Ammoniak-Produktion: Dual-Loop-Konzept für geringere Emissionen

Ammoniak spielt im Alltag und in der Industrie eine immer grössere Rolle – gleichzeitig verursacht seine heutige Herstellung weiterhin erhebliche klimaschädliche Emissionen.

Ingenieurinnen und Ingenieure stellen nun einen praxistauglichen Ansatz vor, der dasselbe Produkt mit geringerem Energiebedarf und deutlich niedrigeren Emissionen bereitstellen soll.

Auslegung für den Einsatz in Fabriken

Ammoniak ist in vielen Bereichen unverzichtbar. Als Grundbaustein anorganischer Düngemittel steht es im Zentrum grosser Produktionsketten, die zugleich die Herstellung von Kunststoffen und Sprengstoffen mit Rohstoffen versorgen.

Ausserdem wird Ammoniak als flüssiger Trägerstoff für Wasserstoff untersucht.

Geleitet wurde die Arbeit von Dr. Sunghyun Cho, Assistenzprofessor an der Jeonbuk National University (JBNU) in Südkorea.

Sein Team entwickelt Prozesssysteme mit Blick auf Klimaneutralität – darunter Konzepte zur Umwandlung von Abfällen in Ressourcen, die Produktion sauberer Brennstoffe, CO2-Abscheidung sowie Prozessoptimierung.

Statt von der Industrie zu verlangen, bestehende Anlagen komplett neu zu bauen, entwarf die Gruppe ein eng gekoppeltes Reaktionsnetzwerk, das zentrale Einsatzstoffe im Kreislauf führt.

Energiebedarf der Ammoniakherstellung

Beim derzeit dominierenden Herstellungsweg sorgen hoher Druck und hohe Temperaturen für die Reaktion – beides wird in der Praxis meist durch die Verbrennung fossiler Energieträger bereitgestellt.

Im Haber-Bosch-Verfahren werden Stickstoff und Wasserstoff zunächst stark verdichtet, zur Reaktion gebracht und anschliessend abgekühlt; nicht umgesetzte Anteile werden wieder in den Prozess zurückgeführt.

Nach dieser Einordnung beansprucht die Ammoniakproduktion rund zwei Prozent der gesamten Endenergie und ist für etwa 1.3 Prozent der CO2-Emissionen des Energiesystems verantwortlich.

Ein alternatives Verfahren muss diese Lasten reduzieren, dabei jedoch weiterhin die enormen Durchsätze liefern, die Landwirtschaft und Industrie benötigen.

Ein schonenderer chemischer Weg

Anstatt Gase mit grossem Aufwand an Extrembedingungen anzupassen, kann chemisches Looping – bei dem Feststoffe Sauerstoff zwischen Reaktoren transportieren – Energieverluste verringern.

Metalloxide werden dabei in einem Reaktor reduziert und in einem zweiten wieder oxidiert; so muss Luft nicht mit Brennstoffströmen vermischt werden.

„This method enables ammonia synthesis without the energy-intensive steps, significantly improving both sustainability and efficiency,“ erklärte Cho.

Voraussetzung sind jedoch robuste Feststoffmaterialien: Träger, die rasch zerfallen oder leicht „vergiften“, würden den Betrieb einer Anlage empfindlich beeinträchtigen.

Stickstoffspeicherung in Oxiden

In einem Teilkreislauf des Konzepts wird Aluminiumoxid genutzt, um Stickstoff in einem Feststoff zu binden und anschliessend mithilfe von Wasserdampf Ammoniak freizusetzen.

Im ersten Schritt nimmt der Feststoff Stickstoff zusammen mit Kohlenstoff auf; es entsteht Aluminiumnitrid – eine Verbindung, die Stickstoff speichert, bis Wasserdampf Ammoniak daraus freisetzt.

Später reagiert Wasserdampf mit dem stickstoffreichen Feststoff, wodurch Ammoniak entsteht, während der gebundene Stickstoff wieder in eine bewegliche Form übergeht.

Entscheidend ist hier das wiederholte Durchlaufen der Zyklen: Schwache Feststoffe würden über einen industriellen Fahrplan hinweg Abfallmengen, Stillstandszeiten und Kosten erhöhen.

Methan liefert Kohlenstoff nach Bedarf

Damit die Kreisläufe funktionieren, muss Kohlenstoff verfügbar sein, denn der Aluminiumoxid-Schritt benötigt festen Kohlenstoff, um Stickstoff einzufangen.

