Van-e klímabarátabb módja a növények trágyázásának? A válasz Lehet, hogy fúj a szélben

A növények természetesen „napenergiával működnek”, de a növényként való termesztésükhöz szénlábnyom is társul. A traktorok és egyéb berendezések meghajtásához használt üzemanyag része ennek a lábnyomnak, de a legnagyobb összetevője nagyságrendileg 36% a szintetikus nitrogénműtrágyák előállításához használt földgázhoz kapcsolódik.

A globális földgázpiac konfliktusok okozta zavarai és az éghajlatváltozás sürgős kezelésének szükségessége között a nitrogénműtrágyák fosszilis tüzelőanyagtól való függése egyre tarthatatlanná válik. Az ideális megoldás az lenne, ha megtalálnánk a módot arra, hogy helyi, megújuló energia felhasználásával alacsony szén-dioxid-kibocsátású nitrogénellátást biztosítsunk. Ez lehetséges? Ebben az esetben a válasz szó szerint az lehet, hogy „fúj a szél”.

A zöld növények a napból nyerik a növekedéshez szükséges energiát a fotoszintézis folyamatán keresztül. Ők csinálják; azonban tápanyagokra van szükségük – ásványi anyagokra, amelyeket a gyökereiken keresztül szívnak fel a talajból. A növény legnagyobb szükséglete a nitrogén, a foszfor és a kálium, a mezőgazdaságban vagy a kertészetben ezeket műtrágyaként szállítják. Az emberi történelem során a nitrogén volt a legkorlátozóbb elem a növénytermesztésben, és a népesség növekedésével a rendelkezésre álló nitrogénforrások, például a háziállat-trágya vagy a madárguanó nem tudtak mindent biztosítani. A kihívás, hogy elegendő nitrogént szerezzenek a növények számára, kissé ironikus, mivel a légkör 78%-ban nitrogéngázt tartalmaz; azonban meglehetősen inert és a legtöbb élőlény számára elérhetetlen. Alig több mint 100 évvel ezelőtt megváltozott a műtrágya helyzet. Egy Fritz Haber nevű német tudós egy olyan katalizátort és nyomásrendszert dolgozott ki, amely hidrogént és a levegőben lévő nitrogén egy részét használja fel ammóniává, amely a növények számára elérhető forma. Egy másik Carl Bosch nevű mérnök tökéletesítette és felnagyította a folyamatot, így 1914-re napi 20 tonna hasznosítható nitrogént lehetett előállítani.

Ezt a „Haber-Bosch” eljárást optimálisan nagyüzemekben hajtják végre, amelyek mindegyike évi 1 millió tonna nagyságrendű mennyiséget állít elő akár földgázforrásból, akár szénelgázosítással. A földgáz egy szén- és négy hidrogénatomból áll, de csak a hidrogénre van szükség ahhoz, hogy a levegőben lévő nitrogénnel reagáljon ammónia előállításához (egy nitrogénatom három hidrogénatommal). A szén ebben az esetben „fosszilis” forrásból származik, tehát „üvegházhatású gázok kibocsátásának” minősül. Van egy másik módja a hidrogén előállításának, az úgynevezett elektrolízis. Csak egy kis vízre (két hidrogénatom és egy oxigénatom) és elektromos áramra van szükség. Ez a folyamat leválasztja a hidrogént és felszabadítja az ártalmatlan oxigént. Ebben a forgatókönyvben nincs szén-dioxid-kibocsátás. Állami és magánkutatók kísérleteztek kis léptékű Haber-Bosch eljárásokkal ammónia előállítására. A hangsúly a szél- vagy napenergiával termelt villamos energia felhasználásán volt. Ez a koncepció már egy ideje dolgozik. Például 2009-ben a Minnesota Egyetem Nyugat-Középponti Kutatási és Tájékoztatási Központjában egy 3.75 millió dolláros kísérleti üzem egy helyi szélenergia-létesítményből származó villamos energiát használva évi 25 tonna vízmentes ammóniát termelt. Ezt a Corn+Soybean Digest mezőgazdasági szaklapban megjelent interjúban írták le Mike Reese-nek, a minnesotai létesítmény megújuló energiaforrásainak igazgatójával. A cikk találó címet kapott: „Trágyát készíteni híg levegőből? Az átfutott szélenergia használata megújuló ammónia előállítására N árakat stabilizálhat, szélenergia piacokat építhet ki.”

