Ultimative Energiespeicherung: Ammoniak

Herausforderungen der grünen Energie

Angesichts des Klimawandels, der zu immer häufigeren Wetterextremen führt, und der vom IPCC gesetzten Ziele zur Verringerung der Emissionen, um einen weiteren Temperaturanstieg um 1,5 Grad zu verhindern, bemüht sich die Welt um den Übergang zu erneuerbaren Energien. Mit dem weltweiten Übergang von fossilen Brennstoffen zu grüner Energie besteht ein Bedarf an langfristiger Speicherung und weiträumiger Übertragung dieser grünen Energie. Ammoniak ist für beide Anwendungen gut geeignet, da flüssiges Ammoniak bei Raumtemperatur ein hocheffizienter Wasserstoffträger ist, der sich leicht transportieren lässt. Brennstoffzellen, die Wasserstoff aus Ammoniak nutzen können, bieten einen bedeutenden Durchbruch bei der Bewältigung der wichtigsten Herausforderungen der grünen Energie:

• Bereitstellung von grüner Energie, wenn andere erneuerbare Energien nur intermittierend zur Verfügung stehen

Solarenergie wird nur erzeugt, wenn die Sonne scheint. Windenergie wird nur erzeugt, wenn der Wind weht. Die Tatsache, dass die Verfügbarkeit dieser immer beliebter werdenden erneuerbaren Energiequellen durch die Wetterbedingungen begrenzt ist, gewinnt an Bedeutung, je größer der Anteil dieser Energiequellen an der Gesamtenergieerzeugung ist. Das Missverhältnis zwischen der Erzeugung erneuerbarer Energien und der Verbrauchernachfrage zeigt sich in der inzwischen berühmten Entenkurve für erneuerbare Energien; die durch die erneuerbaren Energien verursachten Schwankungen in der Energiebilanz stellen die Stromversorger, die diese Nachfrage befriedigen müssen, vor große Herausforderungen. Die Antwort auf diese Herausforderung werden leicht verfügbare Lösungen zur Speicherung erneuerbarer Energien sein. Hochverfügbare Brennstoffzellen können ein wichtiger Bestandteil dieser Lösungen sein.

• Nutzung von Überkapazitäten aus erneuerbaren Energien

Anstatt die durch erneuerbare Energien erzeugten Überkapazitäten zu drosseln, kann diese überschüssige Energie in Form von flüssigem Ammoniak für die künftige Nutzung durch Brennstoffzellen gespeichert werden. Diese Ammoniakquelle wäre eine saubere Alternative zu dem industriellen Ammoniak, das nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt wird.

• Eine umweltfreundliche, kostengünstige Alternative zu Diesel
  Dieselgeneratoren haben bisher eine wichtige Rolle bei der Stromversorgung in den netzfernen Ländern der Entwicklungsländer gespielt. Diese Generatoren sind zumindest teilweise für die Luftverschmutzung durch Diesel und andere fossile Brennstoffe verantwortlich, die jedes Jahr den Tod von 7 Millionen Menschen weltweit verursacht. Der Ersatz von Dieselkraftstoff durch „grünes Ammoniak“ als Energieträger würde den 3,5 Milliarden Menschen, die in netzfernen oder netzarmen Gebieten leben, saubere, zuverlässige grüne Energie zur Verfügung stellen. Die Markteinführung der mit Ammoniak betriebenen GenCell A5 Off-Grid-Lösung für Telekommunikationstürme und ländliche Elektrifizierung wird den Zugang zu Energie für Millionen von Menschen ermöglichen, die jetzt noch außerhalb des Netzes leben.

Ansätze zur Speicherung erneuerbarer Energien

Bis heute hat sich der Energiemarkt hauptsächlich auf zwei Hauptansätze zur Speicherung erneuerbarer Energien konzentriert – wiederaufladbare Batterien und Wasserstoff. Für die Entwicklung von wiederaufladbaren Batterien unterschiedlicher Art und Größe werden verschiedene Technologien eingesetzt. Zu den Vorteilen von Batterien gehören Energieeffizienz und lange Lebensdauer dank Aufladung und Transportfähigkeit. Zu ihren Nachteilen gehören dagegen ihr hohes Gewicht und ihr Platzbedarf, ihre hohen Produktionskosten, ihre schnelle Abnutzung, Sicherheitsrisiken und Probleme bei der Entsorgung.

Parallel zu den Batterien basiert ein weiterer populärer Trend bei der Energiespeicherung auf der Wasserstofftechnologie, z. B. Anwendungen, die Wasserstoff zum Antrieb von Brennstoffzellen, aufladbaren Fahrzeugen und mobilen Maschinen sowie anderen innovativen Anwendungen nutzen. Anwendungen wie die Elektrolyse erzeugen mit Hilfe überschüssiger erneuerbarer Energie aus Wasser sauberen, grünen Wasserstoff, der transportiert und gespeichert werden kann und die Wiederverstromung durch Brennstoffzellen ermöglicht.

Die Speicherkapazität von Energie in Form von Wasserstoff ist weitaus höher als die von Batterien. Warum also hat diese Technologie den Markt nicht erobert? Der Grund ist, dass die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff eine Herausforderung darstellt. Der Aufbau einer tragfähigen Wasserstoffinfrastruktur für die Lieferung von der Produktion bis zum Verbrauch ist keine einfache Angelegenheit. Die zentralisierte Massenproduktion von Wasserstoff, ob als Gas oder Flüssigkeit, ist mit hohen Liefer- und Verteilungskosten verbunden, während die dezentrale Produktion kleiner Mengen unerschwinglich ist. Die Lieferung von Wasserstoff wird durch hohe Kosten, Energieeffizienzverluste während des Transports, Probleme mit der Reinheit des Wasserstoffs und die Neigung zu Leckagen eingeschränkt.

