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Ammoniak als Treibstoff

Ammoniak wird weltweit in großen Mengen als Ausgangsstoff für Dünger hergestellt (transportiert, gelagert). Es wird aus Wasserstoff (bislang Erdgas) und Stickstoff im Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. Daneben wir Ammoniak auch zur Herstellung von Sprengstoff eingesetzt.

Ammoniak kann man Diesel beimischen, um eine höhere Effizienz zu erreichen, man kann es pur verbrennen und in SOFC-Brennstoffzellen zur Energiegewinnung nutzen. Ammoniak lässt sich vergleichsweise leicht transportieren und hat eine höhere Energiedichte wie verflüssigter Wasserstoff. Es existiert eine etablierte Logistikkette für NH3.

Alles zum Thema "grüner" Ammoniak ist hier zu finden: Ammonia Energy Association

Auf der Suche nach Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren

Seit 100 Jahren hat sich die Herstellung von Ammoniak und dessen Folgeprodukte (z.B. Stickstoff-Dünger) nicht wesentlich verändert. Und heute wie damals verbraucht der Vorgang sehr viel Energie und erzeugt viel CO2. Doch die Suche nach Alternativen ist in vollem Gang. Denn Ammoniak ist zusätzlich ein vergleichsweise leicht zu handhabbarer Wasserstoffträger.

Das Haber-Bosch-Verfahren zur Aufspaltung von Stickstoff-Dioxyd und die Synthese von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff wurde von den beiden Namensgebern Fritz Haber und Carl Bosch entwickelt. Bei Temperaturen von 500°C werden Erdgas (Methan), Wasser und Luftsauerstoff zu einem Synthesegas umgewandelt. Im folgenden Reaktor wird bei Anwesenheit von Eisen als Katalysator bei 300 bar Überdruck und 450°C das Gas Ammoniak (NH3) erzeugt. Es lässt sich leicht bei vergleichsweise moderaten Kühltemperaturen oder in Überdrucktanks verflüssigen.

Wie die wenigen Eckwerte bereits andeuten, ist der Vorgang ein sehr energieintensiver, der zudem nach wie vor noch mit fossilen Rohstoffen (Methan) beschickt wird. Der Ausstoß an CO2 ist durch den Energiebedarf und den chemischen Prozess bedingt sehr hoch. Gleichzeitig ist Ammoniak eine der wichtigsten Grundlagenchemikalien und wird in Millionen Tonnen weltweit produziert. Etwa 1,5% der gesamten anthropogenen CO2 Emission geht auf die Herstellung von Ammoniak zurück.

Die Universität Bayreuth koordiniert seit vergangenem Jahr ein Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SPP 2370). Das Ziel ist, industriell nutzbaren Stickstoff mit einem bedeutend geringeren energetischen Aufwand verfügbar zu machen. Das Programm ist auf sechs Jahre angelegt und einzigartig in Europa. Es ist zwar nicht unmittelbar das Ziel, dabei Ammoniak herzustellen, jedoch hat dieser chemische Grundstoff den Vorteil, drei Wasserstoffatome in seiner Verbindung zu halten. Damit ist seine Wasserstoff-Dichte höher wie selbst bei verflüssigtem Wasserstoff (-253°C), was für eine zukünftige Wasserstoff-Infrastruktur vorteilhaft ist.
 
 Ziel der Entwicklung ist (auch), die Herstellung von Ammoniak dezentral zu gestalten, um lokal vorhandene Wind- und Solarenergie als regenerative Energiequelle nutzen zu können. Dazu werden drei verschiedene Ansätze verfolgt: Elektrokatalyse, Photokatalyse und Photoelektrochemie. In verschiedenen Arbeitsgruppen werden all drei Verfahren wissenschaftlich auf ihre Praxistauglichkeit hin überprüft und so weit wie möglich für ein praktische Umsetzung vorbereitet.

(c) Gerald Friederici 04/2022