Ein Team um Laura Nousch vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden hat eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle für Ammoniak entwickelt. Auf Basis eines SOFC-Hochtemperatur-Brennstoffzellen-Stacks haben die Forscher:innen einen Demonstrator entwickelt, der Ammoniak direkt und mit einem hohen Wirkungsgrad verstromen kann. Strom und Wärme entstehen in einer einzigen kompakten Anlage – ohne CO₂-Emissionen oder andere schädliche Nebenprodukte. „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, dennoch muss der Stoff mit Vorsicht behandelt werden“, sagt Fraunhofer-Forscherin Laura Nousch. „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.“

Im Prozess leitet man Ammoniak zunächst in die Brenngasaufbereitung, den sogenannten Cracker, ein und erhitzt das Gas auf Temperaturen von 300 Grad Celsius und höher. Dabei zerfällt es in Wasserstoff und Stickstoff. Stickstoff bildet am Ende des Prozesses zusammen mit Wasserdampf unschädliche Abluft. Der Wasserstoff gelangt in die Hochtemperatur-Brennstoffzelle. In keramischen Elektrolyten strömt er über die Anode, während Luft die Kathode umfließt. Bei der Aufspaltung des Wasserstoffs entstehen Elektronen, die von der Anode zur Kathode wandern. So beginnt Strom zu fließen. Neben Wasserdampf produziert die elektrochemische 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“, sagt Nousch.

Hochtemperatur-Brennstoffzelle für Ammoniak erreicht Wirkungsgrad von 60 Prozent

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, nur dass Ammoniak-SOFC-Systeme vergleichsweise einfach und robust aufgebaut sind.

Das System soll ideal für kleinere Industrieunternehmen geeignet sein, die Strom ohne CO₂-Emissionen erzeugen wollen und nicht am zukünftigen Wasserstoffkernnetz anliegen. Auch für Kommunen und Stadtwerke ist es gedacht, die ihre Kunden mit grüner Wärme versorgen wollen. Auch große Schiffe lassen sich auf diese Weise mit umweltfreundlichen Antrieben auf Ammoniak-Wasserstoffbasis ausstatten.

Maßgeschneiderte Brennstoffzellen-Systeme

Je höher die Temperatur im Cracker, desto vollständiger findet die Zerlegung von Ammoniak in Wasserstoff statt. Umgekehrt gilt, dass bei niedrigeren Temperaturen, also bei etwas über 400 Grad Celsius ein beträchtlicher Teil des Ammoniaks zurückbleibt. „Unsere Tests haben jedoch gezeigt, dass die Ammoniak-Moleküle auch vollständig in der Hochtemperatur-Brennstoffzelle zu Wasserstoff zerfallen. Damit kann sogar eine Steigerung der Gesamtleistung der Anlage erreicht werden“, sagt Nousch. Das eröffnet mehrere Optionen im Rahmen des thermischen Managements der Anlage. „Durch die gezielte Auslegung und ein intelligentes thermisches Management sowie anderen 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“, so Nousch.

Quelle: Fraunhofer Gesellschaft | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH