TransHyDE-Projekt AmmoRef: Reformierung von Ammoniak - Transport von H2 über Derivate; Teilvorhaben: Ammoniakspaltung durch mikrowellen-generiertes Niedertemperatur-Plasma (AmmonPlas)

Abstract

Zentrales Ziel des Teilvorhabens AmmonPlas war, die physikalisch‑chemischen Grundlagen der Ammoniakspaltung in der Mikrowellen-Plasmalyse systematisch zu untersuchen. Ammoniak eignet sich hervorragend als chemischer Wasserstoffträger, da er flüssig gekühlt mit erhöhter Energiedichte transportiert werden kann und am Verbrauchsort wieder in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt werden kann. Genau dieser letzte Schritt der Transportkette bot vor Projektbeginn noch erhebliches Entwicklungspotenzial. Eine industriell einsetzbare und energieeffiziente Methode zur Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniak stand bislang nicht zur Verfügung. Die technische Machbarkeit der Mikrowellen‑Plasmalyse zur Dissoziation von Ammoniak konnte im Projekt eindeutig bestätigt werden. An der Versuchsanlage wurden stabile Betriebspunkte mit Konversionsraten von bis zu 99 % erreicht. Besonders hervorzuheben ist, dass im Produktgas neben Wasserstoff, Stickstoff und Restammoniak keine weiteren Nebenprodukte nachgewiesen wurden, was die Selektivität des Prozesses unterstreicht. An energetisch effizienten Betriebspunkten, bei denen Konversionsraten von 90–95 % erzielt wurden, liegen die Energieeffizienzen bei rund 17–23 %. Die Versuche zeigen außerdem, dass eine vollständige Ammoniakumsetzung im Plasma nur mit einem proportional erhöhtem Energieeinsatz erzielt werden kann. Dieser gegenläufige Zusammenhang zwischen Konversionsrate und Energieeffizienz ist eine zentrale Erkenntnis für die weitere Optimierung des Gesamtprozesses. Ergänzend wurden Konzepte für eine nachgeschaltete Gasaufbereitung bewertet, mit denen sich aus dem Produktgasstrom Wasserstoffqualitäten von bis zu 99,9 % gewinnen lassen. Die Untersuchungen zeigen, dass sich das Plasmalyseverfahren mit etablierten Trennverfahren kombinieren lässt und die Integration einer zusätzlichen nachgeschalteten Katalysestufe zur Spaltung von Rest-Ammoniak zur weiteren Effizienzsteigerung vorteilhaft ist. Im Rahmen der Stoff‑ und Energiebilanz wurde der spezifische Energiebedarf des Gesamtprozesses bei Atmosphärendruck, bestehend aus Plasmalyse, nachgeschalteter Katalyse und H2/N2-Stofftrennung, mit rund 35,6 kWh/kg H₂ ermittelt. Daraus ergeben sich bei einem Strompreis von 0,10 €/kWh reine Energiekosten von etwa 3,6 €/kg H₂. Insgesamt belegen die Ergebnisse, dass die Mikrowellen‑Plasmalyse von Ammoniak eine technisch realisierbare und perspektivisch wirtschaftlich attraktive Option für eine dezentrale, CO₂‑arme Wasserstoffbereitstellung darstellt. Mit den erarbeiteten Versuchsreihen, Bilanzmodellen und Aufbereitungskonzepten wurden die wesentlichen Grundlagen gelegt, um den Prozess in nachfolgenden Entwicklungsschritten weiter zu qualifizieren.