Blitzähnliches Plasma, um grünen Ammoniak erschwinglich zu machen

Der Weg zu einer grünen Ammoniak‑Wirtschaft

Ammoniak, oder NH₃, gilt als ein großes Potenzial, flüssige Kraftstoffe aus Öl und anderen fossilen Brennstoffen zu ersetzen. Das liegt daran, dass es aus einem äußerst reichlich vorhandenen Rohstoff, atmosphärischem Stickstoff (N₂), hergestellt wird und nicht zwingend Öl oder Methan für seine Produktion benötigt.

Da Ammoniak ein wichtiger Dünger ist, macht seine Produktion derzeit einen riesigen Teil der chemischen Industrie aus und ist damit die weltweit zweithäufigste hergestellte Chemikalie.

Ammoniak wird derzeit hauptsächlich über das Haber‑Bosch‑Verfahren hergestellt, bei dem Stickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak kombiniert wird, wobei hoher Druck und hohe Temperaturen zum Einsatz kommen, was es von Natur aus energieintensiv macht.

Quelle: Angewandte Chemie

Allerdings beeinflusst die Herkunft dieses Wasserstoffs, wie umweltschädlich die Ammoniakproduktion sein kann. Heute wird der Großteil des Wasserstoffs für die Ammoniakproduktion aus fossilen Brennstoffen gewonnen, wodurch Ammoniak für 1,3 % der globalen CO₂‑Emissionen verantwortlich ist.

Idealerweise würde eine Ammoniak‑Wirtschaft auf dem sogenannten grünen Ammoniak basieren, das aus erneuerbarer Energie erzeugt wird. Das unterscheidet es von anderen Ammoniakarten:

• Grau/braunes Ammoniak: aus fossilen Brennstoffen hergestellt.
• Blaues Ammoniak: 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 Kohlefaser verwendet werden.

Solange Ammoniak nicht überwiegend grünes Ammoniak ist, ist es eher sinnlos, es zur Ersetzung fossiler Brennstoffe im Verkehr und in der Industrie zu verwenden, da es lediglich den Ort des Verbrauchs fossiler Brennstoffe verschiebt.

„Der Bedarf der Industrie an Ammoniak wächst nur. In den letzten zehn Jahren will die globale Wissenschaftsgemeinschaft, einschließlich unseres Labors, eine nachhaltigere Methode zur Ammoniakproduktion finden, die nicht auf fossilen Brennstoffen beruht.“Prof. PJ Cullen – Professor an der University of Sydney und dem Net Zero Institute

Deshalb könnten neue Entdeckungen, die die Ammoniakproduktion grundlegend vom jahrhundertealten Haber‑Bosch‑Verfahren abwenden, ein Wendepunkt sein.

Eine solche Innovation könnte gerade von Forschern der University of Sydney (Australien) und der Zhejiang University (China) stammen, die Plasma zur Erzeugung von Stickstoff aus Luft einsetzen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Angewandte Chemie¹ unter dem Titel „Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion“.

Warum Ammoniak?

Wenn Ammoniak im Wesentlichen umgewandelter Wasserstoff ist, warum nicht direkt Wasserstoff verwenden?

Der Unterschied zu Wasserstoff besteht darin, dass Ammoniak ein viel größeres Molekül als H₂ ist und deutlich stabiler. Das erleichtert Transport und Lagerung erheblich. Ammoniak hat zudem fast 50 % höhere Energiedichte als flüssiger Wasserstoff.

Quelle: Kleinman Center For Energy Policy

Diese Energiedichte und die einfachere Lagerung machen Ammoniak zu einem Spitzenkandidaten für den Einsatz im Verkehr, insbesondere für energieintensive Langstrecken wie die Schifffahrt, worüber wir ausführlich in „Decarbonizing Global Shipping Lanes Through Green Ammonia“ gesprochen haben.

Es würde Ammoniak auch zu einem guten Kandidaten für einjähriges oder monatelanges Speichern machen, ein seit langem bestehendes Problem zur Ausbalancierung von Stromnetzen, die auf grüner Energie basieren, wobei zum Beispiel der Überschuss an Solarenergie im Sommer oder während windreicher Wochen zur Erzeugung von überschüssigem Ammoniak genutzt wird, das im Winter oder bei wenig Wind verbraucht wird.

Probleme bei der Ammoniakproduktion

Solange die Ammoniakproduktion auf dem Haber‑Bosch‑Verfahren beruht, könnte der Wechsel zu einem umweltfreundlicheren Brennstoff Zeit benötigen.

Der Hauptgrund ist, dass die Produktion von grünem Wasserstoff komplex und teuer ist und häufig seltene Metalle wie Platin erfordert, obwohl sich dies dank Fortschritten in der Nanotechnologie, etwa durch den Einsatz von Nickelnanoröhren, wahrscheinlich ändern wird.

