Schwerpunkte

Schiffsverkehr ohne Treibhausgase

Weltweit erste Brennstoffzelle mit Ammoniak im Einsatz

02. März 2021, 16:21 Uhr   |  Kathrin Veigel

Weltweit erste Brennstoffzelle mit Ammoniak im Einsatz
© Eidesvik

Die Viking Energy der Reederei Eidesvik ist das weltweit erste Schiff, das mit einer Brennstoffzelle auf Ammoniak-Basis ausgerüstet wird.

Der Seeverkehr stößt jedes Jahr viele hundert Millionen Tonnen klimaschädliches Kohlendioxid aus. Es braucht also neue Antriebskonzepte, die Schweröl als Treibstoff ablösen könnten. Daher arbeiten Fraunhofer-Forscher derzeit in einem internationalen Konsortium an Brennstoffzellen auf Ammoniak-Basis.

Beim Thema nachhaltige Energien steht derzeit vor allem Wasserstoff im Rampenlicht. In Zukunft sollen beispielsweise Busse und Nutzfahrzeuge aber auch Pkw mit Wasserstoff unterwegs sein. Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM in Mainz arbeitet an einer vielversprechenden weiteren Möglichkeit.

Im Projekt ShipFC entwickelt das Fraunhofer-Institut gemeinsam mit 13 europäischen Verbundpartnern die weltweit erste Brennstoffzelle auf Basis von Ammoniak für Schiffe. Die Fraunhofer-Forscher sind für dabei den Katalysator zuständig. Er sorgt dafür, dass keine klimaschädlichen Abgase entstehen.

Das Projekt ShipFC soll unter Beweis stellen, dass die neue emissionsfreie Antriebstechnik auch in großen Schiffen und auf langen Fahrten sicher, zuverlässig und problemlos funktioniert. Die Koordination des Projekts liegt bei NCE Maritime CleanTech aus Norwegen. Die Organisation hat sich die Entwicklung umweltfreundlicher Technologien im maritimen Bereich zum Ziel gesetzt.

Die Vorteile von Ammoniak

Ammoniak ist hauptsächlich aus der Landwirtschaft bekannt, wo es als Düngemittel genutzt wird. Doch es taugt auch als hochwertiger Energieträger. Prof. Dr. Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie sowie stellvertretender Institutsleiter am Fraunhofer IMM, erklärt: »Ammoniak hat gegenüber Wasserstoff deutliche Vorteile. Wasserstoff muss als Flüssigkeit bei -253 Grad Celsius oder komprimiert als Gas bei Drücken um 700 bar gespeichert werden. Ammoniak begnügt sich als Flüssigkeit mit moderaten -33 Grad Celsius bei Normaldruck und +20 Grad Celsius bei 9 bar. Das macht die Lagerung und den Transport dieses Energieträgers deutlich leichter und unkomplizierter.«

Funktionsweise von Brennstoffzelle und Katalysator

Die Stromerzeugung mit Ammoniak funktioniert ähnlich wie bei Anlagen auf Wasserstoff-Basis. Im ersten Schritt wird Ammoniak (NH3) in einen Spaltreaktor geleitet. Der spaltet es zu Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2). Das Gas enthält 75 Prozent Wasserstoff. Eine kleine Menge Ammoniak (NH3, 100 ppm) wird nicht umgesetzt und verbleibt im Gasstrom.

Im zweiten Schritt werden Stickstoff und Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet. Unter Luftzufuhr verbrennt der Wasserstoff zu Wasser. Es entsteht elektrische Energie. Der Wasserstoff wird allerdings in der Brennstoffzelle nicht vollständig umgesetzt. Ein Anteil von etwa 12 Prozent sowie ein Rest Ammoniak verlassen die Brennstoffzelle unverbrannt.

Diese werden nun in den vom Fraunhofer IMM entwickelten Reaktor mit eigens entwickeltem Katalysator geleitet. Luftzufuhr und die Pulverbeschichtung der gewellten Metallfolie mit Platin enthaltenden Katalysatorpartikeln setzen eine chemische Reaktion in Gang. Übrig bleiben am Ende nur Wasser und Stickstoff. Die klimaschädlichen Stickoxide entstehen bei optimaler Reaktionsführung erst gar nicht.

Das Forschungsteam entwickelt auch den Reaktor, der den passiv arbeitenden Katalysator umgibt. Der Reaktor steuert die Temperatur und regelt die Gasströme. Er heizt den Katalysator beispielsweise schon vor dem Start der Maschinen vor, da er in kaltem Zustand nicht so effizient arbeitet. »Die Gase, die den Katalysator durchströmen, sollten bei einer Temperatur von voraussichtlich etwa 500 Grad Celsius liegen, damit die Abgasreinigung möglichst wirksam ist«, erklärt Kolb.

Der Status des Projekts

Einen ersten kleinen Prototyp will das Team am Fraunhofer-Institut gegen Ende 2021 fertigstellen. Ende 2022 soll ein Prototyp in der endgültigen Größe fertig sein. In der zweiten Jahreshälfte 2023 wird das erste Schiff mit der Ammoniak-basierten Brennstoffzelle in See stechen, das Versorgungsschiff Viking Energy der norwegischen Reederei Eidesvik. Danach sollen weitere Schiffstypen wie etwa Frachtschiffe damit ausgestattet werden.

Das Zukunftspotenzial von Ammoniak

Das Ammoniak wird vom Partner des ShipFC-Konsortiums Yara geliefert. Das Unternehmen produziert heute ein Drittel des weltweit verbrauchten Ammoniaks. Für das Projekt ShipFC kommt »grünes«, also nachhaltig produziertes Ammoniak zum Einsatz.

ShipFC öffnet einem bisher unterschätzten Energieträger große Zukunftschancen. Fraunhofer-Forscher Gunther Kolb sagt: »Wir sehen Ammoniak nicht als direkten Konkurrenten zu Wasserstoff, sondern als zusätzliche Option im Spektrum der nachhaltigen Energien. Wegen der Vorteile bei der Speicherung wird diese umweltfreundliche Technik für die Stromerzeugung sicher ihren Platz finden. Der Einsatz bei Schiffen ist hier erst der Anfang.«

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Fraunhofer-Gesellschaft e.V. Zentrale München