Entwicklung eines nachhaltigen „Power-to-Ammonia“-Prozesses unter milden Reaktionsbedingungen- Entwicklung eines innovativen Reaktorkonzepts zur effizienten und dynamischen Ammoniaksynthese

Stipendiatin/Stipendiat: Thomas Cholewa

Die Speicherung und der Transport von erneuerbaren Energien in Form synthetischer Energieträger, die in verschiedenen Verbrauchssektoren verwendet werden können, ist ein essentieller Bestandteil des zukünftigen Energiesystems. Ein möglicher Energieträger, der großes Potential für diese Aufgabe zeigt, ist Ammoniak. Die Synthese von Ammoniak aus Wasserstoff (H2) und Stickstoff(N2), anstelle von CO2 wie bei anderen Energieträgern wie Methanol oder Methan, ist kosteneffizienter und standortunabhängig realisierbar. Des Weiteren verfügt Ammoniak über eine hohe Energiedichte und gute Eigenschaften in Bezug auf Transport- und Lagerfähigkeit. Ammoniak, der aus erneuerbaren Energien hergestellt wurde, stellt somit einen wichtigen Energieträger dar, der in verschiedenen Sektoren, wie der chemischen Industrie, im Transportsektor und in der Landwirtschaft genutzt werden kann und dessen energetische Nutzung keine CO2 Emissionen mit sich bringt. Daher soll die nachhaltige Herstellung von Ammoniak in Power-to-Ammonia Prozessen  im Rahmen dieser Dissertation detailliert untersucht werden.

Die Synthese von Ammoniak aus H2 und N2 im Haber-Bosch Verfahren mit Hilfe eisenbasierter Katalysatoren wird bereits seit Anfang des 20. Jahrhunderts genutzt und erforscht. Die Synthese erfolgt bei hohem Druck und hoher Temperatur, ist energieintensiv und die Ausbeute durch die Lage des chemischen Gleichgewichts limitiert. Dies führt dazu, dass die konventionelle Ammoniaksynthese basierend auf fossilen Rohstoffen erhebliche Mengen an Energie benötigt und momentan etwa 1 % der weltweiten CO2 Emissionen verursacht. Hieraus ergibt sich ein enormes Klimaschutzpotential und somit ein großer Bedarf an effizienteren und nachhaltigen Verfahren zur großtechnischen und kostengünstigen Herstellung von Ammoniak.

Der Forschungsansatz der im Rahmen dieser Dissertation verfolgt werden soll, basiert auf der Verwendung eines neuartigen, Ruthenium-Katalysators. Dieser Katalysator bietet das Potential, eine effiziente Synthese von Ammoniak unter deutlich milderen Reaktionsbedingungen zu realisieren. Die experimentelle Untersuchung eines, durch ein japanisches Forschungsinstitut im Rahmen einer Forschungskooperation entwickelten, Ruthenium-Katalysators stellt den ersten Schritt dieser Arbeit dar. Basierend auf dem neuen Katalysator soll der Prozess weitergehend optimiert werden. Ein Kernschritt zur Steigerung der Effizienz der Ammoniaksynthese ist die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts der Reaktion auf die Seite des Produkts. Ein Konzept dies zu erreichen, ist die in-situ Abtrennung von Ammoniak im Reaktor. Durch die milderen Reaktionsbedingungen bei Verwendung des neuartigen Ruthenium-Katalysators können mögliche Abtrennprozesse effizienter genutzt und technisch leichter implementiert werden. Die Entwicklung eines innovativen Reaktorkonzepts, dass die Kopplung der Ruthenium-katalysierten Reaktion mit einer in-situ Abtrennung von Ammoniak ermöglicht, ist wichtiger Bestandteil dieses Forschungsvorhabens. Hierfür sollen zunächst geeignete Trennprozesse theoretisch und simulativ betrachtet und verglichen werden und anschließend der aussichtsreichste Trennprozess experimentell untersucht werden. Abschließend sollen die Ergebnisse aus der Untersuchung des Katalysators und des Trennprozesses genutzt werden, um ein integriertes Reaktorkonzept zu entwickeln. Ein Aspekt der bei den oben beschriebenen Forschungsschwerpunkten zu berücksichtigt ist, ist die fluktuierende Bereitstellung von H2 durch erneuerbare Energien. Unter der Annahme eines stationären Betriebs der Ammoniaksynthese, werden große und teuer Wasserstoffspeicher benötigt. Daher umfasst die experimentelle Untersuchung der beschriebenen Synthese und Abtrennung auch eine Variation der Eduktmenge und -zusammensetzung in einem breiten Arbeitsbereich. Hierdurch können kurzfristige Auswirkung z.B. auf die Zusammensetzung des Produktstroms oder das Temperaturprofil im Reaktor und auch langfristige Auswirkungen beispielsweise auf die Stabilität und Aktivität des Katalysators, durch eine dynamische Prozessführung untersucht werden.

Förderzeitraum:
01.12.2020 - 30.11.2023

Institut:
Universität Ulm

Betreuer:
Prof. Dr. Robert Güttel

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