Postoji li klimatski prihvatljiviji način gnojenja usjeva? Odgovor je možda puhao u vjetar

Biljke su prirodno „na solarni pogon“, ali postoji ugljični otisak povezan s njihovim uzgojem kao usjevom. Gorivo koje se koristi za pogon traktora i druge opreme dio je tog otiska, ali najveća komponenta od 36% je povezan sa prirodnim gasom koji se koristi za proizvodnju sintetičkih azotnih đubriva.

Između sukoba izazvanih poremećajima na globalnom tržištu prirodnog gasa i hitne potrebe za rješavanjem klimatskih promjena, ovisnost azotnih đubriva o fosilnim gorivima postaje neodrživa. Idealno rješenje bi bilo pronaći način da se azot isporučuje s niskim ugljičnim otiskom koristeći lokalnu, obnovljivu energiju. Da li je to moguće? U ovom slučaju odgovor bi mogao biti doslovno „odneseno u vjetar“.

Zelene biljke dobijaju energiju za rast od sunca kroz proces fotosinteze. Oni to rade; međutim, trebaju hranljive materije – minerale koje apsorbuju iz zemlje kroz svoje korenje. Azot, fosfor i kalij su najveće potrebe biljke, a u poljoprivredi ili baštovanstvu isporučuju se kao đubrivo. Kroz ljudsku historiju, dušik je bio najveći ograničavajući element za proizvodnju usjeva, a kako se stanovništvo povećavalo, dostupni izvori dušika kao što su stajnjak domaćih životinja ili ptičji guano nisu mogli opskrbiti sve što je bilo potrebno. Izazov dobivanja dovoljno dušika za biljke je pomalo ironičan jer atmosfera sadrži 78% plina dušika; međutim, prilično je inertan i nedostupan većini živih bića. Prije nešto više od 100 godina situacija sa đubrivom se promenila. Njemački naučnik po imenu Fritz Haber osmislio je katalizator i sistem pritiska kako bi koristio vodonik i dio dušika u zraku i pretvorio ga u amonijak koji je oblik dostupan biljkama. Drugi inženjer po imenu Carl Bosch usavršio je i povećao proces tako da je do 1914. godine bilo moguće proizvesti 20 tona dnevno upotrebljivog dušika.

Ovaj “Haber-Bosch” proces se optimalno izvodi u velikim postrojenjima od kojih svaki proizvodi oko 1 milion tona godišnje, bilo iz izvora prirodnog gasa ili putem gasifikacije uglja. Prirodni plin se sastoji od jednog atoma ugljika i četiri atoma vodika, ali samo je vodonik potreban da bi reagirao s dušikom u zraku da bi se dobio amonijak (jedan atom N sa tri atoma vodika). Ugljik u tom slučaju dolazi iz "fosilnog" izvora tako da predstavlja "emisiju stakleničkih plinova". Postoji drugačiji način stvaranja vodika koji se zove elektroliza. Sve što je potrebno je malo vode (dva atoma vodika i jedan atom kisika) i električna energija. Ovaj proces odvaja vodonik i oslobađa bezopasni kiseonik. U ovom scenariju nema emisije ugljika. Javni i privatni istraživači eksperimentišu sa Haber-Bosch procesima malih razmera za proizvodnju amonijaka. Fokus je bio na korištenju električne energije proizvedene od vjetra ili sunca. Ovaj koncept je u izradi već neko vrijeme. Na primjer, 2009. godine pilot postrojenje od 3.75 miliona dolara za West Central Research and Outreach centar Univerziteta Minnesote koristilo je električnu energiju iz lokalnog vjetroelektrana za proizvodnju 25 tona bezvodnog amonijaka godišnje. Ovo je opisano u intervjuu sa Mikeom Reeseom, direktorom obnovljivih izvora energije u tom pogonu u Minesoti, objavljenom u časopisu za poljoprivrednu trgovinu Corn+Soybean Digest. Članak je bio prikladno naslovljen: „Napraviti gnojivo iz tankog zraka? Upotreba nasukane energije vjetra za proizvodnju obnovljivog amonijaka mogla bi stabilizirati cijene N, izgraditi tržišta energije vjetra.”

