Kas põllukultuuride väetamiseks on kliimasõbralikum viis? Vastus võib puhuda tuules

Taimed on loomulikult "päikeseenergial töötavad", kuid nende põllukultuurina kasvatamisega kaasneb süsiniku jalajälg. Traktorite ja muude seadmete käitamiseks kasutatav kütus on osa sellest jalajäljest, kuid suurim komponent suurusjärgus 36% on seotud maagaasiga, mida kasutatakse sünteetiliste lämmastikväetiste valmistamiseks.

Ülemaailmse maagaasituru konfliktidest tingitud häirete ja kliimamuutustega tegelemise tungiva vajaduse vahel muutub lämmastikväetiste sõltuvus fossiilkütustest vastuvõetamatuks. Ideaalne lahendus oleks leida viis, kuidas kohalikku taastuvenergiat kasutades luua lämmastikuga madala süsinikujalajäljega varu. Kas see on võimalik? Sel juhul võib vastus olla sõna otseses mõttes "tuules puhuda".

Rohelised taimed saavad kasvamiseks energiat päikesest fotosünteesi käigus. Nad teevad; vajavad aga toitaineid – mineraalaineid, mida nad juurte kaudu mullast omastavad. Lämmastik, fosfor ja kaalium on taime suurimad vajadused ning põllumajanduses või aianduses tarnitakse neid väetisena. Läbi inimkonna ajaloo oli lämmastik taimekasvatust kõige piiravam element ja kuna elanikkond kasvas, ei suutnud saadaolevad lämmastikuallikad, nagu koduloomade sõnnik või linnuguano, pakkuda kõike vajalikku. Väljakutse saada taimedele piisavalt lämmastikku on mõnevõrra irooniline, sest atmosfäär sisaldab 78% gaasilist lämmastikku; see on aga üsna inertne ja enamikule elusolenditele kättesaamatu. Veidi üle 100 aasta tagasi väetise olukord muutus. Saksa teadlane Fritz Haber töötas välja katalüsaatori ja survesüsteemi, et kasutada vesinikku ja osa õhus leiduvast lämmastikust ning muuta see ammoniaagiks, mis on taimedele kättesaadav vorm. Teine insener nimega Carl Bosch täiustas ja suurendas protsessi nii, et 1914. aastaks oli võimalik toota 20 tonni kasutatavat lämmastikku päevas.

See "Haber-Boschi" protsess viiakse optimaalselt läbi suuremahulistes rajatistes, millest igaüks toodab suurusjärgus 1 miljon tonni aastas kas maagaasiallikatest või kivisöe gaasistamise teel. Maagaas koosneb ühest süsiniku- ja neljast vesinikuaatomist, kuid see on ainult vesinik, mida on vaja õhus oleva lämmastikuga reageerimiseks ammoniaagi saamiseks (üks N-aatom kolme vesinikuaatomiga). Süsinik pärineb sel juhul "fossiilsetest" allikatest, seega kujutab see endast "kasvuhoonegaaside heitkogust". Vesiniku tootmiseks on teistsugune viis, mida nimetatakse elektrolüüsiks. Vaja on ainult vett (kaks vesinikuaatomit ja üks hapnikuaatom) ja elektrit. See protsess eraldab vesiniku ja vabastab kahjutu hapniku. Selle stsenaariumi korral süsinikuheide puudub. Avaliku ja erasektori teadlased on katsetanud väikesemahulisi Haber-Boschi protsesse ammoniaagi valmistamiseks. Fookuses on olnud tuule- või päikeseenergial toodetud elektri kasutamine. See kontseptsioon on olnud töös juba mõnda aega. Näiteks 2009. aastal kasutas Minnesota ülikooli West Central Research and Outreach Centeri 3.75 miljoni dollari suurune piloottehas kohaliku tuuleenergia rajatise elektrit 25 tonni veevaba ammoniaagi tootmiseks aastas. Seda kirjeldati intervjuus selle Minnesota rajatise taastuvenergia direktoriga Mike Reese'iga, mis avaldati põllumajanduskaubanduse ajakirjas Corn+Soybean Digest. Artikli pealkiri oli tabav: „Kas teha õhust väetist? Luhtunud tuuleenergia kasutamine taastuva ammoniaagi valmistamiseks võib stabiliseerida N hindu ja luua tuuleenergia turge.

