Există o modalitate mai ecologică de a fertiliza culturile? Răspunsul poate fi suflă în vânt

Plantele sunt în mod natural „alimentate cu energie solară”, dar există o amprentă de carbon asociată cu creșterea lor ca cultură. Combustibilul folosit pentru a alimenta tractoarele și alte echipamente face parte din acea amprentă, dar este cea mai mare componentă de ordinul a 36% este asociat cu gazul natural folosit la fabricarea îngrășămintelor sintetice cu azot.

Între perturbările cauzate de conflicte pe piața globală a gazelor naturale și nevoia urgentă de a aborda schimbările climatice, dependența îngrășămintelor cu azot de combustibilii fosili devine insuportabilă. Soluția ideală ar fi să găsești o modalitate de a face o aprovizionare cu azot cu amprentă redusă de carbon folosind energie locală, regenerabilă. Este posibil? În acest caz, răspunsul poate fi literal „suflă în vânt”.

Plantele verzi obțin energia pentru a crește de la soare prin procesul de fotosinteză. Ei fac; totuși, au nevoie de nutrienți – minerale pe care le absorb din sol prin rădăcini. Azotul, fosforul și potasiul sunt cele mai mari nevoi ale plantei, iar în agricultură sau grădinărit acestea sunt furnizate ca îngrășăminte. De-a lungul istoriei omenirii, azotul a fost cel mai limitativ element pentru producția de culturi și, pe măsură ce populația a crescut, sursele disponibile de azot, cum ar fi gunoiul de grajd pentru animale domestice sau guanoul păsărilor, nu au putut furniza tot ceea ce era necesar. Provocarea de a obține suficient azot pentru plante este oarecum ironică, deoarece atmosfera conține 78% azot gazos; cu toate acestea, este destul de inert și indisponibil pentru majoritatea viețuitoarelor. Acum puțin peste 100 de ani situația îngrășămintelor s-a schimbat. Un om de știință german pe nume Fritz Haber a inventat un catalizator și un sistem de presiune care să folosească hidrogenul și o parte din azotul din aer și să-l transforme în amoniac, care este o formă disponibilă plantelor. Un alt inginer pe nume Carl Bosch a perfecționat și a extins procesul, astfel încât până în 1914 să fie posibil să se producă 20 de tone/zi de azot utilizabil.

Acest proces „Haber-Bosch” este realizat în mod optim în instalații la scară largă, fiecare producând de ordinul a 1 milion de tone pe an fie din surse de gaze naturale, fie prin gazificarea cărbunelui. Gazul natural este compus dintr-un atomi de carbon și patru de hidrogen, dar doar hidrogenul este necesar pentru a reacționa cu azotul din aer pentru a produce amoniac (un atom de N cu trei atomi de hidrogen). În acest caz, carbonul provine dintr-o sursă „fosilă”, deci constituie o „emisie de gaze cu efect de seră”. Există o modalitate diferită de a genera hidrogen numită electroliză. Tot ce este nevoie este puțină apă (doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen) și electricitate. Acest proces desparte hidrogenul și eliberează oxigenul inofensiv. În acest scenariu nu există emisii de carbon. Cercetătorii publici și privați au experimentat cu procese Haber-Bosch la scară mică pentru a produce amoniac. Accentul s-a pus pe utilizarea energiei electrice generate de vânt sau solar. Acest concept este în lucru de ceva timp. De exemplu, în 2009, o fabrică pilot de 3.75 milioane de dolari pentru Centrul de Cercetare și Outreach West Central al Universității din Minnesota folosea electricitate de la o instalație locală de energie eoliană pentru a produce 25 de tone de amoniac anhidru pe an. Acest lucru a fost descris într-un interviu cu Mike Reese, directorul energiei regenerabile la acea unitate din Minnesota, publicat în jurnalul de comerț agricol Corn+Soybean Digest. Articolul a fost intitulat pe bună dreptate: „Faceți îngrășământ din aer subțire? Utilizarea energiei eoliene eșuate pentru a produce amoniac din surse regenerabile ar putea stabiliza prețurile N, ar putea construi piețe de energie eoliană.”

