Ammoniak im Dienst der Energiewende

Speziell im Bereich der Energie hat Ammoniak als Treibstoff Potenzial, etwa in der Schifffahrt. Es ist aber auch – und hier wird es besonders interessant für die TEN.efzn-Wissenschaftler:innen – ein Wasserstoffderivat. 

Ammoniak wird seit vielen Jahrzehnten genutzt und auch in großen Mengen gehandelt. Die Technologien für die Lagerung und den Transport sind deshalb sehr ausgereift – inklusive entsprechender technischer Regelwerke und Sicherheitsvorschriften. 

Ammoniak besitzt eine hohe Energiedichte und lässt sich bereits durch milde Drücke ab 7,5 bar oder Temperaturen unterhalb -33 °C verflüssigen. Daher wird es bevorzugt in flüssiger Form transportiert. Möglich ist das auf verschiedenen Wegen: per LKW auf der Straße, mit dem Zug, per Schiff und via Pipeline.

Mehr als nur Trägermedium für Wasserstoff

Um das Energiesystem klimaneutral zu gestalten, ist der Einsatz von aus erneuerbarem Strom hergestelltem Wasserstoff unverzichtbar. Um diesen Bedarf zu decken, sind Importe aus Ländern außerhalb Europas zwingend erforderlich. Für große Transportdistanzen, insbesondere über den Seeweg, ist ein Trägermedium für Wasserstoff sinnvoll. Ammoniak bietet eine höhere volumetrische Energiedichte und einen geringeren Kühlbedarf als flüssiger Wasserstoff. 

Zudem ist der Transport laut Umweltbundesamt nur mit geringfügigen Treibhausgas-Emissionen verbunden und die Umstellung der existierenden Infrastrukturen mit relativ geringem Aufwand möglich. Weitere Vorteile: Ammoniak ist kohlenstofffrei und damit ohne zusätzliche Kohlenstoffquelle an jedem Ort der Welt herstellbar. 

Ammoniak lässt sich zudem einerseits in Wasserstoff umwandeln, andererseits aber auch direkt als Brennstoff z.B. in Brennstoffzellen nutzen. Bei dieser sogenannten Direktnutzung fällt die energieintensive Rückgewinnung des Wasserstoffs weg. Ammoniak kann eingesetzt werden, um Restbedarfe an Strom in einem zukünftigen Energiesystem zu decken, sowie fossile Energien zu ersetzen. Bei allen Nutzungspfaden und Umwandlungen von Ammoniak entstehen Stickstoff und Wasser, womit die globalen Stoffkreisläufe geschlossen werden.

Der Blick auf das große Ganze und die internen Verflechtungen ist also wichtig. Daher umfasst die Betrachtung durch das Landesgraduiertenkolleg „Wasserstoff und Wasserstoffderivat Ammoniak“ die gesamte Wertschöpfungskette: von der Herstellung über Transport und Speicherung, Sicherheit und Anwendung bis hin zu ökologischen und ökonomischen Aspekten. 

Dr. Dana Schonvogel vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) - Institut für Technische Thermodynamik, sagt: „Ammoniak bietet als Wasserstoffderivat vielfältige Einsatzmöglichkeiten im zukünftigen Energiesystem. Wir betrachten im Landesgraduiertenkolleg die gesamte Wertschöpfungskette – von Herstellung und Transport über sichere Handhabung bis zur Nutzung – und untersuchen interdisziplinär die noch notwendigen technologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Voraussetzungen für einen erfolgreichen Markthochlauf der einzelnen Technologien.“

Herstellung

Ammoniak wird technisch derzeit zumeist auf Basis von Erdgas (das überwiegend aus Methan besteht) und Luft gewonnen. Laut der britischen Royal Society entstehen bei der weltweiten Ammoniak-Produktion aus fossilen Quellen jährlich rund 500 Millionen Tonnen CO₂ – das entspricht etwa dem jährlichen CO₂-Ausstoß Deutschlands und etwa 1,8 Prozent der globalen Emissionen. Der Umbau der Ammoniak-Produktion auf ein emissionsarmes Verfahren ist dementsprechend eine der großen Herausforderungen im Kampf gegen den Klimawandel.

