Fraunhofer-Forscher entwickeln Brennstoffzellen-System für klimafreundlichen Strom aus Ammoniak

© Fraunhofer IKTSDresden - Auf dem Energieträger Wasserstoff und seinen Derivaten ruhen große Hoffnungen. In der nationalen Wasserstoffstrategie der Bundesregierung nehmen sie bei der Energiewende eine zentrale Rolle ein. Insbesondere Ammoniak (NH3) hat dabei ein hohes Potenzial, denn Wasserstoff lässt sich in Form von Ammoniak besser speichern und transportieren.

Bei der Stromerzeugung mit Wasserstoff entstehen keine klimaschädlichen Emissionen. Doch die Speicherung und der Transport von Wasserstoff in Gasform sind technisch anspruchsvoll. Fraunhofer Forscher nutzen deshalb das leichter handhabbare Wasserstoffderivat Ammoniak als Ausgangsstoff. Ammoniak ist in der chemischen Industrie seit Jahrzehnten im Einsatz, zum Beispiel für die Herstellung von Düngemitteln, der Umgang mit dem Stoff daher etabliert und bekannt. In einem Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stack wird das Ammoniak zuvor zerlegt und der entstehende Wasserstoff in Strom verwandelt. Die Abwärme kann beispielsweise als Heizenergie genutzt werden.

Demonstrator mit Cracker und Hochtemperatur-Brennstoffzelle kann Ammoniak verstromen
Ein Forscher-Team mit Prof. Laura Nousch vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS (Fraunhofer IKTS) in Dresden hat auf Basis eines Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) einen Demonstrator entwickelt, der Ammoniak direkt und mit einem hohen Wirkungsgrad verstromen kann. Strom und Wärme entstehen dabei in einer einzigen kompakten Anlage - ohne CO2-Emissionen oder andere schädliche Nebenprodukte.

Im Prozess wird das Ammoniak zunächst in die Brenngasaufbereitung, den sogenannten Cracker, eingeleitet und auf Temperaturen von 300 Grad Celsius und höher erhitzt. Es zerfällt in Wasserstoff (H2) und Stickstoff (N2). Letzterer kann am Ende des Prozesses zusammen mit Wasserdampf als unschädliche Abluft entlassen werden.

Der entstehende Wasserstoff wird anschließend in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle geleitet. Bei der Aufspaltung des Wasserstoffs entstehen dort Elektronen, die von der Anode zur Kathode wandern. So beginnt Strom zu fließen. Neben Strom und Wasserdampf entsteht in der elektrochemischen Reaktion auch Wärmeenergie. Außerdem entsteht durch die Nachverbrennung Abwärme. Diese wird zum einen verwendet, um die hohe Temperatur im Cracker zu halten, und zum anderen als Abwärme entkoppelt. Dann kann sie beispielsweise für eine Gebäudeheizung eingesetzt werden.

„Als Wasserstoffträger bietet Ammoniak eine hohe Energiedichte und ist zugleich relativ einfach zu speichern und zu transportieren. Für die klimafreundliche Herstellung von Strom und Heizenergie ist Ammoniak ein ideales Ausgangsmaterial“, so Fraunhofer-Forscherin Prof. Dr. Laura Nousch über die Vorteile des Verfahrens.

Hoher Wirkungsgrad bei 60 Prozent - maßgeschneiderte Systeme möglich
Bei der Konzeption der Anlage kam den Forschenden aus dem Fraunhofer IKTS die jahrzehntelange Expertise bei keramischen Brennstoffzellen-Stacks zugute. Damit konnte das Team einen Brennstoffzellen-Demonstrator bauen, der das Zerlegen von Ammoniak in Wasserstoff und dessen anschließende Verstromung praktisch in einem Gerät erledigt. Der Wirkungsgrad liegt dabei ebenso wie bei Erdgas-basierten Verfahren bei 60 Prozent, mit dem Unterschied, dass Ammoniak-SOFC-Systeme vergleichsweise einfach und robust aufgebaut sind.

Das System ist aus Sicht der Fraunhofer-Forscher ideal für kleinere Industrieunternehmen, die Strom ohne CO2-Emissionen erzeugen wollen und nicht ans zukünftige Wasserstoff-Kernnetz angebunden sind. Oder für Kommunen und Stadtwerke, die ihre Kunden mit grüner Wärme versorgen wollen. Auch große Schiffe lassen sich auf diese Weise mit umweltfreundlichen Antrieben auf Ammoniak-Wasserstoffbasis ausstatten. Dabei ist laut Fraunhofer IKTS eine maßgeschneiderte Konfiguration der Systeme möglich. „Durch die gezielte Auslegung und ein intelligentes thermisches Management sowie andere Modifikationen, etwa an Leistung und Größe der Brennstoffzellen-Stacks, sind wir in der Lage, gerade auch für kleine und mittlere Unternehmen maßgeschneiderte Lösungen zur klimafreundlichen Strom- und Wärmeerzeugung zu entwickeln“, erklärt Nousch.