Grünes Ammoniak – ein nachhaltiger Energieträger mit großem Potenzial

Ammonia
Modell des Ammoniak- Moleküls -By Ben Mills – Own work, Public Domain,

Grüner Wasserstoff als nachhaltiger Energieträger gilt als richtungsweisend für die Energiewende. Dabei könnte ein anderer Stoff in naher Zukunft noch wichtiger werden: Grünes Ammoniak.

Heute werden weltweit etwa 80% der jährlich produzierten 170 Millionen Tonnen Ammoniak als Grundchemikalie für Düngemittel verwendet. Nur 20% werden für andere technische Lösungen genutzt. In den kommenden Jahren wird sich die Nachfrage nach Ammoniak jedoch drastisch in Richtung neuer Märkte verlagern: Energieerzeugung und Transport. Denn Ammoniak ist der kostengünstigste flüssige Energieträger für die Langzeitlagerung, leicht global zu verschiffen und ein praktikabler Schiffskraftstoff.
Während in der Vergangenheit die meisten Ammoniak-Anlagen Erdgas als Einsatzstoff nutzten, stehen heute alle Zeichen auf grünes Ammoniak”, erklärt Thore Lohmann, Executive Director des Ammoniak- und Methanol-Geschäfts bei thyssenkrupp Uhde. “Die zunehmende Installation von Anwendungen für erneuerbare Energien, reduzierte Stromkosten, die Einführung von CO2-Steuern und mögliche Subventionen für grüne Ammoniak-Technologie verändern die heutigen Markttreiber drastisch in Richtung grüner Ammoniak-Anwendungen.”
Ammoniak ist bei Raumtemperatur ein farbloses Gas. Die chemische Verbindung besteht aus Stickstoff und Wasserstoff mit der Summenformel NH3.

Salpetersäure
Salpetersäure – ein wichtiges Zwischenprodukt auf Ammoniakbasis

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 Gas eine wichtige Rolle in der globalen Energietransformation zu.
Eine der vielversprechendsten Anwendungen von grünem Ammoniak ist die Nutzung als nachhaltiger Energieträger, erklären die Expert:innen. “Ammoniak lässt sich aus den vorhandenen Elementen Wasserstoff und Stickstoff aus der Luft herstellen und bei Bedarf mit Hilfe eines sogenannten Crackers wieder in seine Bestandteile zerlegen. So kann Ammoniak zum Beispiel von Australien nach Japan verschifft und dort entweder direkt zur Stromerzeugung genutzt oder für industrielle Anwendungen wieder zu Wasserstoff gecrackt werden.“
Ammoniak kann auch direkt verbrannt werden, z.B. in Gasturbinen oder in Schiffsmotoren. Aufgrund seiner flexiblen Einsatzmöglichkeiten ist Ammoniak ein ideales grünes Energiemolekül. „Im Vergleich zu Wasserstoff hat Ammoniak eine höhere Energiedichte, wodurch es leicht zu transportieren und unkompliziert zu speichern ist”, erklärt Thore Lohmann.
Weil Ammoniak brennbar ist und auch in Brennstoffzellen direkt zu Strom umgesetzt werden kann, eignet sich die Chemikalie auch als Energieträger. Ammoniak verbrennt zu Stickstoff und Wasser und ist selbst kein Klimagas. Deshalb ist aus grünem Wasserstoff synthetisiertes Ammoniak klimaneutral. . Grünes Ammoniak könnte künftig als Schiffstreibstoff klimaschädliches Bunkeröl ersetzenSchätzungen 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.

Damit eignet sich grünes Ammoniak als idealer flüssiger Energieträger, um „grünen Wasserstoff“ aus erneuerbaren Energien über weite Strecken zu transportieren. Denn im Gegensatz zu reinem Wasserstoff hat Ammoniak eine viel höhere Dichte, sodass es sich einfacher, energieeffizienter und kostengünstiger speichern und befördern als lässt. Ammoniak ist zudem bereits ein weltweit gehandeltes Produkt mit bestehender Transportinfrastruktur und bietet somit ein enormes Potenzial für eine globale grüne Energiewirtschaft und die Reduzierung von Treibhausgasemissionen.

ammonia table
Von der Produktion bis zum Endverbrauch: Grünes Ammoniak kann in zahlreichen Industrien als effizienter Energieträger zum Einsatz kommen – Grafik Thyssen Krupp