Grünes Ammoniak ist eine klimafreundliche Alternative: Der benötigte Wasserstoff (H₂) wird dabei nicht aus Erdgas, sondern per Elektrolyse aus Wasser gewonnen. Dieses wird mit Strom aus erneuerbaren Energien in Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff gespalten. Das stellt eine nachhaltige Produktion von grünem Ammoniak sicher. 

Der dabei entstehende Wasserstoff reagiert anschließend im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren mit Stickstoff (N₂) aus der Luft zu Ammoniak (NH₃). Dabei werden Wasserstoff und Stickstoff bei Temperaturen zwischen 400 und 450 °C und Drücken von 120 bis 220 bar in Gegenwart eines Katalysators auf Eisenbasis zu Ammoniak umgewandelt. Mehr als 90 % des weltweit produzierten Ammoniaks wurde laut Umweltbundesamt 2022 über das Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. 

Forschungsansatz im TEN.efzn

Zwar ist die NH₃-Synthese nach dem klassischen Haber-Bosch-Verfahren technisch weitgehend ausgereift, durch die Kombination mit fluktuierenden erneuerbaren Energien ergeben sich jedoch neue Herausforderungen. Gleichzeitig werden in der Grundlagenforschung die Möglichkeiten zur elektrochemischen Synthese von Ammoniak betrachtet. Auch für die direkte Nutzung von Ammoniak sowie die Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniak stehen jeweils chemisch-katalytische und elektrochemische Routen zur Verfügung. 

Das Landesgraduiertenkolleg im Verbundforschungsprogramm TEN.efzn analysiert deshalb die verschiedenen Möglichkeiten der Synthese und der vielfältigen Nutzung von NH₃ systematisch und stellt sie einander gegenüber. 

Dana Schonvogel führt aus: „Elektrochemische Verfahren gelten als besonders vielversprechend, weil sie sich direkt mit erneuerbarem Strom koppeln lassen und damit eine flexible Anpassung an Energieverfügbarkeit ermöglichen. Langfristig könnten solche Ansätze unter milderen Prozessbedingungen neue stärker dezentralisierte Wege eröffnen, um Ammoniak zu synthetisieren oder daraus Wasserstoff für verschiedene Anwendungen bereitzustellen.“ 

Ergänzend sagt Sprecherin Prof. Dr. Mehtap Özaslan von der Universität Hamburg: „Im Rahmen des Landesgraduiertenkollegs bilden wir den Nachwuchs für die zukünftigen Energiethemen aus und stärken so den Standort Niedersachsen sowie Deutschland. Dabei lernen sie die verschiedenen Aspekte durch die Innovationsbereiche kennen und schlagen eine Brücke vom wasserstoffreichen Molekül Ammoniak hin zur Technologie/Anwendung und in die Gesellschaft.“

Innovationsbereich III: Wasserstoff-Rückgewinnung

Dieser Innovationsbereich beschäftigt sich mit der Reformierung, d.h. der vollständigen oder teilweisen Zersetzung von Ammoniak zu Wasserstoff und Stickstoff. Das Produktgemisch kann flexibel verwendet werden, z. B. für die Verbrennung, in Brennstoffzellen, bei der Stahlproduktion oder in der chemischen Industrie. Der Fokus in diesem Innovationsbereich liegt auf der katalytischen Reformierung, während die ebenfalls mögliche elektrochemische Umsetzung von Ammoniak zu den Elementen in Innovationsbereich II – Direktnutzung mit betrachtet wird. Die Forschungsthemen in diesem Innovationsbereich umfassen die Entwicklung neuer Katalysatormaterialien, die Bestimmung der Reaktionskinetik der Zersetzung sowie die Aufreinigung der entstehenden Produktgemische.

Innovationsbereich IV Querschnittstechnologien

Ziel in diesem Innovationsbereich ist es, Aussagen über die ökologische und ökonomische Nachhaltigkeit der Erzeugung und Nutzung von Ammoniak sowie die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Nutzungspfade von Ammoniak zu treffen. Dazu werden die gesamten Nutzungspfade entlang der Wertschöpfungskette, inklusive der Speicherung und des Transports sowie sicherheitstechnischer Fragestellungen beim Umgang mit Ammoniak betrachtet.

