Чи існує більш безпечний для клімату спосіб удобрювати посіви? Відповідь може бути вітер

Рослини, природно, працюють на сонячних батареях, але є вуглецевий слід, пов’язаний з їх вирощуванням як культурою. Паливо, яке використовується для приводу тракторів та іншого обладнання, є частиною цього сліду, але найбільшим компонентом близько 36% асоціюється з природним газом, який використовується для виробництва синтетичних азотних добрив.

Між збоями на світовому ринку природного газу, викликаними конфліктами, і нагальною потребою врегулювати кліматичні зміни, залежність азотних добрив від викопного палива стає неспроможною. Ідеальним рішенням було б знайти спосіб створити постачання азоту з низьким рівнем вуглецю, використовуючи місцеву відновлювану енергію. Це можливо? У цьому випадку відповідь може бути буквально «рознесений вітер».

Зелені рослини отримують енергію для зростання від сонця в процесі фотосинтезу. Вони роблять; однак вони потребують поживних речовин – мінералів, які вони поглинають із ґрунту через коріння. Найбільші потреби рослини в азоті, фосфорі та калії, які в сільському господарстві чи садівництві використовуються як добрива. Протягом усієї історії людства азот був найбільш обмежуючим елементом для рослинництва, і в міру збільшення населення доступні джерела азоту, такі як гній домашніх тварин або пташине гуано, не могли забезпечити всім необхідним. Проблема отримання достатньої кількості азоту для рослин є дещо іронічною, оскільки атмосфера містить 78% газоподібного азоту; однак він досить інертний і недоступний для більшості живих істот. Трохи більше 100 років тому змінилася ситуація з добривами. Німецький вчений на ім’я Фріц Габер придумав каталізатор і систему тиску, щоб використовувати водень і частину азоту в повітрі і перетворити його в аміак, який є доступною для рослин формою. Інший інженер на ім'я Карл Бош удосконалив і розширив процес так, що до 1914 року можна було виробляти 20 тонн/добу придатного азоту.

Цей процес «Haber-Bosch» оптимально виконується на великомасштабних підприємствах, кожне з яких виробляє близько 1 мільйона тонн на рік або з джерел природного газу, або шляхом газифікації вугілля. Природний газ складається з одного атома вуглецю і чотирьох атомів водню, але лише водень необхідний для реакції з азотом повітря, щоб утворити аміак (один атом N з трьома атомами водню). Вуглець у цьому випадку походить із «викопного» джерела, тому він є «викидом парникових газів». Існує інший спосіб отримання водню, який називається електролізом. Все, що потрібно, це трохи води (два атоми водню і один атом кисню) і електрика. Цей процес відщеплює водень і виділяє нешкідливий кисень. У цьому сценарії викидів вуглецю немає. Державні та приватні дослідники експериментували з невеликими процесами Габера-Боша для отримання аміаку. Основна увага зосереджена на використанні електроенергії, виробленої від вітру або сонця. Ця концепція працювала деякий час. Наприклад, у 2009 році пілотна установка вартістю 3.75 мільйона доларів США для Центрального науково-дослідницького центру Університету Міннесоти використовувала електроенергію з місцевої вітроенергетики для виробництва 25 тонн безводного аміаку на рік. Про це було описано в інтерв’ю з Майком Різом, директором з відновлюваної енергетики на цьому підприємстві в Міннесоті, опублікованому в сільськогосподарському журналі Corn+Soybean Digest. Стаття мала влучну назву: «Зробити добрива з розрідженого повітря? Використання енергії вітру на мель для виробництва відновлюваного аміаку може стабілізувати ціни на N, створити ринки вітрової енергії».

Отже, що відбувається через 13 років? Як і для будь-якого нового хімічного процесу, для його оптимізації потрібен час. Є також економія від масштабу, яка ускладнює конкуренцію з добре налагодженим промисловим процесом, подібним до сучасного виробництва добрив. Однак можливо, що версії цієї технології наближаються до комерційної реалізації. А “Техніко-економічний аналіз», опублікований у 2020 році дослідниками Texas Tech, прийшли до висновку, що «весь електричний» аміак можна виробляти приблизно вдвічі дорожче, ніж звичайний аміак. Це було ще до різкого зростання цін на добрива в період вегетації 2022 року (див. Сучасний фермер: «Фермери намагаються не відставати від зростання цін на добрива).

В інтерв’ю для цієї статті Майк Різ з закладу Університету Міннесоти каже, що це рішення набирає обертів. Зі зростанням вартості природного газу, зниженням витрат на електроенергію з відновлюваних джерел, а також зобов’язаннями щодо пом’якшення наслідків зміни клімату виходять на перший план; зараз існує широкий інтерес до такого варіанту «зеленого аміаку». Різ каже, що кілька великих компаній, що займаються виробництвом звичайних добрив, шукають, як вони можуть рухатися в цьому напрямку. Опис цієї технології Різ розміщено на сайті центру: «Забезпечення сталої енергетики та сільського господарства: поміщення вітру в пляшку». Дослідники UMN також опублікували пов’язану економічний аналіз.

Логічним сценарієм є розвиток середньомасштабних установок в діапазоні від 30 до 200 тонн/рік і розміщення їх у сільськогосподарських регіонах, де є великий потенціал для виробництва електроенергії з вітру та сонця. Таким чином транспортний слід добрива буде невеликим, а ринок буде ізольований від глобальних коливань цін. Очевидно, виникла б потреба у значних капіталовкладеннях, але частково це можна було б вирішити за допомогою субсидій, спричинених зміною клімату, або за допомогою вуглецевих кредитів. Ця зміна також буде позитивною для сектору сонячної та вітрової енергетики, оскільки вона вирішує їхню потребу у використанні під час пікових періодів виробництва, які можуть не відповідати попиту в мережі. Існує незалежний напрямок інтересів до аміаку як до більш безпечного засобу зберігання водню для подальшого вивільнення багато різних додатків.

Як ніби ця історія була недостатньо позитивною, існує спосіб, за допомогою якого виробництво добрив може бути ще більше «декарбонізоване». У багатьох сільськогосподарських регіонах США є заводи з виробництва біоетанолу. Коли вони ферментують вуглеводи з кормових запасів, таких як кукурудзяний крохмаль, вони виділяють CO2, але він «нейтральний вуглецю», оскільки походить від недавнього фотосинтезу сільськогосподарських культур. Однак можна вловити цей рясний запас газу та прореагувати з аміаком з утворенням сечовини, яка є формою азотного добрива, що легше зберігається та вноситься, і яку можна перетворити на інші поширені рецептури, такі як КАС або гранули з повільним вивільненням. . Встановлення такого зв’язку між виробництвом аміаку та етанолу матиме як бізнес, так і логістичні переваги на додаток до скорочення викидів вуглецю, пов’язаного з кожним продуктом.

На закінчення можна сказати, що електрифікація виробництва аміаку для сільського господарства є чудовим прикладом такого рішення, яке передбачає «екомодерністів», які стверджують, що технології часто є рішенням екологічних проблем. У цьому випадку це також узгоджується з необхідністю захистити нашу сільськогосподарську економіку від глобальної нестабільності.