Tehát mi történik 13 évvel később? Mint minden új kémiai folyamat esetében, az optimalizálás időbe telik. Vannak olyan méretgazdaságosságok is, amelyek megnehezítik a versenyt egy olyan jól bevált, ipari méretű eljárással, mint amilyen a modern műtrágyagyártásban használatos. Elképzelhető azonban, hogy ennek a technológiának a verziói közelednek a kereskedelmi megvalósíthatósághoz. egy "Műszaki-gazdasági elemzésA Texas Tech kutatói által 2020-ban közzétett cikk arra a következtetésre jutott, hogy a „teljes elektromos” ammónia körülbelül kétszer annyi költséggel állítható elő, mint a hagyományos ammónia. Ez még a 2022-es vegetációs időszakban a műtrágyaárak drámai emelkedése előtt történt (lásd Modern gazdálkodó: „A gazdálkodók küzdenek azért, hogy lépést tartsanak az emelkedő műtrágyaárakkal).

A cikkhez készült interjúban Mike Reese, a Minnesotai Egyetem intézményéről azt mondta, hogy lendületet kap ez a megoldás. A földgáz árának növekedésével, a megújuló villamosenergia-költségek csökkenésével és az éghajlatváltozás mérséklésével kapcsolatos kötelezettségvállalások előtérbe kerülésével; ma már széles az érdeklődés az effajta „zöld ammónia” lehetőség iránt. Reese azt mondja, hogy a hagyományos műtrágyákat gyártó nagyvállalatok közül többen vizsgálják, hogyan tudnának elmozdulni ebbe az irányba. Reese leírása erről a technológiáról a központ honlapján található: "Fenntartható energia és mezőgazdaság táplálása: A szél palackba helyezése.” Az UMN kutatói is publikáltak egy kapcsolódó gazdasági elemzés.

A logikus forgatókönyv szerint a 30-200 tonna/év tartományban közepes méretű erőműveket fejlesztenek ki, és azokat olyan mezőgazdasági régiókban helyezik el, ahol rengeteg lehetőség van szél- és napenergia-termelésre. Így a műtrágya szállítási lábnyoma kicsi lenne, a piac pedig elszigetelné a globális áringadozásoktól. Nyilvánvalóan jelentős tőkebefektetésekre lenne szükség, de ez részben megoldható éghajlatváltozás által vezérelt támogatásokkal vagy szén-dioxid-kibocsátási egységekkel. Ez a változás a nap- és szélenergia-ágazat számára is pozitív lenne, mert kielégíti a termelési csúcsidőszakok hasznosítási igényét, ami esetleg nem felel meg a hálózati igényeknek. Az ammónia, mint a hidrogén tárolásának biztonságosabb módja a későbbi felszabadulás érdekében, független érdeklődési körébe tartozik sok különböző alkalmazás.

Mintha ez a történet még nem lenne elég pozitív, van mód arra, hogy a műtrágyagyártást még tovább „dekarbonizálják”. Az Egyesült Államok számos mezőgazdasági régiójában bioetanol üzemek találhatók. Amikor a takarmány-alapanyagokból, például a kukoricakeményítőből származó szénhidrátokat fermentálják, CO2-t bocsátanak ki, de ez „szén-semleges”, mivel a közelmúltban végzett termény fotoszintéziséből származik. Mindazonáltal lehetséges a bőséges gázkészlet felfogása és ammóniával való reagáltatása karbamid előállítására, amely a nitrogénműtrágyák könnyebben tárolható és kijuttatott formája, és amely átalakítható más általános készítményekké, például karbamid-oldat vagy lassú hatóanyag-leadású pelletekké. . Az ammónia és az etanol gyártása közötti kapcsolat megteremtése üzleti és logisztikai előnyökkel is járna az egyes termékekhez kapcsolódó szénlábnyom-csökkentés mellett.

Összefoglalva, a mezőgazdasági ammóniatermelés villamosítása kiváló példája annak a megoldásnak, amelyet a „ökomodernisták”, akik azzal érvelnek, hogy a technológia gyakran megoldást jelent a környezeti kihívásokra. Ebben az esetben ez összhangban van azzal az igénysel is, hogy megvédjük mezőgazdasági gazdaságunkat a globális instabilitástól.