Er der en mere klimavenlig måde at gøde afgrøder på? Svaret kan blæse i vinden

Planter er naturligt "soldrevne", men der er et COXNUMX-fodaftryk forbundet med at dyrke dem som en afgrøde. Brændstoffet, der bruges til at drive traktorer og andet udstyr, er en del af dette fodaftryk, men den største komponent i størrelsesordenen 36 % er forbundet med den naturgas, der bruges til at fremstille syntetiske kvælstofgødninger.

Mellem konfliktdrevne forstyrrelser på det globale naturgasmarked og det presserende behov for at imødegå klimaændringer bliver kvælstofgødnings afhængighed af fossilt brændstof uholdbar. Den ideelle løsning ville være at finde en måde at skabe et lavt COXNUMX-fodaftryk på kvælstof ved hjælp af lokal, vedvarende energi. Er det muligt? I dette tilfælde kan svaret bogstaveligt talt være "blæser i vinden."

Grønne planter får energien til at vokse fra solen gennem fotosynteseprocessen. De gør; har dog brug for næringsstoffer – mineraler, som de optager fra jorden gennem deres rødder. Kvælstof, fosfor og kalium er plantens største behov, og i landbrug eller havearbejde leveres de som gødning. Gennem menneskets historie var kvælstof det mest begrænsende element for afgrødeproduktion, og efterhånden som befolkningen steg, kunne de tilgængelige kvælstofkilder såsom husdyrgødning eller fugleguano ikke levere alt, hvad der var nødvendigt. Udfordringen med at få nok kvælstof til planter er noget ironisk, fordi atmosfæren indeholder 78 % nitrogengas; dog er den ret inaktiv og utilgængelig for de fleste levende ting. For lidt over 100 år siden gødningssituationen ændrede sig. En tysk videnskabsmand ved navn Fritz Haber kom op med en katalysator og et tryksystem til at bruge brint og noget af nitrogenet i luften og omdanne det til ammoniak, som er en form, der er tilgængelig for planter. En anden ingeniør ved navn Carl Bosch perfektionerede og opskalerede processen, så det i 1914 var muligt at producere 20 tons anvendeligt nitrogen om dagen.

Denne "Haber-Bosch"-proces udføres optimalt i storskalaanlæg, der hver producerer i størrelsesordenen 1 million tons om året enten fra naturgaskilder eller gennem kulforgasning. Naturgas er sammensat af et kulstof- og fire brintatomer, men det er kun brinten, der skal til for at reagere med nitrogen i luften for at lave ammoniak (et N-atom med tre brintatomer). Kulstoffet er i så fald fra en "fossil" kilde, så det udgør en "drivhusgasemission." Der er en anden måde at generere brint på kaldet elektrolyse. Alt, der skal til, er noget vand (to brintatomer og et oxygenatom) og elektricitet. Denne proces spalter brinten og frigiver den harmløse ilt. I dette scenarie er der ingen kulstofemission. Offentlige og private forskere har eksperimenteret med små Haber-Bosch-processer til fremstilling af ammoniak. Fokus har været på at bruge vind- eller solgenereret elektricitet. Dette koncept har været undervejs i nogen tid. For eksempel i 2009 brugte et $3.75 millioner pilotanlæg til University of Minnesota's West Central Research and Outreach Center elektricitet fra et lokalt vindkraftanlæg til at producere 25 tons vandfri ammoniak om året. Dette blev beskrevet i et interview med Mike Reese, direktøren for vedvarende energi på den pågældende facilitet i Minnesota, offentliggjort i det landbrugsfaglige tidsskrift Corn+Soybean Digest. Artiklen havde den passende overskrift: "Lave gødning fra tynd luft? Brug af strandet vindkraft til at fremstille vedvarende ammoniak kunne stabilisere N-priserne, opbygge vindenergimarkeder."

Så hvad sker der 13 år senere? Som med enhver ny kemisk proces tager det tid at optimere. Der er også stordriftsfordele, der gør det vanskeligt at konkurrere med en veletableret proces i industriel skala som den, der bruges til moderne gødningsproduktion. Det er dog muligt, at versioner af denne teknologi nærmer sig en kommerciel gennemførlighed. en "Tekno-økonomisk analyse” offentliggjort i 2020 af forskere ved Texas Tech konkluderede, at "al elektrisk" ammoniak kunne produceres til omkring det dobbelte af prisen for konventionel ammoniak. Det var før de dramatiske stigninger set med gødningspriserne for vækstsæsonen 2022 (se Moderne landmand: "Landmænd kæmper for at holde trit med stigende gødningspriser).

I et interview til denne artikel siger Mike Reese fra University of Minnesota-faciliteten, at der er gang i denne løsning. Med stigende naturgasomkostninger, faldende omkostninger til vedvarende elektricitet og forpligtelser til at afbøde klimaændringer kommer i højsædet; der er nu bred interesse for denne form for "grøn ammoniak". Reese fortæller, at flere af de store, konventionelle gødningsvirksomheder undersøger, hvordan de kan skifte i denne retning. Reeses beskrivelse af denne teknologi er offentliggjort på centrets hjemmeside: "Brændstof til bæredygtig energi og landbrug: Putting Wind in a Bottle." UMN-forskere har også offentliggjort en relateret Økonomisk analyse.

Et logisk scenarie er at udvikle mellemstore anlæg i intervallet 30 til 200 ton/år og placere dem i hele landbrugsregioner, hvor der er masser af potentiale for vind- og solenergiproduktion. På den måde ville gødningens transportfodaftryk være lille, og markedet ville være isoleret fra globale prisudsving. Naturligvis ville der være behov for betydelige kapitalinvesteringer, men det kan delvist løses gennem klimaændringsdrevne subsidier eller gennem kulstofkreditter. Denne ændring ville også være positiv for sol- og vindenergisektoren, fordi den imødekommer deres behov for udnyttelse i spidsbelastningsperioder, som måske ikke stemmer overens med netefterspørgslen. Der er en uafhængig interesselinje for ammoniak som et sikrere middel til at opbevare brint til senere frigivelse for mange forskellige applikationer.

Som om denne historie ikke allerede var positiv nok, er der en måde, hvorpå gødningsproduktionen kan blive endnu mere "dekarboniseret." Der er bioethanolanlæg spredt over mange amerikanske landbrugsregioner. Når de fermenterer kulhydraterne fra fodermaterialer som majsstivelse, udleder de CO2, men det er "kulstofneutralt", idet det kommer fra nyere afgrødefotosyntese. Det er dog muligt at opfange den rigelige forsyning af gas og omsætte den med ammoniak for at producere urinstof, som er en lettere opbevaret og påført form for kvælstofgødning og en, der kan omdannes til andre almindelige formuleringer såsom UAN eller pellets med langsom frigivelse. . At skabe denne forbindelse mellem produktion af ammoniak og ethanol ville have både forretningsmæssige og logistiske fordele ud over de reduktioner af COXNUMX-fodaftrykket, der er forbundet med hvert produkt.

Som konklusion synes elektrificering af ammoniakproduktion til landbruget at være et glimrende eksempel på den slags løsning, som "økomodernister” som hævder, at teknologi ofte er løsningen på miljømæssige udfordringer. I dette tilfælde stemmer det også overens med et behov for at beskytte vores landbrugsøkonomi mod global ustabilitet.