Bericht zur Wertschöpfungskette von grünem Ammoniak im Großmaßstab
Ammoniak spielt eine Schlüsselrolle in der Energiewende. Einerseits verursacht der gegenwärtige Ammoniakmarkt beträchtliche Treibhausgasemissionen und aufgrund des weltweiten Bevölkerungswachstums und des steigenden Wohlstands ist mit einer weiter zunehmenden Ammoniaknachfrage zu rechnen. Die Dekarbonisierung des vorhandenen Ammoniakmarktes kann daher an sich bereits erheblich zur Verringerung der Kohlenstoffemissionen beitragen. Andererseits ist abzusehen, dass Ammoniak auch bei den weltweiten Bemühungen um die Dekarbonisierung anderer Sektoren eine wichtige Rolle spielen wird, beispielsweise durch die Verwendung als Schiffskraftstoff oder als weltweites Transportmedium für grünen Wasserstoff. Folglich wächst der Druck, nachhaltige Lösungen zur Deckung des wachsenden Ammoniakbedarfs zu finden und gleichzeitig die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Vor diesem Hintergrund wurde Fichtner von der Deutschen Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) beauftragt, die Wertschöpfungskette von grünem Ammoniak im Großmaßstab zu untersuchen. Die Studie behandelt die gesamte Wertschöpfungskette von grünem Ammoniak – von der Produktion über den Transport bis zur Speicherung – und legt dabei besonderes Augenmerk auf die Sicherheitsaspekte der einzelnen Schritte.
Der Bericht liegt in englischer Sprache vor und kann hier abgerufen werden: The Large Scale Green Ammonia Value Chain
Produktion
Am Anfang der Wertschöpfungskette von grünem Ammoniak steht Wasserstoff (H2), der durch Elektrolyse unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen gewonnen wird. Ein weiteres grundlegendes Element ist Stickstoff, der aus Luft entnommen wird, die zu mehr als 75 Gew.‑% aus Stickstoff (N2) besteht. Im letzten Produktionsschritt wird Ammoniak durch die Reaktion von Stickstoff und Wasserstoff unter Einsatz eines Katalysators auf Eisenbasis im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren synthetisiert. Dieses Verfahren ist seit den 1910er Jahren im Wesentlichen unverändert geblieben. Diese exotherme Reaktion findet grundsätzlich auch bei niedrigen Temperaturen statt, im industriellen Maßstab werden für die Ammoniaksynthese jedoch Temperaturen von 350-550°C und Drücke von 100-460 bar verwendet.
Zwar hat sich das Haber-Bosch-Verfahren seit mehr als 100 Jahren bewährt, doch die Herstellung von grünem Ammoniak bringt eine neue technische Herausforderung mit sich: die Entwicklung einer Anlage, die statt fossiler Brennstoffe Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen nutzt. Im Gegensatz zu den konstanten Erdgasströmen, die für die Produktion von grauem Ammoniak verwendet werden, ist die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen unstetig, was zu Schwankungen in der Zufuhr von Wasserstoff zum Ammoniak- Syntheseprozess führt. Der Bericht gibt einen Überblick über die führenden Lizenzgeber für Ammoniakanlagen, die bereits einen erheblichen Marktanteil in der derzeitigen Ammoniakindustrie halten. Diese Akteure arbeiten derzeit intensiv an der Entwicklung dekarbonisierter Anlagentechnik-Lösungen für die Ammoniaksynthese. Dazu arbeiten die Technologieanbieter insbesondere an einer Verbesserung der Prozessleittechnik, um einen gut aufeinander abgestimmten Betrieb aller Verfahrensbausteine zu erreichen. Für kleinere bis mittlere Anlagengrößen von bis zu ca. 600 Tonnen pro Tag bieten die Lizenzgeber in der Regel modularisierte Konzepte an, die skalierbar sind und eine schnelle Installation vorgefertigter Anlagenmodule vor Ort ermöglichen. Bei größeren Anlagen werden die Lösungen auf die spezifischen Projektanforderungen zugeschnitten, um die Kosten zu senken. Die Anlagen werden dann konventionell aus Einzelkomponenten vor Ort errichtet.