Auch ein steter Vergleich zwischen Ammoniak und anderen Wasserstoffderivaten und -trägern (z. B. Methanol, LOHC, Methan, etc.) ist geplant, um die spezifischen Vor- und Nachteile von Ammoniak für bestimmte Anwendungsfelder transparent herauszuarbeiten. 

Hier geht es um die Fragen, die wichtig werden, wenn Ammoniak hergestellt oder bereitgestellt ist: Welche Transport- und Speichertechnologien sind relevant? Welche Sicherheitsaspekte müssen dabei berücksichtigt werden? Wofür kann dieser Ammoniak dann am Ende auch in der Anwendung nutzbar eingesetzt werden – sowohl als Ammoniak als auch zurückgewandelt in Wasserstoff?

Ganzheitlich und interdisziplinär

All diese unterschiedlichen Prozesse werden von den Forscher:innen betrachtet und optimiert. Doch bei diesen technischen und sicherheitsrelevanten Aspekten ist längst nicht Schluss. 

Auch die ökonomischen und ökologischen Gesichtspunkte bleiben stets präsent: Welchen Einfluss hat all das auf die Kostenstruktur, aber auch auf Kohlendioxid- oder andere Emissionen, die reduziert werden sollen?

Im Innovationsbereich IV ist auch die interdisziplinäre Zusammenarbeit mit der Forschungsplattform „Soziale Dynamiken der Energietransformation“ angedockt. 

Denn spätestens, wenn das Thema Wasserstoff im Zuge konkreter Vorhaben in bestimmten Regionen ins öffentliche Interesse rückt, entstehen daraus zwangsläufig Diskussionen und soziale Dynamiken. Und diese bilden dann – gerade mit Blick auf die Felder Akzeptanz und Gerechtigkeit – das entsprechende Forschungsfeld für die Sozialwissenschaftler:innen im TEN.efzn. 

Landesgraduiertenkolleg: nachhaltig qualifizierte Fachkräfte für die Energiewende 

Die Wissenschaftler:innen, die zu Wasserstoff und dessen Derivat Ammoniak forschen, sind anders organisiert als die der übrigen Forschungsplattformen. Und das aus gutem Grund: Mit Blick auf Nachhaltigkeit des Projektes und nötige Fachkräfte im Bereich Wasserstoff adressiert diese Forschungsplattform den wichtigen Aspekt der Ausbildung. 

In einem Graduiertenkolleg forschen Promovierende gemeinsam unter der wissenschaftlichen Anleitung von Hochschullehrer:innen im Rahmen eines thematisch fokussierten, interdisziplinär ausgerichteten und befristeten Forschungsprogrammes. Um die angehenden Doktor:innen gut auf ihre späteren Tätigkeiten in Wissenschaft und Wirtschaft vorzubereiten, gibt es für sie ein strukturiertes Qualifizierungskonzept.

Im Landesgraduiertenkolleg erarbeiten sich die Nachwuchswissenschaftler:innen neben ihrem akademischen Titel ein spezielles Graduierten-Zertifikat über die von ihnen erworbenen Zusatzqualifikationen. 

„Wir brauchen dringend Fachkräfte in den Bereichen, die sich zukünftig mit diesem Thema auseinandersetzen“, sagt die Koordinatorin Sabrina Zellmer: „Und die brauchen unserer Meinung nach konkrete Skills. Die sollen sie im Rahmen dieses Graduiertenkollegs erlernen, weil diese Kompetenzen nicht standardmäßig an jeder Universität in dem klassischen Basisportfolio vermittelt werden.“

So funktioniert die Qualifizierung

Deshalb durchlaufen die Doktorand:innen im TEN.efzn im Rahmen ihres Promotionsprogramms ein gesondertes Weiterbildungsformat. Dieses wird von den Universitäten beziehungsweise von den für die jeweiligen Teilprojekte verantwortlichen Wissenschaftler:innen zur Verfügung gestellt. 

