Grüner Ammoniak – Energieträger der Zukunft

Bei Ammo­ni­ak denken die meis­ten wahrschein­lich an ein Gas, das v.a. als indus­trieller Dünger in der Land­wirtschaft einge­set­zt wird. Dass es auch als Energi­eträger dienen kann, ist weniger bekan­nt. Doch das ist keine Sci­ence-Fic­tion. Bere­its im 19. Jahrhun­dert wur­den die Straßen­bah­nen in New Orleans mit Ammo­ni­ak betrieben und in den 1940er Jahren fuhren damit in Bel­gien die Busse. In den USA wurde sog­ar ein Pkw hergestellt, der 1981er Chevro­let Impala, der dieses Gas tanken kon­nte. In Zukun­ft soll Ammo­ni­ak v.a. in Schif­f­en, aber auch in der sta­tionären Energieerzeu­gung und in land­seit­i­gen Schw­er­lastverkehr zum Ein­satzkom­men. Alter­na­tive Treib­stoffe für die Schiff­fahrt sind von hoher Bedeu­tung, denn hier kommt bish­er meist Schw­eröl zum Ein­satz – der kli­maschädlich­ste aller Treib­stoffe. Bei der Ver­bren­nung von Ammo­ni­ak in Motoren bzw. der Ver­stro­mung in Brennstof­fzellen entste­hen dage­gen keine Ruß­par­tikel oder Kohlen­diox­id, son­dern nur Stick­stoff und Wasser­dampf. Der geringe Anteil von Stick­ox­i­den, der im Ver­bren­nung­sprozess entste­ht, kann über etablierte Abgas­be­hand­lungsver­fahren in Stick­stoff rück­ge­wan­delt werden.

Ammo­ni­ak ist ein­er der am meis­ten pro­duzierten chemis­chen Grund­stoffe weltweit. Es hat die chemis­che Formel NH₃, beste­ht also aus einem Stick­stoff- und drei Wasser­stoffatomen. Beim am häu­fig­sten ver­wen­de­ten Pro­duk­tion­sprozess, dem Haber-Bosch-Ver­fahren, reagieren die Gase Stick­stoff und Wasser­stoff unter hohem Druck (150–300 bar) und hohen Tem­per­a­turen (400–500 °C) an einem Eisenkatalysator. Die Reak­tion­s­gle­ichung sieht fol­gen­der­maßen aus: N₂ +3H₂ → 2NH₃. Dieses zu Beginn des 20. Jahrhun­derts entwick­elte Ver­fahren ist allerd­ings schädlich fürs Kli­ma. Der Wasser­stoff wird hier aus Erdgas oder Kohle reformiert, wobei Treib­haus­gase freige­set­zt werden.

Kli­mafre­undlich lässt sich Wasser­stoff durch Elek­trol­yse gewin­nen, dabei wird Strom aus Erneuer­baren Energien einge­set­zt. Das Wass­er wird in Sauer­stoff und Wasser­stoff ges­pal­ten. Um in einem weit­eren Schritt Ammo­ni­ak zu erzeu­gen, wer­den Stick­stoff-Moleküle mit­tels eines Katalysators in Stick­stoffatome aufges­pal­ten, die dann mit dem Wasser­stoff zu NH₃ reagieren. Dieses Ver­fahren ist zwar kli­mascho­nend, die Pro­duk­tion­skosten sind aber rel­a­tiv hoch. Im CAMPFIRE wer­den neue Ver­fahren entwick­elt, um zukün­ftig aus Wind- und Solarstrom grü­nen Ammo­ni­ak herzustellen. In diesen kom­men keramis­che Dünnschicht­mem­bra­nen zum Ein­satz, so dass NH₃ direkt syn­thetisiert wird. Das erhöht die Effizienz und verbessert die Wirtschaftlichkeit. Ein weit­eres Ver­fahren ist die Weit­er­en­twick­lung des Haber-Bosch-Ver­fahrens für die flex­i­ble Ein­speisung von grü­nen Wasser­stoff. Bei­de Ansätze eignen sich für die saisonale Ammo­ni­ak-Pro­duk­tion und Spe­icherung von erneuer­bar­er Energie.

Gegenüber der Pro­duk­tion kohlen­stoff­basiert­er syn­thetis­ch­er Energi­eträger wie Methan oder Methanol hat das stick­stoff­basierte grüne Ammo­ni­ak einen entschei­den­den Vorteil: Stick­stoff ist mit knapp 80 Prozent der Hauptbe­standteil der Atmo­sphäre, während Kohlen­stoff in der Luft nur in Form von Kohlen­diox­id vorkommt, welch­es lediglich 0,4 Prozent aus­macht. Im ver­flüs­sigten Zus­tand gegenüber reinem Wasser­stoff hat Ammo­ni­ak den Vorteil, dass die Energiedichte höher ist. Pro Kubik­me­ter Vol­u­men enthält es 50 Prozent mehr Energie. Außer­dem ver­flüs­sigt es sich schon bei ‑33° Cel­sius statt bei ‑235° Cel­sius, ist dadurch wesentlich energieef­fizien­ter und lässt sich leichter spe­ich­ern und transportieren.