Der bessere Energieträger? Forscher haben eine Brennstoffzelle entwickelt, die Strom direkt aus Ammoniak gewinnt – ohne vorherige externe Aufspaltung in Wasserstoff und Stickstoff. Stattdessen kombiniert das neue System beides in einer Anlage. Die Hochtemperatur-Brennstoffzelle mit integriertem Cracker erreicht für die Umwandlung von Ammoniak zu Strom einen Wirkungsgrad von 60 Prozent – genauso viel wie die Verstromung von Erdgas, wie das Team berichtet.
Wasserstoff gilt als der Energieträger der Zukunft. Denn das Gas kann direkt verbrannt werden und so Hitze erzeugen, aber auch in Brennstoffzellen Strom erzeugen. Gewinnt man den Wasserstoff durch Elektrolyse aus Wasser, kann dies zudem Stromüberschüsse aus Sonne und Wind ausgleichen helfen. Allerdings nimmt Wasserstoffgas viel Platz ein und lässt sich nur unter hohem Energieaufwand verflüssigen und damit verdichten. Speicherung und Transport sind daher aufwendig.
Eine mögliche Alternative ist die Nutzung von Ammoniak (NH3) als chemischem „Zwischenspeicher“ für den Wasserstoff. Denn dieses verflüssigt sich bereits bei minus 40 Grad und erfordert weniger Aufwand beim Transport. Das Problem: Um aus dem Ammoniak wieder nutzbaren Wasserstoff zurückzugewinnen, sind Temperaturen von mehr als 300 Grad und entsprechende Energie nötig.
Hochtemperatur-Brennstoffzelle und Cracker in einem
Doch ein Team um Laura Nousch vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und hat nun eine mögliche Lösung für dieses Problem gefunden. Sie haben ein elektrochemisches System entwickelt, das Strom aus Ammoniak erzeugen kann – durch eine Kopplung der Ammoniakspaltung mit einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle.
In diesem Demonstrator spaltet ein integrierter Cracker das Ammoniak bei Temperaturen von mindestens 300 Grad Celsius in seine Bestandteile Stickstoff und Wasserstoff auf. Der Wasserstoff fließt anschließend weiter in die anliegende Hochtemperatur-Brennstoffzelle, wo er gespalten wird und dabei Strom erzeugt. Den unschädlichen und in der Atmosphäre ohnehin reichlich vorhandenen Stickstoff gibt das System wieder in die Umwelt ab.
60 Prozent Wirkungsgrad dank Wärmekreislauf
Bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle entsteht neben Strom auch Wärme. Zudem bleibt in gängigen Brennstoffzellen am Ende der Verstromung häufig etwas Wasserstoff übrig, der dann mit Sauerstoff zu Wasser verbrannt wird und ebenfalls Wärme erzeugt. In ihrem neuen System nutzen die Forscher diese Überschusswärme auf doppelte Weise: „Sie wird zum einen verwendet, um die hohe Temperatur im Cracker zu halten, zum anderen wird sie als Abwärme entkoppelt. Dann kann sie beispielsweise für eine Gebäudeheizung eingesetzt werden“, erklärt Nousch.
Durch diesen Wärmekreislauf erreicht das System insgesamt einen Wirkungsgrad von 60 Prozent – es ist somit genauso effizient wie erdgasbasierte Verfahren, wie das Team berichtet.
Kompakter Stromlieferant für Industrie, Kommunen und Schiffe
Besonders nützlich könnte die neue Kombi-Anlage überall dort sein, wo es zu wenig Platz für Wasserstofftanks gibt oder bei Industrieunternehmen und Kommunen, die nicht direkt ans zukünftige Wasserstoffnetz angeschlossen sind. Die kompakte Bauweise der Brennstoffzelle mit integriertem Cracker ermöglicht sogar mobile Anwendungen: Große Schiffe könnten solche Systeme auf Ammoniak-Wasserstoffbasis künftig als Alternative zu fossilen Antrieben nutzen.
„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 deshalb ein ideales Ausgangsmaterial“, resümiert Nousch.
Quelle: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
