21.11.2018 - Herstellung und natürliche Ressourcen mineralischer Düngemittel

Rund 190 Mio. Tonnen Stickstoff, Phosphor und Kalium wurden im Jahr 2016 weltweit als Pflanzennährstoffe verbraucht, und die Nachfrage steigt weiter an. Wie diese Nährstoffe produziert werden und wie lange die Rohstoff-Reserven für die Produktion reichen, war am 14. November das Thema unserer Reihe „IAPN im Dialog“. An den Vortrag mit zahlreichen aktuellen Daten von Dr. Ulrich Kleine-Kleffmann, Senior Technical Consultant bei der K+S KALI GmbH, schloss sich eine rege Diskussion an. Prof. Dr. Klaus Dittert moderierte die Veranstaltung.

Stickstoff: Aus der Luft gewonnen

Mit gut 105 Mio. Tonnen liegt Stickstoff (N) an der Spitze der im Jahr 2016 eingesetzten Pflanzennährstoffe. Unter den verschiedenen Stickstoffdüngern ist wiederum Harnstoff CO(NH₂)₂ mit einem weltweiten Anteil von 58 % (2014) führend – vor Ammoniumnitrat (NH₄NO₃) und Kalziumammoniumnitrat (CaCO₃/NH₄NO₃). Harnstoff hat dabei mit 46 % den höchsten Stickstoffgehalt. Die Herstellung der Stickstoffdüngemittel ist die eine Seite, eine große Herausforderung ist es allerdings auch, den für Pflanzen nutzbar gemachten Stickstoff nun ohne große Verluste in der Landwirtschaft einzusetzen. „An der Effizienz der Stickstoffdüngung“, sagt Dr. Kleine-Kleffmann, „muss weiter gearbeitet werden.“

Stickstoffdünger wurde früher vorwiegend auf der Grundlage von Guano und Chilesalpeter (NaNO₃) produziert. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts suchten Forscher nach chemischen Verfahren, um den in der Luft enthaltenen – für die meisten Pflanzen nicht direkt verfügbaren – Stickstoff zu Düngemitteln zu verarbeiten. Das 1912 eingeführte Haber-Bosch-Verfahren ermöglichte es, Stickstoff und Wasserstoff unter hohem Druck und hoher Temperatur zu Ammoniak, dem Grundstoff der meisten Stickstoffdünger, zu verbinden. Damit war die Basis für die Produktion großer Mengen gelegt. Das inzwischen technisch verfeinerte Verfahren gilt noch heute als Standard.

Hyper-, Super- und Tripelsuperphosphat

Phosphate kommen in der Natur fast immer als Apatit vor. Ihre Lagerstätten – die größten liegen in Nordafrika und im Nahen Osten – sind vorwiegend sedimentären und zum geringen Teil magmatischen Ursprungs. Apatit wird im Über-Tage-Bergbau abgebaut und zunächst mechanisch durch Waschen, Mahlen und Sieben aufbereitet. Das so entstandene Rohphosphat kann fein vermahlen, ohne weiteren Aufschluss als Hyperphosphat-Dünger direkt eingesetzt werden, wird aber in dieser Form nur sehr langsam für die Pflanzen verfügbar. Um wasserlösliche, schnell wirksame Phosphatdünger herzustellen, wird das Rohphosphat zumeist chemisch mit Säuren aufgeschlossen und entweder zu gipshaltigem Superphosphat mit einem P₂O₅-Gehalt von rund 16 bis 20 % oder zu Tripelsuperphosphat mit einem P₂O₅-Gehalt von 44 bis 48 % verarbeitet.

Problematisch an Phosphatdüngern, insbesondere wenn sie aus sedimentären Lagerstätten gewonnen sind, ist der Cadmium (Cd)-Gehalt. Dr. Kleine-Kleffmann erläutert, dass es mit der neugeplanten europäischen Düngemittelverordnung erstmals auch nach EU-Recht einen Cd-Grenzwert geben soll. Aktuell in der Diskussion sind maximal 60 mg/kg P₂O₅ mit sukzessiver Abstufung innerhalb mehrerer Jahre auf 20 mg/kg P₂O₅.

Kaliumgewinnung – unter und über Tage

Die bedeutendsten Vorkommen von Kalisalzen befinden sich in Kanada, Russland, Deutschland und China. Nur in Deutschland enthalten die Lagerstätten neben Kalisalzen auch Kieserit (MgSO₄·H₂O).

Mineralische Lagerstätten von Kalium (K) liegen charakteristischerweise in 500 bis 1.600 Meter Teufe. Das Rohsalz wird hier entweder bergmännisch durch Bohren und Sprengen sowie durch Schneiden abgebaut. Oder es wird durch Solution Mining gewonnen: „Rund 70 °C heißes Wasser wird dabei nach unter Tage befördert, es löst das dort lagernde Kalisalz auf und die gesättigte Lösung wird nach über Tage gebracht. Das Wasser wird im weiteren Herstellungsprozess verdampft und das Salz kristallisiert“, erklärt Dr. Ulrich Kleine-Kleffmann. Neben mineralischen Lagerstätten existieren auch Kalivorkommen in Form von Salzlösungen wie zum Beispiel im Toten Meer in Israel oder im chinesischen Qinghai-See. In Salzlösungen vorkommendes Kalium wird unter anderem durch Solegewinnung und „solare Wasserverdunstung“ verfügbar gemacht.

Die typischen Rohsalze in Deutschland sind Hartsalz und Sylvinit, beide enthalten einen hohen Natriumanteil, der abgesondert werden muss. Zu den wichtigsten industriellen Aufbereitungsverfahren für Kalium in Düngemittelqualität zählen Flotation und Heißlöseverfahren. Das von K+S entwickelte ESTA®-Trennverfahren kommt ohne Salzlösungen und hohen Energieaufwand zur Trocknung der Produkte aus. Es macht sich die elektrostatische Ladung von Partikeln für die Trennung zunutze.

Der CO₂-Fußabdruck

In einem CO₂-Footprint-Vergleich der wichtigsten N-, P- und K-Düngemittel wurde für die Produktion und Anwendung von Harnstoff insgesamt die höchste CO₂-Emission ermittelt und für Kaliumchlorid die niedrigste (Quelle: fertilizers europe, Carbon footprint reference values, 2011). Zusätzlich schlägt beim Stickstoff die Produktion von Ammoniak im Haber-Bosch-Verfahren zu Buche. Hier variieren Energieverbrauch und CO₂-Ausstoß je nach genutzter Wasserstoff-Quelle: Bei Erdgas als Quelle sind sie am geringsten, bei Kohle am höchsten (Angaben nach: International Fertilizer Association, IFA, 2009).

Wie lange reichen die Rohstoffe?

Dr. Kleine-Kleffmann nennt eine geschätzte Reichweite der Kalium-Reserven von über 300 Jahren und ergänzt: „Wenn man die technischen Möglichkeiten hat, um die existierenden Ressourcen über die verfügbaren Reserven hinaus zu erschließen, dürften die Kalivorkommen für mehrere Tausend Jahre reichen.“ Auch die Phosphor-Reserven werden schätzungsweise den Bedarf noch für rund 300 Jahre decken. Als langfristige Zukunftsoptionen könnten bei beiden Rohstoffen Recyclingverfahren in Frage kommen. Bei der Herstellung von Stickstoffdüngemitteln ist die Luft als Ressource unerschöpflich, während Erdgas und Erdöl endlich sind. Hier könnte es eine Zukunftsoption sein, den erforderlichen Wasserstoff für das Haber-Bosch-Verfahren aus regenerativen Energien zu erzeugen.

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