Konventionelle Ammoniak (NH₃)-Anlagen sind für einen gleichmäßigen Dauerbetrieb ausgelegt. Da die erneuerbare Stromproduktion und somit auch die grüne Wasserstoffherstellung sehr volatil sind, müssen auch Ammoniak-Anlagen ihre Produktion entsprechend anpassen können. Schnelle Lastwechsel verursachen allerdings starke Druckschwankungen in den Reaktoren und Rohrleitungen. Diese mechanische Belastung erfordert dementsprechend dickere Wände und robustere Materialien.
Die Jülicher Studie zeigt, wie sich Druckschwankungen durch intelligente Steuerung reduzieren lassen. Das Team entwickelte eine neuartige Druckregelung im Ammoniak-Loop. Dieser Produktionsschritt führt unverbrauchte Reaktionsgase dem Prozess erneut zu.
Die flexible Steuerung ermöglicht Lastwechsel mit hoher Geschwindigkeit bei geringen Druckschwankungen. Die Produktionsleistung des neuen Reaktors lässt sich binnen einer Minute um 3 Prozent ändern. Bei der konventionellen NH₃-Synthese sind nur Lastwechsel mit 0,3 Prozent pro Minute möglich. Außerdem benötige diese eine Mindestlast von 50 Prozent. Die neue Anlage hingegen fährt mit nur 10 Prozent Mindestlast. Für das Hochfahren von 50 auf 100 Prozent Last benötigt sie 16,36 Minuten. Konventionelle Anlagen brauchen dafür etwa zweieinhalb Stunden.
Vergleich der konventionellen und grünen Ammoniak-Produktion mit dem simulierten Reaktor (© Forschungszentrum Jülich/Reisen)
Kostensenkung durch geringere Materialanforderungen
„Damit grüner Ammoniak einen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel leisten kann, müssen die Kosten konkurrenzfähig sein”, sagt Prof. Andreas Peschel, Direktor am Institut für nachhaltige Wasserstoffwirtschaft des Forschungszentrums Jülich.
Die neue Technologie ermöglicht kleinere Puffer und geringere Wandstärken der Anlagenbauteile. Das senkt die Materialkosten erheblich. Das Team hatte bereits in einer früheren Studie einen flexibel betreibbaren Reaktortyp vorgestellt.
Das Forschungszentrum Jülich plant Versuchsanlagen als nächsten Schritt. Diese sollen die neue Drucksteuerung und hohe Lastdynamik unter realitätsnahen Bedingungen demonstrieren. Die Tests werden zeigen, ob sich das Konzept in der Praxis bewährt.
Ammoniak-Produktion
Die weltweite Ammoniak-Produktion setzt jährlich rund 500 Millionen Tonnen CO₂ frei. Das entspricht dem jährlichen CO₂-Ausstoß Deutschlands und 1,8 Prozent der globalen Emissionen. Der Grund liegt in der Wasserstoffgewinnung aus fossilem Erdgas.
Grünes NH₃ wird mit Wasserstoff aus der Elektrolyse produziert. Der grüne Wasserstoff reagiert im Haber-Bosch-Verfahren mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak. So kann ein Großteil der CO₂-Emissionen der Ammoniak-Herstellung eingespart werden.
