Synthetischer Stickstoffdünger

Synthetischer Stickstoffdünger bringt Stickstoff, den die Industrie der Luft entnommen hat, an die Wurzeln der Kulturpflanzen. Fast alles beginnt heute als Ammoniak, das im Haber-Bosch-Verfahren aus Luftstickstoff und Wasserstoff entsteht. Eine Versuchsfabrik in Westeregeln stellte ab Ende 1904 Kalkstickstoff aus Luftstickstoff her, ab 1905 folgten Lichtbogenwerke in Norwegen, und die erste Anlage zur Ammoniaksynthese lief 1913 in Oppau an.

Was es ist

Kulturpflanzen brauchen viel Stickstoff, der in ihre Eiweiße und in ihr grünes Chlorophyll eingeht. Die Luft um sie herum besteht größtenteils aus Stickstoff, aber in einer Form, die sie nicht verwerten können. Sie nehmen ihn aus dem Bodenwasser auf, als Nitrat oder Ammonium, und jede Ernte trägt einen Teil davon vom Feld. Lange gaben die Bauern ihn mit Mist zurück und mit Hülsenfrüchten, deren Wurzelbakterien Luftstickstoff binden, wie in der Fruchtfolge. Im 19. Jahrhundert kauften sie ihn außerdem, vor allem als Chilesalpeter und als Ammoniumsulfat aus Gaswerken.

Ein Haufen weißer Kristalle in einer Holzschaufel auf einem offenen Jutesack, daneben einige graue und beige Gesteinsbrocken Chilesalpeter, aus dem Gestein Caliche gewonnen, war vor 1914 der wichtigste Stickstoffdünger auf dem Markt.

Synthetischer Stickstoffdünger ist Stickstoff, den ein industrielles Verfahren der Luft entnommen hat und der in einer Form verkauft wird, die sich im Bodenwasser löst. Fast alles beginnt heute als Ammoniak, einer Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff. Ein Teil des Ammoniaks kommt unverändert in den Boden, der größte Teil wird aber zu anderen Düngern verarbeitet, darunter Harnstoff und, in den ersten Jahren der Synthese, Ammoniumsulfat. Bevor sich Ammoniak in den 1920er Jahren durchsetzte, verkauften zwei andere industrielle Verfahren des frühen 20. Jahrhunderts den Bauern Luftstickstoff: Kalksalpeter aus dem elektrischen Lichtbogen und Kalkstickstoff.

Wie es funktioniert

Die Schwierigkeit liegt im Stickstoffmolekül. Seine beiden Atome sind so fest verbunden, dass es viel Energie braucht, um sie zu trennen; in der Natur gelingt das vor allem bestimmten Bodenbakterien. Die industriellen Verfahren liefern diese Energie als Strom oder als Wärme aus Kohle und Gas.

Das Lichtbogenverfahren von Kristian Birkeland und Sam Eyde brachte mit einem elektrischen Lichtbogen ein wenig Luftstickstoff dazu, sich mit Sauerstoff zu verbinden; was die Bauern am Ende kauften, war Kalksalpeter. Im Kalkstickstoffverfahren wurde Stickstoff in elektrischen Öfen an Calcium gebunden, und das entstandene Calciumcyanamid gibt in feuchtem Boden Ammoniak ab. Beide verbrauchten viel Strom. Die norwegischen Lichtbogenwerke standen an Wasserfällen, mit Generatoren, die das Wasser antrieb; das Kalkstickstoffwerk in Knapsack bei Köln lag auf einem Braunkohlenfeld und erzeugte seinen Strom im eigenen Kraftwerk.

Das Ende eines Tonrohrs in der Böschung eines Grabens zwischen zwei Feldern, aus dem ein dünner Strahl klaren Wassers in stehendes Wasser fällt, das von einem Teppich grüner Algen bedeckt ist Nitrat, das die Pflanzen nicht aufnehmen, verlässt die Felder über die Dränrohre und nährt Algen in Gräben und Flüssen.

Das Haber-Bosch-Verfahren, das sie ablöste, verbindet Luftstickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak. Es braucht weit weniger Strom als der Lichtbogen. Der Wasserstoff stammt heute überwiegend aus Erdgas und zum größten Teil des Rests aus Kohle; Ammoniakanlagen verbrennen deshalb viel fossilen Brennstoff und setzen große Mengen Kohlendioxid frei.

