(Mainz) – Das Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM will gemeinsam mit 13 europäischen Verbundpartnern im Projekt „ShipFC“ die weltweit ersten Brennstoffzellen für Schiffe auf Basis von Ammoniak entwickeln. Wird Ammoniak mittels erneuerbarer Energien erzeugt, ist es als Treibstoff für elektrische Schiffsmotoren ebenso „grün“ wie Wasserstoff – aber weniger gefährlich und einfacher in der Handhabung. Die Fraunhofer-Forschenden sind für den Katalysator zuständig, der dafür sorgt, dass keine klimaschädlichen Abgase entstehen, heißt es in einer Mitteilung.
Neue Antriebe für Schiffsmotoren heiß begehrt
Der Seeverkehr stößt jedes Jahr viele Hundert Millionen Tonnen klimaschädliches Kohlendioxid aus (2015: 932 Millionen Tonnen). Weltweit erproben Wissenschaftler daher neue Antriebskonzepte, die Schweröl als Treibstoff ablösen könnten.
Ammoniak ist laut Fraunhofer IMM ein hochwertiger Energieträger und hat gegenüber Wasserstoff deutliche Vorteile: „Wasserstoff muss als Flüssigkeit bei minus 253 Grad Celsius oder komprimiert als Gas bei Drücken um 700 bar gespeichert werden. Ammoniak begnügt sich als Flüssigkeit mit moderaten minus 33 Grad Celsius bei Normaldruck und plus 20 Grad Celsius bei 9 bar“, erklärt Gunther Kolb, Bereichsleiter Energie sowie stellvertretender Institutsleiter. Das mache die Lagerung und den Transport dieses Energieträgers „deutlich leichter und unkomplizierter“.
Mit Brennstoffzelle und Katalysator
Die Stromerzeugung mit Ammoniak funktioniert ähnlich wie bei Anlagen auf Wasserstoffbasis, erklären die Forscher: Im ersten Schritt werde Ammoniak (NH3) in einen Spaltreaktor geleitet. Der spalte es zu Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2). Das Gas enthält 75 Prozent Wasserstoff. Eine kleine Menge Ammoniak (100 ppm) werde nicht umgesetzt und verbleibe im Gasstrom.
Im zweiten Schritt werden Stickstoff und Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet. Unter Luftzufuhr verbrenne der Wasserstoff zu Wasser. Es entsteht elektrische Energie. Der Wasserstoff werde allerdings in der Brennstoffzelle nicht vollständig umgesetzt. „Ein Anteil von etwa zwölf Prozent sowie ein Rest Ammoniak verlassen die Brennstoffzelle unverbrannt.“ Diese werden nun in den vom Fraunhofer IMM entwickelten Reaktor mit eigens entwickeltem Katalysator geleitet. Am Ende einer chemischen Reaktion bleiben nur Wasser und Stickstoff übrig. „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.
Erster Prototyp Ende 2021
Einen ersten kleinen Prototyp will das Team am Fraunhofer-Institut noch in diesem Jahr fertigstellen. Bis Ende 2022 soll ein Prototyp in der endgültigen Größe entstehen. In der zweiten Jahreshälfte 2023 will das Versorgungsschiff Viking Energy der norwegischen Reederei Eidesvik als erstes Schiff mit Ammoniakantrieb in See stechen.
Das Projekt ShipFC soll unter Beweis stellen, dass die neue emissionsfreie Antriebstechnik in großen Schiffen und auf langen Fahrten sicher, zuverlässig und problemlos funktioniert. Die Koordination liegt bei NCE Maritime CleanTech aus Norwegen. „Grünes“, also nachhaltig produziertes Ammoniak, liefert der ShipFC-Partner Yara. Das Unternehmen produziert ein Drittel des weltweit verbrauchten Ammoniaks. Die Europäische Union unterstützt ShipFC mit zehn Millionen Euro.
Der Einsatz von Ammoniak als Antrieb von Schiffen sei allerdings „erst der Anfang“, meint Gunther Kolb. Er sieht den Stoff „nicht als direkten Konkurrenten zu Wasserstoff, sondern als Option im Spektrum der nachhaltigen Energien“.
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Die Viking Energy der Reederei Eidesvik ist das weltweit erste Schiff, das mit einer Brennstoffzelle auf Ammoniak-Basis ausgerüstet wird / © Fraunhofer
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Ammoniak wird im Spaltreaktor zu Stickstoff und Wasserstoff gespalten. Letzterer verbrennt in der Brennstoffzelle, dabei wird Strom erzeugt. Der Katalysator sorgt dafür, dass keine schädlichen Stickoxide entstehen. Übrig bleiben Wasser und Stickstoff / © Fraunhofer
