Basis für den Ammoniak-Cracker für Industrie, Tankstellen und Energie ist die seit vielen Jahre industriell erprobte FLOX Reformer Technologie, die auch bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff aus Biogas Anwendung findet.
Demonstrator: Ammoniakcracker mit H2-Membran-Aufreinigung
Mit grünem Wasserstoff eröffnet sich ein neues Geschäftsmodell für die Biogasbranche und – bei einem Bestand von 9.000 Biogasanlagen verteilt über Deutschland – die kurzfristige Initiierung von sehr vielen lokalen Wasserstoffzentren, die dann langfristig in ein pipeline-Netz integriert werden können.
Parallel dazu ist der Import von fossil-freiem Wasserstoff aus sonnen- oder windreichen Regionen der Welt über den flüssigen Träger Ammoniak (NH3) notwendig. Die Transportinfrastruktur ist vorhanden und die Stickstoffgewinnung für die Ammoniaksynthese aus der Luft ist Stand der Technik. Die Rekonversion oder Extraktion des Wasserstoffes kann zentral in Großanlagen, die an eine H2-pipeline angeschlossen sind, am Hafen erfolgen. Eine zweite Option ist der Transport des Ammoniaks über Binnenschiffe oder auf der Schiene zum Ort des Verbrauchers. Dort erfolgt die Spaltung in reinen Wasserstoff, bevorzugt für die Mobilität, aber auch in ein brennbares H2-NH3-Mischgas für Hochtemperatur-Prozesse in der metallverarbeitenden Industrie.
Dr.-Ing. Hans-Peter Schmid ergänzt „ Wir freuen uns besonders, dass unser Team aus MitarbeiterInnen aller Firmen der WS Group, sowie der Hochschule Hof gemeinsam an diesem Zukunftsthema arbeiten. Grundlage ist die Investition unseres geschätzten Seniorchefs Dr.-Ing. J.A.Wünning, die es auch ermöglicht hat, unsere wissenschaftlichen Kontakte zur TU Freiberg zu intensivieren und ein gemeinsames Katalysatorpatent anzumelden. Ich denke, mit dieser Konstellation sind wir im Wettbewerb gut aufgestellt.
Hintergrundinformationen:
Grüner Wasserstoff ist die Grundlage für den Ersatz von fossilen Energieträgern. Es ist unstrittig, dass die notwendigen erneuerbaren Energiemengen nicht im hochindustrialiserten Europa erzeugt werden können und daher “nicht-fossile Energieträger” importiert werden müssen. Aus heutiger Sicht ist flüssiger Ammoniak als kohlenstofffreier Wasserstoffträger eine gute Option, die kurzfristig realisiert werden kann. Die Technologien (Elektrolyse, Luftzerlegung, NH3-Synthese) zur Herstellung sind vorhanden und eine großskalige, weltweite Infrastruktur in der Düngemittelindustrie ist etabliert. Obwohl Ammoniak momentan noch nicht als Energieträger gesetzlich verankert ist, planen die meisten angestossenen H2-Importprojekte (Kanada, Namibia, Saudi-Arabien, Brasilien u.a.) mit Ammoniaktransport.
Es stellt sich dann die Frage, ob NH3 dann am Hafen großskalig “gecrackt” wird und über Wasserstoffleitungen an die Verbraucher gelangt bzw. Großverbraucher am Hafen entstehen, oder ob eine Distribution in LKW auf der Straße bzw. Kesselwagen auf der Schiene zu den Verbrauchern erfolgt. Letzteres erfordert eine dezentrale, kleinskalige Crackertechnologie mit vergleichbar hohem Wirkungsgrad wie in Raffinerieanlagen und einer wettbewerbsfähigen Kostenstruktur. Das Projekt zielt darauf ab, eine dezentrale schlüsselfertige Lösung für die Herstellung von Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität aus grünem Ammoniak zu entwickeln. Das Konzept basiert auf einem modularen NH3-Cracker in einem H2-Kapazitätsbereich zwischen 100-1000 kg H2/Tag und integriert verschiedene und neuartige Technologien der Wasserstoffaufreinigung / -abtrennung.
Das Projekt wurde in 2023 gestartet und wird privat bzw. aus Firmenmitteln vollständig finanziert. Es gliedert sich in zwei Hauptabschnitte:
Cracker: In diesem Prozessschritt wird Spaltgas erzeugt, das aus 75 % H2, 25 % N2 und Spuren von NH3 besteht. Flüssiges Ammoniak wird in die Crackeranlage eingespeist, die aus einem zentral angeordneten Brenner, umgeben von vier katalytischen Reaktoren, eingebauten Ammoniakverdampfer, Wärmetauschern und einem Qualitätsanalysator besteht. Die Crackeranlage verarbeitet etwa 50-60 kg/h flüssiges Ammoniak und erzeugt etwa 150 Nm³/h Spaltgas mit einem geschätzten Wirkungsgrad von 80 %. Die Lösung basiert auf der etablierten FLOX Dampfreformertechnologie und integriert die Ammoniakverdampfung im Prozess.
Reinigung: Das Spaltgas kann prinzipiell mit Hilfe verschiedener Trenntechnologien wie Membranreinigung oder PSA zu Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität gereinigt werden. Die Abgase aus dem Membranprozess werden durch FLOX-Brenner wiederverwendet, um die für die Crackreaktion erforderliche endotherme Energie bereitzustellen. Besonderes Augenmerk muß hier auf die NOx-Bildung gerichtet werden, da die Restgase Spuren von NH3 enthalten. Die detaillierte Analyse von großtechnischen Verfahren zeigt, dass diese aus Kosten- oder Komplexitätsgründen in dezentralen Anlagen nicht anwendbar sind und deshalb innovative Ansätze verfolgt werden müssen.
Primär wird eine neuartige Pd-Membrantechnologie getestet, die besonders bei Kleinanlagen Vorteile aufweist. Parallel wird im Rahmen einer Dissertation, die selektive Oxidation des NH3 im Spaltgas mit einem neuartigen Katalysator untersucht, die ein möglicher Zwischenschritt im gesamten Aufreinigungsprozess sein könnte.
Der Aufbau der Versuchsanlage ist abgeschlossen steht kurz vor der Inbetriebnahme. Im Rahmen des Projektes wurden erhebliche Investitionen in die Laborinfrastruktur getätigt. Es steht eine Versorgung für flüssigen und gasförmigen Ammoniak sowie ein separates Versuchslabor zur Verfügung.
Im Gegensatz zum klassischen Anlagenbau setzt WS Reformer auf standardisierte Komponenten, die im Werk montiert und getestet werden und erreicht über serielle Fertigung einen Skaleneffekt in den Kosten und adressieren über das modulare Konzept einen breiten Markt. Das eröffnet auch kleinen und mittleren Unternehmen die Chance, ihre Produktion energetisch CO2-neutral zu gestalten.
