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Die moderne Landwirtschaft ist ohne Stickstoffdünger kaum denkbar. Um Felder optimal zu versorgen und hohe Erträge bei Getreide, Rüben und anderen Nutzpflanzen zu erzielen, wird Ammoniak in großen Mengen benötigt. Die Herstellung dieses zentralen Ausgangsstoffs erfolgt bislang hauptsächlich über das sogenannte Haber-Bosch-Verfahren, das bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde. Benannt ist es nach den beiden Erfindern Fritz Haber und Carl Bosch, die dafür 1918 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Mit ihrem Verfahren revolutionierten sie die Nahrungsmittelproduktion weltweit. Denn es ermöglichte erstmals, Stickstoff aus der Luft für Pflanzen verfügbar zu machen. Notwendig dafür: ein eisenbasierter Katalysator, hoher Druck und große Hitze. So entsteht Ammoniak – der wichtigste Baustein für Stickstoffdünger.
Doch diese Methode hat auch ihre Schattenseiten: Das Haber-Bosch-Verfahren verschlingt sehr viel Energie, die überwiegend aus fossilen Quellen stammt. Dadurch wird bei der Produktion von Stickstoffdünger eine erhebliche Menge an Treibhausgasen freigesetzt. Nikolay Kornienko, Professor am Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn, ist deshalb mit einem Team auf der Suche nach umweltfreundlichen Alternativen. Denn auch wenn einige Pflanzen über ihre Wurzeln und spezielle Bakterien Stickstoff klimaneutral binden, ist der Mensch bei der industriellen Herstellung davon bisher weit entfernt.
Klimafreundlicher Stickstoffdünger: Alternative Wege zur Ammoniak-Synthese
Seit einiger Zeit wird an Verfahren gearbeitet, die Stickstoffdünger klimafreundlicher erzeugen sollen. Dabei steht der Einsatz erneuerbarer Energien, wie Sonne und Wind, im Mittelpunkt. Deshalb wollen die Forschenden auch nicht mehr auf fossiles Methangas als Wasserstoffquelle setzen, sondern Wasser elektrochemisch aufspalten, um den benötigten Wasserstoff direkt bereitzustellen. Allerdings gibt es zahlreiche technische Hürden: Ammoniakproduktion im industriellen Maßstab, die auf erneuerbarer Energie basiert, gestaltet sich komplex, da die beteiligten Reaktionen hohe Präzision und besondere Rahmenbedingungen erfordern.
Eine vielversprechende Methode dabei ist die sogenannte Lithium-vermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (LiNRR). In diesem elektrochemischen System werden Lithiumionen zu einer Metallschicht reduziert, die dann mit Stickstoff aus der Luft zu einer Lithium-Stickstoff-Verbindung reagiert. Ist dann auch eine Wasserstoffquelle vorhanden, entsteht Ammoniak und die Lithiumionen werden wieder gelöst – und der Prozess kann erneut beginnen.
Praktische Herausforderungen beim klimafreundlichen Stickstoffdünger
Die Umsetzung der Lithium-vermittelten Methode zur Herstellung von klimafreundlichem Stickstoffdünger ist mit einigen Herausforderungen verbunden. Der Prozess erfordert eine hohe elektrische Spannung, um Lithiumionen zu metallischem Lithium zu reduzieren. Die Folge: Der Energie-Wirkungsgrad ist deshalb noch auf etwa 25 Prozent begrenzt. Zudem müssen die Reaktionen in einem von Wasser und Luft abgeschotteten System ablaufen, da Lithiummetall über eine hohe Reaktivität verfügt. Hinzu kommt, dass auf der Lithiumoberfläche eine sogenannte Solid-Electrolyte-Interphase (SEI) wächst, vergleichbar mit der Situation in Batterien. Diese ist für die Durchlässigkeit bestimmter Stoffe verantwortlich, wie Stickstoffgas und Wasserstoff, die beide zum Lithium gelangen müssen.
Noch problematischer ist die Frage der Wasserstoffquelle. Ist der Prozess effizienter, wenn Wasser direkt gespaltet wird, oder müssen Alkohole als Zwischenquelle genutzt werden? Bislang wurden meist Alkohole oder sogar Lösungsmittel in die Reaktion einbezogen. „Dies macht das System unpraktisch, da mehrere Alkohol- oder Lösungsmittelmoleküle geopfert werden müssen, um ein Ammonium herzustellen“, erklärt Kornienko. Ein klimafreundlicher Stickstoffdünger kann so also noch nicht im großen Stil erzeugt werden, da der Ressourcenverbrauch hierfür zu hoch ist.
Durchbruch dank neuer Membran-Technologie
Die Lösung für ein zentrales Problem der klimafreundlichen Stickstoffdünger-Produktion könnte in einer speziellen Membran-Technologie liegen. Das Team der Universität Bonn hat eine Palladiumfolie entwickelt, die als Elektrode sowie als selektive Membran dient. Palladium ist dafür bekannt, Wasserstoffatome durchzulassen. Dadurch trennt die Folie eine wasserfreie Reaktionszone, in der das LiNRR-Verfahren abläuft, von einer wasserbasierenden Umgebung. So kann Wasserstoff direkt aus Wasser elektrochemisch freigesetzt und gezielt zum Lithium-basierten Reaktionspartner übertragen werden, um Ammoniak herzustellen.
Um sicherzustellen, dass ihr System auch wirklich wie gewünscht funktioniert, griffen die Forschenden zu speziellen Nachweismethoden. Mithilfe von Infrarotspektroskopie und Massenspektrometrie überprüften sie, ob der gewünschte Transfer von Wasserstoff aus Wasser gelang. Der Einsatz von Deuterium, einem schweren Wasserstoffisotop, diente als Marker im Experiment. Das Resultat: Sie konnten eindeutig nachweisen, dass Ammoniak tatsächlich aus Wasserstoff gebildet wurde, und zwar direkt aus gespaltenem Wasser und nicht aus einem alternativen Wasserstoffspender. Noch steht die große industrielle Anwendung des Verfahrens aus, doch die Forschenden sind optimistisch und haben ihre Innovation bereits zum Patent angemeldet.
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