Ammonia-to-Power Energie aus ammoniumhaltigen Abfallströmen mittels Vakuum-Membrandestillation und Ammoniak-Brennstoffzelle

Ziel des Entwicklungsprojekts „Ammonia-to-Power“ ist ein energieeffizientes und nachhaltiges Verfahren zur Rückgewinnung des Ammoniaks aus flüssigen Reststoffströmen und energetischen Verwertung in einer Brennstoffzelle zu entwickeln.
Dies erfolgte durch die Anpassung und Weiterentwicklung des Membrandestillations (MD)-Verfahren und des Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) System an die chemischen, physikalischen und prozesstechnischen Besonderheiten des Ammoniaks.

Durch die Technologiekombination „Membrandestillation & Ammoniak SOFC-Brennstoffzelle“ wird aus flüssigen Reststoffströmen über den Zwischenschritt der Ammoniakabtrennung elektrische Energie erzeugt.
Mit dem Projekt „Ammonia-to-Power“ wird ungenutztes Niedertemperaturabwärme über die Nutzung von Ammoniak in hochwertigen Strom und Hochtemperaturwärme umgewandelt. Mit dem Projekt wird der Grundstein für eine energieeffiziente, wirtschaftliche, industrielle Anwendung zur Rückgewinnung und energetischen Verwertung von Ammoniak aus flüssigen Abfallprodukten gelegt.
Mit einer speziellen Vakuum-Membrandestillationstechnik steht erstmals eine Technologie zu Verfügung, um aus flüssigen Abfallprodukten Ammoniak als Gas nutzbar zu machen. Die Gasform ist Grundvoraussetzung für eine energetische Verwertung des Ammoniaks in einer Brennstoffzelle.
Der Einsatz von Ammoniak in einer SOFC war bisher nur in sehr geringem Umfang untersucht wurden. In Bezug auf SOFC-Degradation gab es beim Betrieb mit Ammoniak noch überhaupt keine belastbaren Ergebnisse. Zudem gab es noch keine Erkenntnisse über die notwendige Reinheit des Brennstoffs für einen prozesssicheren Betrieb von SOFCs. Die Systemarchitektur der SOFC (Wärmeauskopplung für MD, Ammoniak-Vorreformer, Ammoniak Förderung bzw. Speicherung, Anodengasrezirkulation, Materialverträglichkeit) musste für den Ammoniakbetrieb von Grund auf neu entwickelt werden, ebenso die notwendigen Betriebsprozeduren (Thermomanagement, Regeltechnik).
Das Membrandestillationverfahren ist ein thermisch betriebener Trennprozess. Die Projektidee „Ammonia-to-Power” sah vor mittels der Technologiekombination „Membrandestillation & Ammoniak-Brennstoffzelle“ Niedertemperaturabwärme zu verwenden um Ammoniak für die Erzeugung von elektrischer Energie zu nutzen.
D.h. Abwärme wird als thermische Energiequelle herangezogen um mittels Vakuum-Membrandestillation-Verfahren aus stickstoffhaltigen Reststoffströmen Ammoniak als Gas abzutrennen. Das Ammoniakgas dient als Brennstoff für die SOFC-Brennstoffzelle zur elektrischen Energieerzeugung. Die Abwärme der Brennstoffzelle wiederum dient als thermische Antriebsenergie für die Vakuum-Membrandestillation-Verfahren.

Ausgangssituation

In verschiedenen Bereichen der Industrie, der kommunalen Abwasserbehandlung und der Landwirtschaft fallen flüssige stark Ammonium-haltige Reststoffe in Form von kommunalen und industriellen Abwässern, Schlämmen, Gülle sowie Gärresten beispielsweise aus der Landwirtschaft, Biogasanlagen, Bioethanolproduktion an, welche von dem Betreiber entsorgt oder weiterverarbeitet bzw. -verwendet werden müssen. In diesen Reststoffen sind große Mengen von Ammonium (in Form von Stickstoffsalzen) gebunden.
Da der Eintrag großer Mengen von Ammonium im Abwasser schädliche Auswirkungen auf die Umwelt hat, wir dieser beispielsweise in Kläranlagen durch spezielle Reinigungsschritte reduziert. Aufgrund fehlender Rückgewinnungstechnologien geht auch die zugehörige Base Ammoniak (NH3) und der darin gebundene Wasserstoff als wertvoller Energieträger verloren.
Mit dem Projekt „Ammonia-to-Power” wurde erstmals der Grundstein für eine energieeffiziente, wirtschaftliche und industrielle Anwendung zur Rückgewinnung und energetischen Verwertung von Ammoniak aus flüssigen Abfallprodukten gelegt.