Ammoniak als chemischer Energieträger

Regenerative Energien unterliegen aufgrund ihrer Wetter- und Standortabhängigkeit zum Teil starken Fluktuationen. Um die daraus resultierenden saisonalen und regionalen Unterschiede zwischen Energieangebot und -nachfrage auszugleichen und Zeiten der Energieknappheit zu überwinden, werden globale großskalige Energiespeicher- und Transportmöglichkeiten benötig. In diesem Zusammenhang werden derzeit intensiv Power-to-X-Konzepte (PtX) zur Umwandlung von erneuerbarem Strom via Elektrolyse und anschließenden Syntheseprozessen in grüne H₂-basierte Energieträger diskutiert. Ein vielversprechender Energieträger ist Ammoniak (NH₃), da sich NH₃ im Vergleich zu H₂ unter wesentlich milderen Bedingungen für Transport und Speicherung verflüssigen lässt. Außerdem ist NH₃ eine kohlenstofffreie Verbindung, weswegen energieintensive Verfahren zur Abscheidung von CO₂ aus der Atmosphäre entfallen. Dies ermöglicht eine flexible Produktion von grünem NH₃ an unterschiedlichsten Standorten (z. B. Offshore-Anlagen).

NH₃ ist bereits eine der meistproduzierten anorganischen Chemikalien weltweit (z. B. für die Düngemittelproduktion). Die NH₃-Synthese erfolgt aktuelle hauptsächlich in einem hochoptimierten, unflexiblen stationären Prozess aus H₂ und N₂, dem sog. Haber-Bosch-Verfahren. Dieses Verfahren ist aufgrund der harschen Reaktionsbedingungen und der Verwendung von fossilem H₂ für jeweils 1-2 % des weltweiten Energieverbrauchs und der CO₂-Emissionen verantwortlich.

Lastflexible Ammoniak-Synthese

Eine umweltfreundlichere NH₃-Synthese mittels elektrolytisch erzeugtem grünen H₂ ist technisch bereits realisierbar. Die schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien kann jedoch zu Fluktuationen in den H₂-Strömen aus der Elektrolyseeinheit führen. Um eine kostenintensive Zwischenspeicherung von H₂ zu vermeiden, muss ein Ammoniak-Synthese-Reaktorsystem entwickelt werden, das über einen großen Lastbereich und unter dynamischen Bedingungen sicher und effizient betrieben werden kann. Trotz der höheren Komplexität kann ein lastflexibler Betrieb im Vergleich zu einem stationären Prozess zu einer deutlich verbesserten Prozesseffizienz führen. Die Untersuchung und Optimierung der dynamischen NH₃-Synthese ist daher eine wesentliche Herausforderung für die effiziente Nutzung von NH₃ als grünem Energieträger.