Ammoniak zu Wasserstoff: Wie Südkorea eine sauberere Brennstoffversorgung aufbaut

Warum südkoreanische Forschende auf Ammoniak setzen, um sauberen Wasserstoff zu erschließen

Südkoreanische Wissenschaftler haben ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich Wasserstoff ohne Verbrennung fossiler Brennstoffe herstellen lässt: Ammoniak wird bei hohen Temperaturen in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt. Am Korea Institute of Energy Research berichten Ingenieure von einem Reaktor, der bei etwa 1.112 Grad Fahrenheit (rund 600 °C) arbeitet und Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,97 Prozent liefert. Damit eignet er sich für Brennstoffzellen, die Fahrzeuge oder Gebäude mit Energie versorgen können. Das Projekt soll die Kohlendioxidemissionen entlang der Wasserstofflieferkette senken und zugleich auf Materialien und Verfahren setzen, die sich skalieren lassen.

Wasserstoff wird bereits in Zügen, Flugzeugen bei Testflügen, Autos, Bussen und Schiffen eingesetzt. Der meiste Wasserstoff wird heute jedoch aus Erdgas durch Dampfreformierung von Methan hergestellt, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird. Saubere Herstellungsverfahren gewinnen an Bedeutung, darunter die Elektrolyse von Wasser mit Wind- und Solarstrom. Eine weitere Herausforderung ist der Transport von Wasserstoff. Das Gas hat eine sehr geringe Dichte und muss daher komprimiert oder bei extrem niedrigen Temperaturen verflüssigt werden, um über weite Strecken transportiert zu werden. Ammoniak, eine geläufige Chemikalie für Düngemittel, bietet eine Alternative. Unter moderaten Bedingungen ist es flüssig und bindet Wasserstoff in seinen Molekülen. Lässt sich Ammoniak am Zielort zu sauberem Wasserstoff und Stickstoff spalten, wird es zu einer praktischen Verbindung zwischen Regionen mit reichlich erneuerbarer Energie und solchen mit hohem Bedarf.

Im KIER-Reaktor: Ammoniak in Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität umwandeln

Das Spalten von Ammoniak ist chemisch einfach. Ammoniakmoleküle, NH3, zerfallen beim Erhitzen in Gegenwart eines Katalysators in Wasserstoff und Stickstoff. Bei der ausgeglichenen Reaktion entstehen aus zwei Ammoniakmolekülen ein Stickstoffmolekül und drei Wasserstoffmoleküle. Ruthenium, ein Edelmetall aus der Gruppe der Platinmetalle, wird häufig als Katalysator eingesetzt, da es bei Temperaturen um 600 °C gute Ergebnisse erzielt. Der KIER-Aufbau nutzt diesen katalytischen Prozess und reinigt anschließend den Gasstrom, um Wasserstoff in Brennstoffzellenqualität zu erhalten.

Beim Verlassen des Spaltreaktors ist der Wasserstoff mit Stickstoff und Spuren nicht umgesetzten Ammoniaks vermischt. Die Druckwechseladsorption, ein gängiger Reinigungsschritt in Raffinerien, trennt die Gase. Betten aus porösen Materialien binden unter Druck Verunreinigungen und geben hochreinen Wasserstoff wieder ab, wenn der Druck gesenkt wird. Mehrere Betten wechseln sich bei Adsorption und Regeneration ab und gewährleisten so eine kontinuierliche Produktion. KIER beschreibt einen Reaktor in einem quadratischen Metallrahmen mit Rohren, Schläuchen, Messgeräten und Zylindern sowie eine Steuerung, die einen Teil der Prozessgase zurückführt, um hohe Temperaturen ohne den Betrieb eines Kohlenwasserstoffbrenners aufrechtzuerhalten. So wird am Ort der Umwandlung kein Kohlendioxid direkt freigesetzt.