16 Teilprojektleitende – 16 Doktorand:innenstellen: Jedem/r der verantwortlichen Wissenschaftler:innen  im Landesgraduiertenkolleg ist ein wissenschaftlicher Mitarbeitender beiseitegestellt, der im Zuge von TEN.efzn auch promoviert. Betreut werden diese Nachwuchswissenschaftler:innen: von einem Tandem. Jede/r Doktorand:in wird von dem eigenen Doktor-Vater oder der eigenen Doktor-Mutter und einem weiteren verantwortlichen Forschenden betreut. 

Diese Doppelbetreuung hat unterschiedliche Vorteile. Zum einen haben die Promovierenden so eine/n weitere/n Ansprechpartner:in für zusätzlichen Input. Zum anderen werden die Vernetzung und der Austausch über die Grenzen der beteiligten Universitäten bzw. Forschungseinrichtungen hinweg gefördert. Darauf wurde beim Zusammenstellen der Tandems besonders geachtet. 

Unser Landesgraduiertenkolleg zeichnet aus, dass wir diese komplexen Fragestellungen ganzheitlich betrachten können“, meint Sprecher Prof. Dr.-Ing. Thomas Turek. „Dies war durch Einbindung von insgesamt 16 Wissenschaftler:innen, die jeweils durch Doktorand:innen unterstützt werden, an verschiedenen Standorten der Energieforschung in Niedersachsen möglich. Zusammen bilden wir ein starkes Team für Wasserstoff und Ammoniak!“ 

Spezialist:innen für den eigenen Fachbereich und darüber hinweg

Die Doktorand:innenstellen sind aufgrund der Komplexität des Forschungsprojektes mit inhaltlich ganz unterschiedlichen Schwerpunkten versehen. Unabhängig von diesen gibt es Themen, über die Alle Bescheid wissen müssen. Ein Beispiel dafür sind Sicherheitsaspekte, die deshalb allen Promovierenden der Plattform in einem Sicherheitslabor bei der PTB vermittelt werden. 

Auch wenn sich die Doktorand:innen spezifisch mit Ammoniak beschäftigen, sollen sie trotzdem über das komplette Grundlagenwissen im Bereich Wasserstoff verfügen. Und auch die industrielle Nutzung von Wasserstoff und die Überführung des Grundlagenwissens in die industrielle Anwendung, also der Transfer, sind zentrale Themen – gerade, weil zu erwarten ist, dass einige der Promovierenden später in die Industrie wechseln werden. Deshalb nutzen die Betreuer:innen ihre Netzwerke und ermöglichen dem Wissenschaftsnachwuchs, bei Industriepartnern entsprechendes Wissen zu erwerben. 

Auch der Bereich Soft Skills finde Beachtung, sagt die Koordinatorin des Landesgraduiertenkollegs: „Bei uns in Braunschweig ist es so, dass man ohnehin im Rahmen der Promotion vier sogenannte Soft-Skill-Kurse machen muss. Präsentationstechniken, Projektmanagement, etc. Und das haben wir jetzt hier noch ein bisschen erweitert, weil wir der Meinung sind, dass sowas wie Forschungsdatenmanagement, bestimmte Kommunikationsformate, selber mal eine wissenschaftliche Konferenz oder Veranstaltungen organisiert zu haben, etc., Dinge sind, die man für das spätere Berufsleben eigentlich ganz gut gebrauchen kann.“

Deshalb gehöre zu diesem Ausbildungskonzept auch, dass die Promovierenden ihr eigenes Sommersymposium organisieren, ein spezifisches Förderprogramm durchlaufen, sowie unterschiedliche Ringvorlesungen, Trainees und Experten-Workshops besuchen – und letztere mit Kunden und Partnern aus der Industrie auch selbst organisieren, damit sie in Kontakt mit der Praxis kommen.

Und auch die internationale Kooperation wird gefördert im Zuge des Landesgraduiertenkollegs: Über Projektmittel können die Promovierenden auch Teile ihrer Forschung im Ausland absolvieren, die dann auch über das Projekt abgebildet sind.