Transport
Etwa 85 % der derzeitigen Ammoniakproduktion werden für die Herstellung von synthetischen Stickstoffdüngern verwendet. Nach dem 1,5°C-Szenario der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA), das in der nachfolgenden Abbildung dargestellt ist, könnte die jährliche Produktion von grünem Ammoniak bis zum Jahr 2050 auf 566 Mio. t steigen. Davon entfallen 354 Mio. t auf neu entstehende Anwendungsbereiche von Ammoniak in der Energiewirtschaft, der Schifffahrt und als Wasserstoffträger. Angesichts dieser beträchtlichen Steigerung wird der Transport einen größeren Teil der Wertschöpfungskette ausmachen.
Erwähnenswert ist, dass Ammoniak bereits heute ein weltweit gehandeltes Gut ist. Es wird seit Jahrzehnten in großen Mengen gehandelt, sodass eine ausgereifte Infrastruktur entstanden ist. Ammoniak ist zwar bei Umgebungsbedingungen gasförmig, lässt sich aber relativ leicht verflüssigen und wird daher in der gesamten Transportkette stets in flüssiger Form gehandhabt.
Als international gehandelte Chemikalie gibt es für Ammoniak verschiedene bewährte Transportmöglichkeiten, die je nach Entfernung, Größenordnung und gewünschter Kontinuität der Versorgung genutzt werden können.
[1] Als Anhaltspunkt dient hier die Gulf Central Pipeline, die längste Ammoniak-Pipeline der Welt. [2]Die maximale Ammoniakladung pro Fahrt hängt stark von der Kapazität der eingesetzten Eisenbahnkesselwagen sowie von den in den einzelnen Ländern geltenden Vorschriften bezüglich der maximalen Zuglänge ab. |
Speicherung
Um Angebot und Bedarf in Anlagen, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, auszugleichen kann Ammoniak am Produktionsstandort gelagert werden. Um den Transport nach Übersee zu ermöglichen, ist ebenfalls eine Speicherung an den Export- oder Importterminals erforderlich, wie die verschiedenen Entwicklungsprojekte in Ammoniakhäfen und Tanklagern zeigen. Die unterschiedlichen Technologien zur Speicherung von Ammoniak und ihre wichtigsten technischen Merkmale werden in Tabelle 0-2 vorgestellt.
Speichermethode | Typischer Druck (bar) | Auslegungstemperatur (°C) | tNH3 / tStahl (-) | Speicherkapazität (ktNH3) | Kühlung |
Ungekühlt (nur komprimiert) | 16-25 | 20-25 | 2.8 | <1,5 | Keine |
Komprimiert und gekühlt | 3-5 | 0 | 10 | 0,5-2,7 | einstufig |
Nur gekühlt (nicht komprimiert) | 1,2 | -33 | 41-45 | 5-45 | zweistufig |
Sicherheit
Die Verantwortung für die Gesundheit und Sicherheit des Personals sowie für die Gesundheit und Sicherheit und den Schutz der Umwelt und der Öffentlichkeit liegt in erster Linie beim Bauherrn bzw. Betreiber der Anlage. Da es sich bei der Produktion, dem Transport und der Handhabung von Ammoniak um etablierte Verfahren handelt, bieten nationale und internationale Institutionen, Aufsichtsbehörden und Fachinstitute sowie die jeweilige Branche selbst eine Fülle von Informationen, die bei der Erfüllung der Arbeitssicherheits-, Gesundheitsschutz- und Umweltschutzanforderungen hilfreich sind. Dies gilt insbesondere für die Planung und den Bau von Ammoniakanlagen sowie für den Betrieb und die Instandhaltung der Anlagen. Der Bericht beschreibt einschlägige Institutionen und Know-how-Quellen für Chile, die USA, Deutschland und Australien.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Wertschöpfungskette von grünem Ammoniak mit einigen Herausforderungen verbunden ist. Zu den wichtigsten Aspekten in diesem Zusammenhang zählen die Anpassung der Haber-Bosch-Synthese an einen dynamischen Betrieb im Großmaßstab und die langfristige Vorhersage des wachsenden Transport- und Lagerbedarfs. Dabei kann auf dem Fundament der bestehenden Wertschöpfungskette von grauem Ammoniak aufgebaut werden, und es können die Erfahrungen und bewährten technischen Verfahren genutzt werden, die in jahrzehntelanger Anwendung entwickelt wurden.
