Ammoniak-Molekül in grün

Grünes Ammoniak könnte in der künftigen klimaneutralen Wirtschaft eine wichtige Rolle spielen. Bild: Zerbor - Adobe Stock

| von Armin Scheuermann

Was ist grünes Ammoniak

Ammoniak ist bei Raumtemperatur ein farbloses Gas. Die chemische Verbindung besteht aus Stickstoff und Wasserstoff mit der Summenformel NH3. Grünes Ammoniak bezeichnet den Herstellprozess: Im Gegensatz zu konventionell aus fossilen Energieträgern erzeugtem Ammoniak basiert grünes Ammoniak auf erneuerbaren Energien.

Weil grünes Ammoniak sowohl als Grundchemikalie, als Brennstoff und auch als vergleichsweise leicht zu transportierender Wasserstoff-Speicher eingesetzt werden kann, kommt dem giftigen Gas eine wichtige Rolle in der globalen Energietransformation zu.

Wofür wird Ammoniak eingesetzt?

Ammoniak ist weltweit die zweithäufigste Grundchemikalie, 80 % des chemisch produzierten Ammoniaks (2017: 150 Mio. Tonnen) wird zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Bei der konventionellen Produktion entstehen große Mengen des Treibhausgases CO2. Schätzungen zufolge ist die Produktion von Ammoniak für 1,4 bis 3 % der globalen Emissionen des Klimagases verantwortlich.

Wo wird (grünes) Ammoniak eingesetzt?

Containerschiff
Grüner Ammoniak könnte künftig als sauberer Schiffstreibstoff eine wichtige Rolle spielen. Bild: Anyka Fotolia

Weil Ammoniak brennbar ist und auch in Brennstoffzellen direkt zu Strom umgesetzt werden kann, eignet sich die Chemikalie auch als Energieträger: Grünes Ammoniak könnte künftig als Schiffstreibstoff klimaschädliches Bunkeröl ersetzen. Ammoniak verbrennt zu Stickstoff und Wasser und ist selbst kein Klimagas. Deshalb ist aus grünem Wasserstoff synthetisiertes Ammoniak klimaneutral. Schätzungen zufolge könnte der Bedarf an Ammoniak als sauberem Schiffstreibstoff die heutige konventionelle NH3-Produktion um das Sechsfache übersteigen, falls die Antriebe weltweit umgestellt werden würden.

Welche Eigenschaften hat Ammoniak?

Ammoniak riecht stechend, ist farblos und giftig und in Wasser löslich (531 g/l). Der Siedepunkt liegt mit -33 °C deutlich höher als der von Wasserstoff (-253 °C). Der Dampfdruck beträgt bei 20 °C 8,6 bar. Deshalb lässt sich das Gas vergleichsweise einfach verflüssigen, transportieren und lagern.

Warum grünes Ammoniak und nicht Wasserstoff?

Grünes Ammoniak wird per katalytischer Synthese aus abgetrenntem Luftstickstoff und grünem Wasserstoff hergestellt. Bei der Elektrolyse von Wasserstoff aus Wind- oder Solarstrom beträgt der Wirkungsgrad je nach Verfahren 70 bis 90 %. Die Umsetzung zu Ammoniak bedeutet weitere Verluste; der Gesamtwirkungsgrad bis zur Rückverstromung – beispielsweise in einem Dampfkraftwerk, liegt bei lediglich 55 bis 60 %. D.h. eigentlich wäre es deutlich günstiger, erneuerbare Energien direkt zu verwenden, oder nur in Form von Wasserstoff zu speichern.

Allerdings sprechen die einfachere Handhabung, der Transport und die Speicherung der Energie in Form von Ammoniak für diesen Weg: Ammoniak lässt sich einfach per Schiff oder Pipeline transportieren und aufgrund seiner geringen Entflammbarkeit ist die Explosionsgefahr niedriger als bei Wasserstoff. Da Ammoniak bei 20 °C einen Dampfdruck von lediglich 8,6 bar hat und bereits bei -33 °C verflüssigt werden kann, sind die Anforderungen an Lagertanks deutlich geringer als bei Wasserstoff. Gleichzeitig ist die Energiedichte von Ammoniak bei Umgebungstemperatur deutlich höher als die von Wasserstoffgas bei denselben Bedingungen. Allerdings ist die Energiedichte lediglich halb so hoch (6,25 kWh/kg) wie die von Benzin (12,7 kWh/kg). Dennoch ist grünes Ammoniak als Schiffstreibstoff deutlich einfacher zu handhaben, als Wasserstoff.

Wie wird grünes Ammoniak hergestellt?

Alkalielektrolyse ist ein wichtiges Verfahren, um grünen Strom zu grünem Wasserstoff umzusetzen. Bild: Thyssenkrupp
Alkalielektrolyse ist ein wichtiges Verfahren, um grünen Strom zu grünem Wasserstoff umzusetzen. Bild: Thyssenkrupp

Die Produktion von grünem Ammoniak beruht auf zwei Schritten: Zunächst wird Strom aus Wind-, Solarenergie oder Wasserkraft zur Elektrolyse von Wasser genutzt. Der entstehende Wasserstoff wird anschließend katalytisch mit Luftstickstoff zu Ammoniak umgesetzt.

Für die Elektrolyse sind seit vielen Jahren Alkalielektrolyseanlagen, wie sie auch zur Chlorproduktion verwendet werden, im Einsatz. Ein weiteres Verfahren beruht auf sogenannten Protonenaustauschmembranen. Der zur Synthese von Ammoniak notwendige Stickstoff wird durch Druckwechsel-Absorption (ASU) aus der Luft gewonnen.

In der Innovationsinitiative „Campfire“ wird die dezentrale Herstellung von grünem Ammoniak aus erneuerbaren Energien untersucht. Im Unterschied zur klassischen Alkalielektrolyse oder der Wasserelektrolyse an Protonenaustauschmembranen sind hier keramische Dünnschichtmembranen ein zentraler Baustein. Diese sollen eine hohe Effizienz und Lebensdauer erreichen, wodurch deie Produktionsprozesse wirtschaftlicher werden.

Eine der größten Anlagen für grünen Wasserstoff soll bis 2025 im Nordwesten von Saudi-Arabien entstehen (Helios Green Fuels Project). Mit einem 20 MW großen Elektrolysemodul sollen täglich auf Basis von 4 GW Solar- und Windenergie 650 Tonnen Wasserstoff produziert und zu 3.000 Tonnen Ammoniak umgesetzt werden. Die Elektrolyseanlage wird von Thyssenkrupp geliefert werden, gefördert wird der Modulhersteller vom Bundeswirtschaftsministerium.

Wie wird konventionelles Ammoniak hergestellt?

Der Großteil des weltweit produzierten Ammoniaks (über 90 %) wird in der Direktsynthese über das Haber-Bosch-Verfahren produziert. Bei dieser Reaktion reagieren die Gase Stickstoff und Wasserstoff miteinander. Der Stickstoff wird durch Luftverflüssigung gewonnen, der zur Reaktion benötigte Wasserstoff per Dampfreformierung aus Erdgas, Kohle und Naphtha. Die katalytische Reaktion zwischen Wasserstoff und Stickstoff läuft bei hohem Druck ab. Bei der konventionellen Herstellung von Ammoniak aus Erdgas entstehen 1,5 Tonnen CO2 pro Tonne Ammoniak.

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