Есть ли более благоприятный для климата способ удобрения сельскохозяйственных культур? Ответ может быть унесен ветром

Растения естественным образом питаются от солнечной энергии, но их выращивание в качестве сельскохозяйственной культуры связано с углеродным следом. Топливо, используемое для питания тракторов и другого оборудования, является частью этого следа, но самый большой компонент порядка 36% связан с природным газом, используемым для производства синтетических азотных удобрений.

Из-за сбоев на мировом рынке природного газа, вызванных конфликтами, и срочной необходимости решения проблемы изменения климата зависимость азотных удобрений от ископаемого топлива становится несостоятельной. Идеальным решением было бы найти способ производить азот с низким углеродным следом, используя местную возобновляемую энергию. Это возможно? В этом случае ответ может быть буквально «дует по ветру».

Зеленые растения получают энергию для роста от солнца в процессе фотосинтеза. Они делают; однако нуждаются в питательных веществах — минералах, которые они поглощают из почвы через свои корни. Азот, фосфор и калий являются основными потребностями растения, и в сельском хозяйстве или садоводстве они поставляются в качестве удобрений. На протяжении всей истории человечества азот был наиболее ограничивающим элементом для производства сельскохозяйственных культур, и по мере роста населения доступные источники азота, такие как навоз домашних животных или птичий помет, не могли обеспечить все необходимое. Задача получения достаточного количества азота для растений несколько иронична, потому что атмосфера содержит 78% газообразного азота; однако он довольно инертен и недоступен большинству живых существ. Чуть более 100 лет назад ситуация с удобрениями изменилась. Немецкий ученый по имени Фриц Габер придумал катализатор и систему давления, чтобы использовать водород и часть азота в воздухе и превращать их в аммиак, который является формой, доступной для растений. Другой инженер по имени Карл Бош усовершенствовал и расширил процесс, так что к 1914 году стало возможным производить 20 тонн полезного азота в день.

Этот процесс «Габера-Боша» оптимально выполняется на крупномасштабных предприятиях, каждое из которых производит порядка 1 миллиона тонн в год либо из источников природного газа, либо путем газификации угля. Природный газ состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, но только водород необходим для реакции с азотом в воздухе для образования аммиака (один атом N с тремя атомами водорода). Углерод в этом случае происходит из «ископаемого» источника, поэтому он представляет собой «выброс парниковых газов». Существует другой способ получения водорода, называемый электролизом. Все, что нужно, это немного воды (два атома водорода и один атом кислорода) и электричество. Этот процесс отделяет водород и высвобождает безвредный кислород. В этом сценарии нет выброса углерода. Государственные и частные исследователи экспериментировали с мелкомасштабными процессами Габера-Боша для производства аммиака. Акцент был сделан на использовании энергии ветра или солнца. Эта концепция была в разработке в течение некоторого времени. Например, в 2009 году экспериментальная установка стоимостью 3.75 миллиона долларов в Западном центральном научно-исследовательском и информационно-просветительском центре Университета Миннесоты использовала электричество от местной ветряной электростанции для производства 25 тонн безводного аммиака в год. Это было описано в интервью с Майком Ризом, директором по возобновляемым источникам энергии на этом объекте в Миннесоте, опубликованном в сельскохозяйственном торговом журнале Corn + Soybean Digest. Статья была удачно озаглавлена: «Сделать удобрение из воздуха? Использование выброшенной энергии ветра для производства возобновляемого аммиака может стабилизировать цены на азот и создать рынки ветроэнергетики».

Так что же происходит 13 лет спустя? Как и в случае с любым новым химическим процессом, для его оптимизации требуется время. Существует также эффект масштаба, который затрудняет конкуренцию с хорошо зарекомендовавшим себя промышленным процессом, подобным тому, который используется для современного производства удобрений. Однако возможно, что версии этой технологии приближаются к коммерческой осуществимости. А “Технико-экономический анализ», опубликованный в 2020 году исследователями Техасского технологического института, пришел к выводу, что «полностью электрический» аммиак можно производить примерно вдвое дороже, чем обычный товарный аммиак. Это было до резкого роста цен на удобрения в вегетационный период 2022 года (см. Современный фермер: «Фермеры изо всех сил пытаются не отставать от растущих цен на удобрения).

В интервью для этой статьи Майк Риз из Университета Миннесоты говорит, что это решение набирает обороты. С ростом стоимости природного газа, снижением стоимости возобновляемой электроэнергии и выходом на первый план обязательств по смягчению последствий изменения климата; в настоящее время существует широкий интерес к такому варианту «зеленого аммиака». Риз говорит, что несколько крупных компаний, производящих традиционные удобрения, изучают, как они могли бы двигаться в этом направлении. Описание этой технологии Риза размещено на сайте центра: «Обеспечение устойчивой энергетики и сельского хозяйства: ветер в бутылке». Исследователи UMN также опубликовали соответствующую экономического анализа.

Логичным сценарием является строительство средних электростанций мощностью от 30 до 200 тонн в год и размещение их в сельскохозяйственных регионах, где есть большой потенциал для производства энергии из ветра и солнца. Таким образом, транспортный след удобрений будет небольшим, а рынок будет защищен от колебаний мировых цен. Очевидно, что потребуются значительные капитальные вложения, но это может быть частично решено за счет субсидий, связанных с изменением климата, или за счет углеродных кредитов. Это изменение также было бы положительным для сектора солнечной и ветровой энергетики, поскольку оно удовлетворяет их потребность в использовании в периоды пиковой выработки, которые могут не совпадать с потребностями сети. Существует независимый интерес к аммиаку как к более безопасному способу хранения водорода для последующего его высвобождения. много разных приложений.

Как будто эта история уже не была достаточно позитивной, есть способ еще больше «обезуглерожить» производство удобрений. Заводы по производству биоэтанола разбросаны по многим сельскохозяйственным регионам США. Когда они ферментируют углеводы из кормовых запасов, таких как кукурузный крахмал, они выделяют CO2, но он является «углеродно-нейтральным», поскольку он возникает в результате фотосинтеза недавнего урожая. Тем не менее, можно улавливать этот обильный запас газа и вводить его в реакцию с аммиаком для производства мочевины, которая является более удобной для хранения и применения формой азотного удобрения и той, которую можно преобразовать в другие распространенные составы, такие как КАС или гранулы с медленным высвобождением. . Создание этой связи между производством аммиака и этанола имело бы как деловые, так и логистические преимущества в дополнение к сокращению углеродного следа, связанного с каждым продуктом.

В заключение, электрификация производства аммиака для сельского хозяйства представляется прекрасным примером решения, предусмотренного «экомодернисты», которые утверждают, что технологии часто являются решением экологических проблем. В данном случае это также согласуется с необходимостью защиты нашей фермерской экономики от глобальной нестабильности.