Null-Emissionen von Kohlendioxid! Neue Methode produziert ammoniakbasierten sauberen Wasserstoff

Wissenschaftler haben eine neuartige Technologie eingeführt, die sauberen Wasserstoff aus Ammoniak ohne fossile Brennstoffe produziert und bietet eine umweltfreundliche Alternative für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge sowie vielversprechende Anwendungen in nachhaltiger Energie und Verkehr. Dieses Bild zeigt den ersten kohlenstofffreien Ammoniak-Zerlegungsreaktor. Credit: Korea Institute of Energy Research

Das KIER hat in Korea einen historischen Meilenstein erreicht, indem es erfolgreich Wasserstoff von außergewöhnlicher Reinheit aus Ammoniak produziert hat und dabei die Kohlendioxidemissionen vollständig eliminiert hat.

Das Forschungsteam von Dr. Jung Unho in der Wasserstoffforschungsabteilung des Korea Institute of Energy Research (KIER) hat die erste saubere Wasserstoffproduktionstechnologie Koreas entwickelt. Dieser innovative Ansatz basiert auf der Ammoniak-Zersetzung und verwendet keine fossilen Brennstoffe. Der Durchbruch des Teams könnte den Weg für eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Energiequelle ebnen. Damit wird die Produktion von Wasserstoff hoher Reinheit ermöglicht, der den internationalen Standards für wasserstoffbetriebene Fahrzeuge entspricht, ohne die durch die Nutzung fossiler Brennstoffe erzeugten Kohlendioxidemissionen.

Ammoniak, eine Verbindung aus Wasserstoff und Stickstoff, hat eine Wasserstoffspeicherdichte, die 1,7-mal höher ist als die von verflüssigtem Wasserstoff, und wird als kosteneffektivste Methode zur Wasserstofftransport betrachtet. Insbesondere da es seit über 100 Jahren in verschiedenen Bereichen wie Düngemitteln verwendet wird, ist es mit Infrastruktur, Handhabung und Sicherheitsstandards ausgestattet. Es gilt als die praktischste Lösung, um die Herausforderungen bei der Wasserstoffspeicherung und -transport zu bewältigen.

Grundprinzipien der ammoniakbasierten kohlenstofffreien Wasserstoffproduktionstechnologie (oben). Vergleich der bestehenden Technologie und der KIER-Technologie (unten). Credit: Korea Institute of Energy Research

Ammoniak besteht nur aus Wasserstoff und Stickstoff, so dass bei der Trennung des Wasserstoffs kein Kohlenstoff emittiert wird. Der Zersetzungsprozess erfordert eine Wärmeenergiezufuhr von über 600℃ und derzeit werden fossile Brennstoffe verwendet, was zur Emission von Kohlendioxid führt. Daher muss zur Herstellung von sauberem Wasserstoff eine kohlenstofffreie Energiequelle verwendet werden, selbst im Prozess der Ammoniak-Zersetzung.

Indem die Forscher die kleinen Mengen an Wasserstoff und Ammoniak nutzten, die von der Zersetzung übrig blieben, konnten sie Wasserstoff ohne den Einsatz von fossilen Brennstoffen produzieren.

Forscher Jung Unho, Koo Kee Young, Park Youngha von rechts. Credit: Korea Institute of Energy Research

Zur Herstellung reinen Wasserstoffs aus Ammoniak wird die Zersetzung von Ammoniak bei einer Temperatur über 600℃ mit einem Ruthenium (Ru) Katalysator durchgeführt, gefolgt von der Reinigung des Wasserstoffs durch Druckschwingungsadsorption (PSA)-Technologie. Während dieser Methode wird ein Restgasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff gebildet und als Heizelement für den Ammoniakzerlegungsreaktor wiederverwendet. Trotzdem reicht das Restgas allein nicht aus, um ausreichende Reaktionswärme zu liefern, daher muss zusätzliche Wärme zugeführt werden.

Im Fall der bestehenden Technologie wird die unzureichende Reaktionswärme durch fossile Brennstoffe wie Erdgas (LNG) oder Flüssiggas (LPG) ergänzt, so dass Kohlendioxid bei der Verbrennung emittiert wird. Jedoch kann mit dem diesmal entwickelten System durch die Zufuhr von Ammoniak anstelle von fossilen Brennstoffen die Reaktionswärme geliefert und die Kohlendioxidemissionen an der Quelle verhindert werden.

Mit dem entwickelten System wird hochreiner Wasserstoff mit mehr als 99,97%, der für Brennstoffzellen für Wasserstoff-Elektrofahrzeuge geliefert werden kann, mit einer Rate von 5Nm3 (etwa 0,45kg) pro Stunde produziert. Außerdem hat der produzierte Wasserstoff eine Verunreinigungskonzentration von weniger als 300ppm für Stickstoff und weniger als 0,1ppm für Ammoniak. Es entspricht der ISO 14687, dem internationalen Standard für wasserstoffbetriebene Elektrofahrzeuge.

Ammoniakbasiertes Wasserstoffproduktionssystem mit 1 kW PEMFC. Credit: Korea Institute of Energy Research

Das Forschungsteam hat einen bedeutenden Meilenstein erreicht, indem es ein 1kW-Brennstoffzellensystem für Gebäude demonstriert hat, das Strom ohne Kohlendioxidemissionen erzeugt, indem es Wasserstoff aus Ammoniak extrahiert. Diese Demonstration, die in Zusammenarbeit mit Doosan Fuel Cell Power BU (Business Unit) durchgeführt wurde, ist von großer Bedeutung, da sie das Problem der Kohlendioxidemissionen überwindet, das als Nachteil von auf Erdgas (LNG) basierenden Brennstoffzellensystemen angesehen wurde. Es zeigt das Potenzial zur Stromerzeugung mit sauberen Wasserstoff-Brennstoffzellen.

According to lead researcher Dr. Jung Unho, the newly developed technology holds great significance as it allows for carbon-free hydrogen production using ammonia, filling a previous gap in this area. There is an expectation that it will find practicality in diverse areas that use clean hydrogen. In his remarks, he went on to say, “The combining of ammonia and fuel cells presents a viable option for powering eco-ships. And as we scale up, we can also make a significant impact in the clean hydrogen power sector.”

Meanwhile, this research was conducted with the support of Korea Southern Power Co., Ltd. (KOSPO).