Warum Ammoniak ein leistungsfähiger Wasserstoffträger ist

Wasserstoff lässt sich nur schwer speichern und transportieren. Flüssigwasserstoff erfordert kryogene Tanks bei etwa minus 253 °C. Verdampfungsverluste müssen kontrolliert werden, und der Transport ist kapitalintensiv. Ammoniak wird bei etwa minus 33 °C oder unter mäßigem Druck flüssig. Die Chemieindustrie transportiert es bereits in großen Mengen rund um die Welt. Für die Energieversorgung bedeutet das: Erzeuger können Ammoniak dort herstellen, wo erneuerbare Energie günstig ist, es per Schiff transportieren und in der Nähe der Endverbraucher spalten.

Industrieversuche in Südkorea stärken das Vertrauen in dieses Modell. Syzygy Plasmonics und Lotte Chemical haben in Ulsan ein vollständig elektrisch betriebenes Ammoniak-Spaltsystem getestet. Die Anlage erreichte einen energetischen Wirkungsgrad von 81 Prozent, einen Umsetzungsgrad von 99 Prozent und produzierte rund 290 Kilogramm Wasserstoff pro Tag. Der Energieverbrauch lag den Angaben zufolge bei etwa 11 Kilowattstunden pro Kilogramm Wasserstoff; die Anlagenkonzepte zielen auf 8 kWh pro Kilogramm. Die Partner planen eine kleine kommerzielle Anlage, die den lokalen Bedarf decken soll. Ergebnisse wie diese weisen auf einen Importweg hin, der Korea, Japan und andere energiehungrige Regionen versorgen könnte.

Vom Labor auf Straßen und Schiffe: Wie sich der Verkehr verändern könnte

Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen sehr reinen Wasserstoff, da Katalysatoren in Polymerelektrolytmembran-Stapeln empfindlich auf Verunreinigungen reagieren. Die von KIER angegebene Reinheit von 99,97 Prozent entspricht diesen Anforderungen. Ein wahrscheinlicher Weg zur Einführung sind regionale Zentren, die Ammoniak entgegennehmen, vor Ort spalten und gereinigten Wasserstoff an Tankstellen verteilen. Werften, Häfen und Logistikparks bieten sich als Standorte für erste Anlagen an, da dort bereits Gefahrstoffe und große Energiemengen umgeschlagen werden.

Motoren, die direkt mit Ammoniak betrieben werden

Ingenieure in Korea untersuchen auch den direkten Einsatz von Ammoniak als Kraftstoff. Eine Koalition unter Leitung des Korea Institute of Machinery and Materials stellte gemeinsam mit Hyundai Motor und Kia einen Hochdruckmotor vor, der reines Ammoniak direkt in den Brennraum einspritzt. Das Team verbesserte Stabilität und Leistung, indem es eine mehrstufige Kraftstoffeinspritzung mit variabler Ventilsteuerung und einem verstärkten Zündsystem synchronisierte. Eine eigene Abgasnachbehandlung senkt Stickoxide und unverbranntes Ammoniak, um die Luftqualität zu schützen. Durch das Konzept entfällt ein gasförmiger Ammoniak-Reformer, was manche Anwendungen vereinfacht. Vorgesehen ist der Motor für den Schiffsantrieb, die netzunabhängige Stromversorgung und schwere Nutzfahrzeuge; Pläne für einen Einsatz ab 2027 werden derzeit geprüft.

Aufbau der Lieferkette: Schiffe, Tanks und Fabriken

Der Wasserstoffhandel in großem Maßstab wird auf Spezialschiffe und Lageranlagen angewiesen sein. HD Korea Shipbuilding and Offshore Engineering erhielt vom American Bureau of Shipping die grundsätzliche Genehmigung für einen Wasserstofftank, der mit Vakuumisolierung Temperaturen um minus 253 °C aufrechterhält. Das Unternehmen und seine Partner prüfen den Bau eines Flüssigwasserstofftankers mit einem Fassungsvermögen von 80.000 Kubikmetern. Die Fortschritte bei Tanks für Flüssigwasserstoff ergänzen die bestehende Flotte von Ammoniaktransportern, die parallel Energielieferungen übernehmen können.

