Der Preis des Überflusses: Auf Stickstoff fixiert

Apr 28, 2023

Am gewundenen Mississippi River im Südosten von Louisiana erhebt sich der 1.400 Hektar große Donaldsonville Complex von CF Industries zu einem Steampunk-Spektakel. Der Riese aus Kühltürmen, Tanks, Öfen, Rohren und Schornsteinen stößt Dampf aus – und manchmal tritt auch Ammoniak aus, was dazu führen kann, dass die örtliche Gemeinde unter Schutz gestellt wird.

Nachts sieht der kolossale Komplex wie eine kleine Stadt aus. Eine Vielzahl heller Lichter leiten die Arbeiter durch das geschäftige Treiben in der Chemieproduktion. Fast 1.000 Arbeiter im Werk tragen dazu bei, jährlich fast 8 Millionen Tonnen Stickstoffprodukte für die Landwirtschaft und andere Industrien zu produzieren. Ammoniak, Ammoniumnitrat, Harnstoff und Dieselabgasflüssigkeit werden aus dem Komplex über Pipelines, Bahn, LKW sowie Fluss- und Seeschiffe transportiert.

Nach Angaben des Unternehmens ist CFs Betrieb in Donaldsonville die größte Ammoniakanlage der Welt. Ammoniak besteht aus drei Wasserstoffatomen, die an ein Stickstoffatom gebunden sind, und ist Teil des Prozesses der Stickstoffsynthese. Unter den „Big 3“ Nährstoffen in kommerziellen Düngemitteln – Stickstoff, Phosphor und Kalium – ist Stickstoff entscheidend für den Aufbau der Proteine, die wiederum das Gewebe der meisten Lebewesen aufbauen.

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Stickstoff ist eines der häufigsten chemischen Elemente und macht 78 % der Luft aus. Pflanzen, Tiere und Menschen können ohne sie nicht leben. Aber sie können es auch nicht in seiner Gasform verwenden. Es muss „repariert“ werden. In der Natur geschieht dies langsam, da Pflanzen und Mikroorganismen Luftstickstoff in Ammoniak umwandeln. Seit einem Jahrhundert wird der Fix auch für industrielle Zwecke im sogenannten Haber-Bosch-Verfahren aufgeladen, bei dem Stickstoff aus der Luft mit Wasserstoff unter extrem hohem Druck kombiniert wird, um Ammoniak zu erzeugen.

Im Jahr 1918 erhielt der deutsche Chemiker Fritz Haber für dieses Verfahren den Nobelpreis für Chemie für seine „überaus wichtigen Mittel zur Verbesserung der Standards der Landwirtschaft und des Wohlergehens der Menschheit“. Ein Jahrhundert später schätzen Demografen, dass nur die Hälfte der 8 Milliarden Menschen, die heute auf dem Planeten leben, ohne synthetische Stickstoffdünger ernährt werden könnten.

Aber derselbe Nährstoff, der Milliarden von Menschen ernährt, kann auch tödlich sein – in chemischen Waffen, bei Fabrikexplosionen oder durch Überdosierungen in der Umwelt. Bei übermäßigem Einsatz in landwirtschaftlichen Betrieben gelangt überschüssiger Stickstoff in die Gewässer, wo er Algen antreibt, die sich vermehren, das Licht blockieren und anderen Pflanzen und Tieren den Sauerstoff entziehen.

„Es steht außer Frage, dass Stickstoffdünger einen enormen Nutzen für die Gesellschaft darstellt, indem er die Produktion von Nahrungsmitteln ankurbelt, um Milliarden von Menschen auf der ganzen Welt, auch in Entwicklungsländern, zu ernähren“, berichtete das Environmental Integrity Project in diesem Frühjahr in einem Aufruf zu einer stärkeren Regulierung des Stickstoffdüngers Industrie aufgrund von Gefahren für die öffentliche Sicherheit und die Umwelt. „Aber der übermäßige Einsatz von chemischen Düngemitteln verursacht auch Kosten für die Umwelt, und dieser Schaden nimmt zu, wenn die Herstellung von Chemikalien schlecht reguliert ist.“

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren Landwirte in Europa und den Vereinigten Staaten auf Importe wie Salpeter aus Chile und riesige Guanoberge aus Peru als Quelle für festen Stickstoff angewiesen. Habers Entdeckung der synthetischen Ammoniakproduktion habe die Welt verändert, sagte der Physiker Benjamin Johnson vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin.

