Wasserstofferzeugung aus Abwasser durch Ammoniakrückgewinnung

Schmutzwasser in saubere Energie verwandeln

Jeden Tag spülen Städte, Bauernhöfe und Fabriken Abwässer mit hohem Stickstoffgehalt fort. Heute wird dieser Stickstoff größtenteils als Schadstoff behandelt und in die Luft entlassen, obwohl er ein großes, bislang übersehenes Reservoir darstellt. Diese Studie untersucht eine kühne Idee: Anstatt den Stickstoff wegzuwerfen, können wir ihn als Ammoniak zurückgewinnen und in Wasserstoff umwandeln, einen sauberen Brennstoff, der bei seiner Nutzung nur Wasser erzeugt. Durch die Verbindung fortschrittlicher Behandlungstechnologien zeigen die Autorinnen und Autoren, dass Abwasser einen beträchtlichen Anteil des weltweiten Wasserstoffbedarfs liefern könnte, ohne zusätzliche Kohlenstoffemissionen zu erzeugen.

Vom Abfallproblem zur nutzbaren Ammoniakquelle

Moderne Kläranlagen sind darauf ausgelegt, Flüsse und Seen vor Nährstoffüberlastung zu schützen, indem reaktiver Stickstoff in harmlosen Stickstoffgas umgewandelt wird. Dieser Ansatz funktioniert für die Schadstoffkontrolle, verschwendet aber die Energie- und Düngerwerte, die im Stickstoff gespeichert sind. Das Papier untersucht drei vorhandene Techniken, die klüger handeln können: Stickstoff aus realen Abwasserströmen in einer wiederverwendbaren Form zurückzugewinnen. Beim Gasstripping werden Hitze und hoher pH-Wert eingesetzt, um gelöstes Ammonium in Ammoniakgas zu treiben, das in einer sauren Flüssigkeit aufgefangen wird. Die Membrandialyse lässt Ammoniak über spezielle gasdurchlässige Barrieren wandern, während die meisten anderen Verunreinigungen zurückgehalten werden. Die Elektrodialyse nutzt ein elektrisches Feld und ionenselektive Membranen, um Ammonium in einen konzentrierten Strom zu ziehen. Indem viele veröffentlichte Experimente mit realen Abwässern anhand eines einheitlichen Maßstabs neu analysiert werden, vergleichen die Autorinnen und Autoren, wie viel Ammoniak jeder Weg tatsächlich pro Liter Abwasser zurückgewinnen kann.

Welche Rückgewinnungswege am besten funktionieren

Wenn alle Daten normalisiert werden, erweist sich das Gasstripping als am effizientesten beim Herausziehen von Ammonium aus typischen Abwässern und gewinnt oft mehr als 90 Prozent des Stickstoffs zurück. Seine Leistung sinkt jedoch stark bei sehr hohen Stickstoffkonzentrationen, weil zusätzliche Chemikalien benötigt werden und andere gelöste Salze stören. Die Elektrodialyse liefert gute Ergebnisse, kann aber unter Konkurrenz durch andere geladene Ionen und unter Mineralablagerungen auf den Membranen leiden. Die Membrandialyse zeigt eine andere Stärke: Sie bleibt auch bei extremen Stickstoffkonzentrationen hochwirksam, dank des selektiven Transports von Ammoniakgas über hydrophobe Membranen. In den anspruchsvollsten Fällen erzielten Membransysteme die größten Gesamtmengen an zurückgewonnenem Ammoniak pro Liter Abwasser und sind damit besonders attraktiv für Viehmist, Deponiesickerwasser und konzentrierte industrielle Abwässer.

Ammoniak in Wasserstoff aufspalten

Das Einfangen von Ammoniak ist nur die halbe Geschichte. Um es in nutzbaren Brennstoff zu verwandeln, muss das Ammoniak über einen Feststoffkatalysator bei hoher Temperatur in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt werden. Die Autorinnen und Autoren sichten die aktuelle Katalysatorforschung und identifizieren drei Hauptfamilien: auf dem Edelmetall Ruthenium basierende, auf günstigeren Metallen wie Nickel basierende und bimetallische Legierungen, die verschiedene Metalle kombinieren. Rutheniumkatalysatoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei niedrigeren Temperaturen um etwa 500 °C nahezu vollständige Ammoniumkonversion erreichen, was den Energieaufwand senkt und die Lebensdauer des Katalysators verlängert. Nickel- und Legierungskatalysatoren können ebenfalls gut funktionieren, erfordern aber typischerweise höhere Betriebstemperaturen, was den Brennstoffverbrauch steigert. Wichtig ist, dass Ammoniak, das über elektrochemische Wege zurückgewonnen wird, im Wesentlichen frei von Schwefel, Chlor und Schwermetallen ist, sodass es sich wie hochreines Handelsammoniak verhält und diese Katalysatoren wahrscheinlich nicht vergiftet.

