Wie der Haber-Bosch-Prozess die halbe Welt ernährt

Die Erfindung, die alles veränderte

Stickstoff ist essentiell für alle Lebewesen. Er bildet Proteine, DNA und das Chlorophyll, das Pflanzen grün macht. Obwohl Stickstoffgas 78 % der Erdatmosphäre ausmacht, liegt es als N₂ vor – zwei Atome, die durch eine der stärksten Bindungen in der Chemie miteinander verbunden sind. Pflanzen können es in dieser Form nicht nutzen. Während des größten Teils der Menschheitsgeschichte waren Landwirte auf Mist, Fruchtfolge und seltene Mineralvorkommen angewiesen, um den Stickstoff im Boden wieder aufzufüllen. Dann, im Jahr 1909, fand der deutsche Chemiker Fritz Haber einen Weg, diese hartnäckige Bindung in einem Labor aufzubrechen. Bis 1913 hatte der Ingenieur Carl Bosch die Reaktion auf die industrielle Produktion hochskaliert. Der Haber-Bosch-Prozess war geboren und sollte die Zivilisation umgestalten.

Wie die Chemie funktioniert

Die Kernreaktion ist trügerisch einfach: Ein Molekül Stickstoffgas (N₂) verbindet sich mit drei Molekülen Wasserstoffgas (H₂), um zwei Moleküle Ammoniak (NH₃) zu erzeugen. In der Praxis erfordert dies jedoch rohe Gewalt. Die Reaktion läuft bei etwa 450 °C und 200 Atmosphären Druck in massiven Stahlreaktoren ab, wobei ein Katalysator auf Eisenbasis die Umwandlung beschleunigt.

Selbst unter diesen extremen Bedingungen werden nur etwa 15 % des Gases in einem einzigen Durchgang in Ammoniak umgewandelt. Ingenieure lösen dies, indem sie nicht umgesetztes Gas in einem kontinuierlichen Kreislauf durch den Reaktor zurückführen. Der Wasserstoff-Rohstoff stammt typischerweise aus der Dampfreformierung von Methan – der Spaltung von Erdgas mit Hochtemperaturdampf – weshalb der Prozess etwa 1–2 % des gesamten weltweiten Energiebedarfs verbraucht.

Das resultierende Ammoniak wird entweder direkt auf Felder aufgebracht oder in Produkte wie Harnstoff, Ammoniumnitrat und andere Stickstoffdünger umgewandelt, die Landwirte jedes Jahr auf Milliarden von Hektar ausbringen.

Warum es für die Ernährungssicherheit wichtig ist

Die Zahlen sind schwindelerregend. Laut Our World in Data hängt etwa die Hälfte der globalen Nahrungsmittelproduktion von synthetischen Stickstoffdüngern ab. Eine bahnbrechende Studie, die in Nature Geoscience veröffentlicht wurde, schätzte, dass die Erde ohne den Haber-Bosch-Prozess nur etwa 3–4 Milliarden Menschen ernähren könnte – weniger als die Hälfte der derzeitigen Bevölkerung. Fast 50 % der Stickstoffatome im menschlichen Körpergewebe stammen aus einem industriellen Reaktor, nicht aus der Natur.

Der globale Stickstoffdüngerverbrauch erreichte im Zeitraum 2022–2023 etwa 110 Millionen Tonnen, eine Steigerung von 300 % seit 1961. Ost- und Südasien sind die größten Verbraucher, wobei allein China jährlich über 23 Millionen Tonnen verbraucht. Der Prozess untermauert Mais-, Weizen- und Reiserträge, die mit organischen Stickstoffquellen allein unmöglich wären.

Der ökologische Preis

Der Haber-Bosch-Prozess ist mit einer hohen CO₂-Belastung verbunden. Die Produktion einer Tonne Ammoniak setzt etwa 1,6 Tonnen CO₂ frei, und die Industrie ist für etwa 1,2 % der globalen Treibhausgasemissionen verantwortlich – mehr als der gesamte Luftfahrtsektor, so das Rocky Mountain Institute. Über 70 % des verwendeten Wasserstoffs stammen aus Erdgas, was die Ammoniakproduktion stark von fossilen Brennstoffen abhängig macht.

Die Umweltkosten hören nicht am Werkstor auf. Wenn Stickstoffdünger auf den Boden aufgebracht werden, wandeln Mikroben einen Teil davon in Lachgas (N₂O) um, ein Treibhausgas, das über ein Jahrhundert hinweg etwa 300-mal stärker wirkt als CO₂. Überschüssiger Stickstoff wird auch in Flüsse und Ozeane gespült, was Algenblüten und aquatische Todeszonen befördert.

Die Suche nach umweltfreundlicheren Alternativen

Forscher und Unternehmen verfolgen mehrere Wege, um die Ammoniakproduktion zu dekarbonisieren:

• Grünes Ammoniak ersetzt aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Wasserstoff durch Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse, die mit erneuerbarem Strom betrieben wird, wodurch direkte CO₂-Emissionen vollständig vermieden werden.
• Blaues Ammoniak kombiniert die konventionelle Erdgasreformierung mit Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS), wodurch die Emissionen reduziert, aber nicht vollständig vermieden werden.
• Elektrochemische Synthese nutzt elektrischen Strom, um Stickstoff und Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen und Drücken in einem einzigen Schritt zu verbinden, wodurch der Haber-Bosch-Reaktor möglicherweise ganz umgangen wird.
• Plasma-Katalyse nutzt ionisiertes Gas, um Stickstoffmoleküle unter nahezu Umgebungsbedingungen zu aktivieren, eine Technologie, die sich noch weitgehend im Laborstadium befindet.

Keine dieser Alternativen arbeitet bisher in dem Umfang oder zu den Kosten des konventionellen Verfahrens. Auf absehbare Zeit bleibt die hundertjährige Haber-Bosch-Reaktion das Rückgrat der globalen Nahrungsmittelproduktion – eine Erfindung, die Milliarden von Leben rettet und gleichzeitig das Klima und die Ökosysteme des Planeten enorm belastet.