlag, Göttingen 2021, ISBN 978-3-7369-7497-5.
  4. Moises A Carreon: Membranes For Gas Separations. World Scientific, 2017, ISBN 978-981-3207-72-1, S. 330 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  5. Karl-Heinz Hochhaus: Alternative Kraftstoffe in der Seeschifffahrt, auf hochhaus-schiffsbetrieb.jimdo.com, abgerufen am 14. April 2021
  6. Interkat: AMMONIAKSCHLUPF KATALYSATOR (ASC)
  7. Hideaki Kobayashi, Akihiro Hayakawa, K. D. Kunkuma, A. Somarathne, Ekenechukwu C. Okafor: Science and technology of ammonia combustion. In: Proceedings of the Combustion Institute. Band 37, Nr. 1, 2019, S. 109–133, doi:10.1016/j.proci.2018.09.029.
  8. CIP announces plans to build Power-to-X facility. 24. Februar 2021, abgerufen am 10. Mai 2021 (englisch).
  9. Offshore wind to power Europe's largest power-to-x plant. 23. Februar 2021, abgerufen am 10. Mai 2021 (amerikanisches Englisch).
  10. CIP announces plans to build Europe’s largest Power-to-X-facility, with the support of market leaders within the agriculture and shipping industries - Copenhagen Infrastructure Partners. Abgerufen am 10. Mai 2021 (amerikanisches Englisch).
  11. Total Eren plans 10GW wind farm to power green hydrogen and ammonia complex in Chile. In: Windpower Monthly, 3. Dezember 2021. Abgerufen am 3. Dezember 2021.