Auf dem Feld nimmt die Pflanze das Nitrat und Ammonium auf, das um ihre Wurzeln gelöst ist. Stickstoff, den sie nicht nutzt, kann verloren gehen. Nitrat wandert mit dem Wasser: Es sickert ins Grundwasser oder fließt in Gräben und Flüsse, wo es zusammen mit Phosphor Algen nährt; sterben die Algen ab und verrotten, fehlt dem Wasser Sauerstoff. Ein Teil des Stickstoffs entweicht außerdem in die Luft, als Ammoniak oder als Lachgas, ein Treibhausgas.

Geschichte und Entwicklung

Bis 1914 lieferte Salpeter aus den Caliche-Lagern Chiles den größten Teil des weltweit verkauften Stickstoffdüngers, und viele fürchteten, die Lager würden sich erschöpfen. Chemiker und Ingenieure in mehreren Ländern suchten nach einem Weg, den Stickstoff stattdessen der Luft zu entnehmen.

Kalkstickstoff, den Adolph Frank und Nikodem Caro aus Luftstickstoff herzustellen gelernt hatten, wurde 1901 als Dünger vorgeschlagen. Ein konkurrierendes Verfahren wurde 1904 in Westeregeln bei Magdeburg aufgenommen, wo Ende des Jahres eine Versuchsfabrik in Betrieb ging; nach Anthony Travis erwies sie sich als unwirtschaftlich. In Italien, schreibt er, errichtete die Gesellschaft von Frank und Caro um 1905 eine Fabrik in Piano d’Orta; die ersten Versuche scheiterten, und 1907 begann dort die Produktion. Die dänische Enzyklopädie Lex setzt den Beginn der industriellen Erzeugung von Kalkstickstoff auf 1905 an, die Firmengeschichte von Evonik auf 1908.

In Norwegen taten sich der Physiker Kristian Birkeland und der Ingenieur Sam Eyde 1903 für den Lichtbogenofen zusammen, und 1905 begannen in Notodden die Arbeiten an einer kleinen Fabrik, die ein nahes Wasserkraftwerk versorgte. Im selben Jahr wurde Norsk Hydro gegründet, und ihr Kalksalpeter kam als Norgesalpeter in den Handel.

In Karlsruhe suchte Fritz Haber nach einem Weg, Stickstoff und Wasserstoff unmittelbar zu verbinden. 1909 lieferte eine Laborapparatur, die er mit Robert Le Rossignol gebaut hatte, flüssiges Ammoniak, und die BASF, die das Verfahren übernommen hatte, beauftragte Carl Bosch, es im industriellen Maßstab zum Laufen zu bringen. Sein Team führte es von der Laborapparatur zu großen Konvertern aus Stahl. Die erste Anlage lief 1913 in Oppau bei Ludwigshafen an, und ihr Ammoniak wurde zu Ammoniumsulfat für die Landwirtschaft verarbeitet.

Eine hohe, dicke Säule aus dunklem Stahl mit verschraubtem Flanschkopf, auf einem niedrigen Betonsockel auf einer Wiese zwischen Bäumen Ein Ammoniakkonverter aus dem Werk Oppau, heute als Denkmal in Karlsruhe aufgestellt.

Im Ersten Weltkrieg, vom Chilesalpeter abgeschnitten, verarbeitete Deutschland einen großen Teil des neuen Ammoniaks zu Salpetersäure für Sprengstoffe und eröffnete 1917 in Leuna ein zweites, größeres Werk. Haber erhielt den Nobelpreis für Chemie für 1918, Bosch teilte sich den von 1931. Mitte der 1920er Jahre war Haber-Bosch zum wichtigsten Weg der Stickstoffbindung geworden, und selbst Norsk Hydro baute 1928 und 1929 Ammoniakanlagen, um ihre Lichtbogenöfen zu ersetzen.

Der Düngereinsatz wuchs rasch mit der intensiven Landwirtschaft nach dem Zweiten Weltkrieg. Vaclav Smil schätzte, dass im Jahr 2000 rund 40 % der Weltbevölkerung von Nahrung abhingen, die mit synthetischem Stickstoff erzeugt wurde; das Team von Jan Willem Erisman kam für 2008 auf 48 %. Mit dem Einsatz wuchsen die Kosten. Die Europäische Union verabschiedete 1991 ihre Nitratrichtlinie wegen des Nitrats im Grundwasser und der Algenblüten in Flüssen und Meeren, und Ammoniak gehört weiterhin zu den kohlenstoffintensivsten Erzeugnissen der Schwerindustrie.