Wissenschaftler arbeiten an neuartigen Wasserstoffträgern, um diese Beschränkungen zu überwinden. Wasserstoffträger können Wasserstoff in einem anderen chemischen Zustand als freie Wasserstoffmoleküle speichern. Eine interessante Methode zur Bereitstellung von Wasserstoff besteht darin, eine chemische Verbindung am Ort der Produktion zu hydrieren und sie dann am Ort der Bereitstellung oder in einer Brennstoffzelle zu dehydrieren. Zu den möglichen Trägern gehören chemische und physikalische Speichertechnologien wie Metallhydride, Kohlenstoff oder andere Nanostrukturen und reversible Kohlenwasserstoffe. Bei anderen Ansätzen wird Wasserstoff in unterirdische Kavernen gepumpt, von denen viele durch den Bergbau entstanden sind, wo er sicher gespeichert wird. Bei der Power-to-Gas-Technologie wird Wasserstoff in Erdgas eingespritzt, das über die bestehende Infrastruktur transportiert wird. Bei der Verbrennung wird die Energie freigesetzt; durch den Ersatz von 20 % des Kohlenstoffs durch Wasserstoff werden die Emissionen ebenfalls um 20 % reduziert.

Ammoniak als Energieträger

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Ammoniak als Energieträger. Die Vorteile sind vielfältig. Erstens ist Ammoniak wirtschaftlich. Verfügbarkeit – Ammoniak ist die am zweithäufigsten produzierte Chemikalie der Welt, jährlich werden 200 Millionen Tonnen Ammoniak hergestellt. Transportfähigkeit – Ammoniak ist leicht zu lagern und erfordert keine Hochdrucklagerung. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die chemische Kompatibilität von Ammoniak mit alkalischen Brennstoffzellen, die einen alkalischen Elektrolyten verwenden. Und bei der Spaltung von Ammoniak zur Erzeugung von Wasserstoff werden keine schädlichen Schadstoffe freigesetzt. Da kein Kohlenstoff vorhanden ist, entstehen auch keine kohlenstoffhaltigen Nebenprodukte – Ammoniak ist also eine „kohlenstoffneutrale“ Option für die Zukunft. Ammoniak ist zwar eine giftige und stark riechende Chemikalie, wird aber bei sorgfältiger Handhabung und Einhaltung der Vorschriften unter anderem in der Landwirtschaft, in der Kältetechnik, bei Halbleitern, Haarfärbemitteln und in der Wasseraufbereitung sicher eingesetzt. Der größte Vorteil von Ammoniak als Wasserstoffträger ist jedoch die Tatsache, dass es als Flüssigkeit bei geringem Druck und ohne kryogene Einschränkungen eine hohe Wasserstoffspeicherdichte bietet.

Bereits heute hat GenCell eine Brennstoffzelle entwickelt, die flüssiges Ammoniak als Treibstoff für eine netzunabhängige Stromversorgungslösung nutzt, die als autonomes „Nano-Kraftwerk“ außerhalb des Netzes fungiert und uns in die Lage versetzt, umweltschädliche Dieselgeneratoren bei der Stromversorgung außerhalb des Netzes zu ersetzen. Heutzutage werden diese Brennstoffzellen mit industriell hergestelltem Ammoniak betrieben, der hauptsächlich durch das weit verbreitete, aber sehr umweltschädliche Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wird. Bei der Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren reagiert Stickstoff mit Wasserstoff unter Verwendung eines Metallkatalysators. Das Verfahren wird bei einem Druck von 200 atm und hohen Reaktionstemperaturen von fast 500°C durchgeführt. Es wird behauptet, dass das Haber-Bosch-Verfahren einer der größten Verursacher der Anreicherung von reaktivem Stickstoff in der Biosphäre ist. Um vollständig grünen Strom anbieten zu können, arbeiten wir an der Entwicklung eines umweltfreundlichen Verfahrens zur Herstellung von grünem Ammoniak, das das umweltschädliche Haber-Bosch-Verfahren ersetzen kann. Dies würde die industrielle Produktion von sauberem Ammoniak unter Verwendung erneuerbarer Energien für eine breite Palette von Anwendungen ermöglichen, von Düngemitteln und Wasserreinigung bis hin zur Bereitstellung von Brennstoff für alkalische Brennstoffzellenlösungen. Da diese Gleichung keinen Kohlenstoff enthält, wird uns diese Technologie, wenn sie ausgereift ist, eine 100 % grüne, dezentrale Energieerzeugung ermöglichen. Wir stellen uns vor, einen vollständig sauberen Energiekreislauf zu ermöglichen, indem wir grünes Ammoniak vor Ort mit Hilfe von Sonnen- und Windenergie produzieren und das Ammoniak für den Betrieb von alkalischen Brennstoffzellengeneratoren überall außerhalb des Netzes verwenden, was die Elektrifizierung des ländlichen Raums ermöglicht und die Welt der Netzparität näher bringt. Für weitere Informationen kontaktieren Sie uns unter [email protected].