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 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.
Die klassische Haber Bosch Synthese: Großtechnisch wird NH3 heutzutage nach dem Haber Bosch Verfahren hergestellt, das 2013 sein 100-jähriges Jubiläum feierte. Stickstoff und H2 werden bei Temperaturen von 400 bis 500 Grad Celsius und Drücken von 150 bis 250 bar über einen Eisenkatalysator geleitet. Diese Prozessparameter sind ein Kompromiss zwischen der thermischen Stabilität von NH3, der Reaktionsrate und der Katalysatoraktivität. Unter Gleichgewichtsbedingungen wird ein Umsatz von 15 Prozent erreicht. Der benötigte N2 wird durch kryogene Luftzerlegung gewonnen, wohingegen H2 durch Dampfreformierung von Methan CH4 erzeugt wird.
Pro Tonne produziertem NH3 werden zwei Tonnen klimaschädliches Kohlenstoffdioxid CO2freigesetzt. Die wertvollen Kohlenwasserstoffe werden also nicht in das Endprodukt NH3 umgewandelt, sondern lediglich in das derzeit noch nicht großtechnisch verwertbare CO2. Moderne Haber Bosch Anlagen produzieren bis zu 1500 Tonnen NH3 pro Tag und verbrauchen ungefähr acht Megawattstunden Energie pro Tonne NH3 basierend auf CH4 und 13,5 Megawattstunden Energie, basierend auf Kohle als Wasserstoffquelle.“

