Ammoniak als Energieträger für Industrieöfen

Industrielle Prozesswärme stellt einen erheblichen Anteil am deutschen Gesamtenergiebedarf dar. Es ist unwahrscheinlich, dass dieser Bedarf auch bei weiterem starkem Zubau erneuerbarer Erzeugungskapazität vollständig aus heimischen Primärenergiequellen gedeckt werden kann. Die Dekarbonisierung industrieller Hochtemperaturprozesse erfordert somit eine zuverlässige Versorgung mit importierten treibhausgasneutralen Energieträgern.

Da die Herstellung von grünem Wasserstoff vor allem an Standorten mit hoher erneuerbarer Energieverfügbarkeit, wie in Afrika oder auf der arabischen Halbinsel vorteilhaft ist, stellt der Transport zu den Verbrauchern in Europa eine große Herausforderung dar. Sowohl die Speicherung von komprimiertem Wasserstoff bei 700 bar als auch die Verflüssigung bei – 253 °C sind technisch aufwendig und zudem mit Energieverlusten verbunden. Eine vielversprechende Alternative ist die Umwandlung von Wasserstoff in Ammoniak, das bereits bei moderaten Bedingungen von 8 bar und Umgebungstemperatur verflüssigt werden kann und sich effizient per Tanker transportieren lässt.

Im Projekt soll Ammoniak als Energieträger für industrielle Ofenprozesse untersucht und erschlossen werden. Aufgrund der ungünstigen Verbrennungseigenschaften von Ammoniak wird dieser zunächst katalytisch in Wasserstoff und Stickstoff umgewandelt. Zur Bereitstellung der notwendigen Energie für die endotherme Spaltungsreaktion wird die Abgasrestwärme nach dem Zentralrekuperator genutzt. Herausfordernd ist dabei das niedrige Temperaturniveau des Abgases von 300 °C bis maximal 600 °C, bei dem ein Großteil der bekannten Katalysatoren nicht die durch das chemische Gleichgewicht gegebenen thermodynamisch möglichen NH3-Umsätze erreicht. Folge davon ist ein Produktgas mit deutlichen Restanteilen an Ammoniak.

Ziel des Projekts ist daher zum einen das Auffinden geeigneter Katalysatoren und zum anderen die Entwicklung eines Brennkonzepts, das auch bei vorliegenden Restanteilen Ammoniak eine stickoxidarme Verbrennung ermöglicht. Zudem sollen Werkstoffe ermittelt werden, die beständig gegenüber den zu erwartenden Gasatmosphären mit Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak bei Temperaturen bis 600 °C sind.

Zunächst erfolgt eine umfassende Recherche nach geeigneten Katalysatoren, die eine hohe Konversionsrate und Langzeitstabilität bei im Temperaturbereich bis 600 °C gewährleisten. Anschließend wird durch OWI ein Prüfstand konzipiert und aufgebaut, der die Untersuchung verschiedener Katalysatoren unter realistischen Betriebsbedingungen ermöglicht. Parallel wird beim Projektpartner in Freiberg ein Versuchsstand zur Untersuchung der Verbrennung von Spaltgas mit verschiedenen Ammoniakrestgehalten errichtet. Dabei sollen unterschiedliche Brennerkonzepte getestet werden. Weitere Arbeitspakete befassen sich mit Untersuchungen zur Werkstoffbeständigkeit unter Atmosphären aus Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak, sowie mit der Betrachtung der gesamten Prozesskette von der Ammoniakherstellung bis zur Nutzung im Industrieofen unter verschiedenen ökologischen und ökonomischen Kriterien.

• OWI Science for Fuels gGmbH
• TU Bergakademie Freiberg, Lehrstuhl für gas- und wärmetechnische Anlagen

Das Forschungsprojekt „NH3-Cracker am Industrieofen“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung unter dem Förderkennzeichen Nr. 01IF23057N gefördert. Innerhalb der industriellen Gemeinschaftsforschung ist das Projekt bei der Forschungsvereinigung Industrieofenbau angesiedelt. Die Laufzeit ist von April 2024 bis September 2026 (30 Monate)