Nachhaltiges Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln hat sich als kostengünstig erwiesen

Laut einer Studie der Washington State University können nachhaltige Verfahren zur Herstellung von synthetischem Ammoniak für Düngemittel mit den derzeitigen Verfahren auf Basis fossiler Brennstoffe wettbewerbsfähig sein. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Methoden plausible kommerzielle Optionen sind, die Kohlenstoffemissionen reduzieren und dazu beitragen können, die Marktstabilität in einer Branche zu erhöhen, die für die Lebensmittelproduktion von entscheidender Bedeutung ist.

In einer Studie veröffentlicht in der Zeitschrift für erneuerbare und nachhaltige Energie, fanden Forscher am Voiland College of Engineering and Architecture heraus, dass die Kosten für nachhaltig mittels Dampf- oder Wasserelektrolyse hergestelltes Ammoniak mit der derzeit verwendeten Methode zur Herstellung von Ammoniak, bei der entweder Erdgas oder Kohle verwendet wird, vergleichbar waren. Die Studie zeigt, dass eine nachhaltige Düngemittelproduktion gerade für kleinere Betriebe wirtschaftlich attraktiv sein könnte.

Synthetisches Ammoniak ist von entscheidender Bedeutung für die Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung. Ungefähr 180 Millionen Tonnen Kunstdünger stellen jedes Jahr etwa 40 % der Nahrungsmittel der Welt bereit, und alles davon wird aus fossilen Brennstoffen hergestellt. Durch die Herstellung von Ammoniak werden etwa 2–3 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen in die Atmosphäre freigesetzt.

„Es ist ein unersetzliches Produkt und wahrscheinlich die wichtigste Errungenschaft des 20. Jahrhunderts“, sagt Peter Pfromm, Hauptautor des Papiers und Professor an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering. „Aber im Moment sind Sie und ich zu einem großen Teil Lebensformen, die auf fossilen Brennstoffen basieren, und das ist nicht wirklich nachhaltig.“

Das heute verwendete Verfahren mit fossilen Brennstoffen, Haber-Bosch-Verfahren genannt, ist mehr als ein Jahrhundert alt. Bei hohen Temperaturen und extrem hohem Druck zieht das Verfahren Stickstoff aus der Luft und wandelt ihn mit Wasserstoff zu Ammoniak um. Da der Prozess die Verwendung von Erdgas oder Kohle erfordert, sind Landwirte, die Düngemittel benötigen, vollständig von Schwankungen auf diesen Märkten abhängig. So schossen in diesem Frühjahr die Preise für Düngemittel von etwa 400 auf 1500 Dollar pro Tonne in die Höhe, und wegen der hohen Energiekosten wurden einige Düngemittelfabriken in Großbritannien geschlossen.

„Eines der schlimmsten Dinge, die man der Landwirtschaft antun kann, ist Unvorhersehbarkeit“, sagte Pfromm. „Wenn Sie die Düngemittelproduktion vor Ort kontrollieren könnten, wären Sie vielleicht widerstandsfähiger.

In ihrer Studie verglichen die Forscher die Energiekosten des Haber-Bosch-Verfahrens, das auf konventioneller Wasserstofferzeugung aus Erdgas basiert, mit zwei Arten der Elektrolyse. Die Elektrolyse kann Strom aus erneuerbaren Quellen wie Wind- oder Sonnenenergie nutzen, um Wasser in Wasserstoff, den energieintensivsten Teil der Ammoniakproduktion, und Sauerstoff zu spalten.

Bei der Festoxidelektrolyse (SOE), einer aufstrebenden Technologie, wird sehr heißer Dampf mit einer Membran in Kontakt gebracht, wo er in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten wird. Der Sauerstoff wird selektiv durch die Membran entfernt und reiner Wasserstoff bleibt für die Ammoniaksynthese zurück.

Neben der Wasserstoffproduktion kann die SOE-Technologie auch gleichzeitig Sauerstoff aus Luft trennen, wodurch der für die Ammoniaksynthese benötigte Stickstoff zurückbleibt und einen vereinfachten, erneuerbaren Ammoniakproduktionsprozess ermöglicht. Forscher arbeiten noch daran, die Technologie für den Markt zu entwickeln.

In der Studie fanden die WSU-Forscher vergleichbare Energiekosten für die auf fossilen Brennstoffen basierende Technologie, SOE und die wasserbasierte Elektrolyse, die zwischen 153 und 197 US-Dollar pro Tonne Ammoniak lagen.

„Es gibt einen Laborforschungswinkel, um es für eine Verkleinerung zugänglicher zu machen, aber es gibt auch einen technisch-wirtschaftlichen Aspekt – um sicherzustellen, dass man weiß, was die Kosten sein werden, wenn wir auf erneuerbare Energien umsteigen“, sagte Pfromm.

„Wir müssen Kosten für das Produkt haben, die mit bestehenden erdgasbasierten Megakraftwerken, die in den USA und anderswo in Betrieb sind, wettbewerbsfähig sind. Wenn die Energiekosten pro Tonne Ammoniak zu hoch sind, müssen wir das nicht tun Sorgen Sie sich darum, es zu bauen. Diese Arbeit zeigt, dass die neue Festoxidelektrolyse, die sich gerade in der Skalierung befindet, mit der konventionellen, auf fossilen Brennstoffen basierenden Ammoniaksynthese konkurrieren kann.

Neben den Kosten könnten der einfache Prozess und die Modularität der auf erneuerbaren Energien basierenden Elektrolyse sie für die Ammoniakproduktion auf lokaler Ebene attraktiv machen. Pfromm geht davon aus, dass bereits 2024 eine kleine, erneuerbare Ammoniakproduktion auf Kreisebene oder auf großen Farmen beginnen könnte.

„Wenn Sie in kleinem Maßstab auf einem Bauernhof oder auf Kreisebene produzieren, wissen wir bereits, wie man Ammoniak produziert, wie man es lagert, wie man es transportiert, und wir wissen, wie man all das zulässt, denn Ammoniak wird bereits produziert weithin als Dünger verwendet“, sagte er. „Jeder Landwirt hat Erfahrung mit Dünger.“