Power-to-Ammonia

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Das Power-to-Ammonia-Verfahren hat zum Ziel, Energie aus erneuerbaren Energiequellen transportier- und speicherfähig zu machen, indem die Energie chemisch in Form von Ammoniak gespeichert wird. Dabei kann die Energie wieder freigesetzt werden, indem Ammoniak direkt als Kohlenstoff-freier Kraftstoff verwendet wird oder als Wasserstofflieferant dient.

Ammoniak (NH3) ist ein klimaneutraler Energieträger, wenn bei der Gewinnung des zur Herstellung benötigten Wasserstoff nicht auf konventionelles Erdgas zurückgegriffen wird, sondern dieser z. B. durch Elektrolyse mittels Ökostrom produziert wird und auch im weiteren Verfahren nur Energie aus Erneuerbaren Energien zum Einsatz kommt. Erneuerbare Energien werden, z. Bsp. mit Photovoltaik- oder Windkraft-Anlagen, bereits heute an vielen Orten der Welt genutzt. Umgewandelt in den Energieträger Ammoniak lässt sich diese Energie über Pipelines oder Schiffe zu den großen Verbrauchszentren transportieren. Dort kann er nach Bedarf verbraucht werden und ist nicht abhängig von dem schwankenden Potential der Erneuerbaren Energien.

Wird Ammoniak hingegen konventionell aus Erdgas ohne Nutzung von erneuerbaren Energien hergestellt, fallen pro Tonne erzeugtem Ammoniak etwa 1,5 Tonnen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid an.[1]

Die Herstellung von Ammoniak ist weit verbreitet; um 2015 wurden hierfür etwa 2 % des weltweiten gewerblichen Energiebedarfs aufgewendet.[1]

Speicherung und Transport[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ammoniak wird bei −33 °C flüssig. Bei 20 °C beträgt der Verdampfungsdruck ca. 9 bar. Große Tanks, zum Beispiel in Schiffen, können drucklos durch Kühlung auf −33 °C den Ammoniak transportieren. Für kleinere Tanks bieten sich Drucktanks an (ähnlich Propan/Butan). Die Energiedichte von Ammoniak beträgt flüssig 4,25 kWh/l beziehungsweise 6,25 kWh/kg (zum Vergleich: Benzin hat eine Energiedichte von 9,7 kWh/l oder 12,7 kWh/kg).

Ammoniak lässt sich auch gebunden als Feststoff speichern. In Frage kommen zum Beispiel folgende Salze: Ammoniumcarbamat, Ammoniumcarbonat und Ammoniumhydrogencarbonat. Diese zersetzen sich bereits unter 60 °C und geben den gebundenen Ammoniak wieder frei.

Herstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im konventionellen Verfahren wird zunächst Wasserstoff aus Erdgas gewonnen. Zusammen mit Stickstoff aus der Luft wird dann im Haber-Bosch-Verfahren in einem Hochdruckreaktor über einem Katalysator Ammoniak hergestellt.

Wasserstoff kann auch klimaneutral über Elektrolyse mittels erneuerbaren Energien hergestellt werden. Das Haber-Bosch-Verfahren kann sich so gleichfalls klimaneutral mit erneuerbaren Energien gestalten lassen.

Im Solid-State-Ammonia-Synthesis-Verfahren (SSAS-Verfahren) wird Ammoniak elektrolytisch direkt aus Wasser, Stickstoff (aus Luft) und Strom hergestellt. Diese Methode ist noch in der Erforschung.[2] Mit dieser Methode sollen nur noch 8,3 Kilowattstunden Energie – in Form von elektrischem Strom – pro Kilogramm Ammoniak benötigt werden.

Nutzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Man kann Ammoniak in modifizierten konventionellen Kraftwerken und Motoren benutzen: Gas- und Dampfturbinen, modifizierte Verbrennungsmotoren[3]. Ammoniak kann in speziellen Brennstoffzellen, den Ammoniak-Brennstoffzellen, direkt rückverstromt werden. Außerdem kann aus Ammoniak wieder Wasserstoff gewonnen werden.

Die Düngemittelindustrie benötigt große Mengen Ammoniak.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Leicht transportfähig per Schiff und Pipeline.
  • Entflammbarkeit geringer als Heizöl, geringe Explosionsgefahr.
  • Da Ammoniak sehr häufig z. B. als Dünge- oder umweltfreundliches Kältemittel eingesetzt wird, sind die Herstellung und der Umgang eingeübt.
  • Der Vorteil gegenüber Wasserstoff ist die bessere Speicher- und Transportierbarkeit aufgrund der höheren Energiedichte.
  • Der Vorteil gegenüber Methan ist, dass Ammoniak kein Treibhausgas ist, während Methan häufig in die Umwelt entweicht und dort ca. 20- bis 25-mal schädlicher ist als CO2.
  • Ein weiterer Vorteil gegenüber Methan ist, dass Stickstoff aus der Luft einfach und kostengünstig abgetrennt werden kann. Bei der Methansynthese würde hingegen eine Kohlendioxidquelle benötigt werden. Eine Abtrennung von Kohlendioxid aus der Umgebungsluft zur klimaneutralen Herstellung anderer, kohlenstoffhaltiger Brennstoffe ist wegen der geringen Konzentration von Kohlendioxid in der Luft derzeit nicht kostengünstig möglich.

Nachteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Gefahrstoff, giftiges und ätzendes Gas. Vergiftungen sind aber eher selten, weil Menschen wegen des stechenden Geruches bereits bei geringen Konzentrationen aus der Gefahrenzone flüchten.
  • Geringere Energiedichte als Benzin.
  • Bei Normaldruck gasförmig.
  • Bei der Nutzung als Kraftstoff soll es zu einem gewissen Ammoniakschlupf kommen, also geringe Mengen ungenutzt im Abgas verkommen, die allerdings mithilfe eines Ammoniakschlupfkatalysators zu unschädlichen Produkten Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) oxidiert werden können sollen.[4]
  • Bei der Umwandlung in nutzbare Energie durch Verbrennung entstehen schädliche Stickoxide.[5]

Ähnliche Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weitere Verfahren zur Gewinnung alternativer Kraftstoffe beschreiben die Artikel

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Ioannis Garagounis, Vasileios Kyriakou, Aglaia Skodra, Eirini Vasileiou, Michael Stoukides: Electrochemical synthesis of ammonia in solid electrolyte cells. In: Fuel Cells. Band 2, 2014, S. 1, doi:10.3389/fenrg.2014.00001.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Peter H. Pfromm: Towards sustainable agriculture: Fossil-free ammonia. In: Journal of Renewable and Sustainable Energy. Band 9, 2017, S. 034702, doi:10.1063/1.4985090.
  2. Moises A Carreon: Membranes For Gas Separations. World Scientific, 2017, ISBN 978-981-3207-72-1, S. 330 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  3. Karl-Heinz Hochhaus: Alternative Kraftstoffe in der Seeschifffahrt, auf hochhaus-schiffsbetrieb.jimdo.com, abgerufen am 14. April 2021
  4. Interkat: AMMONIAKSCHLUPF KATALYSATOR (ASC)
  5. Hideaki Kobayashi, Akihiro Hayakawa, K. D. Kunkuma, A. Somarathne, Ekenechukwu C. Okafor: Science and technology of ammonia combustion. In: Proceedings of the Combustion Institute. Band 37, Nr. 1, 2019, S. 109–133, doi:10.1016/j.proci.2018.09.029.