Auch die Fertigungskapazitäten an Land werden ausgebaut. Hyundai Motor hat in Ulsan mit dem Bau einer neuen Anlage für Brennstoffzellen der nächsten Generation und Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseure begonnen. Das Projekt umfasst Investitionen von mehr als 644 Millionen Dollar. Die Fertigstellung ist für 2027 geplant; die Anlage soll jährlich rund 30.000 Brennstoffzellen produzieren. Ziel ist es, Leistung und Kosten zu verbessern und zentrale Technologien für die Wasserstoffproduktion in Korea anzusiedeln.

Was Branchenführer sagen

Führungskräfte von HD KSOE betrachten den Meilenstein beim Tank als Teil eines umfassenderen Vorhabens, den Energietransport klimafreundlicher zu machen.

Wir werden die Zusammenarbeit mit führenden Unternehmen weltweit fortsetzen, um die Energiewende voranzutreiben und Netto-Null-Ziele zu erreichen.

Die Kombination aus neuen Tanks, Motoren und der Fertigung von Brennstoffzellen deutet auf ein koordiniertes Bemühen hin, aus Pilotprojekten vollständige Lieferketten zu entwickeln.

Die Erzeugung sauberen Wasserstoffs wird in Korea vielfältiger

Koreanische Labore entwickeln mehrere Wege zur sauberen Wasserstoffproduktion. Das Korea Institute of Machinery and Materials entwickelte ein 20-Kilowatt-Festoxidelektrolysesystem, das über mehr als 3.000 Stunden effizient Wasserstoff produzierte. Die Festoxidelektrolyse arbeitet bei hohen Temperaturen und kann dadurch Wärme aus Industrieprozessen nutzen, um den Stromverbrauch zu senken. Das Verfahren lässt sich gut mit Stahlwerken und Chemieanlagen kombinieren.

Andere Teams verfolgen ergänzende chemische Verfahren. Wissenschaftler von KIER stellten einen Katalysator vor, der Kohlendioxid in Kohlenmonoxid umwandelt, einen wichtigen Ausgangsstoff für synthetische Kraftstoffe. Wissenschaftliche Gruppen haben Verfahren zur Herstellung von grünem Ammoniak bei Raumtemperatur mithilfe elektrochemischer Zellen demonstriert. Länder wie Japan und Korea haben Interesse an Importen von grünem Ammoniak aus Wind- und Solarprojekten signalisiert, da sich das Molekül leichter lagern und transportieren lässt als Wasserstoff.

Ammoniak muss sauber sein, damit es dem Klima nützt

Es gibt einen wichtigen Vorbehalt: Ammoniak, das aus fossilem Wasserstoff hergestellt wird, hat einen großen CO₂-Fußabdruck. Wird dieses Ammoniak am Zielort gespalten, werden die vorgelagerten Emissionen dadurch nicht beseitigt. Analysten warnen zudem, dass die Mitverbrennung von Ammoniak oder Wasserstoff in Kohle- oder Gaskraftwerken nur geringe Vorteile für das Klima bringt, wenn der gesamte Energie- und Logistikaufwand berücksichtigt wird. Die aussichtsreichsten frühen Einsatzbereiche für Wasserstoff sind schwer zu elektrifizierende Sektoren wie die Stahl- und Chemieindustrie, die Seeschifffahrt und die saisonale Energiespeicherung. Koreanische Planer wägen diese Zielkonflikte bei der Festlegung von Vorgaben und Standards ab.

Risiken, Wirkungsgrade und die nächsten wichtigen Entwicklungen

Der Energieverbrauch ist eine zentrale Kennzahl. Beim Spaltreaktor-Versuch in Ulsan wurden rund 11 Kilowattstunden pro Kilogramm Wasserstoff gemessen; die Anlagenkonzepte zielen auf 8 kWh pro Kilogramm. Der niedrigere Wert würde die Kosten senken. Zum Vergleich: Der untere Heizwert von Wasserstoff liegt bei etwa 33 Kilowattstunden pro Kilogramm. Verbesserungen bei Katalysatoren, Wärmenutzung und elektrischer Beheizung können den Energieaufwand für das Spalten verringern.

