Klimaneutraler Mineraldünger: Wie geht das?

Die Produktion von Ammoniak für Stickstoff(N)-Dünger ist mit rund einem Prozent an den globalen Emissionen an Treibhausgasen beteiligt. Wissenschaftler wollen diesen Anteil senken. Denn grüne Nitratdünger sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu klimaneutraler Landwirtschaft.

Eine kupferhaltige Substanz soll dabei helfen, berichten Chemiker der kalifornischen US-Universität in Berkeley bei San Francisco vor kurzem im Magazin Nature. Sie wollen Ammoniakgas nicht mehr aufwendig verflüssigen, sondern mit einer porösen Substanz aus dem Luftgemisch ziehen.

Seit gut 100 Jahren wird Ammoniak im Haber-Bosch-Verfahren aus Stickstoff erzeugt, dem Hauptbestandteil von Luft, weiter Wasserstoff. Dabei sind bisher teure Wechsel der Temperaturen erforderlich, die viel Energie benötigen.

Das Verfahrennutzt meist Methan als Brennstoff und als Ausgangsmaterial für Wasserstoff. Die Strategien mit erneuerbarem Wasserstoff sind jedoch meist nicht kompatibel mit den bisherigen Methoden zum Abtrennen von Ammoniak.

Bisher sind für die Reaktionen bis zu 500 °C nötig. Das Ammoniak wird bei bis zu minus 20 °C vom Gasgemisch getrennt. So erkaltet wird es flüssig. Das Erhitzen wird zwar oft durch Abwärme gedeckt, das Abkühlen benötigt aber jede Menge teure Energie.

Künftig wollen Chemiker das Ammoniakgas nicht mehr aufwendig verflüssigen, sondern mit einer porösen Substanz aus dem Luftgemisch ziehen. Dazu wird ein kupferhaltiges Knäuel aus Kohlenwasserstoff-Molekülketten verwendet. Diese so genannten metallorganischen Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks oder MOFs) sollen große Mengen Ammoniak aufsaugen können.

Wegen ihrer großen Oberfläche und ihrer strukturellen und chemischen Vielseitigkeit seien sie vielversprechend für die Trennung von Ammoniak. Jedoch binden die meisten MOFs Ammoniak unumkehrbar. Oder sie zersetzen sich, wenn sie dem korrosiven Gas ausgesetzt werden, so die Forscher. Nichtsdestotrotz wollen sie damit energieeffizientere Möglichkeiten zur Ammoniakproduktion entwickeln.

Allerdings seien dafür laut Süddeutscher Zeitung (SZ) weitere Fortschritte bei den Adsorptionsmitteln und effektivere Katalysatoren für die Ammoniak- und Wasserstoffproduktion erforderlich. Die Tests im Labor seien erst ein Anfang.

Das „poröse dreidimensionale Gerüst“ auf Molekülebene ändere seine Struktur laut SZ „wie ein Bündel Schnüre, die sich entwirren". Werde das Ammoniak freigesetzt und aufgefangen, schnurrten die Molekülschnüre wieder zu einem Knäuel zusammen.

Die MOF-Variante sei besonders stabil und energiegenügsam, wenn Ammoniak freigesetzt werde. Der Prozess funktioniert laut einer Studie bei moderatem Druck und Temperaturen um 175 °C.

Der mit Abstand größte Anteil am CO₂-Fußabdruck der Ammoniakproduktion gehe allerdings auf das Konto der Ausgangssubstanz Wasserstoff, der bislang noch meist aus fossilen Rohstoffen wie Erdgas gewonnen wird. Für eine nachhaltige Düngerherstellung kann er zum Beispiel hergestellt werden durch

• Elektrolyse aus Wasser oder
• mit Strom aus erneuerbaren Energien, etwa Wind- Solar- oder Wasserkraft.

Wissenschaftler tüfteln an neuen Katalysatoren für die Produktion von Wasserstoff. Die Synthese von Ammoniak sollen künftig grüne Energieträger bewerkstelligen. Ziel der Forschung ist umweltfreundlicher Mineraldünger mit klimaneutraler Ammoniakerzeugung in kleineren, dezentralen Anlagen.

ThyssenKrupp Uhde in Dortmund zum Beispiel biete bereits Kleinanlagen für die Ammoniaksynthese mit gesenktem CO₂-Fußabdruck für klimafreundliche Mineraldünger. Der Konzern setze dabei auf chemische Wasserstoffspeicher als alternative Energieträger.