24.08.2021 - National Research Council of Science & Technology (NST)

Die neue Alchemie der Kohlenstoffneutralität: Verwandlung von Wasser in Ammoniak mit ausschließlich erneuerbarer Energie!

Herstellung von "grünem Ammoniak" mit null Kohlenstoffemissionen

Das Korea Institute of Machinery and Materials (KIMM), eine Einrichtung unter der Zuständigkeit des Ministeriums für Wissenschaft und IKT, hat ein innovatives Verfahren entwickelt, das erneuerbare Energien zur Herstellung von Ammoniak bei Raumtemperatur und Normaldruck nutzt. Es wird erwartet, dass diese innovative Technologie durch die Entwicklung eines Ammoniakherstellungsprozesses, der keine Kohlenstoffemissionen verursacht, einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der Kohlenstoffneutralität in der Zukunft leisten wird.

Unter der Leitung des Hauptforschers Dr. Dae Hoon Lee ist es dem KIMM-Forschungsteam in der Abteilung für Plasmatechnik gelungen, ein innovatives, kohlenstofffreies Verfahren zur Herstellung von Ammoniak zu entwickeln. Am 5. August veröffentlichten sie ihre Forschungsergebnisse in ACS Energy Letters.

Das von Fritz Haber und Karl Bosch 1913 entwickelte organische Verfahren zur Ammoniaksynthese (Haber-Bosch-Verfahren), bei dem Ammoniak als Düngemittel verwendet wird, gilt als eine Entdeckung, die die landwirtschaftliche Produktivität erheblich steigerte und als Grundlage für landwirtschaftliche Innovationen diente. In letzter Zeit hat Ammoniak vor allem als umweltfreundlicher Brennstoff ohne Kohlenstoffemissionen Aufmerksamkeit erregt. Das liegt daran, dass Ammoniak, eine Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, auch bei der Verbrennung kein Kohlendioxid freisetzt.

Für die Synthese von Ammoniak nach dem Haber-Bosch-Verfahren müssen jedoch hohe Druck- und Temperaturbedingungen eingehalten werden, d. h. ein Druck von mindestens 200 atm und eine Temperatur von mindestens 400 Grad Celsius. Da zur Herstellung von Wasserstoff fossile Brennstoffe wie Erdgas verwendet werden, wird außerdem viel Energie verbraucht, was zu hohen Kohlendioxidemissionen führt.

Einem Bericht der Royal Society aus dem Jahr 2020 zufolge verbraucht das Haber-Bosch-Verfahren rund 1,8 % der weltweiten Energie zur Herstellung von Ammoniak, und die bei diesem Verfahren freigesetzten Kohlendioxidmengen machen 1,8 % der gesamten Kohlendioxidemissionen der Welt aus.

Bei dem vom KIMM-Forschungsteam entwickelten Verfahren zur Herstellung von Ammoniak wird Wasser mit Stickstoffplasma kombiniert, wodurch Wasserstoff und Stickoxide entstehen. Die entstehenden Oxide werden durch Wasserstoff und Katalysatoren zu Ammoniak reduziert. Mehr als 99 % der bei dieser Plasmareaktion entstehenden Stickoxide werden zu Stickstoffmonoxid, das leicht zu Ammoniak reduziert werden kann. Das Stickstoffmonoxid reagiert dann mit dem mitproduzierten Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak mit einer hohen Selektivität von über 95 %, und die während des Plasmazersetzungsprozesses erzeugte Wärme wird für den katalytischen Syntheseprozess genutzt.

Da bei diesem Verfahren keine fossilen Brennstoffe verwendet werden und es sich um eine Technologie handelt, mit der "grünes Ammoniak" ohne Kohlendioxidemissionen hergestellt werden kann, ist die Ausbeute 300- bis 400-mal höher als bei den bestehenden elektrochemischen Ammoniakproduktionstechnologien, die als Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren gelten.

Darüber hinaus kann dieses Verfahren relativ leicht in großem Maßstab durch ein modulares System erweitert werden, da die Reaktion nur mit Wasser und Stickstoff bei Raumtemperatur/Druck stattfindet, im Gegensatz zu den Hochtemperatur-/Druckbedingungen, die bei den bestehenden Methoden der Ammoniakproduktion eingehalten werden müssen. Darüber hinaus kann eine wässrige Nitratlösung, die als Nebenprodukt bei der Ammoniakproduktion anfällt, als landwirtschaftliche Nährlösung und Oxidationsmittel verwendet werden.

Für die Zukunft hofft das KIMM-Forschungsteam, die Kosten und die Effizienz der Ammoniakproduktion durch die Entwicklung von Scale-up- und Kommerzialisierungstechnologien zu verbessern. Das Team möchte auch mit in- und ausländischen Ingenieurbüros zusammenarbeiten, um ihre Bemühungen auf Ammoniakanlagen auszuweiten, insbesondere auf kleine und mittelgroße Anlagen, die bei Normaldruck und Raumtemperatur betrieben werden können.

Hauptforscher Dr. Dae Hoon Lee betonte, dass er und sein Team ein umweltfreundliches Verfahren zur Herstellung von Ammoniak entwickelt haben, das in realen Anlagen angewendet werden kann und theoretisch keinen Kohlenstoff freisetzt. Er erklärte auch, dass er und sein Team ihr Bestes tun werden, um weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchzuführen, die zu einer drastischen Verringerung der weltweiten Kohlenstoffemissionen beitragen werden.

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