Damals war eine große Energiewende hin zu fossilen Brennstoffen im Gange. Die Landwirtschaft industrialisierte sich. Die Menschen waren von Habers Erfindung begeistert, aber das Schwierige daran war, sie zu vergrößern, sagte Johnson, Autor des 2022 erschienenen Buches „Making Ammonia: Fritz Haber, Walther Nernst, and the Nature of Scientific Discovery“.

Im selben Jahr, in dem er seine Entdeckung patentieren ließ, 1908, beauftragte das Chemieunternehmen BASF Haber mit der Entwicklung einer Hochdrucksynthese von Ammoniak im industriellen Maßstab. Mit dem Projekt wurde der BASF-Chemieingenieur Carl Bosch beauftragt. Er musste die Anlage und die Mechanik bauen, die dem hohen Gasdruck und den hohen Temperaturen standhalten. Bosch „musste sich einige spezielle Gehäuse ausdenken, um dieses Gasgemisch unter Druck zu halten und dicht zu halten, damit die Drucköfen nicht kaputt gehen“, sagte Johnson.

Zunächst würden die Rohre von Bosch platzen, selbst wenn sie aus Kohlenstoffstahl gefertigt wären. Unter hohem Druck und über 400 °C zerfielen die meisten Materialien, die er ausprobierte, unweigerlich. Er experimentierte mit verschiedenen Arten von Stahl und Katalysatoren und entschied sich schließlich für das industrielle Verfahren, das noch immer in CF-Industrien und anderen Anlagen zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff verwendet wird. Die 1914 vorgestellte Maschine von Bosch war 26 Fuß hoch und konnte 198 Pfund Ammoniak pro Stunde herstellen. Mit einer Jahresproduktion von 4,3 Millionen Tonnen ist das Werk von CF Industries in Donaldsonville nun rund um die Uhr in Betrieb und produziert 495 Tonnen Ammoniak pro Stunde.

1931 erhielt Bosch, wie Haber vor ihm, den Nobelpreis für Chemie für seinen Beitrag zu einer besseren Welt.

Der Haber-Bosch-Prozess revolutionierte die Landwirtschaft und verdoppelte die Zahl der Menschen, die ein Hektar Land ernähren konnte.

Aber die Herstellung von Stickstoffverbindungen aus der Luft für Düngemittel brachte Fritz Haber auf den dunklen Weg zur chemischen Kriegsführung. Zu Beginn des Ersten Weltkriegs war Deutschland mit einer Munitionskrise konfrontiert. Haber, damals Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physikalische Chemie in Berlin, machte sich auf den Weg zu helfen. Laut der deutschen Historikerin Margit Szöllösi-Janze überredete er Militär- und Industrieführer, Wissenschaftler und Politiker, eine groß angelegte Produktion chemischer Waffen zu entwickeln.

Haber orchestrierte im April 1915 den ersten Einsatz von Giftgas während des Krieges an der Westfront in Ypern, Belgien, und arbeitete mit Meteorologen zusammen, um die vorherrschenden Winde zu erfassen. Er veranlasste die deutsche Armee, 6.000 Stahlzylinder in Schützengräben zu platzieren. Als Soldaten die Ventile öffneten, schwammen 160 Tonnen Chlorgas in Windrichtung. Die neue Waffe tötete innerhalb weniger Minuten mehr als 1.000 französische und algerische Soldaten und verletzte Tausende weitere.

Laut Szöllösi-Janze war Haber viel mehr als diese Opfer ein Katalysator für die neue, globale chemische Kriegsführung, die andere Länder dazu brachte, um die Entwicklung von Sprengstoffen und chemischen Waffen zu konkurrieren. Bis Kriegsende hatten schätzungsweise 1.000 Wissenschaftler am deutschen Giftgasprogramm gearbeitet.

Haber wurde für seinen „Erfolg“ in Ypern gefeiert und am Abend des 1. Mai 1915 bei einer Versammlung in der Villa seines Direktors befördert. In derselben Nacht beging seine Frau, die promovierte Chemikerin Clara Immerwahr Haber, Selbstmord, indem sie sich mit den Waffen ihres Mannes erschoss Armeepistole. Historiker sind sich nicht einig darüber, ob ihr Selbstmord durch die Bestürzung über die Beteiligung ihres Mannes an chemischen Massenwaffen ausgelöst wurde.

