Energie
Ammoniakproduktion ist enorm umweltschädlich – Ingenieure haben gerade ein saubereres Verfahren entwickelt
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Ammoniak: Vom Schadstoff zur grünen Alternative
Ammoniak wird als Alternative zu fossilen Brennstoffen für schwer zu elektrifizierende Anwendungen wie Schifffahrt, Lkw‑Verkehr oder langfristige Energiespeicherung diskutiert. Es wurde auch als Zwischenschritt für den sicheren Transport von Wasserstoff vorgeschlagen, der anschließend in Brennstoffzellen verwendet werden kann.
Üblicherweise wird Ammoniak durch die Kombination von Wasserstoff mit Stickstoffgas unter hohem Druck und hohen Temperaturen hergestellt, ein Verfahren, das als Haber‑Bosch‑Prozess bekannt ist. Leider ist diese Methode umweltschädlich und nicht besonders energieeffizient.
Quelle: Research Gate
Stattdessen haben Forscher der die University of Illinois, Texas Tech University und General Ammonia Company ein neues Verfahren zur Ammoniakproduktion optimiert, das Ethanol mit einer geladenen Lithium‑Elektrode nutzt.
Dies ist nicht ihr erster Durchbruch; zuvor arbeiteten sie an elektrokatalytischen Sieben (ein Kupfergitter) zur Ammoniakproduktion, sowie „Solar‑zu‑Kraft“-Ammoniakgeneratoren.
Lithium‑„Symphonie“ für die grüne Ammoniakproduktion
Das neue Ammoniakproduktionsverfahren funktioniert, indem Stickstoffgas und ein wasserstoffspendendes Fluid wie Ethanol mit einer geladenen Lithium‑Elektrode kombiniert werden.
Diese „Lithium‑vermittelte Ammoniaksynthese“ (LiMAS) verläuft in drei aufeinanderfolgenden Schritten:
- Erstens ein Schritt, der als Li⁺‑Elektrodeposition bezeichnet wird. Dieser wird mit Stromoszillationen durchgeführt, um eine hochwertige Festelektrolyt‑Grenzfläche (SEI) und Spannungsstabilität zu gewährleisten.
- Zweitens haftet das Stickstoffmolekül an Lithium in einem Vorgang, der als Li‑Nitridierung bezeichnet wird.
- Drittens fügt die Protolyse von Li₃N die Wasserstoffatome zum Stickstoff hinzu und erzeugt Ammoniak (NH₃).
Quelle: ACS Publications
„Es gibt zwei Schleifen, die ablaufen. Die eine ist die Regeneration der Wasserstoffquelle und die zweite die Regeneration des Lithiums. In dieser Reaktion gibt es eine Symphonie, bedingt durch den zyklischen Prozess.
Was wir getan haben, war, diese Symphonie besser zu verstehen und sie auf sehr effiziente Weise zu modulieren, sodass wir eine Resonanz erzeugen und sie schneller laufen lassen können.“ – Singh, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der UIC.
Der Elektrodepositionsschritt ist die wichtigste Innovation dieser Forschung, da er die NH₃‑Selektivität erheblich verbessert.
Sie fanden außerdem zwei weitere Faktoren, die die Produktivität der Ammoniakproduktion steigern:
- Erhöhung des Stickstoffgassedrucks auf bis zu 20 bar.
- Verwendung von Alkohol als Wasserstoffquelle.
- 1‑Butanol als Wasserstoffdonor erzielte die höchste Ausbeute
- Wasser ist ein deutlich weniger effizienter Wasserstoffdonor, entgegen der bisherigen Annahmen der Wissenschaftsgemeinschaft.
Insgesamt machen diese Erkenntnisse die Hochdruck‑LiMAS („Lithium‑vermittelte Ammoniaksynthese“) produktiver als sowohl die Niederdruck‑LiMAS als auch den Haber‑Bosch‑Prozess.
Quelle: UIC Today
Die Probleme der Ammoniakproduktion
Grünes Ammoniak
Wir haben erwähnt, dass die Ammoniakproduktion wahrscheinlich ein entscheidender Schritt zur Dekarbonisierung des gesamten Wirtschaftssektors und zum Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft ist. Wir haben dies in unserem Artikel „Dekarbonisierung globaler Schifffahrtsrouten durch grünes Ammoniak“ diskutiert.
Dies gilt besonders, wenn das Verfahren mit grüner Energie (einschließlich grünem Wasserstoff) betrieben wird, da andere Formen von Ammoniak weniger umweltfreundlich sind.
Damit unterscheidet sich grünes Ammoniak von anderen Ammoniakarten:
- Graues/braunes Ammoniak: aus fossilen Brennstoffen hergestellt.
