Projekt
Was ist HiPowAR?
Eine direkte und dabei hocheffiziente Umwandlung von Ammoniak in Nutzarbeit bzw. Antriebsenergie ist das Hauptziel des EU-Projekts »HiPowAR« (EU Grant Agreement No. 951880). Dabei wird erstmals der Machbarkeitsnachweis für einen völlig neuartigen Energiewandler erbracht, der auf der Totaloxidation des synthetischen, Kohlenstoff-freien Kraftstoffs NH3 in einem Hochdruck-Membranreaktor beruht.
HiPowAR ist aus dem CAMPFIRE Bündniss entstanden. Deutsche Projektpartner sind das koordinierende Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Technologie, das Fraunhofer IKTS und das Zentrum für BrennstoffzellenTechnik. Daneben sind Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus Schweden, Italien und Tschechien beteilgt.
Die Umsetzung erfolgt analog zur Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) an einer Oxidionen-leitenden Membran, die nur den Luftsauerstoff aus der Umgebungsluft in die Reaktion eintreten lässt. Im Gegensatz zur Brennstoffzelle ist beim HiPowAR-Konzept diese Membran jedoch auch leitfähig für elektronische Ladungsträger, sie wird deshalb als MIEC-Membran (Mixed Ionic Electronic Conductor) bezeichnet. Da es durch die gemischte Leitfähigkeit zum inneren elektrischen Kurzschluss der Festelektrolyt-Membran kommt, ist diese MIEC-Membran für Sauerstoff durchlässig (permeabel für O2). Dieser tritt deshalb bei hoher Temperatur selbsttätig in den Reaktionsraum ein, solange dort durch die O2-verbrauchende Reaktion der O2-Partialdruck niedrig bleibt. Die bei der NH3-Oxidation frei werdende Energie kann wegen des inneren Kurzschlusses allerdings nicht mehr als elektrische Arbeit entnommen werden wie bei einer Brennstoffzelle. Sie führt jedoch im Hochdruck-Membranreaktor zu einer selbsttätigen Verdichtung der Verbrennungsgase auf sehr hohe Drücke und extreme Temperaturen, da der kühlende Luft-Stickstoff fehlt.
Deshalb wird beim HiPowAR-Konzept ähnlich wie beim konventionellen Dampfprozess noch Wasser (flüssig/gasförmig) zugegeben und dadurch die Gastemperatur abgesenkt und in zusätzliches Gasvolumen konvertiert. Im Anschluss werden konventionelle Gasexpander (Dampfmotor, Dampfturbine, Erdgasexpander etc.) zur Umwandlung des komprimierten Produktgasstromes in Expansionsarbeit eingesetzt.
Die ersten Berechnungen zeigen, dass die verfügbare Gasexpansionsarbeit des HiPowAR-Systems einen deutlich höheren Wirkungsgrad als bei den besten Brennstoffzellen ermöglicht. Die elektrischen Verluste der Brennstoffzelle entfallen, ebenso auch typische kostspielige BZ-Komponenten (Stacks, Interkonnektoren, elektrische Verschaltung, Reformer, Nachbrenner etc.) der üblichen Brennstoffzellen. Deshalb wird eine erhebliche Kostensenkung für nachfolgende kommerzielle Systeme erwartet. Dies gilt insbesondere für hohe Leistungen, da die leistungsnormierten Kosten für kommerzielle Gasexpander (z. B. Dampfmotoren und Dampfturbinen) mit steigender Leistung deutlich sinken.
Das HiPowAR-Konzept setzt gleichzeitig auf den Einsatz des Kohlenstoff-freien synthetischen Kraftstoffs Ammoniak (NH3). Dieser ist deutlich einfacher speicherbar als Wasserstoff, er ist aber auch deutlich schwieriger in Nutzarbeit oder Antriebsenergie umzuwandeln. Das liegt vor allem an der geringen Flammenausbreitungsgeschwindigkeit, die eine direkte Verbrennung in konventionellen Turbinen und Motoren einschränkt. Üblicherweise werden deshalb Stützbrennstoffe eingesetzt, auf die beim neuen HiPowAR-Konzept erstmals verzichtet werden kann.
