Innovative Ansätze der elektrochemischen Ammoniaksynthese : detaillierte Technologieanalyse und Entwicklung eines P&ID-Plans für eine experimentelle Versuchsanlage

Abstract

Ammoniak ist eine Schlüsselchemikalie der Industrie mit einer weltweiten Jahresproduktion von über 150 Millionen Tonnen. Die heutige Herstellung erfolgt fast ausschließlich über das energieintensive Haber-Bosch-Verfahren, das maßgeblich zu globalen CO2-Emissionen beiträgt. Vor dem Hintergrund internationaler Klimaziele rückt daher die Entwicklung nachhaltiger Syntheseverfahren in den Fokus.Ein vielversprechender Ansatz ist die elektrochemische Ammoniaksynthese, bei der Stickstoff und Wasser unter milden Bedingungen und mit Elektrizität direkt zu Ammoniak umgesetzt werden. Trotz dieser Vorteile befindet sich die Technologie noch in einem frühen Forschungsstadium und ist mit Herausforderungen hinsichtlich Katalysatoren, Elektrolytsystemen, Prozessstabilität und Effizienz konfrontiert.Im Zuge dieser Arbeit wird die Machbarkeit einer Laboranlage zur elektrochemischen Ammoniaksynthese an der TU Wien untersucht. Dazu werden zunächst bestehende Technologien analysiert, um den aktuellen Forschungsstand sowie relevante Kennzahlen zu erfassen. Anschließend wird ein Rohrleitungs- und Instrumentierungsdiagramm (P&ID) für eine Versuchsanlage entworfen, das alle wesentlichen Komponenten und Messgrößen umfasst. Dieses Anlagenkonzept soll als Grundlage für zukünftige experimentelle Untersuchungen dienen.Die vorliegende Arbeit ist wie folgt aufgebaut:• Die Literaturrecherche hat ergeben, dass für eine Laboranlage am Standort der TU Wien insbesondere zwei Technologien von Relevanz sind: das Flüssigelektrolytsystem sowie das Festkörperelektrolytsystem (PEM). Beide Ansätze wurden aufgegriffen und für die Erstellung der P&ID-Diagramme herangezogen.• Darüber hinaus zeigte die Recherche, dass edelmetallbasierte Katalysatoren derzeit die vielversprechendste Wahl darstellen. Diese Entscheidung ermöglicht eine direkte Anknüpfung an internationale Forschungsaktivitäten, ohne dass komplexe Herstellungsverfahren für den Elektrolyseur erforderlich sind.• Für die genannten Systeme wurden insgesamt drei unterschiedliche P&ID-Diagramme entwickelt. Auf deren Grundlage können drei Varianten von Laboranlagen realisiert werden, die eine breite Untersuchung verschiedener Elektrolyseur- und Katalysatorkonzepte erlauben.

Ammonia is a key industrial chemical with a global annual production of more than 150 million tons. Today, its synthesis is carried out almost exclusively via the energy-intensive Haber-Bosch process, which significantly contributes to global CO2 emissions. In light of international climate goals, the development of sustainable synthesis pathways has therefore become increasingly important.A promising approach is electrochemical ammonia synthesis, in which nitrogen and water are directly converted into ammonia under mild conditions using electricity. Despite these advantages, the technology is still at an early research stage and faces challenges regarding catalysts, electrolyte systems, process stability, and efficiency.In the course of this thesis, the feasibility of establishing a laboratory-scale electrochemical ammonia synthesis plant at TU Wien is investigated. To this end, existing technologies are first analyzed in order to assess the current state of research and identify relevant performance indicators. Subsequently, a piping and instrumentation diagram (P&ID) for an experimental setup is designed, encompassing all essential components and measurement parameters. This plant concept is intended to serve as a basis for future experimental investigations.The structure of this thesis is as follows:• The literature review revealed that two technologies are particularly relevant for a laboratory plant at TU Wien: the liquid electrolyte system and the solid electrolyte system (PEM). Both approaches were considered and incorporated into the development of the P&ID diagrams.• Furthermore, the review indicated that noble metal-based catalysts currently represent the most promising choice. This decision enables direct alignment with international research efforts without the need for complex manufacturing processes for the electrolyzer.• For the aforementioned systems, a total of three different P&ID diagrams were developed. Based on these, three variants of laboratory plants can be realized, allowing for a broad investigation of different electrolyzer and catalyst concepts.