Ammoniak als Wasserstoffträger: Simulation und Optimierung für eine effiziente Energielogistik

Projekt »AmmonVektor«: Ammoniak als Schlüssel für den Wasserstofftransport

Ammoniak wird als ein möglicher Träger für grünen Wasserstoff diskutiert. In diesem Zusammenhang erarbeitet das Fraunhofer ITWM Softwarewerkzeuge für eine modellgestützte Entscheidungsunterstützung hinsichtlich technischer und organisatorischer Fragen. Diese Werkzeuge sollen für Transparenz und Vergleichbarkeit unterschiedlicher Lösungsansätze sorgen.

Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft. Sein Transport über lange Distanzen – unter hohem Druck oder tiefkalt verflüssigt – ist im Vergleich zum Transport von fossilen Brennstoffen jedoch sehr aufwendig. Aktuell fehlen auch geeignete Schiffe. Das Fraunhofer-Leitprojekt »AmmonVektor« sucht nach Lösungen für diese logistischen Herausforderungen – unter anderem mit Know-how von unserem Team des Fraunhofer ITWM. Unsere Forschenden entwickeln Modelle für eine sichere und effiziente Wasserstofflogistik auf Basis von Ammoniak. In seiner flüssigen Form lässt er sich nämlich technisch einfach und mit geringem Energieaufwand transportieren.

Im Gegensatz zu Wasserstoff existiert durch die Düngemittelproduktion für Ammoniak bereits eine weltweite Transportinfrastruktur. Am Ziel angekommen, kann aus dem transportierten Ammoniak mithilfe geeigneter Spaltreaktoren Wasserstoff zurückgewonnen werden. Darum spricht man hier von Ammoniak als »Energie-Vektor«. Er kann aber auch direkt verwertet werden.

Die ganze Wertschöpfungskette im Blick: Wasserstoff dezentral verfügbar

Die Forschenden des Projektkonsortiums betrachten während der dreijährigen Projektlaufzeit die gesamte Wertschöpfungskette für Strom, Wärme und Wasserstoff: Sie entwickeln neue Verfahren für eine flexible und energieeffiziente Ammoniaksynthese sowie Technologien zur Spaltung von Ammoniak, bei der Wasserstoff zurückgewonnen werden kann. Auch die direkte Nutzung von Ammoniak zum Erzeugen von Strom und Wärme ist Gegenstand der Forschung. Ergänzend arbeiten die Projektpartner an Speicher- und Logistikkonzepten sowie an tragfähigen Geschäftsmodellen – mit dem Ziel, Wasserstoff künftig mithilfe von Ammoniak dezentral und bedarfsgerecht bereitzustellen.

Das Projekt »AmmonVektor« gliedert sich dabei in fünf Teilprojekte:

  • Dezentrale, flexible Ammoniaksynthese
  • Transport, Speicherung und Sicherheit
  • Dezentrale Wasserstoffrückgewinnung (Ammoniakcracken)
  • Direkte Ammoniaknutzung
  • Gestaltung nachhaltiger und resilienter Wertschöpfungsketten

Logistik effizient planen: Simulationen für den sicheren Ammoniak-Transport

Unsere Forschenden aus den Bereichen »Optimierung« sowie »Prozesse und Materialien« bringen ihre Expertise in die Teilprojekte »Transport, Speicherung und Sicherheit« sowie »Gestaltung nachhaltiger und resilienter Wertschöpfungsketten« ein. Unser Fokus liegt dabei zunächst im Entwickeln eines Modells zur Simulation und Bewertung verschiedener Anwendungsszenarien für Ammoniak in einer zukünftigen Wasserstoffwirtschaft.

Dafür entsteht ein Software-Demonstrator, mit dem sich das Zusammenspiel von Produktion, Transport und Nutzung von Wasserstoff und Ammoniak in unterschiedlichen Konstellationen abbilden lässt. Aufbauend auf diesen Simulationen sammeln wir gemeinsam mit den Projektpartnern praxisnahe Daten – mit dem Ziel, die Wasserstofflieferkette systematisch zu analysieren und gezielt zu optimieren.

Wasserstofflieferkette mit Ammoniak als Transportderivat im Projekt »AmmonVektor«
© Fraunhofer ITWM
Wasserstofflieferkette mit Ammoniak als Transportderivat im Projekt »AmmonVektor«

Spaltreaktor im Digitalen Zwilling: Modellierung, Optimierung, Auslegung

Im Teilprojekt »Nachhaltige und resiliente Wertschöpfungsketten« entwickeln wir ein gleichungsbasiertes Modell eines Spaltreaktors, um den Prozess der Wasserstoffrückgewinnung aus Ammoniak präzise abzubilden. Ziel ist es, das Simulationsmodell mithilfe experimentell erhobener Messdaten zu kalibrieren. So entsteht ein virtueller Reaktor, der eine optimierte Betriebsführung des Spaltprozesses ermöglicht. Dabei kommen Methoden der Mehrzieloptimierung zum Einsatz, um gezielt Kompromisse zwischen gegenläufigen Anforderungen – etwa maximaler Wasserstoffausbeute bei minimalen Treibhausgasemissionen – zu identifizieren. Zusätzlich analysieren wir, wie sich Unsicherheiten in den Modellparametern auf die Ergebnisse der Simulation und Optimierung auswirken.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der strömungsdynamischen Auslegung des Reaktors: Wir optimieren das Design der Strömungskomponenten gezielt mit Blick auf den Wärmeaustausch zwischen den chemischen Reaktionen im Inneren. Ziel ist ein stabiler und effizienter Betrieb, für maximale chemische Ausnutzung des Spaltreaktors.

Im Projektkonsortium arbeiten folgende Fraunhofer-Institute:

  • Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
  • Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT 
  • Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
  • Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
  • Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML 
  • Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
  • Fraunhofer-Zentrum für Internationales Management und Wissensökonomie IMW
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM 

Projektförderung und -laufzeit 

Das Fraunhofer-Leitprojekt »AmmonVektor« wird aus Mitteln der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert. Es startete im Januar 2024 und läuft bis Dezember 2026.