Unter der Konsortialführung von Heraeus Precious Metals sollen im Forschungsprojekt „AmmoCatCoat“ gemeinsam mit fünf Projektpartnern revolutionäre Technologien für eine effiziente und nachhaltige Wasserstofferzeugung aus Ammoniak entwickelt werden. Das Projekt mit einem Gesamtvolumen von rund 2 Mio. EUR wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Material-Hub-Initiative und des Förderschwerpunkts „Ressourcensouveränität durch Materialinnovationen Modul 1 - Materialien für Prozesseffizienz“ gefördert und hat eine Laufzeit von drei Jahren.

Mit den Projektpartnern Heraeus Precious Metals, Fraunhofer ISE, Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB), Zentrum für Transmissionselektronenmikroskopie (CAU), Pyreg und Purem by Eberspächer hat sich ein Konsortium gebildet, das Fachkompetenzen in der Katalyse, Biomasseumwandlung, Materialcharakterisierung und Oberflächenbehandlung vereint. Das Projekt zielt auf die praktische Demonstration des Betriebs unter real-technischen Bedingungen im Technikumsmaßstab ab. Außerdem sollen Konzepte zur Skalierung erarbeitet werden.

„Wir sind stolz, ein so starkes Konsortium zu leiten und gemeinsam einen richtungsweisenden Beitrag zur Realisierung der Wasserstoffwirtschaft zu leisten", sagt Konrad Krois, Projektleiter des Projektes bei Heraeus Precious Metals, „Ich bin überzeugt, dass es uns mit AmmoCatCoat gelingen wird, eine effizientere und nachhaltigere Methode für das Ammonia-Cracking bereitzustellen. Die Energiewende braucht Lösungen, die materialsparsam und im Betrieb wettbewerbsfähig sind“.

Wasserstoff als Energieträger spielt eine herausragende Rolle in der Energiewende. Zum Transport kann Wasserstoff in Form von Ammoniak chemisch gespeichert und anschließend im so genannten „Ammonia Cracking“ Prozess wieder freigesetzt werden. Für diese chemische Reaktion sind Edelmetallkatalysatoren auf Ruthenium-Basis hervorragend geeignet.

Um den Prozess möglichst nachhaltig, effizient und kostengünstig zu gestalten, müssen verschiedene Voraussetzungen erfüllt sein. Unter anderem müssen die eingesetzten Materialien einen Betrieb bei niedrigen Temperaturen und eine hohe Langzeitstabilität ermöglichen, möglichst sparsam eingesetzt werden und im Idealfall aus erneuerbaren Quellen stammen. Die Projektpartner erforschen, wie sich die genannten Anforderungen in einem neuartigen Ansatz umsetzen lassen:

Im Projekt wird eine katalytisch hochaktive Rutheniumschicht auf einem elektrisch beheizbaren Katalysatorträgersystem aufgebracht, das eine direkte und gleichmäßige Wärmeverteilung gewährleistet. Mit diesem sogenanntes ELIAS-System (ELectrIcally heAted catalySt carrier) wird die Wärme genau dorthin gebracht, wo sie benötigt wird. Die Aktive Schicht besteht aus Nanopartikeln, die sich fein verteilt auf einem speziellen maßgeschneiderten Kohlenstoffmaterial befinden.

Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass durch den Einsatz von Kohlenstoff als Katalysatorträger die katalytische Aktivität von Ruthenium deutlich verbessert werden kann. Die Wechselwirkung zwischen dem Kohlenstoffträger und den Ruthenium-Nanopartikeln soll nicht nur die Leistungsfähigkeit des Katalysators, sondern auch seine Haltbarkeit deutlich erhöhen. Dies ermöglicht längere Einsatzzeiten des Rutheniums vor einem Recycling des Edelmetalls am Ende seiner Nutzungsdauer und damit weitere Energieeinsparungen. Ziel ist es, den maximalen Ammoniakumsatz bereits bei Temperaturen unter 500°C zu erreichen. Dies führt zu erheblichen Energieeinsparungen im Betrieb und ist damit ein entscheidender Schritt zur Effizienzsteigerung und Nachhaltigkeit der Wasserstofferzeugung aus Ammoniak. Die Entwicklung ist ausgerichtet auf eine kompakte Bauweise und die Langlebigkeit und Stabilität des Katalysators. Der Träger selbst besteht ebenfalls aus einem innovativen Material auf Basis nachhaltiger Biomasse-Kohlenstoffe. Damit ist er sowohl nachhaltiger als auch effizienter und stabiler in der Anwendung als alternative Trägermaterialien.

Die Projektpartner:
• Konsortialführer Heraeus Precious Metals verfügt über umfangreiche Expertise für Edelmetallkatalysatoren und der Beschichtung von Trägern mit Edelmetallen inklusive der dazugehörigen Entwicklungs-, Optimierungs- und Skalierungsprozesse.

• Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE beschäftigt sich im Forschungsgebiet „Nachhaltige Syntheseprodukte“ seit über 25 Jahren mit der Herstellung, dem Transport und der Nutzung von wasserstoffbasierten Chemikalien, Energieträgern und Kraftstoffen und hat eine umfangreiche Expertise in der thermochemischen Wasserstofferzeugung aus PtX-Produkten und verschiedenen Anwendungen, inklusive Prozessen des Direct Air Capturing.

• Die Arbeitsgruppe Thermochemische Konversion am Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie erforscht seit circa 15 Jahren die Umwandlung von landwirtschaftlichen Reststoffen in kohlenstoffreiche Produkte (Biokohle) mittels Pyrolyse und hydrothermaler Karbonisierung.

• Mit dem Zentrum für Transmissionselektronenmikroskopie (Leitung Prof. Kienle) am Institut für Materialwissenschaften der CAU-Kiel beteiligt sich ein bestens ausgerüstetes Analytik-Forschungszentrum, das die notwendigen Materialanalysen designen wird.

• Die Pyreg plant und baut als Unternehmen für Anlagenbau und Umwelttechnik seit mehr als 10 Jahren EBC-zertifizierte, qualitativ hochwertige Karbonisierungsanlagen. Pyreg-Anlagen schließen Kreisläufe, indem sie biogene Reststoffe zu hochwertiger Biokohle (Pflanzenkohle) und erneuerbarer Energie verwerten.

• Purem by Eberspächer bringt jahrzehntelange Expertise aus der Abgastechnologie in das Projekt ein. Dazu gehören Methoden und Kenntnisse aus dem Bereich der Metallbe- und -verarbeitung, der Materialcharakterisierung sowie der Katalyse, um das Heizelement in seiner Beschaffenheit und Ausformung zu optimieren. Geeignete Oberflächenbehandlungen zur Verbesserung der Haftung von Katalysatormaterialien zählen zu den weiteren Kompetenzen, ergänzt durch vergleichende Analytik.