Ammoniak als Energieträger

Eine Herausforderung der Wasserstoffwirtschaft ist der Transport von Wasserstoff. Ammoniak enthält rund 17,8 Gewichtsprozent Wasserstoff und kann bereits bei etwa 9 bar absolut oder rund minus 33 °C verflüssigt werden. Dadurch lässt sich Wasserstoff chemisch gebunden transportieren und speichern, ohne die hohen Drücke von Druckwasserstoff oder die tiefen Temperaturen von Flüssigwasserstoff.

Am Zielort kann Ammoniak direkt genutzt oder in einem Ammoniak-Cracker wieder in ein wasserstoffreiches Gasgemisch gespalten werden. Genau an dieser Schnittstelle zwischen Ammoniakinfrastruktur und Wasserstoffanwendung setzt die Forschung und Entwicklung des ZBT an.

Der Katalysator beeinflusst Reaktionstemperatur, Reaktorgröße, Wirkungsgrad und Lebensdauer eines Crackers. Am ZBT untersuchen wir deshalb Katalysatoren unter anwendungsnahen Bedingungen und bewerten Aktivität, Kinetik und Langzeitstabilität.

In einem Projekt wurden Nickel- und Ruthenium-Katalysatoren verglichen. Ein ausgewählter Nickel-Katalysator erreichte bei etwa 500 °C rund 90 Prozent Ammoniakumsatz und zeigte über 1.000 Betriebsstunden einschließlich Temperaturzyklen keine messbaren Aktivitätsverluste.

Hohe Temperaturen, Wasserstoff, Ammoniak und Druck können zu Nitridierung, Versprödung, Korrosion und thermischer Ermüdung führen. Die richtige Werkstoffauswahl ist deshalb ein zentraler Bestandteil der Cracker-Entwicklung.

Am ZBT werden Werkstoffe experimentell untersucht und mit thermischer und mechanischer Simulation kombiniert. Bei Untersuchungen unter 750 °C und 10 bar Überdruck zeigte beispielsweise Alloy 600 eine deutlich geringere Nitriertiefe als ein konventioneller Edelstahl. Solche Daten fließen direkt in Materialauswahl und Definition sicherer Betriebsgrenzen ein.

Ammoniak ist toxisch, wasserstoffhaltiges Produktgas brennbar. Sicherheit, Prozessführung und Automatisierung müssen deshalb von Beginn an gemeinsam entwickelt werden.

Am ZBT werden unter anderem Anforderungen aus Druckgeräterichtlinie, Maschinenrichtlinie und ATEX berücksichtigt und über HARA- und HAZOP-Analysen in Sicherheitskonzepte überführt. Umgesetzte Systeme umfassen beispielsweise Stickstoff-Inertisierung, NH₃- und H₂-Gasdetektion, technische Lüftung und mehrstufige Abschaltlogiken.
Auch die Automatisierung komplexer Cracker-Anlagen gehört zur ZBT-Kompetenz. Ein entwickeltes System verarbeitet rund 300 I/O-Signale und automatisiert unter anderem Spülung, Dichtigkeitsprüfung, Vorwärmung und Ammoniak-Anfahren.