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Ammoniak ist eine der wichtigsten Chemikalien, aber seine Herstellung ist ein energieintensiver Prozess, der für etwa 1-2 % der gesamten CO2-Emissionen weltweit verantwortlich ist. Ammoniak ist auch ein potenziell hervorragender Energieträger mit hohem Wasserstoffgehalt, hoher Energiedichte und - im Gegensatz zu H2 - einfacher Verflüssigung für die Lagerung. Das Hauptziel des TELEGRAM-Projekts besteht darin, im Labormaßstab einen vollständigen grünen, kohlenstoffneutralen Ammoniak-Energiekreislauf zu demonstrieren, der auf elektrochemischen Prozessen basiert und die Verwendung von Ammoniak als grünem Brennstoff ermöglicht.
Diese Herausforderung wird von den Partnern unter der Koordination des Instituts für Mikroelektronik und Mikrosysteme (IMM) des Italienischen Nationalen Forschungsrats (CNR) angegangen, wobei die Expertise des Forschungszentrums Jülich, Deutschland, des Kompetenzzentrums Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik Berlin (PVcomB) am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), Deutschland, und der Universität Uppsala, Schweden, zusammengeführt wird.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Entwicklung von zwei Schlüsseltechnologien erforderlich. Die erste ist die elektrochemische Ammoniaksynthese. Diese wird durch den Einsatz eines mehrstufigen Membranreaktors entwickelt, der ausgehend von Luft, Wasser und erneuerbaren Quellen (Sonnenlicht oder Wind) Ammoniak bei einer Temperatur von weniger als 100 °C erzeugt. Neuartige Energiematerialien wie Legierungen mit hoher Entropie und nanostrukturierte Katalysatoren werden untersucht und in den Reaktor eingebaut. Ziel ist es, Leistungswerte zu erreichen, die das Verfahren für die industrielle Nutzung geeignet machen, d. h. einen Wirkungsgrad von über 50 % und eine Produktionsrate von mindestens 0,1 µmol/s/cm2.
Die zweite Technologie ist die direkte Ammoniak-Brennstoffzelle (DAFC). Für die DAFC sind Platingruppenmetalle (PGM) die beste Katalysatorwahl. Es werden spezifische Lösungen entwickelt, um die PGM zu minimieren oder zu eliminieren und eine Leistungsdichte von mindestens 100 mW/cm2 und einen Wirkungsgrad von mehr als 25 % bei einer PGM-Beladung von weniger als 0,05 mg/cm2 zu erreichen, wobei die Temperatur unter 100 °C liegt.
Der entwickelte Ammoniakreaktor, der mit erneuerbaren Energien betrieben wird, und die DAFC werden miteinander gekoppelt, um den vollständigen Ammoniak-Energiekreislauf im Labormaßstab zu demonstrieren. Ziel ist es, 95 % des kombinierten Wirkungsgrads von Ammoniakerzeugung und Brennstoffzelle zu erreichen.
Dieses Ergebnis wird dazu beitragen, eine europäische Innovationsbasis für die beiden Schlüsseltechnologien und für neuartige Katalysatoren zu schaffen und ein nachhaltiges System für erneuerbare Energien aufzubauen.
Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union im Rahmen des Programms Horizont 2020 für Forschung und Innovation unter der Finanzhilfevereinbarung Nr. 101006941 finanziert.
Das Projekt begann am 1. November 2020 und hat eine Laufzeit von 42 Monaten.
Projektkoordinator:
Stefania Privitera (IMM-CNR)
Projektpartner:
Institute for Microelectronics and Microsystems (IMM) at the Italian National Research Council (CNR);
https://www.imm.cnr.it/
Competence Centre Thin Film and Nanotechnology for Photovoltaics Berlin (PVcomB) at the Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (HZB), Germany;
https://www.helmholtz-berlin.de/projects/pvcomb/index_en.html
Uppsala University, Sweden
https://www.uu.se/
Forschungszentrum Juelich, Germany;