Die Herstellung stickstoffhaltiger Verbindungen wie Ammoniak und Harnstoff steht vor einem tiefgreifenden Wandel. Während das energieintensive Haber-Bosch-Verfahren seit über 100 Jahren dominiert und massive CO₂-Emissionen verursacht, eröffnen innovative elektrochemische Verfahren und internationale Forschungsallianzen neue, nachhaltigere Wege. Deutschland und Europa investieren gezielt in Technologien, die erneuerbare Energien besser integrieren und den Stickstoffkreislauf schließen sollen.
Vom grauen zum grünen Molekül
Traditionell wird Ammoniak im Haber-Bosch-Verfahren bei Temperaturen von 400 bis 500 Grad Celsius und hohem Druck aus Stickstoff und aus Erdgas gewonnenem Wasserstoff erzeugt. Der Prozess ist effizient, aber extrem energieaufwendig und fossilabhängig. Nebenprodukte wie Distickstoffmonoxid (N₂O) mit einem Treibhauspotenzial, das rund 300-mal höher liegt als das von CO₂, belasten zusätzlich das Klima. Gleichzeitig führen überschüssige Düngemittel zu Umweltproblemen in Böden und Gewässern.
Gepulste Elektrolyse: Eine Alternative bei Raumtemperatur
Eine vielversprechende Lösung bietet die gepulste Elektrolyse. Im Gegensatz zur klassischen Methode variiert dieses Verfahren Spannung und Strom gezielt. Dadurch lassen sich nitrat- oder nitrithaltige Lösungen bei Raumtemperatur zu Ammoniak oder sogar Harnstoff reduzieren – idealerweise mit Strom aus Sonne oder Wind. Die Technik harmoniert besonders gut mit intermittierenden erneuerbaren Energien und verbessert zugleich die Reaktionsleistung.
Dr. Dandan Gao von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat in einem kürzlich in der renommierten Zeitschrift Angewandte Chemie erschienenen Minireview gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der JGU und des Harbin Institute of Technology in Shenzhen die bisherigen Studien systematisch ausgewertet. „Die gepulste Elektrolyse könnte hier eine nachhaltige Alternative bieten“, so Gao. Langfristig soll sie helfen, Stickstoffabfälle aus der Umwelt in wertvolle Produkte umzuwandeln und die Düngemittelproduktion sauberer und effizienter zu gestalten.
HyNITROGEN: Ein 20,3-Millionen-Euro-Projekt für Europa
Parallel dazu startet im Oktober das von der niederländischen Forschungsorganisation NWO geförderte Projekt HyNITROGEN. Die Wageningen University & Research (WUR) und mehr als 40 Partner – koordiniert von der Universität Twente – erhalten 20,3 Millionen Euro, um nachhaltige Methoden zur Herstellung stickstoffhaltiger Chemikalien für Düngemittel, Medikamente und Alltagsprodukte zu entwickeln.
Im Fokus stehen neuartige Katalysatoren, die die klassische Reaktion unter deutlich milderen Bedingungen ermöglichen. Professor Harry Bitter von der WUR betont: „Was dieses Projekt so spannend macht, ist die Vielfalt der beteiligten Partner. Wir vereinen Fachwissen aus Thermochemie, Elektrochemie und Plasmachemie.“ Zusätzlich soll erneuerbarer Strom die bisher nötige Wärme ersetzen und Stickstoff aus Abwasserströmen zurückgewonnen werden.
Deutschland als Impulsgeber
In Deutschland treiben Unternehmen wie Yara in Rostock und BASF in Ludwigshafen die Transformation voran. Importterminals für grünes Ammoniak entstehen in Wilhelmshaven und Brunsbüttel. Förderinstrumente wie H2Global sollen den Markthochlauf beschleunigen. Die neuen elektrochemischen Ansätze und europäischen Kooperationen wie HyNITROGEN ergänzen diese Aktivitäten ideal: Sie reduzieren nicht nur Emissionen, sondern schaffen auch Planungssicherheit für eine fossilfreie chemische Industrie.
Die Verbindung von Forschung, Industrie und Politik zeigt: Die grüne Stickstoffchemie ist keine ferne Zukunftsvision mehr. Sie wird gerade in konkreten Projekten und interdisziplinären Allianzen Realität.