Dakle, šta se dešava 13 godina kasnije? Kao i kod svakog novog hemijskog procesa, potrebno je vrijeme za optimizaciju. Postoje i ekonomije obima koje otežavaju natjecanje s dobro uspostavljenim procesom u industrijskom obimu poput onog koji se koristi za modernu proizvodnju gnojiva. Međutim, moguće je da se verzije ove tehnologije približavaju komercijalnoj izvodljivosti. A “Tehno-ekonomska analiza” koju su 2020. objavili istraživači iz Texas Tech-a zaključili su da bi se “sav električni” amonijak mogao proizvesti po otprilike dvostrukoj cijeni od konvencionalnog amonijaka. To je bilo prije dramatičnog povećanja cijena đubriva za sezonu rasta 2022. (vidi Moderni poljoprivrednik: „Poljoprivrednici se bore da održe korak s rastućim cijenama gnojiva).

U intervjuu za ovaj članak Mike Reese sa Univerziteta u Minesoti kaže da se razvija zamah za ovo rješenje. Uz povećanje cijene prirodnog plina, smanjenje troškova obnovljive električne energije i posvećenost ublažavanju klimatskih promjena dolazi u prvi plan; sada postoji veliko interesovanje za ovu vrstu opcije „zelenog amonijaka“. Reese kaže da nekoliko velikih kompanija za proizvodnju konvencionalnih gnojiva istražuje kako bi se mogle pomaknuti u tom smjeru. Reeseov opis ove tehnologije objavljen je na web stranici centra: “Održavanje održive energije i poljoprivrede: stavljanje vjetra u bocu.” Istraživači UMN-a su također objavili srodnu ekonomska analiza.

Logičan scenario je da se razviju postrojenja srednjeg obima u rasponu od 30 do 200 tona godišnje i da se lociraju u poljoprivrednim regionima gde postoji mnogo potencijala za proizvodnju električne energije iz vetra i sunca. Na taj način bi transportni otisak đubriva bio mali, a tržište bi bilo izolovano od globalnih promena cena. Očigledno je da bi postojala potreba za značajnim kapitalnim ulaganjima, ali to bi se moglo djelimično riješiti kroz subvencije uzrokovane klimatskim promjenama ili putem karbonskih kredita. Ova promjena bi također bila pozitivna za sektor solarne energije i energije vjetra jer se bavi njihovom potrebom za korištenjem tokom vršnih perioda proizvodnje koji možda nisu u skladu sa potražnjom u mreži. Postoji nezavisna linija interesovanja za amonijak kao sigurnije sredstvo za skladištenje vodonika za kasnije oslobađanje mnogo različitih aplikacija.

Kao da ova priča već nije bila dovoljno pozitivna, postoji način da se proizvodnja đubriva još više „dekarbonizira“. Postoje biljke za bioetanol rasprostranjene u mnogim poljoprivrednim regijama u SAD. Kada fermentiraju ugljikohidrate iz stočne hrane kao što je kukuruzni škrob, oni emituju CO2, ali je “ugljično neutralan” jer dolazi od nedavne fotosinteze usjeva. Međutim, moguće je uhvatiti tu obilnu zalihu plina i reagirati s amonijakom kako bi se proizvela urea koja je lakše skladišten i primijenjen oblik dušičnog gnojiva i koji se može pretvoriti u druge uobičajene formulacije kao što su UAN ili pelete sa sporim oslobađanjem. . Uspostavljanje ove veze između proizvodnje amonijaka i etanola imalo bi i poslovne i logističke prednosti uz smanjenje ugljičnog otiska povezanog sa svakim proizvodom.

U zaključku, čini se da je elektrifikacija proizvodnje amonijaka za poljoprivredu odličan primjer rješenja koje je zamislio “ekomodernisti” koji tvrde da je tehnologija često rješenje za ekološke izazove. U ovom slučaju to je u skladu sa potrebom da zaštitimo našu poljoprivrednu ekonomiju od globalne nestabilnosti.