Ammoniaksynthese/Stickstoffdünger Ammoniak für die Welt! Wie Licht, Luft und Verfahrenstechnik die Welt ernähren sollen

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Das Jahrhundert-Verfahren macht sich zukunftsfit: Die Ammoniaksynthese ist die wahrscheinlich wichtigste Entwicklung des 20. Jahrhunderts, ermöglicht sie doch die Ernährung von Milliarden. Jetzt bekommt der Synthese-Prozess Nachhilfe in Sachen Nachhaltigkeit. Wird NH₃ grün?

Riecht schlecht und ist doch heiß begehrt: Ammoniak (NH₃) ist eine der bedeutendsten Grundchemikalien. Seit der Entwicklung des Haber-Bosch-Verfahrens (für das Fritz Haber 1918 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde) hilft die Ammoniaksynthese die Welt zu ernähren: Die auf diese Wiese mögliche Produktion von Kunstdünger erst ermöglichte die Ernährung einer Milliarden Köpfe zählenden Weltbevölkerung.

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Aber auch als Basis für Kältemittel oder Kunststoffe sowie zunehmend als potenzieller Energie und Wasserstoffspeicher ist das stechend riechende Gas gefragt. Über 180 Millionen Tonnen Ammoniak werden Jahr für Jahr auf diese Weise produziert. Als Basis der Stickstoffverbindungen gehört NH₃ damit zu den meistproduzierten Chemikalien. Doch die Jahrhundert-Verfahrenstechnik hat einen Nachteil: Sie ist energieaufwändig und damit emissionsträchtig. Weltweit gehen rund ein Prozent des jährlichen Treibhausgasausstoßes zu Lasten des Haber-Bosch-Prozesses, schätzen Wissenschaftler. Außerdem sind moderne Produktionslinien mit Kapazitäten von häufig über 3. 000 Tonnen gewaltige Großanlagen.

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Kommt jetzt die nachhaltige und ortsunabhängige Ammoniaksynthese?

Aber ginge es auch anders? Um das herauszufinden hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) elf Projekte für ein Schwerpunktprogramm zur nachhaltigen Stickstoffumwandlung ausgewählt, um in den kommenden sechs Jahren das Potenzial elektro- und photokatalytischer sowie photoelektro-katalytischer Ammoniak-Syntheseprozesse zu untersuchen. Dabei beschränken sich die Forscherinnen und Forscher nicht nur auf die Stickstoff-Reduktion. Auch oxidative Wandlungsprozesse kommen nach Ansicht der Projektverantwortlichen für die NH₃-Produktion der Zukunft in Frage.

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Wie eine kleinere – und damit auch für die dezentrale Produktion geeignete - Ammoniak-Synthese aussehen könnte, zeigen etwa drei Projekte des Ulmer Institut für Chemieingenieurwesen unter Leitung von Prof. Dirk Ziegenbalg: Mit verschiedenen Kooperationspartnern und ausgestattet mit rund 1,6 Millionen Euro forschen die Ulmer an der klimaneutralen Ammoniaksynthese der Zukunft.

Vor Ort und grün: Dünger für die Welt!

Das Mittel zum Zweck: Erneuerbare Energien und eine „ganzheitliche Optimierung der Wertschöpfungskette“. Als angenehmen Nebeneffekt sollen die Verfahren so konzipiert werden, dass sie sich für die bedarfsgerechte und dezentrale Produktion abseits großer Chemiestandorte eignet – etwa in Entwicklungsländern oder Gegeneden mit nährstoffarmen Böden, die so von einer Vor-Ort Düngemittelproduktion und höheren Ernteerträgen profitieren könnten.

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Eine mögliche Herangehensweise ist aus Sicht des Entwickler-Teams die „lichtgetriebene“ Ammoniakerzeugung. Bei einem Verfahren, dass so sehr nach Science-Fiction klingt, wirkt es fast logisch, dass das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln mit von der Partie ist. Gemeinsam wollen die Forscherinnen und Forscher nanostrukturierte Halbleiter (TiO₂ Aerogele) durch Lichtbestrahlung mit Elektronen aufladen, um diese zu speichern. Dunkelheit könnten diese Halbleiter mit Stickstoff entladen werden, um katalytisch Ammoniak zu produzieren, heißt es aus Projektkreisen.

Sonnenlicht und Luft – viel mehr braucht es nicht

Etwas irdischer ist ein neues Reaktorkonzept, dass die Ammoniakproduktion „on demand“ und dezentral durchführen helfen soll: „Unser Reaktor ermöglicht eine Trennung der verschiedenen Schritte bei der Ammoniakproduktion in Lichtabsorption und N₂-Reduktion. Dadurch können wir jeden Reaktionsschritt einzeln untersuchen und optimieren“, erklärt Professor Dirk Ziegenbalg. Dieses Konzept, das die Zwischenspeicherung von geladenen nanostrukturierten Materialien ermöglicht, soll ein weiterer Schritt auf dem Weg zu effizienten und dezentralen Chemieanlagen zur Produktion von Ammoniak und schließlich Düngemitteln werden.

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Ebenfalls auf die Photo-Chemie setzt eine Zusammenarbeit mit Prof. Carsten Streb von der Universität Mainz, bei dem Durchfluss-Photoreaktoren Ammoniumnitrat aus Stickstoff, Wasser, Sonnenlicht und nachhaltigem Strom gewinnen sollen. Bei der Konzeption der Reaktionstechnik kommen neue Fertigungsprozesse zum Einsatz: So ermöglicht die Integration der Elektrode in 3D-gedruckte Durchfluss-Photoreaktoren die umgehende Anpassung der chemischen sowie reaktionstechnischen Anforderungen.

Mit Stickstoff und Ammoniak für die UN-Nachhaltigkeitsziele

Ebenfalls auf der Agenda: Die photo-elektro-chemische Stickstoff-Fixierung, bei der an dünnen Filmen katalytischen Oberflächen Stickstoff zu Ammoniak und Nitrat reagiert. „Dieses Projekt adressiert gleich zwei Kernthemen des Schwerpunktprogramms: zum einen die Katalysatorsynthese und physikochemische Charakterisierung und zum anderen die experimentelle und theoretische Untersuchung des Reaktionsmechanismus“, erläutert Professor Timo Jacob, Leiter des Ulmer Uni-Instituts für Elektrochemie. Dabei abrieten Theorie, Simulation und Experiment Hand in Hand um katalytisch aktive Oberflächenstrukturen für die photoelektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion zu identifizieren und Hinweise auf relevante Reaktionsmechanismen zu geben.

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So verschieden die Ansätze auch sein mögen: Auf unterschiedlichen Ebenen adressieren sie gleich mehrere Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen, erklären die Verantwortlichen. Die über hundert Jahre alte Vision vom „Brot aus Luft“ die der britische Chemikers William Crookes 1898 in Bristol formulierte ist auch im 21. Jahrhundert lebendig. (dst)

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