Υπάρχει πιο φιλικός προς το κλίμα τρόπος γονιμοποίησης των καλλιεργειών; Η απάντηση μπορεί να φυσάει στον άνεμο

Τα φυτά τροφοδοτούνται από τη φύση τους με «ηλιακή ενέργεια», αλλά υπάρχει ένα αποτύπωμα άνθρακα που σχετίζεται με την ανάπτυξή τους ως καλλιέργεια. Το καύσιμο που χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία τρακτέρ και άλλου εξοπλισμού είναι μέρος αυτού του αποτυπώματος, αλλά το μεγαλύτερο συστατικό της τάξης του 36% συνδέεται με το φυσικό αέριο που χρησιμοποιείται για την παραγωγή συνθετικών αζωτούχων λιπασμάτων.

Μεταξύ των διαταραχών που προκαλούνται από συγκρούσεις στην παγκόσμια αγορά φυσικού αερίου και της επείγουσας ανάγκης αντιμετώπισης της κλιματικής αλλαγής, η εξάρτηση των αζωτούχων λιπασμάτων από τα ορυκτά καύσιμα καθίσταται αβάσιμη. Η ιδανική λύση θα ήταν να βρεθεί ένας τρόπος για την παροχή αζώτου με χαμηλό αποτύπωμα άνθρακα χρησιμοποιώντας τοπική, ανανεώσιμη ενέργεια. Είναι αυτό εφικτό? Σε αυτή την περίπτωση, η απάντηση μπορεί να είναι κυριολεκτικά «φυσάει στον άνεμο».

Τα πράσινα φυτά παίρνουν την ενέργεια για να αναπτυχθούν από τον ήλιο μέσω της διαδικασίας της φωτοσύνθεσης. Το κάνουν; Ωστόσο, χρειάζονται θρεπτικά συστατικά – μέταλλα που απορροφούν από το έδαφος μέσω των ριζών τους. Άζωτο, Φώσφορος και Κάλιο είναι οι μεγαλύτερες ανάγκες του φυτού και στη γεωργία ή την κηπουρική παρέχονται ως λιπάσματα. Σε όλη την ανθρώπινη ιστορία, το άζωτο ήταν το πιο περιοριστικό στοιχείο για τη φυτική παραγωγή και καθώς ο πληθυσμός αυξανόταν, οι διαθέσιμες πηγές αζώτου, όπως η κοπριά κατοικίδιων ζώων ή το γκουάνο πτηνών, δεν μπορούσαν να παρέχουν όλα όσα χρειάζονταν. Η πρόκληση της λήψης αρκετού αζώτου για τα φυτά είναι κάπως ειρωνική επειδή η ατμόσφαιρα περιέχει 78% αέριο άζωτο. Ωστόσο, είναι αρκετά αδρανές και μη διαθέσιμο στα περισσότερα έμβια όντα. Πάνω από 100 χρόνια πριν η κατάσταση των λιπασμάτων άλλαξε. Ένας Γερμανός επιστήμονας ονόματι Fritz Haber βρήκε ένα σύστημα καταλύτη και πίεσης για να χρησιμοποιήσει το υδρογόνο και μέρος του αζώτου στον αέρα και να το μετατρέψει σε αμμωνία που είναι μια μορφή διαθέσιμη στα φυτά. Ένας άλλος μηχανικός ονόματι Carl Bosch τελειοποίησε και κλιμάκωσε τη διαδικασία έτσι ώστε μέχρι το 1914 ήταν δυνατή η παραγωγή 20 τόνων/ημέρα χρησιμοποιήσιμου αζώτου.