Mis siis toimub 13 aastat hiljem? Nagu iga uue keemilise protsessi puhul, võtab selle optimeerimine aega. Samuti on olemas mastaabisääst, mis raskendab konkureerimist hästi väljakujunenud tööstusliku mastaabiga protsessiga, nagu see, mida kasutatakse kaasaegses väetiste tootmises. Siiski on võimalik, et selle tehnoloogia versioonid lähenevad kaubanduslikule teostatavusele. A "Tehnomajanduslik analüüsTexas Techi teadlaste 2020. aastal avaldatud artiklis jõuti järeldusele, et "täiesti elektrilist" ammoniaaki saab toota umbes kaks korda odavamalt kui tavapärast ammoniaaki. See oli enne dramaatilist väetiste hindade tõusu 2022. aasta kasvuperioodil (vt Kaasaegne põllumees: „Põllumehed näevad vaeva, et tõusvate väetisehindadega sammu pidada).

Selle artikli jaoks antud intervjuus ütleb Mike Reese Minnesota ülikooli rajatisest, et selle lahenduse jaoks on hoogu juurde tulemas. Kuna maagaasi hinnad tõusevad, taastuvenergia kulud langevad ja kliimamuutuste leevendamise kohustused tõusevad esiplaanile; praegu tuntakse laialdast huvi sellise "rohelise ammoniaagi" variandi vastu. Reese ütleb, et mitmed suuremahulised tavaväetiste ettevõtted uurivad, kuidas nad võiksid selles suunas liikuda. Reese kirjeldus selle tehnoloogia kohta on postitatud keskuse veebisaidile: “Jätkusuutliku energia ja põllumajanduse pakkumine: tuule pudelisse panemine.” UMN-i teadlased on avaldanud ka sellega seotud majandusanalüüs.

Loogiline stsenaarium on arendada keskmise suurusega jaamasid vahemikus 30–200 tonni aastas ja paigutada need kõikidesse põllumajanduspiirkondadesse, kus on palju potentsiaali tuule- ja päikeseelektri tootmiseks. Nii oleks väetise transpordi jalajälg väike ja turg isoleeritud ülemaailmsete hinnakõikumiste eest. Ilmselgelt oleks vaja olulisi kapitaliinvesteeringuid, kuid seda saaks osaliselt lahendada kliimamuutustest tingitud toetuste või süsinikdioksiidi ühikute kaudu. See muutus oleks positiivne ka päikese- ja tuuleenergia sektori jaoks, kuna see vastab nende kasutamise vajadusele tipptootmise perioodidel, mis ei pruugi olla kooskõlas võrgu nõudlusega. Ammoniaagi kui ohutuma vahendina vesiniku säilitamiseks hilisemaks vabastamiseks pakub huvi sõltumatult palju erinevaid rakendusi.

Justkui see lugu poleks juba piisavalt positiivne, on võimalus väetiste tootmist veelgi "dekarboniseerida". Paljudes USA põllumajanduspiirkondades asuvad bioetanoolitehased. Kui nad fermenteerivad süsivesikuid söödavarudest, nagu maisitärklis, eraldavad nad CO2, kuid see on "süsinikneutraalne", kuna see pärineb põllukultuuride hiljutisest fotosünteesist. Siiski on võimalik seda rikkalikku gaasivaru kinni püüda ja reageerida ammoniaagiga, et saada uureat, mis on kergemini säilitatav ja kasutatavam lämmastikväetise vorm, mida saab muundada muudeks levinud preparaatideks, nagu UAN või aeglaselt vabastavad graanulid. . Selle seose loomine ammoniaagi ja etanooli tootmise vahel annaks lisaks iga tootega seotud süsinikujalajälje vähendamisele nii ärilisi kui ka logistilisi eeliseid.

Kokkuvõtteks võib öelda, et põllumajanduses kasutatava ammoniaagi tootmise elektrifitseerimine näib olevat suurepärane näide sellisest lahendusest, mida nägi ette "ökomodernistid”, kes väidavad, et tehnoloogia on sageli lahendus keskkonnaprobleemidele. Sel juhul on see kooskõlas ka vajadusega kaitsta meie talumajandust ülemaailmse ebastabiilsuse eest.