Verfahren zur Herstellung von „grünem Ammoniak“ ohne Kohlenstoffemissionen: Umwandlung von Wasser in Ammoniak allein mit erneuerbarer Energie
Unter der Leitung von Dae Hoon Lee ist es einem Forschungsteam in der Abteilung für Plasmatechnik des Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM) gelungen, ein innovatives, kohlenstofffreies Verfahren zur Herstellung von Ammoniak zu entwickeln. Das innovative Verfahren nutzt Erneuerbare Energie zur Herstellung von Ammoniak bei Raumtemperatur und Normaldruck und könnte einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung von Kohlenstoffneutralität leisten – so eine Medienmitteilung auf der KIMM-Internetseite vom 19.08.2021. Bereits am 05.08.2021 waren die Forschungsergebnisse in ACS Energy Letters unter dem Titel: „Plasma Catalyst-Integrated System for Ammonia Production from H2O and N2 at Atmospheric Pressure“ (Plasma-Katalysator-integriertes System für die Ammoniakproduktion aus H2O und N2 bei atmosphärischem Druck) veröffentlicht worden.
Chemische Formel des Ammoniak
Das von Fritz Haber und Karl Bosch 1913 entwickelte organische Verfahren zur Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren), bei dem Ammoniak zur Düngemittelproduktion verwendet wurde, steigerte die landwirtschaftliche Produktivität erheblich. In jüngster Zeit hat Ammoniak vor allem als umweltfreundlicher Brennstoff ohne Kohlenstoffemissionen Aufmerksamkeit erregt. Das liegt daran, dass Ammoniak auch bei der Verbrennung kein Kohlendioxid freisetzt. Für die Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren müssen jedoch hohe Druck- und Temperaturbedingungen erreicht werden, d. h. mindestens 200 atm und 400 Grad Celsius. Da zur Herstellung von Wasserstoff fossile Brennstoffe wie Erdgas verwendet werden, wird außerdem viel Energie verbraucht, was zu hohen Kohlendioxidemissionen führt.
Einem Bericht der Royal Society von 2020 zufolge verbraucht das Haber-Bosch-Verfahren etwa 1,8 % der weltweiten Energie für die Herstellung von Ammoniak, und die bei diesem Prozess freigesetzten Kohlendioxidmengen machen 1,8 % der gesamten Kohlendioxidemissionen der Welt aus. Bei dem vom KIMM-Forschungsteam entwickelten Verfahren zur Herstellung von Ammoniak wird Wasser mit Stickstoffplasma kombiniert, wodurch Wasserstoff und Stickoxide entstehen. Die entstehenden Oxide werden mit Wasserstoff und Katalysatoren zu Ammoniak reduziert. Mehr als 99 % der bei dieser Plasmareaktion entstehenden Stickoxide werden zu Stickstoffmonoxid, das leicht zu Ammoniak reduziert werden kann. Das Stickstoffmonoxid reagiert dann mit dem mitproduzierten Wasserstoff und erzeugt Ammoniak mit einer hohen Selektivität von mehr als 95 %, die während des Plasmazersetzungsprozesses erzeugte Wärme wird für den katalytischen Syntheseprozess genutzt.
Da bei diesem Verfahren keine fossilen Brennstoffe verwendet werden und es sich um eine Technologie handelt, mit der „grünes Ammoniak“ ohne Kohlendioxidemissionen hergestellt werden kann, ist die Ausbeute 300- bis 400mal höher als bei den bestehenden elektrochemischen Verfahren zur Herstellung von Ammoniak, die als Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren gelten. Darüber hinaus lässt sich dieses Verfahren relativ leicht in großem Maßstab durch ein modulares System erweitern, da die Reaktion nur mit Wasser und Stickstoff bei Raumtemperatur/Druck stattfindet, im Gegensatz zu den Hochtemperatur-/Druckbedingungen, die bei den bestehenden Methoden der Ammoniakproduktion eingehalten werden müssen.
Für die Zukunft hofft das KIMM-Forschungsteam, die Kosten und die Effizienz der Ammoniakproduktion durch die Entwicklung von Scale-up- und Kommerzialisierungstechnologien zu verbessern. Das Team möchte auch mit in- und ausländischen Ingenieurbüros zusammenarbeiten, um ihre Bemühungen auf Ammoniakanlagen auszuweiten, insbesondere auf kleine und mittelgroße Anlagen, die bei Normaldruck und Raumtemperatur betrieben werden können. Dae Hoon Lee betonte, dass das umweltfreundliche Verfahren zur Herstellung von Ammoniak in realen Anlagen angewendet werden kann und theoretisch keinen Kohlenstoff freisetzt. Er erklärte auch, dass er und sein Team ihr Bestes tun werden, um weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchzuführen, die zu einer drastischen Verringerung der weltweiten Kohlenstoffemissionen beitragen würden.
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