Existuje klimaticky priaznivejší spôsob hnojenia plodín? Odpoveď môže fúkať vo vetre

Rastliny sú prirodzene „poháňané solárnou energiou“, ale s ich pestovaním ako plodinou je spojená uhlíková stopa. Palivo používané na pohon traktorov a iných zariadení je súčasťou tejto stopy, ale najväčšou zložkou rádovo 36% sa spája so zemným plynom používaným na výrobu syntetických dusíkatých hnojív.

Medzi narušeniami globálneho trhu so zemným plynom spôsobeným konfliktmi a naliehavou potrebou riešiť zmenu klímy sa závislosť dusíkatých hnojív od fosílnych palív stáva neudržateľnou. Ideálnym riešením by bolo nájsť spôsob, ako zabezpečiť zásobovanie dusíkom s nízkou uhlíkovou stopou pomocou miestnej obnoviteľnej energie. Je to možné? V tomto prípade môže byť odpoveď doslova „fúkať vo vetre“.

Zelené rastliny získavajú energiu na rast zo slnka prostredníctvom procesu fotosyntézy. Oni robia; potrebujú však živiny – minerály, ktoré prijímajú z pôdy cez korene. Dusík, fosfor a draslík sú najväčšie potreby rastlín a v poľnohospodárstve alebo záhradníctve sa dodávajú ako hnojivo. V celej histórii ľudstva bol dusík najobmedzujúcim prvkom pre produkciu plodín a so zvyšujúcou sa populáciou dostupné zdroje dusíka, ako je hnoj domácich zvierat alebo vtáčie guáno, nedokázali dodať všetko, čo bolo potrebné. Výzva získať dostatok dusíka pre rastliny je trochu ironická, pretože atmosféra obsahuje 78 % plynného dusíka; je však celkom inertný a pre väčšinu živých vecí nedostupný. Pred niečo vyše 100 rokmi situácia s hnojivami sa zmenila. Nemecký vedec Fritz Haber prišiel s katalyzátorom a tlakovým systémom, ktorý využíva vodík a časť dusíka vo vzduchu a premieňa ho na amoniak, ktorý je vo forme dostupnej pre rastliny. Ďalší inžinier Carl Bosch zdokonalil a zväčšil tento proces tak, že do roku 1914 bolo možné vyrobiť 20 ton/deň použiteľného dusíka.

Tento „Haber-Boschov“ proces sa optimálne vykonáva vo veľkých zariadeniach, z ktorých každý produkuje rádovo 1 milión ton ročne buď zo zdrojov zemného plynu alebo prostredníctvom splyňovania uhlia. Zemný plyn sa skladá z jedného uhlíka a štyroch atómov vodíka, ale je to len vodík, ktorý je potrebný na reakciu s dusíkom vo vzduchu na výrobu amoniaku (jeden atóm dusíka s tromi atómami vodíka). Uhlík v tomto prípade pochádza z „fosílneho“ zdroja, takže predstavuje „emisie skleníkových plynov“. Existuje iný spôsob generovania vodíka nazývaný elektrolýza. Všetko, čo je potrebné, je voda (dva atómy vodíka a jeden atóm kyslíka) a elektrina. Tento proces oddeľuje vodík a uvoľňuje neškodný kyslík. V tomto scenári nedochádza k žiadnym emisiám uhlíka. Verejní a súkromní výskumníci experimentovali s Haber-Boschovými procesmi v malom meradle na výrobu amoniaku. Dôraz sa kládol na využívanie elektriny vyrobenej veternou alebo solárnou energiou. Na tomto koncepte sa už nejaký čas pracuje. Napríklad v roku 2009 pilotná elektráreň vo West Central Research and Outreach Center na University of Minnesota v hodnote 3.75 milióna dolárov využívala elektrinu z miestnej veternej elektrárne na výrobu 25 ton bezvodého amoniaku ročne. Toto bolo opísané v rozhovore s Mikeom Reesem, riaditeľom pre obnoviteľnú energiu v zariadení v Minnesote uverejnenom v poľnohospodárskom odbornom časopise Corn+Soybean Digest. Článok mal výstižný názov: „Vyrobiť hnojivo z riedkeho vzduchu? Použitie uviaznutej veternej energie na výrobu obnoviteľného amoniaku by mohlo stabilizovať ceny dusíka a vybudovať trhy s veternou energiou.“