Habers Vermächtnis sei das eines „Wissenschaftlers, der als Wohltäter der Menschheit gepriesen und zugleich als Kriegsverbrecher angeklagt wurde“, schrieb Szöllösi-Janze. „Seine wissenschaftliche Arbeit veränderte sowohl die Nahrungsmittelproduktion als auch die Kriegsführung.“

Ein Jahrhundert nach der Erfindung von Haber-Bosch produzieren etwa 30 Chemiefabriken in den Vereinigten Staaten Ammoniak für die Düngemittelindustrie. Laut dem Environmental Integrity Project (EIP) könnte diese Zahl in den nächsten Jahren um ein weiteres Drittel steigen, basierend auf neun Vorschlägen zum Bau neuer Ammoniakdüngemittelanlagen und weiteren drei Anlagenerweiterungen.

In seinem Bericht „The Fertilizer Boom“ argumentiert EIP, dass die Ausweitung Risiken für die öffentliche Sicherheit und die Umwelt birgt. Laut EIP kamen im letzten Jahrhundert in den Vereinigten Staaten 641 Menschen und weltweit 1.237 Menschen bei schweren Explosionen von Stickstoffdüngern ums Leben. Die gemeinnützige Organisation drängt darauf, dass die Environmental Protection Agency Ammoniumnitrat in die Liste der mehr als 140 gefährlichen Chemikalien aufnimmt, die von den Herstellern eine Katastrophenvorsorge und den Austausch von Informationen mit örtlichen Notfallplanern erfordern.

Die Branche birgt auch Risiken für die Umwelt durch Wasser- und Luftverschmutzung sowie erhebliche Treibhausgasemissionen. Forscher, die in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlichten, fanden heraus, dass die Produktion und Verwendung von synthetischem Stickstoff weltweit mehr als 2 Prozent der Treibhausgasemissionen ausmacht – mehr als in der weltweiten Passagier- und kommerziellen Luftfahrt zusammen.

Stickstoffdünger ist auch ein großer Teil des Nährstoffabflusses, der mit giftigen Algenausbrüchen im ganzen Land und in der „toten Zone“ des Golfs von Mexiko verbunden ist. Stickstoff wird auch direkt von Düngemittelfabriken freigesetzt. Matt Rota, leitender politischer Direktor von Healthy Gulf, erklärte: „Wenn Sie Stickstoffdünger herstellen, geben Sie auch etwas Stickstoff an das Wasser ab, der dabei nicht konserviert wird.“

Healthy Gulf und das Environmental Integrity Project gehören zu den 13 Umweltgruppen, die in diesem Frühjahr eine Bundesklage gegen die EPA wegen angeblich veralteter Vorschriften zur Technologie zur Kontrolle der Umweltverschmutzung eingereicht haben. Laut Healthy Gulf haben 21 US-amerikanische Stickstoffdüngemittelfabriken im Jahr 2021 7,7 Millionen Pfund Stickstoff in Wasserstraßen eingeleitet.

Im Großen und Ganzen wenden US-amerikanische Landwirte jährlich etwa 21 Millionen Tonnen Düngemittel an, mehr als die Hälfte davon auf Stickstoffbasis. Ungefähr die Hälfte der Nährstoffe wird nicht von den Pflanzen aufgenommen, sondern geht über den Abfluss verloren und gelangt in Bäche, Seen und Flüsse. Rota sagte, Stickstoff aus Mais- und Sojabohnenpflanzen im Mittleren Westen, der über den Mississippi in den Golf transportiert werde, sei ein besonderes Problem für die tote Zone.

CF Industries beantwortete keine Fragen zu dieser Geschichte. Das Unternehmen hat angekündigt, dass es zwei neue Arten von Ammoniakproduktionsprojekten verfolgt, die es CF ermöglichen werden, die CO2-Emissionen bis 2030 um 25 % zu reduzieren und bis 2050 Netto-CO2-Emissionen von Null zu erreichen.