Deci, ce se întâmplă 13 ani mai târziu? Ca și în cazul oricărui proces chimic nou, este nevoie de timp pentru optimizare. Există, de asemenea, economii de scară care fac dificilă concurența cu un proces bine stabilit, la scară industrială, precum cel utilizat pentru producția modernă de îngrășăminte. Cu toate acestea, este posibil ca versiunile acestei tehnologii să se apropie de o fezabilitate comercială. A "Analiza Tehno-Economică” publicat în 2020 de cercetătorii de la Texas Tech a concluzionat că amoniacul „tot electric” ar putea fi produs la aproximativ două ori mai mult decât costul amoniacului convențional. Asta a fost înainte de creșterile dramatice observate cu prețurile îngrășămintelor pentru sezonul de vegetație 2022 (vezi Fermier modern: „Fermierii se luptă să țină pasul cu creșterea prețurilor la îngrășăminte).

Într-un interviu pentru acest articol, Mike Reese de la Universitatea din Minnesota spune că se creează impuls pentru această soluție. Odată cu creșterea costului gazelor naturale, scăderea costurilor cu energie electrică regenerabilă și angajamentele pentru atenuarea schimbărilor climatice ajungând în prim-plan; există acum un interes larg pentru acest tip de opțiune „amoniac verde”. Reese spune că mai multe companii de îngrășăminte convenționale la scară largă se uită la modul în care s-ar putea schimba în această direcție. Descrierea lui Reese a acestei tehnologii este postată pe site-ul web al centrului: „Alimentarea cu energie durabilă și agricultură: punerea vântului într-o sticlă.” Cercetătorii UMN au publicat, de asemenea, un articol conex analiză economică.

Un scenariu logic este de a dezvolta centrale la scară medie în intervalul de 30 până la 200 de tone/an și de a le amplasa în regiunile agricole unde există o mulțime de potențial pentru generarea de energie electrică eoliană și solară. În acest fel, amprenta de transport a îngrășământului ar fi mică, iar piața ar fi izolată de fluctuațiile prețurilor globale. Evident, ar fi nevoie de investiții de capital substanțiale, dar acest lucru ar putea fi parțial abordat prin subvenții determinate de schimbările climatice sau prin credite de carbon. Această schimbare ar fi, de asemenea, pozitivă pentru sectorul energiei solare și eoliene, deoarece abordează nevoia lor de utilizare în perioadele de vârf de producție care ar putea să nu se alinieze cererii rețelei. Există o linie independentă de interes în amoniac ca mijloc mai sigur de stocare a hidrogenului pentru eliberare ulterioară pentru multe aplicații diferite.

De parcă această poveste nu ar fi deja suficient de pozitivă, există o modalitate prin care producția de îngrășăminte ar putea fi și mai „decarbonizată”. Există plante de bioetanol răspândite în multe regiuni agricole din SUA. Când fermentează carbohidrații din hrana pentru animale, cum ar fi amidonul de porumb, emit CO2, dar este „neutru în carbon”, deoarece provine din fotosinteza recentă a culturilor. Cu toate acestea, este posibil să se capteze acea cantitate abundentă de gaz și să reacționeze cu amoniacul pentru a produce uree, care este o formă mai ușor de depozitat și aplicat de îngrășământ cu azot și care poate fi transformată în alte formulări comune, cum ar fi UAN sau pelete cu eliberare lentă. . Realizarea acestei legături între producția de amoniac și etanol ar avea atât avantaje comerciale, cât și logistice, pe lângă reducerea amprentei de carbon asociată fiecărui produs.

În concluzie, electrificarea producției de amoniac pentru agricultură pare a fi un exemplu excelent al tipului de soluție preconizată de „ecomoderniști” care susțin că tehnologia este adesea soluția la provocările de mediu. În acest caz, acest lucru se aliniază și nevoii de a ne proteja economia agricolă de instabilitatea globală.