Czy istnieje bardziej przyjazny dla klimatu sposób nawożenia upraw? Odpowiedź może być wiejąca na wietrze

Rośliny są naturalnie „zasilane energią słoneczną”, ale ich uprawa wiąże się z śladem węglowym. Paliwo wykorzystywane do napędzania ciągników i innego sprzętu stanowi część tego śladu, ale jest jego największym elementem rzędu 36% jest powiązany z gazem ziemnym używanym do produkcji syntetycznych nawozów azotowych.

Pomiędzy zakłóceniami na światowym rynku gazu ziemnego wynikającymi z konfliktów a pilną potrzebą zajęcia się zmianami klimatycznymi zależność nawozów azotowych od paliw kopalnych staje się nie do utrzymania. Idealnym rozwiązaniem byłoby znalezienie sposobu na zapewnienie dostaw azotu o niskim śladzie węglowym przy użyciu lokalnej energii odnawialnej. Czy to jest możliwe? W tym przypadku odpowiedzią może być dosłownie „wianie na wietrze”.

Rośliny zielone czerpią energię do wzrostu ze słońca w procesie fotosyntezy. Robią to; potrzebują jednak składników odżywczych – minerałów, które pobierają z gleby poprzez korzenie. Azot, fosfor i potas to największe potrzeby rośliny, które w rolnictwie i ogrodnictwie dostarczane są w postaci nawozów. W całej historii ludzkości azot był pierwiastkiem najbardziej ograniczającym produkcję roślinną, a wraz ze wzrostem populacji dostępne źródła azotu, takie jak odchody zwierząt domowych lub guano ptasie, nie były w stanie zapewnić wszystkiego, co było potrzebne. Wyzwanie polegające na zapewnieniu roślinom wystarczającej ilości azotu jest nieco ironiczne, ponieważ atmosfera zawiera 78% azotu; jest jednak dość obojętny i niedostępny dla większości żywych istot. Nieco ponad 100 lat temu sytuacja nawozowa uległa zmianie. Niemiecki naukowiec Fritz Haber wymyślił katalizator i układ ciśnieniowy, który pozwala wykorzystać wodór i część azotu z powietrza w amoniak w postaci dostępnej dla roślin. Inny inżynier, Carl Bosch, udoskonalił i zwiększył skalę procesu, tak że do 1914 roku możliwe było wytwarzanie 20 ton użytecznego azotu dziennie.

Ten proces „Habera-Boscha” jest optymalnie realizowany w dużych zakładach, z których każdy produkuje rzędu 1 miliona ton rocznie albo ze źródeł gazu ziemnego, albo poprzez zgazowanie węgla. Gaz ziemny składa się z jednego węgla i czterech atomów wodoru, ale tylko wodór jest potrzebny do reakcji z azotem z powietrza w celu wytworzenia amoniaku (jeden atom N z trzema atomami wodoru). W tym przypadku węgiel pochodzi ze źródła „kopalnego”, zatem stanowi „emisję gazów cieplarnianych”. Istnieje inny sposób wytwarzania wodoru, zwany elektrolizą. Wystarczy trochę wody (dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu) i prąd. W procesie tym następuje oddzielenie wodoru i uwolnienie nieszkodliwego tlenu. W tym scenariuszu nie ma emisji dwutlenku węgla. Naukowcy publiczni i prywatni eksperymentowali z procesami Habera-Boscha na małą skalę w celu wytworzenia amoniaku. Skupiono się na wykorzystaniu energii elektrycznej wytwarzanej z wiatru lub słońca. Koncepcja ta dojrzewała już od jakiegoś czasu. Na przykład w 2009 roku pilotażowa instalacja o wartości 3.75 miliona dolarów należąca do West Central Research and Outreach Centre na Uniwersytecie Minnesota wykorzystywała energię elektryczną z lokalnej elektrowni wiatrowej do produkcji 25 ton bezwodnego amoniaku rocznie. Zostało to opisane w wywiadzie z Mikiem Reese, dyrektorem ds. energii odnawialnej w zakładzie w Minnesocie, opublikowanym w czasopiśmie branżowym Corn+Soybean Digest. Artykuł został trafnie zatytułowany: „Wytwarzać nawóz z powietrza? Wykorzystanie osieroconej energii wiatrowej do produkcji odnawialnego amoniaku mogłoby ustabilizować ceny N i zbudować rynki energii wiatrowej.