Αυτή η διαδικασία «Haber-Bosch» εκτελείται βέλτιστα σε εγκαταστάσεις μεγάλης κλίμακας που η καθεμία παράγει της τάξης του 1 εκατομμυρίου τόνων ετησίως είτε από πηγές φυσικού αερίου είτε μέσω αεριοποίησης άνθρακα. Το φυσικό αέριο αποτελείται από ένα άτομο άνθρακα και τέσσερα άτομα υδρογόνου, αλλά μόνο το υδρογόνο χρειάζεται για να αντιδράσει με το άζωτο στον αέρα για να παραχθεί αμμωνία (ένα άτομο Ν με τρία άτομα υδρογόνου). Ο άνθρακας σε αυτή την περίπτωση προέρχεται από μια «απολιθωμένη» πηγή, επομένως αποτελεί «εκπομπή αερίων του θερμοκηπίου». Υπάρχει ένας διαφορετικός τρόπος παραγωγής υδρογόνου που ονομάζεται ηλεκτρόλυση. Το μόνο που χρειάζεται είναι λίγο νερό (δύο άτομα υδρογόνου και ένα άτομο οξυγόνου) και ηλεκτρισμός. Αυτή η διαδικασία διασπά το υδρογόνο και απελευθερώνει το αβλαβές οξυγόνο. Σε αυτό το σενάριο δεν υπάρχει εκπομπή άνθρακα. Δημόσιοι και ιδιωτικοί ερευνητές έχουν πειραματιστεί με μικρές διαδικασίες Haber-Bosch για την παραγωγή αμμωνίας. Η εστίαση έχει δοθεί στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από τον άνεμο ή τον ήλιο. Αυτή η ιδέα ήταν στα σκαριά εδώ και αρκετό καιρό. Για παράδειγμα, το 2009 ένα πιλοτικό εργοστάσιο 3.75 εκατομμυρίων δολαρίων στο West Central Research and Outreach Center του Πανεπιστημίου της Μινεσότα χρησιμοποιούσε ηλεκτρική ενέργεια από μια τοπική εγκατάσταση αιολικής ενέργειας για την παραγωγή 25 τόνων άνυδρης αμμωνίας ετησίως. Αυτό περιγράφηκε σε μια συνέντευξη με τον Mike Reese, τον Διευθυντή Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε εκείνη την εγκατάσταση της Μινεσότα που δημοσιεύτηκε στο γεωργικό εμπορικό περιοδικό Corn+Soybean Digest. Το άρθρο είχε εύστοχα τίτλο: «Φτιάξτε λίπασμα από λεπτό αέρα; Η χρήση λανθάνουσας αιολικής ενέργειας για την παραγωγή ανανεώσιμης αμμωνίας θα μπορούσε να σταθεροποιήσει τις τιμές N, να δημιουργήσει αγορές αιολικής ενέργειας».

Τι συμβαίνει λοιπόν 13 χρόνια μετά; Όπως με κάθε νέα χημική διαδικασία, χρειάζεται χρόνος για βελτιστοποίηση. Υπάρχουν επίσης οικονομίες κλίμακας που καθιστούν δύσκολο τον ανταγωνισμό με μια καθιερωμένη διαδικασία βιομηχανικής κλίμακας όπως αυτή που χρησιμοποιείται για τη σύγχρονη παραγωγή λιπασμάτων. Ωστόσο, είναι πιθανό ότι οι εκδόσεις αυτής της τεχνολογίας προσεγγίζουν μια εμπορική σκοπιμότητα. ΕΝΑ "Τεχνοοικονομική Ανάλυση» που δημοσιεύθηκε το 2020 από ερευνητές της Texas Tech κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η αμμωνία «όλα ηλεκτρική» θα μπορούσε να παραχθεί με περίπου διπλάσιο κόστος από τη συμβατική αμμωνία. Αυτό συνέβη πριν από τις δραματικές αυξήσεις που παρατηρήθηκαν με τις τιμές των λιπασμάτων για την καλλιεργητική περίοδο του 2022 (βλ. Σύγχρονος Αγρότης: «Οι αγρότες αγωνίζονται να συμβαδίσουν με τις αυξανόμενες τιμές των λιπασμάτων).

