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Power to Ammonia

Akronym: PtA, P2A

Definition: die Erzeugung von Ammoniak mithilfe elektrischer Energie, vorzugsweise aus CO2-freien Quellen

Allgemeinerer Begriff: Power to X

Kategorien: elektrische Energie, Energiespeicherung

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 23.02.2020; letzte Änderung: 04.08.2020

Power to Ammonia (PtA, P2A) ist eine Methode aus der allgemeineren Kategorie Power to Chemicals, oder noch allgemeiner Power to X, eben mit X = englisch ammonia = Ammoniak. Es geht hier also um die Herstellung von Ammoniak mithilfe von elektrischer Energie. Hierbei wird in der Regel angenommen, dass es sich um CO2-frei und somit klimafreundlich erzeugte Energie handelt, also um erneuerbare Energie oder Kernenergie. Dies ist sehr wünschenswert, da rund 2 % der weltweiten CO2-Emissionen durch die Ammoniaksynthese verursacht werden. Diese ist wichtig insbesondere für die Herstellung von Düngemitteln (Stickstoffdünger) und erfolgt deswegen mit sehr großen Produktionsmengen – bislang aber mit fossilen Energieträgern und entsprechend klimaschädlich.

Da Ammoniak zwar bei Zimmertemperatur Normaldruck gasförmig ist, aber relativ leicht verflüssigt werden kann, könnte man im Prinzip Power to Ammonia auch als eine Spielart von Power to Liquid betrachten, oder alternativ von Power to Gas. Sinnvoll ist außerdem die Einordnung unter Power to Chemicals.

Produktionsverfahren

Konventionell wird Ammoniak großtechnisch mit dem Haber-Bosch-Verfahren erzeugt, also in einer Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff. Die zunächst naheliegendste Methode, um die Ammoniaksynthese annähend klimaneutral durchzuführen, ist die Verwendung von Wasserstoff, der durch Elektrolyse erzeugt wird, und zwar mit elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen. Am Haber-Bosch-Verfahren wird dabei aber festgehalten. Die für diese Variante benötigten Technologien sind alle vorhanden.

Es werden aber auch neue elektrochemische Verfahren erforscht, die eine direkte Erzeugung von Ammoniak mit Elektrolyse ermöglichen würden, d. h. ohne das Haber-Bosch-Verfahren. Es besteht die Hoffnung, dadurch den Energieaufwand von Power to Ammonia deutlich zu reduzieren und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.

Anwendungen von Power to Ammonia

Zunächst einmal wäre es natürlich sinnvoll, einen möglichst großen Anteil des Ammoniaks, der schon bisher produziert wird – hauptsächlich für Stickstoffdünger sowie allgemeiner als Rohstoff der chemischen Energie – durch CO2-neutrales Ammoniak zu ersetzen. Hiermit ließen sich also bereits ca. 2 % der weltweiten CO2-Emissionen vermeiden – wobei dieser Sektor der Chemie bislang eine stark steigende Tendenz der Emissionen aufweist.

Die dafür nötigen Produktionsmengen sind sehr hoch; die Herausforderung besteht also im Wesentlichen darin, erstens entsprechend große Mengen CO2-freier Energie möglichst kostengünstig zu erzeugen und zweitens die Ammoniaksynthese möglichst energieeffizienten und kostengünstigen Anlagen großtechnisch durchzuführen. Hierbei dürften Windenergie und Sonnenenergie die wichtigsten Optionen sein, da sie an guten Standorten die niedrigsten Kosten bieten, wobei an manchen Standorten noch die Wasserkraft hinzukommt. Dagegen zeigt sich immer klarer ab, dass die Kernenergie, die im Prinzip als eine annähernd CO2-freie Alternative in Betracht käme, wesentlich zu teuer ist. Zwar hat ihr Vorteil der größeren Verfügbarkeit (z. B. im Vergleich zur Windkraft) gewisse Kostenvorteile bei den Produktionsanlagen zur Folge, jedoch kann dies kaum mehrfach höhere Kosten der Stromerzeugung ausgleichen.

Die Möglichkeit der kostengünstigen Produktion erneuerbarer Energie an bestimmten Standorten – oft außerhalb der Industrieländer – könnte dazu führen, dass die Herstellung von Ammoniak und weiteren Produkten wie Calciumammoniumnitrat zukünftig vermehrt an solchen Standorten erfolgen wird. Ein vermehrter Transportaufwand würde im Vergleich zu den erzielten CO2-Reduktionen bei der Herstellung nicht allzu stark ins Gewicht fallen.

Denkbar ist außerdem, auch zeitweilige Überschüsse an erneuerbarer Energie (z. B. Windstrom) in Industrieländern für solche Produktionen zu verwenden. Allerdings sind dort die Produktionskosten höher, vor allem wenn die jährliche Auslastung der Anlagen für die Benutzung nur von Überschüssen relativ gering ausfällt.

Realistisch erscheint deswegen besonders der Ansatz, dass solche Technologien zwar zunächst in den Industrieländern entwickelt, später aber zu einem guten Teil in anderen Regionen praktisch eingesetzt werden.

Langfristig könnten auch andere Anwendungen von klimafreundlich gewonnenem Ammoniak infrage kommen, und zwar vor allem im Rahmen der Energietechnik. Beispielsweise kann Ammoniak als chemischer Wasserstoffspeicher verwendet werden. Es ist auch möglich, Ammoniak direkt als Kraftstoff beispielsweise für Schiffsmotoren (umgerüstete Dieselmotoren) oder für Gasturbinen zu verwenden, sowie für noch zu entwickelnde Brennstoffzellen. Die letztere Option könnte die Stromerzeugung aus Ammoniak mit relativ hoher Energieeffizienz ermöglichen, braucht aber noch weitere Forschung und Entwicklung.

Dieses Konzept lässt sich im Prinzip weiter ausbauen bis hin zu einer “grünen Ammoniakwirtschaft” als einer speziellen Variante der Wasserstoffwirtschaft. Ammoniak würde hier auch eine wichtige Rolle im Rahmen der Sektorkopplung spielen.

Grundsätzlich muss jedoch klar sein, dass die begrenzenden Faktoren auf absehbare Zeit nicht bei der Anwendung des Ammoniaks liegen, sondern bei dessen kostengünstiger und umweltfreundlicher Produktion. Solange noch große Mengen von Ammoniak mithilfe fossiler Energie produziert werden, wäre es kaum sinnvoll, einen wesentlichen Teil der neuen CO2-freien Produktion für energetische Anwendungen vorzusehen. Insofern wäre weitere Forschung und Entwicklung besonders für die Entwicklung effizientere und kostengünstigere Produktionsverfahren vordringlich, weniger für die Entwicklung weiterer Anwendungen.

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