Vorgeschlagen wird dafür die thermische Zersetzung von Methan: Methan wird ohne Sauerstoff erhitzt, bis es in Wasserstoffgas und festen Kohlenstoff zerfällt.

Der so gewonnene feste Kohlenstoff speist die Stickstoff-Einfangreaktion; der Wasserstoff könnte in einer integrierten Anlage an anderer Stelle genutzt werden.

Der Klimavorteil hängt jedoch davon ab, wie mit diesem Kohlenstoff umgegangen wird – eine Verbrennung oder Freisetzung würde den Nutzen zunichtemachen.

Eisenoxid schliesst den Ammoniak-Kreislauf

Ein zweiter Kreislauf auf Basis von Eisenoxid übernimmt die Bereitstellung von Stickstoff, sodass keine separate Stickstoffanlage erforderlich wäre.

In diesem Zyklus wechselt Eisenoxid zwischen oxidierten und reduzierten Zuständen und setzt dabei Stickstoff frei, der anschliessend für die Aluminiumoxid-Reaktion zur Verfügung steht.

Kohlenmonoxid, das während des Aluminium-Kreislaufs entsteht, kann zudem als Einsatzstoff dienen und damit den Eisen-Kreislauf mit antreiben.

Eine so enge Kopplung kann die Effizienz steigern, bedeutet aber auch: Kommt es in einem Kreislauf zu Störungen, kann dies beide Prozesse ausbremsen.

Energiekennzahlen auf zwei Arten

Um die Skalierbarkeit zu prüfen, wertete das Team das Konzept anhand simulierter Anlagendesigns aus.

Erfasst wurden sowohl der Energieeinsatz als auch die Exergie – also der nutzbare Anteil der Energie, der tatsächlich Arbeit leisten kann – um Verluste sichtbar zu machen, die in reinen Wärmebilanzen leicht verborgen bleiben.

Im integrierten Szenario stieg die Energieeffizienz im Vergleich zum konventionellen Verfahren um 8.4 Prozent, während die Exergieeffizienz um 19.0 Prozent zunahm.

Wärmetauscher verbesserten alle untersuchten Varianten, was unterstreicht, dass intelligente Wärmerückgewinnung selbst bei neuer Chemie zentral bleibt.

Messung der Klimawirkung

Effizienz ist für die Kosten wichtig – die Klimarelevanz hängt jedoch davon ab, wie viel Erwärmungswirkung die Produktion pro Einheit Ammoniak verursacht.

Im günstigsten Fall reduzierte das Modell die Auswirkungen um 15.85 pounds (7.2 kilograms) CO2-Äquivalent pro pound – eine Vergleichseinheit, mit der sich wärmespeichernde Gase einordnen lassen.

Dieser Wert ergibt sich daraus, dass Reaktanten innerhalb der Kreisläufe wiederverwendet werden und dadurch weniger zusätzliche Prozessschritte mit weiterem Brennstoffeinsatz nötig sind.

Wie hoch die Werte in der Praxis ausfallen, wird unter anderem von der Stromquelle sowie davon bestimmt, ob der feste Kohlenstoff genutzt, gelagert oder verkauft wird.

Kosten und Risiken unter Druck

Geringere Emissionen sind nur dann relevant, wenn die Wirtschaftlichkeit stimmt – zumal Ammoniakanlagen nach dem Bau häufig über Jahrzehnte betrieben werden.

Für den integrierten Fall wurden 336.97 dollars pro 2,204 pounds (1,000 kilograms) Ammoniak ausgewiesen; die Autorinnen und Autoren bezeichnen dies als Rückgang um 60.9 Prozent.

In Sensitivitätsanalysen wurden CO2-Bepreisung und Energiekosten variiert; in der Simulation blieb die Leistung des Systems über diese Änderungen hinweg stabil.

„Our dual-looping technology can be applied across industries that require large-scale ammonia production while reducing carbon emissions and maintaining economic feasibility,“ schloss Cho.

Wo das Konzept ankommen könnte

Das Dual-Loop-Konzept verdeutlicht, wie sich Kohlenstoff-, Stickstoff- und Wärmeströme koppeln lassen, um Ammoniak mit weniger Verlusten zu erzeugen.

Bevor das Design in realen Anlagen umgesetzt werden kann, müssen Pilotversuche zeigen, dass die Materialien langfristig stabil bleiben und der feste Kohlenstoff sicher gehandhabt werden kann.