CAMPFIRE-Projekt: CF04_2: Entwicklung von Kleinserien für MEAs für die SSAS - Solid State Ammoniak Synthese

Abstract

Das Verbundvorhaben CF04_2 war Teil von CAMPFIRE und verfolgte das Ziel, die Technologie der Solid State Ammonia Synthesis (SSAS) von der bisherigen Einzelzelle im Labormaßstab hin zu modularen Kleinserien weiterzuentwickeln. Konkret sollten erstmals tubulare SSAS-Zellen auf Basis metallischer Substrate für höhere Betriebsdrücke hergestellt und zu Modulen kombiniert werden. Die Module sollten eine aktive Fläche von 125 cm² erreichen und sich durch Numbering-up perspektivisch zu Systemen mit bis zu 10 kW elektrischer Leistung skalieren lassen. Das Projekt wurde von INP, LIKAT, Fraunhofer IKTS und ZBT getragen, war auf 24 Monate angelegt und umfasste eine beantragte Förderung von 1.155.041 €. Inhaltlich adressierte das Vorhaben eine zentrale energie- und klimapolitische Herausforderung. Erneuerbare Energien standen oft fluktuierend zur Verfügung und benötigten speicher- sowie transportfähige chemische Energieträger. Hier setzte das Projekt auf grünes Ammoniak als kohlenstofffreien Energieträger, der gegenüber Wasserstoff Vorteile bei Speicherung, Verflüssigung und Transport bot. Gleichzeitig war Ammoniak bereits damals eine industriell äußerst relevante Basischemikalie, insbesondere für Düngemittel. Das Projekt argumentierte daher, dass eine dezentrale, erneuerbar gespeiste Ammoniaksynthese sowohl zur Dekarbonisierung der Chemieindustrie als auch zur Entwicklung neuer Anwendungen in Schifffahrt, Brennstoffzellen, Motorentechnik und stationären Energiesystemen beitragen konnte. Das Vorhaben verstand sich damit nicht nur als technologisches Entwicklungsprojekt, sondern auch als Baustein einer regionalen Wertschöpfungskette für „Green Ammonia Farming“. Der technologische Kern des Projekts bestand darin, die im Vorgängerprojekt CF04 entwickelten Materialien und Prozesse in eine skalierbare Modularchitektur zu überführen. Dazu wurden mehrere Innovationslinien parallel verfolgt. Erstens wurde die Herstellung tubularer keramischer Supporte hochskaliert. Zweitens wurden erstmals auf dieser Skala metallgeträgerte Membran-Elektroden-Einheiten eingesetzt, um bei höheren Drücken und damit mit höherem Produktdurchsatz zu arbeiten. Drittens wurden Verfahren zur Serienbeschichtung der Röhren mit Dünnschichtelektrolyten weiterentwickelt, insbesondere Magnetron-Sputtern mit nachgeschaltetem Laserprozess sowie alternativ ein Dip-Coating- Verfahren, das laut Antrag den Energiebedarf der Produktion um bis zu 75 % senken konnte. Viertens wurde die Elektrokatalysatorsynthese auf den Kilogramm-Maßstab gebracht, wobei insbesondere der Rutheniumgehalt reduziert werden sollte. Schließlich wurden jeweils fünf tubulare Zellen zu einem Modul verschaltet, über ein 3D-gedrucktes Manifold mit Eduktgas versorgt, glaskeramisch abgedichtet und am Campfire Open Innovation Lab (COIL) getestet. Ergänzend war eine Life-Cycle- und Wirtschaftlichkeitsbewertung vorgesehen.