Sonnenuntergang hinter einem bewirtschafteten Feld
Ammoniak wird in der Landwirtschaft als Düngemittel verwendet. Das Projekt SolaGrAm will die Produktion von Stickstoff – als Bestandteil von Ammoniak – mit Solarenergie realisieren.
Credit:
Federico Respini
Mit Luft und Sonne zum nachhaltigen Ammoniak
Laufzeit: 15.6.2024 - 14.6.2027
Die Suche nach Lösungen für umweltfreundliches Ammoniak ist im Hinblick auf die globale Ernährungsversorgung eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Ammoniak wird als Düngemittel und als Grundlage für Düngemittel verwendet. Gleichzeitig erhält es immer mehr Bedeutung als Treibstoff, zum Beispiel in der Schifffahrt. Seine konventionelle Produktion ist allerdings für 1,5 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich und somit einer der größten Emittenten.
Das Projekt SolaGrAm hat das Ziel zu zeigen, dass die Produktion von Stickstoff – als Bestandteil von Ammoniak – mit Solarenergie gelingen kann. Zwar gibt es bereits erste Verlagerungen hin zu nachhaltigeren Produktionswegen von Ammoniak, insbesondere durch den Ersatz der herkömmlichen Produktion von Wasserstoff – ebenfalls Bestandteil von Ammoniak – durch Elektrolyse mit grünem Strom.
Allerdings entsteht bei der Herstellung von Wasserstoff durch herkömmliche Methanreformierung ebenfalls Stickstoff, der dem Haber-Bosch-Verfahren zur Herstellung von Ammoniak zugeführt werden kann. Bei der Elektrolyse oder der thermochemischen Wasserspaltung ist das nicht der Fall. Hier entsteht als Produkt nur reiner Wasserstoff. Eine zusätzliche Stickstoffquelle ist also nötig. Die modernen Verfahren zur Stickstofferzeugung basieren auf kryogener Destillation – also der Zerlegung von Luft bei sehr niedrigen Temperaturen –, wobei viel Energie verbraucht und CO2 ausgestoßen wird. Hier will SolaGrAm eine Alternative bieten.
Ablauf des Projekts
Im Vorläuferprojekt SESAM konnte bereits erfolgreich gezeigt werden, dass mit einem thermochemischen Kreisprozess hochreiner Stickstoff mit einem Sauerstoffanteil von unter 10 Molekülen unter einer Million Molekülen hergestellt werden kann.
Kann man durch die Kombination von Sonnenwärme und Luft reinen Stickstoff für die Landwirtschaft gewinnen? Absolut! Nach Stand der Technik produziert man Stickstoff heute mithilfe kryogener Luftzerlegung. Diese setzt jedoch große Mengen CO₂ frei. Ein alternatives Verfahren ist die thermochemische Luftzerlegung, welche durch die Verwendung von Sonnenwärme CO₂-frei funktioniert. Im Projekt SESAM hat das DLR-Institut für Future Fuels die thermochemische Luftzerlegung mit einer Druckwechseladsorption (PSA) gekoppelt und in einer Pilotanlage installiert. In einem zweistufigen Verfahren produziert die PSA-Anlage Stickstoff mit geringer Reinheit. Anschließend wird der Großteil des Restsauerstoffs im thermochemischen Kreislauf entfernt. Der solar erzeugte Stickstoff lässt sich anschließend für die Produktion von landwirtschaftlichen Düngern auf Ammoniak-Basis einsetzen.
Video: DLR-Projekt SESAM – mit Sonnenenergie hochreinen Stickstoff herstellen
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Video: DLR-Projekt SESAM – mit Sonnenenergie hochreinen Stickstoff herstellen
Kann man durch die Kombination von Sonnenwärme und Luft reinen Stickstoff für die Landwirtschaft gewinnen? Absolut! Nach Stand der Technik produziert man Stickstoff heute mithilfe kryogener Luftzerlegung. Diese setzt jedoch große Mengen CO₂ frei. Ein alternatives Verfahren ist die thermochemische Luftzerlegung, welche durch die Verwendung von Sonnenwärme CO₂-frei funktioniert. Im Projekt SESAM hat das DLR-Institut für Future Fuels die thermochemische Luftzerlegung mit einer Druckwechseladsorption (PSA) gekoppelt und in einer Pilotanlage installiert. In einem zweistufigen Verfahren produziert die PSA-Anlage Stickstoff mit geringer Reinheit. Anschließend wird der Großteil des Restsauerstoffs im thermochemischen Kreislauf entfernt. Der solar erzeugte Stickstoff lässt sich anschließend für die Produktion von landwirtschaftlichen Düngern auf Ammoniak-Basis einsetzen.
Für den Haber-Bosch Prozess ist hochreiner Stickstoff notwendig, da Sauerstoff den Katalysator angreift. Bei SESAM wurde zudem erstmalig die Kopplung einer Druckwechselabsorptionsanlage mit einem thermochemischen Kreisprozess gezeigt. Die für den Kreisprozess benötigte Wärme wurde jedoch noch mit elektrischer Energie bereitgestellt.
Reaktorauslegung
SolaGrAm nutzt hierfür Solarwärme. Dafür wird ein neuer Reaktor konzipiert. Wichtig ist dabei vor allem die Berücksichtigung der Wärmerückgewinnung und der aktiven Kühlung. Durch die aktive Kühlung verringert sich die Abkühlungszeit, wodurch der Prozess deutlich schneller wird.
Nach der Auslegung wird der Reaktor aufgebaut und mit einem Sonnensimulator des DLR getestet.
Identifizierung und Herstellung von Redoxmaterialien
Das Projekt untersucht neben der Entwicklung des Reaktors auch die verwendeten Redoxmaterialien. Um die bestgeeigneten Materialien identifizieren zu können, findet zunächst ein computerbasiertes Materialscreening statt.
Wichtige Kriterien neben der Performance sind hierbei: Verfügbarkeit, Preis, CO2-Emissionen, Toxizität und die zugrunde liegenden Chemikalien sollten aus nicht kritischen Ressourcen stammen. Anschließend werden sie im Labor hergestellt und getestet.
Herstellung und Testung von Makrostrukturen
Im nächsten Projektschritt geht es darum, verschiedene Makrostrukturen herzustellen und zu testen. Möglich sind etwa Granulat oder Schäume. Wichtige zu untersuchende Eigenschaften sind unter anderem die mechanische Stabilität, die Porenstruktur und die Kinetik.
Betrachtung des gesamten Herstellungsprozesses
Zuletzt verwendet SolaGrAm das Lifecycleassesment und die technoökonomische Betrachtung, um sich mit dem gesamten Herstellungsprozess von Ammoniak mittels Solarenergie zu befassen. Eine wichtige Fragestellung ist hierbei unter anderem, unter welchen Rahmenbedingungen eine Herunterskalierung der Ammoniakproduktion ökonomisch sinnvoll ist. Kleine Anlagen, die vor Ort Ammoniak produzieren, verringern die Transportkosten und die mit dem Transport verbundenen Emissionen.
Am Ende des Projektes steht ein robuster Reaktor, der leicht mit bestehenden Anlagen gekoppelt werden kann. Außerdem wird der Plan für eine Markteinführung entwickelt, der die technischen und nichttechnischen Hindernisse beleuchtet. In einem Folgeprojekt soll der quasi-kontinuierliche Prozess gezeigt werden.
