Durch Blitz inspiriertes plasma‑elektrochemisches Reaktorsystem könnte unseren Ammoniabenarf mit null CO₂‑Fußabdruck decken

Den Weg zu einer Ammoniwirtschaft finden

Während erneuerbare Energien voranschreiten, werden einige Einschränkungen deutlicher. Die Intermittenz erneuerbarer Energien erfordert Energiespeicherung, die Batterien sein könnte, wie wir in unserem Artikel „The Future Of Energy Storage—Utility-Scale Batteries Tech“ untersucht haben.

Allerdings sind einige Formen des Energieverbrauchs sehr resistent gegen Elektrifizierung. Zum Beispiel der Langstreckenseeverkehr oder der Luftfracht.

Für diese Anwendungen ist ein dichter flüssiger Kraftstoff vorzuziehen und wahrscheinlich die wahrscheinlichste Option für die Luftfahrt. Daher wird Ammoniak als feste Alternative zu fossilen Brennstoffen in Betracht gezogen. Ammoniak ist zudem ein Schlüsselstoff bei der Herstellung von Düngemitteln und Chemikalien wie Sprengstoffen.

Derzeit ist Ammoniak für 1,8 % des weltweiten Energieverbrauchs und der CO₂-Emissionen verantwortlich, und das noch bevor wir versuchen, es für den Verkehr zu nutzen. Es wird momentan durch Verbrennung von Methan hergestellt, wodurch sogenanntes graues Ammoniak entsteht. Eine bessere Alternative wäre das sogenannte grüne Ammoniak, das aus erneuerbarer Energie produziert wird.

Das Problem ist, dass grünes Ammoniak derzeit deutlich teurer ist als ölbasierte Kraftstoffe oder graues Ammoniak. Das liegt vor allem daran, dass Ammoniak durch die Verwendung von Wasserstoff hergestellt wird, dessen Produktion per Elektrolyse ebenfalls kostspielig ist.

Alternativen wie lithiumvermittelte Katalyse könnten möglich und günstiger sein, sind aber möglicherweise noch nicht preiswert genug.

Es könnte jedoch eine Alternative zu Wasserstoff geben, zumindest laut Forschern der Buffalo State University of New York und der University of Auckland (Neuseeland). Sie haben kürzlich ihre Ergebnisse zur Ammoniakproduktion mittels Plasma im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht unter dem Titel „Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma-Electrochemical Ammonia Synthesis“.

Die vielen Wege zur Ammoniakproduktion

Stickstoff (N₂) ist auf der Erde sehr reichlich vorhanden und macht 78 % der Atmosphäre aus. Damit er jedoch für Pflanzen oder als Chemikalie nutzbar ist, benötigen wir ihn in Form von Ammoniak (NH₃) oder Nitrat (NO₃). Das Hinzufügen dieser Wasserstoffatome zum Stickstoffatom ist ein sehr energieintensiver Prozess.

Eine Möglichkeit besteht darin, spezielle Bakterien zu nutzen, die als stickstofffixierende Bakterien bezeichnet werden. Dies ist eine der größten Quellen natürlichen Stickstoffs (100–300 Teragramm Stickstoff pro Jahr weltweit), reicht jedoch im Allgemeinen nicht für intensive Landwirtschaft aus.

Wie bereits erwähnt, ist eine weitere Möglichkeit die Nutzung von Wasserstoff (H₂), jedoch ist die Produktion von grünem Wasserstoff teuer.

Es gibt jedoch einen dritten Weg zur Ammoniakproduktion, der gelegentlich in der Natur vorkommt. Wenn ein Blitz einschlägt, zerlegt die Intensität des elektrischen Stroms das N₂ und erzeugt verschiedene Stickstoffoxidformen.

Quelle: Britannica

In der Natur werden diese Stickstoffoxide dann von Bakterien in Ammoniak umgewandelt. Das macht nur einen kleinen Teil der natürlichen Ammoniakproduktion aus, im Bereich von 3–10 Teragramm. Dies könnte künstlich reproduziert werden, wodurch der Bedarf an Wasserstoff vollständig umgangen würde.

Künstliches Plasma ersetzt Blitz

Die Forscher leiteten Luft in einen Plasmareaktor ein, einen Behälter mit einer Elektrode und einem Glasrohr. Die Plasmaschläge reproduzieren die Wirkung eines Blitzes und erzeugen eine komplexe Mischung von Stickstoffoxiden in der Reaktionskammer.

