Die meisten Menschen verbinden mit Ammoniak (NH3) vermutlich nicht sonderlich positive Assoziationen: Das Gas, Ammoniak verdampft bei -33 Grad Celsius, riecht nicht nur stechend, sondern ist auch giftig. Dennoch handelt es sich um eine der meistproduzierten Chemikalien der Welt. Die chemische Industrie nutzt sie als Ausgangsstoff für die Synthese vieler Verbindungen, wobei der größte Teil des Ammoniaks zu Dünger weiterverarbeitet wird. Der Rest wird beispielsweise zur Produktion von Kunststoffen und Synthesefasern eingesetzt. Allein in Deutschland werden jährlich knapp drei Millionen Tonnen konventionelles Ammoniak hergestellt, wobei rund sechs Millionen Tonnen CO2 freigesetzt werden. Die ließen sich durch den Einsatz grünen Ammoniaks einsparen.

Grünes Ammoniak wird künstlich hergestellt durch die Synthese von CO2-neutralem Wasserstoff und Stickstoff im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren. Das Ammoniak-Molekül besteht aus der Verbindung von einem Stickstoff mit drei Wasserstoffatomen und ist frei von Kohlenstoff. Dadurch kann grünes Ammoniak bei Herstellung und Anwendung in einer CO2-neutralen Energie- und Rohstoffversorgung punkten: Für die Herstellung ist kein Kohlenstoff notwendig und bei der Anwendung, also beispielsweise der Verbrennung, entsteht somit kein CO2. Anders als bei Kohlenwasserstoffen muss kein Kohlenstoffkreislauf geschlossen werden, um CO2-Neutralität zu erreichen.
Die benötigte Rohstoffkomponente Stickstoff ist mit 78 Prozent Hauptbestandteil der Luft und überall auf der Welt gleichermaßen verfügbar. Die industrielle Herstellung von Ammoniak wäre also auch in den bevorzugten wind- und sonnenreichen Regionen für die Produktion von grünem Wasserstoff möglich.

Ammoniak ist leichter zu speichern als Wasserstoff

Aufgrund des höheren Kondensationspunkts lässt sich Ammoniak einfacher speichern als Wasserstoff, der erst bei Temperaturen von −252 Grad Celsius an abwärts oder durch sehr starke Komprimierung flüssig wird. Setzt man Ammoniak dagegen moderat unter Druck kann der Kondensationspunkt vergleichsweise einfach erhöht werden – schon bei 9 bar Druck steigt er auf 20 Grad Celsius. Daher auchkann es sinnvoll sein, Ammoniak als reines H2-Trägermedium zu nutzen und es nach dem Transport wieder in reinen Wasserstoff und Stickstoff aufzutrennen.

Auch die Energiedichte von Ammoniak ist deutlich höher als die von Wasserstoff. Damit dürfte seine Verwendung im direkten Vergleich zu Wasserstoff für viele Anwendungsfälle effizienter und kostengünstiger sein. So könnte grünes Ammoniak beispielsweise als alternativer Kraftstoff auf Schiffen zum Einsatz kommen. Dort ist es als Transportgut bereits bekannt.

Experten zufolge ist der Einsatz von Ammoniak als Kraftstoff zum Beispiel in herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotoren möglich. Da NH3 keinen Kohlenstoff enthält, wird bei der Verbrennung auch kein klimaschädliches CO2 freigesetzt. Lachgas und andere Stickoxide (NOX) könnten durch Katalysatoren weitgehend unschädlich gemacht werden. Doch auch Neuentwicklungen sind im Gange.

Ammoniak-Brennstoffzelle für Schiffe

Ein Beispiel dafür ist das Projekt ShipFC, in dessen Rahmen das Mainzer Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM gemeinsam mit 13 weiteren europäischen Verbundpartnern die nach eigenen Angaben weltweit erste Brennstoffzelle auf Basis von Ammoniak für Schiffe entwickelt. Die Stromerzeugung mit Ammoniak funktioniert dabei ähnlich wie bei Anlagen auf Wasserstoff-Basis. Im ersten Schritt wird NH3 in einen Spaltreaktor geleitet. Der spaltet es zu Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2). Das Gas enthält 75 Prozent Wasserstoff. Eine kleine Menge NH3 wird nicht umgesetzt und verbleibt im Gasstrom. Im zweiten Schritt werden Stickstoff und Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet. Unter Luftzufuhr verbrennt der Wasserstoff zu Wasser. Es entsteht elektrische Energie. Der Wasserstoff wird allerdings in der Brennstoffzelle nicht vollständig umgesetzt. Ein Anteil von etwa zwölf Prozent sowie ein Rest Ammoniak verlassen die Brennstoffzelle unverbrannt. Diese werden in einem vom Fraunhofer IMM entwickelten Reaktor mit eigens entwickeltem Katalysator geleitet, der am Ende nur Wasser und Stickstoff übrig lässt. Die Zeitplanung von ShipFC sieht vor, dass Ende 2022 ein Prototyp in der endgültigen Größe fertiggestellt sein soll. In der zweiten Jahreshälfte 2023 soll dann das erste Schiff mit der ammoniakbasierten Brennstoffzelle in See stechen.