Čo sa teda deje o 13 rokov neskôr? Ako pri každom novom chemickom procese, optimalizácia si vyžaduje čas. Existujú aj úspory z rozsahu, ktoré sťažujú konkurenciu dobre zavedeným procesom v priemyselnom meradle, akým sa používa na výrobu moderných hnojív. Je však možné, že verzie tejto technológie sa približujú komerčnej realizovateľnosti. A “Techno-ekonomická analýza“, publikované v roku 2020 výskumníkmi z Texas Tech, dospeli k záveru, že „celoelektrický“ čpavok by sa dal vyrábať približne za dvojnásobok nákladov na bežný komoditný čpavok. Bolo to pred dramatickým nárastom cien hnojív pre vegetačnú sezónu 2022 (pozri Moderný farmár: „Poľnohospodári sa snažia držať krok s rastúcimi cenami hnojív).

V rozhovore pre tento článok Mike Reese zo zariadenia University of Minnesota hovorí, že toto riešenie naberá na sile. S rastúcimi cenami zemného plynu, klesajúcimi nákladmi na elektrinu z obnoviteľných zdrojov a do popredia sa dostávajú záväzky týkajúce sa zmierňovania klimatických zmien; o tento druh „zeleného amoniaku“ je teraz veľký záujem. Reese hovorí, že niekoľko veľkých spoločností vyrábajúcich konvenčné hnojivá skúma, ako by sa mohli posunúť týmto smerom. Reeseov popis tejto technológie je zverejnený na webovej stránke centra: “Tankovanie trvalo udržateľnej energie a poľnohospodárstva: dať vietor do fľaše.“ Výskumníci UMN tiež zverejnili súvisiace ekonomickej analýzy.

Logickým scenárom je vývoj stredne veľkých zariadení v rozsahu 30 až 200 ton/rok a ich umiestnenie v poľnohospodárskych regiónoch, kde je veľký potenciál na výrobu elektriny z vetra a slnka. Takto by bola prepravná stopa hnojiva malá a trh by bol izolovaný od globálnych cenových výkyvov. Je zrejmé, že by boli potrebné značné kapitálové investície, ale to by sa mohlo čiastočne riešiť prostredníctvom dotácií na základe klimatických zmien alebo prostredníctvom uhlíkových kreditov. Táto zmena by bola pozitívna aj pre sektor solárnej a veternej energie, pretože rieši ich potrebu využitia počas špičkových výrobných období, ktoré nemusia zodpovedať dopytu po sieti. Existuje nezávislá línia záujmu o amoniak ako bezpečnejší prostriedok na skladovanie vodíka na neskoršie uvoľnenie veľa rôznych aplikácií.

Akoby tento príbeh už nebol dostatočne pozitívny, existuje spôsob, ako by sa výroba hnojív mohla ešte viac „dekarbonizovať“. Bioetanolové závody sú rozmiestnené v mnohých poľnohospodárskych regiónoch USA. Keď fermentujú uhľohydráty z kŕmnych surovín, ako je kukuričný škrob, uvoľňujú CO2, ale ten je „uhlíkovo neutrálny“, pretože pochádza z nedávnej fotosyntézy plodín. Je však možné zachytiť túto bohatú zásobu plynu a zreagovať ho s amoniakom za vzniku močoviny, ktorá je ľahšie skladovateľnou a aplikovanou formou dusíkatého hnojiva a ktorú možno premeniť na iné bežné prípravky, ako sú UAN alebo pelety s pomalým uvoľňovaním. . Vytvorenie tohto prepojenia medzi výrobou čpavku a etanolu by prinieslo obchodné aj logistické výhody okrem zníženia uhlíkovej stopy spojeného s každým výrobkom.

Na záver možno povedať, že elektrifikácia výroby amoniaku pre poľnohospodárstvo sa javí ako vynikajúci príklad riešenia, ktoré si predstavuje „ekomodernistov“, ktorí tvrdia, že technológia je často riešením environmentálnych problémov. V tomto prípade je to tiež v súlade s potrebou chrániť našu farmársku ekonomiku pred globálnou nestabilitou.