Quelle: ACS Publication

Diese gemischten Gase werden dann zu einem katalytischen Reaktor geleitet, der eine kupfer‑palladiumlegierte Schaumstruktur enthält. Dieser Katalysator ist dafür verantwortlich, zunächst die Stickstoffoxide aus der Restluft zu absorbieren und dann die Bakterien zu ersetzen, die in der Natur die Oxide in Ammoniak umgewandelt hätten.

Feinabstimmung der Katalyse

Der zweite Schritt, Stickstoffoxide in Ammoniak umzuwandeln, ist alles andere als einfach.

„Wenn Plasmastrahlung oder ein Blitzschlag Stickstoff aktiviert, erzeugt man eine Suppe aus Stickstoffoxidverbindungen. Gleichzeitig bis zu acht verschiedene chemische Verbindungen in Ammoniak umzuwandeln, ist unglaublich schwierig.“
Xiaoli Ge – Postdoktorandin an der University at Buffalo

Das bedeutet, dass nicht nur 8 chemische Reaktionen nötig sind, um Oxide in Ammoniak zu verwandeln, sondern tatsächlich viel mehr Zwischenschritte, von denen jeder potenziell einen Engpass verursachen und die Gesamteffizienz des Systems verringern kann.

Es ist zudem problematisch, da Stickstoffoxide teilweise umweltschädlich sind, und jede groß angelegte Ammoniakproduktion mit diesem Verfahren möglichst wenig Reststickstoffoxide enthalten muss.

So mussten die Forscher eine Reihe bimetallischer Katalysatoren entwickeln, die anschließend feinabgestimmt wurden, um „die optimale Adsorption und Umwandlung des limitierenden Zwischenprodukts im NOx‑zu‑NH3‑Pfad“ zu erreichen.

Sie nutzten einen mathematischen Prozess namens Graphentheorie, um alle verschiedenen Reaktionswege zu kartieren. Auf diese Weise konnten sie von Anfang an die Engpässe erkennen und Wege zur Verbesserung der Umwandlungseffizienz finden.

Dabei stellten sie fest, dass die meisten Stickstoffoxidverbindungen zunächst durch Stickstoffmonoxid oder Amin als Zwischenschritt zirkulieren müssen, bevor sie zu Ammoniak werden. Daher entwickelten sie einen Katalysator, der sich günstig an diese beiden Verbindungen bindet.

Skalierung

Das fertiggestellte Design erreichte eine Ammoniakproduktionsrate von 81,2 mg/h/cm². Die Plasma­kammer und der Kupfer‑Palladium‑Katalysator waren nach mehr als 1.000 Betriebsstunden bei einem angelegten Strom von 2 Ampere stabil.

Das Forschungsteam untersucht nun den nächsten Schritt zur Skalierung ihres experimentellen Reaktors, wobei sowohl ein Startup als auch die Lizenzierung der Technologie an Industriepartner in Betracht gezogen werden. Die Universität Buffalo hat zudem einen Patentantrag für den Reaktor eingereicht.

Im Gegensatz zur derzeitigen fossilbasierten Produktion würde diese plasma‑basierte Ammoniakproduktion einige zentrale Vorteile bieten:

• Da die Plasmagenerierung vollständig durch Strom betrieben wird, kann sie zu 100 % mit grüner Energie versorgt werden.
• Sie könnte in einem mittelgroßen Container integriert und an Solarpaneele angeschlossen werden, ohne die massive Größe heutiger Ammoniakanlagen zu benötigen.
• Weitere Fortschritte in der Katalysatorforschung könnten die Systemkosten senken, ebenso wie die kontinuierlich sinkenden Kosten für grüne Energie, insbesondere Solarenergie.

„Man kann sich unsere Reaktoren etwa in einem mittelgroßen Schiffscontainer mit Solarpaneelen auf dem Dach vorstellen. Dieser könnte dann überall auf der Welt platziert werden und Ammoniak nach Bedarf für die jeweilige Region erzeugen.

Das ist ein sehr spannender Vorteil unseres Systems und ermöglicht es uns, Ammoniak für unterentwickelte Regionen zu produzieren, die nur begrenzten Zugang zum Haber‑Bosch‑Verfahren haben.“
Chris Li – Assistenzprofessor für Chemie

Möglicherweise könnte die Untersuchung weiterer Optionen, die kein teures Palladium erfordern, wie ein Bioreaktor mit den richtigen Bakterien, ebenfalls eine Möglichkeit für die Weiterentwicklung sein, jedoch könnte es schwierig sein, diese auf das Volumen zu skalieren, das nötig ist, damit Ammoniak zu einer globalen Brennstoffquelle wird.

Investitionen in Ammoniak

Wir haben bereits in früheren Artikeln einige Investitionsmöglichkeiten in grünes Ammoniak behandelt, ebenso die dahinterstehende Wissenschaft, insbesondere „The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks“ und „Decarbonizing Global Shipping Lanes through Green Ammonia“.

