Ali obstaja podnebju bolj prijazen način gnojenja pridelkov? Odgovor je morda pihal v vetru

Rastline so po naravi "napajane s sončno energijo", vendar je z njihovo gojenjem kot pridelkom povezan ogljični odtis. Gorivo, ki se uporablja za pogon traktorjev in druge opreme, je del tega odtisa, vendar največja komponenta v višini 36% je povezan z zemeljskim plinom, ki se uporablja za izdelavo sintetičnih dušikovih gnojil.

Med motnjami na svetovnem trgu zemeljskega plina, ki jih povzročajo konflikti, in nujno potrebo po obravnavanju podnebnih sprememb postaja odvisnost dušikovih gnojil od fosilnih goriv nevzdržna. Idealna rešitev bi bila najti način za oskrbo z dušikom z nizkim ogljičnim odtisom z uporabo lokalne, obnovljive energije. Je to mogoče? V tem primeru je lahko odgovor dobesedno »pihati v veter«.

Zelene rastline pridobivajo energijo za rast od sonca s procesom fotosinteze. So; vendar potrebujejo hranila – minerale, ki jih absorbirajo iz zemlje skozi svoje korenine. Dušik, fosfor in kalij so največje potrebe rastline in jih v kmetijstvu ali vrtnarstvu dobavljamo kot gnojila. V človeški zgodovini je bil dušik najbolj omejujoč element za pridelavo pridelkov, in ko se je število prebivalstva povečalo, razpoložljivi viri dušika, kot sta gnoj domačih živali ali ptičji gvano, niso mogli zagotoviti vsega, kar je bilo potrebno. Izziv pridobivanja dovolj dušika za rastline je nekoliko ironičen, ker atmosfera vsebuje 78 % plinastega dušika; pa je precej inerten in večini živih bitij nedostopen. Pred nekaj več kot 100 leti stanje gnojil se je spremenilo. Nemški znanstvenik po imenu Fritz Haber je pripravil katalizator in tlačni sistem, da bi uporabil vodik in nekaj dušika v zraku ter jih spremenil v amoniak, ki je oblika, ki je na voljo rastlinam. Drugi inženir po imenu Carl Bosch je izpopolnil in razširil postopek, tako da je bilo do leta 1914 mogoče proizvesti 20 ton uporabnega dušika na dan.

Ta postopek "Haber-Bosch" se optimalno izvaja v velikih obratih, od katerih vsak proizvede približno 1 milijon ton na leto bodisi iz virov zemeljskega plina bodisi z uplinjanjem premoga. Zemeljski plin je sestavljen iz enega atoma ogljika in štirih vodikovih atomov, vendar je le vodik tisti, ki je potreben za reakcijo z dušikom v zraku, da nastane amoniak (en atom N s tremi atomi vodika). Ogljik v tem primeru izvira iz "fosilnega" vira, zato predstavlja "emisijo toplogrednih plinov". Obstaja drugačen način pridobivanja vodika, imenovan elektroliza. Vse, kar potrebujete, je nekaj vode (dva atoma vodika in en atom kisika) in elektrika. Ta postopek odcepi vodik in sprosti neškodljiv kisik. V tem scenariju ni emisij ogljika. Javni in zasebni raziskovalci eksperimentirajo z majhnimi Haber-Boschevimi postopki za proizvodnjo amoniaka. Poudarek je bil na uporabi električne energije iz vetra ali sonca. Ta koncept je bil v delu že nekaj časa. Leta 2009 je na primer pilotna elektrarna v vrednosti 3.75 milijona dolarjev na West Central Research and Outreach Center Univerze v Minnesoti uporabljala električno energijo iz lokalne vetrne elektrarne za proizvodnjo 25 ton brezvodnega amoniaka na leto. To je bilo opisano v intervjuju z Mikeom Reesejem, direktorjem za obnovljive vire energije na tem obratu v Minnesoti, objavljenem v reviji za kmetijstvo Corn+Soybean Digest. Članek je imel primeren naslov: »Naredite gnojilo iz redkega zraka? Uporaba nasedle vetrne energije za izdelavo obnovljivega amoniaka bi lahko stabilizirala cene N, zgradila trge z vetrno energijo.

