Ammoniak ist eine chemische Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff mit der Formel NH₃. Das farblose Gas besitzt einen charakteristisch stechenden Geruch. Das Gas verflüssigt sich bei -33°C oder bei einem Druck von etwa 8 bar. Der hohe Wasserstoffanteil von 17,8 Prozent macht Ammoniak zu einem wichtigen Energieträger in der Wasserstoffwirtschaft.
Ammoniak verfügt in flüssiger Form über eine hohe Energiedichte von 3,3 kWh/l (zum Vergleich: Flüssigwasserstoff bei −253 °C: 2,4 kWh/l, Druckwasserstoff bei 1000 bar: 1,7 kWh/l). Zudem kann für den Transport der Chemikalie auf bereits vorhandene Infrastruktur zurückgegriffen werden.
Herstellung
Die Herstellung von Ammoniak erfolgt hauptsächlich durch das Haber-Bosch-Verfahren. 1908 wurde das noch heute genutzte Verfahren patentiert; seit der Gründung von BASF im Jahre 1913 erfolgt es im industriellen Maßstab. Dabei wird Stickstoff aus der Luft gewonnen und mit Wasserstoff unter hohem Druck und hoher Temperatur verbunden. Der Prozess wurde über Jahrzehnte optimiert und gilt als äußerst energieeffizient. Nichtsdestotrotz stellt er eine CO₂-Quelle dar, was primär am Wasserstoff liegt: Heute ist dieser in der Regel noch grau, stammt also aus der konventionellen Dampfreformierung fossiler Brennstoffe.
Ein zunehmend wichtiger Aspekt ist daher die Produktion von grünem Ammoniak. Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung nutzt dieser Prozess erneuerbaren Strom zur Elektrolyse von Wasser, um Wasserstoff zu gewinnen. Dieser grüne Wasserstoff wird dann mit Stickstoff aus der Luft zu Ammoniak verbunden. Ein anderer Weg, um CO2-neutrales Ammoniak zu produzieren, ist das elektrochemische Verfahren („elektrochemische Ammoniaksynthese“). Der durch Elektrolyse von Wasser erzeugte Wasserstoff soll dabei in Gegenwart von Katalysatoren und Membranen direkt mit Stickstoff zu Ammoniak reagieren.
Anwendungsgebiete
Ammoniak gehört zu den meistproduzierten Chemikalien der Welt: 185 Megatonnen (Mt) wurden laut Hydrogen Europe im Jahr 2020 weltweit produziert. Größter Abnehmer sind Düngemittelproduzenten. Doch die Anwendungsgebiete sind vielfältig. Neben der Düngemittelproduktion kommt die Chemikalie auch in der chemischen Industrie zum Einsatz und wird als Treibstoff für Schiffe diskutiert.
Herausforderungen
Bei Ammoniak handelt es sich um eine toxische Substanz, die in flüssiger wie gasförmiger Form schwere Schäden an der Gesundheit und der Natur hervorrufen kann. Die Giftigkeit des Stoffes erfordert also strenge Sicherheitsmaßnahmen.
Außerdem ist der benötigte Energiebedarf bei der Herstellung eher hoch und auch die Rückumwandlung in Wasserstoff ist noch ineffizient und teuer. Die Rückreaktion bezeichnet die Chemie als Ammoniak-Reformation. Wie schon die Synthese erfordert auch die Reformation hohe Temperaturen (>450 °C), anders als jene ist sie aber bei niedrigen Drücken am effizientesten. Um den Energieeinsatz der Reformierung vor Ort möglichst niedrig zu halten, sind sogenannte Katalysatoren erforderlich.
Metalle wie Eisen, Nickel oder Kobalt sind hierfür genauso geeignet wie die ungleich teureren Edelmetalle. Das Problem: Die Erforschung geeigneter Katalysatoren steckt noch in den Kinderschuhen. Das bedeutet, dass die Reformierung von Ammoniak – landläufig auch als „Cracking” bezeichnet – fast ebenso intensiv ist wie seine Synthese.
Video
Dieses Video wurde im Wasserstoffatlas Projekt der OTH Regensburg erstellt und zeigt das Grundprinzip der Ammoniaksynthese:
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