Onko olemassa ilmastoystävällisempää tapaa lannoittaa kasveja? Vastaus voi olla tuulessa

Kasvit ovat luonnostaan ​​"aurinkovoimalla", mutta niiden kasvattamiseen sadona liittyy hiilijalanjälki. Traktoreiden ja muiden laitteiden voimanlähteenä käytetty polttoaine on osa tuota jalanjälkeä, mutta suurin komponentti luokkaa 36 % liittyy synteettisten typpilannoitteiden valmistukseen käytettävään maakaasuun.

Maailmanlaajuisten maakaasumarkkinoiden konfliktien aiheuttamien häiriöiden ja ilmastonmuutokseen puuttumisen kiireellisen tarpeen välillä typpilannoitteiden riippuvuus fossiilisista polttoaineista on tulossa kestämättömäksi. Ihanteellinen ratkaisu olisi löytää tapa saada aikaan pieni hiilijalanjälki typpeä käyttämällä paikallista, uusiutuvaa energiaa. Onko se mahdollista? Tässä tapauksessa vastaus voi olla kirjaimellisesti "tuulessa puhaltaa".

Vihreät kasvit saavat energiaa kasvaakseen auringosta fotosynteesin kautta. He tekevät; tarvitsevat kuitenkin ravinteita – mineraaleja, jotka ne imevät maaperästä juuriensa kautta. Typpi, fosfori ja kalium ovat kasvin suurimmat tarpeet ja maataloudessa tai puutarhanhoidossa niitä toimitetaan lannoitteina. Kautta ihmiskunnan historian typpi oli kasvintuotantoa rajoittavin elementti, ja väestön lisääntyessä käytettävissä olevat typen lähteet, kuten kotieläinlantaa tai lintujen guano, eivät pystyneet toimittamaan kaikkea tarvittavaa. Haaste saada tarpeeksi typpeä kasveille on jokseenkin ironista, koska ilmakehä sisältää 78 % typpikaasua; se on kuitenkin melko inertti ja useimpien elävien olentojen käytettävissä. Hieman yli 100 vuotta sitten lannoitetilanne muuttui. Saksalainen tiedemies nimeltä Fritz Haber keksi katalyytin ja painejärjestelmän käyttääkseen vetyä ja osaa ilmassa olevasta typestä ja muuntaakseen sen ammoniakiksi, joka on kasvien käytettävissä oleva muoto. Toinen Carl Bosch-niminen insinööri viimeisteli ja laajensi prosessia niin, että vuoteen 1914 mennessä oli mahdollista tuottaa 20 tonnia päivässä käytettävää typpeä.

Tämä "Haber-Bosch" -prosessi suoritetaan optimaalisesti suurissa laitoksissa, joista jokainen tuottaa noin miljoona tonnia vuodessa joko maakaasulähteistä tai hiilen kaasutuksella. Maakaasu koostuu yhdestä hiili- ja neljästä vetyatomista, mutta se on vain vety, joka tarvitaan reagoimaan ilmassa olevan typen kanssa ammoniakin valmistamiseksi (yksi N-atomi, jossa on kolme vetyatomia). Tässä tapauksessa hiili on peräisin "fossiilisesta" lähteestä, joten se muodostaa "kasvihuonekaasupäästön". On olemassa erilainen tapa tuottaa vetyä, jota kutsutaan elektrolyysiksi. Tarvitaan vain vähän vettä (kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi) ja sähköä. Tämä prosessi hajottaa vedyn ja vapauttaa vaarattoman hapen. Tässä skenaariossa ei ole hiilidioksidipäästöjä. Julkiset ja yksityiset tutkijat ovat kokeilleet pienimuotoisia Haber-Boschin prosesseja ammoniakin valmistamiseksi. Painopiste on ollut tuuli- tai aurinkosähkön hyödyntämisessä. Tämä konsepti on ollut työn alla jo jonkin aikaa. Esimerkiksi vuonna 1 Minnesotan yliopiston West Central Research and Outreach Centerin 2009 miljoonan dollarin pilottilaitos käytti paikallisen tuulivoimalaitoksen sähköä tuottamaan 3.75 tonnia vedetöntä ammoniakkia vuodessa. Tämä kuvattiin haastattelussa Mike Reesen, tuon Minnesotan tehtaan uusiutuvan energian johtajan kanssa, joka julkaistiin maatalousalan lehdessä Corn+Soybean Digest. Artikkelin otsikko oli osuvasti: "Teetkö lannoitetta ohuesta ilmasta? Hajatuulivoiman käyttäminen uusiutuvan ammoniakin valmistamiseen voisi vakauttaa N hintaa ja rakentaa tuulivoimamarkkinoita."

