Lastflexible Ammoniak-Synthese
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.
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