Ammoniak ist eine der meistproduzierten Chemikalien und Grundstoff für die Produktion aller weiteren Stickstoffverbindungen. Der größte Teil des Ammoniaks wird zu Düngemitteln weiterverarbeitet. Die Herstellung erfolgt bislang (2020) fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren aus den Elementen Wasserstoff und Stickstoff.

Experten sehen großes Potenzial in der Schifffahrt

Ammoniak statt Wasserstoff? Dr.-Ing. Gunther Kolb vom Fraunhofer IMM erkennt da kein Entweder-oder, sondern ein Sowohl-als-auch. „Wir sehen Ammoniak nicht als direkten Konkurrenten zu Wasserstoff, sondern als zusätzliche Option im Spektrum der nachhaltigen Energien. Wegen der Vorteile bei der Speicherung wird diese umweltfreundliche Technik für die Stromerzeugung sicher ihren Platz finden. Der Einsatz bei Schiffen ist hier erst der Anfang.“, so der Experte mit Blick auf ShipFC. Die DNV (ursprünglich: Det Norske Veritas), ein internationaler Dienstleister für technische Beratung, Zertifizierungen und Risikomanagement mit Sitz in Norwegen, schätzt das Potenzial von Ammoniak in der Schifffahrt ebenfalls hoch ein. Sein Anteil am Energieträgermix könnte in diesem Bereich demnach bis zum Jahr 2050 auf 25 Prozent steigen.

Ähnliche Herausforderungen wie bei anderen Future Fuels

Ein Selbstläufer wird die Schifffahrt mit Ammoniak jedoch nicht. Es gilt noch Hürden zu überwinden. Darauf weist auch DNV hin. Diese betreffen etwa die Herkunft des Ammoniaks und die künftigen Kosten für grünes Ammoniak. Bislang wird NH3 vor allem aus Kohlenwasserstoffen hergestellt und bietet somit klimatechnisch kaum einen Vorteil. Grünes Ammoniak dagegen, das durch Elektrolyse aus erneuerbaren Energien hergestellt wird, könnte eine hervorragende Quelle für alternativen Kraftstoff sein. Wie auch bei anderen Future Fuels besteht die Herausforderung darin, künftig deutlich größere Mengen zu produzieren und zugleich die Herstellungskosten zu senken, um den Kraftstoff für die Schifffahrt rentabel zu machen.

LNG-Terminals für grünes Ammoniak nutzen?

Dabei könnte ein Vorteil darin bestehen, dass nachhaltig hergestelltes Ammoniak auch in einer CO2-neutralen Zukunft weiterhin als Ausgangsprodukt für Düngemittel und andere Chemieprodukte benötigt wird. So könnten Schiffe künftig nicht nur Ammoniak als Kraftstoff nutzen, sondern auch weiterhin als chemischen Rohstoff oder schlicht als Trägermedium für Wasserstoff transportieren.

Vermutlich wäre auch die Umrüstung von LNG-Terminals auf NH3 einfacher und kostengünstiger zu stemmen als der Umbau für eine H2-Nutzung. Darauf wies kürzlich Dr. Jakob Wachsmuth vom Karlsruher Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung hin. „Die LNG-Terminals darauf vorzubereiten, würde die heutigen Investitionen voraussichtlich nur um sechs bis zwölf Prozent erhöhen“, so der Wissenschaftler jüngst gegenüber der der Tageszeitung „taz“. Noch offen ist allerdings die Frage, ob sich neben der direkten Nutzung von Ammoniak, vor allem zur Düngemittelherstellung, auch die Rückumwandlung zu Wasserstoff wirtschaftlich lohnen würde.

Risiken und Nebenwirkungen

Zu bewerten sind im Hinblick auf die künftige Verwendung von grünem Ammoniak zudem generelle Risiken, die sich durch Unglücke, wie etwa eine Havarie ergeben können. Immerhin ist Ammoniak sehr giftig. Anders als bei fossilem Öl wären die möglichen Folgen zwar wohl eher kurzfristig, ausgeblendet werden sollten die Risiken dennoch nicht. Die DNV sieht hier „erhebliche, aber nicht unüberwindbare“ technische und sicherheitstechnische Herausforderungen.
Auch der Natuschutzbund Deutschland (NABU) sieht die Risiken und Herausforderungen im Hinblick auf Ammoniak, attestiert dem Energieträger jedoch ein hohes Potenzial für den Klimaschutz. Grundlage dieser Bewertung ist eine im vergangenen Jahr im NABU-Auftrag erstellte Studie des Ökoinstituts. Auch sie benennt Lachgas und Stickoxidemissionen als überwindbare Herausforderungen. Die Studie stellt zudem fest: Auch wenn grünes Ammoniak nicht großflächig Anwendung als Treibstoff in der Schifffahrt finden sollte, seien Investitionen in Ammoniak-Infrastruktur keine verlorenen Investitionen. Grünes Ammoniak werde im Rahmen der Wasserstoffwirtschaft für die Dekarbonisierung anderer Sektoren eine wichtige Rolle spielen.