Die Bedeutung von grünem Wasserstoff auf dem Weg in ein klimafreundliches, sauberes Energiesystem ist inzwischen kein Geheimnis mehr (und falls Sie noch nicht davon gehört haben, machen wir gerne eine Einführung in das Thema!)

Spricht man jedoch auch von Ammoniak als möglichen Energieträger, erntet man noch einige erstaunte Blicke. Ist Ammoniak nicht Bestandteil von Reinigungsmitteln und Düngemittel? Welche Rolle spielt da ein grüner Wasserstoff-Player wie Enapter?

Um genau diese Fragen zu beantworten, haben wir uns mit einem unserer innovativen Industrie-Kunden unterhalten – Starfire Energy. Es ist eines der Unternehmen, das Ammoniak zu einem entscheidenden Faktor in der grünen Energiewende machen will, dabei aber einen etwas anderen Weg einschlägt als die großen Akteure der Branche.

Den Wert von Ammoniak erkennen

Zunächst die Grundlagen: Ammoniak, auch bekannt als NH3, ist wie Wasserstoff ein farbloses Gas. Warum ist es aber so wichtig? Der erste Teil der Antwort liegt in seiner Herstellung: Als die weltweit zweithäufigste produzierte Grundchemikalie ist Ammoniak für schätzungsweise 1,8 bis 3 % der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Dies ist auf die für die Produktion verwendeten fossilen Brennstoffe zurückzuführen. 80 % des hergestellten Ammoniaks wird letztendlich zu Dünger verarbeitet.

Genau wie bei Wasserstoff ist also die Farbe des produzierten Gases entscheidend. Tatsächlich ist der Zusammenhang zwischen Wasserstoff und Ammoniak sogar noch enger: Es kommt außerdem darauf an, wie der Wasserstoff erzeugt wird, der zur Herstellung von Ammoniak benötigt wird.

Das haben auch Joe und Jennifer Beach erkannt, die beiden in Colorado ansässigen Mitgründer von Starfire Energy. Jennifer Beach ließ sich 2007 von der Arbeit ihres Mannes im Bereich der Photovoltaik inspirieren und gründete ein Unternehmen für Solarenergie-Systeme.

Schnell erkannte Joe den Bedarf an erneuerbaren Brennstoffen für saisonale Energiespeicherung, Transport und Wärmeanwendungen. Grüner Ammoniak stellte sich in diesem Zusammenhang als beste Wahl heraus. Starfire entwickelte deshalb einen Prototypen, der für die Herstellung dieser kohlenstoffreichen Substanz nur 3 Komponenten benötigt: frische Luft, Wasser und erneuerbaren Strom.

Mithilfe eines Druckwechsel-Absorptionsverfahrens wird zunächst Stickstoff aus der Luft gewonnen, gleichzeitig wird mit den modularen Elektrolyseuren von Enapter grüner Wasserstoff aus erneuerbarer Energie und Wasser hergestellt. Starfire führt den Stickstoff und Wasserstoff schließlich seinem Rapid Ramp NH3-System zu, das daraus Ammoniak erzeugt. Das System kann dabei flexibel hoch- und runtergefahren werden, um sich der Energiezufuhr anzupassen.

“Wir sehen in Ammoniak einen vielversprechenden Ersatz für fossile Brennstoffe, deshalb nutzen wir für die Herstellung und Nutzung modulare Systeme”, erklärt Beach. “Wir haben Ammoniak der Produktion von Methan vorgezogen, da es um einiges leichter ist, Stickstoff aus der Luft zu gewinnen – er macht 78 % der Atmosphäre aus – als das für die Methan-Herstellung benötigte CO2, das nur 0,04 % ausmacht.”

Das derzeitige Power-to-Ammonia-System erzeugt bescheidene 10 kg Gas pro Tag. Starfire befindet sich derzeit jedoch in einer Fundraising-Runde, die ein Pilotsystem mit einer Kapazität von 100 kg pro Tag möglich machen soll. Beach ist davon überzeugt, dass ein erfolgreiches Pilotprojekt letztendlich zu serienmäßig produzierten modularen 50-T/Tag-Systemen führen würde, die den Anforderungen an die Produktion von grünem Ammoniak zu weiten Teilen gerecht werden.

Die Multi-Billionen-Dollar-Chance

Bereits jetzt warten Interessenten darauf, die angekündigte Starfire-Version zu testen und die Nachfrage wird auch in Zukunft drastisch steigen: Alleine die benötigte Menge an sauberen Treibstoffen für die Schifffahrt könnte den Bedarf an grünem Ammoniak auf 670 bis 946 Millionen Tonnen pro Jahr treiben. Das entspricht einem möglichen Markt von 5 Billionen USD.

Doch warum unbedingt Ammoniak? Hier kommen wir zum zweiten Teil der Antwort: Abgesehen von seiner Anwendbarkeit in der Landwirtschaft und Industrie weist Ammoniak eine hohe Wasserstoffdichte auf (18 % Wasserstoffmassenanteil im Ammoniak).