- Blaues Ammoniak wird aus fossilen Brennstoffen hergestellt, jedoch mit CO₂‑Abscheidung.
- Rosa Ammoniak (manchmal auch gelbes Ammoniak genannt): aus Kernenergie hergestellt.
- Türkisfarbenes Ammoniak: entsteht durch Pyrolyse von Methan. Dabei wird Methan in Wasserstoff und festen Kohlenstoff gespalten, wobei der Wasserstoff später zu Ammoniak umgewandelt wird. Der feste Kohlenstoff kann gespeichert oder für Anwendungen wie Kohlenstofffasern verwendet werden.
Heute wird der Großteil des Ammoniaks für Anwendungen wie Düngemittelproduktion und die chemische Industrie (Farben, Sprengstoffe usw.) hergestellt. Es wird hauptsächlich unter Verwendung fossiler Brennstoffe, insbesondere Erdgas, produziert.
Infolgedessen rangiert Ammoniak nach Zement als zweitgrößter Verursacher von CO₂‑Emissionen unter den industriellen Prozessen und macht 1,5 % der gesamten CO₂‑Emissionen aus.
Die für den Haber‑Bosch‑Prozess erforderlichen hohen Temperaturen tragen ebenfalls nicht zur Senkung des Energieverbrauchs bei, da die dafür benötigte Energie häufig aus fossilen Brennstoffen stammt, einschließlich kohlenstoffintensiver Kohle.
Industrialisierung von LiMAs
Obwohl Lithium nicht das günstigste Material ist, ist es auch nicht außergewöhnlich teuer und wird bei der Ammoniakproduktion mittels Hochdruck‑LiMAS nicht verbraucht.
In Kombination mit der hohen Energieeffizienz ist dieses Verfahren eine kostengünstige Ammoniakquelle.
Die Forscher der University of Illinois schätzen, dass das Verfahren bei Skalierung wirtschaftlich rentabel wäre
„Der Prozess würde Ammoniak zu 456 $ pro Tonne produzieren, was 60 % günstiger ist als frühere lithiumbasierte Ansätze und andere vorgeschlagene grüne Methoden.“ Singh, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der UIC.
Damit läge diese Produktionsmethode im gleichen Preisbereich wie andere noch in Entwicklung befindliche grüne Alternativen, zum Beispiel das containerisierte Ammoniak‑Generationssystem von Fuel Positive, das auf CA$560 pro Tonne abzielt, oder das modulare Ammoniaksystem von AmmPower mit $360 pro Tonne nur für die Stromkosten (ohne Wartungs‑ und Investitionsausgaben).
(Wir diskutieren diese 2 Unternehmen und andere in unserem Artikel „Der andere Wasserstoff‑Kraftstoff – Top 5 grüne Ammoniak‑Aktien“)
456 $ pro Tonne würden zudem mit den meisten regionalen Ammoniakpreisen weltweit übereinstimmen, die derzeit durch die fossile Brennstoffproduktion bestimmt werden.
Die Ammoniakpreise schwanken stark, wenn die Erdgaspreise steigen, wie 2022 zu Beginn des Krieges in der Ukraine.
Quelle: BusinessAnalitIQ
Die Wissenschaftler arbeiten bereits mit der General Ammonia Co. zusammen, um ihr lithiumvermitteltes Ammoniak‑Syntheseverfahren zu pilotieren und zu skalieren. Ein Pilotwerk wird im Raum Chicago errichtet und das Office of Technology Management der University of Illinois hat ein Patent für das Verfahren eingereicht.
Grüne Ammoniakunternehmen
1. General Ammonia Company
Das Unternehmen, das mit den Forschern der University of Illinois zusammenarbeitet, ist nicht börsennotiert, sucht jedoch „aktiv nach Investitionen“.
Akkreditierte Investoren könnten daran interessiert sein, sie direkt zu kontaktieren und mögliche Investitionsbedingungen für das Unternehmen und sein Hochdruck‑LiMAS‑Pilotwerk zu besprechen.
2. NitroVolt
NitroVolt ist ein weiteres Unternehmen, das Ammoniak mittels LiMAS herstellen möchte und für das lithiumvermittelte Ammoniak‑Syntheseverfahren ein ausstehendes Patent hat.
Quelle: NitroVolt
Das dänische Unternehmen kombiniert das LiMAS‑Verfahren mit seinem proprietären Flow‑Cell‑System, das eine kontinuierliche, hocheffiziente Reaktion ermöglicht.
Die Forschung des Unternehmens wurde in renommierten wissenschaftlichen Publikationen veröffentlicht, insbesondere:
- Science:
- Nature: Ein rigoroses elektrochemisches Ammoniak‑Syntheseprotokoll mit quantitativen Isotopenmessungen
Quelle: NitroVolt
seine erste Investition am 6. März 2024 von VC‑Firma BackingMinds.
