Ammoniak als sinnvolle Ergänzung zum Wasserstoff

Perspektivisch lässt sich mit erneuerbaren Energien massenhaft grüner Wasserstoff herstellen – jedoch nicht so einfach speichern und transportieren. Ammoniak, das durch CO₂-neutralen Wasserstoff produziert wird, kann dieses Problem teilweise lösen und damit den Einstieg in eine beschleunigte Dekarbonisierung erleichtern. Chemiekonzerne haben deshalb die Chance, mit durchdachten Ammoniak-Strategien neue Geschäftsmodelle zu entwickeln und zugleich mehr zum Erreichen der Klimaziele zu tun.

Die EU-Kommission setzt zum Erreichen der im Green Deal formulierten Klimaziele unter anderem auf die von ihr initiierte European Clean Hydrogen Alliance. Sauberer Wasserstoff soll dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen bis 2030 um 55 Prozent gegenüber 1990 und bis 2050 auf Null zu senken. Auch Deutschland forciert mit einer nationalen Wasserstoffstrategie den Umstieg auf Wasserstoff als Energieträger und Produktionsmittel etwa der Chemie- und Stahlindustrie. Eine angesichts der Zahlen logische Weichenstellung. Chemiebetriebe sorgen laut European Chemical Industry Council (Cefic) für 14 Prozent des globalen Öl- sowie acht Prozent des Erdgasverbrauchs. Die deutsche chemisch-pharmazeutische Industrie nutzt laut Verband der Chemischen Industrie (VCI) umgerechnet 137 Terawattstunden Erdgas jährlich – ein Viertel als Rohstoff in der Produktion, beispielsweise bei der Dampfreformation zur Herstellung von CO₂-intensivem, grauem Wasserstoff, den Rest als Prozesswärme. Ersetzen Unternehmen fossile Brennstoffe und fossil produzierten Wasserstoff durch grünen, CO₂-armen Wasserstoff aus Wind- und Solaranlagen oder Wasserkraftwerken, lassen sich die Treibhausgasemissionen der Branche erheblich verringern.

Wasserstoff gilt als Schlüsselelement zur Dekarbonisierung

Die Massenproduktion von Wasserstoff dürfte sich bald rechnen, da die Herstellungskosten mit der Skalierung rapide sinken und die CO₂-Zertifikate durch ambitionierte Klimaziele teurer werden. Experten erwarten, dass der Börsenpreis für diese Verschmutzungsrechte in naher Zukunft auf 100 Euro je Tonne steigen könnte. Aktuell schwankt er bereits um 60 Euro und liegt damit deutlich über der staatlich verordneten CO₂-Abgabe auf Treibstoffe, Heizöl sowie Erdgas in Deutschland, die 2022 auf 30 Euro steigt. Gleichzeitig prognostiziert die Global Hydrogen Review 2021 der International Energy Agency (IEA), dass sich die Kosten zur Gewinnung von grünem Wasserstoff von jetzt noch bis zu acht Dollar pro Kilogramm auf bis zu 1,3 Dollar im Jahr 2030 reduzieren dürften. Sinkende Preise für erneuerbare Energie sowie stark fallende Investitionskosten für Produktions- und Speicheranlagen, allen voran Elektrolyseure, machen seine Produktion günstiger. Die Kapazität zur Wasserstoffherstellung via Elektrolyse soll laut dieser Studie zwischen 2020 und 2025 um das 55-fache steigen. Laufend kündigen Unternehmen neue Wasserstoffprojekte an. Bei vielen Anwendungen könnte Wasserstoff bald preislich gleichauf mit konventionellen Energieträgern liegen, die sich durch die steigende CO₂-Bepreisung sukzessive verteuern. Deshalb gilt Wasserstoff als Schlüsselelement zur Dekarbonisierung der Wirtschaft. Allein die europäische Schwerindustrie könnte durch Investitionen in die Dekarbonisierung bis 2030 einen Nettowert von 202 Milliarden Euro erwirtschaften, so die Accenture-Studie „Energizing Industry“.