Wie wird grünes Ammoniak produziert?
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.
Ammoniak als Wasserstoff-Vektor: Neue integrierte Reaktortechnologie für die Energiewende
Fraunhofer Institut ISE/Universität Ulm:
Im Projekt „PICASO“ (Process Intensification & Advanced Catalysis for Ammonia Sustainable Optimized process) arbeiten das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, die Universität Ulm und das Fukushima Renewable Energy Research Institute (FREA-AIST) an einem neuartigen Power-to-Ammonia- (PtA) Prozess für die nachhaltige Ammoniaksynthese. Das Verfahren könnte die CO2-Emissionen im Vergleich zum konventionellen Prozess um 95 Prozent senken. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekt startete am 1. August 2022.
Ammoniak als Wasserstoff-Vektor hat das Potenzial, einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende zu leisten: „Ammoniak kann auch in sonnen- und windreichen, aber abgelegenen Regionen aus grünem Wasserstoff und Stickstoff hergestellt werden – zum Beispiel in der nordafrikanischen Wüste. Für den Transport nach Europa, in der Regel per Schiff, wird der Energieträger verflüssigt. Wir entwickeln dafür eine integrierte Reaktortechnologie mit dynamischen Betriebsstrategien, die den Betrieb mit fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen erlaubt“, erläutert Prof. Dr. Christopher Hebling, Bereichsleiter Wasserstofftechnologien am Fraunhofer ISE.
Im Gegensatz zum konventionellen Haber-Bosch-Verfahren erlaubt der PtA-Prozess dank der hohen Reinheit des elektrolysebasierten „grünen“ Wasserstoffs den Einsatz von aktiveren Synthesekatalysatoren. Diese können bei niedrigerer Temperatur arbeiten, was die thermodynamisch mögliche Ammoniakausbeute steigert und somit den Betrieb bei niedrigeren Drücken und ohne Rückführung unverbrauchter Edukte ermöglicht. Für das Projekt hat der japanische Partner FREA-AIST einen neuartigen Ruthenium-Katalysator entwickelt, der die Synthese bei deutlich milderen Prozessbedingungen mit Temperaturen unter 400 °C sowie Drücken unter 80 bar ermöglicht. Dieser kann bereits im halbindustriellen Maßstab (TRL > 7) hergestellt werden. Um die Ausbeute noch weiter zu steigern, untersuchen das Fraunhofer ISE und die Universität Ulm die integrierte Abtrennung von Ammoniak: Die Reaktion und die Abtrennung von Ammoniak laufen in-situ in einem integrierten Reaktor ab. So kann der Betriebsdruck minimiert und die Rückführung von nicht umgesetztem Einsatzgas vermieden werden. „Da die Kompressoren und Wärmetauscher mit einem Anteil von 90 Prozent an den Investitionskosten die größten Kostentreiber bei der konventionellen Ammoniak-Synthese sind, bieten diese Verbesserungen ein enormes Potenzial für die Wirtschaftlichkeit flexibler Ammoniak-Produktionsanlagen, die auch in entlegenen Regionen einsetzbar sind“, so Dr.-Ing. Ouda Salem, Gruppenleiter Power to Liquids am Fraunhofer ISE. Somit ist keine aufwändige Infrastruktur mehr notwendig und die Ammoniakproduktion kann in wesentlich kleineren Maßstäben erfolgen. Damit bietet sich die Möglichkeit, das neuartige PtA-Verfahren für die Nutzung regenerativer Energiequellen auch in abgelegenen Regionen maßzuschneidern. Prof. Dr.-Ing. Robert Güttel, Leiter des Instituts für Chemieingenieurwesen an der Universität Ulm, ergänzt: „Außerdem können wir Wasserstoff und Stickstoff wesentlich besser ausnutzen, wenn keine Rückführung erforderlich ist, so dass wir die stoffliche und energetische Effizienz des gesamten PtA-Prozesses deutlich steigern können.“
Im Projekt soll bereits die Übertragung des neuen PtA-Konzepts vom Labor- in den Technikumsmaßstab realisiert werden. Während an der Universität Ulm der Labormaßstab im Fokus steht, werden am Fraunhofer ISE umfangreiche experimentelle Studien im Technikum durchgeführt. Robert Güttel: „Verknüpft werden die experimentellen Erkenntnisse in beiden Skalen durch detaillierte mathematische Modellierung und Simulation. Damit können wir sogar bereits belastbare Vorhersagen zum Pilotmaßstab treffen und die Implementierung des integrierten Reaktorkonzepts beschleunigen.“ Neben der technischen Demonstration wollen die Partner auch nachweisen, dass der neuartige, flexible PtA-Prozess wirtschaftlich mit dem konventionellen Verfahren wettbewerbsfähig ist.
Disruptives Verfahren mit hohem Einsparpotenzial
„Im Erfolgsfall wird der PICASO-Ansatz eine disruptive Technologie sein, die einen konventionellen fossilen Prozess ersetzt und damit den CO2-Ausstoss um bis zu 95 Prozent reduziert“, so Ouda Salem. Eine simulative Analyse des PICASO-Prozesses hat zudem ein Energieeinsparungspotenzial von 50 Prozent gegenüber dem konventionellen Haber-Bosch-Prozess ergeben. Ein konkretes Ziel für ein Folgeprojekt ist die Hochskalierung des integrierten Reaktors auf Demonstrationsniveau und dessen Erprobung in einer Pilotanlage am Standort der assoziierter Partner FREA-AIST in Fukushima. Darüber hinaus entwickeln die Forschenden spezifische dynamische Untersuchungen und Betriebsstrategien, um Schnittstellenanforderungen zwischen den Elektrolyseuren und der Syntheseanlage zu identifizieren. Mit dem erfolgreichen Abschluss dieser Projektphasen liegen die grundlegenden Engineering-Daten für eine industrielle Referenzanlage vor. Die PICASO-Partner werden diese Phasen mit FuE-Dienstleistungen und eigenen Patenten zu Katalysator- und Reaktorentwicklungen begleiten, um die komplette Technologie an die chemische und verfahrenstechnische Industrie zu lizenzieren.
Fazit
Dass grüner Wasserstoff und insbesondere grünes Ammoniak wichtige Energieträger für eine künftige Energiewende sein werden, dürfte unstrittig sein. Die verfahrenstechnische Realisierung schein erfolgsversprechend zu sein, insbesondere was die Ammoniak -Synthese nach PICASO betrifft, hier scheint es große Fortschritte zu geben in Bezug auf Nachhaltigkeit und Kosten. Kritisch sehe ich allerdings die geplanten Standorte insbesondere hinsichtlich der Versorgungssicherheit. Es macht wenig Sinn, einseitig auf die Vorteile sonnenscheinreicher Standorte wie den arabischen Raum oder Nordafrika zu schauen, ohne zu bedenken, das man sich damit wieder in Abhängigkeiten begibt, was doch eigentlich nach den jüngsten Erahrungen vermieden werden sollte. Insbesondere das Helios Green Fuels Project in Saudi Arabien wirft in Bezug auf Versorngungssicherheit große Frageezeichen auf. Hier wird nicht nur die der grüne Wasserstoff gewonnen sondern auch die gesamte Ammoniaksynthese großtechnisch realisiert mit all den geopolitischen Unwäggbarkeiten dieser Gebiete. Hinzu kommen die langen Transportwege. Wie so viele erfolgversprechende Entwicklungen im Bereich nachhaltiger klimafreundlicher Technologien letztlich nicht umhin kommen, vorrangig auf heimische Wind- und Solarenergie zu setzen – oder zumindest im europäischen Raum zu investieren – sollten die vielversprechenden Power to Ammonia Projekte diese Aspekte nicht außer Acht lassen.

Bernd Riebe, Nov.2022

https://www.thyssenkrupp.com/de/stories/nachhaltigkeit-und-klimaschutz/gruenes-ammoniak-und-sein-beitrag-zur-bewaeltigung-des-klimawandels
https://www.chemietechnik.de/anlagenbau/was-ist-gruenes-ammoniak-123.html
Fraunhofer Institut ISE/Universität Ulm
Deutscher Bundestag: Fachbereich Umwelt, Naturschutz, Reaktorsicherheit, Bildung und Forschung .(Wissenschaftliche Dienste Dokumentation WD 8 – 3000 – 088/18)

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

*

Kommentare werden durch den WP-SpamShield Spam Blocker geschützt