Bezüglich des Aufkommens dieses neuen plasma‑basierten Ammoniakproduktionsprozesses könnte jedoch eine relevantere Aktie zum Investieren ein Palladiumbergbauunternehmen sein, da jede Skalierung eine enorme Menge des von den Forschern verwendeten Katalysators benötigen würde.

Palladium wurde 2023 hauptsächlich von Russland und Südafrika produziert, gefolgt von Kanada und Simbabwe.

Quelle: Statista

Und natürlich ist auch eine Direktinvestition in Palladium in Form von Münzen oder Metallbarren bei Edelmetallhändlern möglich.

Quelle: US State Mint

Die Palladiumpreise waren in den vergangenen Jahren sehr volatil, mit einem massiven Preisanstieg infolge des Ukraine‑Kriegs und der Bedeutung der russischen Versorgung für diesen Markt. Seitdem sind sie wieder gesunken.

Quelle: Investing.com

1. Sibanye Stillwater Limited

Bei weitem das größte palladium‑ und platinorientierte Unternehmen, Sibanye Stillwater (SBSW ), ist ein Branchenführer. Es ist zudem der weltweit größte Rhodiumproduzent.

Neben diesen Metallen produziert das Unternehmen auch andere Platinmetallgruppen‑Metalle wie Iridium und Ruthenium. Das liegt vor allem daran, dass die Metalle der Platinum Metal Group (PGM) häufig gemeinsam in denselben Erzen vorkommen.

Quelle: Stillwater

Im September 2024 kündigte Sibanye Stillwater an, dass es seine Montana Stillwater Mine umstrukturieren werde und die Produktion dieser Mine um 45 % reduzieren wolle, um Kosten zu senken. Die Mine, die mehr Palladium als Platin enthält, hat unter den niedrigen Palladiumpreisen gelitten.

Dies führte zu einer massiven Abschreibung von 435 Mio. $, wodurch das Unternehmen im ersten Halbjahr 2024 einen Verlust verbuchte.

Dies würde es auch zu einem wertvollen ruhenden Vermögenswert machen, falls Palladium zu einem wichtigen „Energieträger“ für die Massenproduktion von Ammoniak mittels Plasma wird.

Es ist zudem erwähnenswert, dass die aktuellen Preise kaum ausreichen, um die Produktionskosten in den meisten platinreichen Regionen zu decken, was zu einem Tiefpunkt für die Branche vor einer Schließung der Mine führt.

Quelle: Sibanye Stillwater

Sibanye Stillwater diversifiziert derzeit von einem reinen PGM‑Bergbauunternehmen hin zu den Gold‑ und Batteriemetallmärkten, insbesondere mit einem Lithiumbergbauprojekt in Finnland.

Quelle: Sibanye Stillwater

Das Unternehmen ist zudem im Uranbergbau mit dem Beisa‑Uranprojekt in Südafrika aktiv. Es hat dieses kürzlich an Neo Energy verkauft im Austausch für einen 40 %igen Anteil an Neo Energy sowie Lizenzgebühren für das gesamte verkaufte Uran, wobei die Zahlungen auf 5 $ pro Pfund begrenzt sind, abhängig vom Spotpreis für Uran.

„Der Verkauf des Beatrix‑4‑Schachts und des Beisa‑Uranprojekts steht im Einklang mit der Strategie von Sibanye‑Stillwater, Wert aus unseren Uran‑Assets zu schöpfen.“
Neal Froneman – Geschäftsführer von Sibanye‑Stillwater

Insgesamt ist Sibanye‑Stillwater das weltweit größte internationale PGM‑Bergbauunternehmen, und seine Aktionäre würden stark von einer Umstellung des Energiesektors auf Wasserstoff oder Ammoniak als Transportkraftstoff profitieren. Das liegt daran, dass fast alle möglichen Technologien in diesem Segment entweder Platin, Palladium oder Rhodium für die Wasserstoffelektrolyse, die Ammoniakproduktion oder Brennstoffzellen benötigen, da die grundlegende Physik der Katalyse von Wasserstoffreaktionen diese speziellen Metalle erfordert.

Es expandiert zudem im Bereich kohlenstoffarmer Energie, von Lithium bis Uran, und ist damit eines der Bergbauunternehmen, das am wahrscheinlichsten von der Wende zu einer grünen Wirtschaft profitiert, die von erneuerbaren Energien sowie Wasserstoff/Ammoniak angetrieben wird.

Studienreferenz:

^{1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma‑Electrochemical Ammonia Synthesis. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858}