Dünger ohne CO2-Emissionen produzieren

Forschende der ETH Zürich und der Carnegie Institution for Science haben gezeigt, wie Stickstoffdünger nachhaltiger produziert werden könnte. Dies ist nicht nur zum Schutz des Klimas notwendig, sondern auch um die Abhängigkeit von importiertem Erdgas zu verringern und die Ernährungssicherheit zu erhöhen.

Intensive Landwirtschaft ist nur möglich, wenn der Boden mit Stickstoff, Phosphor und Kalium gedüngt wird. Während Phosphor und Kalium als Salze abgebaut werden können, muss Stickstoffdünger aufwändig aus Luftstickstoff und Wasserstoff hergestellt werden. Und die Herstellung von Wasserstoff ist extrem energieintensiv und erfordert derzeit große Mengen an Erdgas oder – wie in China – Kohle. Neben einem entsprechend großen CO2-Fußabdruck ist die Stickstoffdüngerproduktion anfällig für Preisschocks auf den Märkten für fossile Brennstoffe.

Paolo Gabrielli, Senior Scientist am Laboratory of Reliability and Risk Engineering der ETH Zürich, hat mit Lorenzo Rosa, Principal Investigator an der Carnegie Institution for Science in Stanford, USA, zusammengearbeitet, um verschiedene CO2-neutrale Produktionsmethoden für Stickstoffdünger zu untersuchen.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Umweltforschungsbriefekommen die beiden Forscher zu dem Schluss, dass eine Umstellung der Stickstoffproduktion möglich ist und dass eine solche Umstellung auch die Ernährungssicherheit erhöhen kann. Alternative Herstellungsverfahren haben jedoch Vor- und Nachteile. Konkret prüften die beiden Forscher drei Alternativen:

Der Schlüssel zum Erfolg dürfte laut den Wissenschaftlern eine Kombination all dieser Ansätze sein, je nach Land und je nach lokalen Gegebenheiten und verfügbaren Ressourcen. In jedem Fall ist es zwingend erforderlich, dass die Landwirtschaft Stickstoffdünger effizienter einsetzt, wie Rosa betont: „Die Lösung von Problemen wie Überdüngung und Lebensmittelverschwendung ist auch eine Möglichkeit, den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren.“

Indien und China in Gefahr

In der Studie wollten die Wissenschaftler auch die Länder der Welt identifizieren, in denen die Ernährungssicherheit aufgrund ihrer Abhängigkeit von Stickstoff- oder Erdgasimporten derzeit besonders gefährdet ist. Folgende Länder sind besonders anfällig für Preisschocks auf den Erdgas- und Stickstoffmärkten: Indien, Brasilien, China, Frankreich, Türkei und Deutschland.

Eine Dekarbonisierung der Düngemittelproduktion würde in vielen Fällen diese Anfälligkeit verringern und die Ernährungssicherheit erhöhen. Zumindest eine Elektrifizierung über erneuerbare Energien oder die Nutzung von Biomasse würde die Abhängigkeit von Erdgasimporten reduzieren. Die Forscher relativieren diesen Punkt jedoch: Alle klimaneutralen Verfahren zur Herstellung von Stickstoffdünger sind energieintensiver als die derzeitige Methode der Nutzung fossiler Brennstoffe. Mit anderen Worten, sie sind immer noch anfällig für bestimmte Preisschocks – nicht direkt auf den Erdgasmärkten, aber vielleicht auf den Strommärkten.

Stickstoffproduzenten im Wandel

Die Dekarbonisierung wird wahrscheinlich die Aufstellung der Länder verändern, die Stickstoffdünger produzieren, weisen die Wissenschaftler in ihrer Studie darauf hin. Nach aktuellem Stand sind die größten Stickstoff exportierenden Nationen Russland, China, Ägypten, Katar und Saudi-Arabien. Mit Ausnahme von China, das Erdgas importieren muss, können alle diese Länder auf ihre eigenen Erdgasreserven zurückgreifen.

Von der Dekarbonisierung dürften künftig diejenigen Länder profitieren, die viel Solar- und Windstrom erzeugen und zudem über ausreichende Land- und Wasserreserven verfügen, wie etwa Kanada und die USA.

„Es führt kein Weg daran vorbei, dass wir die Stickstoffnachfrage der Landwirtschaft in Zukunft nachhaltiger gestalten müssen, sowohl um die Klimaziele zu erreichen, als auch aus Gründen der Ernährungssicherung“, sagt Gabrielli. Der Krieg in der Ukraine wirkt sich nicht nur auf den globalen Lebensmittelmarkt aus, weil das Land normalerweise viel Getreide exportiert, sondern auch, weil der Konflikt die Erdgaspreise in die Höhe getrieben hat.

Dies wiederum ließ die Preise für Stickstoffdünger steigen. Dennoch ist bekannt, dass einige Düngemittelhersteller die Produktion zumindest vorübergehend eingestellt haben, weil die exorbitanten Gaspreise die Produktion für sie unwirtschaftlich machen.