Mitä sitten tapahtuu 13 vuoden kuluttua? Kuten kaikki uudet kemialliset prosessit, optimointi vie aikaa. On myös mittakaavaetuja, jotka vaikeuttavat kilpailua sellaisen vakiintuneen, teollisen mittakaavan prosessin kanssa, jota käytetään nykyaikaisessa lannoitteiden tuotannossa. On kuitenkin mahdollista, että tämän tekniikan versiot lähestyvät kaupallista toteutettavuutta. A "Teknis-taloudellinen analyysiTexas Techin tutkijoiden vuonna 2020 julkaisemassa tutkimuksessa todettiin, että "täyssähköistä" ammoniakkia voitaisiin valmistaa noin kaksinkertaisella hinnalla tavanomaiseen ammoniakkiin verrattuna. Se oli ennen lannoitteiden hintojen dramaattista nousua kasvukaudella 2022 (katso Moderni viljelijä: "Maanviljelijät kamppailevat pysyäkseen mukana nousevien lannoitteiden hintojen kanssa).

Tämän artikkelin haastattelussa Mike Reese Minnesotan yliopiston laitoksesta sanoo, että tälle ratkaisulle on tulossa vauhtia. Kun maakaasukustannukset nousevat, uusiutuvan sähkön kustannukset laskevat ja sitoumukset ilmastonmuutoksen hillitsemiseen nousevat etualalle; nyt on laaja kiinnostus tällaista "vihreää ammoniakkia" kohtaan. Reese sanoo, että useat suuret, perinteisiä lannoitteita valmistavat yritykset tutkivat, miten ne voisivat siirtyä tähän suuntaan. Reesen kuvaus tästä tekniikasta on julkaistu keskuksen verkkosivuilla: "Kestävän energian ja maatalouden tankkaus: tuulen laittaminen pulloon.” UMN-tutkijat ovat myös julkaisseet vastaavan taloudellinen analyysi.

Looginen skenaario on kehittää keskikokoisia voimaloita 30-200 tonnia/vuosi ja sijoittaa ne maatalousalueille, joilla on runsaasti potentiaalia tuuli- ja aurinkosähkön tuotantoon. Näin lannoitteen kuljetusjalanjälki olisi pieni ja markkinat eristyisivät maailmanlaajuisilta hintavaihteluilta. Ilmeisesti tarvitaan huomattavia pääomainvestointeja, mutta siihen voitaisiin osittain vastata ilmastonmuutokseen perustuvilla tuilla tai hiilidioksidipäästöillä. Tämä muutos olisi myönteinen myös aurinko- ja tuulienergiasektorille, koska se vastaa niiden käyttötarpeeseen tuotantohuippujen aikana, mikä ei ehkä vastaa verkon kysyntää. On olemassa riippumaton kiinnostus ammoniakkia turvallisempana keinona varastoida vetyä myöhempää vapauttamista varten monia erilaisia ​​sovelluksia.

Ikään kuin tämä tarina ei olisi jo tarpeeksi positiivinen, on olemassa tapa, jolla lannoitteiden tuotantoa voitaisiin vielä "vähentää". Bioetanolilaitoksia on levinnyt monille Yhdysvaltojen viljelyalueille. Kun ne fermentoivat rehuvarantojen, kuten maissitärkkelyksen, hiilihydraatteja, ne vapauttavat hiilidioksidia, mutta se on "hiilineutraalia", koska se on peräisin viimeaikaisesta sadon fotosynteesistä. On kuitenkin mahdollista ottaa talteen tuo runsas kaasuvarasto ja antaa se reagoida ammoniakin kanssa urean tuottamiseksi, joka on helpommin varastoitava ja levitettävä typpilannoitteen muoto ja joka voidaan muuttaa muihin yleisiin formulaatioihin, kuten UAN tai hitaasti vapautuviin pelleteihin. . Tämän yhteyden luominen ammoniakin ja etanolin tuotannon välille tuottaisi sekä liiketoiminnallisia että logistisia etuja kunkin tuotteen hiilijalanjäljen pienenemisen lisäksi.

Yhteenvetona voidaan todeta, että ammoniakin tuotannon sähköistäminen maataloudessa näyttää olevan erinomainen esimerkki ratkaisusta, jonka "näkevät"ekomodernistit", jotka väittävät, että teknologia on usein ratkaisu ympäristöhaasteisiin. Tässä tapauksessa se sopii myös tarpeeseen suojella maatilatalouttamme maailmanlaajuiselta epävakaudelta.