Ein weiterer Grund ist, dass die Ammoniakproduktion mit Wasserstoff ein mehrstufiger Prozess ist, bei dem jeder Schritt Kapitalinvestitionen erfordert und die Gesamtausbeute an Energie verringert:

• Grüne Energie muss zunächst mit Solar-, Wind- oder Wasserkrafttechnologien erzeugt werden.
• Diese Elektrizität wird dann zu einem Elektrolyseur transportiert, der Wasserstoff erzeugt.
• Der Wasserstoff wird anschließend zur Ammoniakproduktion verwendet.

Da grüne Energie im Allgemeinen intermittenter und dezentraler ist, entstehen zusätzliche Kosten, um eine zentrale Wasserstoff‑ und Ammoniakproduktion zu ermöglichen.

„Derzeit erfordert die Ammoniakproduktion eine zentrale Herstellung und den Ferntransport des Produkts. Wir benötigen ein kostengünstiges, dezentrales und skalierbares ‚grünes Ammoniak‘.“Prof. PJ Cullen – Professor an der University of Sydney und dem Net Zero Institute

Wie nicht‑thermales Plasma die grüne Ammoniakproduktion revolutionieren könnte

Was ist nicht‑thermales Plasma?

Andere Methoden neben dem Haber‑Bosch‑Verfahren existieren zur Ammoniakproduktion. Die Grundidee besteht darin, Strom zu nutzen, um Stickstoff zu oxidieren und anschließend Wasserstoffatome hinzuzufügen (Stickstoff‑Reduktionsreaktion – eNRR).

Allerdings sind diese Methoden durch die geringe Löslichkeit von Stickstoff und unerwünschte Nebenreaktionen in wässrigen Lösungen begrenzt. Deshalb wird stattdessen nicht‑thermales Plasma (NTP) in Betracht gezogen, da NTP besser für Oxidationsreaktionen als für chemische Reduktionen geeignet ist.

Quelle: Angewandte Chemie

Das entstehende Nitrat (NO₃⁻) und Nitrit (NO₂⁻) haben eine Löslichkeit in Wasser, die fast 40.000‑mal höher ist als die von N₂.

Diese Methoden sind vielversprechend, erfordern jedoch die Extraktion und Reinigung von Stickstoff und Sauerstoff aus der Luft, was die Kosten erhöht.

Deshalb sind Ansätze attraktiv, bei denen Luft direkt aktiviert wird, um NOx zu erzeugen, und die resultierenden NOx‑Zwischenprodukte anschließend über elektrochemische Umwandlung zu NH₄⁺ reduziert werden.

Kupfer‑Eisen‑Katalysator

Die Forschenden verwendeten ein Nanogitter aus Kupfer (P‑Cu), bei dem eine Sauerstoff‑Plasma‑Atmosphäre eingesetzt wurde, um Defekte (CuxO/Cu) sowie hochreaktive Spezies wie O⁻‑Ionen, O‑Atome und O₃‑Moleküle (Ozon) zu erzeugen. Diese reaktiven Sauerstoffspezies reagieren mit Kupfer und führen zu einer Oberflächenoxidation.

Durch die Zugabe von Eisenatomen entstanden stabile Fe–O–Cu‑Brückenbindungen auf der Oberfläche.

Quelle: Angewandte Chemie

Mittels energiedispersiver Röntgen‑Spektroskopie (EDS) konnten die Forschenden die hochkomplexen Kristallstrukturen untersuchen, die durch diesen Prozess entstehen. Die sehr kleinen Stäbe und komplexen Strukturen vergrößerten die Oberfläche des Materials und machten es zu einem besseren Katalysator.

Quelle: Angewandte Chemie

Elektrokatalyse von Ammoniak

Fe₂O₃ NPs/Cu wurde als Kathode für die Ammoniakproduktion aus Stickstoff und Wasser eingesetzt, wobei sowohl die Oxidation von Stickstoff als auch die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff direkt gesteuert werden.

Tests zeigten, dass die Einführung von Fe₂O₃ auf Kupfer die elektrokatalytische Aktivität wirksam erhöht.

Quelle: Angewandte Chemie

Sie analysierten im Detail, wie die Ammoniakproduktion funktioniert, und bestätigten, dass es sich tatsächlich um eine komplexe, mehrschichtige chemische Reaktion handelt, die sehr schnell abläuft, wobei NO₂ zu NH₃ wird.

Quelle: Angewandte Chemie

Wichtiger ist, dass die Reaktion bei 300 mA eine fast 100 % faradische Effizienz erreichte, was bedeutet, dass der größte Teil der eingesetzten Elektrizität in chemische Energie umgewandelt wird, wodurch sie um ein Größenordnung effizienter ist als die mehrstufigen klassischen Wasser‑Elektrolyse (zur Wasserstoffproduktion) und anschließend die Stickstoff‑zu‑Ammoniak‑Umwandlung.