Grünes Ammoniak bedeutet Ammoniak, das mit erneuerbarer Energie hergestellt wird. CF fügt in Donaldsonville ein Elektrolysesystem hinzu, das es der Anlage ermöglichen wird, 20.000 Tonnen grünes Ammoniak pro Jahr zu produzieren, was nur 0,25 % ihrer Jahresproduktion entspricht.

Blaues Ammoniak bedeutet, dass Ammoniak konventionell hergestellt wird, das dabei freigesetzte CO2 jedoch aufgefangen und gespeichert wird. Im vergangenen Herbst kündigte CF Pläne an, fast zwei Milliarden US-Dollar in ein CO2-Abscheidungsprojekt in Donaldsonville zu investieren, das es der Anlage ermöglichen wird, 1,7 Millionen Tonnen blaues Ammoniak pro Jahr zu produzieren.

Der Gouverneur von Louisiana, John Bel Edwards, lobte die Investition, die dazu beigetragen hat, Louisiana zu einem Vorreiter beim Übergang zu sauberer Energie zu machen. Tony Will, Präsident und CEO von CF Industries, sagte in einer Pressemitteilung mit Edwards, dass das Unternehmen als erstes Unternehmen mit einer erheblichen Menge an blauem Ammoniak auf den Markt kommen werde. „Dies wird es uns ermöglichen, diese kohlenstoffarme Energiequelle an Branchen zu liefern, die schwer zu reduzieren sind und die sie zunehmend als entscheidend für ihre eigenen Dekarbonisierungsziele ansehen“, sagte Will.

Es gibt jedoch viele Kritiker, die sagen, dass die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung eine riskante, fehlerhafte und unbewiesene Technologie sei. Projekte wie CF werden im Rahmen des letztjährigen Inflation Reduction Act große finanzielle Anreize erhalten. „Es sieht nach mehr vom Gleichen aus“, sagte Monique Harden, Direktorin für Recht und Politik und Programmmanagerin für gemeinschaftliches Engagement am Deep South Center for Environmental Justice. Der Plan von CF sieht vor, die Emissionen im Werk Donaldsonville aufzufangen, sie etwa 100 Meilen weit zu transportieren und sie unter der Erde auf dem Gelände von ExxonMobil zu lagern.

Harden, der seit 20 Jahren als Anwalt arbeitet und vorwiegend afroamerikanischen Gemeinden dabei hilft, Siege im Bereich der Umweltgerechtigkeit zu erringen, sagte, Projekte zur CO2-Abscheidung und -Speicherung könnten Gefahren für Bürger darstellen, die bereits Gesundheits- und Sicherheitsrisiken ausgesetzt sind, wenn sie in der Nähe von Industrieanlagen leben, sowie für diejenigen, die in der Nähe von Industrieanlagen leben Verlauf von Rohrleitungen und in der Nähe von unterirdischen Lagereinrichtungen.

Rota sagte, es sei bezeichnend, dass CF Industries viel mehr in das blaue Ammoniak investiert, das immer noch Kohlenstoff ausstößt. „Ich denke, das zeigt zwei Dinge“, sagte er. „Sie sind durchaus in der Lage, grünes Ammoniak herzustellen, und Louisiana gilt weiterhin als petrochemischer Staat und als Staat, in dem es keine Rolle spielt.“

Johnson, der Autor von „Making Ammonia“, sagte: „Zu Habers Zeiten war ihnen Kohlendioxid egal, aber heute schon.“ Daher ist es spannend, neue Technologien zu sehen, die Elektrolyse nutzen, um Ammoniak „grün“ zu machen.

„Unsere Entscheidungen als Menschen darüber, ob wir diese Technologie wollen und ob wir sie finanzieren wollen, werden dann für den Implementierungsprozess von entscheidender Bedeutung“, sagte Johnson.

Habers Geschichte „zeigt, wie der wissenschaftliche Fortschritt Generationen überdauert und sich an neue Umstände anpasst“, schrieb er in „Making Ammonia“. „Wir können aus diesen Ereignissen lernen und die Lehren daraus ziehen.“

Diese Geschichte ist Teil von „The Price of Plenty“, einem Sonderprojekt zur Untersuchung von Düngemitteln des University of Florida College of Journalism and Communications und der University of Missouri School of Journalism, das von der landesweiten Berichterstattungsinitiative „Connected Coastlines“ des Pulitzer Centers unterstützt wird.