Σε μια συνέντευξη για αυτό το άρθρο ο Mike Reese από τις εγκαταστάσεις του Πανεπιστημίου της Μινεσότα λέει ότι η δυναμική δημιουργείται για αυτήν τη λύση. Καθώς το κόστος του φυσικού αερίου αυξάνεται, το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές μειώνεται και οι δεσμεύσεις για τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής έρχονται στο προσκήνιο. Υπάρχει πλέον ευρύ ενδιαφέρον για αυτού του είδους την επιλογή «πράσινης αμμωνίας». Ο Ρις λέει ότι αρκετές από τις μεγάλης κλίμακας εταιρείες συμβατικών λιπασμάτων εξετάζουν πώς θα μπορούσαν να στραφούν προς αυτή την κατεύθυνση. Η περιγραφή αυτής της τεχνολογίας από τον Reese είναι αναρτημένη στον ιστότοπο του κέντρου:Τροφοδοσία βιώσιμης ενέργειας και γεωργίας: Βάζοντας τον άνεμο σε ένα μπουκάλι.» Οι ερευνητές του UMN έχουν επίσης δημοσιεύσει ένα σχετικό οικονομική ανάλυση.

Ένα λογικό σενάριο είναι να αναπτυχθούν μονάδες μεσαίας κλίμακας στην περιοχή από 30 έως 200 τόνους/έτος και να τοποθετηθούν σε αγροτικές περιοχές όπου υπάρχει άφθονο δυναμικό για παραγωγή αιολικής και ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας. Με αυτόν τον τρόπο το μεταφορικό αποτύπωμα του λιπάσματος θα ήταν μικρό και η αγορά θα απομονωθεί από τις παγκόσμιες διακυμάνσεις των τιμών. Προφανώς θα υπήρχε η ανάγκη για σημαντικές επενδύσεις κεφαλαίου, αλλά αυτό θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί εν μέρει μέσω επιδοτήσεων λόγω της κλιματικής αλλαγής ή μέσω πιστώσεων άνθρακα. Αυτή η αλλαγή θα ήταν επίσης θετική για τον τομέα της ηλιακής και αιολικής ενέργειας, επειδή αντιμετωπίζει την ανάγκη τους για χρήση κατά τις περιόδους αιχμής παραγωγής που ενδέχεται να μην ανταποκρίνονται στη ζήτηση του δικτύου. Υπάρχει μια ανεξάρτητη γραμμή ενδιαφέροντος για την αμμωνία ως ασφαλέστερο μέσο αποθήκευσης υδρογόνου για μετέπειτα απελευθέρωση πολλές διαφορετικές εφαρμογές.

Σαν να μην ήταν ήδη αρκετά θετική αυτή η ιστορία, υπάρχει ένας τρόπος που η παραγωγή λιπασμάτων θα μπορούσε να «απανθρακοποιηθεί» ακόμη περισσότερο. Υπάρχουν φυτά βιοαιθανόλης εξαπλωμένα σε πολλές αγροτικές περιοχές των ΗΠΑ. Όταν ζυμώνουν τους υδατάνθρακες από τα αποθέματα ζωοτροφών, όπως το άμυλο καλαμποκιού, εκπέμπουν CO2, αλλά είναι «ουδέτερο από άνθρακα» καθώς προέρχεται από πρόσφατη φωτοσύνθεση των καλλιεργειών. Ωστόσο, είναι δυνατόν να συλλάβουμε αυτή την άφθονη παροχή αερίου και να την αντιδράσουμε με αμμωνία για να παραχθεί ουρία, η οποία είναι μια πιο εύκολα αποθηκευμένη και εφαρμοζόμενη μορφή αζωτούχου λιπάσματος και μια μορφή που μπορεί να μετατραπεί σε άλλα κοινά σκευάσματα όπως UAN ή σφαιρίδια βραδείας αποδέσμευσης. . Η σύνδεση αυτής της παραγωγής αμμωνίας και αιθανόλης θα είχε τόσο επιχειρηματικά όσο και υλικοτεχνικά πλεονεκτήματα, επιπλέον της μείωσης του αποτυπώματος άνθρακα που σχετίζεται με κάθε προϊόν.

Συμπερασματικά, ο ηλεκτρισμός της παραγωγής αμμωνίας για τη γεωργία φαίνεται να είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα του είδους της λύσης που οραματίζεται «οικομοντερνιστές» που υποστηρίζουν ότι η τεχνολογία είναι συχνά η λύση στις περιβαλλοντικές προκλήσεις. Σε αυτήν την περίπτωση, αυτό ευθυγραμμίζεται επίσης με την ανάγκη προστασίας της αγροτικής μας οικονομίας από την παγκόσμια αστάθεια.