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% povezan je s prirodnim plinom koji se koristi za proizvodnju sintetičkih dušičnih gnojiva.

Između sukoba uzrokovanih poremećajima na globalnom tržištu prirodnog plina i hitne potrebe za rješavanjem klimatskih promjena, ovisnost dušičnih gnojiva o fosilnim gorivima postaje neodrživa. Idealno rješenje bilo bi pronaći način za opskrbu dušikom s niskim ugljičnim otiskom koristeći lokalnu, obnovljivu energiju. Je li to moguće? U ovom slučaju odgovor bi mogao biti doslovno “puhati u vjetar”.

Zelene biljke dobivaju energiju za rast od sunca kroz proces fotosinteze. Oni čine; međutim, trebaju hranjive tvari – minerale koje upijaju iz tla kroz svoje korijenje. Dušik, fosfor i kalij su najveće potrebe biljke, a u poljoprivredi ili vrtlarstvu oni se opskrbljuju kao gnojiva. Kroz ljudsku povijest, dušik je bio najveći ograničavajući element za proizvodnju usjeva, a kako se stanovništvo povećavalo, dostupni izvori dušika kao što su gnoj domaćih životinja ili ptičji guano nisu mogli opskrbiti sve što je bilo potrebno. Izazov dobivanja dovoljno dušika za biljke pomalo je ironičan jer atmosfera sadrži 78% plina dušika; međutim, prilično je inertan i nedostupan većini živih bića. Prije nešto više od 100 godina promijenila se situacija s gnojivom. Njemački znanstvenik po imenu Fritz Haber osmislio je katalizator i sustav tlaka kako bi koristio vodik 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. bilo moguće proizvesti 20 tona dnevno iskoristivog dušika.

Ovaj “Haber-Bosch” proces optimalno se izvodi u velikim postrojenjima od kojih svaki proizvodi oko 1 milijun tona godišnje, bilo iz izvora prirodnog plina ili putem plinifikacije ugljena. Prirodni plin se sastoji od jednog atoma ugljika i četiri vodikova atoma, ali samo je vodik potreban za reakciju s dušikom u zraku da nastane amonijak (jedan atom N s tri atoma vodika). Ugljik je u tom slučaju iz "fosilnog" izvora pa predstavlja "emisija 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 vodik i oslobađa bezopasni kisik. U ovom scenariju nema emisije ugljika. Javni i privatni istraživači eksperimentirali su s malim Haber-Bosch procesima za proizvodnju amonijaka. Fokus je bio na korištenju električne energije proizvedene od vjetra ili sunca. Ovaj koncept je u radu već neko vrijeme. Na primjer, 2009. godine pilot postrojenje od 3.75 milijuna dolara na West Central Research and Outreach Centru Sveučilišta u Minnesoti koristilo je električnu energiju iz lokalnog vjetroelektrana za proizvodnju 25 tona bezvodnog amonijaka godišnje. To je opisano u intervjuu s Mikeom Reeseom, direktorom obnovljivih izvora energije u tom pogonu u Minnesoti objavljenom u časopisu za poljoprivredu Corn+Soybean Digest. Članak je bio prikladno naslovljen: „Napraviti gnojivo iz tankog zraka? Korištenje nasukane energije vjetra za proizvodnju obnovljivog amonijaka moglo bi stabilizirati cijene N, izgraditi tržišta energije vjetra.”

Dakle, što se događa 13 godina kasnije? Kao i za svaki novi kemijski proces, potrebno je vrijeme za optimizaciju. Postoje i ekonomije razmjera koje otežavaju natjecanje s dobro uspostavljenim procesom u industrijskom razmjeru poput onog koji se koristi za modernu proizvodnju gnojiva. Međutim, moguće je da se verzije ove tehnologije približavaju komercijalnoj izvedivosti. A “Tehno-ekonomska analiza” koju su 2020. objavili istraživači s Texas Tech-a zaključili su da bi se “sav električni” amonijak mogao proizvesti po otprilike dvostruko većoj cijeni od konvencionalnog amonijaka. To je bilo prije dramatičnog povećanja cijena gnojiva za sezonu rasta 2022. (vidi Moderni poljoprivrednik: “Poljoprivrednici se bore da idu u korak s rastućim cijenama gnojiva).

U intervjuu za ovaj članak Mike Reese sa Sveučilišta u Minnesoti kaže da se razvija zamah za ovo rješenje. S porastom cijene prirodnog plina, smanjenjem troškova obnovljive električne energije i zalaganjem za ublažavanje klimatskih promjena dolazi u prvi plan; sada postoji širok interes za ovu vrstu opcije "zelenog amonijaka". Reese kaže da nekoliko velikih tvrtki za konvencionalna gnojiva istražuje kako bi se mogle pomaknuti u tom smjeru. Reeseov opis ove tehnologije objavljen je na web stranici centra: “Poticanje održive energije i poljoprivrede: stavljanje vjetra u bocu.” Istraživači UMN-a također su objavili srodnu ekonomska analiza.

Logičan scenarij je razvoj srednjih postrojenja u rasponu od 30 do 200 tona godišnje i lociranje u poljoprivrednim regijama gdje postoji mnogo potencijala za proizvodnju električne energije iz vjetra i sunca. Na taj bi način transportni otisak gnojiva bio mali, a tržište bi bilo izolirano od globalnih promjena cijena. Očito bi postojala potreba za značajnim kapitalnim ulaganjima, ali to bi se moglo djelomično riješiti kroz subvencije potaknute klimatskim promjenama ili kroz kredite za ugljik. Ova bi promjena također bila pozitivna za sektor solarne energije i energije vjetra jer se bavi njihovom potrebom za korištenjem tijekom razdoblja vrhunske proizvodnje koja možda nisu u skladu s potražnjom u mreži. Postoji neovisna linija interesa za amonijak kao sigurnije sredstvo za pohranjivanje vodika za kasnije oslobađanje mnogo različitih aplikacija.

Kao da ova priča već nije bila dovoljno pozitivna, postoji način da se proizvodnja gnojiva još dodatno "dekarbonizira". Postoje biljke za bioetanol rasprostranjene u mnogim poljoprivrednim regijama u SAD-u. Kada fermentiraju ugljikohidrate iz stočne hrane kao što je kukuruzni škrob, emitiraju 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 pohranjujuća i primijenjena forma dušičnog gnojiva i ona koja se može pretvoriti u druge uobičajene formulacije kao što su UAN ili peleti sa sporim otpuštanjem. . 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 izvrstan primjer rješenja koje predviđa “ekomodernisti” koji tvrde da je tehnologija često rješenje za ekološke izazove. U ovom slučaju to je također u skladu s potrebom da se naše poljoprivredno gospodarstvo zaštiti od globalne nestabilnosti.