3. FuelPositive Corporation (NHHHF)
FuelPositive hat ein modulares/containerisiertes System zur Erzeugung von grünem Ammoniak entwickelt. Das erste Ziel ist der Agrarsektor, wodurch eine Vor‑Ort‑Ammoniakproduktion mit lokal erzeugter Energie ermöglicht wird. Das System kann bis zu 300 kg/Tag bzw. 100 Tonnen pro Jahr Ammoniak für CA$950.000 erzeugen.
Quelle: Fuel Positive
Damit ist das System für Betriebe bis zu 1.800 Acres geeignet. Mit lediglich 1,5 Acres mit Solarpanelen lässt sich die Ammoniakproduktion ausreichend mit Strom versorgen.
Quelle: Fuel Positive
FuelPositive behauptet, dass sein System Ammoniak für CA$560 pro Tonne produzieren kann,
Das Start‑up befindet sich in einer frühen Phase, die Vollproduktion ist für 2025 geplant, und bisher wurden 30 Aufträge bestätigt, wobei die erste Lieferung für März 2024 vorgesehen ist.
Die Hauptstärke von FuelPositive liegt in der Modularität seiner Technologie, die einen dezentraleren Ansatz und eine standardisierte Massenproduktion des Ammoniak‑Generationsmoduls ermöglicht.
Das Unternehmen baut eine Partnerschaft mit Cipher Neutron auf, das Wasserstoff ohne Metalle der Platin‑Gruppe erzeugen kann.
Eine ähnliche Partnerschaft zur Nutzung/Lizenzierung des LiMAS‑Verfahrens für die Ammoniakproduktion könnte etabliert werden, da die Stärke des Unternehmens in seinem modularen Design liegt und nicht in einer proprietären Ammoniak‑Generierungstechnologie.
Obwohl der Hauptfokus auf der Düngemittelproduktion liegt, könnte das Ammoniak zur Stromversorgung von landwirtschaftlichen Motoren mit vor Ort erzeugter Energie verwendet werden, abhängig vom Tempo der Einführung von ammoniak‑/wasserstoffbetriebenen landwirtschaftlichen Geräten.
Die dezentralisierte und modulare Natur der FuelPositive‑Systeme könnte sie zudem zu einem Schlüsselelement einer zukünftigen Ammoniak‑Wirtschaft machen. Der Dünger‑Markt kann dem Unternehmen die Lücke bieten, bis die Nutzung von Wasserstoff und Ammoniak weiter verbreitet ist.
4. AmmPower Corp. (AMMPF)
AmmPower ist ähnlich wie FuelPositive, da es modulare Ammoniak‑Generationssysteme anbietet, jedoch in größerem Maßstab, wobei das Basismodul bis zu 4 Tonnen/Tag produzieren kann. Damit richtet sich das Unternehmen eher an sehr große Betriebe (über 10.000 Acres) oder industrielle Anwendungen wie Textilien, Kühlung, Bergbau, Pharmazeutika oder Halbleiter.
Quelle: AmmPower
Das Unternehmen baut derzeit sein Auftragsbuch aus, wobei das kurzfristige Buchungspotenzial auf etwa 30 Mio. $ geschätzt wird und Verkaufsperspektiven für 690 Einheiten aus 52 Ländern bestehen.
Das Unternehmen schätzt die Stromkosten auf etwa 360 $ pro Tonne Ammoniak.
Die Modularität des Systems ermöglicht eine schnelle Umsetzung und Lieferung, in weniger als einem Jahr im Vergleich zu 3–4 Jahren bei ähnlichen Projekten ohne modularen Ansatz.
Es arbeitet außerdem an einer Technologie, um Abfall in Ammoniak zu verwandeln, in einem Joint‑Venture mit CTEC Energy Sales USA.
Auch hier könnten weitere Partnerschaften etabliert werden, um den LiMAS‑Ammoniakprozess in das modulare Design zu integrieren.
Um den Fortschritt von Ammoniak in einer Wasserstoff‑Ammoniak‑Wirtschaft voranzutreiben, gründet es eine eigene Tochtergesellschaft, die sich auf das Cracken von Ammoniak zu Wasserstoff spezialisiert und separat nach zusätzlicher Finanzierung sucht.
Durch die Erreichung einer Skalierung, die sowohl für die meisten industriellen Anwendungen als auch für sehr große Betriebe geeignet ist, zielt AmmPower auf Kunden und Unternehmen mit tieferem Kapitalzugang als die meisten ab.
In Kombination mit der Ammoniak‑Cracking‑Technologie könnte dies dem Unternehmen ermöglichen, schnell zu skalieren, sobald politische Maßnahmen die Entwicklung von Wasserstoff als Energieträger vorantreiben.
