Auf grünem Ammoniak ruhen viele Erwartungen im Hinblick auf eine klimaneutrale Wirtschaft. Das farblose Gas kann viel mehr, als Düngemittel-Grundlage zu sein. Was macht Ammoniak grün und was sind die jüngsten Projekte und Entwicklungen?

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

Grüne Ammoniak spielt für die zukünftige Wasserstoff-Wirtschaft eine immer größere Rolle, da Ammoniak eine höhere Energiedichte als flüssiger Wasserstoff besitzt und sich dadurch effizienter transportieren und speichern lässt. So spielt grüner Ammoniak zuletzt in einem der weltweit größten Aufträge im Bereich Wasserstoff-Elektrolyse eine große Rolle, den Thyssenkrupp jüngst im Rahmen des Neom-Projektes erhalten hat. Auch Yara und Sumitomo wollen sauberes Ammoniak nutzen. Doch was hat es mit diesem grünen Ammoniak eigentlich genau auf sich?

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.

Die Maire Tecnimont-Tochter Nextchem hat mit dem amerikanischen Düngemittelhersteller Greenfield Nitrogen eine Vereinbarung zur Entwicklung einer Ammoniakanlage basierend auf grünem Wasserstoff getroffen. Hier geht es zum Bericht.

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.

Thyssenkrupp hat von dem emiratischen Unternehmen Helios den Auftrag erhalten, eine technische Studie für ein neues Projekt für grünen Wasserstoff und grünes Ammoniak durchzuführen. Hier geht es zum Bericht.

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.

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.

Wasserstoff ist an sich ein farbloses Gas. Dennoch ist in der Öffentlichkeit von grünem, blauem, grauem oder gar türkis-farbigem Wasserstoff die Rede. Dahinter stecken jeweils unterschiedliche Herstellungsweisen. Wasserstoff-Farben erklärt

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.

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.

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.

Neben aktuellen Projekten spielt grünes Ammoniak auch in den jüngsten Projektionen der Internationalen Energieagentur IEA eine Rolle: Demnach könnte das aus erneuerbarem Strom über grünen Wasserstoff synthetisierte Gas dazu genutzt werden, um in bislang fossil befeuerten Kraftwerken den klassischen fossilen Brennstoff (teilweise) zu ersetzen. "Die Möglichkeit, einen hohen Anteil an kohlenstoffarmem Wasserstoff und Ammoniak in Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen zu verbrennen, bietet den Ländern ein zusätzliches Instrument zur Dekarbonisierung des Stromsektors bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung aller Leistungen des bestehenden Kraftwerksparks", heißt es dazu in dem jüngsten IEA-Report: "Die entsprechenden Technologien machen rasche Fortschritte. Die Mitverbrennung von bis zu 20 % Ammoniak und über 90 % Wasserstoff ist in kleinen Kraftwerken erfolgreich durchgeführt worden, und größere Testprojekte mit höheren Mitverbrennungsraten sind in der Entwicklung."

Von den hier vorgestellten Projekten werden wahrscheinlich nicht alle tatsächlich realisiert werden. Doch in Anbetracht der europäischen Ziele und Projektionen sowie der Vorhaben in der ganzen Welt sehen wir hier für das nächste Jahrzehnt allenfalls die Spitze des Eisbergs. Die 10 größten Projekte für grünen Wasserstoff

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