Doch nun rückt Ammoniak in den Fokus

Chemieunternehmen, die sich mit den Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff zur Dekarbonisierung beschäftigen, sollten parallel dazu das Thema Ammoniak forcieren. Die Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff dient unter anderem zur Produktion von Dünger oder Kältemitteln. Allein die Düngemittelherstellung verursacht rund 1,8 Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen. Ohne technische Neuerungen dürfte dieser Anteil weiter ansteigen, weil Landwirte zunehmend düngen müssen, um die wachsende Weltbevölkerung zu ernähren. Im wichtigsten Herstellungsverfahren für Ammoniak, dem Haber-Bosch-Verfahren, liefert vor allem Erdgas den Wasserstoff, durch dessen chemische Reaktion mit Stickstoff das Ammoniak entsteht. Hier könnte mithilfe erneuerbarer Energien produzierter Wasserstoff die fossilen Rohstoffe ersetzen und so einen wichtigen Bereich der Industrie klimaneutral machen.

Aus Sicht der Chemiekonzerne spricht viel für die Entwicklung einer abgestimmten Wasserstoff- und Ammoniak-Strategie. Grünes Ammoniak kann konventionell aus Erdgas erzeugtes Ammoniak ersetzen und damit nicht nur die Agrochemie erheblich klimafreundlicher machen, sondern insbesondere die Düngemittelproduktion. Es könnte auch zur Herstellung von Chemikalien, Fasern und Kunststoffen zum Einsatz kommen oder als Hilfsmittel in der Stahlindustrie das bislang aus fossilen Rohstoffen stammende Ammoniak substituieren. Ein wichtiger Vorteil: Ammoniak ist gut lagerfähig, lässt sich also in größeren Mengen auf Halde produzieren und ist technisch fähig zum Transport großer Mengen. Außerdem gibt es dafür global einen etablierten Handelsmarkt. Dies zu berücksichtigen, könnte für Chemiekonzerne ökonomisch besonders attraktiv sein.

Das gilt insbesondere im Zusammenspiel mit ihren Power Purchase Agreements (PPAs). Diese Stromabnahmeverträge sind ein wesentliches Vehikel zur Dekarbonisierung durch die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Quellen, bergen aber zudem das Potenzial für zusätzliche Preissenkungen sowie Effizenzsteigerungen – hier kann Ammoniak einen wichtigen Ansatzpunkt bieten. Wasserstoff und Ammoniak lassen sich mithilfe von Ökostrom genau dann herstellen, wenn Energie aus Wind- oder Solaranlagen im Überfluss verfügbar ist. Für Energieerzeuger könnte es daher sinnvoller sein, den Strom dafür zu niedrigeren Preisen zu liefern und so die gesamtwirtschaftliche Nutzung ihrer Anlagen zu verbessern, statt diese wegen fehlender Nachfrage vorübergehend ganz abzuschalten. Chemiekonzerne könnten Ammoniak und Dünger zu den Zeiten herstellen, wenn die Strompreise besonders günstig sind, und den Dünger einlagern – wobei natürlich noch weitere Kosten etwa für Elektrolyseure sowie Lagerhaltung in die Gesamtrechnung einzubeziehen wären.

Ammoniak aus grünem Wasserstoff eröffnet ganz neue Möglichkeiten

Außerdem gibt es für Chemiekonzerne gute Gründe zur breiteren Betrachtung des Themas über die Einsatzmöglichkeiten in der eigenen Branche hinaus. Vieles spricht dafür, stärker auf Ammoniak zu setzen, solange sich die Infrastruktur zur umfassenderen Nutzung von Wasserstoff noch im Aufbau befindet. Ammoniak ist beispielsweise einfacher zu speichern und transportieren, weil es sich leichter verflüssigen lässt beziehungsweise einen geringeren Druck entfaltet. Es hat einen höheren volumenbezogenen Heizwert, kann modifizierte Verbrennungsmotoren betreiben und in Brennstoffzellen funktionieren. Die technische Entwicklung für den vielseitigen Ammoniak-Einsatz ist bereits weit fortgeschritten. Ein Team um Siemens hat etwa gezeigt, dass sich per Windrad auch in kleinen, dezentralen Anlagen der Strom für Wasserstoff-Elektrolyse und Haber-Bosch-Verfahren gewinnen sowie das produzierte Ammoniak speichern oder per Generator mit Verbrennungsmotor jederzeit zur Stromproduktion nutzen lässt, was den Einsatz attraktiver machen könnte. Und MAN will bald einen Ammoniak-betriebenen Verbrennungsmotor für Containerschiffe vorstellen. Hier ist noch zu klären, ob sich dabei nicht andere Klimagase mit einer stärkeren Klimaschädlichkeit als CO₂ bilden. Erste akademische Ergebnisse lassen allerdings hoffen, dass die Schifffahrt durch verfeuertes grünes Ammoniak deutlich umweltverträglicher werden könnte. 