Wie viel Wasserstoff könnte Abwasser liefern?

Indem die besten Rückgewinnungs- und Zerlegungsschritte zu einer dreistufigen Kette verbunden werden — Stickstofffang als Ammonium, elektrochemische Umwandlung zu Ammoniakgas und katalytische Spaltung zu Wasserstoff — schätzt die Studie, wie viel Wasserstoff theoretisch aus den weltweiten Abwasserströmen gewonnen werden könnte. Je nach Art des Abwassers und der Technologiekombination kann jeder Liter etwa von einem Zehntel Gramm bis zu mehr als einem Gramm Wasserstoff liefern. Hochgerechnet auf kommunale, häusliche, landwirtschaftliche, lebensmittelverarbeitende und einige industrielle Ströme weltweit ergibt das zwischen 2,5 und 30,6 Millionen Tonnen Wasserstoff pro Jahr. Das entspricht etwa 44 Prozent der aktuellen globalen Wasserstoffproduktion, erreicht ohne Verbrennen fossiler Brennstoffe und bei gleichzeitiger Verbesserung der Abwasserbehandlung.

Kosten und ökologische Vorteile abwägen

Die Forschenden vergleichen diesen neuen Weg auch mit dem lang etablierten Haber–Bosch-Verfahren, das synthetisches Ammoniak aus Erdgas herstellt und für den Großteil des weltweiten Düngers verantwortlich ist. Rein energetisch kostet die Rückgewinnung von Ammoniak aus Abwasser und dessen anschließende Spaltung zu Wasserstoff immer noch geringfügig mehr als konventionelles „graues“ Ammoniak, liegt aber bereits in ähnlichem Bereich wie „blaues“ Ammoniak, das einen Teil seines Kohlendioxids abfängt, und ist günstiger als „grünes“ Ammoniak, das allein aus erneuerbarem Strom hergestellt wird. Betrachtet man die Treibhausgasemissionen, schneiden die abwasserbasierten Wege noch besser ab. Mit dem heutigen Strommix können sie das graue Ammoniak übertreffen, und wenn sie mit kohlenstoffarmen Quellen wie Solarstrom betrieben werden, können Membran- und Elektrodialysewege sogar in Bezug auf die Klimaauswirkung pro Kilogramm Produkt dem grünen Ammoniak überlegen sein.

Was das für eine Wasserstoffzukunft bedeutet

Im Ganzen betrachtet zeigt die Arbeit, dass Stickstoff im Abwasser nicht nur ein Entsorgungsproblem, sondern eine strategische Ressource ist. Durch die Wahl des passenden Rückgewinnungsprozesses für jeden Abwasserstrom — oft Membrandialyse für sehr starke Flüssigkeiten — und dessen Kombination mit effizienten rutheniumbasierten Reaktoren wird es möglich, große Mengen kohlenstofffreien Wasserstoffs zu erzeugen und gleichzeitig Dünger zurückzugewinnen. Einige Hürden bleiben, darunter das Herunterskalieren der Elektrodialyse und elektrochemischer Schritte, das Management von Verunreinigungen in Anlagen im Vollmaßstab und die Senkung der Kosten sowie die Versorgungssorgen rund um Ruthenium. Dennoch legt die Analyse nahe, dass mit durchdachter Technik und erneuerbarer Energie die Kläranlagen von morgen zugleich als Raffinerien für saubere Energie fungieren und das, was wir wegspülen, in einen bedeutenden Anteil der weltweiten Wasserstoffversorgung verwandeln könnten.

Zitation: Yang, H., Lim, S.Y., Lee, G. et al. Hydrogen production from wastewater via ammonia gas recovery. npj Clean Water 9, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00558-7

Schlüsselwörter: Abwasser Wasserstoff, Ammoniakrückgewinnung, Membrandialyse, Elektrodialyse, Rutheniumkatalysatoren