„Dieser neue Ansatz ist ein zweistufiger Prozess, bei dem Plasma und Elektrolyse kombiniert werden. Wir haben die Plasmakomponente bereits hinsichtlich Energieeffizienz und Skalierbarkeit machbar gemacht.“Prof. PJ Cullen – Professor an der University of Sydney und dem Net Zero Institute

Zukünftige Schritte

Insgesamt zeigt diese Methode, dass es alternative Wege zur Ammoniakproduktion gibt, die das Haber‑Bosch‑Verfahren vollständig umgehen könnten, und dass die getrennte Erzeugung von grünem Wasserstoff von vornherein nicht mehr nötig ist.

Dies stellt zudem eine Verbesserung gegenüber einer früheren Version dieser Technologie dar, bei der ein Kupfer‑Palladium‑Katalysator anstelle von Eisen verwendet werden musste, wobei Palladium ein teures Metall ist.

Diese Studie konzentrierte sich hauptsächlich auf die Entwicklung eines effizienten Katalysators für die Oxidation von Stickstoff direkt aus ungefilterter und gereinigter Luft.

Um die Wirtschaftlichkeit zu gewährleisten, muss die Elektrolyseur‑Komponente, die den Wasserstoff erzeugt, noch verbessert werden. Glücklicherweise werden Fortschritte bei der Wasserstoffproduktion mit bislang nicht genutzten Katalysatoren oder sogar selbstoptimierenden Katalysatoren erzielt.

Wahrscheinlich werden wir mittelfristig die Kombination verschiedener Technologien in einer kommerziellen Ammoniakproduktionsanlage sehen, etwa die direkte Stickstoffoxidation mit Plasma unter Einsatz von Kupfer und Eisen sowie die Wasserelektrolyse mit ebenso günstigen Metallen.

Diese Einheiten könnten direkt an Standorten der grünen Energieerzeugung installiert werden, wobei das produzierte Ammoniak in einem relativ günstigen Tank (im Vergleich zu Wasserstoff) gespeichert wird, um anschließend per Pipeline, Lkw oder Tanker transportiert zu werden.

Am wahrscheinlichsten werden Unternehmen, die die grüne Energieerzeugung, Ammoniakproduktion und den Ammoniaktransport vertikal integrieren können, am meisten von solchen Konzepten profitieren.

Ammoniak‑Unternehmen

Aker Horizons ASA (AKH.OL)

Aker Horizon ist eine Tochtergesellschaft der Aker‑Gruppe, die sich auf grüne Energie konzentriert. Die Gruppe ist ein großer norwegischer Konzern mit Schwerpunkt auf erneuerbaren Energien sowie Marine‑/Offshore‑Geschäften.

Quelle: Aker

Aker Horizon ist die Holdinggesellschaft für mehrere Tochterunternehmen, darunter grüner Wasserstoff, On‑ und Offshore‑Windparks sowie Solarfarmen. Dazu gehört Mainstream Renewable Power, ein Versorgungsunternehmen mit 20,4 GW erneuerbarer Energie in Entwicklung in Südafrika (12,3 GW) und anderen Ländern (Asien, Südamerika, Europa).

Das Unternehmen ist besonders aktiv in der Erzeugung von Wasserstoff und grünem Ammoniak, mit dem Ziel, die arktische Schifffahrt zu dekarbonisieren, sowie mit Interesse von Rechenzentren.

Quelle: Aker

Aker ist kein reines Grün‑Ammoniak‑Unternehmen, kann jedoch die gesamte vertikale Integration von grünem Ammoniak übernehmen, von Offshore‑Windkraftanlagen über die Wasserstofferzeugung (vorerst) bis zur Produktion von grünem Ammoniak. Zudem arbeitet das Unternehmen an Projekten wie Waste‑to‑Energy in Frankreich, einer Biomasseanlage in Deutschland und CO₂‑Abscheidung im Nahen Osten (Saudi‑Arabien und den VAE).

Im Mai 2025 prüft Aker aufgrund niedriger Preise im Bereich der grünen Energie einige Umstrukturierungen, wobei im Wesentlichen angestrebt wird, die CO₂‑Abscheidungsaktivitäten vollständig zurückzuerwerben und die Reintegration von AKH Holding (Mainstream Renewable Power und die Narvik‑Grün‑Ammoniak‑Projekte) in Aker Horizon nach einer separaten Börsennotierung einiger seiner Anteile.

Quelle: Aker

Damit ist es eine gute Aktie für Investoren, die langfristig im breiten Sektor der grünen Energie engagiert sein wollen, mit einer starken Position im Bereich grünen Ammoniaks, aber auch anderer grüner Energien, sowie einer gewissen geografischen Diversifizierung jenseits nordamerikanischer Aktien.

Studie referenziert

^{1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) Regulating Multifunctional Oxygen Vacancies for Plasma-Driven Air-to-Ammonia Conversion. Angewandte Chemie. 22 April 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240}