Chemiekonzerne können entscheidend zur CO₂-Reduzierung beitragen

Ammoniak könnte sich also bald als wesentliches Element der Dekarbonisierung und Energiewende entpuppen. Damit lassen sich Unmengen überschüssigen Grünstroms vergleichsweise einfach direkt nutzen, transportieren oder speichern. Zudem könnte grünes Ammoniak in Syntheseschritten ein wichtiger Initialmarkt für aufgefangenes CO₂ sein. Bei der Produktion von Harnstoff für Düngemittel kommt jetzt noch CO₂ zum Einsatz, das aus der Herstellung von CO₂-intensivem Wasserstoff via Dampfreformation stammt. Nach der Umstellung auf grünen Wasserstoff ist damit Schluss, dann ist CO₂ aus einer klimaschonenden Quelle gefragt. Eine Lösung können Technologien wie Direct Air Capture von Climeworks sein, die CO₂ aus der Luft herausfiltern. Sie sind aktuell jedoch teuer – und es braucht frühe Abnehmer, um zu skalieren.

Dies alles wären große Schritte in Richtung Klimaneutralität. Beim Aufbau der erforderlichen Ammoniak-Strukturen außerhalb der bisherigen Produktion könnte die Chemiebranche mit den passenden Strategien die Führung übernehmen. Somit kann sie sich zum heimlichen Motor der Dekarbonisierung machen, während sich die Schlagzeilen noch um Wasserstoff drehen. Das technische Know-how dafür existiert weitgehend. Bestehende Anlagen lassen sich entsprechend umrüsten, neue Standorte gleich mit dem Fokus auf Ammioniak aus grünem Wasserstoff planen. Interessenten sollten jedoch schnell aus den Startlöcher kommen, um sich den Zugriff auf passende Standorte sowie die erforderlichen Ressourcen und Dienstleister zu sichern. Sonst könnten potenzielle Mitbewerber – auch aus anderen Branchen –  ihnen die knappen Kapazitäten wegschnappen und sich besser im neuen Ammoniak-Markt etablieren.

Gefragt: Eine gute Standort-, Partner- und Produktstrategie auf Ammoniak-Basis

Wichtig ist neben dem Beherrschen der Technik insbesondere die Standortfrage, und zwar unter zwei Aspekten: Wo gibt es genug Ökostrom zur Herstellung von Wasserstoff sowie Ammoniak, und wo ist Ammoniak gefragt? Marokko, mit seiner Nähe zu vielbefahrenen Schifffahrtsrouten, etwa plant Solarparks als Grünstromquelle zur Herstellung von Ammoniak für den Schiffsantrieb. Chemieunternehmen könnten dort PPAs zu guten Konditionen schließen, mit Elektrolyseur-Betreibern lokale Produktionsstätten aufbauen und Ammoniak an Häfen liefern. Ideal ist die Herstellung von Ammoniak generell überall da, wo der Strombedarf und/oder die -produktion stark schwankt. Dort winken potentiell günstiger Einkaufspreise, da es etwa für Windparkbetreiber besser ist, Strom billig abzugeben, als Anlagen bei Nachfrageflauten abzustellen. Chemieunternehmen können diese Energie jederzeit für ihre Produktion nutzen. So würden Chemiekonzerne durch ihre Ammoniak-Expertise zum Schrittmacher der Dekarbonisierung. Voraussetzung: Eine durchdachte Standort- und Partnerstrategie auf Ammoniak-Basis.