Sicherheit und Emissionen erfordern eine sorgfältige Auslegung. Ammoniak ist giftig und hat einen stechenden Geruch. Deshalb benötigen Betreiber Überwachungssysteme, Belüftung und Notfallpläne. Beim Einsatz in Motoren ist eine Abgasnachbehandlung erforderlich, um Stickoxide zu kontrollieren. Betreiber werden die Haltbarkeit von Katalysatoren und Membranen sowie die Wartungsintervalle für Kompressoren und Pumpen im Blick behalten. Unternehmen entwickeln Spaltsysteme, die vollständig mit Strom betrieben werden und sich dadurch leichter mit Wind- und Solarenergie versorgen lassen. KIER untersucht außerdem Wasserstoff-Brennstoffzellen für Gebäude. Das deutet darauf hin, dass sich Anwendungen im Verkehr und in der stationären Energieversorgung gemeinsam entwickeln könnten.

Die wichtigsten Punkte

• KIER hat ein Ammoniak-Spaltverfahren bei etwa 600 °C vorgestellt, das Wasserstoff mit einer Reinheit von 99,97 Prozent liefert, ohne am Ort der Umwandlung fossile Brennstoffe zu verbrennen.
• Das Verfahren nutzt einen Rutheniumkatalysator und Druckwechseladsorption, um Wasserstoff für Brennstoffzellen zu reinigen.
• Syzygy und Lotte testeten in Ulsan einen vollständig elektrisch betriebenen Spaltreaktor mit 81 Prozent Wirkungsgrad, 99 Prozent Umsetzungsgrad, einer Produktion von rund 290 Kilogramm pro Tag und einem Energieverbrauch von etwa 11 kWh pro Kilogramm; die Anlagenkonzepte zielen auf 8.
• Ammoniak ist ein praktischer Wasserstoffträger, da es sich unter moderaten Bedingungen verflüssigen lässt und eine etablierte globale Transportinfrastruktur besteht.
• KIMM, Hyundai und Kia stellten einen Hochdruckmotor vor, der mit reinem Ammoniak betrieben wird und die Emissionen durch Abgasnachbehandlung senkt. Er ist für Schiffe, netzunabhängige Anwendungen und schwere Nutzfahrzeuge vorgesehen; der Einsatz soll ab 2027 erfolgen.
• HD KSOE erhielt die grundsätzliche Genehmigung für einen großen Flüssigwasserstofftank und prüft das Konzept eines Tankers mit 80.000 Kubikmetern Fassungsvermögen.
• Hyundai baut in Ulsan ein Werk im Wert von 644 Millionen Dollar für Brennstoffzellen und Polymerelektrolytmembran-Elektrolyseure. Bis 2027 sollen dort jährlich 30.000 Brennstoffzellen produziert werden.
• Korea entwickelt auch die Festoxidelektrolyse für grünen Wasserstoff sowie Katalysatoren, die Kohlendioxid in Ausgangsstoffe für saubere Kraftstoffe umwandeln.
• Analysten warnen, dass die Mitverbrennung von Wasserstoff oder Ammoniak in Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen nur begrenzte Klimavorteile bietet, sobald der Energieaufwand der Lieferkette berücksichtigt wird. Vorrangige Einsatzbereiche sind daher Stahl, Chemie, Schifffahrt und saisonale Speicherung.
• Wichtige Beobachtungspunkte sind der Energieverbrauch beim Spalten pro Kilogramm, die Kontrolle von Stickoxiden, Sicherheitsmaßnahmen beim Umgang mit Ammoniak, die Herkunft von grünem Ammoniak und Demonstrationsanlagen im großen Maßstab.