Co zatem dzieje się 13 lat później? Jak w przypadku każdego nowego procesu chemicznego, optymalizacja wymaga czasu. Istnieją również korzyści skali, które utrudniają konkurowanie z ugruntowanym procesem na skalę przemysłową, takim jak ten stosowany w nowoczesnej produkcji nawozów. Możliwe jednak, że wersje tej technologii zbliżają się do komercyjnej wykonalności. A "Analiza techniczno-ekonomiczna”opublikowany w 2020 r. przez badaczy z Texas Tech doszedł do wniosku, że amoniak „w całości elektryczny” można wytwarzać po około dwukrotnie wyższych kosztach niż amoniak konwencjonalny. Było to przed dramatycznymi podwyżkami cen nawozów w sezonie wegetacyjnym 2022 (por Współczesny rolnik: „Rolnicy starają się nadążać za rosnącymi cenami nawozów).

W wywiadzie dla tego artykułu Mike Reese z placówki Uniwersytetu w Minnesocie twierdzi, że prace nad tym rozwiązaniem nabierają rozpędu. Wraz ze wzrostem kosztów gazu ziemnego i spadkiem kosztów energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, a na pierwszy plan wysuwają się zobowiązania do łagodzenia zmiany klimatu; obecnie istnieje szerokie zainteresowanie tego rodzaju opcją „zielonego amoniaku”. Reese twierdzi, że kilka dużych producentów nawozów konwencjonalnych rozważa, w jaki sposób mogliby pójść w tym kierunku. Opis tej technologii autorstwa Reese’a zamieszczono na stronie internetowej centrum: „Zasilanie zrównoważoną energią i rolnictwem: wrzucanie wiatru do butelki.” Badacze z UMN również opublikowali powiązany artykuł analiza ekonomiczna.

Logicznym scenariuszem jest budowa elektrowni średniej skali o wydajności od 30 do 200 ton rocznie i lokalizowanie ich w regionach rolniczych, w których istnieje duży potencjał wytwarzania energii elektrycznej z wiatru i słońca. W ten sposób ślad transportowy nawozu byłby niewielki, a rynek byłby odizolowany od światowych wahań cen. Oczywiście istniałaby potrzeba znacznych inwestycji kapitałowych, ale można by to częściowo rozwiązać poprzez dotacje związane ze zmianą klimatu lub kredyty węglowe. Zmiana ta byłaby również korzystna dla sektora energii słonecznej i wiatrowej, ponieważ odpowiada na potrzebę ich wykorzystania w okresach szczytowej produkcji, które mogą nie pokrywać się z zapotrzebowaniem sieci. Istnieje niezależny kierunek zainteresowania amoniakiem jako bezpieczniejszym sposobem przechowywania wodoru w celu późniejszego uwolnienia wiele różnych zastosowań.

Jakby ta historia nie była już wystarczająco pozytywna, istnieje sposób na jeszcze większą „dekarbonizację” produkcji nawozów. W wielu regionach rolniczych USA znajdują się zakłady produkujące bioetanol. Kiedy fermentują węglowodany z surowców paszowych, takich jak skrobia kukurydziana, emitują CO2, ale jest on „neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla”, ponieważ pochodzi z niedawnej fotosyntezy upraw. Możliwe jest jednak wychwycenie tej obfitej ilości gazu i poddanie go reakcji z amoniakiem w celu wytworzenia mocznika, który jest łatwiejszą do przechowywania i stosowania formą nawozu azotowego i którą można przekształcić w inne popularne postacie, takie jak UAN lub pelety o powolnym uwalnianiu . Powiązanie produkcji amoniaku i etanolu przyniosłoby korzyści zarówno biznesowe, jak i logistyczne, a także zmniejszenie śladu węglowego związanego z każdym produktem.

Podsumowując, elektryfikacja produkcji amoniaku dla rolnictwa wydaje się doskonałym przykładem rozwiązania przewidywanego przez „ekomoderniści”, którzy twierdzą, że technologia jest często rozwiązaniem problemów środowiskowych. W tym przypadku jest to również zgodne z potrzebą ochrony gospodarki rolnej przed globalną niestabilnością.