Kleine Anlagen könnten Ammoniak künftig direkt dort produzieren, wo er gebraucht wird. Eine globale Analyse unter Beteiligung des Paul Scherrer Instituts PSI zeigt, an welchen Standorten und unter welchen Bedingungen solche Minifabriken klimaverträglicher und wirtschaftlich arbeiten können. Ammoniak ist unverzichtbar für Dünger und könnte künftig auch als Treibstoff für Schiffe dienen.

Ammoniak gehört zu den wichtigsten Chemikalien der Welt: Ohne ihn und die Düngemittel, die daraus entstehen, würden Felder weltweit weniger Nahrung hervorbringen – viele Supermarktregale wären leer. Derzeit wird der essenzielle Grundstoff vor allem in wenigen grossen Chemieanlagen produziert und über weite Strecken transportiert. Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI, der ETH Zürich und der Carnegie Institution for Science im US-amerikanischen Stanford haben nun untersucht, wo kleine Anlagen den Stoff künftig klimaverträglicher und nahe am Bedarf produzieren könnten.

«Dezentrale Anlagen können Lieferketten verkürzen, Treibhausgasemissionen senken und die Versorgung mit Dünger robuster machen», sagt Tom Terlouw, Wissenschaftler im Labor für Energiesystem-Analysen am PSI und Erstautor der Studie. «Aber sie sind nicht automatisch klimaverträglicher oder wirtschaftlich. Entscheidend ist, wo sie stehen und woher der Strom kommt.»

Dafür analysierte das Forschungsteam in rund 13 000 Szenarien mögliche Standorte und Rahmenbedingungen weltweit – von Spanien und den Niederlanden über China und Indien bis nach Brasilien, Nigeria, Südafrika und Australien.

Haber-Bosch jetzt elektrisch

Die derzeitige Ammoniakherstellung verursacht schätzungsweise ein bis zwei Prozent der globalen Treibhausgasemissionen. Der Grund: Beim klassischen Haber-Bosch-Verfahren wird Stickstoff aus der Luft mit Wasserstoff verbunden. Dieser Wasserstoff stammt meist aus Erdgas; bei der Reaktion entstehen grosse Mengen Kohlendioxid.

Eine klimaverträglichere Alternative ist Wasserstoff aus Elektrolyse. Dabei wird Wasser mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Stammt der Strom aus Wind-, Solaranlagen oder anderen erneuerbaren Energiequellen, lässt sich Ammoniak deutlich emissionsärmer produzieren.

«Ammoniak ist eine der sinnvollsten Anwendungen für grünen Wasserstoff», sagt Terlouw. «Autos oder Heizungen lassen sich direkt elektrifizieren. Für die Herstellung von Ammoniak brauchen wir aber weiterhin Wasserstoff.»

Kleinere, modulare Anlagen arbeiten bei geringerem Druck und niedrigeren Temperaturen als klassische Grossanlagen und lassen sich besser mit erneuerbaren Energiequellen koppeln. Solche Mini-Fabriken könnten Emissionen senken und die Abhängigkeit von globalen Lieferketten verringern. Wie verletzlich diese sein können, haben zuletzt die Spannungen rund um die Strasse von Hormus gezeigt: Die Preise für Düngemittel stiegen zeitweise stark an.

Der Standort entscheidet

Klar ist: Die vollständige Umstellung der weltweiten Ammoniakproduktion auf Wasserstoff aus Elektrolyse würde enorme Strommengen benötigen. «Gerade deshalb müssen wir genau hinschauen, wo sich das neue Produktionsverfahren wirklich lohnt», sagt Terlouw. «Die Technologie sollte dort eingesetzt werden, wo sie ökologisch und ökonomisch sinnvoll ist.»

Am besten schneiden sogenannte Hybridanlagen ab. Sie kombinieren Strom aus lokalen Wind- und Solaranlagen mit Strom aus dem öffentlichen Netz. Rein netzunabhängige Anlagen verursachen zwar die geringsten Emissionen, sind heute aber meist deutlich teurer, weil sie zusätzliche Speicher und grössere Solar- und Windparks benötigen.

«Allgemein gesprochen ist Ammoniak aus dem elektrischen Verfahren heute noch teurer als aus dem klassischen Produktionsweg», sagt Terlouw. «In einigen Regionen kann er aber bereits näher an die heutigen Marktpreise herankommen – vor allem dort, wo Strom günstig ist, erneuerbare Energien reichlich vorhanden sind und die Finanzierungskosten niedrig sind.» Das sei beispielsweise in China und den Niederlanden der Fall.

Gleichzeitig warnen die Forschenden davor, elektrisch produzierten Ammoniak automatisch als klimaverträglich einzustufen. Ihre Studie hat gezeigt: Stammt der Netzstrom überwiegend aus Kohlekraftwerken – wie in Polen oder Südafrika −, kann die Klimabilanz sogar schlechter ausfallen als bei der herkömmlichen Produktion.

Das Team hat nicht nur die direkten Emissionen, sondern auch die Umweltbilanz über den Lebenszyklus hinweg einbezogen, beispielsweise die Herstellung von Elektrolyseuren, Solar- und Windanlagen, Batterien und Speichern.

Chancen für Europa und die Schweiz

Die Schweiz besitzt keine industrielle Ammoniakproduktion, sie importiert sowohl fertige Mineraldünger als auch den Rohstoff selbst hauptsächlich aus Nachbarländern. Grundsätzlich seien lokale Anlagen daher interessant, sagt Terlouw. Ein Vorteil sei der vergleichsweise CO₂-arme Schweizer Netzstrom aus Wasser- und Kernkraft; fossile Energien machen mit weniger als zwei Prozent nur einen sehr geringen Anteil aus.

Bis 2050 könnte sich die Wirtschaftlichkeit des elektrischen Verfahrens deutlich verbessern. Sinkende Kosten für Elektrolyseure, Speicher und erneuerbare Energien könnten dezentrale Ammoniakanlagen in vielen Regionen konkurrenzfähig machen. «Technisch ist vieles möglich», sagt Terlouw. «Aber damit sich diese Technologie durchsetzt, braucht es Investitionen, klare Standards für CO₂-armen Ammoniak und vor allem ein stabiles politisches Umfeld, das die Dekarbonisierung der Industrie verlässlich unterstützt.»