PICASO – Neuartiger Power-to-Ammonia-Prozess für die nachhaltige Ammoniaksynthese

Im Projekt »PICASO« (Process Intensification & Advanced Catalysis for Ammonia Sustainable Optimized Process) arbeitet das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern an einem neuartigen Power-to-Ammonia (PtA)-Prozess für die nachhaltige Ammoniaksynthese. Das Verfahren könnte die CO₂-Emissionen im Vergleich zum konventionellen Haber-Bosch-Prozess um 95 Prozent senken.

Das Hauptziel von PICASO ist die Entwicklung einer integrierten Reaktortechnologie und dynamischer Betriebsstrategien für einen flexiblen Ammoniaksyntheseprozess auf Basis von erneuerbarem, grünem Wasserstoff, die auch für die Implementierung in abgelegenen Regionen geeignet sind. In einem Folgeprojekt soll die Hochskalierung des integrierten Reaktors auf Demonstrationsniveau und dessen Erprobung in einer Pilotanlage am Standort des assoziierter Partners AIST (FREA) in Fukushima erfolgen. Neben der technischen Demonstration wollen die Partner auch nachweisen, dass der neuartige, flexible PtA-Prozess wirtschaftlich mit konventionellen Verfahren, die auf fossilen Rohstoffen basieren, wettbewerbsfähig ist.

Im Erfolgsfall wird der PICASO-Ansatz eine disruptive Technologie sein, die einen konventionellen fossilen Prozess ersetzt und damit den CO₂-Ausstoß um bis zu 95 Prozent reduziert. Eine simulative Analyse des PICASO-Prozesses hat außerdem ein Energieeinsparungspotenzial von 50 Prozent gegenüber dem konventionellen Haber-Bosch-Prozess ergeben.

Die Forschungsgruppe »Power-to-Liquids« des Fraunhofer ISE und die Universität Ulm untersuchen die Reaktion und die integrierte Abtrennung von Ammoniak, die in einem Reaktor mit In-situ-Sorption ablaufen. So kann der Betriebsdruck minimiert und die Rückführung von nicht umgesetztem Einsatzgas vermieden werden. Diese integrierte Reaktortechnologie ermöglicht den Betrieb mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen. Für das Projekt hat der japanische Partner FREA-AIST einen neuartigen Ruthenium-Katalysator entwickelt, der die Synthese bei deutlich milderen Prozessbedingungen mit Temperaturen unter 400°C sowie Drücken unter 80 bar ermöglicht. Der Katalysator wurde mit einem japanischen Industriepartner kommerzialisiert, weshalb eine einfache Übertragung des Katalysators in größere Produktionsskalen möglich ist.

Bei der Untersuchung der Reaktion zur Bildung von Ammoniak mit einem Ruthenium-Katalysator steht u. a. die Entwicklung detaillierter reaktionstechnischer Modelle im Vordergrund. Außerdem werden geeignete Materialien zur selektiven Abtrennung von Ammoniak untersucht und entwickelt. Das innovative integrierte Reaktorkonzept wird dann experimentell im industriell relevanten Maßstab untersucht. Dabei werden dynamische Untersuchungen durchgeführt, die alle Prozessschritte abdecken: Reaktion, Adsorption und Desorption mit dem Ziel, dynamische Betriebsstrategien zu entwickeln. Die Übertragung der am Fraunhofer ISE entwickelten Technologie in Prozesssimulationen ermöglicht, Kosten-und Ressourceneinsparungen mittels techno-ökonomischen und Life-Cycle-Assessment-Methoden zu quantifizieren.