Als Energiespeicher hat Ammoniak klare Vorteile für die Lagerung und den Transport: Anders als Wasserstoff verflüssigt es nicht bei -235°C, sondern schon bei -33°C. Dabei enthält ein Kubikmeter Ammoniak etwa 50 % mehr Energie als das entsprechende Volumen von Wasserstoff. Dadurch ist der erneuerbare Energieträger einfacher zu handhaben, wesentlich kompakter und die Infrastruktur und die Verfahren für Lagerung und Transport sind bereits gut etabliert.

Daraus ergeben sich die immens hohen Marktchancen: Die hier beschriebenen Eigenschaften machen Ammoniak als saubere Kraftstoff-Alternative für die Schifffahrt interessant, die derzeit vor allem Bunkertreibstoff verwendet – den billigsten und dabei schädlichsten fossilen Brennstoff. Die Schiff-Industrie war 2019 nicht nur für 2 % der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich, sondern stellte durch den ausgestoßenen Schwefel eine zusätzliche Gefahr für die Gesundheit dar.

Die Entwicklung könnte in Zukunft immer stärker Richtung grüner Ammoniak gehen, vor allem in der Schifffahrt sind die Einsatzmöglichkeiten vielversprechend. Deshalb positionieren sich Unternehmen inzwischen in weit größerem Maßstab in der Ammoniak-Produktion als Starfire.

So will die NEOM-Anlage in Saudi-Arabien beispielsweise Sonnen- und Windenergie nutzen, um bis 2025 täglich 3.500 Tonnen grünes Ammoniak zu erzeugen. In Nordeuropa entsteht währenddessen unter dem Namen Viking Energy ein Prototyp eines Energieversorgungsschiffes, das mit Ammoniak-Brennstoffzellen angetrieben wird, und riesige Unternehmen von Siemens bis hin zu Thyssen-Krupp und Ørsted haben Anlagen für grünes Ammoniak gebaut (oder planen es). Auch in Australien und den USA erwägen Firmen den Bau von massiven Produktionsgeländen, um auf den Ammoniak-Zug aufzuspringen, bevor die große Nachfragewelle eintrifft.

Das mach auch Sinn: Im Normalfall ist die Ammoniakproduktion eine Sache der großen Maßstäbe, bei der riesige Mengen Erdgas für die Herstellung von Wasserstoff und letztendlich Ammoniak zum Einsatz kommen. Doch selbst wenn diese großen Anlagen irgendwann mit erneuerbarer Energie betrieben werden, wird in einigen Bereichen eine dezentrale Produktion nötig sein.

Dezentrale und modulare Herstellung von grünem Ammoniak

Energiedichte und Stabilität machen Ammoniak nicht nur für die Schifffahrt, sondern auch für ein breites Spektrum von Anwendungen interessant, für die eine dezentrale Produktion von Vorteil wäre.

Dank seiner Eigenschaft als effektiver Wasserstoffspeicher und -lieferant sind neue Einsatzgebiete für Ammoniak entstanden – von Wasserstoff-Tankstellen über saisonale Energiespeicherung für Mikronetze mit schlechter oder gar keiner Netzanbindung bis hin zum Ausgleich kommerzieller Stromnetze – während die konventionelle Ammoniakversorgung immer stärker dekarbonisiert wird.

Joe Beach schätzt, dass die Ammoniakerzeugung und -speicherung zur Herstellung von Netzstabilität bis 2050 eine Billionen-Dollar-Industrie sein wird – eine Industrie, die auf dezentrale Energiespeicherung und auf Lösungen angewiesen sein wird, die flexibel auf die fluktuierende Stromzufuhr aus erneuerbaren Energien reagieren können.

Wie die modularen Elektrolyseure von Enapter, die bei Starfire zum Einsatz kommen, sollen auch die modularen Ammoniak-Produktionseinheiten bald in Masse produziert werden. Die aus den leicht zu transportierenden Modulen gebauten Systeme könnten das benötigte grüne Ammoniak vor Ort erzeugen und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden, um genau die richtige Menge Ammoniak zu liefern.

Obwohl die Produktion im großen Maßstab für die Etablierung von Ammoniak als erneuerbaren Energieträger zweifellos wichtig sein wird, ist Beach von den Vorteilen der modularen Anlagen überzeugt: Sie könnten relativ schnell gebaut werden und würden so einen raschen Aufbau von Power-to-Gas-Systemen vor Ort ermöglichen.

Die Skalierung dezentraler Energielösungen zur Eindämmung fossiler Brennstoffe entspricht auch der Mission von Enapter: 2021 wird das Unternehmen mit dem Bau seiner ersten Massenproduktionsanlage beginnen, der nächste Schritt auf einem ähnlichen Weg. Trotz (oder vielleicht gerade wegen) dieser Überschneidungen sind Wasserstoff und Wasserstoffträger wie Ammoniak nicht in Konkurrenz, sondern in Abhängigkeit zueinander. Die Energiewende, die die Welt so dringend braucht, wird erst dann möglich, wenn man auf den Stärken des jeweils anderen aufbauen kann.