Kaj se torej dogaja 13 let pozneje? Kot pri vsakem novem kemičnem postopku je potreben čas za optimizacijo. Obstajajo tudi ekonomije obsega, zaradi katerih je težko tekmovati z dobro uveljavljenim procesom v industrijskem obsegu, kot se uporablja za sodobno proizvodnjo gnojil. Vendar je možno, da se različice te tehnologije približujejo komercialni izvedljivosti. A "Tehno-ekonomska analiza«, ki so ga leta 2020 objavili raziskovalci pri Texas Techu, so ugotovili, da bi bilo mogoče "vso električni" amoniak proizvesti po približno dvakratni ceni od običajnega amoniaka. To je bilo pred dramatičnim povišanjem cen gnojil za rastno sezono 2022 (gl. Sodobni kmet: »Kmetje se trudijo slediti naraščajočim cenam gnojil).

V intervjuju za ta članek Mike Reese z Univerze v Minnesoti pravi, da se ta rešitev krepi. Z naraščajočimi stroški zemeljskega plina se zmanjšujejo stroški električne energije iz obnovljivih virov in v ospredje prihajajo zaveze k blažitvi podnebnih sprememb; zdaj obstaja veliko zanimanje za tovrstno možnost »zelenega amoniaka«. Reese pravi, da več velikih podjetij za konvencionalna gnojila išče, kako bi se lahko premaknila v to smer. Reesejev opis te tehnologije je objavljen na spletni strani centra: "Spodbujanje trajnostne energije in kmetijstva: dajanje vetra v steklenico.” Raziskovalci UMN so objavili tudi sorodno ekonomska analiza.

Logičen scenarij je razvoj srednje velikih elektrarn v razponu od 30 do 200 ton/leto in jih umestiti po kmetijskih regijah, kjer je veliko možnosti za proizvodnjo vetrne in sončne energije. Na ta način bi bil transportni odtis gnojila majhen in trg bi bil izoliran pred globalnimi nihanji cen. Očitno bi obstajala potreba po znatnih kapitalskih naložbah, vendar bi to lahko delno obravnavali s subvencijami, ki jih povzročajo podnebne spremembe, ali z ogljikovimi krediti. Ta sprememba bi bila pozitivna tudi za sektor sončne in vetrne energije, ker obravnava njihovo potrebo po uporabi v obdobjih največje proizvodnje, ki morda ne ustrezajo povpraševanju po omrežju. Obstaja neodvisen interes za amoniak kot varnejše sredstvo za shranjevanje vodika za kasnejše sproščanje veliko različnih aplikacij.

Kot da ta zgodba že ni bila dovolj pozitivna, obstaja način, da bi lahko proizvodnjo gnojil še dodatno »dekarbonizirali«. Rastline za bioetanol so razširjene po številnih kmetijskih regijah ZDA. Ko fermentirajo ogljikove hidrate iz zalog krme, kot je koruzni škrob, oddajajo CO2, vendar je "ogljično nevtralen", ker izhaja iz nedavne fotosinteze pridelkov. Vendar pa je mogoče zajeti to obilno zalogo plina in reagirati z amoniakom, da nastane sečnina, ki je lažje shranjena in uporabljena oblika dušikovega gnojila, ki se lahko pretvori v druge običajne formulacije, kot so UAN ali peleti s počasnim sproščanjem. . Vzpostavitev te povezave med proizvodnjo amoniaka in etanola bi poleg zmanjšanja ogljičnega odtisa, povezanega z vsakim izdelkom, imela tako poslovne kot logistične prednosti.

Za zaključek se zdi, da je elektrifikacija proizvodnje amoniaka za kmetijstvo odličen primer rešitve, ki jo predvideva "ekomodernisti” ki trdijo, da je tehnologija pogosto rešitev za okoljske izzive. V tem primeru je to tudi v skladu s potrebo po zaščiti našega kmetijskega gospodarstva pred globalno nestabilnostjo.